Раціональне розміщення будівель на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва

УДК 624.154.3:624.159.14:624.131.543

Раціональне розміщення будівель на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Суббота Інга Леонідівна

Сімферополь 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Кримській академії природоохоронного та курортного будівництва (КАПКБ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Саломатін Валерій Миколайович, завідувач кафедри інженерної геології, основ та фундаментів Кримської академії природоохоронного та курортного будівництва.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дорофєєв Віталій Степанович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій.

кандидат технічних наук, доцент Лінченко Юрій Петрович, Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва, професор кафедри залізобетонних конструкцій.

Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “17”__лютого______2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 Кримської академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, АР Крим, м. Сімферополь, вул.. Павленка, 5, навчальний корпус 2, зал засідань ради).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Кримської академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: Україна, 95006, АР Крим, м. Сімферополь, вул.. Павленка, 5, навчальний корпус 2.

Автореферат розісланий “16” січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 52.079.01, канд. техн. наук, доцент О.А. Рубель

пальовий фундамент зсувний сейсмічний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Посилення в останні роки в Україні таких процесів і явищ, як зсуви і сейсміка, украй загострило необхідність вивчення причин їхнього виникнення і розробки сучасних методів інженерного захисту територій з використанням раціонального розміщення будівель і функціонального різноманіття конструкцій пальових фундаментів.

Пальові фундаменти здавна застосовувалися в мостовому, портовому і гідротехнічному будівництві. В інших видах будівництва їхнє масове використання почалося на початку шістдесятих років двадцятого століття. Це було пов'язано зі збільшенням поверховості будинків і зростом навантажень на фундаменти, масовим будівництвом великопанельних будинків з незначними опадами, що допускаються, а також будівництвом у складних інженерно-геологічних умовах, де почалося використання паль як багатофункціональних конструкцій.

Використання пальових фундаментів у даний час обумовлено їхньою значною перспективністю, особливо в районах, ускладнених зсувними і сейсмічними процесами.

В Україні найбільшою зоною за обсягом поширення цих процесів є Крим. Площа охоплених зсувами територій тут складає близько 47,2 км², а 84,7% населення проживає в зонах дії сейсмічних процесів. Максимальна ураженість зсувами територіально відноситься до району Південного берега Криму (ПБК) на ділянці південно-західного схилу Головної гряди Кримських гір від мису Айя до гори Кастель. Тому вибір територій для проведення досліджень у даній дисертаційній роботі визначався цими межами. Дослідження були зосереджені на ділянках у селищах Джемієт і Нижня Ореанда. Обидві території знаходяться в районі Великої Ялти, мають складний рельєф із загальним нахилом на південь, а також різні за масштабами тектонічні порушення і підвищену сейсмічну активність.

Як свідчить практика, упровадження на таких територіях нових методів за оцінкою стійкості і закріпленню зсувів з використанням протизсувних споруджень як фундаменти, знижує вартість їхнього освоєння до 40 %.

У періоди масової активізації зсувних і сейсмічних процесів, а також виникнення значної кількості техногенних зсувів, що спостерігається в останні роки, застосування ефективних конструкцій пальових фундаментів, адаптованих до сприйняття як зсувного, так і сейсмічного навантаження, є дуже важливим і актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертації відповідає науково-технічній програмі "Безпека будівництва та інженерний захист територій населених пунктів, об'єктів, населення в районах зі складними інженерно-геологічними умовами" за наказом № 130 від 28 липня 1993 року Міністерства України в справах будівництва та архітектури, Закону України "Про планування і забудову територій" № 1699 - 111 від 20 квітня 2000 року і Постанові Кабінету Міністрів України від 7 лютого 2001 року № 122 "Про комплексні міри, спрямовані на ефективну реалізацію державної політики в сфері захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного і природного характеру, попередження та оперативного реагування на них у період до 2005 року".

Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Кримської академії природоохоронного і курортного будівництва (тема 1354 "Розробка нової модифікації переносного малогабаритного приладу для реєстрації ПІЕМПЗ", номер державної реєстрації 0192UО17600; тема 1414 "Розробка методики комплексної оцінки і картування промислових міських агломерацій за величиною антропогенного навантаження" номер державної реєстрації 0195UO26137; тема 9711 "Розробка теоретичних основ і методів оцінки змін напружено-деформованого стану природних і штучних речовин з метою діагностики їх стану і прогнозування процесів деформування раніше неконсолідованих структур" номер державної реєстрації 0197UO15928).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах з огляду на їхні функціональні особливості на прикладі зсувних і сейсмічно активних територій Південного берега Криму з урахуванням впливу напружено-деформованого стану порід.

Задачі дослідження:

- розробити основні положення методики раціонального розміщення будівель на палях з урахуванням їх спільної роботи з ґрунтом у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму;

- провести оцінку стійкості територій з визначенням найбільш раціонального місця розміщення будівель;

- провести порівняльний аналіз стійкості досліджуваних територій щодо напружено-деформованого стану порід і виявити його динаміку;

- виконати комплексну оцінку небезпеки геологічних процесів на досліджуваних територіях;

- розробити конструкції паль, що виконують роль утримуючих протизсувних споруд з урахуванням досліджень напруженого стану зсувного ґрунту при його сумісній роботи з прийнятим типом фундаментів;

- визначити основні принципи технології зведення будинків на пальових фундаментах, що працюють як утримуючі протизсувні споруди у складних інженерно-геологічних умовах ПБК.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є визначення раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах з урахуванням напружено-деформованого стану порід ПБК як логічний розвиток варіантного проектування.

