ПНИИИС Госстроя СССР

Рекомендации

по использованию инженерногеологической информации при выборе способов

противокарстовой

защиты

Сгр.

Введение .................................. 3

1.    Основные положения............................ 6

2.    Основные сведения о природе карстового процесса......... 7

3.    Противокарстовая защита и условия ее применения.........    35

4.    Характерные ошибки при использовании инженерно-геологи

ческой информации в процессе выбора противокарстовой защиты.................................... 43

5.    Использование инженер но-гео логической информации при вы

боре противокарстовой защиты на стадии принятия архитектурно-планировочных решений...... 48

6.    Определение расчетного размера карстового провала для про

ектирования фундаментов....... 59

7.    Оценка эффективности противокарстовой защиты.......... 64

Приложение 1. Использование инженерно-геологической информации при составлении проектов тампонажа карстовых полостей (опыт института Гидроспецпроект)................ 68

Приложение 2. Метод определения диаметра карстовых провалов с учетом нагрузки от сооружений.................. 70

Приложение 3. Методы дифференцирования закарстованных

территорий по интенсивности карстовых провалов........... 73

Приложение 4 Методы определения направления провального гцюцесса и ориентации поля провалов ................ 78

Нормативно-производственное издание 1ИИИС Госстроя СССР

1 )МЕНДАЦИИ

г ользованию > е*фно-геологической * змации при выборе • к 'оов противокарстовой ы

ция инструктивно-нормативной литер л <ы редакцией Л.Г. Б а л ь я н тактор М. В. Никольская ■ ред актор Л. И. Месяцева гичоский редактор И. В. Полова ,оре» тор В.И. Галюзова } т*

Т — 082э. Формат 84 х 108 1/32 Печать офсетная    Усл.печ.л.    4,20

5,01 Тираж 5000 экз. Изд. № XII- 742

•W ^галяевская, 23а

1ИИ* ^ ЛРОМА а, ул. С.#.*. :нко, 14

Продолжениетабл. 1 Тип карста    ^    Характеристика

Неглубокий карст    Карстовые    формы    можно    фикси

ровать с достаточной надежностью современными геофизическими методами

Механизм карстовых деформащй

2.2.    Под механизмом карстовых деформаций понимается совокупность рассматриваемых последовательно во времени н в пространстве процессов сдвижения горных пород над подземными карстовыми формами, размеры которых и состояние изменяются вследствие растворения, кольматации и декольматации полостей и трещиноватых зон, изменения напряженного состояния и свойств горных пород.

2.3.    Механизм карстовых деформаций в значительной мере определяет выбор как самих принципов проти-вокарстовой защиты, так и отдельных ее видов.

2.4.    Механизм карстовых деформаций зависит от многих естественных и техногенных факторов. Большое влияние на него оказывают особенности региона: гидрогеологические условия, состав, растворимость, трещиноватость, физико-механические характеристики пород, изменяющиеся даже на сравнительно небольших по площади территориях.

2.5.    Механизм развития карстовых полостей из-за растворения (коррозии) и эрозии горных пород в настоящее время изучен крайне недостаточно. Однако он существенным образом не влияет на механизм развития деформаций грунтов над карстовыми полостями.

2.6.    Под критическим размером полости понимается ее ширина (2й_х), при которой происходит частичное или полное обрушение ее кровли.

Характер деформаций кровли полости при достижении ею критической ширины 2Ь_К практически не зависит от глубины ее расположения (Я) при 6_К<Я (рис. 1) и определяется в основном состоянием и механическими характеристиками грунтов кровли. При этом обрушение грунтов над полостью происходит с образованием сводов. При небольшой мощности кровли это проявляется в образовании наклонных трещин на приопорных участ-

9

Рис. 1. Характер деформаций пород кровли полости а - кровля полости сложена скальными грунтами; б -кровля полости сложена глинистыми грунтами; в — вывал отдельных блоков; г - обрушение консолей 1

1 — первичный свод в покровной толще; 2 - трещина на приопорных участках

ках, при достаточно большой мощности очертание сводов близко к параболе.

