Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Полученные значения τyx сопоставимы с экспериментальными данными [7]. Проведение более детального сравнения затруднено недостатком информации об экспериментах.

Описанная методика позволят проводить оценку касательных напряжений пучения по боковой поверхности сваи при учете контактного взаимодействия, что может быть использовано при расчете свай на выдергивание в пучинистых грунтах.

Литература

1.Вялов С. С. Реология мерзлых грунтов. Под ред. В. Н. Разбегина. – М.: Строй-

издат, 2000. – 464с.

2.Дашжамц Д., Кроник Я.А., Лыкшитов Б.В. Основания фундаменты на мерзлых

ипучинистых грунтах (на примерах Забайкалья и Монголии). Учебное пособие / под ред. Я.А. Кроника. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. – 160с.

3.Каган А.А., Кривоногова Н.Ф. Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике. Словарь-справочник. СПб: Изд-во ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2001. – 254с.

4.Мельников А.В., Сахаров И.И. Определение параметров напряженнодеформированного состояния промерзающего пучинистого грунта в неоднородной постановке // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – №1. – С. 12-18.

5.Павлов А.Р., Матвеева М.В. Численное моделирование процесса промерзания и морозного пучения влажных грунтов. // Мат. заметки ЯГУ. – 2007. –Т. 14, вып.1. –

С. 162-170.

6. Полянкин Г.Н. Исследование совместной работы основания и фундамента в промерзающих пучинистых грунтах: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 1982. – 45с.

7.Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов

иего влияние на фундаменты сооружений. – Л. – 1977. – 184с.

8.Туренко И.И. Теоретическое исследование взаимодействия промерзающего пучинистого грунта с боковой вертикальной поверхностью столбчатого фундамента: Автореф. дисс. … канд. тех. наук. – Л., 1973. – 23 с.

9.Jiazuo Zhou, Dongqing Li. Numerical analysis of coupled water, heat and stress in saturated freezing soil // Cold Regions Science and Technology 72, 2012. P. 43-49.

10.Ladanyi B., Foriero A., Evolution of frost heaving stress acting on a pile // Proc. 7-th Intern. Conf. on Permafrost. Yellowknife. Canada, 1998. P. 623-633.

11.Penner E. Uplift forces on foundations in frost heaving soils. // Canadian Geotechnical Journal, 11. P: 323-338.

12.Zhen Liu, Xiong Yu. Coupled thermo-hydro-mechanical model for porous materials under frost action: theory and implementation. // Acta Geotechnica, 6, 2011. P: 51–65.

401

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

УДК 624.131.551.435.8

С.А. Махнатов1, 2, Р.Б. Давыдько3

(1МГСУ, г. Москва, 2ОАО «НИИ ПТМ №17», г. Нижний Новгород, 3ОАО «Противокарстовая и береговая защита», г. Дзержинск)

КАРСТОВЫЙ РИСК, ВЫЗВАННЫЙ ОПАСНОСТЬЮ ОДНОВРЕМЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЕСКОЛЬКИХ ПРОВАЛОВ

«Из всех возможных неприятностей произойдёт именно та, ущерб от которой больше»

Эдвард А. Мёрфи (законы Мёрфи)

Принятие инженерных решений должно основываться как на учёте хорошо известных воздействий, так и с учётом маловероятных событий. К тому же, в проектной документации должны содержаться пределы допустимых изменений параметров, характеризующих безопасность объектов и геологической среды в процессе строительства и эксплуатации. Всё это изложено в «Техническом регламенте о безопасности зданий и сооружений»

(№-384 ФЗ) ст. 16.6 и 18.5.

Известные в научно-технической сфере способы определения «расчётного пролёта карстового провала ld» [11, 12] под зданием или сооружением учитывают одно из основных стохастических условий появления «отказа» строительной конструкции – наиболее вероятный размер поражения провалом оси фундамента в плане. Для его определения необходимо знать карстовую опасность участка строительства, связанную с локальными деформациями основания сооружения. Для зданий и сооружений нормального и повышенного уровня ответственности «расчётный пролёт» зарекомендовал себя как универсальный параметр расчёта защиты строительного объекта от образования хотя бы одного провала [11]. Спектр объектов его применения про- ектно-изыскательскими организациями широк: от магистральных трубопроводов до фундамента сложного крупного сооружения.

Необходимость учёта вероятности образования карстового провала (карстовый риск) подтверждена на большом количестве аварийных случаев: 1992г. завод ДзержинскХимМаш; 2013г. р.п. Бутурлино (Нижегородской области) и т. п.

