При отсутствии данных опытного определения снижения про чности элювиальных грунтов во время пребывания в открытых котлованах следует принимать ориентировочные значения защит ного слоя (недобора) грунта, м, не менее: для глинистых аргиллитоалевролитовых грунтов — 0,3; для магматических глинистых и пес чаных, а также крупнообломочных аргиллито-алевролитовых грун тов — 0,2; для прочих видов элювиальных грунтов — 0,15. При разработке котлованов до проектной отметки защитный слой мо жет быть выполнен отсыпкой грунта нарушенной структуры с по следующим 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 и подземные проявления карста.
Площадь распространения карсгующихся пород составляет око ло 3 млн. км , или 13% всей территории стран CHF. 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 имеют такие формы проявления карста, как образование в земной коре внутренних пустот, так называемых карстовых полостей,
ивызванных 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
ипредставляют главную опасность для сооружений. С течением времени они преобразуются в карстовые воронки в основном за счет оползания массива грунта вокруг провалов, имеющих в пла не близкую к кругу форму. Проседания (при радиусе кривизны
поверхности 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 женерно-геологической разведки производятся поиск и оконтуривание естественных и искусственных карстовых пустот. В практике изысканий в настоящее время наиболее массовым способом реше ния этой задачи являются бурение скважин и геофизические' ис следования.
Оценка характера и степени опасности карста. Степень разруша ющего воздействия карстовых деформаций в основании сооружений зависит как от параметров поверхностных карсгопроявлений, так и от типа и конструктивных особенностей сооружений. К основным
*Толмачев В. В., Троицкий Г. М„ Хоменко В. П. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий. М., 1986.
параметрам поверхностных карстопроявлений относят ся: прогнозируемый диаметр d провала или просадки (рис. 16.5, а), достигающий не скольких метров, а иногда и 10...20 м; глубина деформа ций поверхности s, характер ная при провалах и просад ках (рис. 16.5, 6), и местопо ложение ожидаемой дефор мации относительно соору жения в плане (рис. 16.5, в).
Для некоторых сооруже ний (мосты, дымовые тру бы, железнодорожные пути, каркасные здания с опирани-
ем колонн на отдельно стоящие фундаменты и т. п.) степень раз рушающего воздействия определяется самим фактом образования карстовых деформаций (прежде всего провалов).
Применительно к закарстованным территориям, для которых характерными поверхностными деформациями являются прова лы, ПНИИИСом предложена классификация, содержащая общие рекомендации по строительству (табл. 16.3). Параметрами этой классификации являются число прогнозируемых карстовых прова лов X на 1 км2 площади территории в год и прогнозируемый (средневероятный) диаметр провала d. Методика определения этих показателей 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.;
II — зоны коммунально-складских сооружений и внешнего транспорта (кроме указанных выше);
III — территории санитарно-технических устройств, питомни ков и т. п.
Цифровой индекс 1...5 характеризует территорию по ожидаемой
[количество провалов | |
интенсивности карстовых провалов / |
--------- :----------- ; оуквен- |
(_ |
(*м г°д) |
J |
ный — диаметр ожидаемой воронки d, м.
Использование указанной классификации оказывается удобно при освоении и застройке карстоопасных территорий.
Таб л и ца 16.3. Общие рекомендации ао строительству
вкастовых районахприменительно к отдельным группамтерриторий
Ш' |
ст роит ельст во н е р е к о м ен д у ет ся , |
ст роит ельст во допускает ся |
|
при осуществлении противокарстОвой защ ит ы у |
I I строительство допускается в ез |
ограничений |
Противокарстовая защита. В табл. |
16.3 выделен спектр катего |
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 ущерба от карстовых явлений и расходов на специальные изыскания и противокарстовые мероприятия.
