книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

ограничена применением или жестких фундаментов и междуэтажных перекры­ тий (по принципу жесткости), или же шва скольжения между основанием и фундаментом (по принципу податливости).

14.3.2.

Некоторые примеры конструктивных мер защиты здании и сооружений

Полная защита от воздействия искривления и горизонтальных деформаций земной поверхности дорогостоящих промышленных сооружений и фундаментов машин обычно обеспечивается повышением их жесткости, в то время как для сооружений с малой изгибной жесткостью применяется частичная защита путем устройства ленточных фундаментов или применения податливой фунда­ ментной плиты.

Примеры п о л н о й з а щ и т ы приведены на рис. 251. Опирание на одну плоскостную опору подходит для сооружения с опорной поверхностью в форме круга, например для дымовых труб, градирен или фундаментов машин, причем опорная поверхность может иметь даже меньшую площадь, чем горизонталь­ ное сечение сооружения (рис. 251, а). Для протяженных сооружений, таких, например, как коксовые батареи, предпочтительно опирание на две плоскост­ ные опоры, подобно опиранию жесткой балки (рис. 251, б вариант, пока­ занный пунктиром). Средняя часть сооружения располагается ниже, чтобы уменьшить моменты, создаваемые горизонтальными силами трения грунта по опорам. При большой высоте фундаментов применяются или качающиеся стойки (рис. 251, б, принцип податливости), или горизонтальная податливая на изгиб плита (принцип жесткости), опирающаяся на две плоских или четыре точечных опоры, под которой располагаются собственно фундаменты, отде­ ленные от плиты швами скольжения (рис. 251, е). Плита воспринимает гори­ зонтальные усилия, создаваемые давлением грунта и силами трения, не да­ вая им возможности передаваться вышележащей конструкции в виде моментов или перерезывающих сил. Применяемое для фундаментов металлургических печей или башен подъемных установок опирание на три точки с применением Катковых опор (рис. 251, в) или с распорной горизонтальной плитой, фикси­ рующей расстояния между фундаментами, можно считать идеальной полной защитой; при числе опор более трех распределение усилий в подрабатываемом сооружении изменяется в зависимости от величины искривления земной по­ верхности. Однако неравномерное оседание при опирании на четыре точки можно выровнять поднятием или подкладыванием подгоночного элемента и тем самым восстановить нормальное распределение нагрузки на все четыре опоры (рис. 252, г). Примером применения полной защиты при сооружении электростанции в районе горных разработок может служить электростанция Герштейн в Штокуме [362].

В этой связи следует привести также примеры применения полной за­ щиты при строительстве жилых домов: в южной части Рурской области жилые дома в связи с наличием под площадкой строительства старых горных выра­ боток на небольшой глубине, точное положение которых было неизвестно,

а— опнрание резервуара для воды на одну опору; б — опирание на две опоры; в — опнранне на три опоры»

г—оппрание на четыре опоры; 1 — повышение жесткости в горизонтальном направлении; 2 — качающая^»

стойка; 3 — цоколь; 4 — катковые опоры; 5 — плита; 6 — шов скольжения

были ориентированы по простиранию. Подвальные этажи домов были выпол­ нены в виде жесткой железобетонной коробки, что вызвало удорожание дома на 5%, но была обеспечена защита домов при возможных провалах на земной поверхности диаметром до 6 м. Некоторые здания Рурского университета в г. Бохуме, расположенные в районе выхода угольных пластов на земную поверхность, были защищены от возможных провалов тем, что нагрузка от веса зданий или передавалась на нижележащие устойчивые породы лежачего бока при помощи 30-метровых свай толщиной 1,5 м, проходящих полностью через верхние породные слои висячего бока, или же распределялась на возможно большую площадь при помощи опорного ростверка. Кроме того, в этом случае разрыхленный и расшатанный грунт был укреплен (рис. 252) нагнетанием в грунт цементного раствора. Чтобы своевременно выявить образование про­ валов и принять меры к заполнению образующихся при этом пустот быстро-

в нем по возможности избегали разделительных швов между отдельными кон­ структивными элементами, т. е. применяли не сборные, а монолитные конст­ рукции. На зеленых лужайках и спортплощадках непосредственно под слоем дерна были заложены натянутые между фундаментами зданий предохранитель­ ные сетки [143]. Подобного рода полная защита должна применяться тогда, когда существует возможность образования на земной поверхности крупных трещин и уступов.

