Исследование причин деформаций 5-этажного кирпичного дома

В 1966 г в г. Уфе (ул. К. Маркса, 5а) был построен 5-этажный двухподъездный кирпичный жилой дом без подвала серии 1-447С-4/60 на свайном фундаменте с полом первого этажа по балкам. В 1984 г. жильцы обра­тили внимание на характерные трещины в квартирах вто­рого подъезда, свидетельствующие о более интенсивных осадках западной части дома в районе оси 1 по сравнению с осадками остальной части дома (рис. 1).

Рис. I. Схема трещин на главном(а) и дворовом(б) фасадах:

6 - настенный репер и его номер

В июне 1985 г, было начато исследование причин отказа основания и фундамента. Проведено обследование дома и прилегающей к нему территории, проанализированы материалы инженерно-геологических изысканий и техничес­кая документация на устройство свайного фундамента, установлен дефицит несущей способности существующих свай, выполнено бурение 6 скважин, статическое зондирование грунтов установкой С-832 в 10 точках. Заложено 19 стенных реперов по периметру дома, а также соседнего дома для инструментального наблюдения за осадками (рис. 2). По реперам выявлена кинетика осадок за период с 1985 до 1989 гг.

Изучение и документальная фиксация трещин показали, что имеют место неравномерные осадки фундамента (см. рис. 1). Осадка западной части дома в районе оси 1 превысила на 4,0…9,0 см осадку противоположного торце дома. Наибольшее раскрытие трещин наблюдалось в местах сопряжения торцевых квартир с лестничной клеткой. Трещины размером 0,1…4 мм распространились в дымовентиляционных стенах, в простенках, в ванных комнатах, в коридорах и в самой лестничной клетке. Раскрытие трещин в парапете составило 50…60 мм. Площадь опирания лестничных площадок второго подъезда уменьшилась вслед­ствие увеличения расстояния между стенами лестничной клетки на 10…50 мм. В ноябре 1984 г. жильцы за­метили скачкообразное приращение деформаций при взрыве бытового газа в соседнем деревянном 14—квартирном доме, который обрушился к был впоследствии ликвидирован, а территория спланирована.

Соседний кирпичный пятиэтажный дом, построенный в 1959 г. на ленточном Фундаменте на расстоянии всего 6 м от рассматриваемого дома, также претерпел в те же сроки осадки и деформации восточного торца (дом №43a по ул. М. В.Фрунзе). В результате осмотра территории обна­ружено отсутствие организованного стока. Поверхностные воды скапливались между домами у западного торца дома № 5а в понижении 1 овальной формы диаметром 9,0 м (см. рис, 2), Асфальтовое покрытие в пределах понижения 1 оказалось полностью разрушенным. Понижение 2 длиной 1,5 м, шириной 0,5 м и глубиной 0,2 м сформировалось вдоль

Рис. 2. План домов и разведочных выработок: 1 - скважины, пробуренные соответственно в 1964 и 1985 гг.; 2 - точки статического зондирования грунтов; 3 - пробная свая № 29, испытанная в 1965 г.; 4 - существующая свая №5, испытанная в 1985 г. ; 5 -шурф; 6 - очертания понижений 1-4; 7 - деформированная часть дома; 8 - настенный репер и его номер; 9 - инженерно-геологический разрез 1-1 (см. рис. 4).

к?

главного фасада дома восточнее на 5,5 м от оси 1. Далее в том же направлений наблюдаются пониже­ния 3 (4х1х0,2м) и 4 (5x3x0,35 м). Понижения 2 и З носили явные следы своеобразных естественных трапов для приема поверхностных вод, обеспечивающих подтопление площадки. В периоды дождей погреба под квартирами жиль­цов первого этажа заполняются водой на несколько меся­цев.

В геоморфологическом отношении площадка приурочена к водоразделу рек Белой и Сутолоки. Дом размещен в своеобразной седловине, усиленной многократной реконструкцией названных улиц, что привело к постепенному по­вышению отметок (до 1 м) проезжей части и тротуаров при асфальтировании.

Инженерно—геологические изыскания на площадке проведены в 1964 г. проходкой в пятне здания 5 скважин глубиной 6…14 м. Выявлено следующее инженерно-геологическое строение площадки:

• насыпной грунт, образованный строительными и бы­товым мусором, мощностью от 2, 5 до 5,0 м;

• под насыпным грунтом в восточной части площадки четвертичные суглинки серовато-коричневые пластичные и глины серые пластичный; вскрытая мощность их изменя­ется от 5,3 до 7,5 м;

• в западной части площадки под насыпным грунтом песчаники уфимского яруса слабосцементированные, переслаивающиеся с глинами красноцветными твердыми; вскры­тая мощность их изменяется от 1,5 до 3, 7 м.

Подземные воды залегают на глубине от 1,0 до 3,2 м.

В марта 1965 г. на площадке была погружена проб­ная свая сечением 30x30 см, длиной 7 м, которая испы­тана Уфимским НИИпромстроем статической нагрузкой на вдавливание. Зависимость осадки от нагрузки S=f(P) при­ведена на рис. 3, из которой несущая способность сваи №29 согласно нормативным документам того времени со­ставила 260 кН.

Фундамент запроектирован из железобетонных свай сечением 30x30 см, длиной 6 и 7 м с монолитным железобетонным ростверком на щебеночной подготовке толщиной 20 см, что и было реализовано в 1965г. Основание и фундамент рассматриваемого дома нормально функционировали в течение 19 лет; существенных деформаций не наблюдалось, а сведения об осадках отсутствовали, так как инструментальные наблюдения не велись. Следует отме­тить, что жильцы первого этажа инициативным путем за­ложили погреба под своими квартирами, что, естественно, отрицательно сказалось на несущей способности висячих свай.

