книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

лами падения до 45°, глубине разработки от 100 до 1000 м, дли­ не лав от 100 до 250 м.

Подрабатываемыми объектами в основном являются граждан­ ские здания высотой до шести этажей, протяженностью в плане от

4.1. ОЖИДАЕМЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

Основными исходными данными для разработки мероприятий по защите зданий и сооружений от влияния подземных горных выработок являются деформации земной поверхности на участке расположения подрабатываемого объекта. В настоящее время со­ зданы методы расчета деформаций земной поверхности для основ­ ных угольных бассейнов Советского Союза [31, 35]. В результате расчета получают ожидаемые величины деформаций без учета по­ грешности их определения и изменчивости.

Деформации земной поверхности, вызванные' одинаковыми ус­ ловиями подработки, как показывают инструментальные наблю­ дения, изменяются в зависимости от неоднородности свойств по­ род покрывающей толщи и других факторов [4].

Таким образом, к ожидаемым величинам деформаций земной поверхности необходимо вводить поправочные коэффициенты, учи­ тывающие погрешность определения деформаций и их изменчи­ вость. Поскольку ожидаемые деформации земной поверхности, вызванные подземными горными выработками, являются факто­ ром нагрузки на подрабатываемое здание, величина изменчивости деформаций будет являться коэффициентом перегрузки.

При назначении коэффициентов перегрузок в качестве гаран­ тии принималась обеспеченность, определяемая величиной одного среднеквадратического отклонения величин деформаций земной поверхности.

где т — коэффициент перегрузки; а — изменчивость величины де­ формаций основания.

Анализ величин деформаций земной поверхности, полученных из инструментальных наблюдений, и их сопоставление с ожидае­ мыми величинами деформаций указывают на то, что значения а непостоянны и изменяются в зависимости от величины деформа­ ции.

(для ожидаемых деформаций), погрешности измерений, изменчи­ вость положения реперов под влиянием внешней среды (для фак­ тических деформаций) и т. д. И, наоборот, чем больше величина

деформации, тем меньшее влияние на ее изменчивость оказывают перечисленные факторы. В этом случае коэффициент перегрузки будет определяться по формуле

ции, мм/м

Величины средних квадратических отклонений, полученные в результате многочисленных сопоставлений фактических величин деформаций земной поверхности с ожидаемыми, приведены в табл. 4.1.

4.2. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВЕЛИЧИН ДЕФОРМАЦИИ ПО ДЛИНЕ ЗДАНИЯ

При подработке деформации основания на участке расположе­ ния здания неравномерны. Величина неравномерности деформаций в первую очередь зависит от длины рассматриваемого здания и ^учитывается путем введения соответствующих поправок к расчет­ ным деформациям земной поверхности.

Эти поправки являются коэффициентами условий работы, зна­ чения которых задаются в СНиПах в зависимости от вида дефор­ мации и длины здания, но без учета величин деформаций и влия­ ния длин интервалов на определение их максимальных значений. В результате исследований установлены зависимости между де­ формациями при длине интервала / и 21, которые в общем виде выражаются следующими формулами:

Di = aD2i+ c\ D2i= aDv + c;

(4.3)

Du —aDüi+ c;

D ni = üDn2i-\-c, j

где Di, D u — величины деформаций земной поверхности при дли­ не интервала / и 2/; а, с — постоянные коэффициенты уравнений для соответствующего вида деформаций земной поверхности, зна­ чения которых приведены в табл. 4.2.

ТАБЛИЦА 4.2

На основании установленных зависимостей можно составить уравнения для определения деформаций при любых соотношениях длин интервалов:

Di = aD2i+ c\

Di = a(aD4i+ c) + c = a 2D4i-{-ac+c‘,

Di = a2(aD6i-\-c) + a c + c = a 3DSi+ a 2c-\-ac + c-,

1)/= аФ „г+ с (а <- 1+ а'-2+ а ,-3+ + а+1), j

где Dni, Di — величина деформации земной поверхности при дли­ не интервала L > 1 ; t — показатель степени коэффициента а, зави­ сящий от соотношения L/l=n.

