Существует множество районов, где на больших территориях протекают карстовые процессы. Это ни что иное, как растворение горных пород потоками слабоминерализованных вод. Такие процессы внешне проявляются деформациями земной поверхности такими, как [1]:
- коррозия растворимых горных пород, выходящих на земную поверхность;
- постепенные оседания, малые по площади;
- постепенные оседания на относительно больших площадях, приводящих к образованию крупных мульд оседания и депрессий;
- внезапно возникающие провалы.
Вследствие внезапности возникновения провалов, они представляют основную опасность для зданий и сооружений. В зависимости от местных геологических условий размеры провалов могут меняться в широких пределах: от долей метра до 100 – 300 м в диаметре. Формы провалов в рыхлых породах бывают в виде воронок, в прочных породах – в виде колец.
Крупная полость с ослабленной кровлей на небольшой глубине может стать причиной образования провала. При обрушении кровли земной поверхности возникает карстовый провал. Причиной появление большого провала также может являться просачивание масс грунта из покровной толщи в развитую систему трещин или в систему полостей малого поперечного сечения (карстово-суффозионный процесс) [2].
Помимо внешних проявлений по мере развития карстового процесса он сопровождается понижением несущей способности горных пород, из-за возникновения и развития трещиноватости, различных полостей, каверн и дальнейшего разрушения пород до состояния щебня и мучнистой массы, что преимущественно характерно для карбонатных пород. При строительстве зданий и сооружений необходимо учитывать все приведённые процессы и явления в карстующемся массиве.
На практике широко используются следующие противокарстовые мероприятия:
- Укрепление участка тампонированием трещин и карстовых полостей бетоном и цементным раствором, применяемыми в гидротехническом строительстве, на железнодорожном транспорте и в мостостроении. Тампонаж полости обеспечивает не только повышение прочности и устойчивости закарстованного массива, что повышает надёжность основания, но и замедляет карстовый процесс. Эти мероприятия требуют большого расхода цементного раствора [3].
- Укрепление закарстованного участка посредством систем подземных взрывов. На сегодняшний момент невозможно судить об эффективности этого мероприятия из-за отсутствия достоверных данных о результатах проведения его в натурных условиях.
- Устройство железобетонных поэтажных поясов и армирование ленточных бутобетонных и бетонных фундаментов зданий. Данное мероприятие эффективно при малых размерах провалов.
- Устройство под зданием сплошной монолитной железобетонной фундаментной плиты. Их целесообразно применять для одноэтажных зданий с частой сеткой колонн и для многоэтажных промышленных зданий.
- При помощи арматурных стержней, приваренных к закладным деталям фундаментной балки, осуществлять анкеровку фундаментных балок в столбчатых фундаментах. Эти мероприятия немного уменьшают вероятность выпадения фундаментной балки и последующего разрушения стены при образовании провалов, однако малоэффективны.
- Анкеровка плит покрытия и усиление опорных узлов балок или ферм. Примером таких мероприятий является устройство металлического башмака в узле опирания стропильных балок на подстропильную балку или колонну (рис.1). В случаи горизонтального перемещения опоры или осадки процесс разрушения каркаса здания немного замедляется, из-за препятствованию башмака соскальзыванию ферм с опоры.
- Взаимное скрепление скрутками из арматурной стали плит покрытия в местах их опирания за монтажные петли, а также анкеровка их в стенах. Эти мероприятия в какой-то мере предупреждают обрушение плит покрытия при сравнительно небольших подвижках балок или ферм покрытия.
Рисунок 1. Устройство металлического башмака в узле опирания ферм покрытия на подстропильную балку или колонну:
1 – подстропильные балки; 2 – стропильные фермы; 3 – колонна; 4 – опорный башмак
При строительстве на закарстованных территориях в первую очередь необходимо выбрать общее направление поиска инженерных решений. Они зависят от цели применения противокарстовых мероприятий и размеров провалов.
Современный уровень развития техники инженерно-геологических изысканий в совокупности со статистическими данными о провалах позволяют сделать вывод, что максимальный расчётный провал имеет диаметр, равный 20 м. Образование карстовых провалов диаметром менее 20 м можно прогнозировать, так как причины их образования обнаружить сравнительно несложно. Провалы, имеющие размеры более максимально расчётного, в большинстве случаев являются катастрофическими для обычных построек. В таких случаях конструктивные меры защиты могут допускаться только при наличии специального обоснования.
Для защиты объектов строительства от разрушения при карстовых провалах могут быть применены конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость и прочность зданий и сооружений, а для предотвращения карстовых провалов – инженерные мероприятия, повышающие надёжность оснований под ними. К таким мероприятиям относятся:
- Инженерная подготовка участка строительства. Она представляет собой устройство ливневой канализации не только на участке застройки, но и на смежных территориях. Они являются площадью водосброса атмосферных вод. А также тампонаж водоупорными материалами водопоглощающих воронок и трещин [4].