Рис. 3. Зависимость S = f(Р); № 5 - свая существующая, испытана в 1985 г.; № 29 - свая пробная, испы­тана в 1965 г,

Фактическая несущая способность существующей сваи определена в декабре 1885 г_. статическим испытанием сваи №5, расположенной в средней части фундамента сте­ны по оси 1-Б (см.рис. 2). Предварительно вдоль запад­ного торца дома были выполнены подготовительные работы в соответствии с методикой Уфимского НИИпромстроя; за­кладка шурфа размером в плане 2x3 м, глубиной 1,4 м, т.е. ниже подошвы ростверка на 1,0 м; срезка верхней части сваи на участке длиной 0,9 м; монтаж наголовника сваи и упорной плиты ростверка; монтаж реперной систе­мы, приборов и домкрата.

Статическим испытанием установлено резкое снижение несущей способности существующей сваи № 5 (80 кН) по сравнению с пробной сваей № 29 (260 кН), испытанной в 1965 г.(см. рис. 3). После испытания свая была включена в работу.

Дополнительные изыскания, проведенные летом 1985 г. позволили выявить сложное инженерно-геологическое строение площадки дома и прилегающей к ней территории (рис. 4):

а) геолого-литологический разрез площадки дома до глубины современного базиса коррозии (85 м) сложен со­временными (насыпные обломки местных пород, строительный и бытовой мусор); четвертичными (глины, суглинки); общесыртовыми (глины); неогеновыми (глины); уфимскими (песчаники, глины, известняки, мергель) и кунгурскими (гипсы) отложениями. Практически в грунтах всех перечисленных стратиграфических подразделений встречены горизонты подземных вод различного химического состава с минерализацией 1,2…2,5 г/л; питание их осуществляется за счет инфильтрации поверхностного стока, под­тока вод из окружающих площадку отложений и утечек из водонесущих коммуникаций бытовых и промышленных вод; б) карстово-суффозионное понижение у западного торца дома приурочено к вершине древнего эрозионного вреза (палеооврага) в кровле пермских пород;

в) карстовые процессы связаны с прослоями сильно трещиноватых известняков в толще пермских пород, суффозионные - с насыпными грунтами, суглинками четвертич­ными, разрушенными песчаниками и мергелями пермского возраста.

Такие условия являются благоприятными для перетека­ния поступающих в понижение вод из верхних слоев пород в нижележащие и развития карстово-суффозионных процессов в пределах оконтуренного понижения, глубина которого по кровле пермских пород достигает в настоящее время 13,5 м. Понижение до указанной глубины выполнено на­сыпным грунтом, суглинком и глиной четвертичными.

Рис.4. Инженерно-геологический разрез площадки дома № 5а (1-1): 1 - насыпной грунт; 2 - глина; 3 - суглинок; 4 - глина; 5 - глина неогеновая; 6 - глина уфимская; 7 - песчаник выветрелый; 8 - известняк; 9 - мергель; 172,7 - от­метка нижних концов свай

Понижение в 30-е годы текущего столетия было вы­ражено в рельефе в виде небольшого, заболоченного озера, которое при освоении площадки (со слов очевидцев) было засыпано (понижение 1, рис. 3). В дальнейшем после строительства дома вдоль его главного фасада в результа­те суффозионных процессов в грунтах сформировалась вы­шеописанная цепочка понижений

2 ... 4 (см. рис. 3).

Купол подземных вод под западным торцом дома от­ражает проекцию понижения 1 и находится на глубине всего 1,7 м, тогда как под восточным торцом и в других мес­тах окружающей территории на 5 м ниже, т.е. на глуби­не 7 м. Подземные воды в пределах палеооврага имеют сложный химический состав. Обнаружены сульфаты, ионы хрома, хромовой кислоты, меди, цинка, что свидетельст­вует об интенсивном загрязнении грунтов агрессивными Флюидами из коммуникаций соседнего завода. Локальное подтопление площадки произошло из-за отсутствия поверх­ностного водостока и создания условий для разгрузки воды через вышеназванные понижения. Этому же способствова­ли утечки из бытовых и промышленных коммуникаций.

Выявлено, что существующие сваи погружены в пре­делах грунтов нескольких инженерно-геологических элемен­тов, сильно различающихся по своим физико-механическим свойствам (суглинки и глины четвертичные и неогеновые, глины и песчаники уфимского яруса). Некоторые сваи под стенами в западной части дома попали в наихудшие усло­вия, т.е. остались только в пределах насыпных грунтов.

Вероятность наступления отказа основания и фундамен­та запишем в следующем виде

где Р - вероятность случайной величины Х_i.

В нашем случае пусть Х_i является причиной отказа R_Kji. Тогда в соответствии с классификацией [1] для рассматриваемого здания имеем

т. е. отказ наступил в результате действия следующих причин:

R_1.2.2 - конструкционно-производственная причина или причина 1 класса, допущенная на этапе npoeктирования и выразившаяся в игнорировании возможной эволюции инженерно-геологических условий площадки;

R_2.2.1 и R_2.2.2 эксплуатационные причины или причины 2 класса, допущенные в процессе эксплуатации здания и выразившиеся в подтоплении территории к активизации карстово-суффозионного процесса.

