CC BY
23
строительные науки Стойкость конструкций зданий и сооружений
при их подработке
строительные материалы А.Е. Кольчик
и конструкции
Институт физики горных процессов НАН Украины
Города и поселки, расположенные на угленосной территории Донбасса, испытывают негативное влияние горной промышленности, выражающееся в виде многочисленных повреждений конструкций зданий и сооружений.
Подработка центральной части города Донецка осуществлялась с 1968 года шахтами им. Горького и им. М.И. Калинина. Из эксплуатируемых зданий, расположенных в центральной части города, выявлены 206 жилых и общественных зданий, которые подверглись многократному воздействию горных работ. Так, только по комбинату «Донецкуголь» в 1972 году было подработано 130 зданий соцкультбыта, 1400 государственных, 5440 частных жилых домов. В 1987 году 28 шахт ПО «Донецкуголь» подработали 5830 жилых зданий, 295 промышленных объектов. Негативное влияние подземной добычи угля наблюдается и в других угленосных районах Донбасса (таблица 1).
В 1987 г. в Горловке произошло обрушение средней части жилого дома №33 по пр. Победы. При этом погиб 1 человек и несколько получили телесные повреждения.
Каждая очистная выработка, как правило, оказывает определенное влияние на состояние подрабатываемых зданий. Отработка последующих пластов вызывает образование новых повреждений или увеличение — уменьшение существующих, в зависимости от величин и знака деформаций земной поверхности. Степень повреждения зависит от расположения здания относительно очистных выработок. Однако при равных условиях подработки степень деформирования различных зданий неодинакова.
Наличие в недрах земли старых горных выработок на малых глубинах опасно образованием сосредоточенных деформаций (уступов, трещин) и провалов земной поверхности вследствие выноса сла-
босцементированных пород в эти горные выработки. Особую опасность для стойкости конструкций сооружений оказывает повторная подработка расположенных на малых глубинах горных выработок.
В ИФГП НАН Украины установлено, что на величину смещений земной поверхности оказывают влияние мощность разрабатываемого пласта, угол падения, глубина разработки, прочность подрабатываемых пород.
Величина опускания подрабатываемой поверхности прямо пропорционально зависит от мощности разрабатываемого пласта. С увеличением глубины разработки уменьшается величина смещений поверхности и увеличивается длительность процессов сдвижения. С увеличением угла падения пласта уменьшаются размеры мульды сдвижения и увеличивается максимальная величина оседания поверхности в центральной части мульды. С ростом прочности пород величина опускания уменьшается.
С ростом деформаций земной поверхности возрастают и деформации конструкций, образуются разрывы сплошности, в результате чего снижается сопротивляемость системы внешнему воздействию.
Характер повреждений зданий и сооружений, вызванных влиянием горных работ, в первую очередь, зависит от наличия или отсутствия в строениях специальных конструктивных мер защиты.
Наиболее характерными повреждениями основных несущих конструкций зданий (стены, фундаменты) без конструктивных мер защиты при первичной подработке в зоне растяжения являются вертикальные трещины в кладке стен (от 0,5—1,0 до 70—80 мм). В зоне сжатия, кроме вертикальных трещин в стенах и фундаментах, возникают системы косых и горизонтальных трещин.
Трещинам в основных конструкциях (фундамент, стены) сопутствуют повреждения других конструкций: смещение перекрытий с опор, щели между
Наименование угленосного района Количество подработанных объектов
Центральный Подработано 60% объектов. В Горловке с 1977 по 1988 г. снесено 160 домов, общей площадью 64,7 тыс. м2, В аварийном состоянии на 1 января 1988 г. находилось 73 жилых дома (90,5 тыс. м2).
Красно- армейский В г. Белозерск общее оседание поверхности - до 2,3 м. В конструкциях зданий появляются трещины раскрытием до 20 мм, незначительные перекосы оконных и дверных проемов, значительные повреждения зданий, повреждения водопроводов и канализации. В г. Украинск оседание земной поверхности -до 700 мм; 180 жилых домов и инженерные коммуникации получили значительные деформации. Суммарное оседание Украинска - 2,5 м.
Западно- Донбасский На 1 января 1988г. в районе разрушено и не подлежит восстановлению 677 строений, в т.ч. 647 жилых домов.
Таблица 1. Количество подработанных объектов Донбасса.
строительные материалы и конструкции
перегородками и стенами, перекосы проемов, отслаивание штукатурки вдоль трещин и их систем, трещины в перегородках, пучение полов. Наиболее опасными последствиями подработки зданий являются: повреждения опорных частей кладки, простенков под оконными перемычками, балками перекрытий, лестничными балками, выход балок перекрытий из гнезд, трещины в колоннах и дымоходах.
При многократной подработке здания и сооружения без конструктивных мер защиты могут попадать от разных очистных выработок в различные зоны мульды сдвижения, которые возникают при сдвижении горных пород в результате нарушения состояния равновесия горного массива. При этом наблюдается нарастание количества трещин в стенах. Иногда эти повреждения приводят к полной потере эксплуатационной пригодности здания.
