Диссертация (Динамика развития подземных и поверхностных проявлений карста и методика оценки их опасности)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»(НИУ МГСУ)На правах рукописиУткин Михаил МихайловичДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХПРОЯВЛЕНИЙ КАРСТА И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ИХ ОПАСНОСТИСпециальность 25.00.36 – Геоэкология (строительство и ЖКХ)Диссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор геолого-минералогических наук,старший научный сотрудникХоменко Виктор ПетровичМосква – 20192ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………… 4ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА………………………... 111.1. Определение основных понятий и классификация карста………………… 111.2. Обзор основных положений нормативно-методических документов инаучно-технических публикаций по наблюдению за карстовыми формамирельефа и выявлению подземных карстовых деформаций……………………...

151.3. Обзор основных положений нормативно-методических документови научно-технических публикаций по оценке опасности карстовыхдеформаций………………………………………………………………………… 201.4. Выводы………………………………………………………………………... 23ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГОСОСТОЯНИЯ ПОКРОВНОЙ ТОЛЩИ ГРУНТОВ ПРИ ПРОЯВЛЕНИИКАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ………………………………………………………... 242.1.

Механизмы возникновения карстовых провалов…………………………... 242.2. Изучение напряженно-деформированного состояния покровнойтолщи несвязных грунтов над карстовой полостью…………………………….. 342.2.1. Обзор существующих методов моделирования карстовыхдеформаций……………………………………………………………………. 342.2.2. Моделирование карстовых процессов с использованиемгеотехнической центробежной машины……………………………………..

392.2.3. Моделирование карстовых процессов с использованиемустановки конструкции В.П. Хоменко, Е.П. Маханько, Е.И. Исаева……... 422.3. Выводы………………………………………………………………………... 59ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ЭВОЛЮЦИОННОГО РАЗВИТИЯПОВЕРХНОСТНЫХ КАРСТОВЫХ ФОРМ РЕЛЬЕФА…………………………... 603.1. Классификация карстовых воронок…………………………………………. 603.2. Особенности инженерно-строительного освоения площадок с наличиемкарстовых форм рельефа………………………………………………………….. 6233.3. Наблюдения за динамикой развития карстовых форм рельефа спомощью беспилотных летательных аппаратов………………………………… 673.4. Выводы………………………………………………………………………... 75ГЛАВА 4. ОЦЕНКА КАРСТОВОЙ ОПАСНОСТИ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙИ СООРУЖЕНИЙ И ЕЕ УЧЕТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОМПЛЕКСАПРОТИВОКАРСТОВЫХ МЕРОПРИЯТИЙ……………………………………….. 784.1.

Прогностическая оценка карстовой опасности площадок с наличиемподземных и поверхностных карстопроявлений………………………………… 784.2. Учет результатов прогноза при разработке противокарстовыхмероприятий………………………………………………………………………... 804.3. Выводы………………………………………………………………………... 91ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………. 93СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………. 97ПРИЛОЖЕНИЕ А. Список опубликованных научных работ М.М.

Уткина(лично и в соавторстве)………………………………………………………………. 1154ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. Увеличивающийся дефицит городскихи промышленных территорий приводит к тому, что инженерам все чащеприходится осваивать те строительные площадки, которые ранее браковались илиих освоение настоятельно не рекомендовалось. Параллельно с инженерностроительнымосвоениемплощадоксвероятнымпроявлениемопасныхприродных (карстовых) процессов необходимо развивать методы наблюдений,которые направленны на оперативное (ранее) выявление и дальнейшеепрогнозирование развития подземных и поверхностных карстовых деформаций.Это обстоятельство позволит своевременно выполнять проектирование иреализациюинженернойзащиты,благодарякоторойбудетобеспеченабезопасность зданий и сооружений [111].Протекание карстовых процессов неразрывно связано с динамикой ихразвития.

Динамику развития поверхностных карстовых форм рельефа, наряду страдиционными способами, предлагается определять с помощью беспилотныхлетательныхаппаратов(БПЛА).Такойкомплексныйподходактивнопрактикуется за рубежом. Раннее выявление и динамику дальнейшего развитияподземных карстовых деформаций, особенно в условиях глубокого карста,предложено оценивать с помощью глубинных (подземных) реперов. Такие репераактивно применяются за рубежом, в частности в Германии и Южной Африке.Наоснованиикарстопроявленийдинамикистановитсяразвитиявозможнымповерхностныхвыполнениеиподземныхпространственно-временного прогнозирования их проявления в сжимаемой толще (активной зоне)основания объектов.

Результаты такого прогноза предлагается использовать вкачестве исходных данных при оценке карстовой опасности площадок идальнейшей разработке комплекса защитных (противокарстовых) мероприятий.Такимобразом,настоящееисследованиеявляетсяактуальным,востребованным, так как оно ориентировано на достижение новейших научныхрезультатов. Их внедрение в инженерную практику, в конечном счете, будет5способствовать существенному повышению безопасности зданий и сооружений,возводимых на карстоопасных территориях.Тема диссертационного исследования соответствует паспорту выбраннойнаучной специальности – 25.00.36 Геоэкология (строительство и ЖКХ), п. 5.11:Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных итехноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска,управлениериском,мероприятияпоснижениюпоследствийгеокатастрофических процессов, геоинженерная защита территорий, зданий исооружений.Степень разработанности темы исследования.

