МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 624.15: 631.6

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА СВАЙНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

 

Т.В. Некрасова – к.т.н., доцент;  Ю.В. Дараев – аспирант

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Плитные фундаменты, обладающие большой распределительной способностью, являются  во многих случаях наиболее оптимальным вариантом фундаментов в карстоопасном основании.

Основные принципы проектирования плитных фундаментов без свай в карстоопасных грунтах (требования к изысканиям, выполняемым расчетам и конструированию) излагаются в рекомендациях [1], там указывается, что конструктивную защиту сооружений против карстопроявлений следует преимущественно сосредоточивать в фундаментной части, производя соответствующие расчеты фундаментной плиты.  Поэтому особое внимание уделено методам расчета плиты и особенностям определения коэффициента  жесткости основания плиты при условии образования карстовой воронки с расчетным диаметром.

При этом рекомендуется расчет плиты выполнять с учетом жесткости сооружения, что является отдельной задачей, теоретически решаемой с применением современных программных комплексов, но практически достаточно неопределенной в связи с неточностью определения исходных данных и об основании, и о сооружении. Если расчет усилий в сечениях плиты выполняется на основании детерминированных моделей основания, то величина карстовой воронки определяется вероятностно-статистическим методом [2], что является инженерно-геологическим аспектом проблемы. Таким образом, очевидно, что некоторые рекомендации по расчету плитных фундаментов в карстоопасных грунтах, в  основу которых положены приближенные исходные данные об основании и сооружении, достаточно «условны», что вызывает сомнение в получаемых результатах. 

Задача по расчету плитных фундаментов при образовании карстового провала становится еще более неопределенной при проектировании свайно-плитных фундаментов [2], так как механизм деформаций покрывающих пород, зависящий от многих природных и техногенных условий, пока еще недостаточно изучен. Имеющиеся в литературе сведения [2] позволяют представить качественную картину работы свай  в грунтовом массиве над карстовой полостью, разделяя процесс на две фазы.

В первой фазе благодаря внутреннему вывалу карстующихся пород возникает плавное сдвижение (прогиб) покрывающих пород. Этот процесс сдвижения покровных пород без разрыва их сплошности над зоной вывала отчетливо фиксируется в натурных условиях и в лабораторных – на физических моделях. На краях мульды проседания, вызванных прогибом толщи грунтов возникают растягивающие напряжения. Оседание покрывающих пород вызывает на боковой поверхности свай эффект «отрицательного трения» [3], который приводит к возникновению в сваях растягивающих усилий, при их закреплении в плите. Поэтому обычно сваи не заделываются в плите  и при сдвижении грунта происходит вертикальное перемещение сваи и перераспределение нагрузок в плите.

Во второй фазе образуется провал покрывающих пород с протеканием  деформаций сдвига. Опыт моделирования процессов провала  грунтового массива со сваями, а также результаты наблюдений при аварийных случаях показывают, что при провале сваи практически не теряют контакта по боковой поверхности с массивом провального блока [3].

В подавляющем большинстве случаев  обрушение покрывающих пород происходит над растущей карстовой полостью или над расширяющейся зоной фильтрационного разрушения с увеличением ослабленного пространства и выходом его на уровень острия свай. 

Поэтому при решении задачи по расчету плитных фундаментов при образовании карстового провала целесообразно применение упрощенных расчетных моделей в комплексе с более точными численными методами, например МКЭ.

Особенности расчета свайно-плитных фундаментов связаны, прежде всего, с поведением свай в зоне вокруг карстового провала и перераспределением нагрузок на сваи при провале [4]. Причем по аналогии с расчетом свайно-плитных фундаментов в обычных грунтах параметры свайного поля  определяются из условия, что нагрузка N, передаваемая на сваю, не превышает расчетной допускаемой нагрузки на сваю P, а усилия в сечениях плиты рассчитываются как для конструкции на упругом основании, моделируемом переменным коэффициентом постели.

Совершенно очевидно, что особенности карстопроявлений отражаются, прежде всего, на определении нагрузки N, расчетной допускаемой нагрузки на сваю Р и податливости основания, характеризуемой переменным коэффициентом жесткости свай у границы карстового провала  Кs.

Опираясь на результаты исследований [4] с некоторым допущением, можно предположить, что в карстоопасных грунтах независимо от шага свай в поле вся нагрузка воспринимается сваями. При карстовом провале часть нагрузки над провалом перераспределяется на сваи, расположенные под плитой вокруг провала на определенном расстоянии от границы провала.  Поэтому нагрузка N на сваю увеличивается по сравнению с нагрузкой, передаваемой на сваю в условиях нормальной эксплуатации сооружения N1, и определится следующим образом

N=kN1,

где k – коэффициент жесткости основания на краю карстового провала, который вычисляется как величина, обратная осадкам линейно деформируемого слоя с шаровым вырезом   у  поверхности, нагруженного  единичной  нагрузкой, равномерно распределенной по площади фундаментной плиты либо по пятну сооружения.

