Full Text

ВведениеЮжный берег Крыма всегда привлекал своим климатом, что мотивировало прави-тельство современной России создавать там рекреационные, оздоровительные центры. На сегодняшний день большая часть удобных площадок, пригодных для строительства на южном берегу Крыма, практически застроена, что подталкивает инвесторов, застройщи-ков использовать территории, которые раннее не рассматривались ввиду неблагоприятных экзогенных процессов. Одним из таких неблагоприятных процессов в Крыму является карст, где площадь его развития составляет почти ¾ от общей площади территории. Юж-ный берег полуострова на основе оценки устойчивости территории по плотности карсто-вых воронок имеет уровень потенциальной карстопасности от весьма высокого до ката-строфического [1, 2].В отечественной и зарубежной литературе и нормативных документах [2–6] карсто-вые деформации могут характеризоваться провалами в виде опусканий земной поверхно-сти с обрушением толщи грунтов, оседаниями, провалами с образованием мульд, оседа-ниями по периметру. Традиционные подходы к оценке карстопасности на горизонталь-ном основании направлены на определение расчетного диаметра провала, которые сво-дятся к применению аналитических моделей А. Бирбаумера [7] или методикам, изложен-ным в работах А.В. Аникеева [8, 9]. Определение расчетного диаметра карстового провала сводится к условию равновесия круглоцилиндрического столба D, в котором действуют две противоположные силы: сдвигающая Q и удерживающая T.При застройке территорий с углом наклона выше 15° возможно применение принци-па отказа от террасирования с устройством перекрестно-балочных фундаментов [10, 11], которые укладываются на плоско спланированную поверхность, что существенно сокра-щает затраты при проведении земляных работ. Анализ работ [11, 12] показал, что приме-нение существующих методик, основанных на классических подходах к определению расчетного диаметра карстового провала, ограничивает их применение в условиях наклонного основания, так как форма сдвигаемого грунта будет иметь более сложную по-верхность, чем цилиндрическая, что приводит к погрешностям в расчетах. Таким образом, исследования, направленные на изучение влияния угла наклона основания, диаметра кар-стового образования, а также его месторасположения на трансформацию расчетного диа-метра карстовой воронки Dk в случае возникновения провала, позволят оценить изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) наклонного основания на этапе проек-тирования и предусмотреть необходимые противокарстовые мероприятия при освоении наклонных участков гористой местности в РФ.Методика модельных исследованийДля возможности оценки влияния угла наклона основания на изменения диаметра карстовой полости Dk в карстующихся грунтах были выполнены модельные исследования. Факторами, от которых зависит характер кривизны и протяженность участков диаграммы деформирования грунта, изменение нормальных контактных напряжений, являются пло-щадь подошвы фундамента, форма, глубина заложения фундамента, карстовой полости, угла наклона основания, а также механические свойства грунта. Поскольку на напряжен-но-деформированное состояние основания под перекрестно-балочным фундаментом од-новременно влияет неограниченно большое число факторов, исходя из условий проведе-ния эксперимента были определены наиболее существенные факторы. На первом этапе исследования в рассмотрение включалось большое количество факторов и проводилась теоретическая оценка весомости каждого из них.Рассматриваемые факторы были разбиты на две группы: статические, связанные с геометрическими параметрами, и геологические.Было выделено четыре наиболее влиятельных фактора (табл. 1, 2).Таблица 1Варьируемые факторы в натуральном масштабеTable 1Variable factors on a natural scaleФактор Область определения Область интересаX1 – диаметр полости, м 2,5–5 2,5–5X2 – расстояние от подошвы фундамента до центра полости, м 6–8 6–8Х3 – расстояние от удерживающей конструкции до центра полости, м 4–10 4–10Х4 – угол наклона основания α, град 15–30 15–30Таблица 2Варьируемые факторы с использованием линейного масштаба (М 1:20)Table 2Variable factors using linear scale (M 1:20) Фактор Область определения Область интересаX1 – диаметр полости, м 0,1–0,2 0,1–0,2X2 – расстояние от подошвы фундамента до центра полости, м 0,3–0,4 0,3–0,4Х3 – расстояние от удерживающей конструкции до центра полости, м 0,2–0,5 0,2–0,5Х4 – угол наклона основания α, град 15–30 15–30Согласно литературным данным [13] искомый план должен быть двухуровневым, ор-тогональным и ротабельным. Этим требованиям удовлетворяет факторный эксперимент типа 24. Ввиду наличия значительного количества факторов и трудоемкости реализации полнофакторного эксперимента, был использован дробный факторный эксперимент с планом дробной реплики типа 24–1 с разрешающей способностью III. Число опытов для дробных реплик – 8 (табл. 3).