При использовании конструктивных мер защиты в зданиях наблюдаются повреждения: трещины, щели по стыкам панелей и блоков, нарушения наружной заделки стыков. В результате повреждений происходят отслаивания наружной и внутренней облицовочной плитки, перекосы проемов, сдвиг поэтажных поясов относительно кладки стен, т.п.
Наибольшую стойкость к деформациям земной поверхности оказывают многоэтажные здания, обладающие достаточной пространственной жесткостью и прочностью, имеющие небольшой процент износа. Наименьшей стойкостью обладают протяженные, сложной формы, с большим процентом износа одно- и двухэтажные здания.
Процессы сдвижения земной поверхности во многом зависят от скорости подвигания очистного забоя. Большие скорости очистной выемки существенно снижают устойчивость поверхностных объектов.
Исследованиями, выполненными в ИФГП НАН Украины на шахте «Красноармейская-Западная №1», установлено, что при больших скоростях подвига-ния лав и наличии в подрабатываемом массиве мощных породных слоев впереди створа лавы происходит поднятие земной поверхности (рис. 1). Это объясняется тем, что с увеличением скорости под-вигания лавы увеличивается протяженность породных консолей, от которых зависит величина поднятия земной поверхности.
Наличие мощных и прочных породных слоев в кровле разрабатываемого пласта приводит к уве-
Рисунок 1. Изменение величины смещений подрабатываемой пятой северной лавой блока □ 2 земной поверхности:
1 — при скорости подвигания лавы V = 7—8 м/сут;
2 — при скорости подвигания лавы V = 6—7 м/сут;
3 — при скорости подвигания лавы V = 3—5 м/сут.
5 2009 565
строительные материалы и конструкции
личению длины зависающей над выработанным пространством консоли, которая приводит к поднятию земной поверхности впереди створа очистного забоя.
При этом здания и сооружения, попадающие в зону влияния горных работ (в зону поднятия — опускания), претерпевают знакопеременные деформации, что приводит к уменьшению прочности их оснований, а также может привести к разрушению здания.
Как видно из рис. 1, с изменением протяженности зависающей консоли песчаника от 5 до 75 м (т.е. в 15 раз) величина поднятия поверхности изменяется от 0 до 12 см.
Для решения проблемы прогноза процессов сдвижения при больших скоростях подвигания лав необходимо дальнейшее совершенствование методики уменьшения негативного влияния сдвижений горного массива на состояние земной поверхности или максимально возможное уменьшение деформационных процессов.
Для снижения вредного влияния подземной добычи угля необходима разработка и реализация эффективных мероприятий по защите земной поверхности, зданий и сооружений от смещений. В связи с этим, при прогнозе деформаций земной поверхности для обеспечения устойчивости конструкций зданий и сооружений, необходимо учитывать фактор поведения земной поверхности при проведении горных работ. Причем, этот прогноз должен осуществляться с учетом фактора времени деформаций поверхности, который, в свою очередь, зависит от глубины ведения горных работ, скорости подвигания очистного забоя, мощности вынимаемого пласта, угла его падения, длины зависающей породной консоли и прочности горных пород, расположенных над горной выработкой, а также горно-геологических нарушений массива.
Существуют некоторые принципы определения безопасных условий подработки зданий и сооружений.
Расчетные показатели деформаций земной поверхности (суммарных горизонтальных, высоты выступа и др.) определяются с учетом конструктивных особенностей объектов и характера развития процесса сдвижения земной поверхности во времени.
Допустимые деформации земной поверхности для подрабатываемых объектов определяются с учетом их технического состояния к началу предстоящей подработки, устанавливаемого по результатам обследований в соответствии с предлагаемыми критериями.
Если расчетные показатели деформаций земной поверхности меньше или равны допустимым деформациям, то выемку запасов угля можно производить без применения мер защиты подрабатываемых объектов.
Если расчетные показатели деформаций земной поверхности превышают допустимые деформации, то необходимо применение мер защиты, обеспечивающих нормальную эксплуатацию зданий и сооружений.
Снижение ущерба от вредного влияния горных работ на здания и сооружения достигается применением специальных мер защиты горного и строительного (конструктивного) характера.
Наиболее часто используемыми горными мероприятиями по снижению интенсивности сдвижений горного массива и уменьшению оседаний земной поверхности являются:
оставление в недрах предохранительных целиков; закладка выработанного пространства (частичная, полная);
осушение, чтоб не размокали породы; проведение отдельных лав с разрывом во времени.
Одним из эффективных способов является использование комбинированного способа охраны поверхности от оседания.
Строительство зданий и сооружений на подрабатываемых территориях должно осуществляться только после детального изучения горно-геологических условий и после высокоточного и надежного прогноза деформаций земной поверхности.
Таким образом, из всего вышесказанного следует, что для повышения стойкости подрабатываемых конструкций зданий и сооружений необходим точный расчет и достоверный прогноз процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при учете совокупного влияния всех факторов, вызывающих процессы деформирования земной поверхности.