Разработка и внедрениебеспилотных летательных аппаратов в инженерную практику – сложнаямногоаспектная задача, требующая слаженной работы специалистов многихпрофессий. Поэтому, как правило, указанная задача решается группой ученых.Среди отечественных и зарубежных групп исследователей можно отметитьследующие: А.И. Захаров, Н.В. Иванов и А.В. Студеникин (2012); В.К. Барбасов,Н.М. Гаврюшин,Д.О.

Дрыга,М.С. БатаевиА.Е. Алтынов(2012,2013);Е.К. Никольский, Н.Ю. Королев (2015); J.B. Stoll, D. Moritz, R. Erroes, B. Tezkan,R. Bergers (2014); M. Francioni, R. Salvini, D. Stead, R. Giovannini, S. Riccucci,C. Vanneschi, D. Gulli (2015); R. Salvini, G. Mastrorocco, G. Esposito, S. Di Bartolo,J.

Coggan, C. Vanneschi (2018) и др. Однако в трудах отечественных ученых внедостаточной мере освещен вопрос практического внедрения БПЛА длявыполнения наблюдений за развитием опасных природных (инженерногеологических) процессов, в особенности карста.Опыт проектирования и внедрения в инженерную практику подземныхреперов, к сожалению, изложен только в зарубежных работах следующихисследователей: J.E. Jennings (1966); A.B. Brink (1984); F. Reuter, V.V. Tolmačёv etal.

(1990). Здесь необходимо отметить небольшое количество научно-техническихпубликаций.Положения и накопленный практический опыт по оценке опасностикарстовых деформаций и разработке противокарстовых мероприятий для вновь6возводимых и существующих объектов изложены в трудах отечественных изарубежных ученых: Н.З. Готман, В.С. Крашенинникова, И.А. Саваренского,В.В. Толмачева, Г.М.

Троицкого, В.П. Хоменко, F. Reuter, G.F. Sowers и др.В настоящее время рассматриваемая тема исследований «Динамикаразвития подземных и поверхностных проявлений карста и методика оценки ихопасности» – разработана в недостаточной степени.Цель исследования – динамика развития подземных и поверхностныхпроявлений карста и разработка методики оценки их опасности, на основаниирезультатов которой возможно выполнить назначение рационального комплексапротивокарстовых мероприятий для объектов промышленного, гражданского итранспортного строительства.Задачи исследований, которые решались для достижения поставленнойцели, заключались в следующем:- анализ нормативно-методических документов и научно-техническихпубликаций по наблюдению за карстовыми формами рельефа, выявлениюподземныхкарстовыхдеформацийиоценкеопасностиуказанныхкарстопроявлений;- исследованиединамикиизменениянапряженно-деформированногосостояния покровной толщи грунтов при проявлении карстовых процессов;- изучение динамики развития поверхностных карстовых форм рельефа;- анализ и обобщение основных положений по динамике развитияподземных и поверхностных карстовых деформаций, оценке их опасности, атакже по дальнейшему учету полученных результатов при разработке комплексапротивокарстовых мероприятий.Объект исследования – динамика развития подземных и поверхностныхпроявлений карста.Предмет исследования – методика оценки опасности подземных иповерхностных карстопроявлений.Методология исследований базируется на детерминистическом подходе,который заключается в эмпирической проверке выдвинутой гипотезы о том, что7развитие подземных и поверхностных карстовых деформаций сопровождаетсяизменениямигрунтов.напряженно-деформированногоЭтообстоятельствосостояниядоказываетсяпокровнойтолщитеоретическимииэкспериментальными методами.

Теоретические доказательства основаны насуществующих механизмах формирования карстовых деформаций, которыепредусматривают указанные изменения в покровной толще. Экспериментальныедоказательства базируются на результатах физического моделирования карстовыхпроцессов и на результатах полевых наблюдений за развитием карстовых формрельефа, в т.ч. с применением беспилотного летательного аппарата.Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:1) Новая методика оперативного выявления и дальнейшего наблюдения задинамикойформированияподземныхкарстопроявленийспомощьюразработанной системы глубинных реперов, правомерность практическогоприменения которых подтверждена результатами лабораторного физическогомоделирования.2) Новая методика полевого наблюдения за динамикой эволюционногоразвития поверхностных карстовых форм рельефа с применением беспилотныхлетательных аппаратов, целесообразность использования которых показана наконкретном практическом примере.3) Впервыесформулированыосновныеположенияпоназначениюрационального комплекса карстозащитных мероприятий с учетом аспектов,характеризующихвероятностно-статистическиеособенностикарстовыхпроцессов, динамику формирования подземных карстопроявлений, эволюционноеразвитие поверхностных карстовых форм рельефа и строительные параметрыобъектов.Положения, выносимые на защиту:1.