Полный текст

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.

Об авторах

C. И. Евтушенко

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Е. В. Зеленин

Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского Институт «Академия строительства и архитектуры» (структурное подразделение)

Б. Ю. Барыкин

Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского Институт «Академия строительства и архитектуры» (структурное подразделение)

А. Б. Барыкин

Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского Институт «Академия строительства и архитектуры» (структурное подразделение)

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 5

PDF (Russian) - 4

Ссылки

• Ссылки не определены.