О Тр.Межд. Конф. По геотехнике: Геотехн. Пробл. Мегаполисов.-м.: нииосп.- 2010.- в.5тт.-т.5.-с.1891-1896 б инженерно-строительной карстологии

Э.И. Мулюков, Н.Э. Урманшина

Уфимский государственный нефтяной технический университет (арх.-стр. факультет), Уфа, Россия

АННОТАЦИЯ: изложены некоторые фрагменты дисциплины «инженерно-строительная карстология», в т.ч. а) механизм растворения и классификация карстующихся компонентов; б) противокарстовые фундаменты, приспособленные для обследования и позволяющие произвести реставрацию основания и фундамента существующего здания; в) плитный фундамент с технологическими каналами в новом строительстве, позволяющий ликвидировать последствия проседания, провала; г) спаренные многосекционные сваи для усиления оснований и фундаментов существующих зданий. Рассмотрен типовой сборный ленточный фундамент, армируемый в процессе монтажа, включающийся в работу над провалом, как жёсткая балка-стенка. Сформулирован закон инженерно-строительной карстологии – итог многолетнего опыта строительства и эксплуатации объектов на закарстованных территориях, а также преподавания одноимённой дисциплины в строительном вузе.

ВВЕДЕНИЕ

Инженерно-строительная карстология (ИСК) формируется с 80^-х гг. 20 в., как составная часть созданного Г.А. Максимовичем карстоведения – одного из разделов инженерной геологии [1,2]. ИСК тесно связана со строительными дисциплинами: инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты, подземные сооружения, строительные материалы, строительная механика, надёжность и др. Карстующиеся породы таят в себе возможность проявления особой нагрузки на наземные и подземные здания и сооружения.

В условиях Башкирии ИСК активно развивается в связи с массовым промышленным и жилищным строительством в Уфе и др. городах, на площадках, предрасположенных к карстопроявлениям [3]. За прошедшие годы в рамках ИСК накоплен определённый опыт, положенный в основу региональных документов (ВСН 2-86, РСН 1-91, ТСН 302-50-95.РБ), отражённый в публикациях, авторских свидетельствах и патентах [4]. ИСК преподается в УГНТУ на архитектурно-строительном факультете и в Институте дополнительного профессионального образования с 2002г.

1. О РАСТВОРЕНИИ ПОРОД

Процесс растворения пород в воде происходит в гетерогенной системе и сопровождается возникновением поверхностного концентрированного слоя, взаимодействующего с окружающей жидкой фазой (водой), имеющей какую-то (обычно уменьшенную) концентрацию. При этом самопроизвольно возникает стремление системы к выравниванию концентраций, что зависит от скорости диффузии, а также от факторов её ускоряющих.

Э тот процесс в нормальных условиях протекает в две стадии. На первой стадии вокруг/на поверхности, как выше отмечено, образуется диффузионный слой в виде жидкой плёнки насыщенного раствора, благодаря отрыву (растворению) полярными молекулами воды молекул породы. На второй стадии происходит отвод растворённого вещества из диффузионного слоя в объём жидкой фазы путём взаимного проникновения соприкасающихся жидкостей. Это происходит самопроизвольно благодаря тепловому движению молекул в направлении меньшей концентрации вещества и ведёт к выравниванию химического потенциала в закрытой (изолированной) схеме. При проточной (открытой) схеме возможность отвода вещества из слоя зависит от концентрации вещества в проточной воде (рис. 1).

В обеих стадиях концентрация вещества в диффузионном слое сохраняется насыщенной, равной растворимости породы, благодаря продолжающемуся отрыву продукта из твёрдой фазы. Скорость диффузии вещества на второй стадии при отсутствии внешних воздействий описывается первым законом А.Фика, устанавливающим пропорциональность диффузионного потока частиц градиенту их концентрации [5]:

_{, (1)}

где v – скорость диффузии; D – коэффициент диффузии; δ – толщина диффузионного слоя (плёнки), через который идёт диффузия; c_∞ – предельная концентрация вещества (растворимость) в плёнке; c –концентрация вещества в жидкой фазе (в растворе), характеризующая минерализацию контактирующей воды. Из формулы (1) видно, что при равенстве концентраций (c_∞ = c) растворение породы прекращается.

