книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

прогибающейся бетонной балки происходит при превышении предела прочности на растяжение у ее верхней или нижней грани. В случае железобетонной балки растягивающие усилия воспринимаются только стержнями стальной арматуры. Точный расчет прогиба бетонного фундамента не представляется возможным, поскольку модуль упругости бетона изменяется в зависимости от нагрузки, в материале образуются усадочные трещины, а коэффициент постели в различ­ ных местах основания переменный. Пролет I при провисании бетонной балки, при котором на ее нижней грани растягивающие напряжения достигают пре­ дела прочности для бетона (апр = 380 Н/см2), может быть определен прибли­ женно, если известны равномерно распределенная нагрузка р, ширина сечения балки b и его высота /г, по формуле

если в эту формулу подставить значения изгибающего момента в середине балки

Отсюда следует, что разрушение бетона по нижней грани стенки провисшею фундамента шириной 50 см и высотой 2 м под действием равномерно распреде­ ленной нагрузки, равной 20 Н/см2 (нагрузка р = 1000 Н/м), произойдет уже при длине пролета около 10 м. При этом, если не принимать во внимание отпор основания, прогиб в середине стенки фундамента в упругой стадии составит

bhз

1 2

При принятом выше ограничении для бетонной балки этот упругий прогиб будет соответствовать радиусу кривизны, равному

Растяжение,мм/м

Рис. 210.

Изменение во времени деформаций растяжения и сжатия земной поверхности в основании подрабатываемого здания в направлениях, параллельном и перпендикулярном к направле­ нию подвигания очистных работ, при разных скоростях подвигания забоя:

момента наибольшей деформации растяжения до максимума сжатия проходит только 60 сут, в то время как при скорости подвигания 1 м/сут — 313 сут. Уже через 15 сут после прохождения, т. е. на расстоянии 80 м позади очистного забоя, растяжение переходит в сжатие, быстро возрастающее до критического значения. В то же время в направлении, перпендикулярном к направлению подвигания очистных работ, возникает еще большее постоянное сжатие, часто превышающее величину, которую может выдержать подрабатываемое здание.

Быстрая смена знака нагрузок может вызвать повреждения зданий и соору­ жений, если:

в течение двухмесячного перехода от деформаций растяжения к деформа­ циям сжатия на них накладываются совпадающие с ними по знаку темпера­ турные деформации или деформации, обусловленные влиянием влажности;

продолжительность периода смены знака деформаций недостаточна для консолидации грунта в основании сооружения и у стенок фундамента, а также для уплотнения грунта вследствие изменения его напряженного состояния; указанный период недостаточен для снижения напряжений в заполня­

ющем швы растворе за счет пластического деформирования, в результате быстрого развития деформаций изгиба в стенах здания вместо

сетки мелких равномерно распределенных трещин образуется небольшое количество крупных трещин.

Повреждения зданий возникают прежде всего в направлении вкрест про­ стирания пласта, так как возрастание деформаций сжатия особенно велико

вдоль короткой стороны выемочного участка. Соответственно быстрее проис­ ходят также смена величины и знака деформаций наклона и кривизны земной поверхности. При ведении горных работ на малых глубинах и при отсутствии достаточно мощных наносов высокая скорость подвигания очистных работ может даже привести к развитию интенсивных смещений по поверхностям ослабления в трещиноватом слоистом породном массиве (см. рис. 192), рас­ пространяющихся вплоть до основания подрабатываемого здания [324].

Большая скорость подвигания очистных работ, способствующая увеличе­ нию нарушенное™ массива горных пород и снижению его изгибной жесткости, при многократной подработке может быть причиной образования воронко­ образной мульды сдвижения с крутыми склонами и, следовательно, причиной роста затрат на компенсацию ущерба от подработки, поскольку при этом воз­ растают наклоны, кривизна и горизонтальные деформации (см. также под­ разделы 6.1 и 7.3). К сожалению, в настоящее время мы еще не располагаем достаточным количеством данных наблюдений, чтобы для каждого случая можно было решить, в какой степени большая скорость подвигания очистных работ при многократной подработке вызывает образование пологих или кру­ тых склонов мульды сдвижения.

