Россия
В статье представлен аналитический обзор работ, посвященных совместной работе грунтового основания и фундаментных конструкций в условиях образования карстово-суффозионных процессов. В результате проведенного анализа определены цели и задачи последующих исследований, направленные на выявление основных особенностей работы перекрестно-балочного фундамента и наклонного основания с карстовой полостью.
карст, перекрестно-балочный фундамент, наклонное основание, склон, карстовая воронка
Введение
В России до конца 1960-х годов опасность карстовых процессов для строительства практически не учитывалась, что подтверждает отсутствие каких-либо нормативных документов по этому вопросу в практике проектирования массового строительства до конца 60-х, что не могло не привести к аварийным ситуациям.
Начиная с 1980-х годов изучению карста стало уделяться более значительное внимание. И карстозащитным мероприятия стало уделяться большое внимание, которые в последующем были введены в практику проектирования.
Работы, направленные на выявление основных особенностей строительства зданий и сооружений на закарстованных территориях десятилетиями, изучалось российскими и зарубежными ученными: Сорочан. Е.А., Троицкий Г.М., Толмачёв В.В., Маликова Т. А., Вайнштейн М. С., Шахунянц Г.М., Готман Н.З., Готман А.Л., Магзумов. Р.Н., Жилин. А.Н., Рыжков А. И., Высоковский, Илюхин. В.А, Мулюков Э.И., Косицин Б.А., Сытник А.С., Моргулис М.Н., Мулюков Э.И., Незамутдинов Ш.Р., Колыбин И.В., В. И. Шейнин, В. А. Ковалев, Обозов В.И., Плакс А.А., Смолин Б. С., Глушков И.В., Каюмов М.З., Г.М. Шахунянц, Давлетяров Д.А., B.F. Beck, F.G. Bell, J.A Fisher, T.M Tharp, T. Waltham и др. В основу исследования, проведенных этими и другими авторами, были положены результаты физических экспериментов и численного моделирования с помощью МКЭ, которые позволили установить особенности работы фундаментов в условиях карстующихся пород.
Во многих случаях определение размера возможного карстового провала является неопределённой задачей. В настоящее время, в практике по проектированию зданий и сооружений на карстоопасных территориях превалирует вероятностно-статистических подход определения размеров провала, который должен проводиться на этапе инженерно-геологических изысканий. При этом используется понятие расчетного диаметра карстового провала – размера участка основания под фундаментом, работа которого исключается из работы в расчетной схеме.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования в статье является анализ проведенных экспериментально-теоретических исследований проведенных отечественными и зарубежными ученными, направленных на выявление основных особенностей совместной работы конструкций фундаментов и грунтового основания в условиях образования карстовых процессов.
В литературе, подготовленной ПНИИИСом в 1967 г.1, даны рекомендации по расчету ленточных фундаментов как балки на упругом основании: Рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема работы ленточного фундамента
на основании при возникновении карстового провала
Однако в таких рекомендациях основание представлено простейшей Винклеровской моделью, где по краям провала возникают участки повышенного отпора грунта, как следствие перераспределения нагрузок после провала. Можно предположить, что введение таких участков в расчетную схему является первой попыткой моделирования ослабленной зоны. В последующем моделирование ослабленной зоны возле провала в виде зоны повышенного отпора грунта уже не учитывалось, и сама модель строилась с помощью уменьшения жёсткостных параметров основания. Коэффициент пастели в зоне провала принимался с нулевым значением, а жесткость надфундаментой части здания вовсе не учитывалась в расчетах.
Десять лет спустя НИИСК выпустил методические рекомендации по проектированию зданий и фундаментов на карстах2 в которых уже рассматривается взаимная работа фундаментов различных типов при возникновении карстового провала. В предлагаемой расчетной схеме участок, где образуется, провал грунта его предлагается полностью исключать из работы, с последующим учетом ослабленной зоны грунта, где деформативные свойства основания изменяются по линейному закону. Фундамент рассматривается как балка или плита на упругом основании на основе модели Винклера. С помощью решения дифференциальных уравнений деформаций балки на упругом основании, Предложены общие расчетных схемы для определения усилий, которые будут возникать в конструкциях фундаментов, также предложены рекомендации по армированию фундаментов мелкого и глубокого заложения как один из конструктивных методов противокарстовой защиты.