Зависимость скорости растворения пород от окружающей температуры t °C описывается уравнением С.Аррениуса:

К=А exp(-E/RT), (2)

где К – константа скорости растворения для соответствующего типа карстующейся породы; А – множитель с размерностью [г·см^-2·сек^-1]; E – энергия активации, определяющая скорость растворения при данной температуре; R – газовая постоянная; T – температура термодинамическая по шкале Кельвина,

Т = t °C +273,15 K.

Скорость диффузионных процессов при повышении температуры на один градус растёт на 1…3 % по данным В.В. Кузнецова [5]. Это подтверждается на практике. Оказалось, что скорость развития карбонатного карста в тропиках повышается до скорости растворения сульфатного карста, характерной в умеренных широтах, что наблюдал В.И. Мартин на Кубе [1].

В работах А.Н. Щукарева и В.Нернста [6] показано, что процесс растворения пропорционален площади растворяющейся поверхности:

_{, (3)}

где S – поверхность раздела фаз (контактирующая с водой поверхность).

Растворение породы ускоряется также при наличии трещин, кавернозности. Существенно процесс активизируется при дефектах в кристаллических решётках. Расклинивающее давление плёнок жидкости в промежутках между твёрдыми поверхностями по Б.В. Дерягину и Е.В. Обухову также активизирует физико-химический процесс взаимодействия породы с водой.

Скорость растворения карстующейся породы в реальных условиях зависит от режима движения подземной воды. В ламинарном режиме растворение будет «спокойным» благодаря постоянной толщине диффузионного слоя и отсутствию перемешивания воды. Турбулентный режим характеризуется самоперемешиванием слоёв воды, нарушением сплошности диффузионного слоя, что существенно ускоряет процесс растворения. Естественно имеет значение наличие в потоке нерастворимых тонкодисперсных фракций, рН среды, что превращает подземную воду в суспензию, а собственно процесс взаимодействия породы с водой – в карстово-суффозионный. При этом наблюдается выщелачивание растворённых солей, нарушение микроагрегатной структуры грунтов (размыв) и вмывание в полости тончайших частиц породы с нисходящими токами воды.

Г.А. Максимович ввёл понятие кластокарст [1], который наблюдается в обломочных породах (глинистых, песчанистых, конгломератовых) вследствие растворения содержащихся в них включений таких солей, как сульфат, карбонат, галит. В кластокарсте гетерогенная реакция протекает в среде глинистой массы, в которой формируется осмотический процесс, представляющий фильтрационную аномалию, т.е. с иными закономерностями, чем вышеприведённые [7].

Для нормальных условий при отсутствии внешних воздействий приводим расчётный расход воды на растворение пород в объёме одного м³. Для карбонатов требуется (37…56)·10⁶ л, для сульфатов – (5…30)·10⁴ л, галоидов – (0,1…6)·10⁴ л. Следует отметить, что естественный карстово-суффозионный процесс происходит в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, не стабильных в пространстве и во времени. Зачастую на него налагается антропогенный фактор. А различные модели процесса и прогнозы не всегда корреспондируются с реальностью. В связи с этим уместно вспомнить, что Ф.П. Саваренский и его коллеги, стоявшие у истоков становления инженерной геологии, проявляли озабоченность и призывали исключать “в своей деятельности «гадательность» и упрощенческие подходы” [8]. А геотехник Н.Н. Маслов отмечал, что «природная обстановка и реальные свойства грунтов и горных пород гораздо многообразнее и сложнее, чем это можно описать теми или иными формульными зависимостями» [9].

2. КЛАССИФИКАЦИЯ КАРСТУЮЩИХСЯ КОМПОНЕНТОВ

Классификация включает 5 классов растворимых минералов, горных пород и грунтов. За критерий класса принята растворимость в нормальных условиях в возрастающем порядке. Названы только основные представители классов и видов, включая грунты, состоящие из растворимых и нерастворимых компонентов. Скорреспондирована с ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».