Предмет дослідження. Схильні території зі складними інженерно-геологічними умовами, на яких проводиться раціональне розміщення будинків на пальових фундаментах, що виконують наступні функції:

- сприйняття навантаження від наземних конструкцій та передача її на основу;

- виконання ролі утримуючих споруджень на зсувних схилах в умовах сейсмічної активності територій.

Методи дослідження. Розрахунок стійкості схилів виконаний на основі графо-аналітичного методу притулених відсіків Г.М. Шахунянца. Дослідження напружено-деформованих порід здійснювалися методом ПІЕМПЗ. Він заснований на явищі електромагнітної імпульсної емісії і дає можливість на якісному рівні визначати просторові і часові закономірності змін напружено-деформированого стану масивів гірських порід за інтенсивністю імпульсного електромагнітного випромінювання. Метод електромагнітної емісії застосовується і для оцінки напружено-деформованого стану конструкцій будинків і споруд. Проектування конструкцій пальових фундаментів, що працюють і як протизсувні утримуючі конструкції глибокого закладення, проводилося на основі методик, запропонованих Л.К. Гінсбургом, Н.В. Назаровою, К.С. Заврієвим, Г.С. Шпіро.

Наукова новизна отриманих результатів.

- запропонована методика раціонального розміщення споруд на палях та розраховані конструкції пальових фундаментів з урахуванням їх сумісної роботи з грунтом для зсувонебезпечних та сейсмічно активних територій Південного берега Криму;

- уперше для територій селищ Джемієт та Нижня Ореанда був проведений аналіз стійкості схилів з визначенням місця найбільш раціонального розміщення будівель з урахуванням напружено-деформованого стану порід;

- побудовані карти-схеми напружено-деформованого стану порід і часові графіки інтенсивності природного імпульсного електромагнітного поля землі, визначені зони підвищеної концентрації напружень, що свідчать про активізацію процесів механо-електричних перетворень і можливої нестійкості порід, виділені зони нормального (фонового) розподілу напружень у ґрунтовому масиві, в яких пропонується рекреаційна забудова;

- виконана комплексна оцінка впливу на територію небезпечних геологічних процесів з масштабів прояву, аналізу прогнозованого розвитку процесів і розміру можливого збитку (ризику) від їх прояву;

- визначені та сформульовані головні принципи технології зведення споруд на пальових фундаментах у складних інженерно-геологичних умовах Південного берега Криму.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені комплексні дослідження дозволили оптимізувати і дати практичні рекомендації з раціонального розміщення будівель на палях у складних інженерно-геологічних умовах ПБК.

Результати комплексного аналізу стійкості схилів, що враховують напружено-деформований стан порід територій, дають можливість планування раціонального розміщення рекреаційної забудови із запропонованими конструкціями фундаментів на досліджених у даній роботі ділянках, в умовах прояву небезпечних геологічних процесів. Ці дані використані при складанні наукового обґрунтування зведення забудови площею 20 гектарів у районі селища Нижня Ореанда (район Великої Ялти) і рекомендацій з раціонального використання територій на підставі рішення виконкому Лівадійської селищної Ради № 107 від 08 червня 1994 року, виконане Кримським інститутом екології і проектування (м. Ялта).

Результати досліджень, наведені у даній дисертаційній роботі, використані при виконанні наукових тем у Кримській академії природоохоронного та курортного будівництва.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок полягає в розробці методики раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах ПБК з урахуванням впливу напружено-деформованого стану порід, розробки паль з урахуванням їхньої спільної роботи з ґрунтом, проведенні порівняльного аналізу стійкості територій з обліком зсувних і сейсмічних впливів, а також комплексної оцінки небезпеки геологічних процесів для декількох територій ПБК, підготовці практичних рекомендацій, написанні розділів наукового обґрунтування можливості проведення рекреаційної забудови на ділянках ПБК.

Апробація результатів дисертації. Матеріали досліджень були повідомлені, обговорені і схвалені на міжнародній науково-практичній конференції "Геоекологічні і медикоекологічні проблеми промислово-міських агломерацій" (Сімферополь, 1994); на міжнародній регіональній конференції "Проблеми екології і рекреації Азово-Чорноморського регіону" (Сімферополь, 1994); на науково-технічній конференції "Формування навколишнього середовища на урбанізованих територіях Криму" (Сімферополь, 1996); на міжгалузевій конференції "Наукові і практичні аспекти курортно-рекреаційної діяльності" (Ялта, 1998); на міжгалузевій конференції "Зсуви. Методи вивчення і захисту" (Крим-Артек, 1999); на науково-практичній конференції "Оцінка впливу об'єктів будівництва на навколишнє середовище" (Ялта, 2000); на другій науково-практичній конференції "Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів" (Ялта, 2000); на Всеукраїнській конференції молодих вчених "Актуальні питання сучасного природознавства" (Сімферополь, 2001); на підсумкових науково-практичних конференціях Кримської академії природоохоронного та курортного будівництва (Сімферополь, 2001-2003).

Публікації. Відповідно до теми дисертації опубліковано 7 робіт, у тому числі: 4 - у збірниках наукових праць, 3 - у матеріалах науково-практичних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація (123 сторінок основного тексту) складається вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел (226 найменувань) і додатків. Робота включає 22 таблиць, 9 малюнків, 11 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, розкрито їх наукову новизну, визначено практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання і рівня наукових досягнень в області раціонального розміщення пальових фундаментів на територіях із сувними і сейсмічними процесами. При освоєнні території зі складним рельєфом, непридатним для ведення сільського господарства (круті схили, пагорби), необхідно будувати такі будови та споруди, конструктивні схеми яких дозволяють виключити терасування площадки з максимальним збереженням сформованого ландшафту. Відмовлення від терасування площадки під будівництво, особливо зі зростанням її ухилу, призводить до необхідності пристрою у основи схилу спорудження, що буде сприймати похилу складову від ваги будинку й утримувати його в положенні рівноваги. Такою конструкцією може служити пальовий фундамент, що також виконує роль протизсувного спорудження. Утримуючу конструкцію необхідно вибирати з обліком фізико-механічних і гідрогеологічних характеристик ґрунтів основи. При цьому конструктивна схема утримуючого спорудження повинна забезпечувати максимальне використання територій, відведених під забудову, виключити переформування ландшафту, підвищувати ефективність передачі як похилої, так і нормальної складової від ваги будинку від ваги спорудження на основу.