- Комбинированный способ тампонирования трещин и карстовых полостей.
- Закрепление несвязных грунтов, расположенных над системой трещин, с целью прекращения или ослабления суффозии (рис. 2, а) [5].
В зависимости от характера проявления карста и конструктивных особенностей проектируемого здания и сооружения используют следующие технические мероприятия.
Применение фундаментов специальных видов. Сваи-стойки могут быть применены, когда прочные породы залегают на относительно небольшой глубине, а перекрывающие их закарстованные породы и покровная толща грунтов не представляют препятствий для погружения свай (рис. 2, б). Их применение эффективно, когда в закарстованном массиве, прорезаемом сваями, не будут происходить обрушения больших масс пород, которые способны разрушить сваи, или когда толщу грунтов, подверженных суффозии, на небольшой глубине подстилают не карстующиеся породы. При отсутствии больших сосредоточенных нагрузок и при залегании прочных скальных пород на большой глубине могут использоваться висячие сваи.
В случаи, если свайные кусты или отдельные сваи будут исключатся из системы, из-за попадания из в зону провала, то необходимо использовать ростверк повышенной жёсткости. Он должен быть способным работать с увеличенным пролётом и воспринимать дополнительные нагрузки.
Буровые опоры глубокого заложения целесообразно применять, в условиях больших сосредоточенных нагрузках, и когда скальные породы залегают на большой глубине. Опоры такого типа позволяют передавать нагрузку на не тронутые карстом, прочные породы (рис. 2, б). Большая площадь поперечного сечения глубоких опор позволяет им иметь большую несущую способность. При закреплении закарстованных участков буровые опоры можно использовать в качестве цементационной завесы.
Нарезные балочные фундаменты можно применять при наличии сосредоточенных нагрузок от колонн до 200 т в районах, где диаметр карстовых провалов не превышает 20 м. В этих же условиях иногда могут применяться фундаменты, связанные между собой системой перекрёстных металлических подпруг-вантов (рис.2, г). Они включаются в работу исключительно при удалении из работы отдельного фундамента.
Устройство дополнительных связей в каркасе здания. При наличии небольших сосредоточенных нагрузок на колонны, представляется возможным поставить между ними дополнительные связи. Они превращают каркас в конструкцию из плоских ферм (рис. 2, в). Связи включаются в работу, когда один из фундаментов перестаёт воспринимать нагрузку.
Рисунок 2. Принципиальные схемы некоторых противокарстовых решений:
а – закрепление несвязных грунтов; б – фундаменты из буровых опор глубокого заложения и из свай-стоек; в – дополнительные связи каркаса здания; г – фундаменты с подпругами; 1 – грунты покровной толщи; 2 – карстующиеся породы; 3 – искусственно закреплённый грунт; 4 – буровые скважины; 5 – колонны каркаса; 6 – свай-стойки; 7 – фундаментные стойки; 8 – подпруги-ванты; 9 – якорь; 10 – коренные породы
Применение новых синтетических материалов может обеспечить повышение надёжности конструкции и улучшение условий её работы. Такие специальные опорные части имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными металлическими: возможность линейных перемещений без возникновения реактивных усилий, небольшая строительная высота, простота строительно-монтажных работ и уменьшение динамических влияний на конструкцию.
Для увеличения устойчивости на опрокидывание основных несущих элементов можно опереть их на уровне верхнего пояса. Это повысит надёжность конструкций покрытий зданий и сооружений.
Для снижения стоимости строительства, а также для улучшений условий работы строительных конструкций необходимо уменьшить вес сооружения. Это осуществляется за счёт:
- замена подвесных и мостовых кранов на напольные грузоподъёмные средства;
- увеличение пролёта промышленного здания;
- замена железобетонных конструкций на более лёгкие металлические;
- замена тяжёлых бетонов лёгкими;
- применение пластмасс в составе ограждающих элементов.
Список литературы:
- Шубин А. А. Исследования деформационного состояния гидроизоляционных сооружений в условиях нарастающих нагрузок // Горный инф. аналит. бюлл.– МГГУ– 2004.- №3. – С.230–233.
- Саваренский И. А. Вопросы изучения карстовых явлений в районе г. Дзержинска // Тр. лаборатории гидрогеологических проблем им. Ф. П. Саваренского АН СССР, том XLVII, 1962. Т.157
- Гоц М. А. Заполнение карстовых полостей в основаниях мостовых опор тампонажной смесью // Сб. материалов по проектированию и изысканиям. – М.: Фундаментпроект, 1959.
- Калмыков Е. П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки.– М.: Недра, 1973.–240 с.
- Шубин А. А., Должиков П.Н., Страданченко С.Г. Исследования параметров химического и электрохимического закрепления грунтов. –Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009.– 198 с.
