Оценка причин деформации откоса при реконструкции набережной Обводного канала в Санк-Петербурге

"Основание, фундаменты и механика грунтов" - 2001, №6 
© В.М. Улицкий, В.Н. Парамонов, А.Г. Шашкин 

С 1918 г. по настоящее время в Петербурге ведутся работы по возведению набережной Обводного канала со стороны Литовского проспекта в направлении Предтеченского моста.
Вдоль набережной проложен трубопровод с высоковольтным электрокабелем. Согласно контрольным замерам в сентябре 1997 г. абсолютная отметка заложения трубопровода составляла 5,3...5,9 м БС.
К концу марта 1999 г. вдоль набережной было построено двурядное шпунтовое ограждение и возведена часть набережной со стороны Литовского проспекта. За шпунтовым ограждением выполнена экскавация грунта до отметки + 1,0 БС, погружены металлические сваи-оболочки для опор мостового крана (рис. 1). По сведениям строителей, в процессе производства работ наблюдались отклонения шпунта и набережной в целом от вертикали, достигшие 13 см к концу мaрта 1999 г. В конце марта - начале апреля 1999 г. техническим надзором ЛенЭнерго выполнялось контрольное шурфование по длине трубопровода. В результате вскрытия шурфов было установлено общее его оседание, причем максимальная осадка достигла 1 м. В целях предотвращения развитии дальнейших опасных деформаций реконструкция набережной была приостановлена до выяснения причин осадок и разработки защитных мероприятий. 

Остановимся на анализе данной геотехнической ситуации.
Абсолютная отметка дневной поверхности участка реконструкции набережной составляла 7...8 м БС В пределах выполненных изысканий в разрезе выявлены поздне- и послеледниковые отложения различного состава лужской морены. Сверху залегает слежавшийся техногенный слой, представленный насыпными грунтами, образованными в результате отсыпки пологих берегов обводного канала. Он распространен до абсолютной отметки +0,3 м БС.

Под техногенным грунтом залегает четырехметровая толща морских и озерных песков и супесей, невыдержанных по глубине и простиранию, различных по диалогическому составу - пески пылеватые средней плотности мощностью до 1,4 м, полутораметровый (в среднем) слой слабозаторфованных супесей текучей консистенции. На значительной части трассы в интервале абсолютных отметок +2,4...-1,8 м БС пески и супеси сменяются по простиранию на тиксотропные суглинки текучей консистенции мощностью 0,5...3 м.

Аналитические исследования выполнены на основании визуального осмотра, определения фактической длины погруженного шпунта, анализа технической документации и серии геотехнических расчетов. Исходя из геотехнических условии рассматриваемого участка, проанализированы следующие возможные причины оседания трубопровода.
1. Осадка грунтов основания в результате развития суффозионных процессом, вызванных действующими градиентами напора и связанных с резкостью уровня грунтовых вод и уровня воды в Обводном канале.
Абсолютная отметка грунтовых вод составляет около 4,6 м, абсолютная отметка воды в канале - 0,23 . .0,3 м. Таким образом, разность напоров около 4,3 м. Расстояние от трубопровода до естественной береговой линии около 15...20 м. Таким образом, максимальный действующий градиент напора 0,22…0,29. Эта величина близка к расчетному критическому градиенту напора для пылеватых песков. Однако при таком градиенте напора не может происходить интенсивного выноса пылеватых частиц из грунта.

2. Осадка грунтов основания в результате развития суффозионных процессов, вызванных протечками воды в канализационный коллектор.
Канализационный коллектор диаметром 3200 мм расположен практически под трубопроводом электрокабеля. Коллектор выполнен щитовой про ходкой, имеет тюбинговую обделку с внутреннем гидроизоляцией из листовой стали. Абсолютная отметка наложения верха коллектора около -5,0 м БС. Таким образом, коллектор располагается в слое моренных суглинков, местами захватывая озерно-ледниковые ленточные тиксотропные суглинки текучей консистенции. Суффозионные процессы с выносом мелких фракций грунта маловероятны, поскольку коллектор располагается в глинистых грунтах, имеющих низкую проницаемость. Просадка трубопровода электрокабеля возможна в случае нарушения герметичности коллектора и прямого выноса грунта в коллектор.

