CC BY
20
11. Yakovleva S.A. Advantages and disadvantages of using BIM // StudArctic forum. 2017. No. 7. Vol. 3. C. 25.
12. Strategy of innovative development of the construction industry of the Russian Federation until 2030 [Electronic resource]. Access mode: https://www.minstroyrf.gov.ru/docs/11870 /.
13. Regulations on the performance of engineering surveys for the preparation of project documentation, construction, reconstruction of capital construction facilities. Resolution No. 1431 of September 15, 2020 [Electronic resource]. Access mode: https://base .garant.ru/74644278/?.
14. Groshong R.H. Three-dimensional structural geology: a practical guide to the quantitative interpretation of surface and subsurface maps // Springer Berlin Heidelberg, 2006. 400 p.
15. Nun J. What awaits automation in the mining industry in the future? // World borders of the mining industry. 2019. Vol. 2. C. 18-21.
16. Uyan M., Dursun A.E. Determination and modeling of brown coal reserves using geostatistical analysis and GIS // Arabian Journal of Geosciences. 2021. No. 4. Vol. 14. C. 312.
УДК 69:624.138.24
СХЕМЫ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ В ГИДРОАКТИВИЗИРОВАННЫХ
ГРУНТАХ
В.М. Талалаева
Выполнен геологический анализ разрезов подработанных и обводненных территорий закрытых шахт, что позволило их типизировать в три группы. Обоснованы схемы и технологические параметры формирования искусственных оснований фундаментов в гидроактивизированных грунтах. Впервые предложено формировать стабилизационную подушку на контакте с коренными породами для взаимодействия с основанием фундамента.
Ключевые слова: закрытые шахты, геология, типизация, основания фундаментов, расчет параметров, тампонажная подушка.
Введение
В шахтерских городах и поселках существует необходимость строительства новых и эксплуатации существующих зданий и сооружений, которые вынуждены проводить на площадях со сложными инженерно-геологическими условиями, обусловленными подработанностью и обводненностью грунтов. В таких случаях для обеспечения качественного строительства необходимо применять способы защиты зданий и сооружений от неравномерных деформаций. Весьма перспективным способом является устройство надежных искусственных оснований (метод уплотнения грунтов и постановки стабилизирующей подушки) [1, 4, 5]. К основным пре-
имуществам создания такого основания относятся его низкая стоимость, обусловленная использованием в качестве основного сырья в тампонажной смеси дешевых материалов, простота технологии, а также долговечность.
Выполненные исследования в Шахтинско-Несветаевском регионе позволили установить непосредственную связь деформирований зданий с подтоплением территорий шахтными водами. Этот процесс обусловлен изменением деформационных и прочностных свойств грунтов оснований фундаментов в результате обводнения. Гидроактивизация грунтов является решающим фактором развития сложных геомеханических процессов в основаниях зданий [1, 4, 6-8].
Методически этапы расчета параметров искусственного основания фундамента сводятся к следующему: проведение инженерно-геологических изысканий в грунтовых массивах, определение основных зон обводнения и нарушений; инженерный расчет параметров распространения тампонажного раствора, давления нагнетания и общего объема тампонажно-закладочной смеси; выбор технологической схемы тампонажа [1 - 3].
Изучаемые жилые здания, как правило, были пятиэтажными с ленточными фундаментами. Отметим, что в зависимости от вида и плана фундамента, конструктивных особенностей здания технологически формирование искусственного основания происходит через несколько тампонажных скважин, расположенных по специальной схеме, а инъекция выполняется заходками по 2 - 5 м.
Цель
Целью данной статьи является расчет основных параметров формирования искусственного основания фундаментов в инженерно-геологических условиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений Восточного Донбасса.
Анализ геологических разрезов подработанных и обводненных территорий закрытых шахт позволил разделить их на три типа. Основным критерием типизации территорий является мощность покровных отложений и распределение в ней напряжений сжатия. Следовательно, для каждого типа площадей сжимаемая толща грунта имеет свое расположение. Однако глубина деформирования грунта для типовой пятиэтажной застройки составляет не более 10 - 15 м.
