CC BY
42
УДК 662.23
Э. И. Мулюков (д.т.н., проф.), Н. Э. Урманшина (к.т.н., доц.)
О растворимых породах в инженерно-строительной карстологии
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра «Автомобильные дороги и технология строительного производства» 450080, г.Уфа, ул. Менделеева 195; тел. (347) 2282400, e-mail: [email protected]
E. I. Muljukov, N. E. Urmanshina
About soluble breeds in construction karstology
Ufa State Petroleum Technological University 195, Mendeleev Str, 450080, Ufa, Russia; ph. (347) 2282400, e-mail: [email protected]
Проанализированы некоторые методологические особенности преподавания дисциплины «Инженерно-строительная карстология». Рассмотрен типовой сборный ленточный фундамент, армируемый в процессе монтажа, включающийся в работу над провалом, как жесткая балка-стенка. Сформулирован закон инженерно-строительной карстологии — итог многолетнего опыта строительства и эксплуатации объектов на закарстованных территориях, а также преподавания одноименной дисциплины в строительном вузе.
Ключевые слова: жесткая балка-стенка; инженерно-строительная карстология; плитный фундамент; противокарстовые фундаменты; сборный ленточный фундамент; спаренные многосекционные сваи.
In work are described some fragments of discipline «The karstology of engineering construction». The typical modular tape base reinforced in the course of installation is considered, getting into gear over a failure, as a rigid beam-wall .The law of the karstology of engineering construction is formulated — a result of long-term experience of building and operation of objects on the territories with karst, and also teaching of the discipline with the same name in building high school.
Key words: stiff deep beam; the karstology of engineering construction; antiykarstology foundation; the foundation slab; prefabricated strip foundation; the coupled multisection piles.
Инженерно-строительная карстология (ИСК) формируется с 1980-х гг. как составная часть созданного Г. А. Максимовичем карсто-ведения — одного из разделов инженерной геологии 1,2. ИСК тесно связана со строительными дисциплинами: инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты, подземные сооружения, химия, строительные материалы, строительная механика, надежность и др. Карстующиеся породы таят в себе возможность проявления особой нагрузки на основания наземных и подземных зданий и сооружений.
В условиях Башкирии ИСК активно развивается в связи с массовым промышленным и жилищным строительством в Уфе и др. городах, на площадках, предрасположенных к кар-стопроявлениям 3. За прошедшие годы в рамках ИСК накоплен определенный опыт, положенный в основу региональных документов (ВСН 2-86, РСН 1-91, ТСН 302-50-95.РБ),
Дата поступления 15.03.12
отраженный в публикациях, авторских свидетельствах и патентах 4. ИСК преподается в УГНТУ на архитектурно-строительном факультете и в Институте дополнительного профессионального образования с 2002 г.
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 ее ускоряющих.
Этот процесс в нормальных условиях протекает в две стадии. На первой стадии вокруг/на поверхности, как отмечено выше, образуется диффузионный слой в виде жидкой пленки насыщенного раствора, благодаря от-
рыву (растворению) полярными молекулами воды молекул породы. На второй стадии происходит отвод растворенного вещества из диффузионного слоя в объем жидкой фазы путем взаимного проникновения соприкасающихся жидкостей. Это происходит самопроизвольно благодаря тепловому движению молекул в направлении меньшей концентрации вещества и ведет 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 твердой фазы. Скорость диффузии вещества на второй стадии при отсутствии внешних воздействий описывается первым законом А. Фика, устанавливающим пропорциональность диффузионного
потока частиц градиенту их концентрации
X - С
5.
Б-
3
(1)
где
пород от окружающей температуры Ь, 0С описывается уравнением С. Аррениуса:
К=А ехр(—Е/ЯТ), (2)
где К — константа скорости растворения для соответствующего типа карстующейся породы;
А — множитель с размерностью [г-см_2-с-1]; Е — энергия активации, определяющая скорость растворения при данной температуре;
Я — газовая постоянная;
Т — температура термодинамическая по шкале Кельвина, Т = Ь 0С+273.15 К.
Скорость диффузионных процессов при повышении температуры на один градус растет 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:
V — скорость диффузии; О — коэффициент диффузии; 3 — толщина диффузионного слоя (пленки), через который идет диффузия;
е„ — предельная концентрация вещества (растворимость) в пленке;
с — концентрация вещества в жидкой фазе (в растворе), характеризующая минерализацию контактирующей воды.