В литературе [250,251] часто высказывается мнение, что на повреждения сооружений горизонтальные деформации земной поверхности влияют в большей степени, чем кривизна *. Если это мнение правильно, то при частичной защите можно было бы отказаться от дорогостоящих мероприятий, полностью исклю­ чающих воздействие искривления земной поверхности; достаточно было бы при­ менить конструкцию сооружения, обеспечивающую ему необходимую податли­ вость в вертикальном направлении (принцип податливости), и фиксацию расстоя­ ний между фундаментами для защиты от воздействия горизонтальных деформа-

„ 1 Что касается часто встречающихся случаев, когда в стенах новых кирпичных зда­ нии, построенных вне зоны влияния горных работ, образуются трещины вследствие неравно­ мерной осадки грунта основания, то здесь, по-внднмому, главную роль играют не горизон­ тальные деформации, а кривизна (причеч. автора).

I — зона возможного образования провалов на зем­ ной поверхности; II — зона возможной осадки соору­ жений; 1 — коренные породы; 2 — отработанный пласт; 3 — расслоение горных пород; 4 — нарушение структуры пород н грунта; 5 — разрыхление горных пород и грунтов; 6 — штрек

ций. Чем податливее будет сооружение следовать за искривлением земной поверхности, тем меньшие изгибающие усилия будут передаваться к вышеле­ жащим частям несущих конструкций. Возникновению повреждений, вызыва­ емых искривлением земной поверхности, способствует, кроме того, непосред­ ственно уменьшение горизонтальных напряжений в грунте в области деформа­ ций растяжения: в подвергшемся растяжению грунте происходит неравномер­ ная осадка фундаментов и, вследствие этого, искривление сооружения, если создаваемое сооружением давление на грунт или глубины заложения фунда­ ментов в различных местах неодинаковы (это может иметь место, если, напри­ мер, верхние слои грунта обладают меньшей прочностью, чем нижние).

Различные варианты ч а с т и ч н о й з а щ и т ы показаны на рис. 253: продольные и поперечные стены подвальных помещений возводятся на гори­ зонтальной рамной конструкции, состоящей из перекрестных железобетонных балок. Ленточный фундамент этого типа воспринимает горизонтальные усилия в направлении сдвижений земной поверхности, в то время как балки, ориен­ тированные перпендикулярно к этому направлению или под углом к нему, подвергаются воздействию изгибающих и скручивающих усилий, которым они могут противостоять лишь при условии мощного симметричного армиро­ вания и устройства диагональных распорок (см. рис. 253, а). Такое увеличение жесткости в горизонтальном направлении можно с наименьшими затратами осуществить при помощи сквозной плиты, которая может быть расположена над отдельными или ленточными фундаментами или под ними (см. рис. 251, б). ПГов скольжения между грунтом основания и фундаментом или между фун­ даментом и вышележащей несущей конструкцией ограничивает усилия, пере­ даваемые сооружению при горизонтальных деформациях грунта, преобразуя их в силу трения, которая поддается количественной оценке. Чтобы в полосооб­ разно нагруженной фундаментной плите не возникали большие изгибающие моменты, эта плита должна быть настолько тонкой (толщиной от 10 до 25 см), чтобы она, выдерживая растягивающие усилия в направлении обеих ее осей, была в то же время достаточно податливой в вертикальном направлении и ра­ ботала только как диафрагма, фиксирующая расстояние между фундаментами. Такие фундаментные плиты, по Люткенсу, называются «гибкими плитами». Для тяжелых массивных сооружений, возводимых на слабом грунте, может быть целесообразной также массивная фундаментная плита большой толщины, поскольку она способствует более равномерному распределению нагрузки на ос­ нование. При сооружении жилых домов чаще всего применяют фундаментные

Рис. 253.

