CC BY
129Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Подземное строительство
УДК 624.153.61: 699.8: 551.48
А.Л. ГОТМАН, д-р техн. наук, Н.З. ГОТМАН, д-р техн. наук, М.З. КАЮМОВ, инженер, ГУП институт «БашНИИстрой» (Уфа, Республика Башкортостан)
Методика расчета фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях
Представлена методология расчета плитных фундаментов зданий с заглубленной подземной частью на закарстованных территориях, основанная на принципиально новом подходе к оценке расчетных параметров карстовых деформаций. Приведены данные исследований для условий карстующихся грунтов, перекрываемых глинистыми грунтами.
Ключевые слова: фундаментная плита, заглубленное сооружение, карстовая полость.
В настоящее время в крупных городах все труднее найти удобную для строительства площадку с хорошими инженерно-геологическими условиями. В таких условиях приходится осваивать площадки, считавшиеся ранее непригодными для строительства. К ним относятся и закар-стованные территории.
При проектировании зданий и сооружений на закарсто-ванных территориях в соответствии с действующими нормативными документами необходимо предусматривать мероприятия по противокарстовой защите, которые подразделяются на три группы: профилактические, конструктивные, геотехнические. Профилактические мероприятия по про-тивокарстовой защите, как правило, выполняются во всех случаях, независимо от результатов районирования по карстовой устойчивости и зонирования по степени опасности карстообразования. Конструктивные и геотехнические мероприятия по противокарстовой защите зданий проектируются на основе расчетов, в которых основными расчетными параметрами являются расчетный диаметр карстового провала и деформативность основания при образовании карстового провала.
Определение расчетного диаметра карстового провала возможно двумя способами: расчетно-теоретическим методом либо на основе вероятностно-статистического метода, что и рекомендовано нормативными документами [1, 2]. Эти способы успешно применяются для расчета фундаментов мелкого заложения. Однако они учитывают лишь гидрогеологические условия площадки строительства и прочностные характеристики грунтов, а характеристики здания (нагрузка, глубина заложения фундамента) и изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) толщи грунтов, вызванных строительством, никак не учитываются.
Для фундаментов заглубленных сооружений, которые расположены гораздо ближе к подземным карстовым полостям, нежели мелкозаглубленные, размер карстового обрушения под фундаментом в большей степени зависит от нагрузки, передаваемой на основание фундамента, свойств покровной толщи, глубины залегания карстующихся грунтов, расстояния от подошвы плиты фундамента до карстую-щихся грунтов, фактических размеров подземных карстовых полостей. Поэтому при расчете конструктивных и гео-
технических мероприятий по противокарстовой защите подземных сооружений традиционные методы оценки размеров карстовых деформаций применять опасно (рис. 1).
Известно, что рост полости в карстующихся грунтах сопровождается последовательными внутренними вывалами [3]. Затем происходит выход полости на поверхность в виде провала. Для мелкозаглубленных зданий диаметр этого провала можно спрогнозировать. Для подземных сооружений существующие методы определения расчетного диаметра провала не позволяют учесть их особенности (заглубление и нагрузку). В этом случае в качестве расчетного параметра целесообразно использовать размер карстовой полости в карстующихся грунтах. При этом следует руководствоваться следующими соображениями.
Если за нормативный срок эксплуатации здания карстовая полость не достигает размеров, при которых происходит провал, то появление карстового провала в основании здания маловероятно и расчет фундаментов на карстовый провал можно не производить. В этом случае плитные фундаменты подземных сооружений следует рассчитывать с учетом дополнительных карстовых деформаций основания, вызванных образованием карстовой полости в карсту-ющихся грунтах. В качестве расчетного параметра в таком
□ □ □ □
□ г П1 □
л г П1 л
□ □ п: □
□ □ [Г гп
□ Г Г П1
аввапв
Рис. 1. Здание над карстовой полостью: а — мелкозаглубленное; б — с заглубленной подземной частью
б
а
92011
13
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
е/^г-^)
-0,2 и 'М"г -0,2 1-
Рис. 2. Результаты численных исследований: а — изменение давления; б — изменение осадки; 1 — д3; 2 — д5; 3 — д10
случае будет выступать расчетный диаметр карстовой полости - это максимальный диаметр полости в карстующих-ся грунтах, при котором свод полости и покровная толща сохраняют устойчивость.
Если же за время эксплуатации здания возможно появление полости больше расчетного диаметра, то вероятно образование карстового провала. Рекомендаций по размерам провала в основании подземных сооружений в нормативной литературе не существует, и размер провала трудно спрогнозировать. Поэтому с целью недопущения образования карстового провала необходимо проектирование про-тивокарстовых мероприятий, исключающих развитие карстового процесса или его влияние на конструкции здания, то есть укрепление карстующихся слоев и дезинтегрированных зон грунта цементацией.
Расчет плитных фундаментов, как правило, выполняется с использованием широко распространенной модели переменного коэффициента постели. Коэффициент постели определяется как отношение давления на основание под подошвой плиты к осадкам фундамента. При образовании карстовой полости в карстующихся грунтах основание под подошвой будет получать дополнительные деформации (карстовые), а давление под плитой - падать. Соответственно коэффициент постели тоже изменится. Поэтому, зная изменение осадки и давления при образовании карстовой полости, можно вычислить, насколько снизится коэффициент постели основания над карстовой полостью.
