книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

перемещения болтов в вырезах накладок, и в это время напряжения в рельсах остаются неизменными. Они вновь начинают возрастать после того, как зазоры в стыках или увеличатся до величины, которую позволяют накладки (при растяжении), или же полностью закроются (при сжатии). В этом состоянии рельсовый путь сохраняет способность противостоять осевым усилиям, вызван­ ным колебаниями температуры, нагрузками от колес подвижного состава и силами трения о грунт до тех пор, пока в области деформаций растяжения не произойдет срез стыковых болтов, для чего требуется усилие, равное 1000 кН, или пока в области деформаций сжатия не произойдет выпучивание рельсов вбок, для чего требуется усилие 1500 кН. Если принять для упрощения, что при достаточно большом горизонтальном сдвижении земной поверхности пол­ ностью исчерпывается сопротивление рельсов силам трения, возникающим между шпалами и балластным слоем, равное 8 кН/м, то получится, что разру­ шение рельсового пути в области деформаций растяжения произойдет при длине участка возрастания усилий, равной 250 м, а области деформаций сжатия — при длине участка возрастания усилий, равной 380 м. При треугольной эпюре распределения сил трения, воспринимаемых рельсами, размер области дефор­ маций растяжения должен составить 500 м, а в области деформаций сжатия — 760 м, что при угле сдвижения 54° соответствует глубине разработки более 700 м.

Учитывая синусоидальную форму кривой горизонтальных деформаций земной поверхности в зоне влияния подземных горных работ, в соответствии с изложенными в подразделе 4.2 правилами э п ю р а д е ф о р м а ц и й р е л ь с о в должна иметь наклон на 1 м длины

этот наклон равен 0,3 мм на 100 м длины. Для пути, состоящего из 30-метровых рельсов с 8-миллиметровыми зазорами в стыках, полученные по этой формуле значения должны быть уменьшены ориентировочно на 8 : 30 = 0,26 мм/м на обеих ветвях треугольной эпюры деформаций рельсов. Приведенный пример ясно показывает, что бесстыковой (сварной) рельс, уложенный над очистной выработкой, пройденной на глубине 700 м до площади, равной половине пло­ щади полной подработки, при максимальной деформации растяжения земной поверхности, равной 1 мм/м, и максимальной деформации сжатия, равной 2 мм/м, претерпевает растяжение только до 0,55 мм/м и сжатие — до 0,82 мм/м. Для рельсового пути, уложенного со стыками, соответствующие максимальные деформации рельсов составят 0,45 мм/м при растяжении и 0,55 мм/м при сжатии, При увеличении деформаций растяжения земной поверхности до 5 мм/м и сжа­ тия — до 10 мм/м эти максимальные деформации рельсов возрастут незначи­ тельно — для сварных рельсов до 0,7 мм/м при растяжении и до 1 м при сжа­ тии, а для рельсов со стыками — до 0,55 мм/м при растяжении и до 0,75 мм/м

Для сварных рельсов (принимая за исходную «нейтральную» температуру 4-20° С) соответствующие величины составят 1550—750 = 800 кН для силы трения и 0,61 мм/м для деформации сжатия рельсов.

Отсюда следует, что при условиях примера (см. рис. 214) выпучивание рельсов в жаркую погоду сможет произойти только в случае, если пУТь уложен из сплошных (бесстыковых) рельсов. Срез болтов в стыках п0Д действием сдвижения земной поверхности произойдет зимой при силе трениК ЮОО—50 = = 950 кН или при деформации растяжения рельсов, равной 0,72 мм/м, что может иметь место только при деформациях растяжения земной поверхности,

Т А Б Л II Ц А 23

УСИЛИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И КОЛЕБАНИЙ

ТЕМПЕРАТУРЫ, А ТАКЖЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК

Дополнительные условия: нагрузки от колес подвижного состава при движении и торможении, местные концентрации напряжений, напряжения, вызванные передвижкой рельсов.