Зависимость между t u n c достаточной для практических це­ лей точностью при значении п от 1 до 16 можно представить в виде:

В СНиП [40] коэффициенты условий работы для зданий и сооружений длиной 15 м принимаются равными 1. Для зданий и

сооружений длиной свыше 15 м коэффициент условий работы т к определяется отношением величины деформации при длине интер­ вала L к величине деформации при длине интервала I:

где D' — заданная или известная величина деформации земной поверхности.

Для зданий и сооружений длиной менее 15 м коэффициент ус­ ловий работы определяется отношением

При вычислении величин А и В в формуле (4.5) значение L принимают равным длине здания или сооружения, а /=15 м.

При вычислении величин А и В в формуле (4.6) значение L принимают равным 15 м, а I равным длине здания или сооруже­ ния.

Настоящая методика определения коэффициентов условий ра­ боты разработана на основании обобщения и анализа многочис­ ленных данных инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности под влиянием подземных горных выработок. Уточнения коэффициентов условий работы в ряде случаев суще­ ственно (на 50—70 %) изменяют расчетные величины дополни­ тельных усилий при проектировании зданий над горными выра­ ботками.

4.3.РАСЧЕТНЫЕ И ИЗМЕРЕННЫЕ РАДИУСЫ КРИВИЗНЫ

ВМУЛЬДЕ СДВИЖЕНИЯ

Искривление земной поверхности под влиянием горных выра­ боток характеризуется кривизной или обратной ей величиной — радиусом кривизны. Значения радиусов кривизны при подработке изменяются в широких пределах. При радиусах кривизны менее 1 км на земной поверхности, как правило, возникают трещины и такие площадки обычно не пригодны для застройки граждански­ ми зданиями и сооружениями, а для защиты существующих зда­ ний и сооружений оставляют предохранительные целики. При ра­ диусах кривизны более 25 км искривление земной поверхности весьма незначительное и практически не оказывает влияния на здания и сооружения при их подработке. Площадки с радиусами кривизны свыше 25 км являются в большинстве случаев пригод­ ными для застройки без ведения защитных конструктивно-строи­ тельных мероприятий. Таким образом, при решении вопросов за­ щиты зданий и сооружений от влияния подземных горных вырабо­ ток значения радиусов кривизны рассматриваются в пределах 1—

25км.

Внастоящее время существует понятие об измеренном (факти­ ческом) радиусе кривизны, получаемом непосредственно по резуль­ татам инструментальных наблюдений за сдвижением земной по­ верхности над горными выработками, и о расчетном радиусе кри­

визны, получаемом расчетным путем, как вторая производная уравнения расчетной кривой оседания земной поверхности.

Фактическая кривая оседания (рис. 4.1) имеет более изменчи­ вый характер по сравнению с расчетной кривой. Степень этой из­ менчивости зависит от ряда факторов и в первую очередь от фи­ зико-механических свойств горных пород (грунта).

Рис. 4.1. Расчетные и измеренные

диусы кривизны в мульде сдвижени:

Расчетный радиус кривизны, являясь второй производной урав­ нения расчетной кривой оседания, зависит только от принятого вида этого уравнения и будет, как правило, больше измеренного радиуса кривизны.

Если даже уравнение кривой оседания подобрано удачно, а рас­ четные и фактические величины оседания отличаются друг от друга на небольшую величину, то и в этом случае расчетные ра­

между реперами профильных линий. С уменьшением интервалов возрастает значение кривизны участка земной поверхности и тем самым увеличивается разница между измеренными и расчетными радиусами кривизны. Поэтому, при сравнении расчетных радиусов кривизны с измеренными необходимо учитывать длины интерва­ лов, при которых были получены фактические величины дефор­ маций земной поверхности.

При решении ряда практических задач возникает необходи­ мость в переходе от расчетных радиусов кривизны к измеренным. В особенности необходим такой переход при оценке степени по­ вреждений зданий и сооружений по результатам натурных инст­ рументальных наблюдений за сдвижением земной поверхности под влиянием подземных горных выработок.

По результатам инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности представляется возможным установить стати­ стическую зависимость непосредственно между измеренными (фактическими) и расчетными (ожидаемыми) величинами радиу­ сов кривизны земной поверхности. По фактическому положению горных работ и величине максимального оседания земной поверх­ ности по 33 наблюдательным станциям Донбасса определены ожи­ даемые величины кривизны земной поверхности по полной мето­ дике.