Таблица 3Матрица планированияTable 3Planning matrixНомер опыта Х0 Х1 Х2 Х3 Х4 Экспериментально Dk, м Аналитически Dk, м1 +1 1 –1 –1 –1 0,129 0,1392 +1 +1 –1 –1 +1 0,375 0,3743 +1 –1 +1 –1 +1 0,246 0,2374 +1 +1 +1 –1 –1 0,311 0,2935 +1 –1 –1 +1 +1 0,196 0,2146 +1 +1 –1 +1 –1 0,279 0,2717 +1 –1 +1 +1 –1 0,135 0,1348 +1 +1 +1 +1 +1 0,359 0,369Перекрестно-балочный фундамент моделировался в виде металлического штампа из прямоугольных труб сечением 40 × 40 мм в виде перекрестных лент (рис. 1, а). Была за-проектирована система из двух пролетов общей длиной 640 мм по направлению склона и один пролет шириной 340 мм в поперечном направлении. Карстовая полость моделирует-ся в виде физического устройства в виде прямоугольной оболочки формы параллелепипе-да длиной L = 750 мм, выполненной из листовой стали толщиной t = 3 мм, разделенного металлическими перегородками на три равные отсека толщиной t = 3 мм оболочки для возможности вариации месторасположения полостей под конструкцией модели фунда-мента (рис. 1, b).Материалом основания при физическом моделировании служил эквивалентный грунт, состоящий из 95 % мелкого кварцевого песка и 5 % гидравлического масла. Перед монтажом модели фундамента в проектное положение на грунтовое основание устанав-ливались тензометрические месдозы диаметром 26 мм толщиной 5 мм распределительной упругой пластиной вниз после чего производилась равномерная их засыпка просеянным песком. Регистрация безразмерных показаний месдоз производилась с помощью прибора ИДЦ-1. С целью минимизации погрешностей и систематических ошибок, месдозы перед проведением исследований были проградуированы в специальной установке под жестким штампом. Параметры осадок модели перекрестно-балочного фундамента измеряли с по-мощью прогибомеров 6ПАО и индикаторов часового типа ИЧ, которые устанавливались на отдельную металлическую раму для исключения погрешности измерений (рис. 2). а bРис. 1. Модель фундамента, карстовой полости: а – модель перекрестно-балочного фундамента, b – модель карстовой полостиFig. 1. a – model of cross-beam foundation, b – model of karst cavity а bРис. 2. Схема установки измерительных приборов: а – схема расположения месдоз, b – схема расположения датчиков прогибаFig. 2. Installation diagram for measuring instruments: a – mesdosis layout, b – layout diagram of deflection gaugesЗагружение модели фундамента производилось штучными грузами ступенями по 15 кг. Выдержка интервала каждого загружения составляла не менее 5 мин. Запись пока-заний с регистрирующей аппаратуры производилась после выдержки.При проведении экспериментальных исследований с помощью вышеописанных из-мерительных приборов фиксировали следующие параметры: нормальные контактные дав-ления, осадки под конструкцией модели перекрестно-балочного Ф-1 до обрушения свода полости и после обрушения.Анализ результатов физического моделированияРезультаты физического моделирования приведены на рис. 3–10. Рис. 3. Результаты эксперимента № 1: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 3. Results of the experiment no. 1: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 4. Результаты эксперимента № 2: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 4. Results of the experiment no. 2: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 5. Результаты эксперимента № 3: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффици-ента постели по длине балкиFig. 5. Results of the experiment no. 3: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 6. Результаты эксперимента № 4: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффици-ента постели по длине балкиFig. 6. Results of the experiment no. 4: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 7. Результаты эксперимента № 5: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 7. Results of the experiment no. 5: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 8. Результаты эксперимента № 6: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 8. Results of the experiment no. 6: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 9. Результаты эксперимента № 7: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 9. Results of the experiment no. 7: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beam Рис. 10. Результаты эксперимента № 8: а – схема эксперимента; b – эпюра контактных давлений по длине балки; c – график осадок по длине балки; d – изменение коэффициента постели по длине балкиFig. 