Основным параметром, влияющим на степень снижения коэффициента постели, является расчетный диаметр карстовой полости. Расчетный диаметр полости следует определять математическим моделированием с учетом фактических параметров подземного сооружения (нагрузка, заглубление) и инженерно-геологических условий [4].
С целью определения изменения коэффициента постели основания при образовании карстовой полости были проведены численные исследования методом математического моделирования фундаментной плиты заглубленно-
го сооружения с использованием программного комплекса Plaxis 3D. По результатам математического моделирования определены осадки основания и давление под подошвой фундаментной плиты в условиях нормальной эксплуатации и после образования карстовой полости. Всего выполнено 216 расчетов. В расчетах варьировались следующие исходные данные: заглубление здания (от 5 до 15 м), глубина карстующихся грунтов (от 20 до 40 м), диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах (от 3 до 10 м), а также нагрузка от здания, жесткость фундаментной плиты и модуль деформации покровной глинистой толщи.
Все эти параметры с разной степенью влияют на величину карстовых деформаций и изменение давления под подошвой плиты. С целью определения влияния каждого из параметров на дополнительные осадки и изменение давления под подошвой фундаментной плиты при образовании карстовой полости проведен анализ результатов численных исследований. На рис. 2 показаны результаты расчета для одного из вариантов исходных данных, при этом приняты следующие обозначения: t - толщина фундаментной плиты; hг - глубина карстующихся грунтов; hк - глубина котлована; д3, д5, д10 - диаметр 3, 5, 10 м соответственно карстовой полости; АР - изменение давления под центром подошвы фундаментной плиты при образовании карстовой полости; Р - первоначальное давление под центром подошвы фундаментной плиты (до образования карстовой полости); Аб - дополнительная деформация под центром подошвы фундаментной плиты при образовании карстовой полости; б - первоначальная осадка под центром подошвы фундаментной плиты (до образования карстовой полости).
Как видно из графиков на рис. 2, существует устойчивая связь между заглублением подземных сооружений, жесткостью фундаментной плиты, глубиной карстующихся грунтов, диаметром карстовой полости и дополнительными осадками и изменением давления под подошвой плиты. После аппроксимации полученных данных получены следующие зависимости:
б
а
0
14
9'2011
Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
Рис. 3. Схема расчета карстозащитных плитных фундаментов зданий с заглубленной подземной частью: hк — заглубление здания; hг — глубина расположения карстующегося слоя
AS^g27-0,42 fXtfp-3). S hr-hK '
А Р_ (0,87 - 0,026 • tXdp - 2,5)
Р ~ hr-h„ '
(1)
(2)
где dp - расчетный диаметр полости.
Коэффициент постели основания плиты (K) в условиях нормальной эксплуатации при давлении P равен К = P/S, а после образования карстовых деформаций (Kx) равен Kx = Px/Sx, где Px, Sx - общее давление и осадка основания под плитой после образования карстовой полости.
Коэффициент снижения коэффициента постели основания над карстовой полостью:
к Кх _ Рх S s К - S ' Р
(3)
Выразив в формулах (1) и (2) Аб через бх и б, а АP через Px и Р, после небольших преобразований получим:
/у-/у-(0,87 - 0,026 • I )«Ур - 2,5); (4)
^ Лг-/7к+(1,27 - 0,42 0(£/р-3) ; х ^
Таким образом, при расчете плитного фундамента здания с развитой подземной частью коэффициент постели основания рекомендовано принимать с учетом снижающего коэффициента При этом радиус зоны (И) снижения коэффициента относительно центра карстовой деформации предлагается определять по формуле:
dp
R = ^-Hhr -hK) tg<?,
(5)
где ч> - угол внутреннего трения грунта покровной толщи.
Следует отметить, что при размерах карстовой полости меньше 3 м и отношении заглубления здания к глубине расположения карстующихся грунтов меньше 0,3 (подошва фундаментной плиты расположена далеко от слоя карстую-щихся грунтов), карстовые деформации под фундаментом
практически отсутствуют. В таком случае расчеты на возможные карстовые деформации не выполняются.
В соответствии с вышеизложенным расчет плитных фундаментов подземных сооружений на закарстованных территориях рекомендуется вести по схеме на рис. 3.
Данная методика применена при проектировании торгово-сервисного комплекса «Кувыкинский» в Уфе (Республика Башкортостан). Таким образом, в результате выполненных исследований:
- разработан метод оценки коэффициента постели основания заглубленного сооружения, ослабленного карстовой полостью, в зависимости от прогнозируемого расчетного диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах;
- расчетный диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах рекомендован в качестве основного расчетного параметра для расчета плитных фундаментов заглубленных сооружений на закарстованных территориях;
- разработана методика проектирования карстозащитных плитных фундаментов заглубленных сооружений, учитывающая параметры сооружения (заглубление, жесткость фундаментной плиты) и прогнозируемый расчетный диаметр карстовой полости в карстующихся грунтах.
Список литературы
1. Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. М.: НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова Госстроя СССР, 1985. 78 с.
2. ТСН 302-50-95 «Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях». Уфа: Госстрой РБ, 1996. 40 с.
3. Толмачев В.В., Троицкий Г.М., Хоменко В.П. Инженерно-строительное освоение закарстованных территорий. М.: Стройиздат, 1986. 176 с.
4. Готман Н.З., Каюмов М.З. Численное моделирование роста карстовой полости в карстующихся грунтах // Известия вузов. Строительство. 2011. № 5. С. 107-111.
9'2011
15