1. Карбонаты – класс малорастворимых пород, растворимость (Р) равна примерно 0,07 г/л. Широко распространены в природе. Относятся к осадочным скальным породам. Имеют преимущественно ковалентный тип связи. Обладают достаточно высокой плотностью. Подразделяется на виды: 1.1 – доломит, грейнерит, броссит; 1.2 – кальцит, исландский шпат, известняк, мрамор, мел; 1.3 – магнезит, магнезитовый шпат; 1.4 – мергели глинистые с известковыми и доломитовыми включениями, а также с сульфатными.

Образуют прослойки и мощные, до 60…80 м, пласты пермских горных пород, характерные, например, для центральной части Уфы с отм.160…180 м. Отсутствие в сухих толщах полостей и низкое залегание УПВ (ниже отм. 80…100 м) позволяет относить их к водоупорным экранам.

2. Сульфаты – класс распоространённых растворимых пород, имеющих преимущественно Р > 10 г/л. Только ангидрит, наиболее плотный, из этой группы пород, малорастворим, т.е. Р ≤ 2 г/л. Относятся к полускальным породам, имеют характерный ионный тип связи, невысокую плотность, низкую твёрдость. Виды и разновидности: 2.1 – ангидрит, 2.2 – гипс, 2.3 – мирабилит (глауберова соль), 2.4 – гипс землистый, засолённые грунты. Территории, представленные сульфатами, требуют реализации соответствующих мер по противокарстовой защите.

В центральной части Уфы под карбонатными толщами залегают гипсовые отложения с редкими в основном заполненными полостями на отм. 60 м по данным А.И. Травкина.

3. Сульфиды – класс щёлочных и щёлочноземельных растворимых руд. Отличаются неустойчивостью, легко разрушаются и окисляются с переходом в растворимые сульфаты, проявляя соответствующие унаследованные свойства и особенности. Встречаются на рудниках и месторождениях цветных металлов как это имеет место в Юго-Восточной окраине Башкирии (Акъяр, Баймак, Бурибай, Сибай, Учалы).

4. Галоиды – класс сильнорастворимых (Р=357 г/л) пород. Распространены в залежах щёлочных металлов, относятся к полускальным породам. Имеют ионный тип связи. Виды и разновидности: 4.1 – каменная соль (галит), 4.2 - карналлит. Требуются значительные расходы при освоении галоидных территорий под строительство.

5. Лёссы – класс рыхлых полиминеральных пылеватоглинитсых эоловых отложений, имеющих сильнорастворимые солевые галоидные связи между частицами (зёрнами) грунта. В сухом состоянии обладают высокой прочностью. Приурочены к степной и сухостепной зонам. При воздействии воды связи (хлориды и др.) мгновенно (за 10…15 с) распадаются с полной утратой структурной прочности.

Вышеописанная классификация растворимых компонентов в табличной форме содержит химические формулы, внешние признаки, распространённость в природе и область применения в строительном комплексе [4]астворимы в царстве карстующихся пород. к полускальным породам. имеет место в Юго-Восточной окраине Башкирии (Акъяр, Баймак, С.

3. ПРОТИВОКАРСТОВЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Много трудностей возникает при диагностике причин аномального поведения оснований эксплуатирующихся зданий и сооружений. Не менее лёгким является реализация технических решений по их стабилизации. В связи с этим могут представить интерес ремонтопригодные фундаменты, приспособленные для обследования состояния и усиления основания фундамента. Ниже названы примеры таких фундаментов: 1) фундамент с малопрочными вкладышами; 2) плитный фундамент с технологическими каналами; 3) фундамент свайный спаренный многосекционный.

1). Техническое решение сборного ленточного фундамента с вкладышами на естественном основании включает модернизированные фундаментные плиты (подушки), снабженные торцевыми вырезами размером, например, 160x320 мм, на обоих торцах плиты по середине. При монтаже плит возникают “окна” размером 300x320x320 мм, заполняемые грунтом. При монтаже по плитам фундаментных стеновых блоков над “окнами” оставляются проёмы размерами 400x600 мм (1200) мм на ширину блока, закладываемые малопрочным материалом (то щий бетон, кирпичная кладка на глиняном растворе) по ходу монтажа либо бетонирования. Шаг таких “окон” и проёмов 4,8…7,2 м (рис.2).

