книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

внецентренно нагруженные отдельные блоки скальных пород, на которые опира­ ется фундамент, могут переместиться не­ равномерно, что приведет к образованию крена фундамента (рис. 16.4). Когда такая ситуация обнаруживается при вскрьггии котлована, размер фундамента следует увеличить, обеспечив передачу нагрузки на соседние блоки.

При отсутствии данных опытного определения снижения прочности элюви­ альных грунтов во время пребывания в открытых котлованах следует прини­ мать ориентировочные значения защит­ ного слоя (недобора) грунта, м, не менее: для пылевато-глинистых аргиллито-алев- ролитовых грунтов — 0,3; для магмати­

ческих пылевато-глинистых и песчаных, а также крупнообломочных аргиллито-алевролитовых грунтов — 0,2; для прочих видов элюви­ альных грунтов — 0,15. При разработке котлованов до проектной отметки защитный слой может быть выполнен отсыпкой грунта нарушенной структуры с последующим уплотнением.

Необходимо быть готовым к тому, что в процессе производства работ по отрывке котлованов и устройству фундаментов в элюви­ альных грунтах могут обнаружиться обстоятельства, не выявлен­ ные при проведении инженерно-геологических и геотехнических ис­ следований. Подобные ситуации требуют, как правило, принятия оперативных решений, касающихся перепроектирования фундамен­ тов и способа производства работ.

16.2. Особенности строительства на закарстованных территориях

К арстом называют совокупность явлений, связанных с деятель­ ностью воды и выражающихся в растворении горных пород с об­ разованием в них пустот, а также своеобразных форм рельефа. К карстовым районам относятся территории, в геологическом раз­ резе которых присутствуют растворимые горные породы и возмож­ ны поверхностные к подземные проявления карста.

Площадь распространения карстующихся пород составляет око­ ло 3 млн. км , или 13% всей территории стран СНГ. В европейской части районы с различной степенью развития карста занимают около 20% площади, охватывая Нечерноземную зону России, Баш­ кирию, Татарстан. В карстовых районах расположены такие круп­ ные города, как Москва, Нижний Новгород, Самара, Тула, Казань, Уфа и др.

При строительном освоении территорий наибольшее значение

441

имеют такие формы проявления карста, как ооразование в аемнии коре внутренних пустот, так называемых карстовых полостей, и вызванных этим деформаций земной поверхности и находящихся на ней сооружений. Поверхностные карстопроявления делятся на следующие виды. П ровалы (при видимой глубине деформаций более 0,25 м) и карстовые просадки обычно возникают внезапно и представляют главную опасность для сооружений. С течением времени они преобразуются в карстовые воронки в основном за счет оползания массива грунта вокруг провалов, имеющих в плане близкую к кругу форму. Проседания (при радиусе кривизны пове­ рхности менее 1 км) и оседания (более 1 км) протекают без нарушений сплошности массива. Эти виды деформаций развивают­ ся длительное время, достигающее для деформаций оседания не­ скольких лет. Существуют также поверхностные и погребенные формы (воронки, впадины и т. д.) древнего происхождения, нередко заполненные рыхлыми отложениями.

Надежность возводимых на закарстованных территориях зданий и сооружений может быть обеспечена за счет тщательных специаль­ ных инженерных изысканий, прогнозирования развития карстовых процессов, проектирования и осуществления мероприятий по противокарстовой защите*.

Программа инженерных изысканий. На закарстованных террито­ риях должно быть предусмотрено решение ряда специальных задач:

выявление условий развития карста и возможного характера его проявления за время, соизмеримое со сроком службы сооружений; выявление роли возможного влияния техногенных факторов на

активизацию карстовых процессов; оценка карстовой опасности;

получение исходной инженерно-геологической информации для обоснования и проектирования противокарстовой защиты.

При недостаточности инженерно-геологического обоснования для решения -этих вопросов проектирование оснований сооружений не допускается.