Примеры частичной защиты сооружений от воздействия горных разработок [251]:

а — увеличение жесткости сооружения в горизонтальном направлении путем устройства ленточных фун­ даментов в виде рамного ростверка; б — устройство гибкой железобетонной плиты под отдельными фунда­ ментами или над ними, фиксирующей расстояния между фундаментами, в — трехшарнирная рама и каркас­ ная конструкция промышленного сооружения с устройством фундаментных связей -распорок в продольном направлении, фиксирующих расстояние между рамами, с увеличением жесткости в середине сооружения; г — разделение здания на отдельные отсеки; д — разделительные швы (или зоны) между соседними здани­ ями; 1 — железобетонный ригель; 2 — ленточный фундамент; з — цоколь; 4 — шов скольжения; 5 — гнокая фундаментная плита; 6 — качающиеся стойки; 7 — разделительный шов

монолитные плиты, служащие полом подвального этажа и непосредственно переходящие в фундаменты, без швов скольжения.

Из двух решений, показанных на рис. 253, б, верхнее (с работающей на растяжение плитой, уложенной под фундаментами) имеет то преимущество, что при этом на фундаменты не передаются крутящие моменты и изгибающие напряжения, что имеет место при фундаментной плите, уложенной поверх фундаментов. Кроме того, при этом исключается воздействие сил бокового давления грунта на внутренние боковые поверхности бетонных балок рамы, показанной на рис. 253, а. Однако при глубоко заложенной фундаментной плите необходимо производить выемку грунта до горизонта основания плиты по всей площади сооружения, а затем снова заполнять грунтом пространство между фундаментной плитой и полом подвального помещения. В обоих слу­ чаях, показанных на рис. 253, б, следует иметь в виду, что обусловленные неравномерной осадкой фундаментов прогибы плиты и возникающие в пен растягивающие напряжения еще до начала воздействия процесса сдвижения земной поверхности поглощают некоторую часть запаса прочности заложенной в плите арматуры, предназначенной для восприятия растягивающих усилий.

Фундаменты под колоннами и качающимися стойками каркасных здании (рис. 253, в) должны иметь возможность свободно смещаться в поперечном направлении, особенно тогда, когда в первом этаже отсутствует стеновое за­ полнение или когда не требуется устройство перекрестных связей между ко-

Рис. 254.

Схема, поясняющая возникновение растя­ гивающих напряжений в междуэтажных перекрытиях при кривизне выпуклости земной поверхности (а) и снижение боко­ вого давления грунта на стенку подваль­ ного помещения путем устройства подушки из податливого материала или компенса­ ционной траншеи (б):

11— нахлестка; 2 — анкер; 3 — подушка; 4 — траншея

лоннами портала, обеспечивающих устойчивость и воспринимающих ветровую нагрузку, поскольку соответствующие связи имеются в средней части здания. Для защиты каменных ограждений и решетчатых опор от воздействия гори­ зонтальных деформаций служат вертикальные деформационные швы, запол­ няемые пластическим составом. Решетки ограждений должны иметь возмож­ ность некоторого смещения, что достигается при помощи накладок с удли­ ненными отверстиями для болтов.

209, в и 253, д) в соответствии с выражением (418) и, с другой стороны, раз­ ностью вычисленных для данных зданий противоположно направленных гори­ зонтальных сдвижений Аих в области деформаций сжатия, в соответствии с рис. 215, в (сравнить с компенсаторами для трубопроводов).