Рис. 2. Сборный ленточный фундамент с вкладышами: 1-основание фундамента; 2-фундаментные подушки с вырезами торцевыми; 3-фундаментные стеновые блоки; 4-вкладыши из малопрочного материала; 5-отказ основания (осадка локальная, проседание, провал)

При отказе основания и появлении деформаций осадочного характера проём разбирается, “окно” в фундаментной плите расчищается. Затем производится диагностика состояния основания. Проём в плите позволяет осмотреть контактную зону между основанием с подошвой, отобрать пробы грунта и воды, произвести усиление основания либо фундамента. Полость, обнаруженная под подошвой, позволяет сфотографировать внутренность.

При необходимости подошва фундамента обжатием основания включается в работу либо подводятся (вдавливаются) многосекционные сваи, до заданного сопротивления, упираясь домкратом в перемычку проёма [10].

2). Плитный фундамент с технологическими каналами (диаметром 150 мм) удобен для диагностики возникшей полости под плитой. Назначение каналов такое же, как назначение “окон”, описанных выше. Более подробная информация с иллюстрациями содержится в публикациях [4,11]. В своё время технологические каналы были рекомендованы в монолитной фундаментной плите при реконструкции Башкирского академического театра драмы им. М.Гафури.

3). Спаренные многосекционные сваи вдавливаются одновременно с обеих сторон существующего фундамента с помощью специальной упорной балки до глубины, при которой достигается заданное сопротивление сваи [12]. Использовано в Уфе для усиления свайного однорядного ленточного фундамента Центра пенсий [13], бутобетонного ленточного фундамента при надстройке сценической коробки Башкирского государственного театра оперы и балета, при усилении сборного ленточного фундамента девятиэтажного КПД №3 в кв. 15/13 [14].

Карстовые деформации основания охватывают диапазон от осадок незначительной величины, например, при кластокарсте, до значительных, аварийных и даже провальных. Соответственно и противокарстовая защита основания здания, сооружения должна предусматриваться адекватной, надёжной. Одновременно следует отметить, что опасность карста зашкаливает в перестраховочную сторону по известным причинам. Нами доказано, что только 15 % отказов имеет карстовое происхождение. Остальные 85 % причин замалчиваются.

Рассмотрим работу типового сборного ленточного фундамента без карстозащиты, оказавшегося над провалом. Такое происходит по закону редких событий (Пуассона) [15], что влечёт за собой разрушение, хотя и на локальном участке, собственно фундамента и даже его локальное обрушение в полость. Потеря геостойкости фундаментом одновременно сопровождается повреждением несущих перекрытий и стен в зоне провала и даже их частичным разрушением вслед за обрушением фундаментных плит и блоков. Провальное исчезновение основания либо утрата им несущей способности ведёт к перераспределению нагрузки, которая с провальной зоны “перескакивает” на соседние работоспособные участки фундамента и его основания, догружая их (рис.3).

Предлагается рассматриваемый фундамент превратить в жёсткую балку-стенку,

к

Рис. 3. Схема типового сборного ленточного фундамента над карстовым провалом: 1-основание фундамента; 2-обрушенный грунт; 3-обломки фундамента; 4-фундаментные плиты и блоки; 5-плиты перекрытия; 6-нагрузка на фундамент; 7-перераспределившаяся нагрузка; 8 – трещины арочные в несущих стенах

оторая сможет включиться в работу при возникновении карстовой особой нагрузки (рис.4). Это достигается расчётным армированием сборного фундамента в горизонтальных и вертикальных швах между фундаментными плитами, стеновыми блоками и в стыках между блоками. Естественно, балка-стенка может получить некоторый прогиб f и незначительное перераспределение нагрузки. При этом потеря геостойкости (обрушение) не произойдет. Потребуется лишь незначительная реставрация [16] (рис.4).