Для установления статистических зависимостей между изме­ ренной ЛИз и расчетной Лр кривизной сопоставлялись между собой их значения с учетом знаков по соответствующим профильным ли­ ниям и полумульдам.

В результате корреляционного анализа получены следующие уравнения:

Лр = 0,90 Л2ИЗ + 0,03;

(Лц3)2 = 0,91 Лр + 0,01.

При значении Лр от 0,04 до 1,00 1/км измеренную кривизну можно принять равной корню квадратному из кривизны, расчет­ ной, т. е.

диус кривизны, км.

Эта формула позволяет вычислять измеренные радиусы кри­ визны по их расчетным значениям от 1 до 25 км.

4.4.ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ ОСНОВАНИИ

ИФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИИ

Для определения допустимых деформаций зданий и их взаи­ мосвязи с деформациями оснований в течение многих лет прово­ дились специальные инструментальные наблюдения за подработ­ кой зданий.

Анализ и обобщение результатов инструментальных наблюде­ ний позволили установить ряд зависимостей между деформациями оснований и фундаментов зданий.

По данным фактических наблюдений установлено, что при под­ работке вертикальные деформации основания больше соответст­ вующих деформаций фундаментов зданий. Ввиду конечной жест­ кости здания несущие конструкции не следуют полностью за ис­ кривлениями основания, хотя и испытывают некоторые деформа­ ции.

Образующийся в результате подработки прогиб-перегиб осно­ вания отличается от прогиба-перегиба фундамента. Разница в прогибе-перегибе основания и фундамента зависит от жесткости здания, интенсивности нагрузки на основание, несущей способно­ сти грунта, величины деформаций земной поверхности и др.

Зависимости между прогибами-перегибами оснований и фунда­ ментов позволяют оценивать и сопоставлять по жесткости здания различных конструкций. Эти зависимости относятся к числу ос-

новиых параметров взаимосвязи и могут быть выражены в общем виде формулой [5]

где щ, d, bi — коэффициенты уравнения, зависящие от типа зда­ ния, его конструктивных особенностей, грунта основания; frр, /ф — относительный прогиб-перегиб соответственно основания и фунда­ мента; L, Нг — длина и высота здания.

Коэффициенты а bi, Ci, установленные в результате статисти­ ческой обработки многочисленных данных наблюдений при под­ работке различных типов зданий, приведены в табл. 4.3.

Пользуясь зависимостями между прогибами-перегибами фунда­ ментов и оснований представляется возможным оценивать жест­ кость зданий:

В результате анализа значений пж, вычисленных для указан­ ных в табл. 4.3 типов зданий, установлено, что наибольшему зна­ чению L/H3 соответствует наименьшая жесткость здания, т. е. чем выше жесткость здания, тем больше разница между прогибамиперегибами основания и фундамента.

При увеличении жесткости здания уменьшается разница в зна­ чениях пж при различных отношениях L/tf3. Поэтому оценку жест-

кости по отношению 1/Я3 целесообразно производить для зданий с неармированными стенами и фундаментами, т. е. для зданий, построенных без защитных конструктивных мероприятий.

Коэффициент лж позволяет сопоставлять по жесткости здания различных конструкций.

Из приведенных в табл. 4.3 значений пж следует, что наиболь­ шей жесткостью обладают крупнопанельные дома серии 1-464, затем серии 1-480 и крупноблочные дома с защитными конструк­ тивными мероприятиями. Здания без защитных конструктивных мероприятий с неармированными стенами и фундаментами имеют наименьшую жесткость.

Сопоставляя между собой значения пж, нетрудно определить, во сколько раз одна конструкция жестче другой. Результаты та­ кого сопоставления показывают, что крупнопанельные дома серии 1-464 с внутренними поперечными стенами почти в 3 раза выше по жесткости по сравнению с кирпичными зданиями без конструк­ тивных мероприятий с неармированными стенами и фундаментами. Поэтому крупнопанельные дома указанной серии нашли наиболь­ шее распространение при строительстве на подрабатываемых тер­ риториях.

Впоследнее время выполнен ряд исследований по уточнению способов учета жесткости здания при определении дополнитель­ ных усилий, действующих на него в случае искривления земной поверхности при подработке [4].