Заслуживает внимания работа НИИОСПа «Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях», которую разработал НИИОСП в 1985 г3. В этом сборнике уже предлагается моделировать основание используя переменный коэффициент жесткости основания, такая модель принимается равной по деформациям с моделью линейно-деформируемого слоя грунта, с образованием воронки у поверхности в форме полусферы. На основе этой идеи предлагается определять переменные коэффициенты пастели по заданным участкам, в пределах которых они рассчитываются. Для упрощения расчета переменных коэффициентов рекомендуется использовать автоматизированные программные комплексы. В случае определения коэффициентов «вручную» использовалась следующая формула:
где, k — приведенный коэффициент жесткости, который можно определить в таблице, где варьируемыми критериями являются радиус провала, размеров фундаментов, толщины деформируемого слоя и других параметоров.
Е — осредненный приведенный модуль деформации.
По причине отсутствия комплексного развития нормативов и рекомендаций в советское время для проектирования зданий и сооружений на карстоопасных участках большее внимание уделялось развитию региональных нормативов. Одним из первых таких работ можно считать временные нормативы для г. Москвы4. Однако широкое применение эта работа не получила по причине отсутствия конкретных рекомендаций с применением конкретных расчетных схем. Более качественно этот вопрос раскрыт в территориальных строительных нормах ТСН 302-50-955. В соответствии с которыми фундаменты необходимо рассчитывать по СНиП 2.03.01-84 на особые нагружения от карстовых деформаций по первой группе предельных состояний. Стоит отметить, что рекомендации уже содержат в себе предлагаемые программные комплексы, для расчета фундаментов от действия развития карстовых деформаций. Также в приложениях дан алгоритм расчета противокарстового фундамента ж/б пояса (ростверка) бескаркасных зданий на воздействие карстового провала.
Намного позже была представлен и утвержден министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ свод правил СП 499.1325800.2021 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от картово-суффозионных процессов. Правила проектирования», которая является действующей на сегодняшний день. В данном своде уже более четко сформулированы варианты противокарстовой зашиты, в котором выделено четыре основных:
- конструктивный;
- геотехнический;
- водозащитный;
- планировочный;
А также два дополнительных типа:
- технологический;
- эксплуатационный;
Показаны сценарии образования карстового провала для плитного, свайного фундамента, показаны принципиальные схемы выполнения геотехнических мероприятий. В приложениях уже представлены основные методы расчета параметров карстовых деформаций, основа которых была взята из Рекомендаций НИИОСП2, с последующей доработкой в части уточнения расчетных схем для различных грунтов и условий возникновения карстовых форм. Уже добавлена методика определения параметров карстовых деформаций с помощью численных методов. Представлены основные контролируемые параметры при геотехническом мониторинге оснований.
Таким образом, можно сделать вывод, что СП 499.1325800.2021 содержит в себе основные положения, направленные на расчет наиболее часто встречающихся форм карстообразования в основании, однако в расчете отсутствуют какие-либо положения по расчету самих фундаментов.
Рыжков А. И. [1] при разработке методики расчета плитных фундаментов на воздействие карстовых провалов с помощью математического подхода получил матрицу жесткости КЭ плиты на упругом основании с переменной жесткостью основания. В ходе моделирования основания с учетом ослабленных зон вокруг карстовой полости автор предлагает задавать жесткость основания конечными элементам четырьмя коэффициентами постели. Использование такого подхода позволило учитывать криволинейность карстовых провалов при расчете плитных фундаментов. Автор также утверждал, что разработанная им методика может использоваться не только в моделировании ослабленных зон вокруг карстового провала, а также для оснований, которые имеют значительную неоднородность грунта (как следствие деформативность) под подошвой фундамента.
Большой вклад в изучение фундаментостроения на закарстованных территориях внесла Готман Н. З., которой были проведены ряд экспериментально-теоретических исследований [2] с последующей разработкой методики проектирования свайно-плитных фундаментов из забивных свай при образовании карстового провала для каркасных/бескаркасных зданий, которая основывается на статическом зондировании, статическом испытании свай. Экспериментальные исследования автор проводит, применяя тензосваи на которые проводились на 3-х площадках с разными ИГЭ. В экспериментальных исследованиях были использованы тензосваи двух типов: многосекционная свая из сборных железобетонных секций сечением 300х300 мм, длиной 600 мм, которые были соединены между собой на болтовых стыках и цельной забивной железобетонной тензосваи. Автор отмечет, что в обоих случаях зависимость между нагрузкой и осадкой не линейная, осадки одиночной сваи и «в поле» совпадают, однако нагрузка, соответствующая полной реализации сил трения по боковой поверхности, разнятся: в одиночной свае трение меньше в 1,6 раз в отличие от сваи «в поле».