4. ЗАКОН ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬ-НОЙ КАРСТОЛОГИИ

Состав, строение и режим растворения карстующихся пород определяются их генезисом и наличием пяти обязательных условий активизации карста: порода, её скважность, вода, её минерализованность и проточность. Его пассивация происходит при отсутствии одного любого из этих пяти условий. Карст воспринимает антропогенный фактор, характеризуется подземными и поверхностными проявлениями, является естественным динамичным состоянием земной коры и требует прогноза дальнейшего его развития, принятия при необходимости упреждающих противокарстовых мероприятий для снижения риска в инженерно-строительной деятельности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Георгий Алексеевич Максимович: научное издание/Составители: Е.Г. Максимович, Н.Г. Максимович,В.Н. Катаев.-Пермь,«Курсив».-2004.- 512 с.

2. Мулюков Э.И. Карстоведение// Баш. энциклопедия.-Уфа: Изд-во «Баш. энциклопедия.-2007.-Т.З.-С.359-360.

3. Мартин В.И., Мулюков Э.И., Колесник Г.С. Об опыте изысканий, проектирования, строительства и усиления фундаментов зданий на закарстованных территориях (на примере Уфы).// Инж.геология.-1983.-№4.-С.63-71.

4. Мулюков Э.И. О строительном карстоведении / Тр. Межд. научно-техн. конф. к 50-летию БашНИИстроя//Фунд-ты в сложн. грунт.усл. и противооползн. сооруж.-Уфа, БашНИИстрой.-2006.-Т.2.-С.92-97.

5. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. М.: Высш. шк.-1968.-390 с.

6. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ (вопросы теории). М.: Стройиздат.-1966.-208 с.

7. Трофимов В.Т. Грунтоведение / В.Т. Трофимов, В.А. Королёв, Е.А. Вознесенский, Г.А. Голодковская, Ю.К. Васильчук, Р.С. Зиангиров.-М.: Изд-во МГУ, 2005.-1024 с.

8. Вклад академика Ф.П. Саваренского в становление и развитие отечественной гидрогеологии и инженерной геологии: Научное издание. М.: Наука, - 2002. – 120с.

9. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов.-М.: Высш. шк., 1982.-511 с.

10. Способ усиления фундамента здания, сооружения: а.с.2037604СССР: MKU E O2D 27/08/-25.09.1991.-Мулюков Э.И.Опубл.19.06.95. Бюл.№17, 1995.

11. Плитный с технологическими каналами фундамент здания (сооружения): пат.65514.-20.03.2006.-Россия/Мулюков Э.И., Семёнов А.А., Фаттахов М.М., Урманшина Н.Э., Вагапов Р.Ф., Готман А.Л. Опубл.10.08.2007.Бюл.№22,2007

12. Способ усиления фундамента здания, сооружения: а.с.1008357СССР: MKU E O2D 27/08/Мулюков Э.И., Колесник Г.С., Арасланов Р.Я.Опубл.Бюл. №12,1983

13. Мулюков Э.И., Урманшина Н.Э. История строительства и ликвидации здания, построенного на палеокарстовых воронках/Тр. Межд. научно-техн.конф. к 50-летию БашНИИстроя//Фунд-ты в сложн. грунт.усл. и противооползн. сооруж.-Уфа, БашНИИстрой.-2006.-Т.2.-С.98-106.

14. Мулюков Э.И., Илюхин В.А., Травкин А.И., Казаков В.Д. Исследование причин отказа и усиление фундамента 9-этажного дома многосекционными сваями/Тр.Уфимского НИИпромстроя:Усил.осн. и фунд-ов сущ.зд.-Уфа,1990.-С.36-48.

15. Мулюков Э.И. Карстовый процесс и строительное освоение закарстованных территорий Республики Башкортостан / Вестник АН РБ.-1999.- Т.4.-№3.-С.39-46.

16. Противокарстовый сборный ленточный фундамент: полож. решение на изобретение №2009 9114195/03 от 05.02.2010г./Мулюков Э.И., Урманшина Н.Э., Фаттахов М.М., Хуснутдинов Б.Р., Гареева Н.Б., Садыков Р.Я.