Основы строительства в районах с распространением карста
Для решения определенных инженерно-строительных задач необходимо располагать не только общими сведениями в отношении наличия карста и общих закономерностей его развития в пределах строительной площадки. Следует также владеть подробными сведениями по микрорайону обо всех его связях с прилегающим регионом, в пределах которого проектируется строительство.
Для расчета и проектирования мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений необходимы сведения о современном состоянии карстового процесса на данной строительной площадке или трассе линейных сооружений с достаточно точным для инженерных целей оконтуриванием всех карстовых пустот, провалов, подземных ходов и тому подобное, а не случайным, выборочным их нахождением при прохождении буровой скважины.
Необходимы такие инженерно-геологические данные по карсту, которые создали бы прочную основу расчета мероприятий по обеспечению надежности и устойчивости сооружений. Это главный вопрос, подлежащий решению при производстве инженерно-гидрогеологических изысканий.
При наличии требуемых данных для проектирования можно уверенно решать вопрос о строительстве сооружений в карстовом районе.
Также можно решить вопрос о степени устойчивости и надежности толщи в кровле обнаруженных карстовых пустот, необходимости и возможности усиления несущей способности этой толщи или разгрузки ее в нужной степени, прекращения карстовых процессов в части толщи кровли пустот, обеспечивающего нормальную эксплуатацию сооружений.
Наиболее интенсивно карст развивается в сульфатных и соленосных породах.
Современные применяемые методы инженерно-геологических обследований карста, сочетающие в себе разведочные выработки и геофизические приемы, во многих случаях дают исчерпывающие ответы на поставленные вопросы.
Наиболее точные данные при изучении карста дают горнопроходческие изыскания, правда, лишь в точках, где они проведены. Разумное сочетание разведочных работ с геофизическими и гидрогеохимическими методами исследований дает наиболее глубокое представление о современном состоянии карста.
Важнейшими задачами инженерно-геологических исследований являются изучение закономерностей развития карста, оценка современного его состояния и возможностей дальнейшего роста. На основе исследований должны быть выявлены участки, на которых процессы карста не вызывают и не будут вызывать существенных затруднений при строительстве или представлять опасность для строительства.
В последнее время выдвигаются предложения осуществлять мероприятия, которые не требуют для обеспечения устойчивости сооружений в карстовых районах определения расположения, форм, размеров и количества карстовых пустот.
Предлагается использовать в районе строительной площадки уплотнение грунтов путем взрывов и устройства набивных грунтовых свай в пределах всей территории возможного распространения пустот или производить обрушение провалов малоустойчивых и неустойчивых кровель сейсмическими волнами.
Карстовый процесс
Карстовый процесс
Необходимость проведения инженерно-геологических условий строительства в районах развития карстовых процессов и явлений очевидна. Своевременное и подробное изучение карстовых процессов и явлений в почвах может на этапе планирования сооружений с большой вероятностью предупредить опасные последствия строительных работ.
Из всех геологических процессов карстовые труднее всего спрогнозировать, они наиболее опасны, а развиваются сотни миллионов лет. Карстовые процессы – одни из наиболее тяжелопрогнозируемых опасных геологических процессов.
Особенность карстовых процессов заключается в том, что они существенно усложняют процесс строительства и эксплуатации зданий и сооружений, а также препятствуют рациональному использованию сельскохозяйственных земель и наносят значительный ущерб населению и хозяйству. В результате влияния карстовых процессов происходят осадка и провалы земной поверхности, деформации сооружений вплоть до их полного разрушения, потеря воды из малых прудов через карстовые полости в бортах и основаниях водохранилищ, прорывы карстовых вод в горные выработки и тоннели, их затопление, загрязнение подземных вод.
Изучение карста при планировании сооружений может в большей степени предупредить все эти опасные последствия.
Карст: условия образования
В Российской Федерации выделяются Волго-Уральская, Предуральская, Западно-Уральская, Центрально-Уральская и Магнитогорская карстовые провинции.
Карстующиеся породы разного литологического состава, залегающие на поверхности и различных глубинах, распространены очень широко и занимают почти 50% территории России.