При постановке задачи по изучению особенностей работы свайно-плитных фундаментов при образовании карстового провала автор отметил, что учет свай под плитой в основании над карстовой полостью делает эксперимент неопределенным. Далее отмечается, что ослабленная зона, возникающая вокруг карстового провала схожа с неравномерно-деформируемым основанием, что подтверждает необходимость учета жесткости здания при расчете фундаментов. Поэтому автор применяет в своих исследования численный эксперимент с помощью МКЭ, который помогает решить задачу на основе численных «балочных» схем.
По результатам проведения численных экспериментов автор сделал следующие выводы:
- нагрузка над карстовым провалом уменьшается практически до нуля над проекцией провала, при этом перераспределяется к краям провала равномерно увеличиваясь;
- коэффициент жесткости свай практически не влияет на эпюру перераспределения нагрузки над провалом;
- в результате карстового провала распределенная нагрузка на фундамент возрастает вокруг провала в пределах 4–7 метров, при чем длина участка с возрастанием нагрузки, влияющими факторами являются жесткость здания и свай.
Каюмов М.З. [3] проводил исследования в части взаимодействия плитного фундамента заглубленного сооружения над карстовой полотью. Автор проводил численные исследования с помощью МКЭ, сопоставляя полученные результаты с раннее выполненными натурными экспериментами на эквивалентных материалах, проведенными в БашНИИстрое. Варьируя диаметр карстовой полости, исследовался характер распределения осадок по глубине непосредственно над центром полости. Сравнивая результаты численных и физических исследований, автор отметил хорошую их сходимость. Разработан метод определения коэффициента постели для заглубленных сооружений плитных фундаментов, в зависимости от глубины заложения плиты, диаметра полости, расстояния до карстующихся грунтов. Отличительной особенностью работы автора можно отметить применение расчетного диаметра карстовой полости (максимальный диаметр карстовой полости, при котором сохраняется устойчивое равновесное состояние основания, без выхода карста на поверхность) в отличие от расчетного диаметра карстового провала, который основан на аналитических исследования Протодьяконова М. М., Постоева Г. П., Хоменко В. П.
Готман Н.З., Вагапов Р.Р. [4] в своих исследованиях определяли расчетную форму свода в сцементированной грунтовой толще над карстовой полостью. Авторами были проведены численные и физические исследования. Модельные испытания проводились в плоском стенде 190х150х16, основанием служил песок различной влажности, карстовая полость моделировалась в нижней части стенда в виде камеры, из двух брусков. Полость образовывалась путем быстрого извлечения деревянных брусков, в результате раздвижки. В качестве варьируемых факторов выступали физико-механические характеристики грунта. После чего на основании расчетной модели по размерам и характеристикам физического эксперимента было проведено численное моделирование в ПК Plaxis 2D, результаты которого подтвердили результаты модельных исследований. Далее производились численные исследования в трехмерной постановке с помощью МКЭ, в которой границы вероятной области обрушения сцементированных грунтов над полостью определялись с помощью точек Мора-Кулона. Анализ полученных результатов показал, что высота вероятной области обрушения в сцементированных грунтах снижается до 8 раз в сравнении с обрушением природного грунта, поверхность сдвига при образовании свода обрушения в укрепленной покровной толще трансформируется в форму эллиптического цилиндра.
Магзумов Р. Н. [5] занимался разработкой методики расчета свай с учетом влияния на них горизонтального давления при возникновении карстового провала. При постановке задачи расчета свай в своих работах автор проводил численные эксперименты используя три расчетных случая:
Случай 1. Размеры модели ростверка 15х25м, длина свай — 12 м. Сечение свай 0,3х0,3 м. Глубина карстового провала варьировалась от 4 до 10 м с шагом 3 м. Модель грунта – Мора-Кулона. В результате проведения численных экспериментов автором было выявлено что после карстового провала изгибающие моменты превысили максимально допускающие в конструкции свай по серии 1.011.1–10.
Случай 2. Размеры модели ростверка 15х20м, длина свай — 12 м. Сечение свай 0,3х0,3 м. Глубина карстового провала варьировалась от 4 до 10 м с шагом 3 м. Модель грунта – Мора-Кулона. В результате проведения численных экспериментов автором было обнаружил возникновение «арочного эффекта», который значительно снижал радиальную составляющую от горизонтального давления на сваи.
Случай 3. Размеры модели ростверка 15х20м, длина свай — 12 м. Сечение свай 0,3х0,3 м. Глубина карстового провала варьировалась от 4 до 10 м с шагом 3 м. Модель грунта – Мора-Кулона. Модель свай: линейно-деформируемая модель. При чем сам автор рекомендует проводить расчет свай для практических целей по третьем расчетному случаю, так как форма карстовой полости может быть различна и не иметь четкой выразительности схожей с окружностью.