Обнаруженный недостаток проекта (причина 1 класса проявился через 19 лет, что несколько больше среди статистического срока, равного 15,2 года. Причина отказа 2 класса практически совпадает со среднестатистическим временем проявления эволюции инженерно-геологических условий территории, т. е. 19 ≈ 20,7 года [1]

Исследование причин деформаций дома позволяет раз подтвердить закономерный факт эволюции инженерно-геологических условий городов в процессе застройки эксплуатации зданий и сооружений, что ранее многократно встречалось в нашей практике обследования аварийных слу- чаев. Отрицательное действие мощного антропогенного фактора приводит к ухудшение строительных свойств грунт сопровождающемуся снижением несущей способности свайных фундаментов существующих зданий, что ярко проявилось в данном случае.

В качестве срочного мероприятия было предложено 1 полнить усиление лестничных клеток путем установления каждом этаже вертикальных металлических рам, Впоследствии были смонтированы стальные пояса вокруг над 1, 2, 3 и 4 этажами, стянутые стальными тяжами.

Усиление фундамента дома было выполнено додавливанием существующих свай по технологическому регламенту Уфимского НИИпромстроя путем наращивания многосекционными сваями ее штыревым стыком. В соответствии с проектов 48 свай, расположенных под наружными стенами по осям А, 1 и В в западной четверти здания, подлежало додавливанию до сопротивления 300 кН. В ходе работ об­наружилось^*, что по оси А четыре сваи (№№ 78-81) обладали достаточной несущей способностью (рис.5). В свя­зи с этим усиление фундаменте по оси А не выполнялось. По оси I додавлено 9 свай из 12 (№№ 4-160 ) и дополни­тельно вдавлена одна свая (№ 11а) на глубину 8,4 м в точке 1В. Далее по оси В было додавлено 5 свай из 19 запланированных. Всего было обработано 19 свай, сум­марная длина подавленной части которых составила 30 noг. м.

Рис. 5. План свайного Фундамента: 6 - настенный репер и его номер

Локальное усиление фундамента по осям 1 и В, приве­ло к уменьшению скорости осадок дома, которые в начале 1987 г. стабилизировались

Рис. 6. Изолинии осадок реперов: о - скважины, пробуренные в 1964 г.; • - то же, в 1085 г. ; Δ25 - грунтовый репер и его номер; 5 - изолинии осадок грунтовых реперов за период с 17 февраля по 20 декабря 1988 г.; 30 - изолинии осадок дома по настенным репером за период с 16 июня 1985 г. по 20 декабря

___________________________________________________________________

^*Авторский надзор выполнялся с участием В. А. Илюхина и О, С. Горбунова.

В дальнейшем осадки возоб­новились и развивались менее интенсивно, чем в 1985 г. Наблюдается общая неравномерная осадка всего дома. Восточный торец дома (ось 9) оседает со скоростью 0,25 мм/мес в течение всего периода наблюдений (1985-1988 гг.), западный же торец (ось 1) - со скоростью 0,75 мм/мес за последние два года (1987-1988 гг.). Скорость осадок западного торца в 1985 г. до усиления составляла около 7,5 мм/мес, т.е. в 10 раз больше.

Продолжающиеся и после усиления фундаментов деформации дома позволили предположить, что осадки его западной части связаны с осадками грунтового массива в пределах понижения 1. Для проверки этой гипотезы в феврале 1983 г. было заложено 6 грунтовых реперов, из которых 4 (№ 20, 21, 23 и 25) на глубине 2,5 м, 1(№ 24) на глубине 5 м и 1 (№ 22) на глубине 15 м, т. ч. № 22 в породах уфимского яруса в центре понижения 1 (рис. 6). Наблюдения в 1988-1989 гг. показали, во-первых, опережающую осадку подземных реперов (репер № 24 на 5-метровой глубине осел на 57 мм, № 22 15-метровой глубине - на 45 мм) и, во-вторых, более высокую скорость осадки реперов № 22, 23, 24, расположенных в пределах понижения 1 (от 34 до 57 мм) по сравнению с поверхностными реперами (№20_, 21, 25) вне понижения (от 3 до 18 мм). Таким образом, было установлено, что осадка торцевых частей соседних домов является следствием осадок грунтового массива, а причиной послед них - карстово-суффозионные процессы, протекающие грунтах в пределах выявленного понижения 1.

Полная стабилизация осадок дома может быть достиг нута только после подавления карстово-суффозионного процесса в западной части дома (понижение 1), а также после исключения подтопления территории поверхностными водами и утечками, что восстановит строительные свойства грунтов и обеспечит требуемую несущую способность фундамента.

Список литературы

1. Мулюков Э. И. Причины отказов оснований и фундаментов: классификация и ее практическое использование - В наст.сб.

УДК 69.059.22:624.131.31

Кандидаты техн. наук 3.В. Бабичев,

Э. И. Мулюков, Г. С. Колесник

ПРИЧИНЫ И СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ

ДЕФОРМАНИЙ 9-ЭТАЖНОГО КРУПНОПАНЕЛЬНОГО

ДОМА, ВОЗВЕДЕННОГО НА ЗАКАРСТОВАННОЙ

ПЛОЩАДКЕ

В г. Уфе в микрорайоне ЦЭС-II в 1975-1976 гг. была возведена группа крупнопанельных 9-этажных домов се­рии 1-464Д-83 с конструктивной схемой в виде несущих продольных и поперечных стен, расположенных с узким ша­гом (2,6 и 3,2 м). Несущие наружные стены - из керамзитобетона, внутренние - железобетонные; перекрытия - из плоских железобетонных панелей толщиной 120 мм, размером на комнату. Стыки панелей наружных и внут­ренних стен, а также стен и перекрытий выполнены на металлических связях. Опирание перекрытий на поперечные и внутренние стены – платформенное.

