Использование закарстованных территорий в качестве оснований фундаментов при строительстве и реконструкции зданий и сооружений_
Сельвиян Серафима Михайловна
Преподаватель кафедры Механики грунтов и геотехники Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), SelviyanSM@mgsu.ru
Потапова Юлия Алексеевна
Студент кафедры Механики грунтов и геотехники Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Куричев Сергей Юрьевич
Студент кафедры Механики грунтов и геотехники Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Худоян Максим Заилович
Студент кафедры Механики грунтов и геотехники Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
В настоящее время можно встретить различные трактовки термина «карст», однако наиболее четкая формулировка дана в СП 499. 1325800.2021 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений в карстово-суффозионных процессах. Правила проектирования»: «Карст - комплексный геологический процесс, обусловленный растворением подземными и/или поверхностными водами горных пород, проявляющийся в их ослаблении, разрушении, образовании пустот и пещер, изменении напряженного состояния пород, динамики, химического состава и режима подземных и поверхностных вод, в развитии суффозии (механической и химической), эрозий, оседаний, обрушений и провалов грунтов и земной поверхности». Для сооружений проектируемых на участках, отнесенных к потенциально опасным и опасным категориям в карстово-суффозионном отношении требуется определение типа и расчетных параметров карстовых деформаций, а также проведение противокарстовых мероприятий. Карстовые деформации характеризуются расчетными параметрами провалов и оседаний, включающих в себя: диаметр (для провала), глубину и кривизну поверхности (для оседания). Для определения типа (провал или оседание) карстовых деформаций и их расчетных параметров необходимо определить расчетом геометрические параметры карстовой полости в водорастворимой горной породе, при образовании которой возникают карстовые деформации. Размер и положение карстовой полости следует определять с учетом наиболее неблагоприятного участка на разрезе и скорейшего наступления провалообразования перекрывающей толщи грунтов с образованием карстовых деформаций. Для расчета следует использовать численные и аналитические методы, учитывающие прочностные и деформационные характеристики грунтов при определении прочности свода толщи, перекрывающей карстующиеся породы. В статье рассмотрен численный расчет закарстованной территорий и расчет по методике из СП. Ключевые слова: карст, закарстованная территория, карстово-суффозионные процессы, карстовая полость
Введение. Изучаемая территория находится в условиях развития карбонатно-сульфатного покрытого карста, который характеризуется наличием карстовых воронок, карстовых полостей и каверн, кар-стово-суффозионных провалов, низкоомных зон, представленных выветрелыми, разрушенными, выщелоченными гипсами, мергелями и известняками. Карстующимися породами являются гипсы кунгур-ского яруса (P1k), кровля которых залегает на глубине 47,0-48,5. Гипсы в кровле сильнотрещиноватые. Карстовые полости вскрыты скважинами и заполнены глиной тугопластичной. По данным ранее проведенного районирования территории по степени устойчивости относительно карстовых провалов большая часть площадки изысканий отнесена к III (недостаточно устойчивой) категории.
Определение параметров карстовых деформаций расчетами по СП
Для удобства при дальнейшем расчете приведем данные инженерно-геологических изысканий в табличную форму:
№ Грунт Влаж- Плотность Коэф- Угол Удель- Мо-
ность грунта фици-ент пористости внут-рен-него трения ное сцепление при природной влажности дуль деформации общий
ИГЭ-1 Известняк 0,087 де 2,41г/см3 0,24 - - -
ИГЭ-2 Глина твердая 0,198 1,94 0,71 19 0,059 24,9
ИГЭ-3 Мергель вывет-релый глинистый известковый 0,181 1,93 0,67 22 0,030 21,5
В качестве дальнейшей проверки при определении диаметра карстовой полости проведем расчет карстовой полости по СП. Так как в принятой геологии небольшие мощности грунтов проведем расчет по Приложению А8 СП 499.1325800.2021 по Методу М.М. Протодьяконова для многослойной толщи.
В процессе расчета для удобства была написана программка в ПК Excel.