Вследствие необратимых преобразований рельефа и пород, загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферы и атмосферных осадков, а также деградации растительности существенно изменяются условия и факторы карстообразования. Карст активизируется и проявляется на поверхности в результате сокращения мощности до обнажения карстующихся пород, изменения состава и свойств при увлажнении покровных отложений, нарушения рельефа. Появляются и расширяются очаги повышенной инфильтрации поверхностных, а также под-земных агрессивных вод. Участками ослабления служат карстовые полости, открытые трещины, зоны дробления, погребенные провалы и другие подземные формы карста.
Скорость карстового процесса уменьшается с глубиной и с удалением от базиса эрозии.
Карстующиеся породы – известняки, доломиты, гипс и каменная соль – часто образуют отдельные линзы и прослои среди пород глинистого состава. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты быстрее, чем химически чистая вода.
К растворимым породам относятся каменная соль, гипс, ангидрид, известняк, доломит, отчасти мергель, в которых и наблюдается развитие интенсивных карстовых процессов. Районы, на территории которых имеется распространение гипсового и соляного карста, являются наиболее опасными. Развитие гипсового карста, когда происходит выщелачивание горных пород, которое со временем приводит к образованию на земной поверхности карстовых воронок, оказывает влияние на все компоненты природного ландшафта и хозяйственную деятельность человека.
Процессы растворения и эрозия при линейном расположении воронок могут привести к образованию карстово-эрозионных оврагов.
На выходах растворимых горных пород наблюдаются различных размеров карстовые ниши, которые образуются при процессах физического выветривания и при растворении пород атмосферными осадками, стекающими в большом количестве по обнаженному склону.
С карстовыми процессами связано полное или частичное поглощение поверхностного стока рек. Исчезающие озера и реки имеются в различных районах и климатических зонах. На дне этих озер находятся карстовые воронки и поноры, через которые вода озер периодически поглощается и уводится на глубину.
Карстовые процессы являются подземными и поверхностными, эрозионными и аккумулятивными формами – полости, зоны разуплотнения, открытые и заполненные. По отсутствию или наличию нерастворимых покровных отложений выделяют открытый и покрытый карст.
На территории суши Земли карст открытого типа занимает 9,5%, покрытого типа – 22%.
Форма и содержание
Карст на поверхности и в глубине представляет собой единый взаимосвязанный процесс. С образованием поверхностных карстовых форм, связанных в значительной степени с выщелачиванием и размывом поверхностными водами, в глубине массивов растворимых горных пород наблюдаются различные подземные формы. К подземным карстовым формам относятся закарстованные трещины, трещины, расширенные растворяющей деятельностью подземных вод, карстовые пещеры и каналы. Вода, просачивающаяся сверху и движущаяся по трещинам, в карбонатных породах содержит много растворенного углекислого газа, что увеличивает ее растворяющую способность. Растворяя по пути движения известняки, вода насыщается углекислым кальцием в виде бикарбоната.
В рыхлых нерастворимых породах, покрывающих закарстованные породы, отмечаются подземные и поверхностные формы. Форма, размеры воронок и частота их образования тесно связаны с геологическим строением, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями, а также режимом подземных вод.
В рыхлых мергелистых и гипсоносных песчано-глинистых породах большую роль наряду с выщелачиванием играет механический вынос частиц.
Наличие суффозии в ее активной фазе в определенных условиях приводит к формированию депрессионной воронки в верхнем водоносном горизонте: уровень грунтовых вод принимает V-образную форму. В основании нерастворимых пород создаются подземные полости, которые, постепенно разрастаясь, приводят к нарушению устойчивости свода и его обрушению. Активизация карстово-суффозионных процессов возможна также за счет химического состава подземных вод и их температуры.
В результате карстовых процессов на поверхности образуется воронка с обрывистыми вертикальными стенками, имеющими обратный уклон – провал. Провальные воронки и воронки обрушения бывают цилиндрическими, коническими, чашевидными и сложного строения. Две последние формы характерны для воронок смешанного генезиса. Карстово-суффозионные провальные воронки и шахты достаточно широко развиты в карстовых районах покрытого карста. Их формирование связано с суффозией материала из основания покрывающей толщи в нижерасположенные подземные карстовые полости в растворимых горных породах. Появление воронок любого генетического типа сопровождается прогибом земной поверхности.
