3.6. Аварии, связанные с потерей устойчивости
и неравномерными деформациями основания

В [6] описаны примеры безаварийного строительства крупнейших высотных зданий современности в сложных инженерно-геологических условиях.

Приведем отдельные аварии зданий и сооружений, связанные с ошибками при изысканиях и проектировании (см. 2.1.).

Примером неравномерностей осадки является Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге [62]. Фундамент был устроен в виде массивной каменной плиты толщиной 7,1 м на свайном основании из 10762 свай диаметром 28 ... 30 см. Расстояние между осями свай 70 ... 75 см. Забивались сваи в слабый суглинистый фунт на глубину 6,4 м. Ниже свай ставился неуплотненным 6 ... 8 м, слой слабой ленточной глины, осадка и вытеснение которой в стороны продолжается до настоящего времени. Центральная часть фундаментной плиты осела больше, чем ее края. Плита искривилась и потрескалась. Купол собора отклонился с востока на запад на 15 см. Значительное повреждение получило и здание собора (рис. 3.6).

90

Рис. 3.6, Деформация Исаакиевского собора:
Рис. 3.6, Деформация Исаакиевского собора:
1 - тощий суглинок; 2 - жирный суглинок; 3 - слоистый жирный суглинок; 4 -
ленточная глина; 5 - светлая глина; 6 - валунный суглинок

В 1912 году в Трансконе (Канада) сооружен элеватор из 85 железобетонных круглых силосов диаметром 4,37 м, высотой 27,4 м. Бункера опирались на плиту, заложенную на глубине 3.66 м от поверхности [6].

91

18 октября 1913 года, когда все силосы быстро загрузили зерном, элеватор в течение суток получил катастрофическую осадку, сопровождающуюся значительным креном и односторонним выпором фунта. Сооружение незначительно деформировалось и оставалось стоять под углом 63° к горизонту (рис. 3.7). Затем все бункера опорожнили, а элеватор установили в вертикальное положение с помощью домкратов, установленных на сваи, забитые до коренных пород.

Изыскания до начала строительства ограничились лишь штамповыми испытаниями в при поверхностном слое грунта. Нагрузка на основание равнялась 250 кН/м2. Грунт определен как достаточно прочный, но это была корка, образовавшаяся после отступления ледника. В 1951 году проведены тщательные изыскания. Сопротивление сжатию глин уменьшалось в направлении от верхней нарушенной корки к нижней нормально уплотненной и составляло 160 ... 55 кН/м2. Средняя величина предельной несущей способности 10,7 м толщи глин равнялась 2,57 т/кв.фут. Для более глубоких слоев она не превышала 1,8 т/кв.фут (193 кН/м2). Давление от широкого фундамента распространялось на глубоко залегающие слабые слои глин, в то время как напряжения под штампами были сосредоточены в пределах верхней подсушенной корки.

Приведем сведения о перемещениях башни, построенной в г. Пизе (Италия) на отметке около 2,5 м над уровнем моря. К строительству приступили в 1173 году и вели до 1350 года в три этапа (рис. 3.8). Когда высота кладки достигла 11 м, отметили осадку и крен башни в сторону реки Арго. Когда в 1350 году высота башни достигла 44 м, средняя величина осадки превысила 1,5 м. Отклонение центра верхнего сечения башни в сторону от вертикали достигло 4,8 м. После стабилизации осадки башня была надстроена на 10 м. После этого деформации грунтов продолжали развиваться. В настоящее время отклонение от вертикали на высоте 55 м и составляет более 6 м.

В 1932 году в основание башни через 351 скважину диаметром 50 мм произведено нагнетание около 1000 т цементного раствора [6]. За полвека наклон башни увеличился на 0,15 %. Это примерно 165 мм за столетие. Проведенные за последнее время измерения показали, что скорость крена приближается к 12,5 с/год.

Фундамент башни-кольцевой из каменной кладки диаметром 20 м, заглубленный менее, чем на 2 м. Основание сложено мягкими аллювиальными отложениями. Давление на грунт составляет 420 кН/м2, Эксцентриситет нагрузки влияет как на сжимаемость, так и на скорость рассеивания избыточного давления. По измерениям 1962 года осадка южного края фундамента составляла 2,8 м, а северного - 1,2 м при давлениях 9 и 1 кг/см2 соответственно.

Зафиксировано около сорока "падающих" башен. В нашей стране такие башни имеются в Москве, Казани, Соликамске, Невьянске и в других местах.

92

В Армении имеется качающаяся часовня. Скала, на которой она построена, откололась от массива во время землетрясения. При сильных порывах ветра башня заметно покачивается.

Кирпичная башня высотой 97 м, построенная в IV веке в Венеции на площади Святого Марка, обрушилась спустя 500 лет. После ее восстановления она вновь рухнула через несколько столетий. Построенная в третий раз на том же месте башня существует 70 лет.

Хуцюская башня в Китае построена свыше тысячи лет назад. Она имеет восьмиугольную форму в плане и семиярусную по высоте (47,5 м). При отклонении от вертикали на 2,3 м башня продолжает отклоняться со скоростью 1,6 мм/год. После укрепления опор в нижнем ярусе крен башни был приостановлен.