Но как быть, если карстовая опасность на площадке проектирования представлена опасностью образования не одного, а сразу нескольких провалообразований и/или просадок (время, за которое произойдёт повторный провал/просадка несоизмеримо мало в сравнении с периодом эксплуатации сооружения)? Иными словами, насколько редким и опасным является событие поражения фундамента здания несколькими провалами (двумя, тремя,

402

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

четырьмя и т. д.)? Подобными вопросами в последнее время часто задаются заказчики проектно-изыскательских работ.

В практике известны удачные попытки объяснения причин и условий формирования повторных или так называемых «дочерних» провалов исходя из результатов натурных наблюдений [4]. Это явление исследователи связывают с гидравлическим ударом, происходящим при обрушении кровли полости, что является толчком для активизации карстово-обвальных и карсто- во-суффозионных процессов вблизи исходного провала («материнского»). Хоменко В.П. установлена расчётно-теоретическая модель [5], определяющая условия формирования карстовых провалов сложного типа (карстовообвального и карстово-суффозионного), а именно возможность относительно «незамедлительного» образования повторной карстовой деформации.

Представим такую ситуацию, что под существующим зданием образовался карстовый провал и задел часть его фундамента. Противокарстовые мероприятия оказались достаточными для того, чтобы не вызвать аварийной ситуации прогрессирующего обрушения здания, обеспечить безопасную эвакуацию людей и приостановку производственного процесса. Карстовопровальный случай произошёл, однако он не снимает полностью карстовую опасность с этого же здания (как собственно и с территории). Та же расчётная схема фундамента остаётся быть подверженной вероятности образования ещё одного карстового провала. Осталась ли необходимость в данном случае учитывать вероятность образования второго провала?

Классическая оценка карстового риска сводится к определению вероятности образования хотя бы одного карстового провала и описывается выражением [2]:

Pr = 1-exp(-λ·A·T)

где λ – интенсивность провалообразования (провалов/год*км2); А – площадь участка проектирования (га или км2); Т – расчётный срок эксплуатации сооружения (лет).

Рассмотрим два случая появления повторного карстового провала:

1.Повторный провал или просадка независимы от первоначального карстового провала.

2.Повторный провал или просадка являются следствием образования первоначального карстового провала.

Попытки оценить вероятность образования провалов, с учётом той особенности, что их распределение независимо друг от друга и подчиняется за-

кону редких событий (Пуассона), делались в СССР и США [2, 14, 15].

Согласно исследованиям, изложенным в [11] для образования n прова-

лов получим при удельных значениях А (1га) и Т (100 лет):

P(2) = (λ ТA)ne-λТ A / n!

Ниже в качестве примера в таблице приведены результаты расчётов.

403

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Таблица

Значения вероятности образования n провалов на удельном участке с заданной карстовой опасностью λ = 0,02 пров./га*100лет (пров./км2*1год) [2]

Используя другую таблицу – таблицу допустимых рисков Rn из «Рекомендаций… 2012 года» [2] можно заметить, что удельная вероятность (карстовый риск) образования 2-х или 3-х карстовых провалов сопоставима с допустимым карстовым риском для объектов, которые могут быть подвержены большому количеству ущербов экологического, социального и экономического характеров. Это в первую очередь касается зданий и сооружений повышенного уровня ответственности.

В целях исследования второго случая авторами был выбран опорный участок вблизи посёлка Жёлнино (Нижегородская область) [3], где геологические условия способствуют интенсивному формированию достаточно большого количества карстовых провалов различного диаметра, а также формированию небольших карстово-суффозионных просадок вокруг этих провалообразований на сравнительно небольшом по размеру участке, соизмеримым с величиной фундамента (рис. 1). Размеры просадок были относительно одинаковыми (от 1 до 2 м в плане и глубиной до 0,3 м).

Рис. 1. (Слева) схема расположения просадок вокруг одного из карстовых провалов на опорном участке в посёлке Жёлнино и (справа) гистограмма распределения расстояний от центра карстового провала до просадок с кривой

Установлена зависимость частоты образования «дочерних» просадок от величины расстояний до «материнского» провала при геологических и гидрогеологических условиях участка в посёлке Жёлнино.

