from 01.01.2019 until now
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) (Obscheinzhenernye discipliny, professor)
from 01.01.1980 to 01.01.2019
Moskva, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The article presents the changes in the shape of karst sinkholes obtained in the course of modeling experiments during the joint operation of a cross-beam foundation bounded by a rigid vertical wall and an inclined base with a karst cavity. The regularities of transformation of the failure prism depending on the base inclination angle have been determined. The influence of the main variable factors was evaluated: the diameter of the karst cavity, the distance from the foundation footing to the center of the cavity, the distance from the center of the cavity to the retaining structure and the base inclination angle. Based on the results of model experiments, the values of the angle of deviation of the sinkhole formation from the vertical were obtained.
karst, cross-beam foundation, inclined base, slope, karst sinkhole
Введение
Мягкий климат и удобное месторасположение Республики Крым всегда привлекал частных инвесторов и государство строить там рекреационно-оздоровительные центры. Начиная с 1970 гг. правительством СССР было принято решение о комплексной застройке южного и юго-восточных частей Крымского полуострова. На сегодняшний день тенденция застройки южной, юго-западной частей Крыма только увеличивается, что приводит к сокращению свободных территорий для строительства. Отсутствие свободного выбора территорий под строительство подталкивает инвесторов, застройщиков использовать территории, которые раннее не рассматривались, в виду негативных экзогенных процессов. Одним из таких негативных явлений на полуострове является развитие карстово-суффозионных процессов. Согласно картосхеме потенциальной карстоопасности, актуальной на 2023 г., площадь развития карстовых явлений достигает почти 75% от общей площади. Что касается уровня потенциальной карстоопасности, то на сегодняшний день уровень возможной карстоопасности оценивается в пределах от высокого до катастрофического [1].
Рельеф южного и юго-восточных частей Крым в большей степени сложен гористой местностью, что является усложняющим фактором при застройке таких территорий в виду существенных объемов земляных работ при устройстве котлованов, и возможности активизации оползневых процессов на этапе разработки грунта. В связи с этим актуальность вопросов, посвященных комплексному освоению и застройке сложных в инженерном отношении участков (склоны более 150, оползни, участки со сложным напластования грунтов и др.) с применением террасных зданий с перекрестно-балочными фундаментами является очевидной.
На сегодняшний день исследователями [2, 3], разработаны конструкции фундаментов, конструкция которых позволяет вести строительство зданий на наклонных участках без подрезки склона, таким образом сокращая объем земляных работ с сохранением целостности природного рельефа местности. Однако до недавнего времени в случае обнаружения вероятности карстопроявлений на этапе проведения изысканий на таких наклонных участках инвесторы отказывались вести застройку.
Для возможности застройки таких территорий требуется проводить исследования, направленные на выявление особенностей взаимодействия конструкций перекрестно-балочных фундаментов и наклонного основания в случае обрушения свода карстовой полости и «всплытия» ее на поверхность. Многие отечественные и зарубежные ученные проводили исследования влияния карстовых полостей в случае выхода на поверхность на изменение основных параметров НДС на горизонтальном основании [4, 7-11]. Однако на сегодняшний день исследований работы фундаментов на наклонном основании с карстовой полости практически не проводилось.
Объекты и методы исследования
Основная задача таких исследований должна быть направлена на изучение трансформации длины Dk провальной воронки на контакте «основание-фундамент».
Экспериментальные модельные исследования проводились в лаборатории кафедры строительных конструкций института «Академия строительства и архитектуры» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского» (г. Симферополь) в специально-сконструированной экспериментальной установке [6] с передней и боковой прозрачной стенками выполненными из триплекса 25 мм, размеры установки составили 120х80х100 см.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки,
в которой проводились исследования
Рис. 2. Общий вид моделей карстовой полости МКП-1(2)
В качестве грунтового основания использовался эквивалентный грунт [5]. Характеристики эквивалентного грунта были смоделированы с максимальным приближением к натурному грунту, характеристики которого были получены по результатам инженерно-геологических изысканий в г. Ялта, пгт Ливадия в 2023 г.
Таблица 1.
Свойства эквивалентного грунта
|
№ |
Наименование грунтов в натурных условиях и модельного грунта |
Плотность г/см3 |
Сцепление с, кПА |
Угол внутреннего трения |
Модуль деформации Е, МПа |
Коэффициент Пуассона m |
|
1 |
Суглинок |
2,18 |
36,0 |
32 |
20 |
- |
|
2 |
Эквивалентный материал |
1,61 |
1,05 |
34 |
0,24 |
0,25 |
Проведение испытаний было реализовано на основании проведенного планирования экспериментов по предварительно составленной матрице дробного факторного эксперимента 24-1. Основными варьируемыми факторами при моделировании совместной работы моделей перекрестно-балочного фундамента Ф-1 выполненного из жесткого металлического штампа и наклонного грунтового основания были приняты: диаметр карстовой полости — D (м), глубина ее расположения относительно подошвы фундамента — H (м), расстояние от удерживающей конструкции фундамента — L (м), угол наклона основания — α°.
Результаты исследований
Схемы образования провальных форм в наклонном основании под конструкцией модели фундамента Ф-1 после обрушения свода карстовой полости и провала в нее массива грунта в опытах №1–№8 показаны на рис. 3 –10:
а) 
б)
Рис. 3. Схемы обрушения грунта (опыт №1):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
б)
Рис. 4. Схемы обрушения грунта (опыт №2):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
Рис. 5. Схемы обрушения грунта (опыт №3):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
б)
Рис. 6. Схемы обрушения грунта (опыт №4):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
б)
Рис. 7. Схемы обрушения грунта (опыт №5):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
б)
Рис. 8. Схемы обрушения грунта (опыт №6):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
б)
Рис. 9. Схемы обрушения грунта (опыт №7):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
а) 
Рис. 10. Схемы обрушения грунта (опыт №7):
а) – разрез 1-1 схемы разрушения; б) – вид сверху
Анализируя схемы обрушения под продольной лентой модели перекрестно-балочного фундамента Ф-1 на рисунках 3-10 и развития трещинообразования в наклонном основании было выявлено, что уже на начальной стадии провала грунта в карстовую полость после обрушения свода наблюдается увеличение его первоначальной длины (L) и высоты (h), одновременно свод начинает разворачиваться и получать приращение по направлению развития склона. Карстовая воронка в наклонном основании имеет форму перевернутого наклонного усеченного конуса.