В скальных грунтах развиваются хрупкие деформации, в глинистых — пластические деформации.

При Ъ_К>Н очертание сводов обрушения устанавливается при необходимости экспериментальным путем. Выявлена следующая закономерность появления деформаций грунтов кровли полости: критический размер полости тем больше, чем больше мощность кровли m и расстояния между горизонтальными трещинами &.

При этом в глинистых грунтах эта закономерность проявляется значительно слабее чем в скальных.

ю

2.7.    Вертикальная трещиноватость пород кровли полости существенно влияет на величину критического пролета. Поэтому для прогнозирования устойчивости кровли необходимо знание точного месторасположения вертикальных трещин в кровле полости.

Следует иметь в виду, что деформации пород кровли могут проявляться в виде вывалов отдельных блоков или обрушения консолей. В большинстве случаев примерно в середине поперечного сечения полости имеется вертикальная трещина, величина раскрытия и закольматированность которой характеризуют силу трения между блоками породы и механизм обрушения кровли полости.

2.8.    При выходе карстовой полости (вследствие растворения, эрозии или обрушения ее кровли) на контакт с неводонасыщенными нескальными грунтами в последних образуются своды обрушения. При определенных условиях они могут выйти на поверхность земли.

В процессе дальнейшего расширения полости в толще грунтов дискретно образуются последовательные своды (первичный, вторичный, третичный и т. д.). При этом каждый последующий свод оказывается более крутым, чем предыдущий, а очертание сводов меняется от параболического к эллиптическому.

2.9.    На очертания сводов в покровных нескальных грунтах оказывает влияние также время, в течение которого происходит расширение полости в их основании. При мгновенном расширении полости (обрушение кровли, выпадение отдельных блоков) своды в грунтах оказываются более крутыми, чем при медленном росте ширины полости.

2.10.    На развитие деформаций водонасыщенных песчаных грунтов, перекрывающих подземные карстовые формы или сквозные нарушения сплошности региональных или локальных водоупоров, помимо поля гравитационных сил оказывает влияние поле гидродинамических сил, которое проявляется в местах нарушения стабильного фильтрационно-гидродинамического режима. В условиях покрытого карста такое нарушение может быть вызвано внезапным проявлением гидравлических связей между ранее разобщенными горизонтами трещиннокарстовых и надкарстовых вод вследствие развития и роста подземных карстовых форм и разрушения водоупоров, представляющих собой кровлю карстовых полостей.

и

2.11.    При определенных обстоятельствах водонасы-рхенный грунт может приобретать свойства вязкопластичной массы и способность к истечению через отверстия и щели. В условиях развития карстовых деформаций это явление может наблюдаться при потере грунтом несущей способности вследствие его разжижения или гидравлического разрушения подземным потоком. Процесс истечения (при отрыве частиц грунта друг от друга) аналогичен процессу истечения сухого песка; разжиженный песок принимает над сквозным нарушением в водо-упоре положение естественного откоса. Воронка с углами откоса наблюдается также и на поверхности водонасыщенного песка.

При постоянной ширине полости и различной мощности зоны насыщения своды обрушения в песках как бы вытягиваются вслед за поверхностью грунтовых вод и начинают терять параболические очертания, приближаясь к эллипсовидной форме. Решающим фактором, влияющим на конфигурацию сводов обрушения, является отношение мощности зоны насыщения к ширине полости (критерий, отражающий интенсивность гидродинамического воздействия). При некоторой весьма малой величине этого отношения свод обрушения имеет очертания и параметры параболы, не отличающейся от контура свода обрушения в неводонасыщенных грунтах.

Если ширина карстовой полости, перекрытой водонасыщенными песками, становится меньше некоторой критической величины, гравитационное обрушение грунта исключается.

