книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

Соотношение между растяжениями основания и ленточных бу­ товых фундаментов зданий без защитных конструктивных ме­ роприятий практически можно принять равными единице.

Такой вывод вполне логичен и вытекает из несущей способно­ сти неармированных бутовых фундаментов.

Тесной связи между сжатиями грунта и неармированных фун­ даментов установить не удалось.

На соотношения сжатий грунта и фундаментов оказывают влия­ ние много трудно учитываемых факторов, таких, как глубина за­ ложения фундаментов, наличие подвалов, число стен и их поло­ жение в плане, величина трения и сцепления фундаментов с грун­ том и т. д.

4.5. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ РЕАКТИВНЫМ ОТПОРОМ ГРУНТА ПО ПОДОШВЕ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ

И ДЕФОРМАЦИЯМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

При решении целого ряда задач, связанных со строительством зданий над горными выработками, весьма важным является уста­ новление характера перераспределения напряжений по подошве фундаментов зданий в зависимости от деформации основания под влиянием горных выработок. С этой целью проведены многочис­ ленные динамометрические наблюдения за реактивным отпором грунта по'подошве фундаментов зданий.

Схема установки и размещения динамометров, а также мето­ дика измерения реактивного отпора грунта изложены в работе tu ] .

Необходимо отметить, что динамометрические измерения реак­ тивного отпора грунта по подошве фундаментов гражданских зда­ ний при их подработке были поставлены и проведены впервые в мировой практике маркшейдерского дела и гражданского строи­ тельства. Наблюдения по динамометрам производились во время строительства и подработки экспериментальных зданий в Донбас­ се. По показаниям каждого динамометра с начала подработки до

реактивного отпора грунта по подошве фундамента за период под­ работки.

По графикам определяют:

среднюю величину врезания фундамента в грунт

ç__ площадь аба

среднюю величину реактивного отпора грунта по динамометру

где /бв— интервал .между началом и окончанием подработки зда? ния (в масштабе чертежа).

Ill

Из анализа таких графиков установлено, что при подработке зданий нарастание нагрузки по динамометрам сопровождается

врезанием фундаментов в грунт.

Начало осадки фундаментов, как правило, совпадает с нача­ лом роста нагрузки по динамометрам.

При подработке по подошве фундаментов зданий образовыва­ лись зоны повышенных и пониженных напряжений в грунте. С из­ менением положения забоя лавы из­

сивности сдвижения земной поверхности при подработке, от кон­ струкции здания и величины его нагрузки на основание, от физи­ ко-механических свойств грунтов основания и ряда других фак­ торов.

Максимальные величины изменения реактивного отпора грун­ та по подошве фундамента подрабатываемого здания (разность между максимальным и минимальным отпором грунта) при про­ чих равных условиях находятся в прямой зависимости от вели­ чины искривления основания, вызванного подработкой. Чем боль­ ше кривизна участка земной поверхности при подработке, тем больше величина изменения реактивного отпора грунта по подо­ шве фундамента.

На основании результатов динамометрических измерений в пер­ вом приближении можно установить зависимость между макси­ мальной величиной изменения реактивного отпора грунта по по­ дошве фундамента подрабатываемого здания и величиной макси­ мального искривления (кривизной) участка земной поверхности в районе расположения здания.

По данным измерений было принято:

где ДР — максимальная величина изменения реактивного отпора грунта на подошве фундамента при подработке здания, Па; Р0 — среднее давление фундамента здания на основание, Па; Ки — максимальная кривизна (измеренная) земной поверхности в рай­ оне расположения здания, 10-3 1/м; Р„ — максимальный радиус кривизны (измеренный) земной поверхности в районе расположе­ ния здания.

Возможность определения величин изменения реактивного от­ пора грунта по подошве фундамента при подработке зданий су­ щественно уточняет и одновременно упрощает существующие ме­ тоды расчета конструкций при проектировании зданий над гор­ ными выработками.

Данные динамометрических и маркшейдерских измерений, по­ лученные по экспериментальным зданиям при подработке, позво­ лили установить нелинейную зависимость между величиной вре­ зания фундаментов и изменением реактивного отпора грунта с уче­ том коэффициента постели.

Для установления зависимости между указанными величинами произведена статистическая обработка натурных наблюдений.