9 октября 1963 года произошла одна из самых ужасных катастроф в гидротехническом строительстве [6]. Вечером 9 октября 1963 года оползень объемом 240 млн. м3 обрушился в водохранилище Вайонт (Италия). Страшный воздушный удар, сопровождаемый подсосом воды и грунта способствовал образованию волны высотой 270 м. Волна высотой 100 м перелетела через гребень плотины и захлестнула г. Лонгарон. Высота волны здесь достигала 70 м. Огромная масса воды пронеслась вниз по долине реки Вайонт, сметая все на своем пути. Погибло около 3000 человек. Тонкая арочная плотина высотой 265,5 м уцелела.

Отметим причины катастрофы. Район водохранилища представляет собой V - образную ледниковую долину с врезанным в нее узким послеледниковым ущельем. Район сложен мощной толщей осадочных пород, представленных известняками с многочисленными прослоями глинистых сланцев и мергелей. Северное крыло долины пересечено разломом. Коренные склоны покрыты делювием, продуктами размыва и древними оползневыми накоплениями.

Плотина сдана в эксплуатацию в 1960 году. В этом же году на левом берегу вблизи плотины образовался оползень объемом около 1 млн. м3. Трещины распространялись от оползня вверх. В 1960-61 построен 2-х километровый тоннель катастрофического сброса. Максимальный уровень воды в водохранилище ограничили отметкой 680 м, т.е. на 40 м ниже гребня плотины. Установлена сеть геодезических реперов для наблюдения за оползневым районом, но скважины не пересекли главной поверхности скольжения. Однако гравитационный крип наблюдали в период с 1961 года по 1963 год. Летом 1963 года скорость смещения массива составила 1 см в неделю. В середине сентября на некоторых реперах скорость составила 1 см в день. С 28 сентября по 9 октября шли обильные дожди. Уровень воды в водохранилище поднялся на 10 м. К 8 октября стало ясно, что движется вся геодезическая сеть вместе с массивом.

93

Рис. 3.7. Элеватор в Тринсконе:1 - пылевая глина; 2 - глина с гравием; 3 – известняка
Рис. 3.7. Элеватор в Тринсконе:
1 - пылевая глина; 2 - глина с гравием; 3 – известняка
Рис. 3.8. Падающая башня в Пизе:1 - серые глинистые алевриты; 2 - глинистые пески; 3 - голубые глины; 4 – пески
Рис. 3.8. Падающая башня в Пизе:
1 - серые глинистые алевриты; 2 - глинистые пески; 3 - голубые глины; 4 – пески

94

Начали сбрасывать воду через тоннели, но ливень снижал эффективность этого мероприятия. 9 октября движение массива ускорилось. Поздно вечером произошла катастрофа. Вызвана она комбинацией неблагоприятных геологических условий и изменениями в окружающей среде: повышением уровня водохранилища и интенсивным подъемом уровня грунтовых вод в результате интенсивных дождей.

В [14х] описан случай разрушения подвальной части дома, смонтированной в зимнее время из блоков толщиной 40 см. Пазухи засыпались мерзлым грунтом без уплотнения. Перекрытие под подвалом не было смонтировано. Давление насыщенного водой талого грунта разрушило стену подвала. Автор также неоднократно осматривал обрушившиеся стены от давления грунта и нагрузки на поверхности.

В апреле 1965 года произошла авария на складе влажного концентрата горнообогатительного комбината. Несущими конструкциями являлись стальные трехшарнирные арки пролетом 42 м и высотой 17,34 м. Длина здания 348 м. Фундаменты - отдельные монолитные железобетонные с размерами подошвы 4,1 х 6,5 м и глубиной заложения 6,2 м. Основанием фундаментов являлись глины с расчетным сопротивлением 0,3 МПа. На глубине 2 м расчетное сопротивление составляло 0,1 ... 0,2 МПа. Уровень грунтовых вод находился на глубине 1,5 м от поверхности.

Разрушение началось с разрыва металлической связи между арками. Далее началось горизонтальное смещение фундаментов наружу. Максимальное смещение равнялось 4660 мм. Перед фундаментами образовался вал высотой 2,35 м на участке длиной 6 м.

Среднее давление от штабеля влажного концентрата составляло 0,26 МПа, а максимальное - 0,58 МПа. Устройство сплошных траншей под фундаменты опор, перерезавших слои естественного сложения без достаточного уплотнения при обратной засыпке, ухудшило сопротивление основания выпиранию грунта.

По факту этой аварии научно-техническим советом Госстроя СССР рекомендовано при проектировании таких складов на глинистых грунтах разработать ряд конструктивных вариантов усиления основания штабеля. НИИ оснований предложил устройство шарнирной железобетонной плиты с зубом по контуру плиты и уплотнением основания с помощью вертикальных дрен. Рекомендовано также обязательно проводить проверку устойчивости основания с учетом фактических гидрогеологических условий.

В практике встречаются грунтовые толщи с погребенными слоями биогенных грунтов (торфов, заторфованных грунтов, сапропелей). Находясь в активной зоне, они способствуют развитию значительных и неравномерных осадок. При забивке свай, когда острие не доходит до кровли сильносжимаемого грунта, погружение их практически прекращается [О.Ф. и М.Г., 1990, № 6]. После каждого удара молота свая перемещается вместе с некоторым объемом окружающего грунта на величину упругой деформации слабого слоя.