404

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

В качестве примера для расчёта выбрана конструктивная схема пере- крёстно-ленточного фундамента под общественным зданием (с сеткой колонн 8 8 м габаритные размеры 72 72 м), располагающимся в карстоопасном районе г. Дзержинска (рис. 2). Выбор сделан неспроста, так как геологические и гидрогеологические условия подобны условиям на опорном участке в посёлке Жёлнино, а наибольшая плотность просадок распределена на расстоянии равном расстоянию между колоннами в расчётной схеме (8 8 м). Расчётно-статистические данные по участку были получены из архива, а также были оценены результатами расчётов геомеханических моделей образования карстовых провалов [5, 6, 10, 13]. Согласно принятым нормированным параметрам СП 11-105–97 ч.2 они составили:

–dс = 15,2 м (средний диаметр карстового провала);

–dmax = 32 м (максимальный диаметр карстового провала);

–λ = 0,02 пров./га*100лет (интенсивность образования карстового провала на участке удельной площадью в 1 га за удельный расчётный срок эксплуатации 100 лет [2]).

На основании представленных величин была получена интегральная кривая ld = f(Pld) (рис. 2) и установлена величина расчётного пролёта ld ≈5м.

Рис. 2. (Слева) интегральная кривая (со сглаженной полиноминальной кривой) функции зависимости величины расчётного пролёта от частоты его образования ld = f(Pld) под расчётной схемой фундамента и (справа) расчётная схема перекрёстно-ленточного фундамента с определённым расчётным пролётом карстового провала ld и расположением просадки

Распределение просадок вокруг карстового провала является в данном случае зависимым от образования карстового провала.

Расчёт фундамента конструкции на образование одного провала является частным случаем расчёта фундамента на образование хотя бы одного провала. Основным отличием в рассматриваемом случае является поученная

405

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

величина изгибающего момента в сечении фундаментной балки (при расчёте ленточного фундамента). Определена главная особенность для фундамента, что значительный изгибающий момент может возникнуть в промежуточном интервале между двумя карстовыми деформациями, вызвав растягивающее усилие в верхней, а не в нижней части фундаментной балки, как это привыкли принимать проектировщики в своих расчётах. Это, согласно расчётам, приводит к необходимости увеличения площади сечения армирования.

Что касается понятия «одновременности» образования нескольких карстовых провалов, то необходимо определить следующее:

должны существовать условия, способные вызвать повторное образование карстовой деформации;

появление повторной карстовой деформации может быть событием либо зависимым, либо независимым от образования первичной карстовой деформации, согласно первому положению;

вторая карстовая деформация относительно первой происходит настолько быстро, что эксплуатационные службы не смогут успеть принять своевременные меры по восстановлению эксплуатационной способности здания;

одновременность образования провалов/просадок может вызывать иные напряженно-деформированные состояния фундамента. Так как это событие довольно редкое – его стоит учитывать, сопоставляя условия формирования провалов и величину возможных ущербов от их происхождения.

Одним из ярчайших примеров одновременного образования провала послужило происшествие 1977 года в промышленной зоне г. Дзержинска, где за ночь образовалось сразу 3 карстовых провала неподалёку друг от друга [4, 5], затронувшие подъездной железнодорожный путь (материнский провал dма = 16,3 м), участок между рельсами башенного крана (дочерний провал

вформе эллипса dдо1 = 7,1–8,1 м) и участок незастроенной территории (дочерний провал в форме dдо2 = 6,5 м).

Выводы

1.«Дочерние» деформации земной поверхности не всегда проявляются в виде провала, а также в виде небольшой просадки.

2.Данный феномен может быть особенно актуален при проектировании линейных особо ответственных объектов.

3.Одним из параметров, влияющих на величину изгибающего момента в сечении помимо величины расчётного пролёта и диаметра «дочернего» провала может служить наиболее вероятное расстояние между центрами «материнского» и «дочернего» провалов.

4.В качестве самого невыгодного положения карстового провала часто проектно-изыскательскими организациями принимается его положение под опорой колонны. Данное положение актуально в расчёте при дополни-

406

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

тельном моделировании просадки под соседней колонной. Согласно риску появления аварийной ситуации в таком случае расстановка карстовых деформаций наиболее опасна. Это также должно быть сопоставимо с уровнем ответственности объекта.

Литература

1.«Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» 384-ФЗ.

2.Толмачёв В.В., Махнатов С.А., Уткин М.М. Основные результаты исследований по оценке карстового риска при строительстве (журнал «Проектирование и инженерные изизыскания»). ПНИИИС, 2013. С. 40 – 47.

3.Давыдько Р.Б. Результаты изучения поверхностных карстопроявлений на опорном участке в пос. Жёлнино // Великие реки 2013. Сборник конференции. Нижний Новго-

род, 2013. С. 135 – 137.

4.Копосов Е.В., Давыдько Р.Б., Максимова О.Р. Причины образования группы карстовых провалов в юго-восточной части г. Дзержинска // Инженерные изыскания

встроительстве : реф. сб. сер. 15. 1979. Вып. 5. С. 16 – 17.