В результате проведения исследований автор разработал аналитический метод расчета сваи, которая воспринимает горизонтальное давление от обрушающегося грунта в результате провала грунта на бортах воронки, аппроксимирую горизонтальное давление грунта с помощью линейной и билинейной функции.
А. А. Петраков, А.В. Кухарь [6] проводили численные исследования в ПК Лира, используя конструктивный метод защиты малоэтажного каркасного здания. Исследователи использовали два типа фундамента: плитный, перекрестно-балочный. Карстовая воронка моделировалась в трех вариантах: 3м, 6м, 9м под угловой, центральной колонной, в центре крайней оси здания. По результатам исследований были построены эпюры изгибающих моментов для двух конструкций фундаментов, с подсчетом удельного расхода рабочей арматуры в конструкциях фундамента. Сравнивая технико-экономические характеристики двух типов фундаментов, были сделаны вывод, что фундаменты в виде перекрестных лент в условиях карстопроявлений являются более экономичными по сравнению с плитными фундаментами.
В. И. Данилов, В.Е. Лялин [7] c помощью численного моделирования определили возможность безопасной реконструкции существующего двухэтажного здания из кирпича при условии выхода карстовой полости на поверхность. Авторы дали рекомендации по укреплению фундамента исследуемого объекта применяя конструктивный метод противокарстовой защиты.
Анализ полученных результатов позволяет заключить следующее:
- На основании анализа проведенных экспериментально-теоретических работ было обнаружено, что все исследования были проведены в условиях горизонтального основания, что может ограничивает их применимость в условиях наклонного основания.
- Большая часть исследований проводилась с применением численного моделирования с помощью методов МКЭ без проведения испытаний с применением физического моделирования карстовых процессов.
Выводы
Анализ существующих экспериментально-теоретических работ позволяет сделать следующие выводы:
- В настоящее время проводится недостаточное количество экспериментально-теоретических исследований, направленных на изучение работы конструкций фундаментов в условиях закарстованных территорий. Научно-практических работ, посвященных изучению взаимодействия фундаментов в условиях наклонного основания с изучением характера перераспределения нормальных контактных напряжений, изменения коэффициентов жесткости основания, формы и диаметра карстово-провальной воронки вовсе не проводилось.
- В существующих нормативных документах отсутствуют рекомендации по учету влияния угла наклона основания под конструкциями фундаментов на формирование карстовой воронки. Вопрос перераспределения нормальных контактных напряжений под конструкциями фундаментов от изменения угла наклона основания с учетом влияния карстовой полости раннее не исследовался.
Из вышесказанного можно сформировать цели и задачи проводимых исследований, которые будут направлены на уточнение методики расчета нормальных контактных напряжений перекрестно-балочного фундамента на наклонном основании с учетом влияния карстовой полости, определение механики образования провальной воронки от изменения угла наклона основания, для возможности применения необходимых противокарстовых мероприятий на этапе проектирования.
1Методические рекомендации по проектированию фундаментов зданий и сооружений в карстовых районах. Киев: НИИСК, 1977. 72 с.
2Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. М.: НИИОСП, 1985. 78 с.
3Рекомендации по проектированию зданий и сооружений в карстовых районах СССР. М.: ПНИИИС, 1967. 73 с.
4Временные указания по проектированию зданий в районах г. Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов. М.: Мос-проект, 1979. 20 с.
5ТСН 302-50-95. РБ. Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях. Уфа: Госстрой Республики Башкортостан. 1996.42 с.
1. Рыжков А. И. Разработка методики расчета плитных фундаментов на закарстованных основаниях и ее программная реализация.: диссертация на соискание учен. степ. канд. тех. наук. - Уфа 1999. – 221 с.
2. Готман Н.З. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала.: диссертация на соискание учен. степ. доктора тех. наук. – Уфа 2004. – 348 с.
3. Каюмов М.З. Взаимодействие плитного фундамента заглубленного сооружения с основанием над карстовой полостью.: диссертация на соискание учен. степ. канд. тех. наук. – Москва 2012. – 221 с.
4. 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.
5. Магзумов Р.Н. Расчет свайных ленточных фундаментов на карстоопасных основаниях с учетом горизонтального давления при обрушении грунта на границах провала.: диссертация на соискание учен. степ. канд. тех. наук. – Пермь 2014. – 149 с.
6. Петраков А. А., Кухарь, А.В. Исследование мероприятий по защите зданий и сооружений от карстопроявления // Современное промышленное и гражданское строительство. – 2010. Том 6, №2. – С. 61–68.
7. Данилов В. И., Лялин В.Е. Моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста, при условии пристраивания конструкции // Вестник ИжГТУ. - №4. – 136–140 с.