В районах развития карста при проведении инженерно-геологи­ ческой рекогносцировки необходимо выявить, описать и типизиро­ вать все его проявления на земной поверхности, установить их приуроченность к определенным геологическим структурам, лито­ логическим типам пород и геоморфологическим элементам. При отсутствии поверхностных проявлений карста основное внимание следует обращать на косвенные признаки его присутствия на глуби­ не. При проведении инженерно-геологической съемки устанавлива­ ются условия залегания карстующихся грунтов, их петрографичес­ кий состав и трещиноватость, режим и химизм подземных вод, состав и состояние заполнителя карстовых пустот. В процессе ин-

*Толмачев В. В., Троицкий Г. М., Хоменко В. П. Инженерно-строительное осво­ ение закарстованных территорий. М., 1986.

442

так и от типа и конструктивных особенностей сооружений. К основ­ ным параметрам поверхностных карстопроявлений относятся: про­ гнозируемый диаметр d провала или просадки (рис. 16.5, а), до­ стигающий нескольких метров, а иногда и 10...20 м; глубина дефор­ маций поверхности s, характерная при провалах и просадках (рис. 16.5, б), и местоположение ожидаемой деформации относительно сооружения в плане (рис. 16.5, в):

Для некоторых сооружений (мосты, дымовые трубы, железнодо­ рожные пути, каркасные здания с опиравшем колонн на отдельно стоящие фундаменты и т. п.) степень разрушающего воздействия определяется самим фактом образования карстовых деформаций (прежде всего провалов).

Применительно к закарстованным территориям, для которых характерными поверхностными деформациями являются провалы, ПНИИИСом предложена классификация, содержащая общие реко­ мендации по строительству (табл. 16.3). Параметрами этой клас­ сификации являются число прогнозируемых карстовых провалов Xна 1 ,км2 площади территории в год и прогнозируемый (средневе­ роятный) диаметр провала d. Методика определения этих показа­ телей подробно рассматривается в работе В. В. Толмачева и др.

Приведенная классификация имеет двойной индекс (1А, 2А, ..., 5Г) и распространяется на следующие группы городских террито­ рий:

I — селитебные (кроме территорий зеленых насаждений общего пользования), промышленные зоны, магистральные железные до­ роги, аэродромы, автовокзалы и т. п.;

П — зоны коммунально-складских сооружений и внешнего транспорта (кроме указанных выше);

III — территории санитарно-технических устройств, питомни­ ков и т. п.

443

Таблица 16.3. Общие рекомендации по строительству

в карстовых районах применительно к отдельным группам территорий

^EEEj строительство не рекомендует ся; Ш строительство допускается

при осуществлении противокарстовой защиты-}

□строительство допускается вез ограничений

Цифровой индекс 1...5 характеризует территорию по ожидаемой

рий, предполагающих реализацию мероприятий по противокарсто­ вой защите. Целью этих мероприятий являются:

предотвращение или сведение до минимума возможности ката­ строфических разрушений и обеспечение достаточной степени без­ опасности людей;

обеспечение рентабельности строительства с учетом возможного

444

ущерба от карстовых явлений и расходов на специальные изыскания й противокарстовые мероприятия.

Противокарстовые мероприятия обычно предусматривают ре­ шение следующих групп задач:

1)изменение в нужном направлении естественного развития кар­ стовых процессов;

2)уменьшение вредного влияния хозяйственной деятельности

человека на карстовые процессы; 3) защита строительных объектов планировочными, конструк­

тивными решениями или контролем за проявлением карстовых процессов.