Прочностные показатели снижаются в .местах дефектов материала, от неравномерной подбойки шпал, при малой прочности стыковых накладок на продольный изгиб, при некачественном крепле­ нии рельсов к шпалам и при разуплотнении балласта под действием сдвижений.

превышающих 5 мм/м. С другой стороны, сварные рельсы с пределом текучести 2500 кН при условии 100%-ной надежности сварных швов начнут разрываться (хладноломкость) при деформации растяжения рельсов, равной 1,4 мм/м.

Мероприятиями, предотвращающими опасное выпучивание рельсов, явля­ ются уширение балластного слоя, жесткое натяжение и крепление рельсов и шпал, препятствующее повороту, забивка боковых упорных штырей, повыше­ ние нейтральной температуры, применение рельсов тяжелого профиля, раз­ грузка рельсов от напряжений разрыхлением балласта в зоне растяжения земной поверхности (снижение защемления и соответственно сил трения), а также разрезкой рельсов в сочетании с контролем напряжений в рельсах при помощи дистанционного измерения тензометрами.

Вычисленные предельные нагрузки и деформации, наглядно сопоставлен­ ные в табл. 23, распространяются на рельсовые пути, укладка которых произ­ водилась в нормальных условиях. Вследствие меняющегося направления

горизонтальных сдвижений земной поверхности укладка шпал в районах горных разработок может производиться на разрыхленный балластный слой без за­ сыпки балластом, так что сопротивление рельсов продольным и поперечным смещениям будет меньше нормального. Опасность выпучивания рельсов повы­ шается, если в них под действием сдвижения земной поверхности возникнут искривления в горизонтальной или вертикальной плоскости. Возрастание осе­ вых усилий в рельсах не всегда происходит в линейной зависимости от длины — могут возникать местные концентрации этих усилий в местах дефектов мате­ риала или износа, а также при неравномерной подбивке шпал и неравномер­ ном их укреплении. Возрастающая с увеличением трения горизонтальная де­ формация рельсов может увеличиться на 1 мм/м и более, если очистные работы ведутся на нескольких соседних участках одновременно, и зоны деформаций сжатия или растяжения, которые на рис. 214 были приняты равными около 500 м, распространяются на расстояние более 1 км. Не поддаются учету при расчетах также усилия, воспринимаемые рельсами от колес подвижного состава при движении поездов и при их торможении, изменения собственных напряже­ ний в рельсах, обусловленные их передвижкой, а также предписываемый нор­ мами для рельсовых путей магистральных линий коэффициент надежности (запас прочности), представляющий собой отношение предела прочности к допу­ стимому напряжению (v = 2,67).

Р е л ь с ы т р а м в а й н ы х л и н и й укладываются, как правило,

вдорожном покрытии улиц, на бетонном основании, и свариваются по всей длине или укладываются с применением компенсирующих стыков, в которых предусматривается возможность взаимного смещения клинообразно срезанных концов рельсов на расстоянии до 70 см. Заглубление рельсов в толщу дорож­ ного покрытия имеет то преимущество, что часть тепла из рельсов отводится

вматериал покрытия — при этом максимальная разность температур соста­ вляет уже не 90°, как для рельсовых путей, уложенных на балласте, а только 50° (температурные напряжения до 13 кН/см2), и, кроме того, предотвращается выпучивание рельсов в боковую сторону под действием сжимающих нагрузок. Наибольшие повреждения имеют место вследствие смещений рельсового пути относительно мостовой (выше фиксирующих ширину колеи стяжек, смещаю­ щихся вместе с рельсами), а также на стрелочных переводах. Вода, просачи­ вающаяся в трещины и щели, образовавшиеся в мостовой, может подмывать рельсовый путь и нарушать связь между рельсами и бетонным основанием. Что касается вызываемых подработкой изменений уклона путей, то благодаря небольшому весу трамвайных вагонов и малой длины поездов эти изменения лишь незначительно сказываются на эксплуатации внутригородского электри­ ческого транспорта.

