Предисловие

Региональные геотехнические дисциплины, читаемые в УГНТУ, в т.ч. впервые с 2002 г. Инженерно-строительная карстология, развивают соответствующие направления федеральной дисциплины Инженерная геология. Отражают региональные особенности и рассматривают процессы в земной коре с позиций потребности строительного комплекса Башкирии. Целенаправленные учебники и пособия пока отсутствуют. В связи с этим авторы пособия используют в своей работе научные результаты и местный (башкирский) опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях, а также опыт выведения их из аварийного состояния. Результаты наших исследований и производственный опыт достаточно широко опубликованы. Научно-исследовательская длительная работа в рассматриваемой области в БашНИИстрое и УГНТУ позволила сформулировать концепцию освоения территорий в зоне опасных геологических процессов на примере Башкирии.

Пособие представляет собой тематический сборник трудов и иных материалов авторов, «рассыпанных» по многим источникам информации за период с 70-х гг. 20 в. по настоящее время (2011).

Введение

Прикладные аспекты карстоведения впервые рассмотрены на Пермской конференции в 1947 г., где была показана необходимость диагностики территорий и оценки опасности карстово-суффозионных процессов. Башкирский опыт изысканий, проектирования, строительства и усиления аварийных зданий был впервые обобщён в 1983 г. [1]. Впоследствии появились первые региональные нормативные документы [2,3], разработанные БашНиистроем, ЗапУралТИСИЗом и БГП, участием автора пособия.

В России за последние годы познания а рассматриваемой области существенно обогатились и упорядочились в связи с выходом СП 11-105-97, СП 13-102-2003, СНиП 22-02-2003, новых редакций СНиП 2.02.01-83^* (2002) и СНиП 2.01.07-85^* (2003) и др. Естественно требуется актуализация и наших региональных нормативных документов, особенно ТСН 302-50-95 РБ. Однако, эта работа под эгидой Министерства строительства, архитектуры и дорожного комплекса РБ затянулась на долгие годы, поскольку это не амплуа производственного Министерства. Судьба разрабатываемой названным Министерством новой версии ТСН 302-50-95. РБ не известна.

В Башкирии сложился научно-производственный коллектив, который с 1969 г. [1] занимается решением комплексной проблемы строительного освоения закарстованных территорий. По этой проблеме проведены исследования, отраженённые в кандидатских диссертациях (Мартин В.И., Травкин А.И., Смирнов А.И., Илюхин В.А., Жилин А.Н., Рыжков А.И. и Давлетяров Д.А.), а также в докторских (Мулюков Э.И., Готман Н.З.).

Естественно и в других регионах в 70…90 гг. прошлого века специалисты и учёные были заняты проблемой карста. В итоге появилось новое геолого-строительное направление: строительное карстоведение, которое формировалось в 1983 г. В Подольске на I Всесоюзном совещании «Строительство на закарстованных территориях»^*.

В начале 90-х гг. прошлого века БашНИИстрой разработал концепцию фундирования объектов крупного производственного комплекса – Уфимская ТЭЦ - 5[5], размещённого в силу производственной необходимости на совершенно непригодной территории в северной части г.Уфы: карст, подтопление, оползни. В те же годы нами выполнена экспертиза технической документации на тампонажные работы в основании ряда современных сооружений, которые были признаны совершенно ненужными, например, в основании Башкирского академического театра драмы им. М.Гафури, наша экспертиза была одобрена на совещании у Министра строительства РБ М.М.Усманова (1994), на котором присутствовали представители Московских учреждений, Уфа – ЗапУралТИСИЗ, академики института геологии РАН. Без единого вопроса.

^*Всего таких совещаний было проведено два, в т.ч. II – в Куйбышеве6 (1990 г.). Совещание III планировалось провести в Уфе (1994), оказалось не до этого никому.

Ниже приводятся некоторые научно-технические результаты, развивающие и дополняющие строительное карстоведение:

1. Составлена Классификация. Растворимые минералы, горные породы и грунты.