95

В ряде случаев биогенные грунты располагаются в толще лессового грунта II типа по просадочности. Предотвратить деформации в этих условиях чрезвычайно сложно. Требуются хороню продуманные конструктивные решения.

Рис. 3.9: Повреждения здания, вызванные ошибками при инженерно-геологических изысканиях
Рис. 3.9: Повреждения здания, вызванные ошибками при инженерно-
геологических изысканиях:

А - часть здания м/о 13-20; Б - геологический разрез по оси Д; В - план площадки и
здания; Д. Ш. - деформационные швы; 1 - насыпной глинистый грунт; 2 - текуче-
пластичный суглинок; 3 - заиленные опилки; 4 - опилки; 5 - мягкопластичный
суглинок; 6 - щебенисто- дресвяный грунт с глинистым заполнителем; 7 - площадь
распространения опилок

В [129] приведены примеры некачественных инженерно-геологических изысканий территорий, приводящих к серьезным повреждениям. К их числу относятся: неполное освещение грунтовой обстановки; не учет особенностей образования конкретных территорий; потери отдельных слоев; ошибки в классификации; слабый прогноз поведения в период строительства и эксплуатации; слабые знания региональных условий.

На рис. 3.9.показаны деформации 3-х этажного здания с подвалом спортивного комплекса. Площадка располагалась на засыпанной пойме реки. Раньше здесь располагался лесопильный завод. Мощность слоя отсыпки колебалась от 4 до 9 м. Разведочные скважины располагались за

96

пределами контура здания, вследствие этого не был обнаружен насыпной грунт. Фундаменты выполнены сборными ленточными шириной 2 ... 2,4 м. Осадки достигали 50 см и отмечались большой неравномерностью.

Взвешивающее действие грунтовых вод. Повышение уровня вод вызывает снижение механических свойств. Понижение уровня грунтовых вод приводит к увеличению напряжений от действия собственного веса и к появлению дополнительных осадок.

Разуплотнение грунтов при снятии бытового давления. Это наблюдается при отрывке глубоких котлованов (8 м и более) и сопровождается подъемом дна котлована. При проведении горных работ иногда возникает горный удар - взрывообразное внезапное разрушение породы в окрестности выработки. Горные удары сопровождаются выбросом породы в выработку или проявляются в виде сейсмической волны.

Тиксотропные явления. Многие грунты могут разжижаться или размягчаться при динамических воздействиях, а затем после их прекращения вновь самопроизвольно восстанавливать свое состояние и прочность. Тиксотропность возникает по-разному в зависимости от дисперсности, минерального состава, физического состояния, влажности, плотности, консистенции, минерализации и состава поровых вод, интенсивности механических воздействий. Так, монтмориллонитовые гидрофильные глины легко разжижаются и затем быстро восстанавливают прочность, а каолинитовые малогидрофильные трудно размягчаются и разжижаются и медленно восстанавливают свое состояние и прочность. Тиксотропные изменения являются результатом разрушения структурных связей.

Всплытие сооружений. Под действием напора грунтовых вод возможен подъем сооружений, сопровождающийся, как правило, креном. В конструкции появляются значительные трещины, разрушаются коммуникации, эксплуатация затрудняется или становится невозможной. Известен ряд конструктивных мероприятий, повышающий устойчивость сооружения: устройство анкеров, увеличения сил трения по боковой поверхности, повышение давления па грунт, уменьшение давления воды и др. При проектировании важно прогнозировать изменение гидрогеологических условий.

Сели - грязекаменные потоки, насыщенные твердым материалом с плотностью от 1,2 до 1,8 г/см . Они возникают по долинам горных рек, в балках, оврагах, имеющих в верховьях значительные уклоны порядка 0,35. Вследствие большой скорости движения потока сель может переносить глыбы в несколько кубометров. Многообразная деятельность человека (вырубка леса, выгон скота, отвал породы при добыче руд в долинах рек) может вызвать сель антропогенового характера как в селеопасных районах, так и в тех районах, где их не было.

Много селей зафиксировано у подножия Заилайского Алатау. 8 июля 1921 года у Алма-Аты прошел сель по руслу реки Алматинки. За 4 часа на территорию города вынесло 1,5 млн. тонн каменного материала. При этом разрушено много домов, унесено сотни человеческих жизней.

Влияние макро- и микроорганизмов на грунты оснований. Микроорганизмы могут изменить величину рН и превращать воды в агрессивные.

97

В.В. Радина открыла роль микроорганизмов в образовании плывунов. В водонасыщенном грунте происходит накопление в виде пузырьков газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Они вызывают избыточное давление в жидкой фазе породы, являющееся энергетическим фактором ее подвижности. Прочность грунтов может уменьшаться за счет выделения микроорганизмами поверхностно-активных веществ, а в других условиях, наоборот, увеличиться, например, вследствие процесса агрегирования.