Один из этих домов - дом № 25, монтаж панелей которого был выполнен в период с 10 марта по 7 апреля 1976 г , после окончания строительства в июне 1976 г. в эксплуатацию не был принят, так как к этому времени были визуально обнаружены значительные вертикальные и горизонтальные деформации его основания. Эти деформации выразились в том, что в вертикальном шве архитектурной вставки из керамзитобетонных панелей между домом № 25 и соседним домом № 46 обнаружены трещина,

Рис.1. Схема деформации (а) и план застройки участка (б) дома № 25 с размещением точек статического зондирования и забивки пробных свай:1,2,3,4,5- пробные сваи;4 - свая,испытанная статической сжимающей на­грузкой;6…13 — точки статического зондирования грунтов; 14 - карстовые полости;15…18 - буровые сква­жины для заполнения карстовых пустот

которая со временем получила развитие (рис. 1а), и отрыв заклад­ных деталей в местах их заделки к торцевым панелям до­ма № 46 на стеновых панелях первого этажа дома № 25. Зазор между вставкой и стеной в уровне 2-го этажа со­ставил 50 мм, а на уровне 9-го этажа - 150 мм. Крен в сторону естественного склона местности в поперечном направлении достиг 0,0058 и превысил на 16% предель­ное значение 0,005.

Изучение проектной документации и отчетов по инженерно—геологи- ческам изысканиям, на основании которых они разрабатывалась, показало следующее.

Изысканий в микрорайоне ЦЭС-П проводились трестов ЗапУралТИСИЗ комплексно под застройку группы зданий. В частности, инженерно-геологические условия на площадках строительства дома Ns 46 и соседнего дома № 25 изучались на основе пробуренных скважин по две на пло­щадках каждого дома и трех точек статического зондирования грунтов в пятне застройки этих же домов. Bcе сква­жины и точки зондирования находятся на одной, прямой ли­нии, проходящей вдоль склона. Поперечные геологические разрезы на площадках проектируемых домов не были получены. По данным изысканий с поверхности под насыпным слоем толщиной 0,2 м залегают суглинки твердые маловлажные известковистые; с глубины 2 м - с прослоями песка толщиной 0, 05…0,I м; с глубины 4м-тугопластичные, в конце слоя ожелезненные; с глубины 12,5м - с включением обломков известняка; с глубины I9,5 м - глина полутвердая. По данным этих изысканий участок строительства рассматриваемой группы домов был отнесен к 1У а У категориям по карстовой опасности. Фактическая привязка дома № 25 была произведена ее смешением с исследованной площадки на 17 м по направлению склона на участке со сложными инженерно-геологическим условиями.

­Фундамент дома № 25 - свайный с двумя противокарстовыми монолитными железобетонными поясами, из ко­торых нижний на отметке голов свай (минус 4, 37 м) слу­жит одновременно ростверком. Второй располагается на отметке минус 2,06 м. Пространство между поясами за­ложено сборными бетонными фундаментными блоками. Сваи забивные железобетонные сечением 30x30 см, длиной 9 м с расчетной нагрузкой 300 кН.

Для выяснения причины неравномерных осадок и крена здания Уфимским НИИпромстроем и трестом ЗалУратТИСИЗ были выполнены дополнительные инженерно-геологические исследования, а также наблюдения за осадками дома. По результатам этих исследований получены два поперечных геолого-литологических разреза площадки дома № 25. При этом установлено, что площадка сложена четвертичными и верхнепермскими отложениями (рис. 2). Четвертичные отложения содержат насыпной слой в возрасте до 5 лет толщиной от 3,4 до 7,0 м. Ниже залегает суглинок маловлажный-тугопластичный с тонкими прослоями песка, толща слоя - от 5 до 10 м. Верхнепермские отложения

Рис. 2. Геолого-литологическое строение площадки дома № 25: I - насыпкой грунт; 2 - суглинок; 3 - глина с дресвой, и щебнем;

4 - аргиллит

представлены глиной плотной полутвердой с включением обломков известняка, толща слоя - от 5 до 15 м.

Дополнительными исследованиями не площадке выявлены ее особенности, которые не были в полной мере учтены при освоении. Во-первых, насыпные грунты разной толщи и погребенный в них чернозем обеспечивали проявление отрицательного трения в сваях. Во-вторых, насыпь по суглинку и суглинок по глине создавали возможность про­явления двух плоскостей скольжения и горизонтальных на­грузок при обводнении площадки. В-третьих, на глубине 21…36 м были обнаружены карстовые полости, из ко­торых верхняя заполнена, а нижняя пустая. В направлении от оси 1 к оси 25 по ряду Д карстовая полость обнаруже­на на глубинах 21,25 и 27,7 м. К отрицательным фак­торам, ухудшающим строительные свойства основания фун­дамента дома, относятся большая водосборная площадь и значительный ее уклон с запада на восток в направлении к дому № 25.

Для изучения поведения фундамента и конструкций до­ма в столь сложных геологических условиях и разработки мероприятий по стабилизации его неравномерных осадок институтом выполнены следующие работы:

• статическое зондирование грунтов в 8 точках, за­бивка и испытания опытной и анкерных свай (см. рис.1 б);

• геодезические наблюдения за осадками марок, установленных на уровне цокольных панелей, и за горизон­тальными перемещениями марок, установленных на откосе вдоль восточной стены здания, при забивке пробных свай вблизи дома № 25;

• наблюдения за перемещениями дома № 25 по отношению к дому № 46 с помощью прогибомеров, установленных на уровне 1-го, 5-го и 8-го этажей;

- визуальные наблюдения за раскрытием трещин гипсовых маяках, установленных на торцевых панелях 1-го этажа при забивке пробных свай.