В історичному аспекті пальове фундаментобудівництво бере свій початок ще в четвертому тисячолітті до нашої ери. Говорячи про фундаментобудівництво на сьогоднішній день, можна відзначити, що за останні 30 років пальові фундаменти потіснили фундаменти на природній підставі, а 80-90 % їх припадає на території зі складними інженерно - геологічними умовами. Великий внесок у становлення фундаментобудівництва в наш час внесли вчені А.А. Бартоломій, Б.В. Бахолдін, Н.М. Герсеванов, В.Н. Голубків, Б.И. Далматов, Ф.К. Лапшин, Е.Я. Кільвандєр, А.В. Потапов та ін. З питань удосконалення технологій пристрою пальових фундаментів можна відзначити роботи Е.Л. Хлєбнікова, А.А. Пуги, Д.А. Романова, Е.М. Перлея.

Застосування пальових фундаментів в умовах сейсмічної активністі територій має свої особливості. Провівши аналіз огляду літератури, можна зробити висновки, що спорудження на пальових фундаментах дійсно мали менші залишкові опади й одержували менші ушкодження в наземних конструкціях, що підтверджено результатами обстежень наслідків землетрусів. Тому їхнє застосування рекомендоване автором для територій Нижня Ореанда і Джємієт (ПБК), що зазнають сейсмічні впливи.

У зв'язку з гострим дефіцитом територій ПБК, придатних для будівництва, стає все більш актуальним вирішення питань освоєння ділянок, уражених екзогенними процесами, у тому числі схильними, ускладненими ярами. Тому застосування конструкцій пальових фундаментів, що працюють і як утримуючі протизсувні спорудження (УПС) на таких ділянках, дозволяє вирішити проблеми раціонального використання територій у зсувних районах ПБК.

Для розвинутих на південнобережних зсувних схилах Криму в роботах багатьох авторів відзначаються як взаємні протиріччя, так і однобічний підхід до визначення їхнього механізму. Ними розглядається можливий характер деформації зсувного схилу за глибиною - видавлювання (Вісконт, 1907), плин або ковзання (Ніфантов, 1940), за поверхні зсуву - деляпсивні, детрузивні (Ільїн, 1924) і регресивні (Шеко, 1958). Описимеханізму складних зсувів південноберіжжя Криму викладені в роботі М.К.Рзаєвої (1973). Але найбільш точна класифікація зсувів ПБК наведена Золотарьовим (1949, 1964, 1970), де вони розділяються на зсуви - потоки, складні зсуви і зсуви блокової будівлі.

Розробка конструкцій пальових фундаментів, що працюють як УПС на зсувних ділянках, залежить від механізму і характеру дії конкретного зсувного масиву. Так, на ділянках територій ПБК, де за даними інженерно-геологічних вишукувань виділені зсуви-потоки, застосування пальових фундаментів як УПС недоцільно, оскільки це може призвести до просочування ґрунтів у міжсвайному просторі й ослаблення роботи паль по бічній поверхні, а в деяких випадках і до руйнування ростверку. Використання пальових фундаментів для територій з наявністю зсувів блокового типу й у деяких випадках складних зсувів є раціональним і дозволяє робити сполучення їхніх функцій і як конструкцій, що сприймають вертикальне навантаження, і як УПС.

До даного часу розробка конструкцій пальових фундаментів у складних інженерно-геологічних умовах проводилась без повного дослідження напружено-деформованого стану порід територій. Облік напружено-деформованого стану порід дозволяє найбільш точно зробити підбір конструкцій пальового фундаменту на основі логічного розвитку варіантного проектування і простежити, з часом , динаміку як напруженого стану порід територій, так і самих конструкцій. Автором запропонована методика щодо раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах ПБК на прикладі двох характерних територій з урахуванням комплексної оцінки стійкості територій, що включає в себе дослідження їхнього напружено-деформованого стану.

У другому розділі наведений порівняльний аналіз методів досліджень і розрахунків, визначені методика та умови проведення досліджень.

При розрахунку конструкцій пальових фундаментів в умовах зсувної обстановки необхідний вибір раціонального методу оцінки стійкості укосів і схилів.

Методи оцінки розділяються на дві основні групи. Перша група методів заснована на теорії Ш.О. Кулона. У ній передбачається можливість зсуву деякої частини обмеженого укосом масиву щодо нерухомої його частини, з утворенням суцільної поверхні обвалення. Формула, запропонована Кулоном, представлена у формулі 1.

, (1)

де - коефіцієнт стійкості зсувного схилу;

- сума сил, що передують формуванню деформацій;

- сума зрушуючих сил, що діютьу схилі.

Друга група методів заснована на принципі дослідження граничної рівноваги ґрунту в кожній точці масиву з урахуванням розходження напрямків найбільш ймовірних переміщень.

При проектуванні пальових фундаментів як протизсувних утримуючих конструкцій найбільш прийнятними є метод М.М.Маслова (метод горизонтальних сил) і графо-аналітичний метод Г.М.Шахунянца, оскільки вони дозволяють оптимально враховувати складність інженерно-геологічних умов, характерних для ПБК. Ці методи базуються на формулі (1).