Из формулы (1) видно, что при равенстве концентраций (с^=с) растворение породы прекращается. Зависимость скорости растворения
± = 5.Б (С - С)
бт 3 ~
(3)
где 5 — поверхность раздела фаз (контактирующая с водой поверхность).
Растворение породы ускоряется также при наличии трещин, кавернозности. Существенно процесс активизируется при дефектах в кристаллических решетках. Расклинивающее давление пленок жидкости в промежутках между твердыми поверхностями, по Б. В. Де-рягину и Е. В. Обухову, также активизирует
Рис. 1. Механизм растворения породы: а — I стадия; б — II стадия; 1 — порода; 2 — вода проточная; 3 — отрыв молекул породы; 4 — сформированный диффузионный слой 8; 5 — отвод растворенного вещества; с„ — концентрация растворенного вещества в диффузионном слое (растворимость); сд, с^ — концентрация вещества в проточной воде на I и II стадиях растворения.
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 слоев 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 растворенных солей, нарушение микроагрегатной структуры грунтов (размыв) и вмывание в полости тончайших частиц породы с нисходящими токами воды.
Г. А. Максимович ввел понятие класто-карст 1, который наблюдается в обломочных породах (глинистых, песчанистых, конгломе-ратовых) 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,
7
чем вышеприведенные 7.
Для нормальных условий при отсутствии внешних воздействий приводим расчетный расход воды на растворение пород в объеме 1 м3. Для карбонатов требуется (37-56)-106 л, для сульфатов — (5-30)-104 л, галогенов — (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. Саваренс-кий 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 зави-
9
симостями» 9.
2. Растворимые минералы, горные породы и грунты
Характеристика пород. ГОСТ 25-10095 на «Классификацию грунтов» содержит четыре класса, из которых I и II классы — осадочные породы. Они включают растворимые компоненты (табл.1, графа 4): 1 — карбонатные; 2 — сульфатные; 3 — галогены; 4 — клас-тические (глинистые); 5 — просадочные (лессовые) грунты. В эту же графу 4 нами включены сульфидные породы типа 2а, залегающие на территории юго-восточной окраины Башкирии и вскрываемые в медно-серных рудниках. В графах 5, 6 названы вид, разновидность и химическая формула породы. Графы 7, 8 отведены плотности и растворимости. Ниже приводится описание вышеупомянутых растворимых компонентов.
1. Карбонаты — класс малорастворимых пород, растворимость которых равна примерно 0.07 г/л. Широко распространены в природе, относятся к осадочным скальным породам. Имеют преимущественно ковалентный тип связи. Обладают достаточно высокой плотностью.
Образуют прослойки и мощные, до 60— 80 м, пласты пермских горных пород, характерные, например, для центральной части Уфы с отм. 160—180 м. Практическое отсутствие в таких сухих толщах полостей и низкое залегание УПВ (ниже отм. 80—100 м) позволяет относить их к природным водоупорным экранам, исключающим растворение и обеспечивающим геостойкость оснований зданий и сооружений в Уфе.
2. Сульфаты — класс распространенных хорошо растворимых пород, имеющих преимущественно Р >10 г/л. Только ангидрит, наиболее плотный, из этой группы пород, малорастворим, т.е. Р < 2 г/л. Однако гипс, тем более мирабилит, имеют хорошую и высокую растворимость соответственно (20.5—161.0 г/л). При наличии 5 обязательных условий для развития сульфатного карста требуется осмотрительность и, чаще всего, принятие противокар-стовых мероприятий с учетом геологической обстановки и типа сооружения.
Относятся к полускальным породам, имеют характерный ионный тип связи, невысокую плотность, низкую твердость. В центральной части Уфы под карбонатными толщами залегают гипсовые отложения с редкими в основном заполненными полостями на отм. 60 м по материалам изысканий.
2а. Сульфиды — класс щелочных и щелочноземельных растворимых руд. Отличаются неустойчивостью, легко разрушаются и окисляются с переходом в растворимые сульфаты, проявляя соответствующие унаследованные показатели растворимости. Встречаются на рудниках и месторождениях цветных металлов (Акъяр, Баймак, Бурибай, Сибай, Учалы — юго-восточная окраина Башкирии).