Во время забивки пробных свай каких-либо дополни­тельных деформаций не установлено. Однако через сутки прогибомеры на уровне 5-го и 8-го этажей показали пере­мещение здания на восток (в сторону откоса) на 0,2 и 0,4 мм.

Несущая способность свай по данным статического зон­дирования грунтов вдоль восточной стены (ось Д), подтверждённая статическими испытаниями свай, с учетом отрицательного трения оказалась равной всего 170 кН, т. е. 57% проектной несущей способности. В остальной части площадки несущая способность свай оказалась выше -300 кН.

Выполненные исследования показали, что основной причиной крена дома № 25 является недостаточная несущая способность свай по оси Д и под торцевой стеной (ближе к дому № 46), основание которых находится в предельном состоянии. Все это привело к необходимости разработки а осуществления мероприятий по стабилизации осадок путем посадки части здания в зоне повышенной осадки на допол­нительные сваи, погружаемые снаружи здания.

Усиление фундамента по оси Д выполнено подведени­ем дополнительных многосекционных свай из стальных труб диаметром 245 мм с закрытым концом^*. Секции свай длиной 2 м наращивались снаружи на расстоянии 250 мм от стены. Вдавливание осуществлялось гидродомкратом с хо­дом штока 1120 мм, подключенным к насосной станции НСП-400. Домкрат через инвентарную раму фиксировался консольной стальной спаренной балкой длиной 1,5 м, за­деланной в гнездо под монолитный железобетонный пояс на отметке минус 2,46 м. Гнезда устраивались напротив попе­речных несущих стен путем удаления фундаментного блока (рис. 3а),

Погружение сваи с наращиванием ее сваркой производилось до усилия 650 кН. После окончания вдавливания свая включалось в работу с помощью той же консольной балки. При этом для ликвидации упругой части осадки сваи при включенном домкрате и усилии на нем 400 кН свая приваривалась к консольной балке. Затем инвентарная упорная рама демонтировалась.

^*Работы по усилению фундаментов выполнены под руководством канд. техн. наук. Я.Ш.Зиязова

После передачи нагрузки от здания на сваю в нее опускалась труба диаметром 50 мм, предназначенная для подачи цементного молока в затрубное пространство (см. рис. 3б). После заполнения полости сваи мелким щебнем производились закачка цементного раствора и омоноличивание щебня, в результате чего получалась трубобетонная свая. Верхний конец сваи вместе с консолью обетонировался.

Рис. 3. Схема упорной консольной балки (а) и подачи цементного молока в многосекционную стальную сваю (б): 1 - стеновая наружная панель; 2 - стеновая внутренняя панель; 3 - монолитный пояс; 4 - консольная балка I № 55; 5 - подкладка δ = 12 мм; 6 - металлическая труба (многосекционная свая); 7 – гравий фракций 20… 40 мм; 8 - стальная труба Ø2^»; 9 - заглушка; 10 - растворонасос; 11-емкость с цементным молоком.

Две сваи по осям 1-Д к 3-Д были испытаны стати­ческой нагрузкой на вдавливание. Первая свая длиной 18 м - показала по ГОСТ несущую способность 600 кН, вторая длиной 16,5 м по ускоренной методике -700 кН (рис. 4).

Всего было вдавлено 28 свай, длина которых изменя­лась от 16 до 22 м. Одна свая в зоне северного угла дома, пройдя карстовую пустоту, достигла 32 -метровой глубины. На дополнительные сваи была передана нагрузка от здания более 10000 кН, что привело к прекращению крена здания.

Рис. 4. Графики статического испытания многосекционных; свай сжимающей нагрузкой

Работы по усилению Фундамента были выполнены 5,5 месяца (с 10 марта по 25 августа 1977 г. ).

В декабре 1977 г, были выполнены работы по запол­нению карстовых пустот через скважины, пробуренные в четырех точках около северного торца здания (см. рис. 16). С помощью агрегата УПТЖР-2 под давлением до 25 атм. (2,5 МПа) было закачано 22 м³ растворе следующего состава: цемент М400 - 200 кг, песок 1000 кг, глино-порошок - 65 кг, вода - 460 л.

Продолженные после усиления фундамента геодезичес­кие наблюдения за деформациями основания и надфундаментных конструкций дома показали, что значения крена дома стали постоянными сразу после усиления, а стабилизация осадок наступила с 1979 г. (рис. 5), т. е. через два года.

В январе 1978 г, дом заселен и эксплуатируется без каких-либо деформаций.

Рассмотренный опыт усиления свайного фундамента крупнопанельного дома приводит к некоторым практическим выводам.

1. При проектировании зданий в сложных инженерно-геологических условиях с закарстованными участками необходимо предъявлять повышенные требования к геологическим изысканиям, в процессе которых должны быть тща­тельно исследованы зоны слабых грантов, четко определена кровля несущих грунтов, физико - механические свойства этих грунтов, а также исчерпывающе исследованы зоны карстообразования.

Рис. 5. График развития во времени средних осадок дома № 25

2. Примененный на описанном объекта способ усиле­нии свайного фундамента позволяет в процессе производства работ получать данные о характере к закономерности по­гружения всех свай, дифференцированно контролировать их несущую способность, проводить в необходимых случаям статические испытания свай, а также вести работы по по­гружению свай в стесненных условиях.