Методика раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах для зсувних і сейсмічно активних територій Південного берега Криму з урахуванням впливу напружено-деформованого стану порід складається з наступних положень:

- оцінюється стійкість схилових територій з використанням програмного комплексу "RUSTOS" і визначається найбільш раціональне місце розташування будинку;

- проводиться порівняльний аналіз стійкості досліджуваних територій за напружено-деформованим станом порід і виявляється його динаміка;

- виконується комплексна оцінка небезпеки геологічних процесів на досліджуваних територіях;

- досліджується напружений стан ґрунту, що сповзає, при його спільній роботі з прийнятим типом УПС;

- складається розрахункова схема УПС прийнятого типу і виробляється розрахунок паль з використанням програмного комплексу "ПУСК".

Програма "RUSTOS" дозволила провести розрахунок стійкості досліджуваних схилових сейсмічних територій з визначенням раціонального місця розташування будинку рекреаційної забудови. Метою розрахунку є одержання коефіцієнта стійкості всього плоского перетину схилів, а також для окремих блоків, на які розділені перетини схилів, розподіл навантажень по блоках, визначення утримуючих сил, що зрушують. Алгоритм розрахунку стійкості схилів побудований на основі методу Г.М.Шахунянца.

Вибір методу для дослідження напружено-деформованого стану порід територій проводився на основі аналізу основних характеристик електророзвідувальних методів. Одним з найбільш універсальних методів, застосовуваних до використання в різних інженерно-геологічних умовах, є метод природного імпульсного електромагнітного полючи Землі (ПІЕМПЗ). Цим методом з 1993 по 2000 роки автором проводилися дослідження напружено-деформованого стану порід у селищах Нижня Ореанда і Джемиет.

Поняття ПІЕМПЗ введене в петрофізиці А.П. Краєвим. У розробку питань теорії ПІЕМПЗ великий внесок внесли Ю.П. Булашевич, А.П. Краєв, Л.А.Защинський, А.А. Воробьйов, И.Л. Гуфельд, В.М. Саломатін.

За допомогою методу ПІЕМПЗ можна оцінювати стійкість зсувних територій з виявленням геодинамічно небезпечних зон, досліджувати напружений стан конструкцій, виявляти і характеризувати геопатогенні і технопатогенні зони, визначати характер залягання і глибину підземних водяних потоків.

На підставі порівняльної характеристики способів проведення досліджень методом ПІЕМПЗ для територій Джємієт і Нижня Ореанда був обраний спосіб профілювання. Дослідження проводилися за допомогою приладу "ДЕМЗН" - дистанційного електромагнітного знаходжувача напруг.

Робота з виміру напружено-деформованого стану порід проводилася однією рухливою станцією в такому порядку. Після ретельного аналізу даних інженерно-геологічних вишукувань у селищах Нижня Ореанда і Джємієт (район Великої Ялти), досліджувані території були розбиті на мережу профілів, що містять пікети. Профілі закладалися по падінню схилу. Для обліку зміни ПІЕМПЗ у часі після виконання 15 послідовних спостережень вироблялася перевірка часового ходу ПІЕМПЗ з поверненням на одну-дві попередні точки із установленням стабільності швидкості рахунку (інтенсивності) імпульсів по малому відхиленню (до 10%) математичного чекання повторних вимірів на точці спостереження від первинних. Кожна точка спостережень фіксувалася на місцевості пікетом з його напівінструментальною прив'язкою на топографічній основі масштабу 1:1000.

За отриманими даними спостережень були побудовані карти - схеми напружено-деформованого стану порід території селища Нижня Ореанда і Джемієт, побудовані часові графіки інтенсивності ПІЕМПЗ, дана порівняльна оцінка стійкості ділянок.

Роботи з дослідження проводилися на цих територіях, починаючи з 1993 року по 2000 рік, що дозволило виявити динаміку ПДВ порід і провести порівняльний аналіз протягом цього часу як по кожній ділянці, так і між ними.

У третьому розділі проведена комплексна оцінка стійкості досліджуваних територій під впливом зсувних і сейсмічних процесів.

Розрахунок стійкості схилів здійснювався на декількох площинах ковзання. На досліджуваній схильовій території в селищі Джємієт максимальна по довжині площина ковзання - АВ (мал.1).

Мал. 1 Розрахункова схема схилу в селищі Джємієт до програми "RUSTOS"

Розрахунки по площині проводилися з обліком довантажу, що переміщувався (навантаження від маси проектованого будинку). Схил був умовно розбитий на 16 блоків (17 перетинів). Переміщаючи послідовно довантаж на блоки з 1 по 16 включно, були визначені коефіцієнти стійкості схилу, що відповідають випадку додатка навантаження на кожний із блоків. Розрахунок з переміщенням довантажу дозволив оптимально визначити місце розташування проектованого будинку з урахуванням максимальної стійкості схилу. Максимальний загальний коефіцієнт стійкості схилу з обліком довантажу відповідає випадку додатка навантаження на шістнадцятий блок (К_{у (max)} = 1,1). Мінімальний загальний коефіцієнт стійкості схилу відповідає випадку додатка навантаження на перший блок (К_{у (mіn)} = 1, 048). Для визначення загального коефіцієнта стійкості схильової від будинку. Загальний коефіцієнт стійкості схилу складає 1,075.

