Диссертация (1141548), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Основные причины возникновения карстовых провалов [113]Генетические типы проваловФакторы, инициирующиепровалообразованиеА1 А2а А2б БВ1 В2Расширение полости или трещиныкарстующихся породах вследствие их++++00растворенияОтток воды из карстующихся пород0++–+0Приток воды в карстующиеся породы0––+––Отток воды из пород покровной толщи0–0–Приток воды в породы покровной толщи0+0++Динамические воздействия на горные++++++породыОткрытая экскавация горных пород++++++Примечание к таблице: знак «+» означает, что фактор служит причинойобразования провала данного типа; знак «0» означает, что он, как правило, неможет выступать в этой роли; знак «–» означает, что он противодействуетобразованию провала указанного типа.
Отсутствие знака означает, что фактор нереализуется в условиях формирования провалов данного типа.В первом случае выявить указанные нарушения сплошности водоупора припроизводстве инженерных изысканий практически невозможно в виду ихнезначительных размеров. Однако с инженерной точки зрения размеры такихнарушений не оказывают существенного влияния на прогнозируемые параметрыкарстовых деформаций [112, 113, 117].Второй случай рассмотрим подробно. Одним из первых процессыразрушения водоупора над полостью изучил д.г.-м.н.
А.В. Аникеев. На основаниипроведенных экспериментальных исследований им было выделено две формыразрушения водоупора [3].Перваяформа,именуемаяклассическиммеханизмомразрушения,заключается в прогибе глинистого слоя внутрь полости. В результате этого в немвозникают сквозные трещины или образуется свод обрушения. На механизм и,соответственно, параметры разрушения оказывают влияние прочностные идеформационные характеристики слоя, а также качественно сказывается31безразмерный параметр m/d, представляющий собой отношение мощностиводоупора m к ширине полости d (рисунок 2.5).
Влияние подземных вод не можетизменить характер рассматриваемого процесса, а может отразиться лишь накритическомзначениипараметраm/d.А.В. Аникеевымотмечается,чтоклассический механизм «достаточно универсален, хорошо изучен, реализуетсянад довольно большими ослабленными участками, и для его аналитическогоописания пригодны теории оболочек, плит и сводов». Так, расчеты надежности(устойчивости)водоупораприm/d < 0,25предлагаетсявыполнятьсиспользованием формул «балочек», а в интервале 0,25 ≤ m/d ≤ 1 – формул сводовобрушения. Кроме того, на основании экспериментальных исследованийотмечается,чтоприm/d ≈ 1применениеформулсрезаводоупорапокруглоцилиндрической поверхности, как это предложено осуществлять в работе[53], возможно только в том случае, если глинистые породы уже находятся враздробленном состоянии.Рисунок 2.5.
Первая форма разрушения/деформирования водоупора надполостью [3] в зависимости от консистенции глинистых грунтов (а –мягкопластичные, б – тугопластичные, в – полутвердые, г – твердые) и значенийпараметра m/d (д-ж). Стрелками показана сплошная равномерно распределеннаянагрузка, пунктиром – возможные трещиныВторая форма, названная случайным гидроразрывом,протекает вглинистых грунтах, степень водонасыщения которых близка к единице.
Механизм32разрушения водоупора заключается в том, что в случае снижения напоратрещинно-карстовых вод ниже критического уровня практически мгновеннопроисходит «отстреливание» кусков глины от подошвы слоя и образование в немсистемы трещин. При этом над небольшими полостями видимых изгибныхдеформаций слоя, вследствие протекания обоих указанных процессов, ненаблюдается (рисунок 2.6). В конечном счете, когда водоупор достигнетнекоторого предела прочности, он обрушится в полость.Рисунок 2.6.Вторая форма разрушенияводоупора над полостью [3]. Схема действующихнапряжений в подошве глинистого слоя: σw –избыточное поровое давление; σ1 и σ2 –напряжения, обусловленные наличием полости;σ* – эффективное напряжение.
H и H0 – уровнигрунтовыхитрещинно-карстовыхвод.Остальные обозначения см. на рисунке 2.7В противоположность второй форме существует третья форма разрушенияводоупора,изложеннаявработеВ.С. Истоминой,В.В. БуренковойиГ.В. Мишуровой [37]. Она реализуется при повышении уровня трещиннокарстовых вод выше подошвы слоя.
В результате этого происходит егозамачивание и набухание, которое приводит к отслаиванию глинистых частиц(рисунок 2.7).Рисунок 2.7. Третья форма разрушенияводоупора над полостью [37]. Условныеобозначения: 1 – уровень трещиннокарстовых вод; 2 – заполненная водойполость, расположенная в карстующихсяпородах; 3 – водоупор, сложенныйглинистыми породами33Разумеется, это далеко не все возможные механизмы формированиякарстовых деформаций.