69:624.131.31

Канд.геол.-мин.наук В.И.Мартин

(ЗапУралТИСИЗ),

канд. техн. наук Э. И. My люков

(Уфимский НИИпромстрой),

Л.И.Смирнов (Башкиргеология)

ПРОБЛЕМЫ СТРОИТЕЛЬСТВА

В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО РАЗВИТИЯ КАРСТОВО-СУФФОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ (на примере г.Уфы)

Город Уфа расположен у слияния рек Белой и Уфы на водораздельном приподнятом плато (на 100…110 м ), представляющем собой сохранившийся от размыва останец верхнепермских отложений шириной от 2 до 10 км в виде вытянутого "полуострова", омываемого с трех сторон ре­ками. В геологическом строении его участвуют верхнекамские отложения: сверху уфимский ярус, представленный переслаиванием песчаников, алевролитов и аргиллитоподобных глин, известняков и мергелей (шешминский горизонт), разрушенных известняков и известковистых глин в основа­нии (соликамский горизонт) обшей мощностью от 30…40 до 60…80 м.

Уфимский ярус повсеместно подстилается гипсово-ангидритовой толщей кунгурского яруса. В пределах, между­речья уфимский ярус на значительных площадях перекрыт чехлом акчагыльских и общесыртовых глин мощностью от 5…10 до 30…40 м четвертичных делювиальных суглинков мощностью до 10 м. В долинах рек уфимский ярус почти полностью размыт и четвертичные аллювиальные песчанo-гравийно-галечные отложения и кинельские глины с размывом ложатся на гипсово-ангидритовую толщу и полностью выполняют палеорусла pp. Белой и Уфы, имевших глубину вреза 80. . . 120 м.

Гидрогеологические условия междуречья, где располагается Уфа, отличаются большой сложностью и своеобрази­ем. Прежде всего несмотря на хорошую тренированность весь пестрый разрез обводнен. Подземные воды развиты повсеместно в четвертичных суглинках и общесыртовых глинах, в пестрой толще уфимских красноцветов. Благодаря чередованию водоносных, пород (песчаники, алевролиты, известняки) с водоупорными глинами к уфимскому ярусу при­урочен сложный водоносный комплекс. К известнякам и гипсам в нижней части разреза приурочены карстовые воды.

Формирование подземных вод происходит за счет ат­мосферных осадков на междуречье, а также за счет утечек из водонесущих коммуникаций (до 20…30% утечек ухо­дит на питание). Поэтому в последние два десятилетия ин­тенсивно происходит подтопление всей территории города. Подземные воды разгружаются главным образом вдоль сред­ней части склонов в виде много- численных родников, ниже по склону происходит обратное поглощение вод в известня­ки и мергели соликамского горизонта и в гипсы кунгурского яруса, а также невидимый перетек через "гидрогео­логические окна" на присклоновых участках.

В четвертичных неогеновых отложениях и уфимских красноцветах воды в основном пресные гидрокарбонетно-кальциевые, реже хлоридные с повышенной минерализацией явно антропогенного происхождения (например, за счет посыпания дорог солью зимой). В толще кунгура и в за­гипсованных глинисто-карбонатных отложениях соликамского горизонта воды имеют повышенную минерализацию (2…5 г/л) и сульфатно-кальциевый состав, нередко хлоридно-натриевый с минерализацией 30…40 г/л и более.

Такие геолого-гидрогеологические условия исключи­тельно благоприятны для развития как карбонатного, так и гипсового карста особенно в склоновых и присклоновых ус­ловиях. Здесь встречается всё разнообразие карстопроявлений: карстовые воронки, озера, колодцы, поноры, пеще­ры, карстовые провалы и многочисленные полости, вскры­ваемые скважинами, т. е. здесь имеется полный генети­ческий набор карстово-суффозионных проявлений. Отечест­венный путешественник А.С. Паллос (1776), будучи в Уфе зимой 1769-1770 гг, следующим образом охаракризовал территорию города: «Уфа есть место, худо выстроенное и немало уже в упалость пришедшее, коего положение дурнее избрано быть не могло…».

Несмотря на такие сложные условия город растет. В основном строительство шло на водораздельном плато, а в последние годы началось усиленное освоение склоновых и присклоновых участков, характерных активным развитием экзогенных геологических процессов, а также затопляемых территорий с намывом.

Для склоновых условий характерны два типа гидроди­намической обстановки.

Первый тип отличается свободным выклиниванием водоупорных и водоносных пород, а следовательно, разгрузкой подземных вод в виде родников или же невидимым перетоком в нижележащие карбонатные толщи соликамского или в гипсы иреньского горизонтов. Следствием являются развитие эрозионно-карстовых оврагов и повышенная активность суффозионно-карстового процесса в верховьях оврагов и прилегающих к ним присклоновых участках. Дока­зательством этого служит наличие поверхностных карсто-проявлений и образование свежих провалов и приседаний, ведущих к деформациям возведенных на таких участках сооружений (дом № 5а по ул. К. Маркса, дом № 25 в микрорайоне ЦЭС- II и др. на участке Уфимского карстового косогора).

Уфимский карстовый косогор (7 км²), по которому в конце прошлого века была проложена Самаро-Златоустовская железная дорога (1622… 1629-й км), давно стал клас­сическим примером активного развития сульфатного карсте, что отражено в работах Д.Л.Иваново (1893-1896), Г.Г.Скворцова (1946-1950), А.Н.Фонарева и С.П.Ткалича (1950-1956), В.И.Мартина (1970-3 974), А. И.Смирнова (1976-1990) и др. В настоящее время в пределах косогора зафиксировано около 250 поверхностных карсто-проявлений в основном в виде воронок. Плотность воронок в среднем 36 шт. на 1 км², коэффициент закарстованности 0,28%, тогда как в пределах оврагов достигает от 3 до 13%, а на межовражных участках не превышает 0,04…0,05%, т. е. они практически не затронуты карстом.