К 1-й группе относятся мероприятия, предусматривающие уме­ ньшение интенсивности растворения карстующихся пород (создание фильтрационных завес, осушение карстующегося массива, регули­ рование поверхностного стока), заполнение карстовых пустот грун­ тами и тампонажными растворами, закрепление покрывающей тол­ щи пород (армирование грунта, использование корневидных буро­ набивных свай и т. д.). Наиболее широко в настоящее время приме­ няется заполнение (тампонаж) карстовых полостей и разрушенных зон. В качестве тампонажного материала обычно используют гли­ нисто-песчано-цементные растворы. Во ВНИИОСП им. Н. М. Герсеванова разработана рецептура вспенивающихся растворов, позво­ ляющих значительно снизить расход цемента, обеспечить более плотную закладку материала в полостях и необходимую его про­ чность. Эффективность тампонажных работ зависит от того, наско­ лько точно определены расположение и размеры пустот.

Мероприятия 2-й группы в основном связаны с предотвращени­ ем утечек воды и сброса технологических, особенно химически агрессивных вод, с ограничением откачки подземных вод, снижени­ ем уровня динамических воздействий от сооружения на основание

ит. п.

Кмероприятиям 3-й группы относится использование рацио­ нальных архитектурно-планировочных решений (в частности, с уче­ том рекомендаций, данных в табл. 16.3). Важное место здесь зани­ мает конструктивная защита зданий и сооружений от опасных деформаций, вызываемых карстовыми провалами (повышение же­ сткости здания путем устройства монолитных фундаментов, ар­ мированных стоек и горизонтальной рамы на уровне перекрытия первого этажа и т. п.).

Устройство протнвокарстовых фундаментов. Характерной осо­ бенностью проектирования фундаментов на карстоопасных терри­ ториях является то, что они должны обеспечивать возможность восприятия дополнительных усилий (изгибающих моментов, попе­ речных сил) в условиях почти полной неопределенности мест появ­ ления возможных провалов, их числа и размеров. Поэтому стро­ ительство зданий и сооружений на отдельно стоящих столбчатЫх фундаментах на таких территориях не допускается.

445

устройство фундаментов в виде свай-стоек или глубоких опор с про­ резкой карстующихся пород.

При проектировании фундаментов из висячих свай, расположен­ ных в покрывающей толще грунтов, количество свай и их попереч­ ное сечение должны назначаться с учетом выхода из строя некото­ рого числа свай вследствие возможного образования под ними карстового провала. Аналогичная ситуация должна быть рассмот­ рена при опирании свай-стоек на карстующиеся породы, которые могут содержать ослабленные зоны или полости.

Заделка голов свай в ростверк должна обеспечивать возмож­ ность их свободного выпадения при образовании провала (рис. 16.6). В противном случае (при жесткой заделке) вес сваи с налип­ шим на них грунтом будет создавать дополнительное усилие в ро­ стверке, что потребует увеличения его высоты (^ > на рис. 16.6) и усиления армирования. Свободное опирание ростверка на сваи при отсутствии провала обеспечивает восприятие вертикальной на­ грузки от сооружения. При этом необходимо проводить расчет ростверка как балки над просадочной воронкой.

Одним из вариантов, замедляющих рост карстовой воронки в случае ее возникновения, является устройство фундамента в виде свайного поля. Расстояние между сваями не должно быть более 1/3...1/5 диаметра прогнозируемой воронки, а их длина— превы­ шать возможную глубину провала на 0,5...0,7 м. И в этом случае заделка голов сваи в ростверк должна обеспечивать возможность свободного их выпадения при образовании провала. Ростверк также должен рассчитываться как балка, под которой образуется провал заданного диаметра.

446

условий, в случае карстовых проявлений еще более усложняется, поскольку требует учета локальных ослаблений основания в местах образования карстовых провалов. Расчеты часто допускается выпо­ лнять без учета влияния жесткости верхнего строения на перерасп­ ределение усилий, но и в этом случае система «основание с перемен­ ной в плане жесткостью — фундаментная конструкция в виде лент, перекрестных лент или фундаментной плиты» сложна для анализа. Положение усугубляется неопределенностью назначения мест об­ разования возможных провалов. Лучше обстоит дело с прогнозиро­ ванием расчетных размеров карстовых проявлений и вероятности их образования под фундаментом.

