Введение

Вопрос численного моделирования карстовых процессов в инженерной геологии до сих пор остаётся сравнительно слабо проработанным в прикладном отношении, особенно если речь идёт не о теоретических построениях, а о задачах, непосредственно связанных с оценкой риска для конкретного сооружения. Именно с этой проблемой столкнулись специалисты ООО «КазГеоЛаб», приступая к работе по объекту «Дом Мергасова», ставшему первым кейсом, на котором была предпринята попытка численного моделирования карстовых процессов в программных комплексах.

На рынке существует достаточно широкий набор расчётных комплексов – от SiO2D до Geo5 и MIDAS, однако доступной методической информации именно по моделированию карстовых процессов оказалось немного. В этом смысле данная работа представляет интерес не только как прикладной расчёт для конкретного здания, но и как опыт постановки самой задачи, выбора параметров модели и интерпретации полученных результатов.

Для Казани эта тема имеет особенно важное значение, поскольку карстовая опасность в городе связана с особенностями геологического строения территории: распространением растворимых пород пермской свиты под чехлом четвертичных и неогеновых отложений. Значительная часть карстовых провалов формировалась в неогеновое время. То есть современное состояние территории во многом определяется именно унаследованными полостями и зонами ослабления, которые продолжают влиять на устойчивость оснований и сооружений.

Объект исследования и постановка задачи

Дом Мергасова – объект культурного наследия регионального значения, расположенный в историческом центре Казани. Здание было построено в 1928 году и стало первым многоэтажным многоквартирным домом в Казани, подключённым к водопроводу. К моменту выполнения работ объект находился в аварийном состоянии. Перед специалистами был поставлен вопрос о возможности реконструкции и допустимости вмешательства в конструктивную схему здания.

Целью исследований была оценка и прогноз проявления карстовых и карстово-суффозионных процессов на площадке проектируемого строительства, а также подготовка рекомендаций по противокарстовой защите здания.

Предварительный анализ деформаций показал, что наиболее вероятной причиной повреждений является суффозионное разуплотнение грунтов основания, вызвавшее просадки и последующие деформации конструкций.

Таким образом, задача сводилась не просто к констатации наличия опасных процессов, а к попытке ответить на вопрос о том, насколько выявленные карстовые полости и зоны ослабления способны влиять на основание здания в кратко-, средне- и долгосрочной перспективе. Именно поэтому расчётная часть работы была ориентирована не только на фиксацию текущего состояния, но и на прогноз развития ситуации на горизонте до 100 лет.

Рис. 1. Дом Мергасова в живописи

Рис. 1 а. Дом Мергасова, современное состояние (фото: А.Н. Гараева)

Исходные данные и структура исследований

Работы выполнялись в период с мая по июль 2025 года и включали широкий комплекс исследований:

· анализ инженерно-геологических условий участка по материалам заказчика, архивным данным и специальной литературе,

· анализ космо- и аэрофотоснимков,

· буровые работы с гидрогеологическими наблюдениями,

· наземные геофизические исследования методом гравиразведки,

· видеокаротаж скважин,

· лабораторные и экспериментальные исследования минерального состава и свойств пород,

Важной особенностью работы стало её разделение на последовательные стадии. Первая стадия включала инженерно-геологические изыскания, необходимые для получения параметров будущей модели; вторая – построение численной геологической модели в программном комплексе SiO2D; третья – оценочные расчёты напряжённо-деформированного состояния; четвёртая – прогнозное моделирование на 25, 50 и 100 лет. Такая этапность особенно важна в тех случаях, в которых расчёт не может быть надёжнее исходной инженерно-геологической информации.

На стадии изысканий были пробурены две скважины глубиной 80 и 100 м. После обсадки первых 13 метров чтобы исключить дисперсные грунты, которые были представлены в верхней части разреза, был выполнен видеокаротаж. Это позволило визуализировать состояние полостей и уточнить строение разреза. Отобранный керновый материал был направлен в лабораторию для определения минерального состава, физических и физико-механических свойств, а также для оценки растворимости пород и характеристик подземных вод.

По данным бурения, видеокаротажа и сопутствующих исследований в модели были выделены шесть опасных зон, соответствующих обнаруженным полостям. Для расчётной схемы были заданы 12 инженерно-геологических элементов, для которых определены плотность, удельный вес, модуль деформации, коэффициент Пуассона, пористость, сцепление и угол внутреннего трения. Кроме того, в модель были заложены параметры фундамента: заглубление 4 м, ширина 1 м и нагрузка 300 кПа.

Геологическая логика модели

Объективно при всей формальной полноте расчётной схемы моделирование карста неизбежно остаётся приближённым решением. Это связано как с ограниченностью исходных данных, так и с природой самого процесса, в котором развитие полостей, состояние перекрывающих толщ и изменение прочностных характеристик во времени далеко не всегда могут быть описаны с высокой точностью.