По графикам изменения величин реактивного отпора грунта и врезания фундаментов при подработке здания (см. рис. 4.2) оп­ ределялись их средние значения.по площадям изменения.

В результате корреляционного анализа установлено, что при подработке зданий связь между величиной врезания фундамента и отношением величины изменения реактивного отпора грунта к коэффициенту постели может быть выражена зависимостью

где с„ — коэффициент постели грунта основания, Па; S — величи­ на врезания фундамента, см.

Зависимость (4.16), полученная по данным натурных динамо­ метрических и маркшейдерских измерений, характеризует условие врезания фундамента в нелинейно-деформируемое основание при сдвижении земной поверхности под влиянием горных выработок.

По этой зависимости можно определять величины врезания лен­ точных фундаментов в зависимости от величины искривления зем­ ной поверхности при подработке, интенсивности нагрузки фунда­ мента здания на основание и коэффициента постели грунта.

Переход от расчетного к измеренному радиусу кривизны зем­ ной поверхности может быть выполнен по формуле (4.8).

ИЗ

При ведении горных работ под зданиями возникает необходи­ мость в оценке характера повреждений зданий в зависимости от величин деформаций земной поверхности.

После определения степени ожидаемых повреждений здания может быть решен вопрос о возможности его подработки и необ­ ходимости применения защитных мероприятий с учетом техникоэкономических показателей, характера эксплуатации, технического состояния и других факторов.

Анализ многочисленных случаев подработки позволил класси­ фицировать характер повреждений гражданских зданий в зависи­ мости от их эксплуатационной способности.

Эта классификация нашла широкое применение на практике и включена в «Рекомендации по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий ...» [33].

Степень по­ вреждения Характер повреждений

здания

IНезначительные

II Не нарушающие условий эксплуатации зданий

и фундаментах с раскрытием до 10 мм, незначительное пучение полов, отслаивание штукатурки на небольших участках и другие несущественные нарушения являются повреждениями, не нару­ шающими режима эксплуатации здания.

Для зданий другого назначения (больницы, театры и т. д.) такие повреждения влекут за собой изменение (хотя бы частич­ ное) режима эксплуатации здания.

Таким образом, относительно величин повреждений необходи­ мо разделение подрабатываемых объектов на ряд групп, объеди­ няющих подобные друг другу здания по характеру эксплуатации (школы, ясли, детские сады и т. д.), по своей общественной зна­ чимости (кинотеатры, театры, дворцы культуры и т. д.) и конст­ руктивным особенностям. Ниже приводится классификация основных гражданских зданий по группам.

Индекс группы зданий

АОбщественные здания особой значимости (здания театров, двор­

цов культуры, спорта, административные), здания больниц с опе­

рационными отделениями

БЗдания учебных заведений, гостиниц, стационарных лечебных за­ ведений, детских яслей и садов, отдельные здания магазинов, ресторанов, кафе и столовых, фабрики-кухни, холодильники, хлебо- и молокозаводы, бани

Гражданские здания, имеющие встроенные лечебные заведения, детские сады й ясли, кинотеатры, рестораны, столовые

отдельных трещин и вычислены показатели суммарных деформа­ ций.

Однако определение величины Д/ по расчетному радиусу кри­ визны земной поверхности имеет один весьма существенный недо- •статок, заключающийся в следующем. Как уже указывалось, по­ вреждения в здании возникают в результате искривления, растя-

жения и сжатия основания под влиянием горных выработок. В за­ висимости от горно-геологических условий подработки на повреж­ дения зданий в одних случаях могут оказывать более значитель­ ное влияние вертикальные деформации (кривизна) земной поверх­ ности, в других — горизонтальные деформации (растяжения или сжатия). В большинстве случаев горизонтальные и вертикальные деформации основания в равной степени оказывают влияние на повреждения зданий.

Анализируя формулу (4.17), нетрудно убедиться в том, что ес­ ли принимать для вычисления показателя суммарных деформаций расчетный радиус кривизны, то его доля участия в величине Д/ сравнительно мала, а в целом ряде случаев ничтожна.

Так, например, при 1 = 4 0 м; Н3 = 4 м; R = 5 км; е= 5 мм/м

д/ = 40 / ( 0 , 7 -5)2 + (0,55-4/5)2 = 141 мм.