Ручные расчеты даже простейших балочных фундаментов с ис­ пользованием справочно-табличных данных в этих случаях оказы­ ваются невозможными, и задача решается на ЭВМ (например, с помощью программ, разработанных во ВНИИОСП им. Н. М. Герсеванова, ГПИ «Фундаментпроект»), моделирующих взаимо­ действие балочных, плитных фундаментов и основания. Основание обычно описывается моделью Винклера (метод местных дефор­ маций) с переменным в плане коэффициентом жесткости. В зонах расчетного положения провалов коэффициенты жесткости принима­ ются равными нулю.

Расчетные положения провалов варьируются и назначаются та­ ким образом, чтобы отразить в расчетах наименее благоприятные условия работы фундаментной конструкции. При проектировании перекрестных ленточных фундаментов провалы обычно располага­ ют в узлах пересечения лент, в середине пролетов, под консолями, под наиболее нагруженными участками. В плитных фундаментах каркасных зданий наиболее опасно появление провалов по осям колонн, в пролетах на центральных и периферийных участках пли­ ты, под диафрагмами жесткости. Как правило, расчет ведут на случай образования одного провала. Иногда рассматривается воз­

447

можность одновременного образования двух провалов. Вероятный диаметр карстовых провалов, как отмечалось выше, может быть определен расчетными методами. В практике проектирования для инженерно-геологических условий Москвы и Нижнего Новгорода расчетный диаметр карстовых воронок принимался’ равным 6 м.

В настоящее время существуют программные комплексы для ЭВМ, реализующие полностью совместный расчет системы «соору­ жение — фундамент — основание». Такой возможностью, в частно­ сти, обладает комплекс «Лира», построенный на базе метода конеч­ ных элементов, а также программа ПОРТИК-S.

1S.3. Проектирование фундаментов

на подрабатываемых территориях

При разработке полезных ископаемых подземным способом в образующуюся полость могут смещаться перекрывающие ее по­ роды. В результате на поверхности образуется чашеобразная впади­ на, называемая мульдой сдвижения. Когда зона подработки оказывается в пределах застроенных территорий или участков стро­ ительства, происходит смещение фундаментов зданий и сооруже­ ний, что может привести к их повреждению и даже разрушению.

Ежегодно в стране в зоне влияния горных работ находится более 20 тыс. зданий и сооружений, претерпевающих деформации и разруше­ ния. Только в Донецком и Карагандинском угольных бассейнах доля добычи угля под застроенными территориями составляет 30...35%.

Размеры в плане и глубина мульды зависят от ряда факторов: толщины разрабатываемого пласта т, его угла падения а, глубины разработки Нт, размеров выработки вдоль и вкрест простирания пласта В 1 и Ь 2, толщины наносов, физико-механических свойств пород, способа управления кровлей.

Различают несколько видов деформаций земной поверхности при подработке территорий. П ровалы образуются в случае выем­ ки на небольших глубинах Hmjm <15. Трещины на земной поверх­ ности возникают при глубинах разработки до 40...50-кратной тол­ щины вынимаемых пластов. При выемке крутопадающих пластов (ос>45°) на земной поверхности появляются деформации в виде уступов с трещинами. Иногда возникают деформации поверх­ ности в виде плавных оседаний. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, называют полной подработ­ кой земной поверхности. В качестве примера на рис. 16.8 приведена схема сдвижения пород при разработке пластов крутого падения.

