книги из ГПНТБ / Строительство и защита зданий на подрабатываемых территориях

В зоне распространения значительных величин относительных го­ ризонтальных деформаций растяжения из-за уменьшения плотно­ сти грунта возникает наклон в сторону максимальных деформаций, поэтому, если в эту зону попадет нижний торец, то наклон здания в этом случае еще более увеличивается против наклона вне зоны ра­ стяжения. Но при попадании верхнего торца в растянутую зону на­ клон здания уменьшается.

В зоне распространения значительных величин относительных го­ ризонтальных деформаций сжатий при попадании в зону сжатия нижнего торца происходит уменьшение наклона здания в силу уве­ личения плотности грунта при сжатии, но усиление кривизны проис­ ходит при боковом воздействии грунта на фундамент.

С максимальными значениями горизонтальных деформаций сов­ падают максимальные значения кривизны, а зона значительных наклонов располагается в полосе, прилегающей к точке перегиба, т. е. между 0,3 L и 0,7 L . Эту зону можно считать зоной опасных деформаций для зданий, так как ей соответствуют значительные наклоны.

Кроме того, в зоне опасных деформаций, как это показали натур­ ные наблюдения во Львовско-Волынском угольном бассейне, имеет место значительная величина горизонтальных сдвижений, которые способствуют усилению неравномерности распределения нагрузки на нижний торец при наклоне основания.

При .малых наклонах оседание основания может опережать осе­ дание фундамента, что показали, в частности наблюдения за домом по ул. Кирова, 23 в Новаволывске (табл. 23).

Чем больше наклон поверхности и врезаемость в грунт, тем боль­ ше исчерпывается податливость конструкции.

При наличии податливости конструкции на наклонах получает­ ся искривление здания. Если прочность стен не допускает этого ис­ кривления, получаются трещины.

143

Т а б л и ц а 23. Величины оседаний стенных н грунтовых реперов (ул. Кирова, 23)

По данным табл. 23 можно заключить, что в верхнем по накло­ ну торце отсека грунтовый репер опережает стенной, в середине от­ сека либо малое опережение грунтовым репером стенного, либо одинаковые их оседания, а в нижнем торце стенной репер опережа­ ет грунтовый.

Из этого следует, что на верхнем торце и в среднем имеет место разгрузка, а на нижнем торце перегрузка и врезание, т. е. происхо­ дит искривление фундамента.

Отношение наклонов мульды сдвижения в точке перегиба („„„ и

Поэтому использование в качестве исходных данных величин ми­ нимальных радиусов кривизны поверхности в мульде сдвижения дает заниженную (почти в 2 раза) величину расчетного радиуса кривизны здания по сравнению с радиусом, определяемым по .мак­ симальному наклону мульды.

Так как при увеличении наклона основания увеличивается его перегрузка, то в зависимости от этого могут наступать последова­ тельно фазы деформации грунта основания:

1) фаза уплотнения; 2) фаза сдвигов; 3) фаза выпирания.

Бели грунт доведен до состояния 2 и 3 фазы, то возможно, что даже при прекращении оседания поверхности еще будет продол­ жаться деформация здания.

Весьма эффективными мероприятиями защиты существующих зданий от искривления на наклоне являются: уменьшение наклонов

144

мульды путем смещения границ горных работ в плане при выемке нескольких пластов, уменьшение выемочной мощности! к границе, уменьшение влияния горизонтальных сдвижений путем гармониче­ ской выемки по разным пластам, что достигается путем опережения забоев выемки пластов на 100—150 м, расположение границы вы­ емки угля вдоль продольной оои здания.

Из приведенных выше исследований видно, что при установле­ нии непосредственных причин и факторов, вызывающих те или иные деформации зданий, необходимо учитывать взаимодействие фундамента и основания, особенно на контакте.

§ 21. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ

Для исследования контактной задачи необходимо получить со­ ставляющие эпюры отпора от каждого фактора.

