с 01.01.2019 по настоящее время
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Общеинженерные дисциплины, профессор)
с 01.01.1980 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Россия
В статье представлены результаты проведенных модельных экспериментов совместной работы перекрестно-балочного фундамента и наклонного основания при его ограничении жесткой вертикальной удерживающей конструкцией в момент внезапного обрушения свода карстовой полости. Определены закономерности трансформации призмы провалообразования в зависимости от угла наклона основания.
карст, перекрестно-балочный фундамент, наклонное основание, склон, устойчивость, эксперимент, модель
Введение
В настоящее время, начиная с 2010 года, наблюдается устойчивое направление роста гражданского строительства зданий и сооружений. Важным форсирующим фактором этой тенденции является финансовая поддержка государства малоэтажного и многоэтажного строительства в Российской Федерации. В развивающихся городах высокая плотность застройки вынуждает инвесторов и строительные компании делать выбор в сторону свободных участков, которые ранее не использовались для строительства. Часто такие свободные участки могут быть осложнены неблагоприятными процессами с точки зрения геологического или гидрогеологического строения, процессов, протекающих в основаниях.
Карст является одним из основных негативных геологических процессов, развивающихся на Крымском полуострове, наличие карстующихся пород приводит к изменению инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Площадь развития карста на Крымском полуострове составляет более 70% от общей площади территорий. Исторически в Крыму из-за отсутствия интенсивных осадков и бедной речной сети была нехватка пресной воды. Для решения этого вопроса в 1961-1971 годах был построен Северо-Крымский канал, для обеспечения водой маловодных и засушливых районов Крыма. После 2014 года подача днепровской воды через Северо-Крымский канал на полуостров была прекращена, и только спустя 8 лет в феврале 2022 года подача воды на территорию Республика Крым была возобновлена. Колебания уровня воды способствовали изменению экзогенных процессов, которое повлекло развитие неблагоприятных карстово-суффозионных процессов в равнинной и предгорной частях полуострова.
В последние годы в Крыму большое внимание стало уделяться застройке крупных курортных районов, в частности, Южного берега полуострова, в котором давно существует проблема, связанная с отсутствием пригодных для новостроек горизонтальных площадок. Поэтому актуальность вопросов освоения и застройки сложных в инженерном отношении участков (склоны более 250, оползни, участки со сложным напластования грунтов и др.) с применением новых типов зданий с эффективными фундаментными конструкциями очевидна.
В работах [1,2], разработаны конструкции фундаментов, которые могут быть применены на участках с наклонным основанием без подрезки участка склона. Особенностью предложенного варианта проектирования фундаментов на наклонном основании является сокращение затрат на устройство котлована и выполнения значительного объема земляных работ. Однако в случае обнаружения вероятности карстопроявлений во время проведения изысканий на такой площадке с уклоном, задача по проектированию зданий и сооружений значительно усложняется. В работе [3] на картосхеме потенциальной карстоопасности и плотности карстовых воронок южный берег Крыма идентифицируется в пределах от высокого до весьма высокого с плотностью карстовых воронок менее 10 ед./км2.
Существующие подходы к оценке карстопасности [4] основаны на определении расчетного диаметра размером D круглоцилиндрического столба, где поверхность обрушения грунта представлена в виде объемного цилиндра, на который действуют удерживающие усилия T и сдвигающие силы Q.
Вопрос образования формы обрушения массива грунта покровной толщи в карстовую полость, разуплотненных участков вокруг обрушенной части покровной толщи, механизмы формирования карстовых деформаций в момент гравитационного обрушения с образованием мульд оседания или выходом полости на поверхность на горизонтальном основании уже достаточно изучена многими отечественными и зарубежными ученными. [5,6,7].
Однако, в условиях наклонного основания данные вопросы практически не изучены. Работ, направленных на определение влияния угла наклона основания на изменения объемной формы обрушения, в момент ее выхода на поверхность, перераспределения нормальных контактных давлений под конструкциями фундамента и определению наиболее критического месторасположения карстовой полости в настоящее время не проводилось.