12.3.

Повреждения промышленных зданий и их оборудования

Ущерб, наносимый горными разработками промышленным зданиям и соору­ жениям, отличается от ущерба, причиняемого обычным зданиям, тем, что про­ ведение необходимого ремонта или осуществление защитных мероприятий часто связано с необходимостью временного сокращения выпуска продукции или даже полной остановки работы промышленного предприятия, вследствие чего суще­ ственно возрастают затраты, которые должно нести причинившее этот ущерб горное предприятие. Кроме того, по сравнению с косметическим ремонтом жилых и общественных зданий, ремонт производственных предприятий дороже и требует большего времени, так как для того, чтобы избежать больших потерь производительности предприятия, часто приходится проводить ремонтные работы, не прекращая его деятельности.

Особенно тяжелы последствия подработки для производственных пред­ приятий, оборудованных котлами, печами и другими топочными устройствами. К ним относятся прежде всего коксовые заводы, металлургические печи, хле­ бопекарные печи и туннельные печи для обжига кирпича [130]. «Горячий ре­ монт» таких печей без прекращения их нормальной работы возможен лишь в весьма редких случаях, так что вынужденный перерыв в выпуске продукции, включающий время на охлаждение и разогрев печи заново (каждая из этих операций длится около недели), означает для владельца горного предприятия дополнительный ущерб, требующий компенсации. Однако при подсчете ком­ пенсации за причиненный ущерб, в особенности при капитальном ремонте или реконструкции печи, необходимо учитывать их амортизацию и нормативный срок до ближайшего планового ремонта, составляющий, например, для стекло-

Рис. 212.

Схема наклона дымовой трубы до границы скоса с

Рис. 211.

Схема коксовых печей:

а — план; б — разрез; 1 — путь коксовыталкивателя; 2 — коксовые печи: 3 — угольная башня; 4 — трубо­ провод; 5 — деформационный шов; 6 — печь; 7 — воздуховоды (для прогрева или нагрева); 8 — запасные каналы; 9 — регенераторные камеры; ю — нижние каналы; и — насадка на сопло (газ малой калорий­ ности); 12— основная плита

плавильных печей около 5 лет. Восстановление рекуперационной стеклопла­ вильной печи, включая устройство защитных мероприятий (бетонной плиты

мых на бетонных плитах длиной до 50 м и толщиной 2 м (по 40 или 50 печей на одной плите), возникают трещины в кирпичной кладке, в обходных и тепло­ отводных каналах, а также в огнеупорной футеровке из силикатного кирпича; при этом в результате образования трещин в перегородках могут возникать вредные утечки газа между рабочими камерами печей, воздуховодами, а также между регенераторными камерами (рис. 211). Усилия от деформаций грунта, воспринимаемые основной плитой, рядами опор и перекрытием воздухоподво­ дящей системы передаются на вышележащие регенераторные камеры, а оттуда на верхний ряд камер коксовых печей и расположенные между ними воздухо­ воды. Защитить проложенные на территории коксового завода газопроводные^ трубы от вредных осевых усилий можно регулировкой надвижными муфтами в пределах ± 4 0 см. При значительном изменении уклона рельсовых путей, по которым перемещается коксовыталкиватель, должны производиться подъ­ емка и рихтовка этих путей. При отсутствии деформационных швов между батареями коксовых печей и угольной башней, последняя может подвергаться деформациям сжатия. Наклоны порядка 3—4 мм/м в поперечном направлении не отражаются на работе коксовой батареи, а в продольном направлении (по оси коксовых батарей) в одном случае даже значительная кривизна, с радиу­

промышленных предприятий и технологического оборудования, можно рекомен­ довать при оценке ожидаемого размера ущерба и связанных с его компенсацией затрат руководствоваться в каждом конкретном случае имеющимися плани­ ровкой предприятия, технологической схемой производственного процесса и результатами осмотра и обследования сооружений на месте. При этом не сле­ дует забывать, что в большинстве случаев строительные материалы оказыва­ ются более прочными, подрабатываемое сооружение — более устойчивым, а технология производства — более легко приспосабливающейся к различного рода нарушениям, чем этого можно ожидать на основе расчетов прочности и общего осмотра предприятия.