Эпюра распределения реактивного давления по подошве фунда­ мента является исходной для получения значения внешней нагруз­ ки при определении внутренних усилий в конструктивных элементах зданий. Принимая во внимание, что теоретические трактовки ха­ рактера эпюры отпора, основанные на гипотезе Винклера, отлича­ ются от экспериментальных данных и что при натурных испытаниях невозможно выявить раздельное влияние вертикальных и горизон­ тальных деформаций основания и других факторов на характер эпюры отпора, возникла необходимость получить более наглядную и точную картину распределения влияния различных факторов кон­

следованиях поляризационно-оптический метод (метод фотоупругоста л фотопластичности).

При моделировании грунт основания в первом приближении рас­ сматриваем как линейно-деформируемую среду, считая, что кон­ тактная задача для ленточного фундамента может решаться как плоская в пределах упруго-деформированного состояния.

Исследование контактной задачи поляризационно-оптическим ме­ тодом при искривлении основания проводится впервые. Получае­ мые при этом методе путем просвечивания поляризационным 'Све­ том прозрачной модели картины изохром и изоклин дают полное представление о поле напряжений и позволяют определить вели­ чины этих напряжений в любой точке модели. Возможности пере­ несения результатов исследования напряжений, выполненных по­ ляризационно-оптическим способом, на другие материалы основа­ ны .на том факте, что при постоянных объемных силах уравнения, устанавливающие распределение напряжений в плоской задаче, не содержат упругих постоянных материалов (модуль упругости Е и коэффициент Пуассона р).

Из известных методов определения разности главных напряжений по картинам изохром и изоклин в данном исследовании принят ме­ тод полос, и частично — метод компенсации при определении поряд­ ка полос и начальных напряжений. Разность хода связана с раз­ ностью главных напряжений зависимостью, выражающей основной закон фотоупругости (закон Вертгейма).

Г = cd (а1 — а2 ) = п I .

Поэтому разность главных напряжений равна

п\

d — толщина модели;

an — цена полосы или разность главных напряжений при числе полос я-1 (определяется по тарировочным образцам).

Картина изоклин выявилась при белом рассеянном свете «а фоне «зохром при плоской поляризации путем совместного поворота по­ ляризатора и анализатора против часовой стрелки на угол направ­ ления главных напряжений к горизонтальной оси. Коэффициент оптической активности

получен экспериментально.

Применение желатинового .и ацетилцеллюлозного студня в каче­ стве чувствительной среды в фотоупругом полярископе позволяет использовать модели такой конструкции, в которой поле массовых сил такое же, как и поле собственного веса самого студня.

Для выполнения настоящей работы в лабораторных условиях Ки­ евЗНИИЭП была изготовлена простая, компактная и достаточно точная поляризационная установка, общий вид которой представ­ лен на рис. 51. Преимущество такой установки состоит в том, что она имеет большое поле зрения и гибкость конструкции, благодаря которым наблюдатель, стоящий впереди анализатора, может нево­ оруженным глазом следить за напряжениями сразу во всей модели и зарисовать или сфотографировать полученную оптическую кар­ тину.

Модель, подвергнутая воздействию только собственного веса, должна иметь параллельные полосы, расположенные горизонталь­ но. При выполнении этого условия свободно стоящая, подвергнутая только действию собственного веса модель основания, находилась в условиях плоской деформации. По количеству полос и весу модели определялась «цена полосы. Испытание модели произведено с при­ менением нагрузки двух .видов: жесткой .и гибкой, оптическая по-

146

стоянная материала модели определялась путем измерения компен­ сатором разности хода при различных интервалах нагрузки с по­ мощью кварцевой пластинки.