Для сооружений с малой изгибной жесткостью кривизна вогнутости ока­ зывается более благоприятной, чем кривизна выпуклости, поскольку при этом возникающие в верхней части сооружения сжимающие усилия могут воспри­ ниматься продольными стенами и междуэтажными перекрытиями (см. рис. 250). В подвальном этаже достаточное сопротивление действию растягивающих усилий при изгибе и противоположно направленных сил трения создается при помощи обычного армирования, рассчитанного на растяжение. В отличие от этого, при кривизне выпуклости перекрытия в верхней части сооружения подвергаются действию растягивающих нагрузок (рис. 254, а), а поэтому перекрытия должны быть достаточно армированы в направлении обеих осей, причем арматура должна быть непрерывной, а на опорах должна быть надежно заанкерена. Железобетонные каркасные конструкции, применяемые при со­ оружении жилых домов и административных зданий, нечувствительны к воз­ действию искривления земной поверхности; с увеличением высоты (толщины) несущих конструкций возрастают и пролеты между опорами, так что общая жесткость сооружения остается неизменной. Заметные неравномерные дефор­ мации земной поверхности не могут быть допущены только для зданий про­ мышленных предприятий с большими полезными нагрузками на междуэтажные перекрытия — от 1 до 5 тс/м2.

Защита от значительных усилий, создаваемых боковым д а в л е н и е м г р у н т а на стены фундаментов, может быть осуществлена при помощи устрой­ ства в строительном котловане податливой подушки из котельного шлака,

несущей конструкцией. Предложено большое число различных способов уст­ ройства искусственных швов скольжения, с помощью которых коэффициент трения между бетонным фундаментом и песчаным грунтом основания, равный 0,65, может быть уменьшен более чем вдвое, так что в условиях рассмотренного

поверхностей и при значительных нагрузках — от 500 до 1000 Н/см2. При устройстве прослоек скольжения из асфальта (толщиной 3 см) должно при­ меняться уплотнение краевой пленкой из фольги, чтобы воспрепятствовать вытеканию материала прослойки из шва [362]. Лабораторные исследования прокладок из картона, пропитанного битумом или дегтем, показали (рис. 255), что при их применении сопротивление скольжению (касательное напряжение т) сравнительно мало зависит от нормальной нагрузки а, но довольно суще­ ственно зависит от скорости перемещения у и от температуры Т [377, 378]. Так, например, уже при понижении температуры с 12 до 9° сопротивлению скольжению возрастает в 2 раза. Начальную прочность на сдвиг установить не удалось. При скорости скольжения, равной нулю, сопротивление скольже­ нию также равно нулю. Для районов горных разработок можно принять, что максимальное относительное смещение грунта и фундамента у конца со­ оружения может достигать 0,02 мм/ч (см. подраздел 11.6). В соответствии с при­

не зависит от нагрузки, создаваемой весом сооружения, то достигаемое за счет применения шва скольжения снижение силы трения, по сравнению с силой трения по песчаному грунту, с ростом веса сооружения будет возрастать; в случае же легкого сооружения (менее 1,5 тс/м2), наоборот, при вязком би­ тумном слое скольжения передаваемое за счет трения усилия будут больше, чем при скольжении по песчаному грунту. Кроме того, можно уменьшить силу трения для строящегося сооружения, сократив нагруженную площадь битумного слоя. Этого можно достичь, увеличив при заданном строительном объеме количество этажей и уменьшив соответственно площадь опирания или же применив опирание на несколько опор. Вблизи центра тяжести всех нагрузок должен быть неподвижный участок без прослойки скольжения, чтобы получившее наклон сооружение не могло само по себе сместиться по би­

тумному слою.

Если принять за основу линейную зависимость между сопротивлением скольжению и скоростью перемещения, то получим, что сопротивление сколь­ жению, в соответствии с изменением относительного перемещения фундамента

=Л70/Г/? 6=25 Г1/СМ2

F3 Fz Ft

1Г, м м / ч

Рис. 255.