Были приняты следующие характеристики для расчета:
(О
сч о сч
(О
Дано
| Принята | Го СП | |
Покрывающие грунты
1 грунт ИГЭ 1
Мощность грунта ы Ы 3,7 м
Объемная масса грунта VI Vй V т/мЗ
Сцепление грунта с1 Са 0 т/м2
Угол внутреннего трения грунта ф1 фа 2В
О&ъемная масса частиц грунта У5а 2,41 т/м2
Коэффициент пористости грунта е1 ей 0,24
Водонасыщение грунта (+/_) -
2 грунт ИГЭ 2
Мощность грунта Ь2 2*> м
О&ъемная масса грунта У2 УР 1,7 т/мЗ
Сцепление грунта с2 ср. т/м2
Угол внутреннего трения грунта № фр 19 *
О&ъемная масса частиц грунта уар 1,94 т/м2
Коэффициент пористости грунта е2 ер М
Водонасыщение грунта (+/-) - +
3 фунт ИГЭ 3
Мощность грунта ЬЗ 14 м
О&ъемная масса грунта уз УУ 7,3 т/мЗ
Сцепление грунта сЗ сч 3 т/м2
Угол внутреннего трения грунта фЗ фу 22 ф
О&ъемная масса частиц грунта У53 У^У 1,93 т/м2
Коэффициент пористости грунта еЗ 0,67
Водонасыщение грунта (+/-) +
\ш/
]фгрузка
V
Фундамент
ИГЭ-2
ИГ^-1
ИГЭ-3
ИГЭ-2
ИГЭ-3
Щ \1/ I
6)
Рис. 2 а) Расчётная схема на этапе формирования напряжений в массиве основания, б) Расчётная схема при модерирова-нии провала в основании здания.
Расположение карстового провала принято из расчёта предпологаемой фильтрации грунтовыми водами ИГЭ-3 в пределах водоупорных пластов между ИГЭ-2, с учётом фактических и прогнозируемых уровней грунтовых вод.
-10-00.......-5.00 ....... О.рО.......5-Ю.......10,00.......15,00
25.00 30.00
Рис 1. Данные для расчета по СП
В результате расчета был получен радиус Р=3,75м и диаметр D=7,50м.
Далее проведем расчет карстовой полости численным методом.
Определение параметров карстовых деформаций численным методом
Численный расчет сводится к моделированию процесса образования полости в карстующихся породах до момента потери несущей способности грунтов покрывающей толщи. Расчет допускается выполнять с применением программного комплекса, реализующего метод конечных элементов (МКЭ) для анализа напряженно-деформированного состояния системы "основание-сооружение".
Расчёт произведён методом конечных элементов в сертифицированном программном комплексе Plaxis 2D. В три этапа: формирование бытовых напряжений; формирование напряжений от веса здания; работа основания при карстовом провале.
В качестве модели грунтового основания использована упругопластическая модель Кулона-Мора.
ВеЖХЮиЛ^^^ь«,',!^^ !,%',( I,'«'.! ^ ь' ♦ / " ** 11 1
щшр
Рис.3 Распределение осей главных напряжений на этапе формирования первоначального напряжено - деформируемого состояния при загружении расчётной области собственным весом грунта.
000.05
Рис. 4 Распределение напряжений на этапе формирования первоначального напряжено- деформируемого состояния при загружении расчётной области собственным весом грунта.
Рис. 5 Результаты расчёта. Деформированная сетка конечно-элементной модели при загружении нагрузкой от веса здания.
О *
О X
о
5 Я
ш
с
4 ■о о
5
ч
ф
а
О"
о ч го ш
-10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00
0.00 5.00 10.00 15.00
25.00 30.00
Рис. 6 Результаты расчёта. Деформации основания при за-гружении нагрузкой от веса здания.
Extreme total principal stress -1,07'Ю3 kN/rn2
Рис. 9 Результаты расчёта. Распределение главных напряжений при провале.
-10.00 -5.00
5.00 10.00
20.00 25.00 30.00
[*10"3т]
а
-11.471 -12.941 -14.412 -15.882 -17.353 -18.824
I-20.294 -21.765 -23.235 -24.706 -26.176 -27.647 -29.118 -30.588 -32.059 -33.529
Extreme mean stress -436,41 kN/m2
Рис. 7 Результаты расчёта. Общие напряжения в основании при загружении нагрузкой от веса здания.
-10.00 -500 000 500 1000 1500 2000 2500 3000
Рис. 10 Результаты расчёта. Область максимальных общих перемещений. D=7m
ПО-Зщ]
(displacements scaled ud 20.00 times)
Рис. 8 Результаты расчёта. Деформированная расчётная модель в осесимметричной постановке.
