Расчет карста

1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

В строительной науке под карстовыми процессами (карст) принято считать растворение (выщелачивание) горных пород атмосферными или подземными водами и образованием на поверхности земли впадин, провалов или пустот, каналов, пещер под землей.

Исторически, слово карст произошло от названия известкового плато в районе Триеста в Словении.

В России карстовые процессы имеют широкое распространение. Так карст можно встретить в районах Приуралья, на Русской равнине, в Приангарье, в Сибири, на Кавказе и Дальнем Востоке.

К водорастворимым горным породам относятся доломиты, известняки, мел, сильноизвестковистый мергель, гипс, соль и пр.

2. ВИДЫ КАРСТА И КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Принято говорить о соляном карсте (хлоридный) при обнаружении карстовых пустот в залежах соли, о гипсовом (сульфатном) карсте при распространении карста в гипсе, о карбонатном карсте в известняках, доломитах, меле или мраморе.

На поверхности земли карст обретает самые различные очертания - канавки, борозды, щели или как еще их называют, в геологии - карры. При распространении таких карстов на больших площадях их называют карровыми полями.

Понорами называют глубокие карстовые щели, которые выводят поверхностные (атмосферные) воды в подземные бассейны.

Карстовые воронки являются наиболее распространенным карстовым проявлением. Размеры воронок в поперечнике, варьируются от 1м до 50м (по некоторым источникам до 100м). Глубина воронок от 1м до 20м. Принято различать поверхностные и провальные воронки. Поверхностные образуются за счет растворения пород атмосферными водами. Провальные воронки формируются в результате обрушения скальных пород над подземными пустотами.

карстовые воронки карстовый провал

Полья формируются при объединении карстовых воронок или опускании больших территорий земной поверхности. По длине полья достигают несколько километров, а по глубине несколько метров.

Каверны образуются при растворении пород в области многочисленных трещин.

карстовые каверны

Пещеры образуются в результате эрозионных процессов, процессов обрушения пород, механической суффозии и процессов растворения. Пещеры могут достигать огромных значения в поперечнике и их длина достигает нескольких десятков километров.

Известны случаи когда при формировании больших карстовых форм исчезали целые реки и озера с поверхности земли.

В геологической практике, по расположению, различают карст открытый и скрытый.

Для выбора площадки строительства и разработки безопасных проектно-технических решений устройства фундаментов важным фактором является степень активности карстовых процессов. В связи с этим различают активный и пассивный карст. При активном карсте степень закарстованности увеличивается. Пассивный карст (древний карст) развивался в прошлом. В таком карсте отсутствует свободное и интенсивное движение воды и он содержит продукты выноса смежных пород.

Одним из наиболее существенным карстовым процессом является процесс растворения. Вода, содержащая углекислоту (СО₂), движется по трещинам и крупным тектоническим разрывам, растворяет известняки и насыщается бикарбонатом кальция Са (НСО₃)₂. При выходе из трещины часть углекислоты из воды выделяется, в связи с чем бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСО₃), образуя в карстовых пустотах характерные натечные формы известняка в виде сталактитов. На дне пещер навстречу сталактитам постепенно поднимаются сталагмиты. При соединении сталактитов и сталагмитов образуются колонны.

сталактиты в карстовых пещерах

Карстовые воронки.

3. УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ КАРСТА

Самым существенным фактором в развитии карста является объем воды проходящий через определенное сечение породы в единицу времени. Скорость прохождения воды зависит от размера карстовых пустот. Т. е. чем больше скальные породы имеют карстовых пустот, тем интенсивнее происходят процессы по карстообразованию. Также, необходимо добавить, что сам по себе факт наличия воды в карстующихся породах еще не говорит о процессах карстообразования, т.к. в состоянии покоя вода, через некоторое время, достигает определенной степени насыщения и неспособна к дальнейшему растворению пород. Процессы карстообразования имеют вертикальную зональность, т.е. интенсивность развития карста на разных глубинах различна. Это объясняется плотностью сложения грунтов, коэффициентом фильтрации и дренирования, с глубиной прекращаются биологические процессы.

Карстовый процесс продолжается до уровня расположения водоупора или подземных вод, где останавливается или значительно снижается разрушительное (коррозионное) воздействие воды. Такой уровень называют базисом коррозии.

Насыщенные карстовые воды попадая в некарстующиеся породы выделяют различные вещества, такие как, кальцит. Такие зоны в скальных породах называют зонами цементации, т.е. зоны в которых происходят процессы накопления и упрочнения пород.