Объекты и методы исследования
Для выбора экспериментальной области факторного пространства был проведен тщательный анализ априорной информации, содержащейся в результатах, ранее проводимых экспериментальных авторами исследований в этой области строительного карстоведения [8, 9], а также на основании результатов опытных данных, описанных в литературе.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторном лотке [10] с передней и боковой прозрачной стенкой выполненной из закаленного стекла толщиной 20 мм, размеры установки составили 120х80х100 см. (рис. 1)
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
1 – металлический каркас короба, 2 - конструкция внешнего нагружения (гравитационное),
3 -металлический штамп модели фундамента, 4 - силовая рама,
5 - ребра жесткости исключающие деформации прозрачной стенки,
6 – металлическая оболочка, имитирующая карстовую полость, 7 – жесткая стенка
Рис. 2. Общий вид моделей перекрестно-балочного фундамента
В качестве модели фундамента использован жесткий металлический штамп из прямоугольных труб сечением 30х30 мм, шириной 360 мм и длиной 660 мм в виде перекрестных лент. Увеличение количества числа пролетов в продольном и поперечном направлении для решения поставленной задачи нецелесообразно. В нижней части склона металлические штампы упирались в удерживающую конструкцию, которая была смоделирована посредством наборных асбестоцементных листов. Нагружение конструкции модели осуществлялось гравитационно с помощью трех специально законструированных металлических рам, узлы стыковки рам и моделей конструкций фундаментов представляла собой шарнирную конструкцию для исключения передачи изгибающих моментов и передачи только вертикального усилия к конструкциям штампа.
Физико-механические характеристики основания для натурного грунта были выбраны из отчета об инженерно-геологических изысканиях на участке реконструкции служебно-бытового корпуса в пгт. Ливадия ООО «Изыскательская экспедиция «Фундаментпроект» г. Ялта,
Задача по физическому моделированию карстовой полости с учетом обрушения ее свода решается использованием физического устройства в виде прямоугольной оболочки формы параллелепипеда, выполненной из листовой стали, разделенного металлическими перегородками по длине фигуры на три равные отсека внутри для возможности вариации месторасположения полостей под конструкцией модели фундамента. Толщина стали модели полости была выбрана исходя из нагрузок, действующих на модель, чтобы исключить деформации крышек и стенок модели от давления грунтового массива в лотке. Размеры секущей плоскости параллелепипеда (квадрата) определены как у вписанного квадрата в окружность (форма полости) как наиболее часто встречающаяся форма при моделировании карстовых полостей (при постановке натурных и численных исследований). Оболочка, имитирующая полость в основании укладывается поперечно в экспериментальную установку. Геометрические размеры сечения модели оболочки составляют 0,2х0,2 м.
Основным варьируемым фактором при проведении экспериментов являлся угол наклона основания и оценка его влияния на характер изменения роста формы свода карстовой полости.
Результаты исследований
Анализ проведенных экспериментов при увеличении угла наклона основания позволил определить: закономерность изменения границы области обрушения, длина свода (D), высоты свода полости (H) формы обрушения, образующие линии объемной призмы («выключаемая» часть основания) в результате образования провала, трещин. Изменение формы свода обрушения перед выходом полости на поверхность отражено в табл.1.
Таблица 1
|
Угол наклона основания α= 0° |
||
|
Расчетная схема
|
||
|
|
|
|
Форма свода обрушения |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
Угол наклона основания α= 15° |
||
|
Расчетная схема
|
||
|
|
|
|
Форма свода карстовой полости |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
Угол наклона основания α= 30° |
||
|
Расчетная схема
|
||
|
|
|
|
Форма свода карстовой полости |
||
|
|
||
|
|
|
|
Рис. 3. График изменения длины свода обрушения D перед выходом провала на поверхность
Рис. 4. График изменения высоты свода обрушения H перед выходом провала на поверхность
После выхода провала на поверхность был проведен анализ влияния угла наклона на тенденцию роста «выключаемой» части грунта основания, который представлен на Рис. 5.
Таблица 2.
|
|
|
|
|
|
Рис. 5. Влияние угла наклона на тенденцию роста «выключаемой» части грунта основания
Анализ полученных результатов позволяет заключить следующее:
- По полученным схемам обрушения и развития трещинообразования можно утверждать, что при увеличении угла наклона основания развитие свода обрушения и характерных трещин в основании перемещается асимметрично в сторону верхней части склона, одновременно линии образующих свода обрушения смещаются в противоположную сторону от удерживающей конструкции фундамента.