Противокарстовые мероприятия обычно предусматривают ре шение следующих групп задач:
1) изменение в нужном направлении естественного развития карстовых 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 (созда ние фильтрационных завес, осушение карстующегося массива, регу лирование поверхностного стока), заполнение карстовых пустот грунтами и тампонажными растворами, закрепление покрываю щей толщи пород (армирование грунта, использование корневид ных буронабивных свай и т. д.). Наиболее широко в настоящее время применяется заполнение (тампонаж) карстовых полостей и разрушенных зон. В качестве тампонажного материала обычно используют глинисто-песчано-цементные растворы. Во ВНИИОСП им. Н. М. Герсеванова разработана рецептура вспенивающихся растворов, позволяющих значительно снизить расход цемента, обеспечить более плотную закладку материала в полостях и необ ходимую его прочность. Эффективность тампонажных работ зави сит от того, насколько 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 групцы 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 противокарстовых 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.
Наибольшее распространение в этих условиях получили мо нолитные ленточные, перекрестные и плитные фундаменты. Для уменьшения дополнительных силовых воздействий, которые могут
возникнуть при образовании провалов, в фундаментных конструк циях устраивают консольные выпуски за пределы периметра стен. Размеры консолей ленточного фундамента назначают не менее 0,7,
аплитных — не менее 0,4 расчетного диаметра провала. Эффективным с точки зрения надежности, но требующим тех
нико-экономического обоснования является устройство фундамен тов в виде свай-стоек или глубоких опор с прорезкой 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 свай с налип шим на них грунтом будет создавать дополнительное усилие в ро стверке, что потребует увеличения его высоты (f, > t2 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 про |
|
гнозируемой |
воронки, |
а |
их |
|
длина — превышать возмож |
|
ную глубину провала на 0,5... |
|
...0,7 м. И в этом случае за |
|
делка голов сваи в ростверк |
|
должна |
обеспечивать возмож |
|
ность свободного |
их |
выпаде |
|
ния при образовании провала. |
Рис. 16.6. Конструкции свайных фун |
Ростверк также должен рассчи |
тываться как балка, под кото |
даментов с жесткой заделкой (а) и сво |
рой образуется |
провал задан |
бодным соединением свай и ростверка |
(6); деталь соединения ростверка со |
ного диаметра. |
и |
сооружений |
сваей (в): |
Для |
зданий |
1 — карстовая полость; 2 — сваи, зависшие |
башенного типа основной зада |
над полостью; 3 — сваи, свободно выпавшие |
чей является |
обеспечение |
их |
ш ростверка; 4 — голова сваи, обернутая |
рубероидом |
устройчивосги |
|
и |
ограничение |
крена. Это достигается устройством резервного числа: элементов опирания консольного типа или увеличением площади опорной поверхности фундамента (рис. 16.7).
Расчет фундаментных конструкций. Задача статического расчета надземной и фундаментной конструкций совместно с основанием, сложная и для обычных грунтовых условий, в случае карстовых проявлений еще более усложняется, поскольку требует учета; ло кальных ослаблений основания в местах образования карстовых провалов. Расчеты часто допускается выполнять без учета влияния жесткости верхнего строения на перераспределение усилий, но и в этом случае система «основание с переменной в плане жест костью — фундаментная конструкция в виде лент, перекрестных лент или фундаментной плиты» сложна для анализа. Положение усугубляется неопределенностью назначения мест образования воз можных провалов. Лучше обстоит дело с прогнозированием расчет ных 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. 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 таким образом, чтобы отразить в расчетах наименее благоприятные условия. работы фундаментной конструкции. При проектировании перекрестных ленточных фундаментов провалы обычно распо лагают в узлах пересечения лент, в середине пролетов, под консолями, под наиболее нагруженными участками. В плитных фундаментах каркасных зданий наиболее опасно появление про валов по осям колонн, в про летах на центральных и пе риферийных участках плиты, под диафрагмами жесткости.
Как правило, расчет ведут на случай образования одного провала. Иногда рассматри вается возможность одновре менного образования двух провалов. Вероятный диа метр карстовых провалов, как отмечалось выше, может
быть определен расчетными Рис. 16.7. Фундамент с устройством ра методами. В практике про диальных консолей (а) н расширенной
ектирования для инженерно кольцевой подошвой (б)
487
геологических условий Москвы и Нижнего Новгорода расчетный диаметр карстовых воронок принимался равным 6 м, хотя может достигать 15...25 м.
В настоящее время существуют программные комплексы для ЭВМ, реализующие полностью совместный расчет системы «соору жение — фундамент — основание».