Это же подтверждается и свежими карстовыми провалами. Из 26 карстовых провалов, образовавшихся за 13 послед­них лет (1976-1988), 14 (54%) приурочено к днищам оврагов, 4 (15%) образовались на склоках оврагов и в подножье косогора, по 2 (8%) - на железнодорожном по­лотне и в межовражьях. Глубина провалов до 1,2 м, диа­метр не превышает 1,7 м. Плотность их на 1 км² со­ставляет 0,3 случая в год. Наблюдения показывают, что карстовые провалы наиболее часто возникают в дождливый (многоснежный) или же в последующий за ним год.

Активному развитию карста на Уфимском карстовом косогоре способствует поглощение временных и постоянных водотоков в карстовые поноры, а также невидимый переток (разгрузка) подземных вод из вышележащих водоносных горизонтов в гипсы кунгура. Дефицит насыщения поглощающихся в понорах поверхностных вод по отношению к гипсам составляет 1740. . . 2040 мг/л. По мере движения в гипсах он уменьшается. Установлено, что поглощенные воды одного из ручьев, пройдя подземными каналами в гип­сах, теряют свою растворяющую способность через 0,5…0,6 км циркуляции. Наиболее интенсивное насыщение сульфатом кальция при этом происходит на первых 200…300 м пути. При этом по мере развития подземных кана­лов в гипсах и увеличения скорости движения карстовых вод их насыщение сульфатом кальция растягивается на значительно большие расстояния. Так, за 8 лет наблюде­ний скорость карстового потока на участке наблюдений уве­личилась в 3 раза (от 0,09 м/с в 1981 г до 0,26 м/с в 1988 г), при этом дефицит насыщения возрос почти в 2 раза.

Отмечается тенденция уменьшения частоты образования карстовых провалов на современном этапе вдоль рассмат­риваемого карстового косогора, что, очевидно, обусловле­но общей стабилизацией всех экзогенных процессов, резко активизированных в свое время прокладкой железнодорожно­го полотна и вибрационными нагрузками железнодорожных составов.

Второй тип гидродинамической обстановки характеризуется затрудненной разгрузкой подземных вод вследствие развития на склонах значительной мощности обшесыртового глинистого чехла, реже глинистых отложений высоких террас. На таких участках разгрузка водоносных горизонтов из толщ уфимского яруса затруднена. В одних случаях способствует образованию местных напоров и обводнению суглинков и глин покровных отложений, в других невидимому перетоку в нижележащие карбонатные толщи римского яруса. Следствием является, как правило, об­разование пологих воронок (реже провалов) в первое слу­чае чисто суффозионного генезиса, во втором - суффозионно-карстового. Например, воронка суффозионного генезиса остановлена в парке им. Калинина при изыскании трассы метpо, воронка суффозионно-карстового генезиса - в основании склона ЦЭСовской горы.

Освоение таких сложных территорий производится после предварительной оценки степени устойчивости их для строительства. Тем не менее любое вмешательство человека в такую сложную геологическую среду без достаточных профилактических мер защиты, направленных на мак­симальное сохранение особенно гидрогеологической обста­новки, неизбежно со временем ведет к активизации кар­стовых и карстово-суффозионных процессов. В Уфе в связи с этим в последние годы участились случаи деформаций сооружений спустя несколько лет после их возведения. Ост­ро встала проблема слежения за состоянием сооружений и состоянием геологической среды на таких сложных в инже­нерно—геологическом отношении участках для своевремен­ного прогнозирования активизации процесса и принятия мер защиты.

Реализация программ промышленного и жилищно—граж­данского строительства в г.Уфе сопровождается активизацией суффозионно-карстовых и других нежелательных про­цессов. Деформировавшихся объектов за последние 30 лет в Уфе, по данным Уфимского НИИпромстроя, насчитывается 55, половина из которых непосредственно связана с карстом. В 1979 г, получил деформации кинотеатр «Луч» после 26 лет эксплуатации. Через 2 года после сдачи в эксплуатацию ожила древняя карстовая воронка под зданием Центра пенсий. В 1984 г, на расстоянии 6 м от крупнопанельного 9-этажного дома произошел карстовый провал, где впоследствии обнаружена полость объемом 4000 м.

В последнее десятилетие реализованы мероприятия по решению рассматриваемой проблемы на основе комп­лексного подхода. Прежде всего, приняты меры по совер­шенствованию методов специальных инженерно-геологических изысканий на закарстованных территориях и методов проектирования и строительства в этих условиях зданий и сооружений, а также их эксплуатации. С этой целью в ЗапУралТИСИЗе были проведены исследования по разработ­ке методики оценки и прогноза карстоопасности и райони­рования закарстованных территорий. В Уфимском НИИпромстрое выполнены обобщающие исследования по выявле­нию причин отказов оснований и фундаментов и разработан метод их усиления многосекционными сваями. Кроме того, выявлены особенности взаимодействий фундаментов с осно­ванием, ослабленным карстовыми провалами. Разработаны предложения по совершенствованию методов расчете фунда­ментов в рассматриваемых условиях применительно в ос­новном к массовому жилищному строительству. Совместные усилия ЗапУралТИСИЗа, Уфимского НИИпромстроя и Башкирграждапроекта позволили выработать концепцию освоения закарстованных территорий [4], которая нуждается в постоянном совершенствовании и развитии.

