книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

жений в районах горных разработок пока еще не удалось получить точных сведений:

о величине бокового давления грунта, меньшего, чем пассивное, действу­ ющего на стенки фундамента при малом уплотнении и обжатии грунта (а < < 1 0 см);

об изменении во времени деформаций земной поверхности и обусловленных ими воздействий на подрабатываемое сооружение (деформации ползучести, релаксация напряжений);

овеличине остающихся в элементах сооружения усилиях, обусловленных упругим деформированием, и о суммировании их с усилиями, вновь воспри­ нимаемыми сооружением;

остепени возрастания сил трения при увеличении горизонтальных дефор­

маций грунта основания; б влиянии изменения по величине и направлению действующих на соору­

жение деформаций земной поверхности (переход от растяжения к сжатию или от кривизны вогнутости к кривизне выпуклости и обратно);

о характере сдвижения земной поверхности в области, где картина раз­ вития процесса сдвижений искажена из-за фундамента, действующего как инородное тело;

об изменении отпора грунта основания под жестким сооружением и о связи этого изменения с расчетной кривизной земной поверхности.

12.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОДРАБОТКИ НА РАЗЛИЧНЫЕ ОБЪЕКТЫ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

12 .1 .

Характер ущерба, причиняемого подработкой

'Сдвижения и деформации земной поверхности вызывают в населенных местно­ стях различные повреждения подрабатываемых сооружений и других объектов, причем характер этих повреждений зависит от того, какие именно объекты испытывают воздействие подработки — жилые дома, промышленные здания, транспортные сооружения, линии водопровода и других коммуникаций или же участки земной поверхности, используемые для нужд сельского хозяйства. Жилые и промышленные здания более всего страдают от наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций земной поверхности. Для большинства транс­ портных сооружений и сетей канализации представляют опасность оседания земной поверхности и деформации растяжения или сжатия грунта, которые изменяют уклон трассы и создают продольные и поперечные деформации рель­ совых путей, дорожных покрытий и трубопроводов, которые могут привести к их разрушению. Что касается подземных и магистральных напорных трубо­ проводов, то для них опасны только горизонтальные деформации в продольном направлении. Оседание земной поверхности может оказаться единственной причиной ущерба, причиненного полям, лугам, дренажным системам, каналам и другим водотокам. Горизонтальные сдвижения земной поверхности могут вызвать повреждения ответвлений трубопроводов, ведущих от магистралей к отдельным зданиям, а также повреждения транспортерных галерей большой длины (табл. 22).

В Рурской области ФРГ около половины всех затрат, связанных с ликви­ дацией ущерба от подработки, приходится на работы по устранению поврежде­ ний устройств для отвода и стока воды и канализации. По предприятиям акцио­ нерного общества «Рурколе» эти затраты в 1972 г. составили около 111 млн. марок [349]. Влияние подземных горных разработок на водоснабжение и осуше­ ние крестьянских хозяйств, выражающееся в относительном поднятии уровня грунтовых вод1 и в изменении направления водотоков, наносит примерно такой же материальный ущерб, как подработка зданий и сооружений всех видов. Если учесть, кроме того, что большая часть повреждений сооружений (наклоны здапий, изменения уклонов дорог и каналов) вызывается неравно­ мерным оседанием, то получится, что оседание является наиболее опасной составляющей сдвижения земной поверхности. Затраты на ликвидацию повре­ ждений здапий, рельсовых путей и трубопроводов, вызванных кривизной

1 Впечатление подъема уровня грунтовых вод создается благодаря тому, что опуска­ ющаяся земная поверхность приближается к горизонту грунтовых вод, фактическая высота которого остается неизменной вследствие притока воды из области, не затронутой процес­ сом сдвижения.

12.2.

Повреждения жилых зданий и их инженерного оборудования

При р а в н о м е р н о м оседании основания здание может и не испытывать •статических нагрузок, однако это не означает, что ущерба от подработки нет, так как изменяется уклон ведущих к зданию коммуникаций и происходят повреждения окружающей его отмостки. Кроме того, при относительном подъеме уровня грунтовых вод могут быть затоплены подвальные помещения, •если пе предусмотрена их гидроизоляция, что приводит к необходимости за­ траты средств на откачку воды, к ущербу от воздействия сырости и снижению продажной цены дома. Размер затрат при открытой откачке на установку вакуумного насоса, прокладку и оборудование сборного колодца и на монтаж •обратного клапана составляет около 1500 марок на каждое подвальное поме­ щение. Подлежащий возмещению ущерб от снижения стоимости здания, об­ условленного длительным воздействием сырости, составляет, по данным опыта,