Не малую роль в условиях развития карста играют перекрывающие скальные породы. Например при расположении глинистого грунта над карстообразующими породами способствует снижению развития карста за счет процессов суффозии и кольматации.

В большей степени карст развивается в условиях расчлененного рельефа и влажного климата, способствующего поступлению воды (инфильтрации) в горные породы. Например установлено, что на территории Урала до 50% карбонатных солей выносится водами в весенний период.

Влияет на развитие карста и растительный слой. С одной стороны густая растительность является барьером для попадания атмосферных вод в скальные массивы, с другой стороны растительность насыщает воду свободной СО₂ и увеличивает ее растворяющую способность.

Как уже было сказано, скорость развития карста отличается в зависимости от слагающих пород. Так например, развитие трещин в известняках за столетний период может достигать 50см.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАРСТА

Действующее законодательство в строительстве запрещает проектирование и строительство на территориях развития карста без проведения комплекса инженерно-геологических работ по исследованию карста.

В качестве обязательных инженерно-геологических работ для целей нового строительства современные нормы и правила в строительстве, предусматривают:

маршрутные наблюдения по выявлению карстовых процессов;
глубокое бурение (до 120м и более) с проходкой карстовых пород не менее 5м;
геофизические исследования карстовых пород;
изучение каменноугольных мощностей на наличие в них карста, раздробленных структур и тектонических зон;

При наличии покрывающей толщи карста изучают состав, состояние и водонепроницаемость (защитные свойства) слагающих грунтов. Особо опасны районы с перекрывающей толщей сложенной из гравелистых и песчаных грунтов, а также супесями. В несвязанных толщах грунтов возможно развитие карстово-суффозионных процессов с вмыванием грунта в карстовые полости и образования карстовых воронок на поверхности земли. Такие процессы могут проходить катастрофически быстро и являться причиной разрушения или выхода из строя зданий и сооружений.

При производстве изысканий на территориях распространения труднорастворимых карбонатных пород особое внимание уделяется выявлению сформировавшихся карстовых форм. Это обусловлено тем, что время для формирования новых карстовых образований в таких породах несопоставимо больше, чем жизненный цикл строительных объектов.

В сульфатных породах время развития карста сопоставимо со временем строительства и эксплуатации зданий и сооружений, поэтому необходимо исследовать такие породы не только на наличие, размер и распространенность карстовых полостей, но и на скорость и условия растворения этих пород.

В карстовых районах необходимо определять следующее:

геологическое строение грунтового массива;
литологический состав;
состояние и свойства пород;
гидрогеологические условия;
наличие проявлений карста.

Состав и объем работ по инженерно-геологическим изысканиям в районах распространения карстово-суффозионных процессах определяется программой изысканий, которая разрабатывается при участии геологов и проектировщиков.

При выполнении инженерно-геологических изысканий выполняют следующие комплексы работ по исследованию карста:

1. Сбор и анализ имеющихся архивных материалов.

Архивные материалы об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях района как правило, должны включать данные об особенностях геологического строения массива, геоморфологических и гидрогеологических условиях, данные о типе карстующихся пород, о типе карста, условиях залегания и распространения, глубине развития активного и пассивного карста, данные о покрывающих породах, гидрохимических условиях и пр..

Архивные материалы могут включать информацию об истории геологического развития территории, анализу палеогеографических данных, установлению стратиграфических перерывов в осадконакоплении. Также можно получить данные о наличии деформаций существующих объектов капитального строительства вызванных карстовыми процессами.

Архивные материалы особенно могут быть полезными при изучении фактов техногенного воздействия на территорию района строительства - загрязнении атмосферного воздуха, утечках из подземных коммуникаций, изменении химического состава, агрессивности и температуры поверхностных и подземных вод, водопонижениях при разработке и добыче полезных ископаемых или осушении земель, подтоплении при орошении земель и пр..

В результате анализа архивных материалов составляются схематические планы (карты) распространения карстующихся пород, с делением на опасные, потенциально опасные и неопасные территории по развитию карста.

2. Маршрутные наблюдения с карстологическим обследованием

Маршрутные наблюдения позволяют установить: поверхностного проявления карста, наличие гидрогеологических проявлений, приуроченность проявлений карста к геолого-тектоническим и геоморфологическим условиям, связанные с карстом деформации зданий, наличие водозаборов, подземных трубопроводов и гидротехнических сооружений оказывающих влияние на карст, наличие сооружений инженерной защиты.