Большое влияние на величину провальной опасности оказывает естественный режим поверхностных и подземных вод. Значительную опасность для зданий и сооружений представляют деформации земной поверхности, характерные для территорий с развитием сульфатного карста. Карстовые процессы оказывают влияние на все физико-географические условия местности. Они резко изменяют рельеф, характер и режим подземных и наземных вод.
Возникновение провалов может создавать аварийные ситуации, приводящие к гибели людей и разрушениям зданий и сооружений со значительными ущербами экономического, социального и экологического характера.
Оценка опасности
Оценка карстовой опасности должна выполняться с учетом базы данных, полученных на основе специального карстологического мониторинга. Предусматривается исследование напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи в окрестности участка ослабления массива и влияния перераспределения напряжений на процесс образования воронок.
Выявление и изучение карстовых процессов и явлений возможно методами сейсморазведки. Также проводят исследование процесса, нарушающего устойчивость связных грунтов над карстовой полостью, и механизмов появления гидрогеологических окон в водоупорах. Также необходимо проводить определение закономерностей деформирования воздушно-сухих, влажных и водонасыщенных несвязных грунтов при их поступлении в трещинно-карстовые коллекторы с учетом кинематики процесса и разработку моделей, позволяющих оценить размеры карстово-суффозионных воронок и возможность их появления в песчаной толще.
При инженерных изысканиях следует выполнять:
При строительстве на закарстованных территориях требуется учитывать различные типы и подтипы карстовой опасности.
Необходимо и установить, какие генетические типы карстовых провалов и по каким причинам могут появиться на исследуемой карстоопасной территории.
Необходимо провести ее районирование, позволяющее выделить однотипные участки, в пределах которых – под действием определенных факторов – может реализоваться карстовое провалообразование определенного механизма.
При выборе площадки для строительства проектные организации должны учитывать карстовую опасность территории, а также проблемы негативных последствий подтопления больших по площади закарстованных территорий.
При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений необходимо предусматривать меры по инженерной защите территорий и снижению опасности, ущербов и риска от экзогенных геологических процессов путем применения вышеописанных методов. Для инженерной защиты зданий и сооружений от карста необходимо применять противокарстовые мероприятия или их сочетания: планировочные, водозащитные, противофильтрационные, укрепление оснований, конструктивные, технологические и эксплуатационные.
Таким образом, инженерно-геологические условия в районах распространения карстовых процессов в целом характеризуются как неблагоприятные для всех видов строительства. Однако в настоящее время применяются различные виды исследований, проводится разработка нормативных документов и оценка степени опасности закарстованных территорий и степени их устойчивости, прогнозы местоположения, частоты, размеров провалов. В связи с этим и только при условии неукоснительного соблюдения всех установленных требований и правил, а также с применением конструктивных мер противокарстовой защиты имеется возможность производить строительство на недостаточно устойчивых территориях.