Обобщенные результаты изменения длины провальной воронки («выключаемой» части основания) под моделью фундамента Ф-1 полученные в ходе проведения модельных экспериментальных исследований сведены в таблицу 2-3.
Таблица 2.
Экспериментальные значения длины провальной воронки под моделью фундамент Ф-1 с углом наклона α=15°
|
Исходный диаметр полости ø, м |
Глубина залегания карстовой полости H, м |
Расстояние до центра полости от удерживающей конструкции L, м |
Длина провальной воронки (конечного диаметра провала) Dk, м |
Угол отклонения образующей воронки от нормали |
|
0,1 |
0,3 |
0,2 |
0,129 |
6 |
|
0,2 |
0,4 |
0,2 |
0,311 |
16 |
|
0,2 |
0,3 |
0,5 |
0,279 |
16 |
|
0,1 |
0,4 |
0,5 |
0,135 |
4 |
Табл. 3.
Экспериментальные значения длины провальной воронки под моделью фундамент Ф-1 с углом наклона α=30°
|
Исходный диаметр полости ø, м |
Глубина залегания карстовой полости H, м |
Расстояние до центра полости от удерживающей конструкции L, м |
Длина провальной воронки (конечного диаметра провала) Dk, м |
Угол отклонения образующей воронки от нормали |
|
0,2 |
0,3 |
0,2 |
0,375 |
21 |
|
0,1 |
0,4 |
0,2 |
0,246 |
14 |
|
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,196 |
12 |
|
0,2 |
0,4 |
0,5 |
0,359 |
12 |
Основании применения математико-статистического анализа полученных значений Dk в таблице 2-3 была построена диаграмма, отражающая степень влияния каждого из четырех варьируемых при проведении модельных исследований фактора.
Рис. 11. Степень влияния факторов ø, H, L, α° на параметр Dk
Анализ полученных результатов позволяет заключить следующее:
- При угле наклона основания α = 15° средний угол наклона образующей воронки от нормали составил
- При угле наклона основания α = 30° средний угол наклона образующей воронки от нормали составил
Выводы
1. По результатам проведенных модельных экспериментальных исследований были построены схемы провальных воронок, определен угол наклона образующей перевернутого наклонного усеченного конуса в зависимости от варьируемых факторов: диаметра полости — (D), глубины до центра карстовой полости от конструкции модели фундамента — (H), расстояния от удерживающей конструкции до центра полости — (L) и угла наклона основания — α°.
2. Эмпирически определено, что длина провальной воронки (конечного диаметра провала) Dk может существенно увеличиваться от исходного диаметра полости от 12,9% до 146%, что значительно снижает площадь контактной поверхности при взаимодействии фундамента с наклонным основанием.
3. На основании применения математико-статистического анализа была построена диаграмма, позволяющая оценить степень влияния каждого из варьируемых факторов при совместном взаимодействии перекрестно-балочного фундамента и наклонного основания при образовании карстово-обвальных процессов.
1. Anikeev A.V. Falls and sinkholes of subsidence in karst areas: mechanisms of formation, prediction and assessment of risk. - M.: RUDN, 2017. - 328 p.
2. Barykin A.B. Experimental-theoretical bases of interaction of cross-beam foundations with sloping base: dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences. - Volgograd, 2018. - 184 p.
3. Barykin, B.Yu. Interaction of cross-belt foundation on the slope with sandy base: thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences. - Dnepropetrovsk, 1990. - 271 p.
4. Gorbunova K.A. Karst gypsum of the USSR. Perm: Izd. of Perm University, 1977.
5. Gotman, N.Z. Estimation of the karst parameters based on the results of numerical calculations of foundations / N.Z. Gotman // Foundations, foundations and soil mechanics. - 2019. - № 5. - P. 2-7.
6. Evtushenko S.I., Zelenin E.V. Modeling studies of interaction of cross-beam foundation and sloping foundation over karst cavity. // Construction and Architecture. 2023. V.11, No.4, p.8.
7. Tsvetkov R.V., Shardakov I.N. Modeling of deformation processes in the system “soil base - foundation - building” in the presence of karst phenomena // Computational Mechanics of Continuous Media. 2010. V. 3, № 3. P. 102-116.
8. Sheinin V.I. Use of subsidence mulda model for predicting the influence of karst cavity on the deformations of the soil mass // Foundations, Foundations and Soil Mechanics. 2017. № 4. P. 13-19.
9. Salvati R., Tharp T.M., Capelli G. Conceptual model for geotechnical evaluation of sinkhole risk in the Latium Region // Geotechnical and Environmental Applications of Karst Geology and Hydrology / B.F. Beck, J.G. Herring (eds). Lisse: Swets & Zeitlinger,2001. P. 163–167.
10. Zhou W., Beck B.F. Management and mitigation of sinkholes on karst lands: an overview of practical applications // Environmental Geology. 2008. Vol. 55. P. 837–851.
11. Waltham T., Bell F., Culshau M. Sinkholes and subsidence. Karst and Cavernous Rocks in Engineering and Construction. Springer Praxis, 2005.