3. Оседание массива грунта в результате потери устойчивости природного откоса и откоса за шпунтовым ограждением.
Для оценки возможности оседания трубопровода электрокабеля вследствие потери устойчивости массива грунта проведены расчетно-аналитические исследования. Существующие методы расчета откосов заключаются в нахождении коэффициента запаса, определяемого как отношение удержичающих сил к сдвигающим. Однако такие методы оперируют только прочностными свойствами грунта и не используют деформационных характеристик, что не позволяет прогнозировать перемещения массива грунта.
В связи со сложными геометрией напластования грунтов на площадке и конфигурацией существующей дневкой поверхности, необходимостью учета работы грунта т пределами линейной стадии и поэтапного изменения статических условий нагружевия основания, расчеты выполнялись с использованием метода конечных элементов.
На первом этапе формировалось природное напряженное состояние с исходной геометрией откоса.
Как показывают расчеты, природный откос находится в предельном состоянии (рис. 2), поэтому оползневые явлении не исключены. Однако такие явления происходят длительное время и не могут быть причиной относительно быстрых просадок.
На втором этапе в расчетную схему вводились элементы шпунтовых ограждений и проводилась выборка элементов грунта за пределами ограждения до отметки +1,0 м БС.
Расчетное горизонтальное смещение верха шпунта составило 27 см, а низа - 16 см. При этом горизонтальное смещение трубопровода злектрокабеля составило 20 см, а его осадка 2 см (рис. 3). Таким образом, расчетное оседание трубопровода оказывается на порядок (!) ниже его горизонтального смещения. Можно отметить, что в окрестности шпунтового ограждения движение массива грунта имеет преимущественно горизонтальное направление. Следовательно, исходя из рассмотрения статических условий работы массива грунта, ни горизонтальные подвижки шпунта, ни потеря устойчивости массива в откосе не могут быть непосредственной причиной оседания трубопровода электрокабеля на 1 м.

Таким образом, рассмотренные факторы, хотя и не объясняют метрового оседания трубопровода, могли способствовать переходу пылеватых песков в рыхлое состояние и нарушению природной структуры слабых глинистых грунтов. Очевидно, деформации откоса могут быть также связаны с динамическими воздействиями при производстве работ.

4. Уплотнение рыхлых водонасыщенных песков основания при динамических воздействиях.
Как известно, рыхлые водонасыщенные пески обладают способностью уплотняться при приложении динамических воздействий. Согласно результатам статического зондирования, мощность рыхлых грунтов под кабелем составляет около 1,5м. Учитывая, что оседание трубопровода составило около 1 м, первоначальная мощность этого слоя должна быть около 2.5 м.

Таким образом, относительная вертикальная деформация рыхлого слоя при уплотнении должна составить 0,4, что невозможно даже для рыхлых песков.

5. Погружение трубопровода относительно массива грунта в результате разжижения грунтов, вызванного динамическими воздействиями.
Рыхлые грунты, особенно водонасьщенные, обладают способностью разжижаться при динамических воздействиях, приобретая свойства вязкой жидкости. Плотность рыхлого грунта составляет около 1,4...1,6 т/м³. а средняя плотность трубопровода вместе с кабелем и заполняющей масляной жидкостью - около 2,4 т/м³. Тела, имеющие плотность, большую плотности жидкости, погружаются в нее со скоростью, пропорциональной коэффициенту вязкости этой жидкости. Учитывая, что общего оседания территории на 1 м не наблюдалось, с высокой степенью вероятности можно предположить, что произошла не осадка трубопровода вместе с массивом грунта, а его оседание относительно массива.

Для оценки влияния динамических воздействий на подземные коммуникации при погружении шпунта вибропогружателем В-402 и за бивке свай выполнен расчет в соответствии с ВСН 490-87 и «Методическими рекомендациями по забивке свай вблизи зданий и подземных коммуникаций» (1970 г.). Заметим, что уровень динамических воздействий на грунты в основании трубопровода при вибропогружении шпунта мог превысить нормативное значение в 1,2...3 раза, а при забивке металлических труб - в 2,2...4 раза.

ВЫВОДЫ
1. Непосредственно причиной оседания трубопровода электрокабеля не могут быть суффозионные процессы и процессы, связанные с разуплотнением грунтов основания. Метровое оседание трубопровода можно объяснить либо выносом объеков грунта ниже трубопровода в канализационный коллектор, либо погружением трубопровода в грунт при динамическом разжижении грунтов.
2. Приведенный в статье анализ геотехнической ситуации является рядовой задачей, которая должна решаться на каждом объекте сложной реконструкции. Данная ситуация представляет интерес скорее в плане дальнейшею развития событий. В дополнение к исходному проекту (железобетонная монолитная подпорная стенка на забивных сваях длиной 14 м и сечением 35x35 см), который вполне обеспечивал устойчивость откоса вместе с расположенными на нем коммуникациями, были выполнены следующие работы. На участке длиной 90 м были устроены четыре ряда буронабивных свай глубиной погружения 30 м с шагом 1,8 м в каждом ряду. Авторы статьи никоим образом не ставят под сомнение способность этого свайного поля удержать на консолях две нитки кабеля в маслонаполненной трубе массой 100 кг/м. Могучее свайное поле, которое могло бы выдержать вес небоскреба, наверное, так навсегда и останется памятником профессионализму авторов столь оригинальной идеи.