Первый тип геологического разреза представлен твердыми (скальными и полускальными) породами каменноугольного возраста, выходящими на поверхность земли или перекрытые дисперсными четвертичными отложениями незначительной мощности (до глубины заложения фундамента). Геологический разрез этого типа представлен характерными для Донбасса ритмичным чередованием песчаников, сланцев песчаных и глинистых, с подчиненными по мощности пластами известняков и углей.
Образование складчатых и разрывных форм обусловило широкое развитие эндогенной трещиноватости пород, характерной для всего разреза карбона. В верхней части разреза развита зона выветривания, в пределах которой на эндогенную трещиноватость наложены трещины выветривания. Мощность зоны выветривания составляет до 60 м. Наименьшую мощность она имеет в антрацитовых районах и характеризуется относительно умеренной трещиноватостью. В целом, породы зоны выветривания характеризуются невысокой прочностью (1...50 МПа), интенсивной трещиноватостью и высокой пористостью (до 20. 25 %).
Схема формирования искусственного основания в трещиноватых породах показана на рис. 1. Основными параметрами основания в трещиноватых горных породах являются полуоси инъекции и Я2 по каждой системе трещин, а также объем тампонажного раствора, расчетные формулы которых приведены в табл. 1 [2, 3].
Рис. 1. Схема тампонажа трещиноватых пород в основании фундамента: 1 - фундамент; 2 - суглинок; 3 - коренные породы; 4 - скважина; 5 - зона тампонажа; 6 - пакер
Таблица 1
Основные параметры формирования искусственного основания в скальных трещиноватых грунтах
№ п/п Параметр Обозначение Формула
1 Радиус полуоси ^, м _ а8хАР 1 2 Р т
2 Радиус полуоси Я2, м Я2 а82АР К2 = . 2 2 Р т
3 Объем тампонажного раствора, м3 V V = пЯхЯ2ЫтТ.
В табл. 1 обозначено: АР - перепад давления в системе «скважина -проницаемый горизонт», кг/см2; 8 - раскрытие трещин; а - угол наклона трещин; Я - радиус распространения вязкопластичного раствора, м; М -мощность проницаемой зоны, м; тТ - значение скважности, д. ед.
Для геологического разреза второго типа характерны покровные отложения мощностью 15.. .20 м. Они, как правило, представлены песчано-глинистыми грунтами. В результате разработки полезных ископаемых в грунтовом массиве образовались зоны разуплотнения, что послужило причиной снижения прочностных и увеличения фильтрационных характеристик грунта. Вопрос инъекции вязкопластичных растворов в деформируемые зоны разуплотненных дисперсных грунтов рассмотрен в [1, 5], где для полной стабилизации деконсолидированного массива предложено инъек-тирование в разуплотненную зону через скважину вязкопластичного раствора. В грунтовом массиве происходит гидрорасчленение грунта, образуются разнонаправленные каналы течения, заполняемые вязкопластичным раствором, что приводит к фильтрационному уплотнению дисперсных грунтов разуплотненной зоны и их переходу из деконсолидированного состояния в консолидированное (рис. 2) [10 - 14].
Модель тампонажа разуплотненной зоны характеризуется следующими параметрами: мощностью деконсолидированной зоны, эффективным и максимальным радиусами распространения тампонажного раствора, эффективным давлением инъецирования, а также мощностью эквивалентной полости разрыва.
Основные формулы, по которым определяются параметры инъекции, представлены в табл. 2.