Исследования в области изучения механизма карстовых оседаний [5] показывают, что «на краях оседаний, вызванных  прогибом толщи покровных грунтов, возникают растягивающие напряжения, ведущие к образованию разуплотненных зон».  В практических расчетах зоны, возникающие вокруг карстовых провалов, получили название «ослабленных» и разные авторы  по-разному подходят к определению ее размеров и количественных характеристик.  Как правило, зона вокруг карстового провала моделируется переменным коэффициентом жесткости.  Размер «ослабленной зоны» и функция изменения коэффициента жесткости свай зависят от множества факторов и могут определяться весьма приближенно.  Поэтому для практических расчетов представляет интерес не сам метод определения параметров «ослабленной зоны», а степень влияния этих параметров на результаты расчета плиты и соответственно на выбор метода оценки податливости основания при проектировании свайно-плитных фундаментов в карстоопасных грунтах.

Результаты  исследований российских и зарубежных ученых [6], посвященные вопросам расчета сооружений на неравномерно деформируемом основании, подтверждают необходимость учета жесткости сооружений в расчетах фундаментов.  Основания при образовании карстового провала относятся к неравномерно деформируемым основаниям, поэтому исследование особенностей расчетов фундаментов не может выполняться безотносительно типа сооружения и, соответственно, его жесткости.

С целью разработки рекомендаций по учету особенностей расчета свайно-плитных фундаментов при условии образования карстового провала целесообразно проводить исследования, решая следующие задачи:

с помощью упрощенной расчетной модели (балочной) в сочетании с методом итераций учитывать жесткость стен сооружения в расчете плитного фундамента;

с учетом жесткости сооружения («упрощенным балочным» методом и путем  моделирования здания набором конечных элементов) рассматривать степень влияния величины коэффициента жесткости свай и параметров «ослабленной зоны» на результат расчета плиты при образовании карстового провала;

определение нагрузки  N=kN1, передаваемой на сваю с учетом образования карстового провала расчетным диаметром D, и разработка методики определения коэффициента к в зависимости от типа здания.

Краткий обзор литературных источников по проблеме проявления карстовых процессов, инженерно-геологических изысканий на карст, проектирования противокарстовых фундаментов показывает, что механизм взаимодействия сооружений различных конструктивных схем с основанием при различных формах карстовых проявлений является сложным и еще недостаточно изученным. Самым эффективным методом изучения этого механизма может служить его изучение в натурных условиях.

Сложность и многофакторность карстово-суффозионных процессов вызывает большое многообразие методов наблюдения. Выбор метода наблюдения основывается на материалах инженерно-геологических изысканий с учетом характерных параметров конструкции здания и условий его эксплуатации.  Для особо ответственных сооружений рекомендуется применять комплексную систему, сочетающую в себе несколько методов для  принятия наиболее обоснованного решения.  Попытка разработать классификацию методов наблюдения для условий строительства на закарстованных территориях сделана в работе [7]. С некоторыми добавлениями и ссылками на литературные источники [3] эта классификация приведена в таблице.

Классификация методов

 

 Стадия карстового процесса

Метод

Краткая характеристика

метода

На этапе выноса

растворимых пород

Гидрогеологический

Измерение уровня, скорости и направления движения грунтовых вод

Гидрогеохимический

Определение химического состава грунтовых вод

 

 

 

 

На стадии развития карстовой полости

Изменение напряженно-дефо-рмированного состояния покровной толщи

Регистрация показаний глубинных марок, датчиков деформаций и давления и т.п.

Изменение физико-механи-ческих свойств грунтов, прямое обнаружение полостей

Зондирование, прессиометрия, испытание крыльчаткой, бурение скважин

Геофизический

Электроразведка, магниторазведка, сейсморазведка, гравиметрия, радиоволновое просвечивание, эманационные методы

На стадии выхода карстовой полости на поверхность и образования провала

Регистрация деформаций земной поверхности

Анализ аэрофотоснимков, геометрическое и гидростатическое нивелирование и др.

Регистрация деформаций несущих элементов зданий и сооружений

Наблюдения за маяками, высокоточное нивелирование, измерение угловых деформаций

 

В связи с этим основной целью при натурных исследованиях ставится оценка системы контроля за свайно-плитным фундаментом при карстовых проявлениях с использованием тензосвай и разработка рекомендаций по ее функционированию. При этом должны рассматриваться следующие вопросы:

оценка методов предпроектного обследования площадки;

численное исследование НДС грунтового массива со сваями под плитным фундаментом при карстовых проявлениях;

разработка рекомендаций по размещению контрольно-измерительных свай по площади плитного фундамента;

проведение практических наблюдений за работой контрольной системы плитного фундамента при сооружении здания.

 

Библиографический список

 

1.      Рекомендации к проектированию фундаментов на закарстованных территориях. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова (рекомендации), 1985.

2.      Гарагаш Б.А. Надежность пространственных регулируемых систем «сооружение-основание» при неравномерных деформациях основания. 2004.

3.      Жилин А.Н. Эксперементальное исследование системы контроля за свайным основанием плитного фундамента при карстовых проявлениях. 2000.

4.      Готман Н.З. Расчет свайно-плитных фундаментов из забивных свай с учетом образования карстового провала. 2003.

5.      Толмачев и др. Исследования в области изучения механизма карстовых оседаний. 1986.

1.         Расчеты сооружений на неравномерно деформируемом основании. Клепиков, 1966, 1967, 1971; Косицын, 1963; Лишак, 1969, 1977; Метелюк, 1975; Гарагаш, 2001; Пшеничкин, 1972, 1973; Малышев и др., 1977; Михеев, 1953; Польшин и др., 1957; Burland  и др., 1977.

2.      Незамутдинов Ш.Р. Методы геомониторинга при строительстве на закарстованных территориях. 2001.