CC BY
15
УДК 69:624.138.24 DOI 10.46689/2218-5194-2022-1-1-241-250
РЕКОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТА И ОСНОВАНИЯ АВАРИЙНОГО ЗДАНИЯ НА ПОДРАБОТАННОЙ ГИДРОАКТИВИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ
П.Н. Должиков, С.О. Легостаев, И.В. Сычёв
Рассмотрены инженерно-геологические условия эксплуатации аварийного здания в шахтерском городе на подработанной гидроактивизированной территории. Предложен метод стабилизации деформаций основания и фундамента. Обоснованы технологические и контрольные параметры закрепления грунтов. Доказана высокая эффективность усиления грунтов основания
Ключевые слова: геология, подработка, подтопление, деформации, цементация, технология, натурный эксперимент, анализ качества.
Введение. Территории шахтерских городов и поселков испытывают геомеханические, гидрогеологические и экологические преобразования в результате массового закрытия горных предприятий методом «мокрой» консервации [1 - 3, 5, 6]. Данная обширная проблема, в особенности гидроактивизация подработанных территорий, на протяжении последних двадцати лет исследовалась многими учеными [2, 4, 7, 9]. При этом были установлены новые эффекты в породных массивах, закономерности трансформирования свойств горных пород и их взаимосвязь с деформированием земной поверхности. Также разработаны целый ряд технологий стабилизации деформационного поведения поверхности и зданий [2, 8 -11, 13]. В первую очередь выполняются специальные работы по прекращению деформаций жилых зданий и объектов культурного и исторического значения. Однако таких работ проводится мало и технологические вопросы требуют дальнейших разработок. Более того, гидрогеомеханические процессы на многих участках продолжают развиваться. Следует отметить, что специальные работы в грунтах могут проводить только силами специализированных предприятий на основе всестороннего изучения и обобщения научных и технологических результатов в данной области.
Наглядным примером может быть реконструкция фундаментов и основания аварийного здания дворца культуры, находящегося на подработанной гидроактивизированной территории. Дворец культуры имени Н.Е. Парамонова (бывший Дворец культуры шахты «Глубокая» ОАО «Ростову-голь») был построен в 1901 году в г. Шахты Ростовской области. Здание имеет сложную форму площадью 2464 м2 и конструктивно трехэтажное, с подвалом и чердаком, высота внутренних помещений составляет 3,0... 4,3 м, максимальная глубина подвала - 2,65 м. Проект на капитальный ремонт здания выполнен ООО «Ростовгипрошахт» (г. Шахты Ростовской области). Цель данной работы состоит в обосновании эффективных парамет-
ров технологии усиления фундаментов и грунтов основания аварийного здания Дворца культуры.
Анализ состояния фундаментов и грунтов. Предварительно на площадке здания выполнялись обследования строительных конструкций и инженерно-геологические изыскания путем отрывки шурфов и бурения разведочных скважин. Установлено, что фундаменты ленточные, выполнены из керамического кирпича и бутового камня, ширина подошвы фундаментов стен изменяется от 65 до 71 см, глубина заложения фундаментов от 1,1 до 2,7 м. Толщина наружных несущих стен, выполненных из кирпича и бутового камня, варьируется от 51 до 120 см.
В конструкции фундаментов были обнаружены множественные дефекты, свидетельствующие о необходимости их усиления.
На наружных стенах развиваются множество трещин шириной раскрытия до 50 мм и значительной протяженности, показанные на рис. 1. Трещины проявляются в местах расположения окон, дверей с участками интенсивного замачивания фундаментов, причем интенсивность трещино-образования повышается при подъеме уровня грунтовых вод.
Бурение разведочных скважин и лабораторные исследования свойств грунтов основания показали следующее. В геологическом строении участка на глубину 12,0 м принимают участие верхнечетвертичные делювиальные суглинки и глины, среднечетвертичные глины, перекрытые техногенными отложениями.
