К расчету осадки грунтового массива над карстовой полостью. Опыт «КазГеоЛаб»

При возведении объектов в районах потенциального развития карстовых процессов возникает необходимость принятия безопасных проектных решений, связанных с защитой от появления неблагоприятных последствий. В соответствии с СП 449.1325800.2021 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от карстово-суффозионных процессов» выделяют следующие типы карстовых деформаций на земной поверхности: провалы, локальные оседания, просадки поверхности и т.д. Развитие карстово-суффозионных процессов во времени при сочетании неблагоприятных факторов и техногенных воздействий могут привести к карстовым деформациям: провалы, оседания. Провалы характеризуются диаметром и глубиной, оседания – диаметром, средней глубиной, кривизной земной поверхности и наклоном краевых участков зоны оседания.

В соответствии с Приложением А СП 449.1325800.2021 основными расчетными схемами деформаций могут быть деформации, показанные на рисунке 1.

Рис. 1. Основные расчетные схемы деформаций основания под влиянием карстово-суффозионных процессов

При этом для большинства сооружений критичным за период эксплуатации является не возможное провалообразование, часто невозможное вследствие медленной растворимости карстующихся пород, а возможное появление дополнительных деформаций, которые необходимо учитывать при проектировании фундаментов и надземных конструкций.

Подобная проблема возникла при освоении территории промышленной площадки в г. Нижнекамск Республики Татарстан.

ООО «КазГеоЛаб» выполнило научно-техническое сопровождение инженерно-геологических изысканий, включающее в том числе общую оценку карстоопасности территории, а также расчет осадки грунтового массива над карстовой полостью.

Город Нижнекамск, на территории которого находился участок изысканий, расположен на левом берегу р. Камы, на участке Камско-Зайского водораздельного плато.

Водораздельные пространства плоские и протяженные. Морфологические элементы рельефа и его грани выражены крайне слабо. Поверхностные проявления карста не наблюдаются. Абсолютные отметки поверхности в пределах района изысканий составляют от 179 до 200 м в Балтийской системе высот, с общим уклоном на запад.

Нижнекамск расположен в лесостепной зоне. В настоящее время значительная часть территории города урбанизирована и освоена под селитебные и промышленные зоны.

Исследуемая территория расположена в пределах Волго-Уральской антеклизы Восточно-Европейской платформы, в пределах Южно-Татарского свода.

В геоморфологическом отношении территория Нижнекамского муниципального района расположена в Камском геоморфологическом районе в пределах Бугульмино-Белебеевской возвышенности Приуральской провинции. Для рельефа возвышенностей характерен ряд общих черт: отчетливая зависимость современного рельефа от тектонического строения, связь экзогенных процессов с литологическим составом пород, единый комплекс речных террас.

В геологическом строении площадки по данным комплекса проведенных буровых работ, полевых и лабораторных испытаний принимают участие современные техногенные отложения, повсеместно перекрывающие элювиальные среднепермские отложения.

Инженерно-геологическое строение участка работ представлено следующим сводным разрезом (сверху вниз):

Инженерно-геологический разрез площадки показан на рисунке 2.

Рис. 2. Инженерно-геологический разрез площадки изысканий

В соответствии с таблицей 6.16 СП 22.13330.2016 категория опасности участка строительства в карстово-суффозионном отношении определена как потенциально опасная с точки зрения отсутствия поверхностных проявлений карстовых деформаций и подземных проявлений карстовых процессов.

По составу растворимых карстующихся грунтов карст на исследуемой площадке относится к карбонатному типу (известняки). По расположению карстующихся пород карст классифицируется как покрытый, когда над карстующимися породами залегают нерастворимые грунты.

В соответствии с п. 5.3.3 СП 499.1325800.2021 ширину карстовой полости В, м, определяют по формуле

где B₀ – начальный размер карстовой полости, пустоты, трещины, м, определяемый по результатам бурения и данным геофизических исследований. При отсутствии этих значений B₀ рекомендуется принимать равным не менее 1,5 м;

V – максимальная среднегодовая скорость роста полости (растворения) карстующихся пород, см/год, определяемая по данным инженерно-геологических изысканий (СП 22.13330.2016, п.6.12.7);

T – расчетный срок эксплуатации здания.

Начальный размер полости определяют на основании прямых измерений размеров вскрытых полостей, а также на основании информации о провалах бурового инструмента при бурении.

Так как в данном случае при выполнении буровых работ каких-либо полостей в грунтовом массиве обнаружено не было, за величину B0 было принято значение 1,5 м.

Тогда при расчетном сроке эксплуатации Т=50 лет и максимальной среднегодовой скорости роста полости (растворения) карстующихся пород V=0,1÷1 см/год размер полости В составит:

Поэтому при численном моделировании карстового процесса максимально возможное значение диаметра было принято равным 2 метрам.

Методика, схемы и порядок геомеханических расчетов, связанных с оценкой карстовой опасности, по существу, не «прописаны» в обязательных нормативных документах.

Приведенные в СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» требования к этим расчетам сводятся к указаниям, что «прогнозируемые параметры карстовых деформаций определяют расчетом с использованием вероятностно-статистических и (или) аналитических методов» и что «основным расчетным параметром при проектировании противокарстовой защиты сооружения является расчетный диаметр карстового провала», для выполнения расчета которого «необходимо привлекать специализированные организации».

Целью выполняемых ООО «КазГеоЛаб» работ являлась оценка деформаций свайных фундаментов при потенциальном развитии карстовых процессов за период эксплуатации проектируемых сооружений.

В качестве расчетного сечения было принято расчетное сечение, показанное на рисунке 3.  Длина свай – 16,0 м, максимальная расчетная нагрузка на одну сваю – 623,9 кН, расстояние до слоя карстующегося известняка 10б – 3,34 м.

Выбор расчетного сечения был основан на наиболее неблагоприятных условиях всей площадки изысканий.

Рис. 3. Модель расчетного сечения

На первом этапе был выполнен расчет деформаций элементов массива с учетом действующих нагрузок. Далее последовательным увеличением полости в оцениваемом слое была выполнена серия расчетов (рис.4).

Рис. 4. Расчет деформаций при последовательном росте полости

На рисунке 5 показан результат расчета с учетом максимально возможного размера полости 2 м. Максимальные деформации перемещения сваи при этом составят 6,5 мм.

Рис. 5. Расчет деформаций с учетом максимально возможного размера полости 2 м

Таким образом, задача расчета деформаций грунтового массива над карстовой полостью может быть эффективно оценена методом конечных элементов. Полученное при этом значение осадки сваи позволяет предусмотреть возможное появление дополнительных деформаций, которые необходимо учитывать при проектировании фундаментов и надземных конструкций.