вшегося здания и от имеющихся в нем подвижных нагрузок уже не будут передаваться на несущие элементы конструкции отвесно и центрально; однако такое нарушение статического равновесия может привести к взаимному смеще­ нию несущих элементов (опор и балок) и к существенному снижению устойчи­ вости только при весьма значительных наклонах и при большой высоте здания. Если фундамент здания не будет вновь приведен в горизонтальное Положение при помощи гидравлических или винтовых домкратов, причиненный подработ­ кой ущерб остается в виде затруднений при эксплуатации этажей здания, находящихся в наклонном положении. В жилых зданиях подобного рода дефект становится заметным при наклонах примерно 2 мм/м (при этом стоимость зда­ ния снижается на 1%), но в зданиях производственных предприятий, оборудо­ ванных чувствительными к наклонам станками и механизмами, он может ме­ шать нормальной работе уже при наклоне 0,5 мм/м, так что на таких предприя­

Ослабление связанных между собой несущих конструкций здания (фундамента, стен, столбов, балок, перекрытий или покрытий) и их элементов (из кирпича, бетона, стали или дерева), приводящее к образованию трещин или # заметным смещениям в стыках и на опорах, называется с т р у к т у р н ы м о с л а б ­ л е н и е м строительной конструкции. Оно происходит при деформациях кривизны земной поверхности или деформациях растяжения или сжатия грунта •основания (рис. 205). Структурное ослабление может уменьшить долговечность

Рис. 205.

Основные виды повреждении жилого дома и его элементов:

1 — зпклиншшнпс дверей и оконных рам; 2 — трещины в стенах и перекрытиях; з — трещины в лестницах, обо­ рудован и и дымопых трубах; 4 — проникновение воды; 5 — наклон грунта (постоянное повреждение); 6 — структурное ослабление несущих конструкций из кон­ структивных элементов и их соединений

и снизить ценность несущих конструкций; что касается ущерба, наносимого элементам, не являющимися несущими, как, например, перегородкам и обору­ дованию. то он может быть ликвидирован при ремонте здания. Первыми разру­ шаются детали и материалы, служащие для соединения между собой конструк­ тивных элементов — цементный раствор, гвозди, заклепки, анкеры, скобы и пояса; в тяжелых случаях подработки повреждаются также непосредственно конструктивные элементы (кирпичная кладка) и даже некоторые несущие конструкции. Ослабление отдельных несущих конструктивных элементов снижает устойчивость и сокращает срок службы здания (обычно здания рас­ считываю? на срок службы около ста лет); связанное с этим снижение реаль­ ной ценности здания (несколько процентов от продажной цепы) должно быть возмещено владельцами горного предприятия.

Вжилых Домах высотой до четырех этажей, имеющих небольшие размеры

вплане, структурные ослабления несущих конструкций чаще всего бывают незначительными; их доля в общем снижении долговечности здания учиты­ вается снижением ценности здания, определяемым в зависимости от наклона. Повреждения конструктивных элементов, не являющихся несущими, чаще всего могут быть устранены проведением косметического ремонта, не требу­

ющего полной замены конструктивных элементов. Стоимость такого ремонта при деформациях растяжения или сжатия земной поверхности 1 мм/м в 1970 г. составляла в среднем около 2000 марок на каждый дом — в эту сумму входит стоимость сооружения лесов и стоимость штукатурных и малярных работ.

Поскольку о степени износа несущих конструкций здания нельзя непосред­ ственно судить но числу и густоте трещин в стенах и перекрытиях, остаточное структурное ослабление несущих конструкций крупных зданий должно опре­ деляться отдельно в каждом конкретном случае; только таким способом можносделать выводы о степени снижения реальной ценности сооружения, исходя из данный о сокращении срока его долговечности. Подобное обследование зданий должно распространяться на все несущие конструкции и полученные данные о степени Их структурного ослабления должны быть разбиты на две группы —' повреждения, поддающиеся устранению путем ремонта, и поврежде­