5.Хоменко В.П. Феномен «материнских» и «дочерних» карстовых провалов и его опасность для строительства // Труды ассоциации инженерные изыскания в строительстве

: ПГС. 2011 Вып. 11. С 10 – 12.

6.Саваренский И.А., Миронов Н.А. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах карста М., ПНИИИС, 1995.

7.Толмачёв В.В., Давыдько Р.Б., Махнатов С.А., Уткин М.М. Анализ причин аварий сооружений и ущербов в карстовых районах // Труды восьмой Международной науч- но-практической конференции «Геориск-2012». Том I. С.330 – 335.

8.Khomenko V.P., Potapov A.D., Tolmachev V.V., Makhnatov S.A. Karst risk assessment focused on mechanism of sinkhole formation. Biejing, China. 2013.

9.Рекомендации по проведению инженерных изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях Нижегородской области // Департамент по градостроительному развитию Нижегородской области, ОАО «Противокарстовая и береговая защита». Нижний Новгород, 2012.

10.Рекомендации по использованию инженерно-геологической информации при выборе способов противокарстовой защиты. ПНИИИС, Стройиздат, М., 1987.

11.Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. НИИОСП, М., 1985.

12.Махнатов С.А., Уткин М.М. Способ определения параметров проектирования конструктивной противокарстовой защиты // Труды Российской конференции «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях»

(ред. Готман А.Л.) Уфа, 2012. С.72 – 77.

13.Уткин М.М., Махнатов С.А. Способ определения параметров проектирования конструктивной противокарстовой защиты // Труды Российской конференции «Геотехнические проблемы проектирования зданий и сооружений на карстоопасных территориях»

(ред. Готман А.Л.), Уфа, 2012. С.262 – 267.

14.Lilly W.W. A probability study of sinkhole distribution //Proceedings of Symposium ASCE “Engineering, construction and maintenance problems in limestone regions. Benthlehem, USA, 1976. – P. 161 – 180.

15.Raghu D., Tiedeman C. Sinkhole risk analysis for a selected area in Warren country, New Jersey // Proceedings of first multidisciplinary conference on sinkholes. Florida, USA, 1984. – P. 167 – 169.

407

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

УДК 624-195

В.Е. Меркин, И.Н. Хохлов, С.А. Казаченко

(НИиПИ ОАО «Мосинжпроект», г. Москва), М.Г. Зерцалов (МГСУ, г. Москва), Д.В. Устинов (ООО «НИЦ «Тоннельной ассоциации», г. Москва)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ТОННЕЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ИХ ВОЗВЕДЕНИЯ

Впоследние десятилетия, и особенно в настоящее время, происходит бурное развитие транспортной инфраструктуры крупных городов. При этом осуществляется интенсивное строительство транспортных сооружений, в том числе сооружений метрополитена. Постоянное сокращение свободных территорий для строительства метрополитена в условиях окружающей застройки, а также необходимость устройства пересадочных узлов между существующими и вновь возводимыми линиями приводит к необходимости устройства участков новых линий закрытым способом вблизи действующих сооружений метрополитена.

Сооружение перегонных тоннелей в непосредственной близости от действующих сооружений метрополитена может оказывать негативное влияние на напряженно-деформированное состояние и эксплуатационную надежность существующих подземных сооружений. Это влияние может выражаться в увеличении деформаций и напряжений подземных конструкций, появлении трещин и иных повреждений в обделках, нарушении герметичности стыковых соединений и усилении водопроявлений в условиях водонасыщенных грунтов. Следствием этих процессов является снижение эксплуатационной надежности и безопасности сооружений метрополитена, необходимость проведения затратных и продолжительных мероприятий по ремонту, восстановлению герметичности и усилению существующих сооружений. Во избежание указанных негативных воздействий в процессе строительства новых объектов на стадии проектирования необходимо проводить анализ возможных изменений состояния существующих сооружений, а также разрабатывать мероприятия по обеспечению их сохранности и безопасной эксплуатации.

Впроектную документацию должен включаться анализ влияния нового строительства на сохранность уже построенных сооружений метрополитена,

атакже поверочные расчеты, позволяющие оценить величины деформаций и напряжений конструкций, влияние выбранной технологии и последовательности сооружения на существующие объекты. Степень этого влияния оценивается с позиции допустимых величин дополнительных деформаций и фактического запаса прочности элементов сооружений (определяется на основе натурного обследования конструкций и грунтового массива). Также проектная документация должна содержать мероприятия по геотехническому

408

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

мониторингу существующих сооружений в период строительства. В случае неблагоприятного прогноза и выявления недопустимых величин деформаций

изапасов прочности конструкций ведется корректировка проектных решений

иразработка мероприятий по их сохранности и обеспечению безопасной эксплуатации.