3. Галогены — класс очень высоко растворимых (Р=357 г/л) пород. Распространены в залежах щелочных металлов, относятся к полускальным породам. Имеют ионный тип связи. Требуются значительные расходы при освоении под строительство галогенных территорий. Для соляных шахт (Соликамск, Березники в Пермском крае), чрезвычайную опасность представляет затопление, при котором шахту покидают. Откачка рассола усугубляет аварию. Здания, сооружения наземной поверхности получают значительные деформации.
4. Кластические — класс глинистых пород, содержащих дисперные фракции известняка, доломита, гипса, ангидрита, а также кремнезема. Вялотекущий процесс растворения фракций приводит к длительным незначительным осадкам оснований, т.е. к кластокарсту.
5. Просадочные грунты (лессы) — класс рыхлых полиминеральных пылеватогли-нистых эоловых отложений, имеющих очень высоко растворимые солевые галоидные связи между частицами (зернами) 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.
Строительство на лессовых грунтах сопряжено с защитой от опасных просадок при замачивании.
3. Противокарстовые фундаменты
Много трудностей возникает при диагнос-
тике причин аномального поведения основа-
ний эксплуатирующихся зданий и сооруже-
ний. Не менее легкой является реализация
технических решений по их стабилизации. В связи с этим могут представить интерес ремон-
топригодные 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 проемы размерами 400x600 мм (1200) мм на ширину блока, закладываемые малопрочным материалом (тощий бетон, кирпичная кладка на глиняном растворе) по ходу монтажа либо бетонирования. Шаг таких «окон» и проемов 4.8—7.2 м (рис. 2).
При отказе основания и появлении деформаций осадочного характера проем разбирается, «окно» в фундаментной плите расчищается. Затем производится диагностика состояния основания. Проем 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.
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 необходимости подошва фундамента обжатием основания включается в работу, либо подводятся (вдавливаются) многосекционные сваи, до заданного сопротивления, упи-
10 *
раясь домкратом в перемычку проема 10.
2) Плитный фундамент с технологическими каналами (диаметром 150 мм) удобен для диагностики возникшей полости под плитой. Назначение каналов такое же, как назначение
Таблица 1
Характеристика растворимых минералов, горных пород и грунтов
Классификация по ГОСТ 25100-95 Формула, плотность, растворимость
Класс Группа Подгруппа Тип породы Вид и разновидность породы Химическая формула Плотность, г/см3 Растворимость 1 в воде , 20 0С, г/л
<и .0 X .0 л а т ■ V Доломит МдСОэ-СаСОэ 2.89 Малая
.0 н 1- П5 н О Кальцит, известняк, мел СаСОз 2.71 0.07 Малая
О ю р П5 ^ Магнезит МдСОз з.о Малая
.0 1- СМ ■ е Ангидрит СаБОд 2.92 2.0 Малая
> а <и Осадочные Сульфатны Гипс СаБО4-2И2О 2.з2 20.5 Хорошая
.0 X .0 ¡3 Мирабилит Ыа2БО4-10И2О 1.49 161.0 высокая
0 <и .0 X ч о а а п 1 Полускальные Сульфидные - 2а При О2 и Н2О образуется СаБОд, Н2БО4 После разложения Мв-БОд, Н2БО4 примеси др. металлов 2.5-8.0 малая
■ Каменная соль, галит №С! 2.17 Очень высокая
X е г О Ц а Г Карналлит КС1-МдС12-6Н2О 1.6 Очень высокая
1- Кластические (глинистые) - 4 Мергели: известковые и доломитовые СаСОз, МдСОз-СаСОз, (ОН) -Б1в-А!4-О20 2.0-2.2 Малая
> а <и .0 X с а <и п <и .0 е ы н Гипс землистый, засоленные грунты СаБО4-2Н2О СаСОз-БЮ2, (ОН)б-Б14-АЦ-О10 1.7-1.9 Хорошая, малая
0 и ч <и .0 X ч о а а п 1 (0 я ш С о д а с О Просадочные грунты (лессовые) - 5 Пористые сухие пылевато- глинистые Унаследована от исходного комплекса 1.з-2.0 Очень высокая
Примечание: Растворимость, г/л: 500—200 — очень высокая; 200—100 — высокая; 100—10 — хорошая; 10—0.01 — малая
«окон», описанных выше. Более подробная информация с иллюстрациями содержится в публикациях 4,11. В свое время технологические каналы были рекомендованы в монолитной фундаментной плите при реконструкции Башкирского государственного 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. Этот прием был использован в Уфе для усиления свайного однорядного ленточного фундамента Центра пенсий 13, бутобетонно-го 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, надежной. Одновременно следует отметить, что опасность карста преднамеренно зашкаливают в перестраховочную сторону по известным причинам. Нами документально доказано, что только 15% отказов оснований 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
новении карстовой особой нагрузки (рис. 4). Это достигается расчетным 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 / и незначительное локальное перераспределение нагрузки. При этом потери геостойкости (обрушения) не произойдет. Потребуется лишь незначительная реставрация 16 (рис. 4).