В этом случае в покрывающих отложениях при появлении сквозного нарушения сплошности водоупорного слоя, отделяющего трещинно-карстовые воды от над-карстовых, начинают развиваться карсто-суффозионные процессы, состоящие из: ползучего разжижения водонасыщенного песка и истечения разжиженной массы, фильтрационного разрушения, вязкопластичного истечения грунта в пределах зон фильтрационного разрушения и гравитационного обрушения грунтов зоны аэрации и насыщения.

2.12.    Особенности деформаций (сдвижений) водонасыщенных грунтов в карстовые полости и в трещины показаны в табл. 2.

2.13.    При внезапном образовании достаточно крупного сквозного нарушения в водоупоре (обрушение кровли полости, вывалы отдельных блоков) размеры полости разжижения увеличиваются до тех пор, пока над ней

12

не произойдет внутренний вывал грунта (рис. 2). В результате в зоне насыщения образуется первая полость обрушения, которая быстро заполняется поступающей вверх водой. Обвальная полость постепенно разрушается, а на ее месте формируется новая, более широкая полость разжижения, которая разрушается так же, как и первая, вследствие вывала грунта внутри свода обрушения больших размеров. Таким образом, происходит последовательное скачкообразное продвижение вверх сменяющих друг друга полостей разжижения и обрушения все более крупных размеров в плане, пока очередная полость разжижения не достигнет в своей верхней части пролета, достаточного для выхода обрушения на поверхность грунтового массива. При этом уровень грунтовых вод над полостью повышается из-за восходящей фильтрации, возникающей при отжатии воды из полости вследствие заполнения ее материалом обрушения.

2.14. В процессе обрушения грунтов в нижележащие полости на всех стадиях развития карстовых деформаций в грунтовой толще происходит процесс самоликвидации полостей из-за разрыхления обрушивающихся грунтов. Степень разрыхления зависит от типа грунтов, степени их раздробленности и вертикального размера полости. Грунты с меньшей связностью и большей раздробленностью обладают меньшей степенью разрыхле-

Рис. 2. Характер деформаций водонасыщенной толщи грунтов при внезапном образовании крупного сквозного нарушения в водоупоре

13

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС) ГОССТРОЯ СССР

Рекомендации

по использованию инженерногеологической информации при выборе способов

противокарстовой

защиты

Москва Сгрониздат 1987

УДК 624.131.542:551.442

Рекомендованы к изданию решением Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по использованию инженерно-геологической информации при выборе способов противо-карстовой защиты /ПНИИИС. — М.: Стройиздат, 1987. — 80 с.

Приведен перечень видов противокарстовой защиты и условий их применения в промышленном и гражданском строительстве. Показаны характерные ошибки, встречающиеся при выборе способов противокарстовой защиты из-за недостаточного использования инженерно-геологической информации. Представлены способы учета этой информации при выборе противокарстовой защиты.

Для инженерно-технических работников, занятых инженерными изысканиями и проектированием зданий и сооружений.

Табл. 9, ил. 27.

3202000000 - 277

Р---------------Инструкт*нормат„    I    вып.    -94-86

047 (01) - 87

ВВЕДЕНИЕ

Закарстованные территории занимают значительную часть территории СССР. Поэтому в связи с постоянно возрастающими объемами капитального строительства, дефицитом свободных для строительства территорий, а также существенным влиянием современной технологии на интенсивность карстовых процессов освоение закарстованных территорий в СССР является весьма актуальной народнохозяйственной задачей.

Проблема защиты зданий и сооружений от вредного влияния карста является достаточно сложной, требующей глубокого понимания природы карстового процесса, знания степени ответственности защищаемого объекта и основных его параметров. Объемы противокарстовой защиты в различных условиях могут существенно отличаться. В некоторых случаях выполнять ее нецелесообразно, в других же стоимость противокарстовых мероприятий может составлять более десяти процентов сметной стоимости проектируемого объекта.

Таким образом, проблема противокарстовой защиты является не только технической или инженерно-геологической, но и экономической.