12.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТОВ НА ЗАКАРСТОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
К карстовым районам относятся территории, в геологическом разрезе которых присутствуют растворимые горные породы и возможны поверхностные и подземные проявления карста. Основные типы карста, выделяемые по литологическому признаку, следующие:
Основные типы карстовых деформаций земной поверхности:
ТАБЛИЦА 12.10. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТИВОКАРСТОВЫХ МЕРОПРИЯТИИ
| Тип мероприятия | Группа мероприятия | Подгруппа мероприятия | Вид мероприятия | Период применения |
| Влияние на естественный ход карстового процесса | Уменьшение интенсивности растворения | Воздействие на карстующиеся породы | Противофильтрационные завесы, горизонтальные и вертикальные | А, В |
| Воздействие на покрывающую толщу пород | Организация стока поверхностных вод | А, В | ||
| Гидроизоляционное покрытие территории (участка) | Б, В | |||
| Воздействие на механизм карстовых деформаций | Воздействие на карстующиеся породы | Уплотнение зоны карстового проявления с заполнением воронки обрушения | А, В | |
| Заполнение полостей тампонажными растворами | А, В | |||
| Закрепление трещиноватых и разрушенных зон тампонажными растворами | А, В | |||
| Воздействие на покрывающую толщу пород | Инжектирование воды с целью искусственной активизации карстования | А | ||
| Применение армированного грунта | А | |||
| Закрепление основания корневидными буронабивными сваями | Б, В | |||
| Закрепление грунта, заполняющего погребенные карстовые формы в покрывающей толще пород | А, В | |||
| Вертикальная планировка участка, обеспечивающая отвод поверхностных вод от сооружения | А, Б, В | |||
| Защита зданий и сооружений без воздействия на естественный ход карстового процесса | Планировочное решение на территории | Рациональное размещение объектов строительства | Расположение объектов за пределами участков обрушения полостей и поверхностных карстовых форм | Б |
| Расположение объектов на менее опасных участках | Б | |||
| Ориентация сооружений в зависимости от параметров карстовых форм | Б | |||
| Регулирование плотности застройки | Б | |||
| Выбор рациональной формы здания | Рациональная компоновка объектов в плане | Б | ||
| Изменение высоты (этажности) сооружения | Б, В | |||
| Конструктивные мероприятия | Учет статических схем несущих конструкций сооружения | Выбор рациональной конструктивной схемы сооружения | Б | |
| Изменение статической схемы сооружения | В | |||
| Сокращение числа температурных и деформационных швов (при карстовых провалах, воронках) до минимума | Б, В | |||
| Разрезка на укороченные отсеки (при мульде оседания) | Б, В | |||
| Использование жесткой конструктивной схемы сооружения (усиление) | Введение дополнительных связей в каркасные конструкции | Б, В | ||
| Горизонтальное армирование (пояса, тяжи) | Б, В | |||
| Усиление несущих элементов конструкций армированными обоймами, рубашками | Б, В | |||
| Использование податливой конструктивной схемы сооружения | Устройство дополнительных шарнирных связей в каркасных конструкциях | Б, В | ||
| Устройство податливых соединений крупнопанельных, крупноразмерных элементов сооружения | Б | |||
| Защита зданий и сооружений без воздействия на естественный ход карстового процесса | Конструктивные мероприятия | Конструктивное решение фундаментов | Монолитное или сборно-монолитноерешение железобетонных фундаментов (ленты, перекрестный ленты, коробчатые фундаменты, плиты ) | Б |
| Увеличение площади опирания фундамента с целью уменьшения контактного давления на основание | Б, В | |||
| Развитие фундаментов за пределы периметра сооружения (консольные, П-образные выступы) | Б | |||
| Устройство фундамента, ограничивающее возможность превращения провала в воронку | Б | |||
| Устройство горизонтальный связей в фундаментах | Б | |||
| Устройство фундаментов с подпругами | Б, В | |||
| Поддомкрачивание с целью выправления сооружения | Б, В | |||
| Устройство кустов висячих свай с резервным их числом: выполнение ростверка, обеспечивающего выпадение свай при провале | Б | |||
| Прорезка карстующихся пород сваями-стойками | Б | |||
| Прорезка толщи карстующихся пород глубокими опорами | Б | |||
| Контроль за процессом развития карста | Выполнение в массиве пород | Использование глубинных грунтовых марок в покровной толще пород | А, Б, В | |
| Организация сети наблюдательных гидрогеологических скважин (за уровнем, скоростью и направлением движения подземных вод; за химическим составом подземных вод) | А, Б, В | |||
| Выполнение на дневной поверхности | Инструментальный контроль за оседаниями земной поверхности | А, Б, В | ||
| Наблюдение за деформациями конструктивных элементов сооружений | Б, В | |||
| Визуальное наблюдение за состоянием несущих и ненесущих конструкций | Б, В | |||
| Использование маяков, устанавливаемых на трещинах в конструкциях | В | |||
| Уменьшение влияния хозяйственной деятельности на развитие карстового процесса | Снижение интенсивности растворения карстующихся пород | Уменьшение водообмена | Устройство закрытой дождевой и промышленной канализации | Б, В |
| Предотвращение утечек агрессивных производственных стоков | Б, В | |||
| Ограничение откачек трещиннокарстовых вод | В | |||
| Снижение агрессивности подземных вод | Исключение сброса химически агрессивных по отношению к карстующимся породам производственных и бытовых сточных вод | В | ||
| Воздействие на механизм карстового процесса | Ограничение изменений напоров и уровней подземных вод | Ограничение и регулирование добычи полезных ископаемых подземным растворением пород | В | |
| Регулирование откачек подземных вод | Б, В | |||
| Ограничение динамического воздействия | Ограничение источников вибрации | Б, В | ||
| Ограничение взрывных работ | Б, В |
Условные обозначения: А — мероприятия, применяемые до начала строительства объектов; Б — то же, в период строительства объектов на площадке: В — то же, в период эксплуатации объектов как в качестве профилактических (контроль, наблюдения) мер, так и в качестве мер по усилению и восстановлению конструкций.