Подработка территорий. При разработке угольных пластов земная поверхность деформируется. Здания и сооружения, расположенные над горными выработками, подвергаются деформациям и разрушению. Различают две составляющие вектора сдвижения - горизонтальное сдвижение и оседание. Перемещения зависят от мощности пласта, площади очистных работ, угла падения пласта. Считают [76], что оседание земной поверхности на Донбассе достигает в среднем 50 ... 60 % мощности отрабатываемого пласта. При разработке нескольких пластов деформации от каждого пласта суммируются. Процесс сдвижения разделяют на три стадии: начальную, активную и затухающую. На начальной стадии, продолжающейся 1 ... 3 месяца, скорость оседания земной поверхности достигает 50 мм в месяц.

Формы повреждения конструкций при воздействии вынужденных смещений основания зависят от конструктивной схемы здания. Типичные формы повреждений приведены на рис. 3.11 ... 3.20 [76].

Для предотвращения повреждений применяют организационные, конструктивные и горнотехнические мероприятия. Суть организационных мер заключается в точном согласовании во времени планов горных и строительных работ. Последовательность строительства необходимо определять с учетом сроков начала и окончания активной стадии сдвижения земной поверхности.

Конструктивные мероприятия применяют в случаях, когда под застраиваемой площадкой намечается выемка пластов. К ним относятся: устройство замкнутых железобетонных поясов, разделение зданий на самостоятельные отсеки, устройство плитных фундаментов или в виде перекрестных балочных систем, применение систем выравнивания.

В качестве эффективной горнотехнической меры защиты зданий от влияния горных выработок являются: закладка выработанного пространства; оставление предохранительных целиков; применение таких систем разработки, при которых происходит равномерное движение горных пород. Используют гидравлическую, пневматическую и самотечную закладку выработанного пространства.

Оползень - масса земли или горных пород, соскальзывающая в виде единого массива или в виде обломков но склону. Скольжение происходит по искривленной поверхности.

Неустойчивые склоны занимают значительные территории. Разрушение и повреждение зданий и сооружений происходит вследствие интенсификации оползневых процессов. Для предотвращения аварий применяют:

  • террасирование или уполаживание склонов;
  • выполнение водозащитных мероприятий;

98

  • дренирование подземных вод;
  • сооружение подпорных стен;
  • устройство контрфорсов и контрбанкетов;
  • одерновка- озеленение склонов;
  • возведение противооползневых удерживающих стен из забивных и набивных свай. (рис. 3.24).

Повреждение зданий и сооружений в карстовых районах. При растворении и выщелачивании поверхностными и подземными водами мела, мергелей, известняков и других карбонатных и сульфатных пород на поверхности образуются воронки и провалы, а в грунте - полости. Так, в районе г. Дзержинска, расположенного в долине реки Оки, на площади 300 км насчитывается около 3000 карстовых воронок. С 1935 по 1959 год здесь образовалось 54 провала. Один из них был глубиной 28 м и диаметром 90 м. Карст значительно осложняет проектирование и строительство. Закарствованность пород оценивается отношением объема карстовых пустот и полостей к объему пород. Положение полостей, их размеры и оконтуривание выполняют путем проходки буровых скважин. Кроме того, используют комплекс геофизических методов: электроразведка, гравиметрия, сейсморазведка, магниторазведка, ядерные методы и др.

Рис. 3.10. Повреждение малоэтажного здания в результате растяжения от изгиба стены
Рис. 3.10. Повреждение малоэтажного
здания в результате растяжения от
изгиба стены
Рис. 3.11. Повреждение стены бескаркасного здания из мелкоштучных материалов в результате сдвига по проемам и сдвига простенков
Рис. 3.11. Повреждение стены бескаркасного
здания из мелкоштучных материалов
в результате сдвига по
проемам и сдвига простенков
Рис. 3.12. Повреждение стены бескаркасного здания из крупноразмерных сборных элементов в результате сдвига по проемам и разрушения перемычек по нормальным и наклонным сечениям
Рис. 3.12. Повреждение стены бескаркасного
здания из крупноразмерных сборных
элементов в результате сдвига по
проемам и разрушения перемычек
по нормальным и наклонным
сечениям
Рис. 3.13. Повреждение стены бескаркасного здания при образовании в основании уступа
Рис. 3.13. Повреждение стены бескаркасного
здания при образовании
в основании уступа

99

Рис. 3.14. Отрыв фундамента от надземных конструкций со сдвигом по горизонтали при образовании в основании здания уступа
Рис. 3.14. Отрыв фундамента от
надземных конструкций со сдвигом по
горизонтали при образовании в
основании здания уступа
Рис. 3.15. Повреждение фундамента от горизонтальных линий деформаций растяжения в здании с замкнутым цокольным поясом
Рис. 3.15. Повреждение фундамента от
горизонтальных линий деформаций
растяжения в здании с замкнутым
цокольным поясом
Рис. 3.16. Повреждение стены крупноблочного а) и кирпичного б) здания от горизонтальных деформаций растяжения
Рис. 3.16. Повреждение стены крупноблочного а) и кирпичного б) здания от
горизонтальных деформаций растяжения
Рис. 3.17. Повреждение перехода между зданиями от горизонтальных деформаций сжатия
Рис. 3.17. Повреждение перехода между зданиями от горизонтальных
деформаций сжатия
Рис. 3.18. Повреждение цокольной части здания от горизонтальных деформаций сжатия в результате неправильного выполнения деформационного шва
Рис. 3.18. Повреждение цокольной части здания от горизонтальных деформаций
сжатия в результате неправильного выполнения деформационного шва

100

Рис. 3.19. Инженерно-геологическое строение территории Венеции
Рис. 3.19. Инженерно-геологическое строение территории Венеции

Провалы и проседания грунта происходят внезапно и представляют значительную опасность для зданий и сооружений.