Вработе [11] предложено изгиб коробки здания учитывать путем введения условного радиуса кривизны земной поверхности, определяемого с учетом приведенной жесткости стены и фунда­ мента:

где R и R<i, — радиус кривизны соответственно земной поверхности (основания) и фундамента.

Подставив значение Rф=R/nж в формулу (4.12), получим:

Таким образом, показатель лж, полученный по результатам маркшейдерских наблюдеяий, характеризует конечную жесткость с-текы и фундамента здания.

Жесткость здания в большей мере зависит от отношения LjH3, чем от других факторов, поэтому вычисление Rycn в зависимости от основных размеров здания по формуле (4.13) является более достоверным и оправданным, так как эта формула установлена в результате обобщения опыта подработки зданий и анализа резуль­ татов инструментальных наблюдений.

По данным инструментальных наблюдений за подработкой зданий определены значения деформаций при появлении незначи-

тельных трещин в конструкциях неармированных стен и фунда­ ментов, а также на момент возникновения значительных трещин или других деформаций, резко ухудшающих условия эксплуата­ ции зданий.

В табл. 4.4 приводятся значения этих деформаций для граж­ данских зданий: в числителе — при появлении незначительных де­ формаций конструкций, в знаменателе — значительных.

Со строительной точки зрения значительный интерес представ­ ляют деформации на момент появления незначительных трещин в фундаментах или стенах, так как при них здания не теряют своей расчетной схемы и не нарушаются его эксплуатационные функции.

Второй вид деформаций, когда появляются существенные по­ вреждения конструкций, характеризует состояние здания, близкое к предельному по условиям эксплуатации. Сравнив второй вид деформаций конструкций с первым, можно получить, представле­ ние о том, какими резервами располагает здание.

Прогибы-перегибы, полученные при подработках на момент по­ явления незначительных трещин в здании, не превышают значе­ ний относительных прогибов (перегибов) в обычных условиях строительства для зданий. Это можно объяснить тем, что проги­ бы-перегибы в обычных условиях строительства зданий учитывают деформации конструкций, начиная с ‘закладки фундаментов (когда кладка фундаментов и стен имеет повышенную деформативность) и в период длительной эксплуатации зданий. Весь -этот процесс

проходит медленно и большая доля деформаций появляется во время строительства.

В условиях подработки процесс деформаций проходит сравни­ тельно быстрее и в более тяжелых условиях, так как на деформа­ ции, вызываемые кривизной основания, накладываются деформа­ ции, вызываемые горизонтальными сдвижениями грунта. Кроме того, деформации при подработках суммируются с первоначаль­ ными деформациями, которые имело здание до начала подработ­ ки. Поэтому при подработке величины прогибов-перегибов могут быть даже меньше, чем в обычных условиях, но повреждения зда­ ний могут быть более значительными.

По данным табл. 4.4, величина прогиба (перегиба) фундамен­ та на момент появления незначительных повреждений в здании составляет 0,5-10-3; Зависимость между прогибами (перегибами) оснований и фундаментов зданий без защитных мероприятий име­ ет следующий вид:

Подставив в данную формулу значение прогиба (перегиба) фун­

между прогибами-перегибами основания и фундаментом здания. Это, в свою очередь, приводит к тому, что при одной и той же ве­ личине кривизны земной поверхности в здании с меньшей высо­ той могут возникнуть несколько большие повреждения, чем в зда­ ниях повышенной этажности.

Для установления соотношений между растяжениями, сжатия­ ми фундаментов и основания (так же как и при установлении по­ добных соотношений между прогибами-перегибами) использовав лись методы математической статистики.

Для зданий, построенных без защитных конструктивных меро­ приятий с ленточными фундаментами из бутовой кладки, не на­ блюдается значительного различия в величинах растяжений по грунту и по фундаменту. Сжатие по грунту в большинстве случаев значительно превышает сжатие по фундаменту. Причиной этому является то, что бутовая кладка ленточного фундамента меньше деформируется при сжатии, чем при растяжении основания. По­ этому сжатие грунта (основания) будет всегда в большей степени отличаться от сжатий фундаментов, чем растяжение грунта от рас­ тяжения фундаментов.