При этом, в процессе таких работ может проводится опрос населения и сотрудников промышленных предприятий.

3. Наземные геофизические работы, скважинные геофизические исследования

Геофизические работы, как правило, должны выполняться на всех этапах инженерно-геологических изысканий на территориях распространения карстовых процессов.

В результате геофизических исследований решаются следующие задачи:

устанавливается мощность, состав и условия залегания покрывающих и карстующихся пород;
определяется глубина залегания уровня, направления и скорости движения подземных вод, устанавливается их минерализация, места питания и разгрузки;
определяется степень закарстованности и разрушенности пород, устанавливаются зоны разуплотнения, дробления и пр., дисперсных покрывающих пород;

При геофизических исследованиях могут быть использованы различные методы: электроразведка, сейсморазведка, гравиразведка, радиометрические и акустические исследования, резистивиметрия и термометрия поверхностных водоемов и колодцев, и другое.

По результатам таких работ составляются разрезы и карты глубин залегания карстовых пород, с указанием мощности и различных зон интенсивности проявления карста.

4. Бурение карстологических скважин

Необходимость, состав, глубина и расположение скважин регламентируется действующим строительном законодательством и уточняется в техническом задании и программе инженерно-геологических работ. При этом часть скважин предусматривается для изучения карста на больших глубинах (глубокие скважины), более 30м, но не менее чем на 5м в подстилающие или незакарстованные породы. В случае больших мощностей карстовых пород программой изысканий может быть обосновано не полное вскрытие таких пород.

Если покрывающая толща, преимущественно сложена глиной мощностью порядка 10м и более, то допускается не вскрывать карстующиеся породы. При этом должна быть изучена степень водопроницаемости защитной толщи.

При разработке геологических выработок (скважин), выполняются геофизические исследования (каротаж, межскважинное просвечивание), по методике описанной в программе изысканий.

Проходка скважин фиксируется в буровых журналах, с отражением каждого слоя, интервалов глубин провалов бурового снаряда и др.

5. Полевые исследования грунтов

В результате полевых исследований могут быть решены следующие задачи: отражение в геологической модели, зон покрывающих ослабленных и разуплотненных пород, определения свойств грунтов, изучение характера распространения карстующихся пород.

К полевым методам исследования грунтов относятся методы статического и динамического зондирования, пенетрационно-каротажные и пр.

При определении прочностных и деформационных свойств грунтов выполняются работы (отбираются образцы) в пределах расположения карста и за его пределами, в ненарушенной зоне.

6. Гидрологические и гидрогеологические исследования

При изучении гидрогеологических условий района как правило, устанавливают распространение и условия залегания водоносных горизонтов, условия их подпитки, разгрузки и прохождения через грунтовые и скальные массивы, устанавливают гидрохимическую и гидродинамическую распространенность. Важное место в этих исследованиях это установление взаимосвязи поверхностных и подземных вод и влияние техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий. На этом этапе всегда выполняются лабораторные анализы отобранных проб подземных и поверхностных вод по определению химического состава и растворяющей способности по отношению к карстующимся породам. При гидрогеологических исследованиях выполняют работы по определению фильтрационных свойств пород и установлению гидрогеологических параметров:

коэффициент фильтрации;
водопроводимость;
уровнепроводимость;
водоотдача;
удельное водопоглащение;
избыточные напоры;
градиенты вертикальной фильтрации.

При соответствующем обосновании или требованиях Технического задания, на этапе гидрогеологических исследований могут проводиться работы по составлению прогноза изменения гидрогеологических условий в процессе строительства или эксплуатации объекта.

7. Лабораторные исследования и камеральные работы

При лабораторных исследованиях грунтов выявляют физико-механические, химические характеристики грунтов, выявляют их структуру. Для карстующихся пород, необходимо выявление минералого-петрографического состава пород, выявляют общее содержание органических веществ, их способность к растворению в воде.

При этом возможно использование следующих методов:

общий и спектральный анализ;
водные и кислотные вытяжки;
термические методы;
рентгеноструктурные;
микроскопические исследования
прочее.

Камеральные работы начинают выполняться на этапе полевых работ, а заканчиваются после выполнения лабораторных анализов. При этом осуществляют инженерное районирование территорий по условиям и степени развития карста и его проявлениям. При инженерном районировании территориям строительства присваиваются категории по интенсивности образования карстовых провалов и устойчивости территории относительно средних диаметров карстовых провалов.