Рис. 1. Результаты фотофиксации трещинообразования и деформирования наружных стен
На участке изысканий выделены пять инженерно-геологических элементов:
- ИГЭ 1 - техногенный грунт с суглинком, мощностью 1,2...4,0 м;
- ИГЭ 2 - суглинок буровато-желтый, с гнездами карбонатов, макропористый, мощностью 2,0.4,8 м;
- ИГЭ 3 - глина буровато-серая до красной, полутвердой консистенции, мощностью 1,8...2,7 м;
- ИГЭ 4 - глина буровато- серая до красной, с желваками карбонатов, полутвердой консистенции, мощностью 2,0.3,0 м;
- ИГЭ 5 - суглинок серовато-бурый с гнездами гидроокислов железа, полутвердой консистенции, мощностью 0,4.2,6 м.
Основные инженерно-геологические свойства грунтов приведены в
табл. 1.
Грунты ИГЭ-2, ИГЭ-3 при замачивании проявили просадочные свойства. Так, суглинки, залегающие до глубины 5,8.6,0 м, при компрессионных испытаниях проявили просадочность первого типа. Модуль общей деформации суглинков при замачивании уменьшался на 32.35 %. Делювиальные четвертичные глины, вскрытые повсеместно до глубины 8,6 м, также при замачивании имеют просадочность первого типа, модуль деформации уменьшался на 31.34 %. Пористость грунтов составила 0,42.0,48.
По результатам химического анализа водных вытяжек грунты имеют рН=7,5, в зоне аэрации незасоленные, обладают сульфатной агрессией - средне и сильноагрессивные.
Таблица 1
Инженерно-геологические свойства грунтов основания
Грунт, индекс Мощность слоя, м Влажность, % Плотность, г/см3 Число пластичности Модуль деформации, МПа Сцепление, МПа Угол внутреннего трения, град
Насыпной, tQIv 1,2.4,0 18 1,55 - - - -
Суглинок, dQш 2,0.4,8 19 1,70 15 5,6 0,015 20
Глина, dQш 1,8.2,7 25 1,85 19 5,9 0,017 21
Глина, dQш 2,0.3,0 22 1,93 21 6,1 0,031 20
Суглинок, dQш 0,4.2,6 20 1,94 12 5,0 0,021 22
Согласно сохранившейся архивной геолого-маркшейдерской документации и анализу горно-геологической ситуации под участком Дворца культуры имени Н.Е. Парамонова залегают 13 угольных пластов. Территория здания подрабатывалась в разное время горными работами шахты №1 имени Артёма ПО «Артёмантрацит» по пластам к51в, к5в и к5н. В настоящее время шахта имени Артёма закрыта, все горные выработки затоплены и,
особенно в весенне-осенний период, оказывают влияние на замачивание и деформирование вышележащих пород основания фундаментов здания. Следовательно, в грунтах основания, представленных переувлажненными суглинками и глинами, развиваются гидроактивизированные деформации по причине просадочности и подработки.
Исследования и технические решения. С целью проверки устойчивости грунтов в обводненном состоянии и работоспособности фундаментов был выполнен сбор нагрузок и проведены расчеты напряжений под фундаментами, которые составили 0,30.0,33 МПа. При этом было обосновано, что длительная прочность грунта основания не превышает 0,24.0,26 МПа. Следовательно, необходимая прочность грунтов искусственного основания должна составлять 0,36... 0,39 МПа.
Для реконструкции фундаментов в соответствии с инженерно-геологическими условиями разработан способ их усиления и уширения подошвы путем устройства железобетонной обоймы. Для этого предварительно устанавливаются анкеры с шагом 400 мм, затем арматурная сетка с шагом 200x200мм и диаметром 12 мм. Бетонирование выполняется бетоном класса В15 на сульфатостойком цементе М400. Таким образом, в зависимости от места расположения ширина фундаментов составит 1200, 1500, 1800 мм.
С целью упрочнения грунтов основания фундаментов предложено выполнить их цементацию на глубину 8,0 м в напорном режиме по буро-инъекционной технологии. Сущность данного метода заключается в напорной инъекции цементного раствора в грунт, в результате чего в режиме гидроразрыва в грунте формируются цементные уширения (или «корни»). Таким образом, данный метод позволяет создать армирующий цементный каркас и уплотнить грунт [10]. В зависимости от свойств грунтов радиус цементации достигает 1,0.1,2 м.