трещины в штукатурке перекрытий и зазоры в кровле, образовавшиеся вслед­ ствие деформаций кривизны. Чаще всего подлежат замене кирпичные столбы с продольными или диагональными трещинами, перекошенные и потреска­ вшиеся лестничные марши, заклинившиеся или неплотно закрывающиеся окна и двери, а также скрытые под штукатуркой электрические провода и водопро­ водные или газовые трубы, подвергшиеся воздействию изгибающих или осе­ вых нагрузок, выход из строя которых может привести к серьезным послед­ ствиям. О неустранимых повреждениях и износе можно говорить, например, если при контрольном зондировании фундамента обнаруживается трещина с раскрытием более 5 мм, проходящая ниже вскрытого пола подвального поме­ щения, а также если наблюдаются продолжающиеся в течение длительного вре­ мени смещения отдельных частей фундамента одной относительно другой или если под фундаментом образуются пустоты или уступы в грунте основания, а под опорами балок проходят значительные по размерам трещины. Если стены, сложенные из бутового камня, разрушаются по швам или в стенах из пустоте­ лых блоков поврежденные части блоков смещаются один относительно другого, то устойчивость таких стен непрерывно снижается. Кроме того, к неустрани­ мым структурным ослаблениям можно отнести случаи, когда в результате сдвигающих и растягивающих воздействий на перекрытия уменьшаются опор­ ные площади балок, панелей ферм, перемычек или сборных элементов пере­ крытий. Наличие проходящих через несколько этажей трещин в дымоходах указывает на структурные ослабления в других кирпичных стенах, и ценность здания следует считать сниженной даже в случае, если будет выполнен ремонт дымохода, восстанавливающий его герметичность [65].

Для трещин растяжения, образующихся в стенах зданий, характерно то, что они чаще всего проходят под углом 60—70° к горизонту (рис. 206, а). В от­ личие от этого, трещины, указывающие на наличие деформаций сжатия, обычно проходят более или менее горизонтально (рис. 206, б); в стенах или полах, подвергшихся сильному сжатию, ряды кирпичей или плиты пола деформиру­ ются в виде складок (рис. 206, в). Если в стенах имеются проемы, т. е. заранее заданные ослабленные зоны, то образующиеся в них трещины обычно проходят от угла оконного или дверного проема в диагональном направлении к углу другого проема, расположенного этажом выше или ниже (рис. 206, в). В зда­ ниях или частях зданий большой длины добавляются еще трещины кривизны, которые образуются в продольных стенах здания и при кривизне вогнутости земной поверхности проходят так, как показано на рис. 206, <9, а при кривизне выпуклости — так, как показано на рис. 206, е. В последнем случае у углов здания могут образовываться клинообразные выломы, если не предусмотрены специальные меры для усиления жесткости перекрытий. Таким образом, кар­ тина развития трещин кривизны является симметричной.

в материале или швах кладки стен, то для стен из различных материалов полу­

При этом предполагается, что деформации земной поверхности больше предельной деформации сооружения и что смещение грунта относительно фундамента у конца сооружения составляет по меньшей мере 1 см. Так, напри­ мер, для четырехэтажного здания шириной 15 м (F'n — 645 кН/м) с сечением бетона S = 30 см2 на 1 см ширины фундамента критическая длина, при кото­ рой бетон в средней части фундамента разрушится, составит 0,15*530 или 380*0,21 = 80 м. Для одиннадцатиэтажного здания (F'n = 1650 кН/м) при той же площади сечения фундамента критическая длина уменьшится до 32 м.

Приведенные приближенные расчеты ясно показывают, что обусловлен­ ные силами трения деформации растяжения или сжатия могут достигнуть раз­ рушающих значений только в очень длинных и недостаточно прочных или силь­ но нагруженных фундаментах. Поэтому часто наблюдающиеся повреждения фундаментов или стен подвальных помещений обычно происходят не из-за пре­ вышения предела прочности отдельных элементов на растяжение илх! сжатие, а вследствие изгиба, выпучивания или перекоса этих элементов. Так, например, не опирающиеся на сплошную бетонную плиту фундаменты стен или колонн не могут оказать достаточного сопротивления горизонтальным нагрузкам, вызванным давлением грунта, вследствие чего наклоняются и прогибаются внутрь или наружу (рис. 208). Ориентированные в направлении горизонталь­ ного сдвижения грунта тонкие стены подвального помещения под действием значительных сжимающих усилий могут даже разрушиться, выпучиваясь внутрь помещения. В отличие от этого, стены подвального помещения, распо­ ложенные перпендикулярно к направлению давления грунта, могУт лишь прогнуться без перекоса стен, если в уровне пола и перекрытия под додвалом применены конструктивные меры, повышающие жесткость в горизонтальном направлении. Ленточные фундаменты, выполненные в виде горизонтальной рамы, испытывают боковой изгиб в частях, ориентированных перпендикулярно к направлению сдвижений грунта, и осевое сжатие или растяжение в попереч­ ных ригелях. Благодаря тому, что междуэтажные перекрытия усиливают жест­ кость строительной конструкции, обусловленные давлением грунта поврежде­ ния чаще всего пе распространяются дальше подвала и первого этажа здапия; напротив, трещины от искривления или деформации несущих конструкций

в зданиях, не обладающих достаточной изгибной жесткостью, могут затронуть несколько этажей.

