Определение расчетного диаметра карстового провала
Наиболее опасными и негативными проявлениями карстового процесса для оснований зданий и сооружений являются провалы. Как было сказано выше, в соответствии с нормативными документами при оценке карстоопасности территории необходимо устанавливать средний диаметр карстового провала. Средние диаметры могут быть определены по существующим карстовым формам, но в условиях урбанизированной территории карстовые формы могут отсутствовать на поверхности (быть засыпаны), а материалы о их наличии могут не сохраниться при отсутствии организованного карстомониторинга. Кроме того, карстовые провалы со временем, как правило, увеличиваются в размерах, стенки их выполаживаются, глубина уменьшается, в связи с чем определение среднего диаметра по существующим карстовым формам может давать несколько завышенные результаты, которые могут повлечь за собой удорожание строительства. В связи с этим в практике широко используются расчетные методы определения диаметра карстового провала.
В настоящее время предложены десятки расчетных методов, опирающихся на различные гипотезы горного давления (представление о массиве горных пород как сплошной упругой, сплошной пластически деформируемой или сыпучей несвязной среды, Панюков, 1978). Формирование провалов определяется особенностями строения закарстованных территорий, а выбор расчетных схем и применение того или иного метода расчета зависят от литологии карстующихся пород (карбонатные,сульфатные,соляные); типа карста по характеру перекрывающих отложений (открытый, покрытый, перекрытый, перекрыто-покрытый), их строения (однослойное, двухслойное, трехслойное) и водопроницаемости (водопроницаемые, слабоводопроницаемые, водонепроницаемые); гидрогеологических условий (однопластовое, двухпластовое строение, условия залегания карстовых вод (безнапорные, напорные); положение уровня карстовых вод относительно надкарстовых) (Дублянский и др., 2010).
Расчетных схем для определения размеров провалов в открытом карсте немного. Обычно используется круглоцилиндрическая модель Г.М. Шахунянца (1953). Она исходит из условия, что мощность неразрушенных карстующихся пород от свода полости до поверхности меньше мощности, при которой грунт выдерживает собственный вес и внешнюю нагрузку. Условие предельного равновесия имеет вид
(G + Gп) – (Fc + Ff) = 0, (7.1)
где G – вес цилиндра грунта над сводом полости, Gп – нагрузка от сооружения, Fc и Ff силы сцепления и трения, возникающие на боковой поверхности цилиндра.
Модель Шахунянца предусматривает постепенный рост полости за счет растворения ее стенок и формирование над ней продвигающегося вверх эллиптического свода обрушения. При достижении им предельной глубины h0 происходит сдвижение грунта и формируется провал.
Условие предельного равновесия относительно диаметра провала d0 имеет следующее решение:
d0 = 2· (2c·h0 + ·h02·N·tg – 2c·h0·M·tg) / (p0 + ·h0), (7.2)
а при отсутствии внешней нагрузки (p0 = 0)
d0 = 2· (2c + ·h0·N·tg – 2c·M·tg) / , (7.3)
где h0 – высота цилиндра, c, , – средневзвешенные по глубине удельное сцепление, угол внутреннего трения и удельный вес грунта, p0 – равномерно распределенная по площади d02 / 4 нагрузка, эквивалентная действующей нагрузке Gп, N и M – расчетные коэффициенты, определяемые по формулам
N = (1 – ctg·tg) / (1 – tg2 + 2tg·tg) (7.4)
M = (2tgβ + ctg – tg) / (1 – tg2 + 2tg·tg), (7.5)
где tg = tg + [0,5(1 + tg2)]0,5 , (7.6)
=ρɡ, (7.7)
где ρ плотность грунта, г/см3; ɡ ускорение свободного падения, равное 9,81 г/см2.
Рассмотренная модель послужила основой для многих последующих разработок. Однако в каждом типе карста механизм провалообразования будет отличаться (рис. 7.1), соответственно выбранная расчетная схема должна учитывать механизм провалообразования, что требует дополнительных уточнений и расчетов. В настоящее время предложено несколько вариантов расчетных схем (Толмачев, Хоменко и др. (1989, 1990, 2003), Троицкий...). В связи со сложностью расчетов они выполняются только на компьютере, а иногда с использованием специального программного обеспечения.
Рис. 7.1. Механизм развития провалов в карсте разных типов.
Типы карста: А – открытый, Б – покрытый, В – перекрытый, Г– перекрыто-покрытый. Механизмы развития провалов: а – гравитационный, б – суффозионный: ба – суффозионно-гравитационный; аб – гравитационно-суффозионный. Породы: 1 – известняки; 2 – гипсы; 3 – песчаники; глины: 4 – в коренном залегании, 5 – в смещенном залегании; пески: 6 – в коренном залегании, 7 – в смещенном залегании; 8 – карстовая полость, кавернозная или закарстованная зона; 9 – уровень надкарстовых вод
Практическое задание 7
Определение расчетного диаметра карстового провала
Порядок выполнения задания:
По данным колонок карстологических скважин и приложения 5 определить расчетный пролет карстового провала для каждой скважины по вышеприведенным формулам. При этом в расчетах свойства перекрывающих отложений следует принимать как средневзвешенные по мощности.
Определить средний расчетный диаметр карстового провала.
Сравнить значения средних диаметров, полученных по зафиксированным карстовым формам и расчетным методом.
Скорректировать категорию устойчивости территории (при необходимости и обоснованности).
Библиографический список
Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н., Катаев В.Н., Костарев В.П., Толмачев В.В. Карстоведение. Ч. 3. Инженерное карстоведение: учеб. пособие / Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Пермь, 2011. 288 с.
Толмачев В.В., Ройтер Ф. Инженерное карстоведение. М.: Недра, 1990. 151 с.
Список рекомендуемой литературы
Кутепов В.М. Оценка устойчивости закарстованных территорий методом анализа напряженного состояния массивов пород: обзор и рекомендации/ ЦП НТГО. М., 1986. 69 с.
Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М.: ГЕОС, 2003. 216 с.
Хоменко В.П. Карстовое провалообразование: механизм и оценка опасности // Экологическая безопасность и строительство в карстовых районах: матер. Международного симпозиума / под ред. В.Н. Катаева, Д.Р. Золотарева, С.В. Щербакова, А.В. Шиловой; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Пермь, 2015. С. 50-60.