Рис. 11 Результаты расчёта. Область максимальных вертикальных перемещений. й=7т
Рис. 12 Перемещение фундаментной плиты при карстовом провале
Вывод
Были проведены расчеты по СП и численным методом. В результате расчета по СП был получен диаметр карстовой полости D=7,5 м. В данном расчете не были учтены нагрузки от строящегося здания. Расчет в программном комплексе позволил по мимо определения диаметра карстовой полости учесть нагрузку от здания, что является более точным решением рассматриваемой задачи.
В результате расчета выход карстового провала в уровне фундаментной плиты с учётом смещения границы максимальных деформаций основания составляет D=7м.
Расчет, основанный на МКЭ, позволяет:
- определить размеры карстового провала на участках со сложным геологическим и гидрогеологическим строением;
- получить детальное очертания зоны провало-образования;
- оценить влияние процессов провалообразова-ния на существующие или проектируемые здания и сооружения.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что расчет по СП даже без приложения дополнительной нагрузки от здания дает более завышенные значения при сравнении с расчетом.
The use of karst territories as foundations for the construction and
reconstruction of buildings and structures. Selvian S.M., Potapova Yu.A., Kurichev S.Yu., Khudoyan M.Z.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU) Currently, you can find different interpretations of the term "karst", but the clearest wording is given in SP 499. 1325800.2021 "Engineering protection of territories, buildings and structures in karst-suffusion processes. Design rules": "Karst is a complex geological process caused by the dissolution of ground and/or surface waters of rocks, manifested in their weakening, destruction, formation of voids and caves, changes in the stress state of rocks, dynamics, chemical composition and regime of ground and surface waters, in the development of suffusion (mechanical and chemical), erosion, subsidence, collapse and failure of soils and the earth's surface. For structures designed in areas classified as potentially hazardous and hazardous categories in terms of karst-suffosion, it is required to determine the type and design parameters of karst deformations, as well as to carry out anti-karst measures. Karst deformations are characterized by the design parameters of dips and subsidence, including: diameter (for a dip), depth and curvature of the surface (for subsidence). To determine the type (failure or subsidence) of karst deformations and their design parameters, it is necessary to determine by calculation the geometric parameters of a karst cavity in a water-soluble rock, during the formation of which karst deformations occur. The size and position of the karst cavity should be determined taking into account the most unfavorable area in the section and the earliest onset of failure of the overlying soil stratum with the formation of karst deformations. For the calculation, numerical and analytical methods should be used that take into account the strength and deformation characteristics of soils when determining the strength of the arch of the stratum overlying karst rocks. The article considers the numerical calculation of karst territories and the calculation according to the methodology from the joint venture. Keywords: karst, karst territory, karst-suffosion processes, karst cavity References
1. SP 22.13330.2016 Foundations of buildings and structures / 2 02 01 83* 22
13330 2016. SNiP 2.02.01-83* Updated edition.
2. SP 499.1325800.2021 Engineering protection of territories, buildings and
structures from karst-suffusion processes, 2021.
3. Recommendations for the design of foundations in karst territories. -M.:
NIIOSP, 1985.
4. Kutepov V.M., Kozhevnikova V.N. Stability of karst territories. -M.: Nauka,
1989, 151 p.: ill.
5. Anikiev A.V. Suffusion. Mechanism and kinematics of free suffusion.
Geoecology, 2006, No. 6, Moscow
6. Handbook of geotechnics. Bases, foundations and underground structures
under the general editorship of V.A. Ilyichev. Moscow, 2014
7. Plaxis. Reference guide. Plaxis b. v. 2015
Литература
1. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений / 2 02 01 83* 22 13330 2016. СНиП 2.02.01-83* Актуализированная редакция .
2. СП 499.1325800.2021 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от карстово-суффо-зионных процессов, 2021.
3. Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. -М.: НИИОСП, 1985.
4. Кутепов В.М., Кожевникова В.Н. Устойчивость закарстованных территорий. -М.: Наука, 1989, 151 с.: ил.
тика свободной суффозии. Геоэкология, 2006 г., №6, Москва
о
5. Аникиев А.В. Суффозия. Механизм и кинема- о
5
6. Справочник геотехника. Основания, фунда- 0 менты и поземные сооружения под общей редак- р цией В.А. Ильичева. Москва, 2014 г. о
7. Р^б. Справочное руководство. Р^б Ь. V. т 2015 г. §
ь
т
а