Рис. 2. Модель процесса тампонажа вязкопластичным раствором зоны разуплотненного дисперсного грунта: 1 - фундамент; 2 - суглинок; 3 - коренные породы; 4 - инъектор; 5 - зона инъекции;
6 - пакер
Таблица 2
Основные параметры формирования искусственного основания
в раз уплотненных грунтах
1 2 3 4
№ п/п Параметр Обозначение Формула
1 Мощность эквивалентной полости разрыва, м Кэкв Кв = К - К2
2 Мощность деконсоли-дированной зоны, м к к II к 2 (1 Л 1 + ^ 11 + е2 J
3 Суммарная мощность консолидированной зоны, м к К2 = К1 С л \ 1 + е2 11 + б1 )
4 Радиус распространения раствора, м ги , = (р - р ^ „ ^ + 2ф0 - д0Dлp со8фсо8 8
5 Эффективный радиус распространения раствора, м Кф п „ ,(РЭф - Р )(Г - Г ) Лэф = Гк + р - р
Окончание табл. 2
1 2 3 4
6 Эффективное давление, Па р 1 эф р _Уs ( к81 - кд 2 ) эф тоУа о
7 Объем тампонажного раствора (1 скважина), м3 V
В табл. 2 обозначено: у - объемный вес скелета грунта, Н/м3; е - коэффициент пористости грунта (уплотненного и разуплотненного); Рс -давление раствора в скважине, Н/м2; Ри -давление тампонажного раствора, Н/м2; ка - коэффициент консолидации грунта; - коэффициент площадочного разуплотнения; кй - коэффициент вертикального разуплотнения; а3 - коэффициент запаса раствора; ^ - коэффициент, учитывающий перекрытие эффективных контуров распространения раствора.
Третий тип геологического разреза встречается на территориях, где произошла ликвидация угольных шахт с полным затоплением выработанного пространства, что наиболее характерно для шахтерских городов. При этом покровные отложения имеют мощность до 50 м. В результате этого происходит изменение свойств, трещиноватости и прочности пород, а также активизация геомеханических процессов в дисперсных и трещиноватых зонах за счет гидродинамического воздействия. Песчано-глинистые породы за счет обводнения разуплотняются с активным деформированием. Следовательно, при затоплении шахт происходит нарушение геомеханического равновесия в массиве, что приводит к сдвижению пород в зоне оснований [6 - 8].
Одним из решений технической проблемы будет создание стабилизирующей подушки (рис. 3) на контакте покровных и коренных отложений из глиноцементного раствора с последующим формированием искусственного основания [9 - 12]. Это позволяет выполнить уплотнение грунтов и создать противофильтрационный экран на контакте за счет гидрорасчленения трещиноватых и дисперсных пород.
Параметры стабилизационной подушки, глубина ее заложения выбирается в зависимости от конкретных горно-геологических условий (мощность покровных отложений, трещиноватость пород, глубина залегания геологических нарушений, зоны влияния). Основные расчетные формулы параметров формирования представлены в табл. 3. Для расчета параметров основания формулы приведены в табл. 2.
Рис. 3 — Схема формирования основания и стабилизирующей подушки: 1 — фундамент; 2 — покровные отложения; 3 — коренные породы; 4 — скважина; 5 — зона инъекции; 6 — пакер; 7 — тампонажная скважина; 8 — стабилизационная подушка
Таблица 3
Основные параметры формирования стабилизирующей подушки _на контакте покровных и коренных отложений_
№ п/п Параметр Обозначение Формула
1 Толщина стабилизационной подушки 5, м 5 5 = 5о (1+ РЛРУ)
2 Радиус инъекции раствора, м Л = 2т ^ + 50Л евз р евз а
3 Объем тампонаж-ного раствора (1 скважина), м3 V V ^ЗД р3кякаЛ тт
В табл. 3 обозначено: ЛРу - давление инъекции, Па; Р - комплексный параметр трещиноватости, Па-1; Л - коэффициент бокового давления; 50 - начальное раскрытие канала, м; т0 - динамическое напряжение сдви-
га, Па; K - безразмерный параметр ~ 1,1; ус - радиус скважины, м; Zs -степень перекрытия зон инъекции.
Выводы
Таким образом, разработанные схемы и полученные основные параметры формирования искусственных оснований позволяют в различных по типу геологических условиях упрочнять грунт и создавать стабилизирующую подушку, которая способствует увеличению прочности основания, а также дает возможность управлять напряженно-деформированным состоянием обводненного горного массива за счет напорной инъекции глиноцементного раствора.