12.4.

Повреждения транспортных сооружений

иинженерных коммуникаций

Сточки зрения науки о сдвижениях горных пород основным характерным признаком транспортных сооружений и инженерных коммуникаций является их вытянутая форма в плане. Силы трения могут воздействовать на эти соору­ жения на большом протяжении, суммируясь по всей длине подрабатываемого участка, а сооружения оседают при подработке на длинных участках* К таким сооружениям относятся, в частности, рельсовые пути, каналы, автодороги, трубопроводы и подземные кабели. Вытянутые сооружения могут располагать­ ся на земной поверхности (рельсовые пути, автодороги), перерезать эту поверх­ ность (каналы) или полностью заглубляться в грунт (трубопроводы, кабели).

12.4.1.

Рельсовые пути и автодороги

Для железнодорожных путей опасными могут быть, наряду с другими сдвиже­ ниями, оседания земной поверхности. Воздействие оседания выражается в изме­ нении уклона путей, который на перегонах между станциями не должен пре­

станций, поскольку потребуется увеличение тяговых и тормозных усилии или уменьшение веса и длины поездов. Кроме того, могут нарушиться нормальные условия отвода воды с железнодорожного полотна в боковые канавы и на даль­ ние расстояния. При образовании в результате подработки седлообразного или мульдообразного профиля пути с разностью в высотных отМОТках более 20 см для восстановления эксплуатационного уклона путей необхоДимо ПР°" ведение довольно большого объема ремонтных работ, включающих подъемку мостов и других искусственных сооружений, причем нарушается нормальный график движения поездов. Экономический ущерб, связанный с снИЖением ско" рости движения и осуществлением контроля за состоянием пути, должен быть возмещен за счет горного предприятия.

В случае необходимости поднятия путей в местах пересечений в разных уровпях с их насыпями, путепроводами и водоспусками или перестройки боль-

Различные виды повреждений железнодорожных путей в районах горных разработок:

а — оседание мостов и наклонных въездов; б — выпучивание рельсов вследствие деформаций сжатия зем­ ной поверхности; в — оседание балластного слоя и водоотводной канавы (кювета); г— разрыв стыковых накладок при деформациях растяжения земной поверхности; д — боковой выброс рельсового пути, вызван­ ный сжатием земной поверхности; 1 — поднятие насыпи; 2 — поднятие моста; з — горизонт трассы до осе­ дания; 4 — выпучивание рельсов на 8 см; 5 — срез болтовых соединений; 6 — поднятие пути ступенями по 20 см; 7 — выпучивание пути в бок на 1,8 см