Проектирование технологических параметров цементации грунтов в режиме гидрорасчленения выполнялось в соответствии с известной авторской методикой расчета параметров буроинъекционной технологии упрочнения горных пород [8]. При этом проводился инженерный расчет таких параметров:
- необходимая степень уплотнения грунта, 0,14;
- достаточный показатель цементации грунта, 1,12.1,14;
- давление инъекции раствора, 0,7. 0,8 МПа;
- радиус распространения раствора, 1,0 м;
- расстояние между скважинами, 1,5 м;
- объем закрепляющего раствора для одной скважины и для всех работ 1,35 и 881,3 м3.
Технологически инъектирование грунтов принято выполнять в одну заходку при герметизации устья скважины. В зависимости от особенностей заложения фундаментов и геологического строения общее количество
инъекторов было сгруппировано в семь однотипных участков, что показано в табл. 2. Всего по проекту необходимо проинъектировать цементным раствором 680 скважин.
Схема формирования искусственного основания под фундаментами Дворца культуры приведена на рис. 2.
Таблица 2
Технологические параметры цементации просадочных грунтов
Номера скважин Глубина, м Длина инъекции, м Количество, шт. Общая длина инъекции, м Давление инъекции, МПа Объем раствора, м
1-91 8,0 4,5 91 409,5 0,7...0,8 91,7
92-96 8,0 4,8 4 19,2 0,7...0,8 5,3
97-439 8,0 6,3 343 2160,9 0,7.0,8 483,8
440-548 8,0 6,9 109 752,1 0,7.0,8 168,4
549-565 8,0 5,8 17 98,6 0,7.0,8 22,1
566-629 8,0 4,4 64 281,6 0,7.0,8 63,1
630-680 8,0 4,1 51 209,1 0,7.0,8 46,9
Рис. 2. Схема расположения инъекторов и зон усиления грунтов
под фундаментами здания
На основании аналитических и экспериментальных исследований нами была получена формула [12] для расчета прочности закрепления грунта в зависимости от закачанного объема цементного раствора:
С 1 Л7- Л
Т = 1,5г0
1 +
кУ
ц
= 1,5(Со +&нtg^0 )(1 +
кУ
ц
ч (1 - по )У — го - по )У; (1)
где ^=1,5 - эмпирический параметр для суглинков; т0 - исходная сдвиговая прочность грунта; к - выход цементного камня; Vц - объем цементного раствора, м3; п0 - начальная пористость грунта; V- объем инъектируемого грунта.
В приведенной формуле сомножитель в скобках представляет показатель цементации грунта. Таким образом, по объему закачиваемого раствора возможно рассчитать достигаемую прочность грунта на сдвиг. Из анализа данных табл. 2 и формулы (1) получено необходимое значение показателя цементации равное 1,12-1,14. При этом по результатам экспериментальных исследований эмпирический показатель для суглинка принят А=1,5, а для глины А=1,45.
Для экспериментальной проверки приведенной эмпирио-аналитической формулы и уточнения технологических параметров инъекции грунтов на участке реконструкции здания Дворца культуры был организован опытный участок.
На участке были пробурены пять экспериментальных скважин, в которые установили инъекторы диаметром 100 мм на глубину 8,0 м. В грунт инъектировали цементно-силикатный раствор плотностью 1,8 г/см3. Для противодействия агрессии подземных вод применяли сульфатостой-кий цемент М400.
После стабилизации инъекционного процесса и структурирования раствора в грунте (не менее 15 суток) на расстоянии 0,5 м от инъекторов были пробурены пять контрольных скважин с отбором керна на глубину 8 м. На образцах грунта из скважин были проведены компрессионные и сдвиговые испытания.
Сравнение результатов испытаний грунта выполнялось для сходственных инженерно-геологических условий (глубина 3,5 м; 6,5 м и 8,0 м). Статистическая обработка результатов испытаний грунтов выполнялась по известной методике [14].