Выбор противокарстовых мероприятий должен основываться на учете комплекса данных. Часто применяют следующие комплексы мероприятий: планировку территории; каптаж подземных вод; устройство опор глубокого заложения; искусственное уплотнение и укрепление пород; устройство противофильтрационных завес; конструктивные мероприятия.

Разрушение земляных сооружений. Деформирование и разрушение грунтовых массивов протекает во времени и связано с изменением прочностных свойств грунтов.

Основными видами деформаций являются:

  • осадка;
  • расползание в результате разжижения;
  • оползание вследствие большой крутизны;
  • оползание оттаивающего откоса;
  • пучение откосов при замерзании и оползание при оттаивании;
  • разрыв дождевыми и талыми водами;
  • оползание на пойменных территориях при затоплении во время паводков вследствие гидростатического взвешивания.

В [58] приведена классификация причин, условий и характера деформирования и разрушения земляных сооружений. Причинами разрушения считают две группы факторов: нагрузки (установившиеся, неустановившиеся и случайные) и изменение свойств грунтов.

В [151] приведена схема деформирования здания, расположенного на наклонном подстилающем слое (рис. 3.21). Осадки и крены возникают вследствие ослабления несущей способности грунтов при интенсивном увлажнении атмосферными осадками. Сопротивление сдвигу по подошве подстилающего слоя резко снижается.

101

Для предотвращения разрушений и недопустимых деформаций при проектировании следует учитывать возможные изменения гидрогеологических условий и характеристик грунтов основания и сооружения.

Комплекс воздействий. На отдельные сооружения действует несколько видов нагрузок. Потеря устойчивости может произойти от одной или от сочетания нескольких. Так, на плотину действуют: собственный вес, при-грузка воды, горизонтальное давление воды верхнего бьефа, гидростатическое взвешивание, гидродинамическое давление, давление льда, ветра, сейсмические импульсы и др.

Возможны следующие виды разрушений:

  • сдвиг по контакту с подошвой;
  • сдвиг по поверхностям или зонам ослабления в подстилающих неоднородных породах;
  • глубинный сдвиг;
  • всплытие сооружения под воздействием гидростатического взвешивающего давления;
  • опрокидывание вокруг нижнего ребра;
  • потеря устойчивости вследствие суффозии или растворения составляющих;
  • потеря устойчивости в результате развития оползневых процессов;
  • потеря устойчивости вследствие катастрофических паводков;
  • потеря устойчивости вследствие сейсмической активности, вызванной наполнением водохранилища;
  • потеря устойчивости из-за повышения давления от селевых выносов;
  • сдвиг от воздействия фильтрационного гидродинамического давления.
Рис. 3.20. Деформации здания, расположенного на наклонном подстилающем слое. Влияние атмосферных осадков
Рис. 3.20. Деформации здания, расположенного на наклонном
подстилающем слое. Влияние атмосферных осадков

102

Загрязнение грунтовых вод. В районах промышленных предприятий, особенно химической и металлургической промышленности, состав грунтовых вод значительно изменяется: увеличивается общая минерализация, интенсифицируются агрессивные воздействия на подземные конструкции. Инфильтрация производственных стоков промышленных предприятий приводит к удорожанию строительства и эксплуатации объектов, к появлению трещин в конструкциях и аварийных ситуаций.

В производственных стоках химических предприятий НСl содержится 6000 ... 35000 мг/л, NaCl - 20000 ... 30000 мг/л, H2SO4 - 300 ... 700 мг/л. Минерализация грунтовых вод увеличивается в зимнее время года и уменьшается в период весеннего снеготаяния.

Влияние химических растворов на прочность грунтов. Пример значительных деформаций конструкций и оборудования из-за длительных утечек в грунт каустика рассмотрен в [О.Ф. и М.Г., 1988, № 6].

В грунтах, подверженных влиянию NaOH, максимальные значения рН достигали 10,5 ... 12,3 при фоновой величине 7,5 ... 7,8, ухудшились пластичные свойства суглинков, уменьшились на 3 ... 4 порядка фильтрационные свойства, увеличилась коррозионная активность в 3 ... 5 раз.

В результате длительных утечек полы вспучились на высоту до 80 см. Это привело к перекосам фундаментов технологического оборудования, нарушению соосности валов двигателей, искривлению подъездных путей и крановых балок.

Выветривание - сложная совокупность естественных процессов, как химических, так и механических, приводящих к разрушению горных пород. После отрывки котлованов происходит снижение механических характеристик верхнего слоя. Причиной этого является изменение температуры и влажности. Существуют разные критерии оценки степени выветрелости [123]. Крупнообломанные грунты осадочного комплекса подразделяются на невыветрелые, слабо выветрелые, выветрелые и сильно выветрелые.

