Особенности расчета оснований сооружений на закарстованных территориях

УДК 624.15

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ОСНОВАНИИ СООРУЖЕНИИ НА ЗАКАРСТОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

© Н.Д. Лодыгина, Р.В. Шарапов

Ключевые слова: карст; карстовые территории; свайные фундаменты; провалы; просадки; деформации; напряжения.

Рассмотрен расчет свайных фундаментов с учетом горизонтальных нагрузок от обрушивающегося грунта при образовании карстовых провалов. В результате получили уравнения перемещений, углов поворота, изгибающего момента и напряжений в зависимости от переменной величины 2 по длине сваи. При расчете напряжений учитывались как горизонтальные силы от обрушения карста и реакция в шарнире, так и вертикальные силы (сила давления от сооружения и вес сваи). Данная методика позволяет выполнить все виды расчетов на прочность и жесткость сваи, воспринимающей линейное горизонтальное давление от обрушивающегося грунта и вертикального давления от веса сваи и силы давления от сооружения.

ВВЕДЕНИЕ

Под строительство жилых и общественных зданий и сооружений часто отводятся сложные с точки зрения геологического строения и процессов территории [1]. Одним из таких опасных и малоизученных процессов является карст, широко распространенный на территории Нижегородской области, Пермского края, Республики Башкортостан, Москвы и Московской области [2]. Примерно треть площади суши земного шара имеет возможности для развития карста. Карстовые процессы значительно осложняют строительство и эксплуатацию зданий и сооружений. Из-за карстовых процессов произошел ряд крупных аварий, анализ которых показал, что во всех случаях были допущены принципиальные ошибки на разных стадиях строительного освоения: выборе площадки, инженерных изысканий, проектировании, строительстве или эксплуатации сооружения. Нормативные документы выделяют три группы проти-вокарстовой защиты: профилактические, конструктивные, геотехнические. При проектировании зданий и сооружений конструктивные противокарстовые мероприятия являются приоритетными.

Основания и фундаменты зданий и сооружений должны обладать достаточной прочностью, быть устойчивыми на опрокидывание и скольжение в плоскости подошвы, осуществлять сопротивление влиянию грунтовых и агрессивных поверхностных вод, обладать морозостойкостью, быть экономичными и технологичными в изготовлении, соответствовать по долговечности сроку службы здания.

По конструкции фундаменты можно разделить на сплошные, ленточные, столбчатые и свайные. Лежащие в основаниях зданий грунты делятся на песчаные, глинистые, скальные, крупнообломочные, заторфованные.

В случае наличия в породах гипса, конгломератов и т. д., растворяемых и разрушаемых подземными и проточными водами, в земной толще могут образовываться пустоты - карсты, - находящие проявление на поверхности в виде карстовых провалов и воронок.

Под карстом понимают процессы, связанные с воздействием подземных вод, которые выражаются в растворении горных пород (известняки, гипс, мел, доломиты, мергели, ангидриды, каменная и калийная соли), что приводит к образованию в земной толще внутренних пустот (полостей, каналов, пещер) и созданию особого характера рельефа местности [3].

Можно выделить следующие типы карстов:

- карбонатный карст (доломитовый, известняковый, меловой) имеет широкое распространение, развивается медленно вследствие низкой скорости растворения пород;

- сульфатный карст имеет широкое распространение, быстро развивается;

- соляной карст, развитие которого ограничено.

Поверхностные проявления карстовых процессов

имеют различные формы. Среди них можно выделить:

- карстовые провалы, возникающие внезапно и представляющие главную опасность для зданий и сооружений;

- просадки, представляющие собой оседание земной поверхности локального характера.

Возникая внезапно, провалы и просадки представляют серьезную опасность для зданий и сооружений. За счет оползания грунта со временем они трансформируются в карстовые воронки. Проседания происходят без нарушения целостности грунтового массива.

Поверхностные проявления карстовых процессов характеризуются интенсивностью их проявления (среднегодовое количество карстовых форм на единицу площади территории), максимальным и средним диаметром провалов и оседаний, глубиной, кривизной земной поверхности и наклоном краев зоны оседания [4-5].

Для определения параметров карстовых деформаций проводятся расчеты с использованием вероятностно-статистических методов. При этом используются данные о инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, проводится учет их возможных изменений при эксплуатации зданий и сооружений, конструк-

тивных особенностей сооружения и срока их эксплуатации.

Проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений на закарстованых территориях производится в соответствии со СНиП 2.02.01-83 [6]. При этом проводится расчет по второй и первой группам предельных состояний с учетом локальных ослаблений оснований в местах образования карстовых форм.

