Особенности инженерно-геологических условий территории
города Санкт-Петербурга *

Четвертичные отложения в Санкт-Петербурге залегают на неровной поверхности дочетвертичных пород - верхнекотлинских глинах - в северной и центральной части города, и на нижнекембрийских - в южных районах Санкт-Петербурга. Присутствие палеодолин в подземном рельефе кровли коренных пород во многом определяет специфичность разреза четвертичной толщи и ее мощность: вне палеодолин она имеет мощность порядка 30 м, а в тальвеговых зонах палеодолин возрастает до 120 м.

Вне погребенных долин верхнекотлинские глины могут служить надежным опорным горизонтом для свайных фундаментов. При использовании верхнекотлинских и нижнекембрийских глин в качестве основания или среды подземного сооружения следует учитывать их макро- и микротрещиноватость, и как следствие, неоднородность по глубине и простиранию.

В палеодолинах выделяются три толщи моренных образований: наиболее древняя - днепровская, далее вверх по разрезу московская и лужская, которые расчленены водноледниковыми морскими и озерными отложениями. Моренные отложения днепровского и московского оледенения прослеживаются в глубоких погребенных долинах, в том числе под рекой Смоленкой, в районе площади Мужества, местами в долине пра-Невы.

В качестве несущего слоя для свайных фундаментов наибольшее практическое значение имеет лужская морена, которая является наиболее выдержанным, четко прослеживающимся по всей территории города верхним горизонтом. Глубина залегания этой толщи меняется от метров до первых десятков метров, местами образования лужской морены выходят на дневную поверхность (в север и южной частях города и локально в центральной зоне вблизи Витебского вокзала).

Озерно-ледниковые отложения Балтийского ледникового озера, перекрывающие верхнюю лужскую морену, пользуются широким распространением, за исключением отдельных зон вдоль Невы и Невской губы. Суммарная мощность слоев этих отложений преимущественно составляет 3 - 10 м, в островной части города может достигать 20 м. В разрезе толщи озерно-ледниковых отложений выделяются точные глины, суглинки, супеси, реже пески. Наиболее широко развиты в разрезе породы с ленточной слоистостью. В верхней части разреза ленточные глины постепенно переходят в суглинки и супеси, которые представляют собой верхний горизонт ленточных образований, утративших свою первоначальную слоистость за счет процессов выветривания.

Для грунтов данной группы характерны высокая природная влажность и пористость, анизотропность механических свойств, высокая сжимаемость, пучинистость, тиксотропность.

В центральной (островной) части города эти грунты характеризуются значительной микробиологической пораженностью, текучей и текучепластичной консистенцией, способностью к разжижению даже при слабых динамических воздействиях, высокой коррозионной активностью.

Озерно-ледниковые отложения второй литориновой террасы (в правобережной и южной частях города) имеют чаще всего пластичную консистенцию с ожелезнением в верхней зоне и некоторым повышением прочности в нижней зоне (по сравнению со средней).

Повсеместным распространением в пределах исторического центра города пользуются современные озерно-морские (литориновые) отложения, в основном, пески и супеси, реже суглинки, локально распространены анциловые образования. Являясь отложениями теплого мелкого моря, они в значительной степени обогащены органикой.

Весьма проблематично использование этих отложений представляют в качестве основания сооружения либо среды подземных коммуникаций.

Суммарная мощность слоев озерно-морских отложений, как правило, не превышает 5 м; они представлены песками пылеватыми, супесями пылеватыми и суглинками со значительным количеством органики. Пылеватые пески, как правило, обладают плывунными свойствами, легко переходят в плывунное состояние при изменении гидродинамического режима и приложении дополнительных напряжений, особенно знакопеременных. Супеси и суглинки следует рассматривать как слабые квазипластичные тиксотропные грунты. При пригрузке их техногенными грунтами в случае свайных фундаментов можно возникновение нулевого или отрицательного трения.

В слоях озерно-морских отложений содержатся линзы и прослои торфа и заторфованных грунтов разного состава. Эти грунты обладают сравнительно большой и неравномерной сжимаемостью.

В верхней части разреза четвертичной толщи на территории города широко развиты болотные отложения, представленные торфами, мощность которых колеблется от 0,2 до 11,0 м. В настоящее время сохранились только наиболее крупные торфяники в северной части города (болота Лахтинское, Левашовское, Парголовское, Шуваловское и др.). Следует отметить, что в озерных осадках и в период последней трансгрессии образовались слои и линзы погребенных торфов, которые начали свое развитие в позднем голоцене. Наибольшим развитием пользуются торфяники верхового, в меньшей степени, низинного типа. Мощность болотных отложений составляет 0,5 ... 3 - 5 м, максимальная 7 - 12 м.

Особенностью геолого-литологического строения четвертичного разреза Санкт-Петербурга является наличие техногенных насыпных и намывных образований, которые укладывались на болотные, литориновые, либо озерно-ледниковые отложения. На многих участках размещались хозяйственно-бытовые отходы, а также отходы промышленности и строительного производства, что сказалось на состоянии и физико-механических свойств грунтов нижележащей толщи.