16.3. 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 впа дина, называемая м ульдой сдвижения. Когда зона подработ ки оказывается в пределах застроенных территорий или участков строительства, происходит смещение фундаментов зданий и соо ружений, что может привести к их повреждению и даже разруше нию.
Ежегодно в стране в зоне влияния горных работ находится более 20 тыс. зданий и сооружений, претерпевающих деформации и раз рушения. Только в Донецком и Карагандинском угольных бассей нах 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 и D2, 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 Нт/т< 15. Трещ ины на земной по верхности возникают при глубинах разработки до 40...50-крат ной толщины вынимаемых пластов. При выемке крутопадающих пластов (а >45°) на земной поверхности появляются деформации в виде уступов с трещинами. Иногда возникают деформации поверхности в виде плавных оседаний.. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, называют полной подработкой 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) г\\ го р и зо н тал ь ные сдвижения С(при полной подработке соответственно щ и Со); относительные горизонтальны е деформации (отношение
Рис. 16.8. Схема сдвижения'пород при разработке пластов крутого падения:
1 — слои породы; 2 — земная поверхность после деформирования; 3 — то же, до раз работки пласта; 4 —угольный пласт
разности горизонтальных сдви жений двух точек мульды к рас стоянию между ними) ен; нак лоны (отношение разности оседаний двух точек, мульды к расстоянию между ними) i; радиус кривизны R и обрат ная ему величина — кривиз на мульды сдвижения к. Мак симальное оседание в случае пол ного обрушения кровли пласта может достигать 50...90% тол щины вынимаемой породы, а горизонтальное сдвижение со ставлять до 30% максимально го оседания.
Например, при характерных для условий Донбасса соотношени ях т/0/т= 0,8 и СоД?о=0.3 выемка пласта толщиной т —1 м с полной подработкой приводит к максимальному оседанию ^о=0,8 м и мак симальному горизонтальному сдвижению Со=0,24 м. При скорости продвижения забоя 30 м/мес. общая продолжительность сдвижения при глубине разработки tf„=100 м составляет примерно 0,5 года, при Нт=700 м — 2,5 года.
Основой для проектирования зданий и сооружений является
горно-геологическое обоснование, содержащее: геологические и гид рогеологические данные о подрабатываемой толще, 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
*Юшип А. И. Особенности проектирования' фундаментов зданий на основани ях, деформируемых горными выработками. М., 1980.
слабыми грунтами в основании, если при этом они обладают достаточной несущей способностью.
В зависимости от максимальных величин ожидаемых (норматив ных) деформаций земной поверхности подрабатываемые террито рии подразделяются на группы в соответствии с табл. 16.4.
Таблица 16.4. Классификацияподрабатываемых территорий по максимальнойвеличинеожидаемых деформаций земной поверхности
|
Относительная гори |
|
|
Группа территорий |
зонтальная дефор |
Наклон 1. 1 ■10“3 |
Радиус кривизны Л, хм |
мация сжатия шш |
|
растяжения ед, Г 10 3 |
|
|
I |
12>еА>8 |
20 ^ /> 1 0 |
1 < Л < 3 |
П |
8 > ед> 5 |
1 0 > /> 7 |
3 < Л < 7 |
III |
5>вк>Ъ |
7 > /> 5 |
7 < Л < 1 2 |
IV |
3> еЛ> 0 |
5 > i> 0 |
12<Д <20 |
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 ожидаемойвысоте уступа
Группа территорий |
°*£Sr*.’S |
r ‘ II |
|
Ожидаемая высота |
|
уступа к, см |
I, к |
25^Л>15 |
|| |
Ш, к |
10>Л>5 |
II, X |
15>Л>10 |
IV, к |
5^А>0 |
Подрабатываемыми территориями, пригодными для строитель ства, считаются участки земной поверхности, расположенные вне зон возможного образования провалов, затопления атмосферны ми осадками и подземными водами, выходов тектонических на рушений, возможного образования оползней. По величинам прог нозируемых деформаций от влияния горных работ эти участки относятся к III, III, к и IV, IV, к группам территорий. К ограни чено пригодным относятся участки, соответствующие по величи не прогнозируемых деформаций I, I, к и П, И, к группам тер риторий.
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 габа-