Кроме провалов и оседаний земной поверхности в карстовых районах необходимо учитывать поверхностные и погребенные карстовые формы (воронки, впадины и т.д.) древнего происхождения, нередко заполненные отложениями с пониженной несущей способностью (торф, слабые грунты и т.п.).
В зависимости от залегания карстующихся пород выделяют:
При проектировании сооружений в карстовых районах необходимо выполнять следующие требования: предотвращать или сводить до минимума возможность катастрофических разрушений и обеспечивать достаточную безопасность для жизни людей; снижать до минимума стоимость строительства и эксплуатации с учетом возможного ущерба от карстовых явлений и расходов на специальные изыскания, противокарстовые мероприятия и ремонтно-восстановительные работы.
Требования, предъявляемые к строительству в закарстованных районах, могут быть обеспечены следующим: влиянием на естественный ход карстования путем снижения интенсивности растворения карстующихся пород или воздействия на механизм карстовых деформаций; уменьшением вредного влияния хозяйственной деятельности на ход развития карстования; защитой строительных объектов планировочным решением на территории, конструктивными мероприятиями, контролем за процессом развития карстования и за деформациями поверхности участка и возведенных сооружений. Классификация противокарстовых мероприятий приведена в табл. 12.10.
В качестве исходных данных для проектирования сооружений на закарстованной территории принимаются:
ТАБЛИЦА 12.11. РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ХАРАКТЕР ЗАСТРОЙКИ
| Категория устойчивости территории | Среднегодовое количество карстовых проявлений на 1 км 2 поверхности территории | Характер строительства | |
| жилищно-гражданского | промышленного | ||
| I — очень неустойчивая | 1,0 и более | Капитальное строительство не рекомендуется | Строительство не рекомендуется |
| II — неустойчивая | От 0,10 до 1,0 | То же | Допускается строительство неответственных зданий и сооружений с применением противокарстовых мероприятий. Строительство ответственных и особо ответственных сооружений не рекомендуется |
| III — недостаточно устойчивая | От 0,05 до 0,10 | Строительство допускается в исключительных случаях с применением противокарстовых мероприятий при наличии специального обоснования | Допускается строительство ответственных сооружений с применением противокарстовых мероприятий при наличии специального обоснования и неответственных сооружений с применением противокарстовых мероприятий |
| IV — несколько понижено устойчивая | От 0,10 до 0,05 | Допускается строительство с применением противокарстовых мероприятий | Допускается строительство особо ответственных сооружений с применением противокарстовых мероприятий при наличии специального обоснования, ответственных сооружений с применением противокарстовых мероприятий и неответственных сооружений с ограниченным применением противокарстовых мероприятий |
| V — относительно устойчивая | Менее 0,05 | Допускается любое строительство с применением минимального комплекса противокарстовых мероприятий | Допускается строительство особо ответственных сооружений с применением противокарстовых мероприятий, а также ответственных и неответственных сооружений без применения противокарстовых мероприятий |
Данные районирования по территории карстоопасности, типы и размеры поверхностных карстовых форм, свойства грунтов основании, а также карстующихся и покровных пород определяются на основании инженерно-геологических изысканий анализа наблюдений за карстопроявлениями в аналогичных инженерно-геологических условиях.
В качестве примеров на рис. 12.18 и 12.19 приведены конструкции фундаментов на закарстованных территориях.