П6

Если вычисления производить только по е, то значение Д/ бу­ дет равным 140 мм. В данном случае кривизна основания практически не оказала влияния на величину показателя суммарных де­ формаций и на определение степени повреждения здания. На са­ мом деле это далеко не. так. Как показывает опыт подработки, при указанных основных размерах, на повреждения здания суще­ ственное влияние оказывает кривизна основания.

При обобщении случаев подработки зданий встречались самые разнообразные горно-геологические условия разработки угольных пластов и основные размеры зданий. Однако доля участия радиу­ сов кривизны в величине Д/ в среднем составила 15%, а для од- но-двухэтажных зданий всего 5%. Это указывает на то, что необ­ ходимо существенно уточнить и привести в должное соответствие определение величины показателя суммарных деформаций по фор­ муле (4.17).

Выше отмечалось, что существуют два понятия кривизны зем­ ной поверхности — измеренная и расчетная. При определении по­ казателя суммарных деформаций для эксплуатируемого здания при его подработке более правильным будет принимать не рас­ четный радиус кривизны, а измеренный, который фактически воз­ действует на здание и вызывает в нем повреждения. Переход от расчетного к измеренному радиусу кривизны можно производить по формуле (4.8).

Подставив в формулу (4.17) измеренный радиус кривизны, по­

где Al' — показатель суммарных деформаций, вычисляемый с уче­ том перехода от расчетного к измеренному радиусу кривизны ос­ нования, мм.

При определении показателя суммарных деформаций по фор­ муле (4.18) доля участия R и е в величинах Al' становится при­ мерно одинаковой. Однако в этом случае изменяются значения Al, принятые ранее (новые значения Al').

Показатели суммарных деформаций Al' нашли широкое приме­ нение при решении вопросов, связанных с выемкой угольных пла­ стов под зданиями. Так, например, с учетом показателя Al' была произведена оценка ожидаемых повреждений 50 зданий различ­ ной этажности в центральной части г. Шахты. Подработка этих зданий подтвердила прогноз повреждений.

4.7. ДОПУСТИМЫЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ

ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДРАБОТКЕ ЗДАНИЙ

Величины допустимых деформаций земной поверхности при подработке различных объектов являются основными параметра­ ми для решения-вопросов, связанных с выемкой угольных пластов под застроенными территориями.

Пока еще нет единой методики определения допустимых де­ формаций земной поверхности для зданий, различных по конструк­

Основное влияние на повреждения зданий при их подработке оказывают горизонтальные деформации (растяжения, сжатия) и кривизна земной поверхности. Эти деформации и вызываемые ими повреждения в зданиях на основании принципа независимости действия нагрузок можно рассматривать раздельно.

Повреждения зданий под влиянием горизонтальных деформа­ ций земной поверхности в настоящее время принято считать про­ порционально величине Le, т. е. произведению длины здания на величину относительной горизонтальной деформации основа-

.ння [П ].

По данным маркшейдерских инструментальных наблюдений может быть определена величина е и соответствующая ей степень повреждений здания. Величина е определяется не только по дан­ ным маркшейдерских инструментальных наблюдений, а и расчет­ ным путем. В этом случае представляется возможным установить зависимость между повреждениями зданий и величиной относи­ тельной горизонтальной деформации основания, получаемой рас­ четным путем. Для этой цели по результатам обследования долж­ на быть установлена для каждого подработанного здания степень повреждения, конструктивные особенности, основные размеры, а по общепринятым методам расчета деформаций земной поверхно­ сти [35] определена величина е (относительное растяжение или сжатие земной поверхности). Если обобщать случаи благоприят­ ного исхода подработки зданий, то можно установить зависимость между допустимой величиной относительной горизонтальной де­ формации земной поверхности и основными размерами подраба­ тываемого здания с учетом его конструктивных особенностей, на­ значения, технического состояния и т. д.

Для установления таких зависимостей были обобщены много­ численные случаи подработки зданий, различных по размерам в плане и по высоте (этажности), но примерно одинаковых по кон­ струкции, качеству строительных материалов, техническому со­ стоянию и т. д. В обобщение включались только те здания, под­ работка которых существенно не нарушила режима их эксплуа­ тации, но в отдельных элементах и конструкциях возникали по­ вреждения в пределах допустимых. За допустимые повреждения, не изменяющие характера эксплуатации зданий, принимались от­ дельные трещины в стенах и фундаментах раскрытием до 10 мм, отслаивание штукатурки на небольших участках и ряд других небольших повреждений. В обобщение не включены здания, кото­ рые при подработке не имели заметных повреждений.