Территория Санкт-Петербурга находится в пределах северо-западной части Московского артезианского бассейна на южном склоне Балтийского щита со стоком подземных вод в Балтийское море.

Согласно существующей гидрогеологической стратификации разреза Санкт-Петербурга выделяют водоносные горизонты и комплексы:

  • подземные воды, приуроченные к породам четвертичного возраста, в том числе техногенным образованиям (насыпным и намывным), повсеместно присутствующим в верхней части разреза, современным отложениям болот и озерно-морским (литориновым) пескам и супесям, озерно-ледниковым разностям верхнечетвертичного времени, а также спорадически развитым песчаным линзам валдайской морены;
  • верхний межморенный водоносный горизонт, приуроченный к межстадиальным песчаным образованиям, обычно вскрывается в погребенных долинах города; этот горизонт, получивший название «полюстровский», даже в погребенных долинах распространен локально из-за значительной фациальной и литологической изменчивости отложений в пределах территории города;
  • нижний межморенный водоносный горизонт, прослеживаемый под московской мореной, имеет в пределах города еще более локальное развитие по сравнению с вышеупомянутым в связи с тем, что он обнаруживается только в отдельных глубоких палеодолинах города в его северной части и на юго-восточной окраине Санкт-Петербурга и рассматривается как водоносный горизонт стратегических запасов воды;
  • ордовикский и кембро-ордовикский водоносные горизонты вскрываются на Ижорском плато южнее Ладожско-Балтийского глинта; первый из них приурочен к известнякам, а второй - к песчаникам; эти горизонты прослеживаются в юго-западной части города в Красносельском районе;
  • ломоносовский водоносный горизонт вскрывается в песчаниках, его нижним водоупором служат верхнекотлинские глины венда, а верхним - нижнекембрийские синие глины лонтоваского горизонта; однако в южной части города, где глинистая толща верхнего водоупора отсутствует в разрезе, ломоносовский водоносный горизонт перекрывается четвертичными отложениями;
  • нижнекотлинский (гдовский) водоносный горизонт, приуроченный к песчаникам котлинской свиты венда, распространен повсеместно, начиная от северных границ города и области и далее в южном направлении за пределы Ленинградской области.

Грунтовые воды имеют региональное распространение на территории города, режим которых нарушается в островной части существованием шпунтовых ограждений и набережных, формирующих локальные, практически замкнутые гидрогеологические системы в пределах отдельных островов.

На территории города выделяется 2 подтипа гидродинамического режима грунтовых вод. В периферийных северных, северо-восточных и восточных районах с рассредоточенной застройкой и обилием зеленых массивов реализуется естественный и слабонарушенный гидродинамический режим, который определяется сезонными климатическими изменениями: предвесенние низкие уровни устанавливаются с середины февраля до конца марта; весенний максимальный уровень - в апреле - мае. При обилии осадков в летний период, обеспечивающих высокое положение уровня подземных вод до конца года, летне-осенние и осенне-зимние экстремумы сильно сглаживаются. Отмечается уменьшение годовой амплитуды колебаний уровней подземных вод.

В островной части города гидродинамический режим подземных вод определяется, преимущественно, техногенными факторами. Сплошная застройка, асфальтовое покрытие и пр. приводит к его малой зависимости от климатических колебаний. Отмечается сглаженность экстремальных значений уровней и незначительная годовая амплитуда колебаний. Отсутствие зон активного дренирования подземных вод в пределах исторического центра города (за счет шпунтовых ограждений и набережных водотоков, низких абсолютных отметок и плоского рельефа) предопределяет их застойный гидродинамический режим и подтопление территории. Подтопление усиливается в местах утечек канализационно-ливневых, водопроводных и других коммуникаций (при этом возникают локальные купола подпора, предопределяющие значительную дифференциацию абсолютных отметок уровня подземных вод), а также за счет конденсационных процессов. В настоящее время практически всю островную часть города можно рассматривать как зону подтопления.

Гидрохимический режим подземных вод, как и гидродинамический, определяется техногенными факторами (исключение составляют периоды наводнений).

Значительный уровень загрязнения подземных вод фиксируется практически на всей территории исторического центра, особенно в зонах палеодолин, которые являются ложбинами стока и аккумулируют загрязняющие компоненты. В таких зонах, как правило, формируются наиболее неблагоприятные геоэкологические условия, развиваются различные негативные физико-химические и биохимические процессы.

На большей части площади распространения Полюстровского водоносного горизонта воды напорные. При проведении строительных работ в районе развития Полюстровского горизонта возможны прорывы вод в котлованы. В настоящее время за счет подъема пьезометрический поверхности в районе местонахождения образовались восходящие родники, происходит затопление подвалов и деформация ряда зданий.

При строительстве подземных сооружений необходимо учитывать действие высоких напоров нижнего межморенного водоносного горизонта.

Природные и природно-техногенные процессы и явления.

Все диагностируемые процессы и явления по критерию опасности условно разделяются на три группы: I - проблематично опасные эндогенные процессы; II - опасные экзогенные процессы и явления; III - экзогенные процессы со средним и низким уровнями опасности.