- Анализируя трансформацию формы свода обрушения над карстовой полостью при увеличении угла наклона основания, можно сделать вывод что при расположении карстовой полости под геометрическим центром модели фундамента за счет симметричного характера распределения контактных давлений создается эффект обоймы, который существенно увеличивает момент удерживающих сил свода над полостью, препятствуя росту диаметра воронки при выходе ее на поверхность.
- В случае расположение карстовой полости не под геометрическим центром модели фундамента, то происходит противоположный эффект, в результате которого значительно увеличивается диаметр воронки, с увеличением образующих призмы обрушения, вследствие чего появляется существенный крен модели фундамента, вплоть до его смещения в сторону воронки.
Выводы
- Определено, что при увеличении угла наклона основания свод обрушения над полостью начинает деформироваться по отношению с горизонтальным основанием, увеличивается длина свода (D), высота (H) при других равных условиях, при этом сам свод начинает разворачиваться и смещается в сторону верхней части склона образую призму обрушения схожую на наклонный усеченный конус, который в значительной степени отличается от существующих расчетных схем по определению диаметра карстового провала.
- Дальнейшее проведение модельных экспериментов будет направлено на выявление влияния угла наклона основания на перераспределение нормальных контактных давлений под конструкциями фундамента в момент «выключения» основания в зоне возникновения карстовой воронки, деформаций металлического штампа, определению наиболее критического месторасположения полости под конструкцией модели фундамента, а также уточнение расчетной схемы для определения призмы обрушения грунтового массива.
1. Барыкин, Б.Ю. Взаимодействие перекрестно-ленточного фундамента на склоне с песчаным основанием: диссертация на соискание учен. степ. канд. тех. наук. - Днепропетровск,1990. - 271 с.
2. Барыкин А.Б. Модельные исследования деформаций оснований перекрестно-балочных фундаментов на склонах. //Строительная механика и расчет сооружений. - 2017, №3 (272), с. 68-75.
3. Амеличев Г.Н., Вахрушев Б.А., Самохин Г.В., Токарев С.В. Особенности инженерных изысканий на закарстованных территориях в пределах Крымского п-ова.// Материалы Общероссийской научно-практической конференции «Изучение опасных природных процессов и геотехнический мониторинг при инженерных изысканиях. - Москва, 2023. - с.72-92.
4. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений.
5. Хоменко, В.П. Карстово-обвальные провалы «сложного» типа: физическое моделирование /В.П. Хоменко // Инженерная геология. - 2009. Стр. 34-41, Хоменко, В.П. Карстово-обвальные провалы «сложного» типа: физическое моделирование / В.П. Хоменко // Инженерная геология. - 2009.
6. «Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала, диссертация на соискание ученной степени доктора технических наук, УФА, 2004
7. Waltham T. Sinkholes and subsidence: karst and cavernous rocks in engineering and construction / T. Waltham, F. Bell, M. Culshaw. - Chichester: Praxis Publishing Ltd, 2005. - 383 p.
8. Толмачев В.В., Давыдько Р.Р. Экспериментальные исследования деформаций рыхлых водонасыщенных пород над карстовыми полостями в связи со строительством на сильно закарстованных территориях. Научный отчет / Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве. - Дзержинск: ПНИИИС, 1977. - 133 с.
9. Готман Н.З., Вагапов В.В. Определение расчетной формы сводов в сцементированной грунтовой толще над карстовой полостью. // Известия КГАСУ. - 2013, №3 (25). - с. 61-66.
10. Зеленин Е.В., Барыкин Б.Ю., Диденко Д.А., Планирование экспериментальных исследований при взаимодействии перекрестно-балочного фундамента и наклонного основания, подверженного явлениям карстообразования // Строительство и техногенная безопасность. - 2022, №29 (79) - с. 111-118
11. Рекомендации по лабораторному и физическому моделированию карстовых процессов. - М.: ПНИИИС, 1984. - 23 с.