Туннель для трамвайной линии в г. Эссене (ФРГ), который впоследствии будет использован для строящегося в этом городе метрополитена, имеет нор­ мальную площадь сечения в свету 100 м2 и разбит деформационными швами на отсеки длиной по 15 м. Для компенсации возможных вертикальных смеще­ ний несущие конструктивные элементы отсеков соединены шарнирно.

Повреждения покрытий автодорог и городских улиц выражаются прежде всего в том, что при деформациях сжатия земной поверхности начинают обра­

зовываться трещины в бордюрных камнях, а через швы между камнями выда­ вливается битум покрытия, и только после этого происходит выпуклое искри­ вление мостовой или образование на ней многочисленных волнообразных неровностей. Через возникшие в покрытии трещины может происходить под­ мыв мостовой дождевой водой вплоть до щебеночной постели. При деформа­ циях сжатия земной поверхности наименьшим повреждениям подвергаются мостовые из тесаного камня небольших размеров или мостовые с гравийно­ битумным и асфальтовым покрытием на щебеночном основании. Образующиеся в таких покрытиях трещины при деформациях растяжения земной поверхности легче ремонтировать, чем трещины в бетонных покрытиях. Образующиеся на дорожном покрытии уступы, а также волнообразные неровности весьма опасны для автомобильного транспорта.

12.4.2.

Подземные кабели и трубопроводы

Проходящие под дорожным покрытием городских улиц кабели, трубопро­ воды и канализационные трубы чувствительны к горизонтальным деформациям, а самотечные трубопроводы (за исключением ливневой канализации), кроме того, и к изменениям уклона. Для защиты коммуникационных линий от по­ вреждений их укладывают в рыхлом грунте, а в местах установки кабельных соединительных муфт по обе стороны от них кабель изгибается волнообразно, образуя так называемые компенсационные петли, и снабжается повышающей его жесткость оплеткой (рис. 215). При этом муфта чувствительна к растяже­ ниям грунта, а искривленные участки кабеля— к сжатиям. Внешние силы трения, действующие на высоковольтные кабели с тройной оболочкой, через джутовую оплетку или ПВХ-покрытие передаются на внутреннюю оболочку (рубашку), изоляционный слой и проводники. Часто случается, что проводники кабеля имеют большую механическую прочность, чем материал его оболочек,

ина криволинейных участках трассы в области деформаций растяжения про­ водники могут прорезать изоляционный слой, а в уплотненном грунте провод­ ник при деформациях сжатия может прорвать изоляцию, вследствие чего может произойти заземление проводника или короткое замыкание [313]. Особенно часто прорыв изоляции жилами и даже отдельными проводниками происходит в кабелях с хлопчатобумажной изоляцией в свинцовой оболочке. В этом отно­ шении значительные преимущества имеют кабели с гладкой внешней оболочкой из материала «протодур» с промежуточной оболочкой из резины или стеклянной ваты, обеспечивающей большой коэффициент трения и тем самым предотвра­ щающей нежелательные относительные смещения между изоляционным слоем

ивнутренней оболочкой. Кроме того, хорошие результаты дает обматывание концов кабеля у его ввода в соединительную муфту жесткой тканью, примене­ ние поддающихся обжиму витых проводников, а также жестких соединитель­ ных муфт с заливкой в них кабеля эпоксидной смолой, препятствующей как выдергиванию кабеля из муфты при растяжении, так и его заталкиванию внутрь муфты при сжатии, при котором может произойти нежелательный изгиб проводников. Чугунные кабельные муфты можно применять в районах

в

Рис. 215.