Автор наблюдал выветривание мергелей в г. Курске. Спустя несколько дней после отрывки котлована верхний слой превращался в пыль.

Промерзание - оттаивание. Наличие заполненных водой микро- и макротрещин, пустот, пор является причиной снижения прочности. Модуль деформации грунта после нескольких циклов замораживания - оттаивания снижался до 5 раз. Степень деградации зависит от вида грунта, влажности, расстояния до грунтовых вод.

Повреждения зданий, построенных на просадочных грунтах. Такие грунты при замачивании получают значительные вертикальные деформации-просадки. В качестве источников замачивания чаще всего являются прорывы водонесущих коммуникаций, а также интенсивное обводнение территории. Под отдельными застроенными территориями формируются купола грунтовой воды, растущие вверх. Наибольшие осложнения вызывают грунты II типа по просадочности. Мощность их достигает 50 м, просадка от собственной массы -1,5м (г. Николаев, Украина).

103

В зданиях и сооружениях, построенных на фунтах II типа по просадочности, часто наблюдаются значительные повреждения: сквозные, вертикальные и косые трещины шириной раскрытия до 50 мм и более, трещины между панелями, плитами, между отдельными конструкциями; уменьшение опорных площадей балок, плит, ферм, перемычек, лестничных площадок и маршей; разрушение узлов сопряжений и заделки; перекосы и крены; разрывы селей; нарушение эксплуатационной пригодности здания или сооружения; обрушение отдельных конструкций и фрагментов здания или сооружения; защемление деформационных и температурных швов и др. Примеры повреждений описаны в [57].

В ряде случаев ремонт значительно поврежденных объектов нецелесообразен. Затраты на их восстановление велики и могут превышать начальную стоимость объекта.

В [57, табл. 4.3] приведена классификация зданий по степени поврежденности.

Усилия, возникающие в конструктивных элементах, зависят от: величины и характера проявления просадок; неравномерных вертикальных и горизонтальных перемещений обводненного грунта; жесткостных характеристик основания, здания или сооружения; типа источника замачивания; размеров здания или сооружения в плане; нагрузок на фундаменты и др.

Для предотвращения аварии необходима разработка и осуществление комплекса конструктивных и водозащитных мероприятий, организация аварийных служб. Все они подробно описаны в специальной литературе [25,57].

Понижение территорий при откачке подземных вод. В литературе, например, в [6] описаны поучительные примеры из опыта эксплуатации зданий в Италии и Бразилии. Причину этого явления можно понять при просмотре рис. 3.19.

Антропогенные отложения. К ним относят новый тип молодых геологических образований, связанных с инженерно-строительной и хозяйственной деятельностью человека. В технической литературе эти отложения называют: искусственными, насыпными, техногенными и антропогенными. Мощности антропогенных отложений в засыпных шахтах достигает 500 ... 800 м, терриконов 100 ... 300 м, грунтовых отвалов из карьеров 10 ... 150 м, намывных грунтов 2 ... 10м, мощности культурного слоя достигают 40 м и более (в Киеве 44 м, Москве 24 м, Воронеже 20м).

Антропогенные отложения различаются по условиям образования, генезису, возрасту, составу, состоянию, прочностным и деформационным свойствам. Ф.В. Котлов выделил семь генетических комплексов: насыпные; намывные; отложения искусственных водоемов; искусственные подводные грунты; измененные водные осадки естественных водоемов; породы, искусственно преобразованные в естественном залегании; принесенные в породы материалы, конструкции и стихийное накопление подземного культурного слоя. Академик А.П. Виноградов считает, что человеком

104

сбрасывается с отходами в окружающую среду 600000 разнообразных химических веществ.

Подземное строительство. К номенклатуре подземных зданий и сооружений относятся: банки, гаражи, зрелищные учреждения, складские помещения, хранилища, транспортные коммуникации. Строительство подземных объектов вызывает в большинстве случаев значительное изменение инженерно-геологических и гидрогеологических условий. При этом формируется комплекс новых геодинамических процессов и явлений: сдвижение, разуплотнение пород, разрушение и потеря связанности, расслоение и пластические деформации, выжимание и разрывы сплошности. Особую опасность представляют внезапные прорывы вод, плывунов и газов, приводящие к возникновению аварийных ситуаций не только в подземных выработках, но и в надземных зданиях и сооружениях.

Искусственное снижение уровня подземных вод может вызвать уплотнение грунтов, возникновение дополнительных и неравномерных осадок зданий и сооружений.

Выстроенные подземные здания или сооружения препятствуют стоку подземных вод, образуя в них значительный напор и подпор. Увеличение скоростей фильтрации может вызвать суффозию и выщелачивание. Повышение уровня подземных вод оказывает существенное влияние на устойчивость оснований наземных строений и окружающих территорий, приводит к подтоплению подвалов.

Лабораторными экспериментами одного из авторов [67] показано влияние угла наклона подстилающего слоя на несущую способность и перемещения фундаментов при разных схемах нагружения.

Подземные конструкции, например, коллекторы иногда подвергаются биоповреждениям корневой системой растений. По ряду признаков это аналогично механическому воздействию. В поисках влаги корни проникают внутрь труб через имеющиеся дефекты разного происхождения. Другим, основным видом биоповреждений коллекторов является воздействие бактерий.