Проектований будинок припадає на межі площини ковзання РВ, тому для неї був проведений додатковий розрахунок. Площина РВ була розбита на сім блоків. За підсумками розрахунків найбільш раціональним є розташування проектованого будинку на шостому блоці. Зсувний тиск на досліджуваному схилі, при розрахунку по площині РВ, дорівнює 730 кн. Його розрахунок вироблявся на основі формули 2:

(2)

де F - зусилля, що зрушують, від ваги ґрунтового масиву з урахуванням впливу розташованих у зоні зсуву будинків і споруджень, фільтраційного тиску;

- коефіцієнт умов роботи;

_н - коефіцієнт надійності, що враховує ступінь відповідальності будинків і споруджень;

_с - коефіцієнт сполучення навантажень;

R - опір ґрунтового масиву зрушенню.

Аналогічні розрахунки проводилися і для досліджуваної території в селищі Нижня Ореанда. Розрахунок проводився для найбільш значної площини ковзання АБ (мал.2).

Мал. 2 Розрахункова схема схилу в селищі Нижня Ореанда до програми "RUSTOS"

Максимальний загальний коефіцієнт стійкості схилу з обліком довантажу відповідає випадку додатка навантаження на тринадцятий блок (К_{у (max)} = 1,035), а мінімальний відповідає випадку додатка навантаження на перший блок (К_{у (mіn)} = 0,956). Для даної території найбільш раціональним є розташування проектованого будинку на тринадцятому блоці.

Для визначення загального коефіцієнта стійкості схилу і зсувного тиску розрахунок був проведений без обліку довантажу від проектованого будинку. Загальний коефіцієнт стійкості досліджуваної території в селищі Нижня Ореанда дорівнює 1,009. Зсувний тиск на досліджуваній ділянці схилу дорівнює 1350 кН.

Обидві схилові території знаходяться в урівноваженому стані ("стан граничної рівноваги"). За умови збільшення значення сил, що зрушують, зменшення сил чи опору одночасного прояву цих факторів, буде відбуватися порушення стійкості території. Тому використання паль, що сполучають функції фундаментів і УПС стосовно до даної досліджуваної території, буде оптимальним.

На мал.3 і 4 представлені результати розрахунку стійкості схилів у селищі Джемієт і Нижня Ореанда з визначенням найбільш раціонального місця розташування проектованих будівель.

Мал. 3.Розрахункова схема стійкості у с. Джемієт. Площина ковзання А-В

Мал.4 Розрахункова схема стійкості схилу у с. Н. Ореанда. Площина ковзання А-Б



Таблиця 1

Результати стійкості схилів з обліком довантажу, що переміщується у селищі Джемієт і Нижня Ореанда

Номер блока	1	2	3	4	5	6	7	8
Куст (п. Джемієт)	1,045	1,060	1,074	1,077	1,091	1,066	1,068	1,067
Номер блока	9	10	11	12	13	14	15	16
Куст (п. Джемієт)	1,066	1,064	1,069	1,076	1,078	1,078	1,089	1,110
Номер блока	1	2	3	4	5	6	7	8
Куст (п. Н. Ореанда)	0,956	0,967	0,972	0,974	1,010	--	1,032	1,033
Номер блока	9	10	11	12	13	14	15	16
Куст (п. Н. Ореанда)	1,034	1,032	1,026	1,024	1,035	--	--	--

Значення ПІЕМПЗ приведені до єдиного рівня і щодо нормального розподілу поля напруг, виділені межі величин ПІЕМПЗ, що вказують на нормальний рівень напруженості, високий - стосовно до зон потенційних деформацій з перевагою напруг, що розтягують, і аномально високий - до ділянок стискаючих напруг.

За даними досліджень для кожної території побудовані карти-схеми полів напруг. Вони відбивають зміни елементів поля напруг у характерні періоди часу (мал.1,2). Ці періоди узгоджуються з багаторічним режимом досліджень активізації зсувних процесів, що приходиться на 1996-1998 роки.

Мал. 5 Карта-схема напружено - деформованого стану порід на досліджуваній ділянці у селищі Джємієт

Мал. 6 Карта-схема напружено - деформованого стану порід на досліджуваній ділянці у селищі Нижня Ореанда

При побудові карт - схем діапазон значень середньої величини горизонтальної складової ПІЕМПЗ був розділений на три кластери. Перший з них містить у собі значення 13-20 і 17-20 імп./с для територій у селищах Джємієт і Нижня Ореанда відповідно, які характеризують нормальний розподіл електромагнітної напруженості ґрунтового масиву. Значення першого кластера відбивають фоновий розподіл ПІЕМПЗ на досліджуваній території. У середині другого кластера групуються високі значення ПІЕМПЗ 20-60 імп./с. Ці значення говорять про інтенсифікацію процесів зміни напружено-деформованого стану порід у вогнищах, що формують ці аномалії. Аномалії даного виду утворюються в зонах потенційних головних деформацій зсувних вогнищ. Вони характеризують можливу нестійкість порід. Третій кластер містить у собі максимально високі значення електромагнітного поля (> 50 імп./с). Максимально високі значення ПІЕМПЗ характеризують активний процес тріщиноутворення, що передує появі візуально встановлюваних тріщин. Значення третього кластера на мал. 1 і 2. зафарбовано найбільше інтенсивно.

Оскільки представлені вище карти-схеми відображують результати комплексних спостережень досліджуваних територій у період загального підйому активності зсувних процесів на ПБК, що приходиться на 1996-1998 роки, то для повного аналізу динаміки напружено-деформованого стану необхідна тимчасова оцінка, що характеризує стан ПДВ за весь період досліджень (з 1993 по 2000 рік). Така оцінка проведена на підставі часового графіка інтенсивності ПІЕМПЗ, представленого на мал. 7 і 8.