а

>4 L_U

Ipucmpouna

Рис. 208.

Схема перекоса стен подвального помещения (а) и простенков въездных ворот (б), вызван­ ного боковым давлением грунта, деформаций пристройки (в), вызванных искривлением зем­ ной поверхности, и рациональная планировка (г) с внутренней лестничной клеткой [250]

12.2.2.

Трещины, вызванные деформациями кривизны земной поверхности

Появление большого количества т р е щ и н п р и о с а д к е зданий, располо­ женных вне зоны влияния подземных горных работ, где на сооружение не могут воздействовать никакие горизонтальные силы, кроме обычного давления грунта в состоянии покоя, показывает, что и в районах горных разработок, по-види­ мому, кривизна земной поверхности должна вызывать образование значительно большего количества трещин, чем до сих пор предполагалось. Опыт показы­ вает, что первые видимые трещины, обусловленные прогибом или неравно­ мерным оседанием отдельных частей фундамента, появляются при стреле прогиба от 0,001 до 0,002/ или при радиусе кривизны сооружения от 30 до 60/, где / — длина здания. Таким образом, для кирпичного здания длиной 35 м допустимая разность оседаний составляет от 3,5 до 7 см, а допустимый радиус кривизны — от 1 до 2 км. Такая кривизна может возникнуть только или при ведении горных работ на небольшой глубине, или при одновременной разра­ ботке свиты пластов. При ведении горных работ на больших глубинах (более 500 м) кривизна земной поверхности оказывает сравнительно незначительное влияние на отдельные кирпичные стены и значительно большее — на несущие конструкции зданий, имеющих большие размеры в длину и высоту с недоста­ точной жесткостью перекрытий, а также на бетонные сооружения, чувствитель­ ные к деформациям растяжения при изгибе, и на группы зданий при сплошной застройке (без разрывов между отдельными зданиями).

Таким образом, при мульдообразном вогнутом искривлении земной по­ верхности могут иметь место серьезные повреждения соприкасающихся и ока­

Защита подрабатываемых сооруж ений

6

Рис. 209.

Схема расхождения стеновых панелей (а), вертикального смещения конструктивных эле­ ментов (б), взаимного перекрытия фронтонов зданий при сплошной застройке (в), вызыва­ емого искривлением земной поверхности, и растягивающих напряжений, возникающих в изгибаемой балке (г):

1 — стеновая панель; 2 — диск междуэтажного перекрытия; 3 — здание в ряду сплошной застройки

происходит компенсация горизонтальных деформаций сжатия грунта на уча­ стках фундамента, ослабленных проемами различного назначения (см. рис. 208), так что после образования под перекрытием подвального этажа горизонтальных участков среза (см. рис. 206, в) эти деформации уже не передаются на вышеле­ жащие конструктивные элементы верхних этажей. Горизонтальное обжатие Д/ при кривизне вогнутости (или, наоборот, их расхождение при кривизне выпук­ лости) для двух рядом стоящих домов длиной 20 м и высотой 10 м уже при ради­ усе кривизны р2 — 10 км составит около 2 см (рис. 209). Обусловленное искри­ влением земной поверхности относительное растяжение или сжатие стоящего в ряду сплошной застройки дома шириной b или стены одного из этажей воз­ растает пропорционально высоте h

(418)

однако оно не зависит от длины здания и при высоте этажа h = 3 м и радиусе кривизныр = 10 км составляет около 0,3 мм/м. Если принять, что в кирпичной стене такая деформация равномерно распределится на все швы между кирпи­ чами, то это означает, что в заполненных раствором швах при длине кирпича 25 см появятся лишь волосные трещины шириной около 0,08 мм.

Соприкасающиеся друг с другом элементы строительных конструкций шириной b могут, кроме того, под действием искривления земной поверхности смещаться в вертикальном направлении по вертикально ориентированным швам или зазорам (см. рис. 209); образующаяся при этом подвижка Ah, линейно