Следует отметить, что каждый из них по-своемууникален, имеет свои достоинства и недостатки. Отдельного внимания такжезаслуживают следующие обстоятельства:1. Оригинальный подход к прогностической оценке параметров карстовыхдеформаций, образующихся вследствие вывала глинистых грунтов над полостью,был предложен д.т.н. Г.П. Постоевым [61, 62].
Используя широко известныерешения для оценки устойчивости откосов и склонов, им разработанагеомеханическая модель возникновения провала и мульды оседания в массивепород над полостью.2. Впрактикеинженерно-строительногоосвоениязакарстованныхтерриторий широкое распространение получил механизм провалообразования,основанный на равновесии многослойного круглоцилиндрического столба грунта,зависающего над полостью (или системой близко расположенных полостей).
Придостиженииполостьюпредельного(критического)размера,происходитсдвижение (срез) столба грунта по круглоцилиндрической поверхности сформированием на земной поверхности или в основании сооружения карстовогопровала (рисунок 2.8) [43, 50, 52, 64, 67, 88, 89, 103, 110, 112, 120, 122]. Несмотряна иногда существенную критику такого механизма провалообразования состороны некоторых исследователей (в частности д.г.-м.н. А.В. Аникеева [4, 5] ик.г.-м.н. А.Д. Кочева [41]), он неоднократно показывал свою состоятельность напрактике, даже в условиях глубокого карста. Так, на некоторых территорияхг. Дзержинска Нижегородской области диссертантом было получено, чтонаилучшее совпадение средних диаметров карстовых провалов, определенных наосновании детерминистических расчетов и фактических статистических данных,обеспечивается за счет применения геомеханических методов, базирующихсяименно на равновесии круглоцилиндрического столба грунта.34Рисунок 2.8.
Механизм возникновения карстовогопровала, основанный на равновесии многослойногокруглоцилиндрического столба грунта [89, 122] (снекоторыми дополнениями диссертанта). Условныеобозначения: Gn – внешняя нагрузка, действующаяна цилиндр грунта ABCD весом G; Fc и Ff – силысцепления и трения, возникающие по боковойповерхности грунтового цилиндра; h0 – высотапришедшего в движение блока грунта (высотацилиндра); d0 и dв – прогнозный диаметр провала иворонки; Sobs – видимая глубина провалаНа основании всего сказанного в текущем разделе, можно сделать вывод,что напряженно-деформированное состояние в первую очередь покровной, атакже карстующейся толщи пород зависит от механизма (стадии) формированиякарстового провала. При этом размеры провала, определенные для каждоговозможного его механизма (генетического типа), между собой, как правило, оченьсильно различаются [110, 113]. Поэтому анализу и выбору механизмовпровалообразования следует уделять повышенное внимание на всех стадияхжизненного цикла зданий и сооружений.2.2.
Изучение напряженно-деформированного состояния покровной толщинесвязных грунтов над карстовой полостью2.2.1. Обзор существующих методов моделирования карстовых деформацийКакбылосказаноранее,карстовыепроцессыявляютсятруднопрогнозируемыми. Возникающие трудности связаны со многими причинами, вчастности с установлением механизма провалообразования, который наиболеевероятенвконкретныхгеотехнических(инженерно-геологическихистроительных) условиях. Для решения данной задачи в нашей стране и за35рубежом достаточно широко применяется моделирование карстовых деформаций,которое может быть математическим и физическим.Математическоемоделирование.Наиболеераспространеннойегоразновидностью является численное моделирование механизма формированиякарстовых деформаций, которое в настоящее время, как правило, выполняется спомощью различных геотехнических программ, базирующихся на методеконечных элементов (МКЭ).
При этом в расчетах используются разнообразныемодели поведения грунтов, наиболее распространенными из которых являютсямодели Мора-Кулона и Hardening soil (упрочняющегося грунта).Основным достоинством указанного метода моделирования является егоменьшая трудоемкость по сравнению с физическим моделированием [19]. Однакоу него имеются и недостатки. Первый недостаток численного моделированиязаключается в имеющихся ограничениях МКЭ, основное из которых состоит втом, что сетка конечных элементов характеризуется неразрывностью исплошностью [9], а карстовые деформации сопровождаются возникновениемразрывов в грунте и, соответственно, нарушением его сплошности (см.раздел 2.1).
Для карстово-обвальных процессов, возникающих в глинистыхгрунтах, указанный недостаток, хотя и достаточно трудно, но возможно устранитьза счет добавления в расчетную схему дополнительных контактных элементов,которые исключаются в процессе выполнения расчета. Такой подход, например,широко практикуется д.т.н., проф. Н.З.
Готман [20, 22]. То же самоеобстоятельство, но с рядом условий, в целом справедливо и для песчаныхгрунтов. Намного хуже дела обстоят в том случае, если в развитии карстовыхдеформацийучаствуютсуффозионныепроцессы,посколькумеханизмобразования карстово-суффозионных деформаций, определенный на основаниичисленных экспериментов, сильно отличается от механизма их возникновения,установленного исходя из физического моделирования [4, 5, 112, 113].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