Мал. 7 Часовий графік інтенсивності ПІЕМПЗ для пікету №6 у селищі Джемієт

Мал. 8 Часовий графік інтенсивності ПІЕМПЗ для пікету №6 у селищі Нижня Ореанда

Ці графіки відбивають залежність величин ПІЕМПЗ від року проведення досліджень. Графік побудований по даних, отриманих на пікеті № 6. Характерні збільшення значень для 1996-1998 років свідчать про підвищення в ці роки активності зсувних процесів. Мінімальні значення приходяться на 1993-1994 роки.

Обидві території мають зони з високою і максимально високою концентрацією напруг, що свідчить про можливу нестійкість порід. На ділянках території в селищі Нижня Ореанда ступінь концентрації напруг більш висока, ніж на ділянках у селищі Джемієт.

Для оцінки ступеня небезпеки прояву геологічних процесу виділені три критерії:

- схильність території до небезпечного процесові або комплексу процесів;

- активність прояву процесів у визначений інтервал часу;

- розмір можливого збитку (ризику) від прояву процесів.

Схильність територій до небезпечного процесу характеризується коефіцієнтами ураженості, що являють відношення довжини або площі всіх наявних форм процесу до загальної довжини або площі процесонебезпечної зони.

У відношенні зсувів коефіцієнт ураженості К_р визначається співвідношенням 3:

(3)

де fp - загальна площа прояву зсувів;

F - загальна площа розглянутої зони.

Для досліджуваної ділянки в селищі Джємієт коефіцієнт ураженості складає К_Р = 0,5 (при f_p = 0,62 км²; F = 1,22 км²), а для ділянки в селищі Нижня Ореанда К_Р = 0,26 (при f_p = 0,04 км²; F = 0,16 км²).

Другий критерій відображує конкретний ступінь небезпеки руйнування об'єктів у процесонебезпечних зонах. Для досліджуваних ділянок найбільш оптимальною є оцінка активності очікуваного прояву процесів, виражена в абсолютних величинах. Для ділянки у селищі Джемієт вона складає: F = 0,62 км², а для ділянки в селищі Нижня Ореанда F = 0,04 км².

Найбільш значимою є оцінка небезпеки за третім критерієм - розміру можливого збитку від прояву процесів. Середньорічний збиток визначається за формулою (4):

(4)

де r_p - середньорічний розрахунковий збиток на території дії процесів

осередкового і майданного прояву (загальне число процесів - n), а також лінійного прояву (загальним числом - m), тис.грн./рік;

n, m - середньобагаторічні значення відповідно сумарній площі і довжині ділянок активного прояву розглянутих процесів;

F_n, L_m - відповідно загальна площа і довжина зон дії конкретного процесу;

V_n, V_m - коефіцієнти уразливості об'єктів у зоні відповідно до площі довжині, частки одиниці;

D_n, D_m - вартість об'єктів у зоні відповідно площі і довжині, тис.грн.

Величини n / F_n і m / L_m являють собою імовірність середньорічного прояву конкретного процесу.

Для досліджуваної ділянки території в селищі Джемієт розмір можливого збитку від прояву зсувних процесів: r_p = 72500 тис. грн., для досліджуваної ділянки в селищі Нижня Ореанда: r_p = 51673 тис. грн. Дані розрахунків засновані на значеннях кошторисної вартості об'єктів рекреаційної забудови.

Четвертий розділ містить у собі рекомендації з раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах, вибір типу паль і їхній розрахунок з урахуванням оцінки їхньої спільної роботи з ґрунтом, технологічні особливості пристрою паль у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму на прикладі територій у селищі Джемієт і Нижня Ореанда. Зроблено оцінку і планування вибору місця для розміщення рекреаційної забудови з урахуванням ряду умов:

- забезпечення екологічної стійкості територій, з максимальним збереженням ландшафту;

- вибору архітектурно - планувальних і конструктивних рішень з урахуванням зниження негативного впливу на навколишнє середовище;

- забезпечення надійності будинків і споруджень при активізації екзогенних і ендогенних процесів;

Дано рекомендації з проектування будинків на пальових фундаментах, що працюють як протизсувні утримуючі спорудження з використанням програмного комплексу "ПУСК".

Для розрахунку пальових фундаментів як конструкцій вертикальних паль, об'єднаних в єдині системи, що перегороджують шлях рухові зсувних мас, вибір конструкцій виконано за двома етапами:

- розрахунок критичних відстаней між стримуючими елементами(палями);

- основний розрахунок конструкцій (визначення внутрішніх зусиль утримуючих елементів та ростверків, обґрунтування бокового тиску на грунт та опору грунту, армування утримуючих елементів і ростверків).

За результатами розрахунків та конструктивних розміркувань для утримання зсувних мас у с.Джемієт необхідні конструкції у вигляді чотирьохрядкового ростверка з двома типами паль БНП (діаметр 1000мм, довжина 21м), для с.Н.Ореанда необхідним є трьохрядковий ростверк з двома типами паль БНП(діаметр 1200мм, довжина 13м).

Виконаний розрахунок та конструювання запропонованих варіантів фундаментів були розроблені на підґрунті технико-економічного порівняння варіантів. При проектуванні паль була врахована залежність від механізму і характеру дії даних зсувних масивів.

Виділено основні технологічні особливості улаштування будинків на пальових фундаментах, що працюють як утримуючі протизсувні спорудження в складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму з застосуванням бетонів нового покоління.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено методику раціонального розміщення будинків на пальових фундаментах для зсувонебезпечних і сейсмічно активних територій Південного берега Криму з урахуванням напружено-деформованого стану порід на прикладі досліджуваних територій у селищах Джемієт і Нижня Ореанда. Уперше для цих територій проведений пошук раціонального місця розташування проектованих будинків з урахуванням максимальної стійкості схилів.