Строительство на слабых водонасыщенных основаниях. Такие грунты встречаются почти во всех городах и районах. Они отличаются большой сжимаемостью (Е ≤ 5 МПа), высокой степенью влажности (sr > 0,8), низкой прочностью (φ = 4 ... 10°, с = 0,005 ... 0,025 МПа), длительным процессом уплотнения, часто присутствием большого количества органических веществ. Несмотря на это, при проектировании оснований и фундаментов необходимо добиться, чтобы абсолютные осадки отдельных фундаментов и относительные разности осадок соседних не превышали предельно допустимых значений.

Для строительства часто создают искусственные основания путем уплотнения слабых водонасыщенных грунтов песчаными подушками и сваями, дренами, известковыми сваями. Перспективны дрены из искусственных материалов (рис. 3.71).

105

Рис.3.2.1. Уплотнение грунта внедрением бумажных лент и подгрузкой балластом
Рис.3.2.1. Уплотнение грунта внедрением
бумажных лент и подгрузкой балластом:

1- балласт до уплотнения основного слоя грунта; 2 - то же, после уплотнения; 3 -
дренажный слой; 4 - ленты дрены; 5 - уплотняемый грунт; 6 - бумага; 7 -
пластиковая рифленая основа

Картонные дрены состоят из трехслойного картона с поперечным сечением 3 х 100 мм и площадью поперечного сечения проходящих внутренних каналов 3 мм2. Дрены изготавливают в виде лент длиной 400 м. Их наматывают на барабаны, погружают экскаватором со специальными направляющими.

В [35] дан анализ результатов наблюдений за деформациями жилых зданий, построенных 20 лет назад на приморской территории Ленинграда. В основании домов залегают (рис. 3.22): 1 - намывной песок; 2 - песок, средней плотности, средней крупности; 3 - супеси озерно-морские с примесью растительных остатков, текучие; 4 - песок средней крупности, плотный; 5 -суглинки ленточные текуче-пластичные; 6 - глины ленточные текучие; 7 -морена-суглинок мягкопластичный и тугопластичный с гравием и галькой; 8 - супесь твердая; 9 - торф, уровень грунтовых вод расположен на глубине 15... 20м.

Осадки фундаментов достигают 70 см. Поверхность грунта на участке намыва непрерывно оседала со скоростью 10 ... 15 мм/час. Неравномерность оседания обусловлена переменной толщиной намытого слоя, наличием линз замытого слоя торфа и мусора. Неравномерность развития осадок зависит от: а) жесткости зданий; б) конструкции узлов сопряжения несущих элементов; в) технологии строительства; г) инженерно-геологических условий; д) степени загружения соседних участков.

Для понижения чувствительности конструкций домов к неравномерной осадке были использованы: продольные балки в подвале (при поперечных несущих стенах и ленточных фундаментах под эти стены); сплошные плиты (у 12-этажных домов); продольные стены - диафрагмы в наземной части домов, широкие импосты поперечных несущих стен для опирания плит перекрытий, замена намытого песка низкого качества на песчаную подушку.

106

Рис. 3.22. Результаты инструментальных наблюдений за развитием осадки 12-этажного дома на плите (объект №5)
Рис. 3.22. Результаты инструментальных наблюдений за развитием осадки
12-этажного дома на плите (объект №5):

I - план первого этажа и территории; II - разрез дома и III - основания; IV - эпюра осадки
продольной стены: а) фундаментная плита; б) балка-стена в подвале; в) стенка-диафрагма; г)
марки; д) фунтовые марки в составе створов "Б" и "Г".

При строительстве домов в две очереди осадка торца здания 1-ой очереди превысила осадку середины, что объясняется повторностью приложения нагрузки. Осадки домов на ленточных, плитных фундаментах и коротких сваях не затухали с начала строительства. Несмотря на

107

деформации (осадки, прогибы, перегибы) повреждения конструкций всех домов не были опасными. Глубина зоны деформации грунтов по замерам почти вдвое превышала вычисленную по СНиП. Вокруг зданий развивалась осадочная воронка выпуклой формы. Осадочные воронки охватывают практически всю территорию кварталов. Намытый слой грунта увеличивает осадку фундаментов мелкого заложения и фундаментов на коротких сваях.

Для уменьшения влияния неравномерной осадки требуется повысить изгибную жесткость и выравнять нагрузку на основание от торцевых и внутренних стен.

В [42] описан способ интенсивного ударного уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Выделяют два основных вида уплотнения - метод динамической консолидации и ударного уплотнения. Работы по динамической консолидации выполняют по многоэтапной схеме с длительными перерывами между этапами, в течение которого происходит рассеивание перового давления, возникшего при уплотнении. Несущая способность основания после ударной обработки снижается, а затем по мере снижения перового давления происходит се возрастание.

Метод уплотнения применяют к грунтам с относительно невысоким водонасыщением. Процесс уплотнения связан с разрушением структуры, перекомпоновкой частиц, восстановлением связей между частицами в новом состоянии.