Список литературы
1. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Буро-инъекционная технология упрочнения оснований фундаментов: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-принт», 2019. 174с.
2. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт: учеб. пособ. / Э. Я. Кипко [и др.] 2-е изд., перераб. и доп. Днепропетровск: Национальный горный ун-т, 2004. 367 с.
3. Должиков П.Н., Кипко А.Э. Физика движения вязкопластичных тампонажных растворов: монография. Донецк: Вебер, 2007. 238с.
4. Проблемы развития горнодобывающего комплекса Восточного Донбасса и пути их решения: монография / под ред. Страданченко С.Г. Новочеркасск: Лик, 2009. 198 с.
5. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Легостаев С.О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на Дону: ООО «ДГТУпринт», 2020. 291с.
6. Косов О.И. Геодинамические процессы при ликвидации шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ, 2006. № 9. C.139- 145.
7. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. P. 159 - 165.
8. 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.
9. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Талалаева В.М. Анализ гидроактивизации массива горных пород при подтоплении Шахтинского угольного района // Сб. науч. тр. 14-й Междунар. науч.-техн. конф. «Перспективы развития строительных технологий». 2020. С.16-21.
10. 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.
11. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Постановка стабилизирующей подушки в гидроактивизированных грунтах основания фундамента // Сб. науч. тр. Всерос. конф. ДГТУ «Актуальные проблемы науки и техники-2021». Ростов-на-Дону: ДГТУ,2021. С.243-244.
12. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Испытания несущей способности буро-инъекционных цементных свай // Физико-математические и технические науки, как постиндустриальный фундамент общества. Уфа: АТЭРНА, 2018. С. 41-43.
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., Легостаев С.О., Сычев И.В. Реконструкция фундамента и основания аварийного здания на подработанной гидроакти-визированной территории // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. № 1. 2022. С.241-250.
Талалаева Виктория Михайловна, ассист., victory88t@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
SCHEMES AND CALCULATION OF THE PARAMETERS OF ARTIFICIAL FOUNDATIONS IN HYDROACTIVATED SOILS
V.M. Talalaeva
A geological analysis of sections of undermined and flooded areas of closed mines was carried out, which allowed them to be typified into three groups. The schemes and technological parameters of the formation of artificial bases of foundations in hydroactivated soils are substantiated. For the first time, it was proposed to form a stabilization cushion in contact with bedrock to interact with the base of the foundation.
Key words: closed mines, geology, typification, foundation bases, calculation of parameters, backfill pad.
Talalaeva Victoria Mikhailovna, assistant, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Dolzhikov P.N., Zbitskaya V.V. Drilling-injection technology of strengthening the foundations of foundations. Monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-print". 2019. 174c.
2. Complex method of grouting in the construction of mines: textbook. manual / E. Ya. Kipko [et al.] 2nd ed., reprint. and add. Dnepropetrovsk: National Mining University-T. 2004. 367 p.
3. Dolzhikov P.N., Kipko A.E. Physics of motion of viscoplastic grouting solutions: monograph. Donetsk: Weber. 2007. 238c.
4. 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
. 5. 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. 291c.
6. 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.
7. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. P. 159 - 165.
8. 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.
9. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Talalaeva V.M. Analysis of hydro-activation of the 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.
10. 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.
11. Dolzhikov P.N., Talalaeva V.M. Setting a stabilizing cushion in hydroactivated soils of the foundation base // SB. nauch. tr. vsros. conf. DSTU "Actual problems of science and technology-2021". Rostov-on-Don: DSTU, 2021. pp.243-244.
12. Dolzhikov P.N., Talalaeva V.M. Tests of the bearing capacity of drilling-injection cement piles // Physico-mathematical and technical sciences, as a post-industrial foundation of society. Ufa: ATERNA, 2018. pp. 41-43.
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. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Sychev I.V. Reconstruction of the foundation and foundation of an emergency building on a part-time hydroactised territory // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. No. 1. 2022. pp.241-250.