Схема воздействия подработки на подземные кабели и трубопроводы:

а — прокладка кабеля с устройством искривленных участков для компенсации деформаций растяжения; б — поперечное сечение силового кабеля; в — определение необходимого растяжения между компенсаторами трубопроводов и их компенсирующей способности по кривой горизонтальных сдвижений земной поверх­ ности; г— схема ввода газопровода в здание, допускающего поворот труб на некоторый угол; j — уплот­ няющая оплетка; 2 — муфта; з — проводник; 4 — изоляция; 5 — внутренняя оболочка; в ~ внешняя обо­ лочка; 7 — зазор; 8 — соединение, допускающее поворот труб; 9 — величина компенсации; ю — трубы диаметром 32 мм; 11 — трубы диаметром 150 мм

горных разработок только в том случае, если они снабжены специальными податливыми переходниками [95]. Поскольку подземные кабели лишь частично следуют за сдвижениями земной поверхности, а развивка жил или ИХ разрыв происходят только при деформациях растяжения, равных примерно 40 мм/м, можно ожидать повреждения кабелей только при очень больших деформациях растяжения или сжатия земной поверхности, и то только в местах соединений (муфт) и на участках, на которых трасса кабеля идет по кривой или Претерпе­ вает излом. Высоковольтные кабели напряжением 150 кВ, проложенные в ка­ налах, стальных трубах или в ограждениях из шлакобетонных камней, не по­

уплотнение в соединительных муфтах при деформациях растяжения может ослабнуть, а при деформациях сжатия могут произойти поломки труб Нстыках, повреждения их стенок или разрывы муфт. При этом «транспортные» потери в водопроводных магистралях могут превысить нормальные на 10%, а в газо­ проводах — на 30%, так что может потребоваться дополнительная Зачеканка уплотнений в муфтах (свинцом, гудроном или свинцовой ватой) > ёскрытие поврежденных участков трубопровода и, смотря по обстоятельствам, замена жестких труб податливыми или замена соединительных элементов> Восприни­ мающих осевые усилия, надвигающимися в осевом направлении й* 0,1—0,2 м

скользящими муфтами, клиновыми муфтами, продольно-винтовыми муфтами или втулками (уплотнительными кольцами), расположенными через интер­ валы 30—50 м. Величина интервалов между компенсаторами и их компенсиру­ ющая способность выбирается в зависимости от роста горизонтальных сдвиже­ ний грунта, определяемого по эпюре сдвижений по длине трубопровода (см. рис. 215).

Наряду с поворотными участками труб, задвижками, колодцами и гидран­ тами, форма которых способствует усилению связи между ними и окружающим их грунтом, особенно подвержены повреждениям места присоединения к маги­ стральному трубопроводу отводных линий к отдельным зданиям, расположен­ ные примерно через каждые 20 м, если в этих местах не предусмотрена воз­ можность установки подвижных в продольном направлении сверлильных аппаратов с седелкой для присоединения труб или сцеплений, позволяющих трубе поворачиваться на некоторый угол. Эти места ответвлений действуют подобно грунтовым анкерам, если магистральный трубопровод испытывает большее горизонтальное сдвижение в направлении его оси, чем разводящие участки, отходящие к зданиям.'Вводы труб в дома должны иметь сальниковые уплотнения и проходить через резиновые прокладки, обеспечивающие возмож­ ность смещения труб. Статистика показывает, что, например, в районе г. Дорт­ мунда (ФРГ) около трети всех повреждений газопроводных линий происходят вследствие воздействия подземных горных разработок [222]. Что касается пережимов труб малого внутреннего диаметра, то они большей частью вызыва­ ются причинами, не связанными с горными работами, — нагрузками от дви­ жения транспорта или давлением при промерзании грунта.

Прямолинейные м а г и с т р а л ь н ы е т р у б о п р о в о д ы большой протяженности, уложенные из стальных труб диаметром в свету от 200 до 710 мм и более, повреждаются от подработки значительно реже, чем трубопро­ воды сетей городского газоили водоснабжения, так как применяемая для них битумная изоляция оказывает благоприятное действие, снижая силы тре­ ния, и сопротивление этих трубопроводов деформированию в продольном направлении (защемление) возрастает приблизительно пропорционально их внешнему диаметру. Опыт оказывает, что защемление трубопровода внутрен­ ним диаметром 300 мм, уложенного в песчаном грунте и покрытого пропитан­ ной битумом лентой толщиной 4 мм, составляет около 4,5 кН/м [93]. При отсут­ ствии битумного покрытия силы трения могут достигать значительно большей величины — примерно 50 кН/м в песчаном грунте и более 200 кН/м в плотном глинистом грунте1* [393].