2. В соответствии с положениями теории надежности сформированы типы деформаций оснований зданий и сооружений, возможных в результате карстово-суффозионнного либо аналогичного процесса:

• повреждение в фундаментно-подвальнои части при сохранении работоспособного состояния объекта (новые трещины характерного рисунка с малым раскрытием, трещины без раскрытия в швах кладки и между фундаментными блоками горизонтального и вертикального развития и т.п., а также в зоне «нулевой» отметки здания либо в теле сооружения)

• отказ в фундаментно-подвальной части и в самом здании, либо в теле сооружения, при котором нарушаются исправное состояние без существенного снижения несущей способности и эксплуатационной пригодности (дополнительная осадка скачкообразного характера в пределах 0,01 от расчётной при допустимой неравномерности осадок);

• оседания грунтовых толщ в активной зоне основания, которые переводят основание и фундамент здания в ограниченно-работоспособное состояние при сохранении геостойкости объекта (трещины в фундаменто-подвальной части и на верхних этажах здания либо в теле сооружения недопустимого раскрытия (>2 мм), трещины в полах подвала в районе фундамента на окружающей земной поверхности раскрытием 5…20 мм кольцевого очертания радиусом 1..3 м);

• провал грунтовых тощ в активной зоне основания либо на свободной поверхности в «пятне» здания с исчезновением контакта между подошвой фундамента и основанием. «Всплытие» карстовой полости на земную поверхность в примыкающей к объекту территории. Сохранившаяся часть здания зависает над провалом с образованием на несущих стенах паутины трещин арочного очертания с раскалыванием и сдвигом кирпичей (требуется проведение срочных работ по ликвидации аварии).

3. Разработана концепция состояния карстово-суффозионного процесса в виде блок схемы под названием «Условия активации (пассивации) карстово-суффозионного процесса» Карст развивается только при 5 «да», не развивается даже при одном нет. Антропогенный как дополнительный шестой фактор может иметь знакопеременное воздействие.

4. Скорость процесса очень незначительна для карбонатного карста, при котором не предвидится образование пустот за нормативный период

5. эксплуатации зданий. В сульфатном же карсте внимание к процессу должно быть повышенным, поскольку за нормативный срок службы здания, сооружения могут сформироваться опасные пустоты в «пятне» объекта, способные сплыть в активную зону основания здания, сооружения. Галоидные породы катастрофически опасны. В Башкирии такой карст практически не распространён.

6. Наш опыт показал, что к закарстованным территориям необходимо относиться взвешенно и осмотрительно, предпринимая обоснованную противокарстовую защиту. Вышеупомянутые отклонённые тампонажные работы на объектах Уфы могли бы оказаться дорогостоящими бросовыми [4]. К сожалению карстоопасность в Уфе преувеличена, что оборачивается лёгкостью принятия дорогостоящих плитных фундаментов в массовом строительстве, не всегда обоснованных. Просматривается пресловутый затратный фактор создания строительного объекта. Дорого – всем хорошо.

Поражённость территории поверхностными проявлениями карста в Башкирии составляет (%): 69,4 – отсутствует поражённость; 26,3 – слабая поражённость; 4,2 – средняя; 0,1 – сильная. Это согласуется с результатами наших статистических исследований причин отказов оснований зданий за 30 лет в Уфе, составивших всего 15% [5]. Удивительно, но факт, что остальные 85% причин отказов по тем или иным причинам остаются вне поля зрения, игнорируются, замалчиваются……

7. В плитных фундаментах, где они обоснованны, либо в лентах предлагается предусматривать технологические, сквозные на всю толщину плиты вертикальные каналы соответствующего диаметра, с частотой, зависящей от размера вероятного диаметра проседания, провала под плитой. После укладки арматурных каркасов устанавливаются инвентарные пустотообразователи специальной конструкции в размеченных на плане местах с учётом подвального оборудования и фиксируются в пространстве для обеспечения неподвижности при воздействии нагрузок производственного характера. Укладка товарного бетона выполняется обычным способом. После начала твердения бетона пустотообразователи извлекаются, а образовавшиеся технологические каналы закрываются заглушками (патент № 65514, 2006, УГНТУ).

