ВЛИЯНИЕ И ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ МУЛЬД ОСЕДАНИЯ ГРУНТА НА ФУНДАМЕНТЫ ЗДАНИЙ

​АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены основные причины формирования мульд оседания грунта в городских условиях. Проанализировано влияние неравномерных осадок на работу фундаментов и надземных конструкций зданий. Приведена методика расчета осадки основания по методу послойного суммирования с примером. Даны рекомендации по мониторингу и предотвращению деформаций.

Ключевые слова: мульда оседания, фундамент, осадка, просадочные грунты, подработка, механизм деформации, расчет осадки.

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатационная надежность зданий и сооружений в значительной степени определяется стабильностью их оснований. Одним из наиболее опасных видов деформаций оснований является формирование мульды оседания — обширной области понижения земной поверхности, имеющей чашеобразную форму. Возникновение мульд под фундаментами или в непосредственной близости от них приводит к развитию неравномерных осадок, вызывающих появление трещин, перекосов и, в конечном счете, потерю несущей способности, как фундаментов, так и всего здания. Актуальность проблемы обусловлена интенсивным освоением подземного пространства городов, увеличением нагрузок от новых сооружений и наличием значительного фонда старой застройки, возведенной на слабых грунтах.

1. Причины развития мульд оседания

Формирование мульд оседания может быть вызвано природными и техногенными факторами.

1.1. Природные факторы:

Просадочность лессовых грунтов. При замачивании лессовые грунты теряют структурные связи и под действием нагрузки дают дополнительную осадку. Масштабы просадки могут достигать десятков сантиметров.

Карстообразование. Растворение подземными водами горных пород (гипс, известняк, каменная соль) приводит к образованию подземных полостей, обрушение которых вызывает оседание поверхности.

Деградация вечной мерзлоты. Таяние льдистых грунтов в условиях глобального потепления приводит к их уплотнению и значительным осадкам.

1.2. Техногенные факторы:

Подземные горные выработки. Являются классической причиной формирования мульд. Обрушение кровли выработанного пространства приводит к миграции деформаций на дневную поверхность.

Разработка котлованов и тоннелей. Отрывка глубоких котлованов и проходка тоннелей метро вызывает разгрузку и перераспределение напряжений в массиве грунта, что приводит к его движению в сторону выработки.

Динамические воздействия. Вибрация от транспорта и промышленного оборудования уплотняет слабые водонасыщенные грунты.

Утечки из коммуникаций. Постоянные утечки из водопроводных и канализационных сетей приводят к выносу мелких частиц грунта (суффозия) и его замачиванию, вызывая дополнительные осадки.

Снижение уровня грунтовых вод. Водоотлив при строительстве или промышленные водозаборы увеличивают эффективное напряжение в скелете грунта, вызывая его уплотнение. [1]

2. Влияние мульд оседания на фундаменты зданий

Влияние мульды оседания на фундамент зависит от ее геометрии и положения здания относительно ее центра.

Расположение в центре мульды: Здание испытывает равномерную, но часто значительную по величине осадку. Это может привести к заклиниванию дверей и окон, повреждению входящих коммуникаций, но не вызывает существенных перекосов, если осадка прогнозируема и учтена в проекте. [3]

Расположение на краю мульды (зона наибольшего изгиба): Наиболее опасный случай. Фундамент попадает в зону с разной величиной осадки. Это приводит к его изгибу и возникновению в теле фундамента и в надземных конструкциях здания дополнительных изгибающих моментов и перерезывающих сил. Следствием являются трещины в стенах, раскрытие швов, перекосы перекрытий.

3. Расчет осадки земной поверхности в продольном направлении

Продольный профиль осадки земной поверхности, вызванной строительством тоннеля, можно получить, рассматривая тоннель как набор точечных источников продольном направлении, каждый из которых вызывает осадку земной поверхности, наложивших их друг на друга, можно найти общий профиль мульды оседания в продольном направлении[4].

Рисунок 1. Характер распределения осадки земной поверхности в продольном направлении по оси тоннеля, 1 – осадка на поверхность, 2 – горизонтальные деформации, 3 – горизонтальные смещения

Характер распределения осадки земной поверхности в продольном направлении по оси тоннеля метро можно получить по формуле:

Где  величи0на осадки земной поверхности в точке;

y – координата точки по продольной оси тоннеля;

полезный объем мульды оседания земной поверхности;

  начальная позиция тоннеля

 расположение лба забоя

 ширина мульды оседания

 ширина мульды оседания в продольном направлении

 функция распределения

Часто для практических расчетов принимают .

Если допустить, что результирующий вектор смещений направлен в сторону центра оси тоннеля, то горизонтальные смещения породы в продольном направлении на поверхности земли можно определить по формуле:

Продифференцировав  по y, получим горизонтальные деформации в продольном направлении над центральной продольной линией тоннеля.

Где растягивающие деформации (со знаком плюс) реализуются впереди лба забоя тоннеля, а сжимающие – позади.

4. Основные положения метода Ямова Б. К.

Согласно Ямову Б. К., распределение вертикальных оседаний поверхности описывается гладкой кривой, близкой к нормальному (гауссову) закону. Оседание в произвольной точке поверхности зависит от расстояния до проекции центра выработанного пространства и глубины разработки.

Рисунок 2. Расчетная схема для определения мульды оседания

Максимальное оседание в центре мульды определяется выражением:

где

q — коэффициент оседания (доля вынимаемой мощности),

m — мощность выработанного пласта, м.

Вертикальное оседание в точке, расположенной на расстоянии x от центра мульды, определяется формулой:

где

a — параметр полуширины мульды оседания, м.

Параметр a связан с глубиной разработки H и углом предельного распространения влияния β:

Границей мульды оседания считается расстояние L, при котором оседание становится пренебрежимо малым:

В пределах данной зоны учитываются деформации поверхности при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.

Метод Б. К. Ямова позволяет получить инженерно приемлемые оценки параметров мульды оседания при подземной разработке месторождений. Простота расчётных формул и их практическая достоверность обеспечили широкое применение метода в горной геомеханике и при прогнозе деформаций земной поверхности. [5]

Заключение

Развитие мульд оседания грунта представляет серьезную угрозу для устойчивости зданий. Комплексный подход, включающий тщательное инженерно-геологическое изыскание, корректный прогноз осадок на стадии проектирования, а также регулярный мониторинг деформаций существующих зданий, позволяет минимизировать риски. Для зданий, попадающих в зону влияния техногенных мульд, необходимо применение специальных решений, таких как свайные фундаменты, проходящие через сжимаемую толщу, или усиление грунтов методами цементации и силикатизации.

Список литературы:

1. СП 22.13330.2016 "Основания зданий и сооружений". Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83‧. – М.: Минрегион России, 2016. – 163 с.
2. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. – М.: Издательство АСВ, 2012. – 415 с.
3. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник. – М.: Издательство Юрайт, 2019. – 671 с.
4. Анализ причин деформации земной поверхности и характер формирования мульды оседания, вызванной строительством транспортных тоннелей [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. — Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-prichin-deformatsii-zemnoy-poverhnosti-i-harakter-formirovaniya-muldy-osedaniya-vyzvannoy-stroitelstvom-transportnyh-tonneley
5. Ямов Б. К. Теория сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке месторождений. — М.: Недра, 1972. — 312 с.