НИЦ ОПП «Мосинжпроект» выполнял работы по оценке влияния строительства перегонных тоннелей вблизи существующихи перегонных тоннелей на нескольких участках Московского метрополитена. Расчеты были выполнены в пространственной постановке на базе лицензионной сертифицированной версии геотехнической программы Z_Soil 3D v.11.15 методом конечных элементов (МКЭ). Было выполнено две серии расчетов.

Впервом случае производилось моделирование строительства участка перегонного тоннеля под существующим перегонным тоннелем. Действующие и строящиеся тоннели представляют собой тоннели круглого очертания диаметром 5,5 м каждый; мощность грунтового целика между путевыми тоннелями 1,78 м. Согласно материалам обследования, обделка действующего

перегонного тоннеля – сборная комбинированная из чугунных тюбингов с лотковым железобетонным блоком. Обделка строящегося тоннеля запроектирована из чугунных тюбингов Ø5,5 м. Проходка тоннеля согласно проекта осуществляется горным способом. Разработка грунта в забое производится последовательно: устройство передовой штольни, разработка каллоты, разработка среднего яруса, доработка обратного свода. Крепление выработки осуществляется с помощью установки лонгарин и штендеров с расклинкой

впороду и затяжкой из досок. В соответствии с требованиями Метрополитена

взоне пересечения действующих тоннелей разработка породы ведется безвибрационными и безударными способами средствами малой механизации.

Инженерно-геологические условия участка в месте пересечения характеризуются наличием водоносного известняка верхне-каменноугольного периода, трещиноватого и сильнотрещиноватого, средней прочности; глины твердой консистенции с прослоями известняка и мергеля. Расчетная схема и фрагмент результатов расчета приведена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема и фрагмент результатов расчета

409

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

В процессе моделирования была полностью воспроизведена технология работ, предусмотренная проектом. Это позволило определить максимальные дополнительные перемещения и усилия в конструкции существующего тоннеля на каждом этапе строительства. Расчет показал, что максимальные усилия и перемещения в конструкции существующего тоннеля возникают на промежуточных этапах расчета.

Расчеты выполнялись в предположение соблюдения технологии ведения работ (соблюдение величины заходки при разработке грунта и ее последовательности, полное заполнение строительного зазора). Величины максимальной расчетной осадки существующего тоннеля при проходке под ним сооружаемого составили 53 мм. В расчете были использованы данные инже- нерно-геологических изысканий стадии «проект» для участка строящейся линии. Полученные величины расчетных перемещений существенно превышали данные, полученные в результате мониторинга на участках аналогичной проходки. Кроме того, данные величины являлись критическими для существующего тоннеля согласно требований метрополитена – требовалось проведение дополнительных мероприятий по обеспечению его сохранности (устройство разгружающих рам, страховочных пакетов, укрепление грунтов). Учитывая стесненный габарит существующего тоннеля и сжатые директивные сроки строительства такие мероприятия представлялись трудновыполнимыми и чрезмерно затратными.

Следует учесть, что в расчете деформаций грунтового массива была использована упруго-пластическая модель Кулона-Мора, не учитывающая возникновение зон разгрузки массива при проходке тоннеля. Было принято решение о проведении дополнительных инженерно-геологических изысканий слоя, в котором планировалось строительство тоннеля. На тот период велась проходка штольни соседнего тоннеля, в которой были отобраны керны и проведены испытания образцов грунта (глина) для получения характеристик по модели упрочняющегося грунта (Hardening Soil). Упругопластиче-

ская модель Hardening Soil содержит 12 вводных параметров c, ,ψ, овrefd , ref ,

νur, m, E50ref, Eoed, Eurref,K0,OCR, её основной особенностью является зависимость жесткости от напряжений, применение теории пластичности, а не тео-

рии упругости, учет дилатансии грунта и введения полусферической поверхности текучести.

Полученные характеристики по результатам дополнительных испытаний приведены в табл. 1.

В результате проведенного расчета с использованием модели упрочняющегося грунта, с учетом полученных дополнительных данных, величина максимальной расчетной осадки существующего тоннеля составила не более 24 мм, что представляло собой величину, согласующуюся с данными мониторинга и не вызывала опасений с точки зрения безопасной эксплуатации существующих сооружений метрополитена.

410