ших сортировочных станций с наклонными участками (горками), сигнальными устройствами и большепролетными зданиями затраты могут достигать несколь­ ких миллионов марок (рис. 213). Контактные сети электрифицированных уча­ стков железных дорог сравнительно мало чувствительны к воздействию под­ работки, однако требуются дополнительные затраты на выполнение работ по, регулировке положения рабочих проводов, поскольку на подвергшемся оседанию участке пути приходится поднимать не только верхнее строение пути, но и контактные провода. По внутризаводским подъездным путям, уклон кото­ рых вследствие подработки увеличился до 1 50, по соображениям безопасно­ сти допускается движение только одиночных вагонов. Вызванный подраооткой наклон земной поверхности в направлении оси железнодорожного пути, рав­ ный 2 мм/м, приведет к увеличению уклона магистрального участка с 1 : 100 до 1 83,3 или к увеличению уклона станционных путей с 1 : 1000 до 1^: 333. Превышение наружного рельса на кривых, составляющее от 20 до 150 мм, возрастает более чем на 7,5 мм (при ширине колеи 1435 мм) только при наклоне земной поверхности в направлении радиуса кривой, превышающем 5 мм/м. Горизонтальные сдвижения земной поверхности 1 м и более в направлении, перпендикулярном к оси пути, при ведении горных работ на малых глубинах могут привести к заметным на глаз искривлениям с радиусами от 10 до 20 км, которые, однако, не могут вызвать существенных помех движению поездов^, если учесть, что минимальные допустимые радиусы кривых для скоростей движения поездов от 60 до 150 км/ч колеблются в пределах от 180 до 1070 м.

С другой стороны, горизонтальные сдвижения земной поверхности в на­ правлении, параллельном оси пути, могут привести к разрыву стыковых на­ кладок, закрытию зазоров в стыках и к продольному изгибу рельсов, выража­ ющемуся в их искривлении вбок или выпучивании вверх. При этом рельсы длиной 30 м, начиная с области деформаций растяжения, должны «вытянуться» на среднюю величину зазора в стыках при температуре + 10° С, равную 8 мм. Должна быть произведена вторичная подбивка шпал, сдвинувшихся в щебеноч­ ном балласте [339]. Исходя из требований безопасности, укладка бесстыковых (сварных) рельсовых путей на подрабатываемых территориях производиться не должна, поскольку в настоящее время еще нет данных опытной эксплуата­ ции таких путей. Однако рельсовые пути со стыками уже не удовлетворяют современным техническим и экономическим требованиям — они уступают бесстыковым путям как в отношении комфорта для пассажиров, так и в отно­ шении затрат на надзор за состоянием пути. Четыре болта, крепящих стыковые накладки, срезаются при действующем по оси рельса усилии, равном 1000 кН, а рельсы профиля S49 (площадь сечения S = 62,3 см2) разрываются только при усилии, равном 2500 кН (предел прочности 4 кН/см2). Сопротивление рельсо­ вого звена по отношению к продольным сжимающим усилиям и продольному изгибу с потерей устойчивости при нормальной укладке шпал в балластном слое составляет около 1550 кН на каждый рельс. Таким образом, стыковое соединение является наиболее слабым элементом рельсового пути. Около 60% общего числа повреждений рельсовых путей составляют разрывы стыковых накладок или срез крепящих их болтов. Как будет показано ниже, расчет ожидаемых продольных усилий, действующих на рельсовый путь в условиях его подработки, является весьма сложной задачей, так как приходится счи­ таться с взаимным наложением напряжений от колебаний температуры, нагру­ зок от давления колес подвижного состава (например, при экстренном тормо­ жении эти нагрузки достигают 100 кН на каждый рельс), разгрузки в стыковых

ластным слоем щебня и лежащими на нем шпалами, жестко связанными с рель­ сами. Так как сопротивление скольжению рельса по прикрепленной к шпале подкладке, равное 33 кН/м, в 4 раза больше сопротивления перемещению звена рельсов по щебню, шпалы должны смещаться по балластному слою по крайней мере настолько, насколько позволяет упругое деформирование рель­ сов в продольном направлении. Таким образом, можно считать, что шпалы жестко связаны с рельсами и передаваемые ими к рельсам горизонтальные усилия, приложенные через интервалы 60 или 70 см, можно для упрощения заменить равномерно распределенной силой, величина которой, определенная эмпирически по сопротивлению рельса продольному перемещению, составляет V = 8 кН/м.

В начале сдвижения напряжения в рельсах возрастают сперва только до величины трения между рельсами и стыковыми накладками, нормально равной 50 кН, а максимально — 400 кН. После того как напряжения превысят указанную величину, отдельные рельсы смещаются в пределах возможного