В рассматриваемом случае верхняя часть разреза была представлена неоген-четвертичными отложениями, ниже которых залегали верхне- и нижнепермские породы. Основную опасность при этом представляли карбонатные породы – доломиты, известняки, мергели, часть которых была выветрена и превращена в так называемую доломитовую муку, хорошо подверженную размыву и растворению. Нижняя часть разреза была представлена сульфатными породами – гипсами и ангидритами, однако по результатам исследования воды среда здесь не проявляла агрессивности к сульфатам, поэтому они не рассматривались как основной источник текущей опасности.

В расчёт были приняты шесть полостей с различными геометрическими параметрами. Их ширина изменялась от 1 до 6,5 м, а высота – от 0,2 до 1,3 м. При этом особое значение имели не только размеры самих полостей, но и свойства вышележащих грунтов, поскольку именно они во многом определяли характер перераспределения напряжений, развитие зон предельного состояния и вероятность передачи деформаций к дневной поверхности.

Рис. 2. Сбор данных для численного моделирования

Результаты расчётов и прогноз

Оценочные расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) на третьей стадии исследования осуществлялись на основании замера вертикальных деформаций фундамента, вызванным влиянием карстовых полостей, а также по точкам состояния, в которых нарушалось условие прочности и формировались зоны предельного состояния. Анализ расчётов показал закономерный рост осадки по мере увеличения размера полости. При этом влияние глубины залегания оказалось не столь однозначным: приповерхностные полости влияли слабее не из-за близости к поверхности, а из-за малых размеров, тогда как более глубокие, но крупные полости давали значительно больший негативный эффект.

Наиболее заметное влияние оказывали полости на абсолютных отметках 26 и 0 м, соответствующие глубинам порядка 53 и 79 м. Несмотря на сравнительно близкие геометрические параметры, расчётные осадки для них различались существенно, и это различие объяснялось уже не столько размерами самих полостей, сколько прочностными характеристиками перекрывающих толщ. В частности, в одном из вариантов проведенных расчетов полость в слое доломитовой муки приводила к обрушению в покрывающем слое глины, что выражалось в формировании обширной области предельного состояния и резком росте перемещений.

Рис. 3. Оценочные расчеты НДС

Прогнозное моделирование выполнялось на горизонтах 25, 50 и 100 лет исходя из принятой скорости растворения пород 1 см в год. Как видно из таблицы результатов, уже через 25 лет ряд сценариев показывает заметные осадки, а к 50 и 100 годам в части расчётных случаев происходит выход зон предельного состояния к дневной поверхности, что можно интерпретировать как формирование провала.

С практической точки зрения особенно важно, что опасность сохраняется даже при глубинах карста более 50 м. Это важно, поскольку в практике глубокие полости нередко воспринимаются как малозначимые для поверхностных сооружений. Представленные расчёты показывают, что такое допущение может быть ошибочным: при неблагоприятных свойствах вышележащих грунтов глубокие полости способны оказывать определяющее влияние на деформации основания.

Рис. 4. Прогнозное моделирование

Таблица. Прогнозное моделирование (25-100 лет)

Практическое значение численного моделирования

Таким образом, можно заключить, что математический прогноз карста не даёт абсолютно точного количественного ответа, но позволяет получить качественную картину потенциального развития событий. Иными словами, ценность моделирования в данном случае состоит не в получении точного результата, а в возможности ранжировать сценарии, выделить наиболее опасные зоны и понять, какие сочетания параметров ведут к переходу системы в аварийное состояние.

Для объектов культурного наследия такой подход имеет большое значение. Здесь цена ошибки выше, чем на рядовом объекте, поскольку речь идёт не только о безопасности, но и о риске утраты уникального сооружения. Именно поэтому требуется такое серьезное сочетание видов исследований: инженерно-геологические изыскания, лабораторные испытания, видеокаротаж, геофизика и численное моделирование.

Кроме того, данная работа велась в логике научно-технического сопровождения. То есть расчётная модель не подменяла инженерное суждение, а дополняла его. Модель в SiO2D была построена не как самоцель, а как инструмент интерпретации данных бурения, видеокаротажа, лабораторных испытаний и геофизики.

Заключение

Рассмотренный кейс показывает, что численное моделирование при оценке карстовой опасности может быть эффективным инструментом научно-технического сопровождения, особенно в тех случаях, когда необходимо перейти от общей констатации риска к анализу конкретных сценариев деформирования основания и поведения сооружения во времени. На примере Мергасовского дома было показано, что даже при ограниченной методической базе и неизбежной приближённости расчётов моделирование возможно выявить опасные сочетания факторов и дать инженерно значимую оценку перспективы развития процесса.

Выполненные расчёты подтвердили, что наличие полостей на разных глубинах, в том числе более 50 м, представляет реальную опасность для сооружения, а долгосрочный прогноз при принятых сценариях указывает на переход объекта в аварийное состояние. При этом определяющую роль играет не только сама геометрия карстовых полостей, но и состояние перекрывающих грунтов, их прочностные характеристики и способность передавать разрушение к дневной поверхности.