2. Створені конструкції буронабивних пальових фундаментів як стримуючих протизсувних елементів з урахуванням їх спільної роботи з грунтом стосовно ділянок в селищах Джемієт та Нижня Ореанда.

3. Розрахунок стійкості досліджуваних схилових територій у селищах Джемієт і Нижня Ореанда показав, що обидві території знаходяться в рівноважному стані (стані граничної рівноваги). Для ділянки у селищі Джемієт К_У = 1,075, для ділянки у селищі Нижня Ореанда К_У = 1,009. За умови збільшення сил, що зрушують, зменшення значення сил чи опору одночасного прояву цих факторів, буде відбуватися порушення стійкості території. Тому застосування паль як фундаментів і утримуючих протизсувних споруджень на даних ділянках є необхідним.

4. Уперше для досліджуваних територій був проведений аналіз їхньої стійкості по напружено-деформованому стану порід методом ПІЕМПЗ і виявлена його динаміка. Аналіз динаміки змін напружено-деформованого стану порід показав, що активізація процесів концентрації напруг збігається з загальним посиленням активності зсувних процесів на ПБК, що приходиться на 1996-1998 роки.

5. Побудовано карти-схеми полів напруг і тимчасові графіки ПІЕМПЗ, за результатами багаторічних досліджень виділені зони високої (20-60 імп./с) і максимально високої концентрації напруг (>60 імп./с), прирівняні до зон потенційних вогнищ. Вони свідчать про початок процесу тріщиноутворення, що передує візуальній появі тріщин. Визначено зони для оптимального розміщення будинків рекреаційної забудови з урахуванням напружено-деформованого стану порід територій.

6. Аналіз стійкості досліджуваних територій за напружено-деформованим станом порід показав, що обидві території мають зони нормального розподілу електромагнітної напруженості ґрунтового масиву (13-20 імп./с). На таких ділянках доцільно проектувати конструкції пальових фундаментів для будинків рекреаційної забудови.

7. Проведено комплексну оцінку небезпеки впливу зсувних процесів на проектовані будинки рекреаційної забудови за трьома критеріями (ступінь схильності, активність прояву, розмір можливого збитку), що виявила подібність у їхній значущості для обох територій. Для території в селищі Джемієт К_Р = 0,5; F = 0,62 км²; r_p = 72500 тис. грн, для території в селищі Нижня Ореанда К_р = 0,26; F = 0,04 км²; r_p = 51673 тис. грн. Тому при будівництві будинків рекреаційної забудови необхідно використовувати комплекс протизсувних заходів, що враховують характер прояву зсувних процесів та включають у себе пристрій пальових фундаментів, що працюють як утримуючі протизсувні спорудження.

8. Проведено оцінку небезпеки впливу сейсмічних процесів на досліджувані території, зведену до розрахунку очікуваних збитків від землетрусу. Розрахунок показав значення цього показника для обох територій. Для території в селищі Джемієт R_zs = 151000 тис. грн., а для території в селищі Нижня Ореанда R_zs = 119000 тис. грн.

9. Вибір конструкцій пальових фундаментів, що працюють як УПС, залежить від механізму і характеру дії конкретного зсувного масиву. Він застосований для територій з наявністю зсувів блокового типу, а у деяких випадках для зсувів складного типу. У випадку, якщо на території зсуви-потоки, застосування пальових фундаментів недоцільно, оскільки це може привести до просочування ґрунтів у міжпальовому просторі й ослабленні роботи паль по бічній поверхні.

10. Виділено основні принципи зведення пальових фундаментів, що працюють як УПС у складних умовах ПБК на прикладі територій Джемієт і Нижня Ореанда.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Савчук І.Л. Інженерно-геологічна оцінка можливості розміщення рекреаційної забудови в с. Нижня Ореанда // Будівництво і техногенна безпека: Зб.наук.пр. - Сімферополь: КАПКБ, 1999 .- №1 - С. 160 -162.

2. Суббота І.Л. Комплексна оцінка небезпеки зсувних процесів на прикладі територій Південного берега Криму // Будівництво і техногенна безпека: Зб.наук.пр. - Сімферополь: КАПКБ, 2001. - №3. - С. 43 - 46.

3. Суббота І.Л. Оптимізація конструкцій пальових фундаментів у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму // Будівництво і техногенна безпека: Зб.наук.пр. -Сімферополь: КАПКБ, 2001.- №4. - С. 119 -126.

4. Суббота І.Л. Порівняльний аналіз стійкості територій за напружено-деформованим станом порід в умовах Південного берега Криму // Будівництво і техногенна безпека: Зб.наук.пр. - Сімферополь: КАПКБ, 2002. - №7.- С. 166 - 168.

АНОТАЦІЇ

Суббота І.Л. Раціональне розміщення будівель на пальових фундаментах у складних інженерно-геологічних умовах Південного берега Криму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти і науки України, Сімферополь, 2004 р.

Дисертація присвячена проблемі раціонального розміщення будівель у складних інженерно-геологічних умовах на прикладі територій Південного берегу Криму. У роботі запропонована методика раціонального розміщення будівель на підґрунті комплексної оцінки стійкості територій під впливом зсувних і сейсмічних процесів територій Південного берегу Криму. Проведено аналіз динаміки змін напружено-деформованого стану порід територій у селищах Джємієт та Нижня Ореанда (Велика Ялта). Побудовані карти-схеми полів напружень і часові графіки природних імпульсів електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ). Виконана комплексна оцінка небезпеки зсувних і сейсмічних процесів згідно трьох критеріїв: ступеня небезпеки, активності прояву і розміру очікуваного збитку. Зроблено вибір параметрів пальових фундаментів на основі їх мінімальної вартості, проведена програмна реалізація запропонованої методики.