Для исключения образования карстовых деформаций и снижения их неблагоприятного воздействия применяются следующие мероприятия:

- заполнение карстовых полостей тампонажными глинисто-песчано-цементными растворами;

- использование глубоких фундаментов для прорезки закарстованных пород;

- закрепление закарстованных пород и вышележащей толщи грунтов;

- водозащитные мероприятия, регулирующие поверхностный сток воды и осушающие карствующий массив;

- снижение техногенного воздействия на закар-стованные породы за счет снижения уровня динамических воздействий, предотвращения утечек воды, сброса вод, ограничения откачки подземных вод.

Тем не менее осуществление таких мероприятий не всегда представляется возможным и, зачастую, не может гарантировать отсутствие развития карстовых деформаций в будущем. В таких случаях предусматривают мероприятия исходя из расчетов фундаментов с учетом возможного развития карстовых деформаций. Такие мероприятия включают рациональную компоновку сооружения, повышение его прочности и пространственной жесткости за счет введения дополнительных связей в каркасных конструкциях, установки железобетонных или армированных поясов, деления сооружений на отсеки и т. п., использование приспособлений для выравнивания конструкций и рихтовки технологического оборудования. Иногда применяется податливая конструктивная схема сооружения с использованием дополнительных шарнирных связей и податливых соединений [7].

Целью работы является исследование деформаций, напряжений и изгибающего момента по длине сваи от горизонтального давления грунта.

РАСЧЕТ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ДЛЯ ЗДАНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ НА ЗАКАРСТОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Конструкции фундаментов зданий и сооружений, возводимых на закарстованных территориях, имеют свои особенности. Это связано с необходимостью обеспечения восприятия дополнительных усилий в элементах надземных конструкций при неопределенности количества и мест появления карстовых деформаций.

Наиболее рациональным является использование монолитных или сборно-монолитных железобетонных фундаментов (непрерывные ленточные, перекрестные ленты, коробчатые и плитные). При этом предусматривается развитие фундаментов за пределы периметра сооружения (консольные, П-образные выступы) [7]. Надежность сооружений можно обеспечить путем прорезки карстующихся пород сваями-стойками или глубокими опорами. В случае проектирования фундамен-

тов из висячих свай используется резервное количество свай с возможностью их свободного выпадения из ростверка при образовании карстовой полости под нижними торцами.

При необходимости ограничить возможность превращения карстовой формы под сооружением в воронку могут применяться сплошные свайные поля. В этом случае расстояние между сваями не должно превышать 1/3-1/5 диаметра прогнозируемой карстовой воронки, а длина свай должна превышать возможную глубину провала на 0,5-0,7 м. Ростверк должен быть в виде сплошной плиты, рассчитанной с учетом образования карстовой воронки заданного диаметра.

Для усиления оснований и фундаментов используются объединение отдельных фундаментов в пространственно-рамные конструкции, устройство поясов жесткости, консольные выступы, закрепление грунтов основания, а также заполнение образовавшихся провалов.

Расчеты фундаментов производят на основании прогнозных оценок размеров карстовых форм и вероятности их образования в основании проектируемого сооружения [5]. Расчетные расположения провалов назначаются исходя из наиболее неблагоприятных условий для фундаментов. Так, при проектировании фундаментов в виде железобетонных перекрестных лент предполагается расположение провалов в местах пересечения лент, в середине пролетов, под наиболее нагруженными участками, под консолями. В плитных фундаментах каркасных зданий расположение провалов предполагается по осям колонн, в пролетах на центральных и периферийных участках плиты, под диафрагмами жесткости.

Использование методов численного анализа не всегда представляется возможным из-за необходимости применять сложные специализированные компьютерные программы, требующие специальных знаний и навыков владения программной средой. Для практического применения необходим простой инженерный метод расчета.

Были выполнены численные исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива и свайного ленточного фундамента при образовании карстового провала. Целью исследования является расчет ленточных свайных фундаментов зданий с учетом возникающего горизонтального давления на сваи при обрушении грунта на границах провала. Расчетная схема сваи представляет собой стержень, упруго защемленный в грунт одним концом, другой имеет шарнирно-неподвижное сопряжение с ростверком и линейно возрастающей нагрузкой на сваю [8]. Данная схема сваи является статически неопределимой, для которой степень статической неопределимости равна единице. Раскрыв статическую неопределимость, можно определить горизонтальную реакцию в шарнирнонеподвижном сопряжении с ростверком.