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(справочное)

РАСТВОРИМЫЕ МИНЕРАЛЫ, ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ГРУНТЫ

К Л А С С И Ф И К А Ц И Я 3					Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А
Класс	Группа	Подгруппа	Тип породы	Вид и разновидность породы	Химическая формула	Внешние признаки: цвет, блеск	Плотность, г/смз	Растворимость в воде, 1 20оС, г/л	Распространён-ность в природе	Применение в строительном комплексе и др. отраслях
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
I – природные скальные грунты	с к а л ь н ы е	о с а д о ч н ы е	к а р б о н а т ы	доломит, грейнерит, броссит	MgCO3·CaCO3, взамен Mg часто Mn, Fe	белый, серый, зеленоватый; стеклянный	2,89	малораство- рима (М)	очень широкая	щебень, огнеупоры, каустический доломит, цемент
				кальцит, исландский шпат, известняк, мрамор, мел	CaCO3	бесцветный, прозрачный, розовый, чёрный; стеклянный	2,71	0,07, малорастворима (М)	очень широкая	цемент, огнеупоры, поделочный материал
				магнезит, магнезитовый шпат	MgCO3	белый, серый, жёлтый, коричневый, бесцветный	3,0	малораство- рима (М)	в соленосных породах	огнеупоры, отдел. и теплоизол. материалы, цемент
				мергели: известковые и доломитовые с глиной	CaCO3, MgCO3·CaCO3, (ОН)4.Si8.Al4.O20	смешанные глинисто-карбонатно-доломитовые породы	2,0-2,2	разная по компонентам (Р, М, Н)	широкая (прослойки и мощные пласты)	грунтовые сооружения, цемент
I – природные скальные грунты	п о л у с к а л ь н ы е	о с а д о ч н ы е	с у л ь ф а т ы	ангидрит	CaSO4	бесцветный или бледноцветный; стеклянный	2,92	2,0, малорастворима (М)	в Продолжение таблицы месте с др. сульфатами	вяжущее, ГВЛ, блоки, отделка
				гипс	CaSO4·2H2O	белый, желтоватый или бесцветный; стеклянный	2,32	20,5, растворима (Р)	очень широкая	высокопрочный гипс, алебастр, орнаменты, скульптуры
				мирабилит, глауберовая соль	Na2SO4.10H2O	бесцветный или белый; стеклянный	1,49	161,0, растворима (Р)	вместе с гипсом	стекло, в т.ч. жидкое
				гипс землистый, засолённые (загипсованные) грунты	CaSO4·2H2O CaCO3, SiО2 (ОН)8·Si4·Al4O10	рыхлая, рассыпчатая масса полиминеральная	1,7-1,9	разная по компонентам (Р, М, Н)	местами прослойки	основания фундаментов нуждаются в противосуффозионной защите
			с у л ь ф и д ы	соединения щёлочных (Na,K) и щёлочно-земельных (Ca,Ва) металлов	М2Sx, М2SO4, примеси др. металлов	металловидный, матовый	1,5 – 10,0 (?)	разная по компонентам (Р, М) 2	широкая, в поверхностной зоне переходят в сульфаты, карбонаты	руды, цветная металлургия, люминофоры, полупроводники
I – природные скальные грунты	п о л у с к а л ь н ы е	о с а д о ч н ы е	г а л о и д ы	каменная соль, галит	NaCl	разнообразная окраска - от чёрной до жёлтой; стеклянный (жирный)	2,17	357,0, растворима (Р)	м Продолжение таблицы естами мощные пласты	пищевая, химическая промышленность, сода, кислота
				карналлит	KCl.MgCl2.6H2O	белый, лимонный, красный; жирный	1,6	растворима (Р)	верхние прослойки соляных отложений	химическая промышленность
II – дисперсные грунты	связные		лёссовые грунты	рыхлые комплексные полиминеральные пылевато-глинистые осадочные отложения	сильно изменчива, унаследована от комплекса глинистых и пылевидных фракций	светло-жёлтый	1,3 – 2,0	наследует растворимость связующих компонентов (хлорид, сульфат, карбонат); размокают за 10…15 сек.	приурочены к степной и сухостепной зонам в эоловых отложениях	основания требуют противопросадочные мероприятия; вмещающая среда подземных объектов; грунтоцемент
Примечания 1. Растворимость: более 10 г/л – (Р); 10-0,01 г/л – (М); менее 0,01 г/л – (Н); 2. Сульфиды тяжёлых металлов (Рb, Нg) нерастворимы; 3. Раздел «Классификация» извлечён из ГОСТ 25100-95 с дополнением мергелей, гипса землистого, сульфидов и лёссовых грунтов. Составитель: проф. Мулюков Э.И. (2005, 2009)

Рисунок 1 – Условия активации (пассивации) карстово-суффозионного процесса

Примечание: Разработал проф. Мулюков Э.И. (1996).

Цифрами обозначены главные факторы процесса