Изохромы и изоклины получены при искривлении модели основа­ ния под моделью фундамента из «изкомодульного оптически актив-

Из-за того, что при осадках основания под фундаментом в обыч­ ных условиях, как известно, в работу вовлекаются некоторые зоны грунта, прилегающие к фундаменту и находящиеся вне его контура, из-за трения вертикального слоя по слою в торцах фундаментов возникает наибольшее касательное напряжение по вертикальным площадкам. Это напряжение убывает к середине фундамента и за­ тухает на некотором расстоянии от его контура, поэтому эпюра от­ пора имеет характер, представленный на рис. 53. При расположении здания в центре мульды сдвижения или на плоском дне ее эта кар­ тина сохраняется, а при расположении на борту мульды — стано­ вится несимметричной, изменяется в зависимости от величины на­ клона. Значительное изменение происходит также при расположе­ нии здания на уступе (рис. 54).

Эпюры нормальных напряжений реактивного отпора под подош­ вой фундамента для случаев растяжения и сжатия представлены на рис. 55. Эпюра ау соответствует эпюре нормальных напряжений в подошве фундамента, т. е. эпюре отпора. Эпюра ох соответствует распределению нормальных напряжений вдоль фундамента перпен­ дикулярно к вертикально ориентированным площадкам.

J 48

Несимметричность изохром проявляется наиболее сильно при на­ клоне и свидетельствует о сосредоточении напряжения под нижним торцом фундамента, что приводит к повышению давления на грунт.

Имитация уступа высотой 12 мм с жесткой нагрузкой создала на-

При создании уступа высотой в 6 мм путем разрезки модели под одной третью длины фундамента с вертикальным сдвигом одной на-

Рис. 55. Эпюра отпора на контакте фундамента при деформации осно­ вания:

a — при растяжении: б — при сжатии .

149

сти относительно другой зафиксированы самостоятельные карти­ ны иэохром в левой и правой частях модели.

Таким образом, при расположении жесткого фундамента на усту­ пе повышенное давление создается под нижним торцом в левой ча­ сти основания у трещины.

По картине изохром и эпюрам отпора, построенным на рис. 57, можно заключить, что при жесткой нагрузке нижний торец и часть фундамента, располагающаяся на границе уступа, находятся в ус­ ловиях более повышенного напряжения по сравнению с остальны­ ми частями фундамента. Максимальные напряжения верхней части фундамента располагаются у самой трещины и значительно больше максимальных (Напряжений у нижнего торца. Отсюда можно сде­ лать вывод, что при наклоне с уступом, напряжения концентриру­ ются в нижних точках участков фундамента, разделенных уступом. Соотношение максимальных напряжений зависит от величины усту­ па, величины наклона и от места расположения трещины по длине фундамента.

Особый интерес представляет результат, полученный при растя­ жении и сжатии основания под жесткой и гибкой нагрузкой (см. рис. 57). В зоне растяжения происходит повышение нормального отпора в связи с (увеличением относительной горизонтальной де­ формации растяжения.

Такое влияние горизонтальных деформаций объясняется тем, что Чем больше растяжение, тем слабее основание и тем больше вреза­ ние торца в грунт, а отсюда наклон здания и как следствие этого — его искривление.

При сжатии картина получается обратная, грунт несколько уплот­ няется, здание меньше в него врезается, наклон здания и нормаль­ ный отпор уменьшаются. Ранее такой характер влияния горизон­ тальных деформаций не учитывался, а учитывалось только влияние •их путем приложения растягивающих и сжимающих сил, передаю­ щихся фундаменту вследствие трения от деформирующегося в го­ ризонтальном направлении грунта и давления последнего на попе­ речные стены.

Таким образом, описанный здесь метод моделирования позволя­ ет раскрыть всю сложность явлений на контакте основания и фун­ дамента, причем отдельно от каждого вида деформаций.

В результате исследования можно предположить:

-— использование поляризационно-оптического метода для иссле­ дования напряженного состояния основания подрабатываемых зда­ ний позволяет получить наглядную качественную и количественную картину распределения напряжений;

—при увеличении кривизны выпуклости основания эпюры отпо­ ра имеют аналогичный характер, но при этом происходит увеличе­ ние напряжений под средней частью фундамента;

—изменение жесткости фундамента резко изменяет характер

150

— наклоны основания .вызывают значительную неравномерность распределения .напряжений между торцами фундамента; эта пере­

—в условиях подработки с образованием уступов земной поверх­ ности, сопровождающимся ее наклоном (при крутом залегании пластов), наибольшее напряжение возникает на участке .контакта фундамента и основания у самого уступа;

—рост горизонтальных деформаций основания повышает .нор­

мальный отпор при растяжении и уменьшает при сжатии, что ведет к большей неравномерности распределения отпора по подошве.