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 непосредственно над провалом, затухающе снизу вверх.
что
влечет 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 ведет к перераспределению нагрузки, которая с провальной зоны «перескакивает» на соседние работоспособные участки фундамента и его основания, догружая их (рис. 3).
Предлагается превратить рассматриваемый фундамент в жесткую балку-стенку, которая сможет включиться в работу при возник-
Рис. 4. Схема сборного ленточного армированного фундамента над карстовым провалом: 1, 2, 4, 5, 6 —
как на рис. 2; 9 — объемное неразрезное армирование в монтажных петлях, в горизонтальных и вертикальных швах фундаментных плит и блоков; / — расчетный прогиб.
4. Закон инженерно-строительной карстологии
Состав, строение, свойства и режим растворения карстующихся пород определяются их генезисом и наличием пяти обязательных условий активизации карста: порода, ее скважность, вода, ее минерализованность и проточ-ность. Его пассивация происходит при отсутствии любого одного 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 противокар-стовых мероприятий для снижения риска в инженерно-строительной деятельности.
Литература
1. Максимович Е. Г., Максимович Н. Г., Катаев В. Н. Георгий Алексеевич Максимович.— Пермь: «Курсив», 2004.- 512 с.
2. Мулюков Э. И. / / Баш. энциклопедия.-2007.- Т.З.- С. 359.
3. Мартин В. И., Мулюков Э. И., Колесник Г. С. // Инж. геология.- 1983.- №4.- С.63.
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.
5. Кузнецов В. В. Физическая и коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1968.- 390 с.
6. Полак А. Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ (вопросы теории).- М.: Строй-издат, 1966.- 208 с.
7. Трофимов В. Т., Королев В. А., Вознесенский Е. А., Голодковская Г. А., Васильчук Ю. К., Зиангиров Р. С. Грунтоведение.- М.: Изд-во МГУ, 2005.- 1024 с.
8. Вклад академика Ф. П. Саваренского в становление и развитие отечественной гидрогеологии и инженерной геологии.- М.: Наука, 2002.120 с.
9. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов.- М.: Высшая школа, 1982.511 с.
10. А. с. 2037604 СССР Способ усиления фундамента здания, сооружения / Мулюков Э. И. / / Б. И.- 1995.- №17.
11. Пат. №65514 РФ Плитный с технологическими каналами фундамент здания (сооружения) / Мулюков Э. И., Семенов А. А., Фаттахов М. М., Урманшина Н. Э., Вагапов Р. Ф., Готман А. Л. // Б. И.- 2007.- №22.
12. А. с. 1008357 СССР Способ усиления фундамента здания, сооружения / Мулюков Э. И., Колесник Г. С., Арасланов Р. Я. // Б. И.-1983.- №12.
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.
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 НИ-Ипромстроя: Усил. осн. и фунд-ов сущ. зд.-Уфа.- 1990.- С.37.
15. Мулюков Э. И. // Вестник АН РБ.- 1999.Т. 4, №3.- С.39.
16. Пат. №2397292 РФ Противокарстовый сборный ленточный фундамент: на изобретение / Мулю-ков Э. И., Урманшина Н. Э., Фаттахов М. М., Хуснутдинов Б. Р., Гареева Н. Б., Садыков Р. Я. // Б. И.- 2010.- №23.