Кроме горизонтальных сил от обрушения карста на сваю действуют вертикальная сила давления на сваю со стороны сооружения в соединении с ростверком и вес сваи. Схема от сил давления и веса сваи является также статически неопределимой один раз. При раскрытии статической неопределимости определена вертикальная реакция в соединении с ростверком.

В результате были получены следующие уравнения в зависимости от переменной величины г:

1) уравнение перемещений:

Рис. 1. Расчет сваи при линейном горизонтальном давлении грунта: а) расчетная схема сваи; б) эпюры изменения

у(У) = _^шх-(2.1. г2 -1 з - 1 . г4} , мм;

120-Е • У I

2) уравнение углов поворота поперечных сечений сваи:

(^(г) _ ^тах— (-0.5 • 13 + з • I • г2 -25 • г4) , радиан;

60-Е • У I

3) уравнение напряжений в произвольном сечении сваи:

ст(г) _ ^тах ,г • (0,6 • I -1 • г2) + у(0,5 • I - г) --?— , МПа;

Ь • А2 I Ь • А

4) уравнение изгибающих моментов в произвольном сечении сваи:

Мизг(г) _ ^тах • г(3 • /-5 • г2), Нмм,

30 I

где дтх - максимальное значение распределенной нагрузки в жесткой заделке, Н/мм; Е - сила давления со стороны сооружения на сваю, Н; у - удельный вес материала сваи, Н/мм3; I - длина сваи, мм; Ь, к - поперечные размеры сваи, мм; Е - модуль упругости первого рода материала сваи, МПа; У - момент инерции поперечного сечения, мм4.

При расчете напряжений учитывались как горизонтальные силы от обрушения карста и реакция в шарнире, так и вертикальные силы (сила давления и вес сваи). На рис. 1 представлены графики изменения этих величин по длине сваи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном исследовании рассматривался расчет свайных фундаментов с учетом горизонтальных нагрузок от обрушивающегося грунта при образовании карстовых провалов.

Данная методика позволяет выполнить все виды расчетов на прочность и жесткость сваи, воспринимающей линейное горизонтальное давление от обрушивающегося грунта и вертикальное давление от веса сваи и силы давления от сооружения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шарапов Р.В. Переход от технических к природно-техническим системам // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности.

2012. № 2. С. 43-46.

2. Осипов В.И., Кутепов В.Н., Зверев В.П. и др. Опасные экзогенные процессы. М., 1999.

3. Шарапов Р.В. Мониторинг экзогенных процессов // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2012. № 2. С. 39-42.

4. Шарапов Р.В. Показатели наблюдения и оценки карстовых процессов // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности.

2013. № 1. С. 28-34.

5. Шарапов Р.В. Определение показателя интенсивности карстовых провалов по неполным данным // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2013. № 2. С. 36-40.

6. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. СНиП 2.02.01-83. М., 1995.

7. Рекомендации по проектированию зданий и сооружений в карстовых районах СССР. М.: Стройиздат, 1967.

8. Готман А.Л., Магзумов Р.Н. Метод расчета свайных ленточных фундаментов при образовании карстового провала // Вестник МГТУ. 2014. № 2. С. 74-83.

Поступила в редакцию 11 июля 2014 г.

Lodygina N.D., Sharapov R.V. FEATURES OF THE CONSTRUCTION BASES CALCULATION ON KARST AREAS

In this paper we consider the calculation of pile foundations with the horizontal forces from the tottering ground during the formation of karst collapses. The displacement equation, angle of rotation, torque and bending stresses depending on a variable z along the length of the pile are given. In the calculation of those stresses were treated as horizontal forces from the karst collapses and the reaction at the hinge and vertical force (the force of pressure from the construction and weight of the pile). This technique allows performing all kinds of calculations on the strength and stiffness of the pile perceiving linear horizontal pressure from the tottering ground and vertical pressure of the weight of the pile and the pressure force of the structure.

Key words: karst; karst area; pile foundations; collapse; subsidence; deformation; stress.

Лодыгина Нина Дмитриевна, Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Муром, Владимирская область, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, e-mail: mivlgu@mail.ru

Lodygina Nina Dmitrievna, Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stole-tovs, Murom, Vladimir region, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, e-mail: mivlgu@mail.ru

Шарапов Руслан Владимирович, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Муром, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, e-mail: info@vanta.ru

Sharapov Ruslan Vladimirovich, Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Murom, Vladimir region, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, e-mail: info@vanta.ru