Скорость естественной карстовой денудации, рассчи­танная В.И. Мартиным по методике М.Пулины, составляет для карбонатного карста до 45 мк/год, для сульфатного -до 500 и для смешанного сульфатно-карбонатного - до 1200 мк/год. Однако после вмешательства человека соз­даются благоприятные условия для активного ощелачивания растворимых горных пород и развития карстово-суффозионного процесса. Скорость карстовой денудации при этом возрастает в тысячи раз. Этому способствует увеличенная фильтрация подземных вод, откачка вод из карстуюшихся пластов либо инфильтрация флюидов (воды, растворов кислот, щелочей и др. опасных реагентов) через покрывающие толщи.

В Уфе имеется уникальный случай образования антро­погенной пещеры в известняках под главным корпусом бывшего завода низковольтной электроаппаратуры (см. рисунок).

Антропогенная пещера под зданием завода

Длительное время (около 40 лет) в цехе гальваники допускались утечки кислых растворов, которые попадали в толщу известняков, залегающих на глубине всего 1 м. В результате под корпусом появилась пологонаклонная пещера сечением 1,1x1,7 м в районе понора, которая сужалась и прослеживалась вглубь массива более чем на 20 м. Впо­следствии пещера заполнена бетоном во избежание обрушения здания.

Вышеизложенное указывает на справедливость мнения И.А. Гвоздецкого: "Карстовый рельеф, карстовые ландшафты и происходящие в них процессы настолько специфичны, что ни одно серьезное хозяйственное мероприятие на закарстованной территории не может быть выполнено без их учета и часто без специального изучения" [l].

Результаты исследований НИИпромстроя, ЗапУралТИСИЗа, ВНИИОСГ) и т. д. [2, 6], а также опыт проек­тирования Башкиргражданпроекта отражены в первой региональной инструкции по освоению закарстован -ных территорий Башкирии [3].

По состоянию на 1990 г, актуальными остаются следующие проблемы:

1) в области инженерно-геологических изысканий [5]:

• оптимизация методов к объемов исследовательских работ на закарстованных территориях применительно к раз­личным стадиям изысканий и в зависимости от сложности инженерно-геологической обстановки;

• совершенствование методов исследований и привле­чение новых более эффективных (особенно геофизических );

• внедрение количественных методов оценки условий и фактороев развития карста на базе применения ПЭВМ;

• создание постоянно- действующей реперной сети и сети наблюдательных скважин на осваиваемых и уже застроенных закарстованных территориях (карстомониторинг);

- разработка нормативных документов и методических пособий к ним;

2) в области проектирования:

- совершенствование и развитие технических решений по устройству оснований и фундаментов различных зданий (гражданских, промышленных, сельскохозяйственных), а также протяженных сооружений (коммуникации, дороги, ЛЭП и др. );

• полное использование инженерно-геологической информации и проектирование с учетом возможности активи­зации инженерно-reологических процессов и изменения расчетной схемы сооружения;

• внедрение методов расчета зданий и сооружений с учетом совместной работы системы "основание-фундамент-надземная часть", исходя из условии недопущения прогрессирующего разрушения;

• разработка технических решений по усилению зданий, претерпевших локальный отказ оснований и фундаментов, а также зданий на закарстованной территории, построенных без противокарстовых мероприятий;

• внедрение в проектную практику постижений в об­ласти механики грунтов и фундаментостроения (стена в грунте, грунтовые анкеры, противофильтрационные завесы, армогрунт, геотекстиль, струйные конструкции), позволяющих подавить либо свести до минимума карстово-суффозионные процессы;

- совершенствование и развитие региональной Инструк­ции [3], отражающей результаты исследований и опыта эксплуатации строений на закарстованных территориях;

3) в области строительства:

• внедрение технологических приемов на стадии ПОС и ППР, исключающих нарушение естественного гидрогеологического режима территории и активизацию карстово-суффозионных процессов;

• освоение новых технических решений и технологий (стена в грунте, грунтовые анкеры, завесы, армогрунт, геотекстиль, струйная цементация);

4) в области эксплуатации:

- создавав специальной станции по наблюдению за развитием опасных, геологических процессов и принятии: соот­ветствующих мер;

• повышение технического уровня эксплуатации строений, коммуникаций и территорий, обеспечивающего мини­мальное отрицательное воздействие на инженерно-геологическую обстановку городов;

• внедрение элементов диспетчеризации и оповещения при возникновении деформаций земной поверхности на за­строенной территории.

Естественно, что решение вышеназванных проблем пробует постановки соответствующих научно-исследователь­ских и опытно-конструкторских работ.

Список литературы

1. Гвоздецкий И. А. Карст. - М: Мысль, 1981.- 214 с.

2. Застройка закарстованных территорий /Тез. докл. совещания-семинара. - Уфа, 1984. - 102 с.

3. Инструкция по изысканиям, проектированию, строи­тельству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Башкирской АССР. ВСН-2-86 / Гестрой БАССР.- Уфа, НИИпромстрой, 1986. - 49 с.

4. Мартин И.И., Мулюков Э. И., Колесник Г. С., Илюхин В. А., Спящий Е, П., Чертыков Ю. Д. Об опыте изысканий, проектирования, строительства и усиления фундаментов зданий на закарстованных территориях (на примере г.Уфы)// Инженерная геология. - 1988. № 4.-С. 63-71.

5. Мартин Е. И., Толмачев В. Б., Ильин А.К., Саварецский И.Л. Основные задачи инженерно-геологических изысканий на закарстованных территориях // Инженерная геология. - 1983,- № 3.

6. Строительство на закарстованных территориях /Тез. докл. всесоюз. совещания: Подольск, 22-23 ноября 1983 г.– М.:НИИОСП, 1984.-148 с.

Труды- Геология и полезные ископаемые

Зам. Урала: Мат- лы рег. н.- практ. конф:

Пермь, ПГУ.- 2000. - С.252- 258