Установлено, что закрепленные грунты на всех глубинах при замачивании просадочностью не обладают. Полученные результаты прочности грунтов на сдвиг приведены на рис. 3.
то 0,44 л"
5 0,40 о х
3-
0
с 0,36 0,32
1 2 3 4 5
Номер скважины
Рис. 3. Сдвиговая прочность заинъектированных грунтов:
1 - расчетное значение; 2 - суглинок, глубина 3,5 м;
3 - глина, глубина 6,5м; 4 — глина, глубина 8,0 м
Выводы. Анализ полученных результатов показывает следующее. Наилучшее упрочнение грунта получено в зоне ИГЭ 2, при этом максимальное отклонение фактических результатов от расчетных составило 10.15 %. В глине (ИГЭ 3) упрочнение получено достаточное, но менее расчетного, так как глины хуже поддаются гидрорасчленению, а погрешность составила 8.13 %. Непросадочная глина (ИГЭ 4) также получила достаточное упрочнение. Следовательно, результаты экспериментальных инъекций грунтов показали высокую эффективность буро-инъекционной технологии, позволили обосновать технологические параметры и доказать возможность расчета сдвиговой прочности закрепленного грунта по формуле (1) в зависимости от объема цементного раствора с погрешностью в интервале 8.15 %.
Список литературы
1. Проблемы развития горнодобывающего комплекса Восточного Донбасса и пути их решения: монография / под ред. С.Г. Страданченко Новочеркасск: Лик. 2009. 198 с.
2. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Легостаев С.О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на Дону: ООО «ДГТУпринт», 2020. 291 с.
3. Косов О.И. Геодинамические процессы при ликвидации шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ. 2006. № 9. С.139-145.
4. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts at Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie,
2016. V.1. P.159 - 165.
5. Качурин Н.М. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле.
2017. Вып. 1. С.170-181.
6. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Талалаева В.М. Анализ гидроактивизации массива горных пород при подтоплении Шахтинского угольного района // Сб. науч.тр. 14-й Межд. научн.-техн. конф. «Перспективы развития строительных технологий». Днепр: НТУ «ДП», 2020. С.16-21.
7. Сорочан Е.А., Быков В.И., Егоров А.И. Усиление грунтов основания, фундаментов и несущих конструкций аварийных зданий инъекционными методами // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2001. №1. С.20-22.
8. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Буро-инъекционная технология упрочнения оснований фундаментов: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-принт». 2019. 174 с.
9. Исаев Б.И., Бадеев С.Ю., Цапкова Н.Н. Инъекция грунтов при возведении фундаментов, подготовка оснований и охрана окружающей среды. Ростов-на-Дону: Фонд науки и образования. 2014. 513 с.
10. Должиков П.Н., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Исследование деформационно-прочностных свойств грунтов, армированных буро-инъекционными сваями. // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып.4. С.221-228.
11. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Испытания несущей способности буро-инъекционных цементных свай. Сб. «Физико-математические и технические науки, как постиндустриальный фундамент общества». Уфа: АЭТЕРНА, 2018. С.41-43.
12. Должиков П.Н., Псюк М.Ю. Структурирование и упрочнение глинистых грунтов при напорной цементации // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып.2. С.106-113.
13. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles // The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers. 2015. P. 79-83.
14. Должиков П.Н., Семирягин С. В. Основы планирования и обработки результатов экспериментальных исследований: учеб. пособие. Ал-чевск: ДонГТУ. 2013. 191 с.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Легостаев Станислав Олегович, горный инженер, зав. отделением, [email protected], Россия, Шахты, Шахтинский техникум дизайна и сервиса «Дон-Текс»,
Сычев Илья Владимирович, ст. препод., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
RECONSTRUCTION OF THE BASE AND FOUNDATION OF AN EMERGENCY
BUILDING LOCATED ON A MODIFIED AND HYDROACTIVATED AREA
P.N. Dolzhikov, S.O. Legostaev, I.V. Sychev
The article discusses the geotechnical conditions for the operation of an emergency building in a mining town on an underworked hydroactivated area. A method for stabilizing deformations of the base and foundation is proposed. Technological and control parameters of soil consolidation have been substantiated. The high efficiency of strengthening the base soils has been proven.