Ключові слова: раціональне розміщення будівель, пальові фундаменти, стійкість території, утримуючі протизсувні споруди, сейсмічна активність, напружено-деформований стан.

Суббота И.Л. Рациональное размещение зданий на свайных фундаментах в сложных инженерно-геологических условиях Южного берега Крыма. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Крымская академия природоохранного и курортного строительства Министерства образования и науки Украины, Симферополь, 2004 г.

Диссертация посвящена проблеме рационального размещения зданий на свайных фундаментах в сложных инженерно-геологических условиях Южного берега Крыма. Разработана методика по рациональному размещению зданий на свайных фундаментах с учетом комплексной оценки устойчивости территорий под влиянием оползневых и сейсмических процессов территорий Южного берега Крыма. Разработаны конструкции свайных фундаментов с учетом их совместной работы с грунтом. Проведен анализ динамики напряженно-деформированного состояния пород территорий в поселках Джемиет и Нижняя Ореанда (Большая Ялта). Построены карты-схемы полей напряжений и временные графики естественных импульсов электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Проведена комплексная оценка опасности оползневых и сейсмических процессов по трем критериям: степени опасности, активности проявления и размеру ожидаемого ущерба. Приведены рекомендации по рациональному размещению зданий в сложных инженерно-геологических условиях Южного берега Крыма.

Первый раздел посвящен анализу состояния вопроса и уровня научных достижений в области рационального размещения зданий на территориях, подверженных оползневым и сейсмическим процессам. Выделены основные направления конструирования свайных фундаментов с исследованием классификационных характеристик на современном этапе. Охарактеризована работа свайных фундаментов как удерживающих противооползневых сооружений в условиях оползневой активности территорий Южного берега Крыма.

Во втором разделе сформулирована методика по рациональному размещению зданий на свайных фундаментах в сложных инженерно-геологических условиях. Проведен сравнительный анализ методов исследований и выбраны наиболее оптимальные. Расчет устойчивости склонов выполнен на основе графо-аналитического метода прислоненных отсеков Г.М.Шахунянца. Проектирование конструкций свайных фундаментов, работающих и как противооползневые удерживающие конструкции глубокого заложения, производилось на основе методик, предложенных Л.К.Гинсбургом, Н.В.Назаровой, К.С.Завриевым, Г.С.Шпиро. Для оценки напряженно-деформированного состояния пород выбран метод естественных импульсов электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Представлены инженерно-геологические условия исследуемых участков.

В третьем разделе представлена комплексная оценка устойчивости территорий, проведен расчет устойчивости склонов, по программе “RUSTOS”, с определением наиболее рационального местоположения проектируемых зданий. Проведен сравнительный анализ устойчивости территорий по напряженно-деформированному состоянию пород исследуемых территорий. Разработаны карты-схемы и временные графики интенсивности ЕИЭМПЗ. Выполнена оценка опасности влияния оползневых и сейсмических процессов на территориях, включающая в себя степень подверженности, активность проявления и размер возможного ущерба.

Четвертый раздел включает в себя рекомендации по рациональному размещению зданий в сложных инженерно-геологических условиях Южного берега Крыма на примере территорий в поселке Джемиет и Нижняя Ореанда. Произведена оценка и планирование выбора места для размещения рекреационной застройки. Произведен выбор параметров свайных фундаментов на основе их минимальной себестоимости. В результате были предложены два типа свай, работающих как фундаменты и удерживающие противооползневые сооружения. Выполнен расчет и конструирование предложенных вариантов по программе “ПУСК” на основе технико-экономического сравнения вариантов фундаментов для территорий рекреационной застройки в п. Джемиет и Нижняя Ореанда. При проектировании свай была учтена зависимость от механизма и характера действия данных оползневых массивов. Выделены основные принципы возведения свайных фундаментов, работающих как удерживающие противооползневые сооружения в сложных инженерно-геологических условиях Южного берега Крыма с применением бетонов нового поколения.

Ключевые слова: рациональное размещение зданий, свайные фундаменты, устойчивость территории, удерживающие противооползневые сооружения, оползни, сейсмическая активность, напряженно-деформированное состояние.

Subbota I.L. Rational placement of buildings on pile foundation in complicated engineering geological conditions of the South Coast of the Crimea. - Manuscript.

The theses on the competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on a specialty 05.23.01 - Building structures, buildings and constructions. - Crimean Academy of Nature Preservation and Resort Construction of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Simferopol, 2004.

The thesis is dedicated to the problem of rational placement of buildings on pile foundations in complicated engineering geological conditions on the example of the South Coast of the Crimea. The technique of rational placement of buildings on pile foundations on the basis of complex estimation of stability of investigated territories under the influence of landslide and seismic processes is suggested in this work. The analysis of the dynamics of alteration of non-uniform deformations of the state of the territories' rock in Jemiet and Nizhnyaya Oreanda (BolshayaYalta) villages has been done. The maps-schemes of the tension fields and time graphics of the natural impulses of electromagnetic field of the Earth have been made. The complex estimation of the hazardous landslide and seismic processes according to three criteria: the degree of hazard, activity of manifestation, and the dimensions of expected damage have been done. The main principles of erection of pile foundations, functioning as retention antilandslide structures while applying new materials in the conditions of the South Coast of the Crimea have been singled out.

Key words: rational placement of buildings, pile foundations, retantion antilandslide structures, territory stability, landslides, seismic activity, non-uniform deformation state.

Размещено на Allbest.ru