Зависимости сопротивления скольже­ нию т от скорости перемещения и, температуры Т и нормальной на­ грузки а [378]:

Рис. 256.

Схема передачи сил трения от столбчатых бетонных фундаментов к фундаментной плите

и грунта (см. рис. 196), линейно уменьшается от 10 кН/м2 до 0 в направлении от конца сооружения до его центра тяжести. В случае сосредоточенных нагру­ зок, при принятом допущении о линейной зависимости, получается показанная на рис. 256 простая схема расчета сопротивлений скольжению между отдель­ ными фундаментами площадью А и фундаментной плитой по выражению

Как показывают исследования, сила трения при использовании битуми­ нозных швов скольжения, в отличие от силы трения между песком и бетоном (см. подраздел 11.6), зависит как от скорости относительного смещения грунта и фундамента, так и от температуры грунта и площади поверхности соприкос­ новения. Поэтому сооружение, в котором применены защитные мероприятия в виде вязких швов скольжения, в зимний период, при одинаковых деформа­ циях земной поверхности, будет подвержено действию больших сил трения, чем в летнее время. Повышение скорости подвигания очистных работ приводит к увеличению сил трения. После прекращения процесса сдвижения возник­ шие в сооружении в результате деформирования упругие силы постепенно

При этом сопротивление скольжению, вследствие большей скорости сдвижения земной поверхности, будет при отработке свиты пластов во всяком случае больше, чем при подработке сооружения одиночной очистной выработкой.

с т в е жилых домов и административных зданий в районах горных разработок: следует стремиться к уменьшению размеров сооружений в плане, а круп­ ные комплексы зданий длиной более 30 м (для металлических каркасных кон­ струкций — при длине их свыше 50 м) необходимо разбивать на отсеки, раз­

деленные деформационными швами; следует по возможности избегать глубокого заложения фундаментов и та­

кой их формы, при которой они прочно связываются с грунтом основания за счет имеющихся выступов;

расстояния между отдельными частями фундамента должны фиксироваться при помощи работающих на растяжение горизонтальных рамных конструкций или сплошных фундаментных плит;

для сооружений предпочтительно применять податливую конструкцию,

вчастности стены желательно возводить с применением фахверковых связей

иизвесткового раствора;

необходимо предусматривать конструкцию фундаментов, надежно рабо­ тающую на растяжение, а по опорной поверхности предусмотреть устройство швов скольжения, характеризующихся малым коэффициентом трения;

междуэтажные перекрытия должны обладать жесткостью в горизонталь­ ном направлении и надежно заанкерены в стены;

между соседними зданиями должно обеспечиваться необходимое расстояние. В земле Северный Рейн-Вестфалия (ФРГ) в 1963 г. были разработаны Указания по строительству в районах горных разработок, предусматрива­ ющие подразделение зданий по степеням защиты на три категории (третья категория соответствует полной защите), а также регламентирующие выбор строительных материалов, проектирование фундаментов и конструктивных мер защиты. О принятых в других странах (Великобритания, ПНР и СССР)

допустимых сдвижениях и деформациях земной поверхности, в зависимости от допускаемой степени повреждений сооружений, дает представление табл. 28.

14.3.3.

Защита транспортных сооружений и трубопроводов

Защита транспортных сооружений и магистральных трубопроводов от воздей­ ствия горных работ представляется важной задачей со всех точек зрения [365]. Железнодорожные линии в районах горных разработок должны прокладываться с применением сравнительно коротких рельсов (длиной не более 30 м) с оставле­ нием между ними зазоров в стыках, причем ширина зазоров должна обеспечи­ вать возможность (при температуре + 8 ° С) продольного перемещения рельсов до ± 8 мм, или до ±0,26 мм/м. В Саарском бассейне затраты на ремонт претер­ певших воздействие подработки рельсовых путей и на устройство специаль­ ных стыков-компенсаторов на участках с пониженной скоростью движения