Величины горизонтальных деформаций земной поверхности оп­ ределялись расчетным путем по фактическим горно-геологическим условиям подработки. Подробное описание случаев подработки

зданий и расчет деформаций земной поверхности содержится в на­ учно-технических отчетах ВНИМИ и НПИ.

Здания, отобранные для обобщения и статистической обработ­ ки, разделялись на 10 групп по длине от 7 до 100 м и для каждой группы вычислялось среднее значение величины относительной горизонтальной деформации земной поверхности.

Был построен график с применением равномерных шкал, где показана зависимость между допустимой горизонтальной деформа­ цией е'доп и длиной здания L.

Для аналитического выражения этой зависимости выполнен второй вариант построения по логарифмической сетке. Полученная на графике линия весьма близка к прямой, уравнение которой

lg е'доп= lg a e — ma\gL.

Аналитическая зависимость е'доп от L в общем виде выразится формулой

Значения постоянных величин a t и rtiL определены по методу наименьших квадратов из решения двух уравнений [6]:

tii-L2 l§ L,-\-t\x Q-1 2 lg е доп = 0; mL2 (lg L2) + lg a* 2 lg L — 2 lg / lg е'доп= 0,

где tix — число определений (число точек, определяющих кривую). Решение выполнено по 10 точкам.

Вычисленные значения постоянных величин составляют: а =

=18,2; /7ZL = 0,505.

Тогда

чениям факторов, влияющих на характер повреждений подраба­ тываемых зданий. При обобщении опыта подработки зданий таки­ ми средними значениями факторов являлись следующие:

жилые здания, построенные без защитных строительных меро­ приятий, средней капитальности и этажности, с кирпичными и шлакоблочными стенами со средней толщиной 0,5 м;

конфигурация зданий неусложненная; расстояние между поперечными жесткими конструкциями в

среднем 8 м, но не более 15 м; среднее значение отношения дли­

ны здания к высоте 4.

Совершенно очевидно, что при изменении значений указанных факторов будут меняться и величины, допустимых горизонтальных

деформаций. Основное влияние на величину допустимой горизон­ тальной деформации оказывает длина здания, которая учитывает­ ся в структуре формулы (4.21). Остальные факторы должны учи­ тываться изменением величины a s.

В этом случае величина допустимой горизонтальной деформа­ ции будет определяться по формуле

где Ç = <7I92<73<74*75; <?I — коэффициент, учитывающий капитальность, высоту, общую значимость и стоимость здания; Цг — коэффициент, учитывающий назначение и характер эксплуатации здания; qz —

qi — коэффициент, учитывающий наличие больших свободных про­ летов в здании (свыше 15 м); qs — коэффициент, учитывающий общее техническое состояние здания и наличие трещин в стенах, возникших в результате износа здания, качества строительных ра­ бот и строительных материалов, наличия просадочных грунтов в основании, влияния предыдущей подработки и т. д.

Значения перечисленных коэффициентов приняты равными еди­ нице при величине се = 18 в формуле (4.22).

С увеличением этажности здания при прочих равных условиях увеличивается его общая стоимость, капитальность, значимость, расходы на послеосадочный ремонт и т. д. Поэтому величины до­ пустимых горизонтальных деформаций земной поверхности долж­ ны уменьшаться. Значения коэффициента q\ в этом случае будут возрастать в среднем на 15 % для зданий одинаковых типов и на­ значения, но различающихся между собой по высоте на один этаж.

Если для трехэтажного здания принять значение <7=1, то с из­ менением высоты здания на один этаж значение этого коэффици­ ента будет изменяться на 0,15 (для четырехэтажных зданий qi = = 1,15, для двухэтажных Çi = 0,85 и т. д.).

В табл. 4,6 приведены вычисленные значения q'=qiqz для зда­ ний различного назначения высотой от одного до пяти этажей.

■ Величина ае в формуле (4.19) с учетом капитальности, назна­ чения и характера эксплуатации здания изменяется от 10 до 30.