Результаты настоящих экспериментальных исследований получе­ ны при изучении взаимодействия фундаментов и деформирующихся оснований в предположении упругой стадии их работы.

Для максимальной экономичности 'конструктивных решений зда­ ний необходимо более полно учитывать реальные условия работы конструкций и основания и изучать влияние неупругих свойств грун­ тов, особенно интенсивно проявляющихся в процессе подработки. Подобные исследования целесообразно проводить методом фото­ пластичности, который больше соответствует реальному состоя­ нию грунта основания зданий, располагаемых на подрабатываемых территориях.

§ 22. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОДРАБОТКИ ГОРОДОВ

ВО ЛЬВОВСКО-ВОЛЫНСКОМ БАССЕЙНЕ

Шахтами бассейна подработано 75 жилых и общественных зда­ ний в зонах опасных влияний в городах Червоноград и Новово-

защитных устройств и осуществления горных мероприятий в виде специальных схем подземной разработай угольных пластов под за­ строенными территориями. В результате применения конструктив­ ных и горных мероприятий было расконсервировано 1,3 млн. т угля. Из общего количества запасов угля, находящихся в недрах под кон­ туром Червонограда, шахтой № 1 было расконсервировано 1 млн. т, в том числе — 0,4 млн. т под новой частью города (кварталы 16—22 и второй микрорайон). Экономическая эффективность для шахты

151

приятии в зданиях, расходов на капитальный ремонт после подра­ ботки и фактора времени. При этом исключаются потери капиталь­ ных вложений (в долевом отношении к запасам в охранном цели­ ке) на разведку угольных пластов, проектирование и строительство шахтного технологического комплекса, вскрытие пластов и подго­ товку к выемке промышленных запасов угля капитальными и ос­ новными выработками. Эти потери капитальных затрат, являясь «бросовыми», увеличивают удельную производственно-эксплуата- ционую себестоимость остающихся и предназначенных к выемке за­ пасов угля шахты. Будучи использованными на воспроизводство ос­ новных производственных фондов, они дали бы за t лет (от момен­ та окончания строительства шахты до момента фактического остав­ ления угля в охранных целиках) соответствующий экономический эффект в виде прироста чистого продукта.

Основной экономический эффект в этом .случае определится по формуле

Д / ? = ^ - ( 1 + £ )',

где £ — нормативный отраслевой коэффициент экономической эф­ фективности, равный 0,15;

i — время от момента завершения строительства шахты до момента фактического оставления целика (6 лет);

Р„ — общая стоимость основных средств шахты за момент ос­ тавления охранного целика (14,6 млн. руб.);

q — промышленные запасы угля, заключенные в контуре ох­ ранного целика (0,4 млн. т);

Q — промышленные запасы угля «а поле шахты к моменту оставления целика (16,3 млн. г),

или

bF*=0,79 млн. руб.

Здесь не учитываются возможные потери или положительный экономический эффект от того, что взамен преждевременно выбы­ вающей в результате оставления охранных целиков шахты будет строиться новая в худших или лучших горно-геологических услови­ ях и разрабатывать пласты угля меньшей или большей мощности и с различной зольностью. Эти факторы не могут быть учтены, так как не известны конкретные условия строительства новой шахты в районе Львовско-Волынекого угольного месторождения, которая •восполнила бы потери в охранном целике на шахте № 1.

При экономической оценке защиты зданий конструктивными ме­ роприятиями необходимо выявить стоимость осуществления этих мероприятий С к , которая зависит от таких факторов, как конструк­ тивные особенности здания, вид применяемых конструктивных ме­ роприятий, расчетные величины деформаций поверхности под зда­ нием.

152