10. Results of the experiment no. 8: a – scheme of the experiment; b – epuray of contact pressures along the length of the beam; c – graph of settlements along the length of the beam; d – variation of bed coefficient along the length of the beamАнализ графиков изменения контактных давлений на рис. 3–10 позволил выявить следующие особенности НДС наклонного основания при наличии карстовой полости:– до обрушения свода полости и выхода карста на поверхность наблюдалась тенден-ция перераспределения нормальных контактных напряжений, описанных в работе [8], разница между контактными нормальными напряжениями в верхней части склона и возле удерживающей конструкции составляла 1,29 раз при угле наклона основания в 15° и 1,6 раз при угле наклона основания в 30°. После обрушения свода полости и выхода карста на поверхность тенденция перераспределения контактных напряжений сохранилась, однако приобрела выраженные скачки ординат по направлению падения склона. Разница между контактными нормальными напряжениями в верхней части склона и возле удерживающей конструкции составляла 1,1–4,1 раза;– осадки до обрушения свода полости и выхода карста на поверхность показывают противоположную тенденцию, в которой осадки в приопорной части модели фундамента затухают и развиваются по направлению роста склона, в большей степени осадки увели-чиваются, приближаясь к месту провала, что объясняется появлением участков разуплот-ненных зон. Увеличение средней осадки после провала под моделями перекрестно-балочного фундамента составило от 1,64 до 3,35 раз. Стоит отметить, что на увеличение средней осадки оказывал наибольшее влияние именно угол наклона основания.Аналитическое решение для определения расчетного диаметра карстовой полости в наклонном основании было получено по результатам статистической обработки данных табл. 3. В результате регрессионного анализа установлена связь между исходным диамет-ром карстовой полости D (м), глубиной залегания карстовой полости H (м), расстоянием до удерживающей конструкции L (м) и углом наклона основания α°. Получена линейная зависимость . С помощью метода наименьших квадратов были опреде-лены коэффициенты и получено основное уравнение регрессии к определению параметра Dk. Максимальное расхождение экспериментальных данных с данными, полученными по формуле, составило не более 8 %, поэтому его можно использовать в предпроектных ра-ботах для расчета предварительного диаметра карстовой полости, которая выходит на по-верхность склона.Выводы1. В соответствии с программой проведенных экспериментальных исследований при использовании математического планирования опытов было произведено 8 серий испыта-ний совместной работы перекрестно-балочного фундамента и наклонного основания при наличии кастово-обвальных процессов с учетом изменения угла наклона основания, диа-метра карстовой полости и ее месторасположения.2. Экспериментально выявлены особенности взаимодействия перекрестно-балочных фундаментов с наклонным основанием, осложненным карстовыми явлениями, с получе-нием основных параметров НДС наклонного основания (осадки, нормальные контактные напряжения, коэффициенты жесткости) после обрушения свода полости и выхода ее на поверхность.3. Экспериментально установлена форма сдвигаемого массива грунта в виде наклон-ного усеченного конуса, что позволит в дальнейшем изменить подход к определению рас-четного диаметра карстового провала под конструкцией фундамента для проведения ин-женерных расчетов при проектировании зданий и сооружений на наклонных основаниях.4. Полученные результаты проведенных экспериментальных исследований позволят уточнить методику определения расчетного диаметра карстового провала под подошвой перекрестно-балочного фундамента в наклонном основании с разработкой расчетной модели определения орди-нат эпюры нормальных контактных напряжений, что обеспечит более точный расчет основных па-раметров НДС основания и конструкций фундаментов на этапе проектирования.

About the authors

S. I. Evtushenko

Perm National Research Polytechnic University

E. V. Zelenin

National Research University Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU)

B. Yu. Barykin

V.I. Vernadsky Crimean Federal University Institute “Academy of building and architecture (structural unit)

A. B. Barykin

V.I. Vernadsky Crimean Federal University Institute “Academy of building and architecture (structural unit)

References

Statistics

Views

Abstract - 5

PDF (Russian) - 4

Refbacks

• There are currently no refbacks.