В сРекомендациях по проектированию зданий и сооружений в карстовых районах СССР» (М., ПНИИИС, 1967) были впервые определены сферы применения различных способов противокарстовой защиты планировочного, геотехнического и конструктивного характера, что позволило в значительной степени упорядочить выбор видов противокарстовой защиты. Однако в этих Рекомендациях не указано, каким образом следует непосредственно использовать ту или иную инженерно-геологическую информацию. Используя эти Рекомендации ввиду отсутствия нормативного документа по выбору противокарстовой защиты, многие изыскательские и проектные организации не учитывают в должной мере природу карстового процесса и необходимых его параметров при выборе противокарстовой защиты, что часто приводит к серьезным ошибкам.

Следствием этих ошибок является или недостаточная противокарстовая защита, приводящая к авариям или

з

повреждениям зданий и сооружений под действием карстовых деформаций, или же, наоборот, их излишняя защита, которая вызывает повышение стоимости строительства. И то и другое влечет за собой существенные экономические потери.

Таким образом, решение задачи повышения эффек. тивности инженерной защиты строящихся и эксплуатируемых объектов от вредного влияния карстовых процессов является весьма актуальной.

Под эффективностью противокарстовой защиты понимается соотношение между фактически достигнутым и нормированным в зависимости от степени ответственности сооружения и расчетного срока его службы значением определенных параметров (фактической и допустимой надежностью, величиной вероятного ущерба и капиталовложениями в противокарстовую защиту, фактическим и нормированным коэффициентом опасности полости и т. д.).

Реализация эффективных решений противокарстовой защиты возможна лишь при условии рассмотрения вопросов изысканий, оценки карстоопасности и проектирования, а также технологии строительства и эксплуатации зданий и сооружений в рамках единой системы.

Сложность природы карстового процесса и многообразие видов противокарстовой защиты требуют взанмо-увязанности действий при проведении изысканий и проектировании и своевременного взаимного корректирования.

В связи с этим в настоящих Рекомендациях приведены основные сведения о природе карстового процесса с точки зрения назначения видов противокарстовой защиты и их инженерно-геологическая классификация. Эта классификация ни в коей мере не противоречит инженерно-строительной классификации, приведенной в «Рекомендациях по проектированию зданий и сооружений в карстовых районах СССР» (М., ПНИИИС, 1967). Принцип построения классификации позволяет использовать ее непосредственно как при изысканиях, так и на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации, особенно при организации комплексной инженерной защиты.

При подготовке Рекомендаций было проанализировано большое число заключений по изысканиям в карстовых районах и проектов промышленных гражданских и транспортных объектов, расположенных на закарсто-

ванных территориях, а также зарубежные публикации по этим вопросам (ГДР, Франция, ФРГ, США и др.).

Рекомендации по использованию инженерно-геологических информаций при выборе видов противокарстовой защиты планировочного и конструктивного характера и оценке их эффективности подготовлены по материалам исследований, выполненных в основном в карстовой лаборатории ПНИИИС (г. Дзержинск).

В работе принимали участие сотрудники ПНИИИС: канд. техн. наук В.В. Толмачев (разд. 1—7), канд. геол.-минерал. наук В.П. Хоменко (разд. 2), инженеры В.Б. Сорокина (разд. 4), О.Б. Нещеткин (прил. 3, 4), а также инж. Г.М. Троицкий (НИИОСП) — разд. 3, 6, прил. 2, канд. техн. наук Ю Д. Черты ков (Гидроспец-проект) — прил. 1.

Рекомендации разработаны под общей редакцией канд. техн. наук В. В. Толмачева.

Замечания и предложения просим направлять по адресу: 606023, Дзержинск, Горьковская обл., ул. Маяковская, 33. Карстовая лаборатория ПНИИИС Госстроя СССР.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие Рекомендации могут быть использованы при инженерных изысканиях и проектировании объектов промышленного и гражданского строительства, расположенных на закарстованных территориях. Часть положений справедлива также при изысканиях и проектировании объектов транспортного строительства.