Key words: geology, underworking, flooding, deformation, cementation, technology, field experiment, quality analysis.
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Legostaev Stanislav Olegovich, mine engineer, department head, [email protected], Russia, Shakhty, „Don-Tex"Design and Service Technical School of Shakhty,
Sychev Ilya Vladimirovich, senior lecturer, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Problems of development of the mining complex of Eastern Donbass and ways to solve them: monograph / ed. Stradanchenko S.G. Novocherkassk: Lik. 2009. 198 p.
2. Dolzhikov P.N., Pronsky D.V., Legostaev S.O. Grouting and laying works in the regions of mine closure: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DGTUprint". 2020. 291 p.
3. Kosov O.I. Geodynamic processes during the liquidation of the mines of Eastern Donbass // Ecological and economic problems of nature management in the mining industry. Mines: YURO AGN RF. 2006. No. 9. C.139- 145.
4. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts at Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. P.159 - 165.
5. Kachurin N.M. Geomechanical and aerogasodynamic consequences of mining the territories of mining branches of the mines of Eastern Donbass // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue 1. pp.170-181.
6. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Talalaeva V.M. Analysis of hydroactivation of a rock mass during flooding of the Shakhtinsky coal district // Collection of scientific tr. 14th International scientific-technical. conf. "Prospects for the development of construction technologies". Dnipro: NTU "DP", 2020. pp.16-21.
7. Sorochan E.A., Bykov V.I., Egorov A.I. Strengthening of foundation soils, foundations and supporting structures of emergency buildings by injection methods // Foundations, foundations and mechanics of soils. 2001. No. 1. pp.20-22.
8. Dolzhikov P.N., Zbitskaya V.V. Drilling-injection technology of strengthening the foundations of foundations: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-print". 2019. 174 p
. 9. Isaev B.I., Badeev S.Yu., Tsapkova N.N. Injection of soils during the construction of foundations, preparation of foundations and environmental protection. Rostov-on-Don: Foundation for Science and Education. 2014. 513 p.
10. Dolzhikov P.N., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Investigation of the deformation and strength properties of soils reinforced with drill-injection piles. // News of the Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 4. pp.221-228.
11. Dolzhikov P.N., Talalaeva V.M. Tests of the bearing capacity of drilling-injection cement piles. Sb. "Physical, mathematical and technical sciences as a post-industrial foundation of society". Ufa: AETERNA, 2018. pp.41-43.
12. Dolzhikov P.N., Psyuk M.Yu. Structuring and hardening of clay soils during pressure cementation // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2020. Issue 2. pp.106113.
13. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles // The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers. 2015. P. 7983.
14. Dolzhikov P.N., Semiryagin S.V. Fundamentals of planning and processing of experimental research results: textbook. stipend. Alchevsk: DonGTU. 2013. 191 p.
УДК 620.9:502.174 DOI 10.46689/2218-5194-2022-1-1-250-260
ОСОБЕННОСТИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАЛЕГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ОСНОВНЫХ БАССЕЙНОВ РОССИИ
А.Б. Жабин, Ю.Н. Линник, В.Ю. Линник, А. Цих
Выбор технологических схем вскрытия и разработки угольных месторождений, а также эффективность применения забойного оборудования зависят от горногеологических условий залегания и характеристикразрушаемости угольных пластов. В этой связи проанализированы данные о шахтопластах основных угледобывающих регионов России, такие как газоносность, геологическая мощность, угол падения, глубина залегания пластов; особенности их геологического строения; характеристики раз-рушаемости, определяемые физико-механическими свойствами породных прослойков и твердых включений, их удельным содержанием и сопротивляемостью резанию.
Ключевые слова: уголь, пласт, мощность, глубина залегания, природная газоносность, породные прослои, твердые включения, сопротивляемость резанию, удельное содержание.
Введение
Выбор технологических схем вскрытия, подготовки угольных пластов, а также добычи угля подземным способом зависит от горно-