Глубина интенсивного уплотнения по Л. Менарду

H = √Mgh,

где Mgh - энергия одиночного удара, тс-м; g - ускорение свободного падения, м/с2; α = 0,5 - эмпирический коэффициент, м/тс½.

На рис. 3.23 показано развитие осадки насыпи во времени при двух методах уплотнения: с использованием песчаных дрен и при динамическом уплотнении.

Рис. 3.23. Осадка дорожной насыпи
Рис. 3.23. Осадка дорожной насыпи:
1 - песчаная дрена; 2 - динамическое уплотнение; Wd - осадка при динамическом
уплотнении; Ws - осадка насыпи под собственным весом; Wc - осадка неуплотненной
насыпи в процессе эксплуатации

108

Борьба с оползнями. Оползнями называют смещение земляных масс вниз под влиянием сил тяжести. Причины возникновения оползней подразделяются на пассивные (геологическое строение, рельеф местности, крутизна склонов) и активные (деятельность поверхностных и подземных вод; воздействие температуры, ветра, солнца; подрезка и пригрузка склонов; гидродинамическое давление; суффозионные выносы; гидростатическое давление; сотрясения и вибрации; обводнения; сейсмические явления).

Оползание представляет собой длительный реологический процесс, проходящий через стадии зарождения, развития и затухания. При исследовании оползней выделяют поверхность скольжения, очертания тела оползня, глубину захвата склона, оползневые цирки. В одном оползневом массиве могут быть несколько поверхностей скольжения.

По И.В. Попову оползни подразделяют на современные, отвечающие современному положению базиса эрозии и уровня обрезки (движущиеся, приостановившиеся, остановившиеся, закончившиеся), и древние, не отвечающие современному положению базиса эрозии и уровня обрезки (открытые и погребенные).

Н.Н. Маслов установил следующие формы нарушения устойчивости склонов и откосов: обвалы и вывалы, обрушения со срезом и вращением, скол при просадке, скольжение, оползень-сдвиг, сползание, сплыв, пластичная и вязкая деформация, вековая переработка склона.

Признаками оползневых явлений являются: появление трещин в зданиях, перекосы и искривления дверных и оконных коробок, наклон опор, наличие хаотично наклоненного "пьяного" леса, разрыв сетей водопровода и канализации.

Известны катастрофические оползни, разрушающие здания, сооружения, дороги, подземные коммуникации. В 1959 году в Хунзахском районе Дагестана у реки Кара-Койсу произошел оползень объемом свыше 250 млн.м3. Он перекрыл долину реки, в результате чего образовалось водохранилище площадью 40 га и глубиной около 70 м. Противооползневые мероприятия делят на предупредительные и коренные. К числу предупредительных относят запрещение: подрезки склонов и устройства прорезей, возведения на склонах насыпей и дамб, строительства зданий и сооружений, взрывные работы, полива, уничтожения растительности, ограничения скорости движения транспорта.

К коренным мероприятиям относят возведения противооползневых сооружений: свайных, подпорных стенок, анкерных конструкций, армогрунтовых сооружений, решетчатых конструкций для укрепления поверхности склонов, дренажных конструкций.

СоюздорНИИ разработал комплекс мероприятий, состоящий из конструктивных, технологических и эксплуатационных решений.

Свайные противооползневые конструкции успешно применяют для закрепления оползневых участков в Крыму, на Кавказе, в Молдавии и других районах. В [26] описаны комплексы противооползневых мероприятий с

109

включением свайных фундаментов. В качестве примера на рис. 3.24 показана схема одного из вариантов технического решения.

Рис. 3.24. Удерживающая конструкция на Раздольском горнохимичсском комбинате
Рис. 3.24. Удерживающая конструкция на
Раздольском горнохимичсском комбинате:

1 - забивные сваи С 12-35; 2 - железобетонная плита ростверка; 3 - ограждающая
стенка; 4 - водоотводный лоток; 5 - дренажная засыпка; б - оси железнодорожных
путей; 7 - поверхность склона; 8 - расчетная поверхность скольжения; 9 - суглинки
желто-бурые; 10 - суглинки иловатые мягкопластичные; 11 - глины полутвердые

В качестве противооползневых удерживающих конструкций также применяются:

  • свайные ряды с подпорными стенами;
  • комбинированные свайные конструкции (свайные стены, свайные стены с низко расположенным поясом, горизонтальными вертикальными анкерами и т.п.);
  • массивные подпорные стены (монолитные железобетонные и бетонные, каменные, сборные из отдельных блоков);
  • гибкие подпорные стены;
  • комбинированные подпорные стены (монолитные железобетонные на свайном ростверке, по типу "стена в грунте").

К факторам, приводящим к снижению прочностных свойств, относятся: давление воды в порах и трещинах (разжижение, поровое давление, тиксотропия и т.п.), выветривание и другие физико-механические процессы (высыхание фунта, приводящее к растрескиванию, потере сцепления и возможности протекания воды; ионный обмен; миграция воды к фронту выветривания под влиянием электрического потенциала; размягчение трещиноватых глин и т.д.); нарушение текстуры (а вместе с ней и сопротивления сдвигу) фунта в результате снятия вертикальных и боковых нагрузок при устройстве выемок; проявление реологических свойств; деятельность земноводных животных и др.

110

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.