Мульда сдвижения характеризуется рядом параметров, которые могут изменяться в различных точках по ее оси: оседания (вер­ тикальная составляющая прогиба поверхности) rj; горизонталь­ ные сдвижения { (при полной подработке соответственно rj0и £0); относительные горизонтальные деформации (отношение разности горизонтальных сдвижений двух точек мульды к расстоя-

448

нию между ними) £&, наклоны (отношение разности оседаний двух точек мульды к расстоя­ нию между ними) г; радиус кривизны R и обратная ему величина — кривизна мульды сдвижения к. Максимальное оседание в случае полного об­ рушения кровли пласта может достигать 50...90% толщины вынимаемой породы, а гори­ зонтальное сдвижение состав­ лять до 30% максимального оседания.

Например, при характерных для условий Донбасса соотно­

шениях rj0j m = 0,8 и £оА/о= 0,3 выемка пласта толщиной т= 1 м с полной подработкой приводит к максимальному оседанию ?/о = 0,8 м и максимальному горизонтальному сдвижению £0—0,24 м. При скорости продвижения забоя 30 м/мес общая продолжитель­ ность сдвижения при глубине разработки Нт= 100 м составляет примерно 0,5 года, при #„,=700 м — 2,5 года.

Основой для проектирования зданий и сооружений является

горно-геологическое обоснование, содержащее: геологические и гид­ рогеологические данные о подрабатываемой толщё, планы горных работ, данные об ожидаемых (нормативных) величинах деформа­ ций земной поверхности, перечень намечаемых строительных и гор­ ных защитных мероприятий и т. п. Параметры деформаций земной поверхности (кривизна, наклоны, смещения и оседания) определя­ ются в соответствии с требованиями СНиПа по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

Материалы инженерно-геологических изысканий должны допол­ нительно содержать оценку изменения геоморфологических, гидро­ логических и гидрогеологических условий участка застройки вслед­ ствие оседания земной поверхности (возможность образования про­ валов, оползней, изменения уровня подземных вод и т. д.), оценку возможных изменений физико-механических свойств грунтов, сведе­ ния о местах расположения устьев старых выработок*.

Площадки строительства по возможности необходимо распола­ гать вне зон прогнозируемых провалов и оползневых участков. При выборе площадок предпочтение следует отдавать участкам с более слабыми грунтами в основании, если при этом они обладают достаточной несущей способностью.

В зависимости от максимальных величин ожидаемых (норматив-

*Юшш А. И. Особенности проектирований фундаментов зданий на основаниях, деформируемых горными выработками. М ., 1980.

ных) деформаций земной поверхности подрабатываемые террито­ рии подразделяются на группы в соответствии с табл. 16.4.

Таблица 16.4. Классификация подрабатываемых территории по максимальной величине ожидаемых деформаций земной поверхности

Подрабатываемые территории, на которых при выемке пластов полезного ископаемого образуются уступы земной поверхности, подразделяются на группы (табл. 16.5).

Таблица 16.5. Классификация подрабатываемых территорий по ожидаемой высоте уступа

Подрабатываемыми территориями, пригодными для строитель­ ства, считаются участки земной поверхности, расположенные вне зон возможного образования провалов, затопления атмосферными осадками и подземными водами, выходов тектонических наруше­ ний, возможного образования оползней. По величинам прогнозиру­ емых деформаций от влияния горных работ эти участки относятся к III, III, к и IV, IV, к группам территорий. К ограниченно пригод­ ным относятся участки, соответствующие по величине прогнозиру­ емых деформаций I, I, к и П, II, к группам территорий.

Воздействие деформаций земной поверхности на несущие конст­ рукции зданий. Несущие конструкции зданий, построенных на под­ рабатываемых территориях без осуществления защитных меропри­ ятий, под воздействием смещений земной поверхности претерпева­ ют деформации и повреждения в виде трещин, перекосов, расстрой­ ства сопряжений и т. д. Степень повреждения зданий зависит не только от величин деформаций земной поверхности, но и от габари­ тов здания — длины и высоты. Ожидаемая степень повреждения каменных зданий характеризуется показателем суммарной де­ формации, определяемым по формуле

где Д/Еи А4 — компоненты суммарных деформаций от воздействия

450