Результатом камеральных работ является подготовленный отчет об инженерно-геологических изысканиях где приводиться комплексная оценка опасности развития карста.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО В КАРСТОВЫХ РАЙОНАХ

Проектирование и строительство в карстовых районах является очень сложным процессом так как он должен учитывать всю неопределенность геологической среды. Карстующиеся породы не являются надежным основанием и могут приводить к неравномерным деформациям и осадкам, а иногда и к разрушениям конструкций.

В процессе проектирования, а также строительства зданий и сооружений, необходимо учитывать вид карста и оценку территории по развитию карстовых процессов. Так необходимо понимать скорость развития карста в условиях строительства на территориях активного карста.

В соответствии с действующими нормами и правилами в строительстве в РФ, возведение зданий и сооружений на опасных карстовых территориях разрешается в исключительных случаях при определенном обосновании. Это же относится к строительству в зоне формирования старых карстовых воронок.

При строительстве в карстовых районах осуществляют ряд мер направленных на прекращение развития карста (инженерно-геологические) и инженерно-технические мероприятия направленные на сопротивление проявлениям карста:

Защита карстовых пород от опасных гидрогеологических процессов, воздействия поверхностных и подземных вод, посредством проектирования систем дренажей, формирования рельефов, формирования устойчивого растительного слоя, замены водопроницаемых слоев грунта и пр.;
Изменения структуры карстовых пород через нагнетание в пустоты жидкого стекла, цементационного раствора и др. материалов;
Выполнение комплексных инженерных расчетов учитывающих работу подземной и надземной частей здания на образование, в неблагоприятном месте, карстовой воронки;
Проектирование монолитных плитных фундаментов или фундаментов из жестких перекрестных лент, с выпуском консолей за пределы расчетного диаметра карстовой воронки. В случае устройства свайных фундаментов их предусматривают выскальзывающими;
Проектирование систем автоматических сигнализаций;
Разработка мероприятий по усилению транзитных коммуникаций, устройство запорной арматуры вне зданий и пр.;
Разработка специализированной инженерно-технической документации направленной на ремонт и обслуживание зданий на этапе эксплуатации.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО ДИАМЕТРА КАРСТОВОГО ПРОВАЛА

ОБРУШЕНИЕ В СЛОЕ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Определение расчетного диаметра карстового провала в несвязных грунтах основано на вычислении размеров ослабленной (разуплотненной) зоны в основании сооружения, образующейся в следствии суффозионных процессов при образовании полости в карстующихся породах.

Кинематика и механизм массовой суффозии хорошо объясняются существованием зональной области влияния ослабленного участка массива пород, схематическое строение которой показано на рисунке.

Где,

АА'С'B'B - область влияния ослабленного участка;

β=π/4+φ/2; ψ=φ,

φ - угол трения равный сумме угла трения между песчаными частицами и угла дилатансии;

D₀- размер карстовой полости.

ОБРУШЕНИЕ В СЛОЕ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Нарушение сплошности слоя связных грунтов заключается в изгибе слоя связных грунтов над карстовой полостью и образовании трещин отрыва. Замыкаясь внутри пласта, трещины образуют свод обрушения размером D_K(см. рисунок ниже).

Если высота свода значительно превышает толщину слоя глинистых грунтов m, то поверхность смещения в глинах может оказаться практически вертикальной, что позволяет использовать в расчетах модель Бирбаумера. Хорошей альтернативой ей может служить модель Протодьяконова, в основу которой положен действительный механизм провалообразования, наблюдаемый и в лабораторных опытах и в массиве пород. Из нее следует, что в несвязных грунтах диаметр полости в основании устойчивого параболического свода равен D=m⋅tgφ, где m - высота свода, φ - угол внутреннего трения песков.

Для определения геометрических параметров свода равновесия в грунтах, обладающих также и сцеплением, М.М. Протодьяконов рекомендует вместо коэффициента трения tgφ пользоваться коэффициентом крепости пород, который равен отношению сдвиговой прочности τ, к величине сжимающих напряжений σ_z на уровне подошвы свода или, что, тоже самое, на отметке кровли карстовой или промежуточной полости. В этом случае, нависающие над сводом консоли неустойчивы и смещаются сразу вслед за ним, а диметр "окна" в экранирующем слое D_K примерно равен диаметру полости в карстующихся породах.