К первой группе отнесены эндогенные процессы, которые включают:

- малоамплитудные движения отдельных структурных блоков, происходящие по всем дизъюнктивным разломам в вертикальном направлении. При этом территория Санкт-Петербурга, приуроченная к узлам пересечения разнонаправленных разломов каледонского, герцинского, альпийского, а также современного времени их активизации, определяет проявление структуры типа «битой тарелки» с определенной скоростью движения отдельных блоков разных размеров;

- сейсмичность Санкт-Петербурга, которая в настоящее время оценивается пятью баллами, ряд исследователей предполагают вводить повышение балльности до шести-семи, что может быть рассмотрено только после проведения специальных исследований и реализации геодинамического мониторинга;

- радоноопасность и глубинные эманации. Техногенная деятельность в подземном пространстве города может в значительной степени изменять (усиливать или ослаблять) миграцию радионуклидов, в том числе и радиоактивных газов.

Из экзогенных процессов второй и третьей групп к наиболее опасному процессу следует отнести негативную трансформацию песчано-глинистых пород как четвертичного, так и дочетвертичного возраста при изменении физико-химических и биохимических условий. Причем, такие изменения могут быть вызваны не только техногенным фактором, например контаминацией (загрязнением) подземной среды, но и действием природных условий, в частности широким развитием захороненных болот и отложений, обогащенных органическим материалом. Негативная трансформация песчано-глинистых грунтов под воздействием физико-химических и биохимических факторов приводит к развитию таких природно-техногенных явлений как: образование плывунов, структурно-неустойчивых грунтов, что, в свою очередь, формирует дефицит несущей способности грунтов в основании наземных сооружений, развитие значительных и неравномерных осадок зданий, увеличение давления на крепь подземных выработок, потерю устойчивости откосов водотоков и др. Изменение физико-химических и биохимических условий приводит к деградации не только грунтов, но и строительных материалов.

К экзогенным процессам относится биохимическая газогенерация. Микробная деятельность может сопровождаться образованием биохимических газов, генерируемых бактериями различных физиологических групп в процессе преобразования органических субстратов.

Потенциально опасными в отношении биохимической газогенерации не только метана и углекислого газа, но и сероводорода являются зоны погребенных болотных массивов в Санкт-Петербурге.

К числу природно-техногенных процессов среднего уровня опасности, развивающихся на склонах рек и откосах каналов Санкт-Петербурга и оказывающих влияние на устойчивость и нормальное функционирование набережных, инженерных коммуникаций и расположенных вдоль водотоков зданий и сооружений, следует отнести оползневые процессы.

На интенсивность развития оползневых деформаций в пределах откосов водотоков оказывает влияние нерегулируемая хозяйственная деятельность человека (утечки техногенных вод, динамическое действие транспорта).

Южная окраина Санкт-Петербурга (города-спутники: Красное Село и Пушкин, пос. Горелово, Скачки и др.) расположена на склоне Балтийско-Ладожского уступа (Ордовикского глинта) и на площади примыкающего к нему с юга Ижорского (Ордовикского) плато, где могут развиваться карстовые явления.

Основные факторы, контролирующие закарстованность территории южных окраин Санкт-Петербурга, - характер склона глинта и приподнятость карстового массива над Приневской низиной; литологический состав карбонатных пород и степень их трещиноватости; мощность перекрывающих четвертичных отложений, скорость и характер загрязнения подземных вод.

Карстовые процессы относятся к числу прогнозируемых при освоении территории, либо при оценке степени опасности уже застроенных участков. Провальные явления, влияющие на устойчивость сооружений возникают достаточно редко и локализованы в пределах только юго-западной части города. При соответствующей полноте инженерно-геологической и гидрогеологической информации, а также учете экологических факторов, обеспечивающих решение вопросов прогноза активизации карста, этот процесс может рассматриваться как имеющий низкий уровень опасности.

Наибольшее значение имеют следующие техногенные процессы:

  • большие, неравномерные, длительно незатухающие осадки зданий и сооружений и окружающей территории;
  • подъем территорий подсыпкой или намывом, образование слоев техногенных грунтов (намытых песков, отвалов грунта, золы, городского мусора и др.);
  • деформации зданий и сооружений, расположенных в зонах развития мульды оседания при строительстве тоннелей;
  • потеря устойчивости несущих слоев оснований зданий и сооружений, сложенных глинистыми грунтами в состоянии незавершенной консолидации или подвергшихся промерзанию-оттаиванию;
  • разрушение природной структуры грунтов при традиционных способах производства земляных работ;
  • плывунные явления при открытом водоотливе из котлованов и траншей;
  • изменение несущей способности свай вследствие развития сил отрицательного трения на участках, поднятых намытым или насыпным грунтом;
  • развитие процессов гниения торфа, органических включений в грунте и деревянных элементов подземных конструкций при понижении уровня подземных вод;
  • механическая суффозия грунта при открытом водоотливе и авариях на сетях.

* - "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ". ТСН 50-302-2004 САНКТ-ПЕТЕРБУРГ. г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004 год.