Кроме того, следует отметить, что вследствие горизонтальных сдвижений земной поверхности в районах горных разработок на трубопроводы воздей­ ствуют силы сцепления при сдвиге или силы трения, которым противостоят воз­ никающие в трубопроводе внутренние силы упругой деформации, и пока не

Рис. 216.

Распределение измеренных горизонтальных деформаций земной поверхности и сварного магистрального газопровода из стальных труб марки 35 между пикетами 25—76, а также кривая распределения измеренных величин смещения трубы относительно грунта после четырехлетнего периода воздействия подработки [175]:

/ — схема установки компенсаторов по данным расчета сдвижений земной поверхности и по допустимой величине деформаций труб, равной 0,6 мм/м; I I — при отсутствии данных 0 сдвижении земной поверхности на основе современного уровня знаний и III — по нормам, действовавшим до настоящего времени (компенсирующая способность компенсаторов и мак­ симальная горизонтальная деформация земной поверхности принимались равными 2 мм/м);

1 — компенсатор; 2 — трубы диаметром 400 мм; з — тонкозернистый песок; 4 — глинистый грунт; 5 — труба; 6 — грунт; 7 — водонасыщенная глина; 8 — относительное смещение

развитие деформаций в трубопроводе, так и смещение трубопровода относительно грунта. Если принять, что деформации в стальных трубах возрастают до пре­ дела текучести, составляющего 240 Н/мм2 для стали марки 35, и задаться вели­ чиной запаса прочности, равной 1,87 (по действующим в ФРГ нормам 2470), то при 100%-ной надежности сварных швов, допустимое напряжение в материале трубопровода составит

Отсюда предельная деформация сварного трубопровода в направлении его оси, независимо от диаметра труб и их площади сечения, составит

так как вследствие увлажнения глинистого грунта, а также разгрузки при взвешивании увлажненных частиц песка сила трения уменьшается.

для труб с внутренним диаметром 300 мм. Если принять, что касательные напряжения остаются неизменными, получается, что сдвигающее усилие пропорционально внешнему диаметру труб. Если принять далее, что толщина стенок труб и, следовательно, площадь их поперечного сечения также воз­ растают в линейной зависимости от увеличения диаметра труб, то в соответ­ ствии с уравнением (428) нарастание деформации (tg а) будет одинаковым для всех труб с равным внутренним диаметром, если считать, что трубы изготовлены из одинакового материала и имеют одинаковое изолирующее покрытие. Для труб, изготовленных из других сортов стали, будет иметь место соотношение

По результатам других исследований была получена упругая деформация труб до 0,8 мм/м, что отвечает напряжениям примерно 190 Н/мм2. Кроме того, этими исследованиями установлено наличие в трубах пластических и остаточ­ ных деформаций [99].

Следует заметить также, что вследствие потери уклона трубопровода, вызванной оседанием земной поверхности, может снизиться температура транспортирующего по трубопроводу газа и возрасти давление содержащихся в нем водяных паров; при наличии притока фильтрационной воды в районах горных разработок должна производиться откачка этой воды из колодцев с тем, чтобы вся площадь сечения трубы оставалась свободной для пропуска газа. Соединительные муфты с шаровым шарниром и продольно-винтовые муфты допускают изломы трассы до 3°. По одной из эмпирических формул наименьший радиус упругого прогиба трубопровода в метрах равен диаметру труб в миллиметрах, т. е. для труб с внутренним диаметром 1000 мм он соста­ вляет 1000 м. При применяющихся в настоящее время глубинах горных работ столь малые радиусы кривизны при нормальных условиях не имеют места.