1.2.    Рекомендации не распространяются на изыскания и проектирование гидротехнических сооружений, расположенных в карстовых районах.

1.3.    В Рекомендациях отсутствует описание защиты сооружений от карстовых деформаций путем тампонажа карстовых полостей. Опыт использования инженерно-геологической информации при составлении проектов тампонажа, накопленный Гидроспецпроектом Минэнерго СССР, изложен в прил. 1.

1.4.    В рекомендациях не излагаются вопросы, связанные с методикой получения в результате инженерных изысканий инженерно-геологической информации, используемой при выборе способов противокарстовой защиты.

1.5.    Под противокарстовой защитой понимаются специальные инженерные решения планировочного, конструктивного, строительно-технологического, эксплуатационного, геотехнического (в том числе гидрогеологического) характера, направленные на предотвращение или уменьшение последствий вредного влияния карстового процесса, выражающегося в образовании в основании зданий и сооружений тех или иных карстовых проявлений. В дальнейшем вместо термина «здания и сооружения» будет употребляться термин «сооружения».

6

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДЕ КАРСТОВОГО ПРОЦЕССА

Классификация карста

2.1. При определении способов противокарстовой защиты необходимо учитывать классификацию карста и некоторые характеристики его различных типов, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Тип карста    J    Характеристика

I. По растворимости карстующкхся пород под действием подземных вод (по литологии карстующкхся пород)

Карбонатный карст в трудиораство-римых породах с подтипами:

в известняках и доломитах    Размеры    отдельных    карстовых

форм, развивающихся в естественных условиях из-за растворения, практически неизменны в течение срока службы сооружения Мощности разрушенных зон и прослоев карбонатной муки крайне не выдержаны в плане. Карбонатная мука подвержена суффозионному выносу; ее несущая способность снижается при увлажнении

в мелу    Легкая    размыва    ем    ость.    Несущая

способность значительно снижается при увлажнении. Увлажненный мел может переходить в разжиженное состояние при динамическом воздействии

в пластических породах с кар- Несущая способность значительно бонатным цементом    снижается    при увлажнении

Сульфатный карст в средмерэство-воримых породах с подтипами: Размеры карстовых форм в ре в гипсах в ангидритах зультате растворения пород в течв ние срока службы сооружений мо гут существенно измениться

Хлоридный (соляной) карст в легкорастворимых породах с подтипами:

7

Продолжение таОл. / Тип карста    Характеристика

в каменной соли    Возможем    катастрофический рост

в калийной соли    карстовых    форм иэ-за растворе-

нив пород или при искусственном изменении режима подземных вод

2. По расположению карстующнхся пород относительно земной поверхности Открытый (голый) карст (не по сред- Наиболее опасны проявления ственно на поверхности или породы карста на поверхности земли, как задернованы)    правило, в виде провалов больших

размеров вследствие обрушения кровли полости

водопроницаемы    Обрушения    грунтов    в    полости    и

(или) суффозии в полости и (или) трещиноватые зоны

относительно уровня подземных вод В зоне аэрации    При техногенном изменении гид-

В зоне постоянного водонасыщения рогеологического режима в тече-В зонах аэрации и постоянного водо- ние срока службы сооружений насыщения    один тип карста может переходить

в другой

относительно активной зоны основания сооружения В активной зоне    Снижение    несущей способности

карстующихся пород в основании в течение службы сооружения может иметь существенное значение. Карстовые формы опасны для сооружений

Вне активной зоны    Карстовые    формы    в    карстующих

ся породах лишь потенциально опасны (характер и степень опасности определяются по результатам изысканий)

3. По глубине расположения потенциально опасных карстовых форм в карстующихся породах Глубокий карст    Карстовые    формы    невозможно    с

достаточной надежностью фиксировать современными геофизическими методами¹

1

Современные геофизические методы позволяют фиксировать карстовые полости, расположенные на глубине примерно до 20 м.