Мероприятия, предохраняющие здания от неравномерных осадок в районах горных разработок

18.05.2016

Ведение горных разработок, особенно так называемых очистных выработок каменноугольных залежей, связано с опусканием грунтов, расположенных выше этих выработок.
Размеры очистных выработок столь значительны, что вышележащие грунты теряют равновесие и приходят в движение. Этим процессом в большинстве разработок каменноугольных месторождений, как правило, охватываются все грунтовые напластования от кровли выработки до поверхности. Вслед за выемкой породы обычно происходит обрушение кровли выработки. Исследования проф. М.Н. Гольдштейна показали, что после небольшой осадки грунта над выработкой давление в кровле резко уменьшается из-за перераспределения нагрузки на соседние участки. Процесс движения грунта протекает обычно медленно; в зависимости от глубины разработок и других факторов может продолжаться как в течение нескольких дней или недель, так и многих месяцев. Грунтовые напластования, разбитые трещинами, изгибаясь, опускаются. В слоях этих пород увеличивается объем пустот, пласты, получив в результате изгиба опору, «зависают». Процесс, не исчерпав себя, может замереть.
Наблюдениями за осадкой грунтов во многих каменноугольных месторождениях установлено, что по истечении 10 лет после окончания выработки значительные деформации уже не образуются. Принято считать, что наиболее активно процесс перемещения грунта над выработанным пространством происходит в первые шесть месяцев после выработки.
Большую опасность представляют перемещения грунтов покровной толщи при разработках соляных и калийных месторождений. От перемещений в этих выработках часто образуются тонкие трещины. Грунтовые воды, проникая в эти трещины, ускоряют подвижки грунта над местом выработки, поскольку вместе с водой увлекаются и твердые частицы грунта.
В практике наблюдались случаи внезапного обрушения поверхности после разработки слоев ископаемого большой мощности (10 ж и более) при глубине залегания до 100 м. При наличии слабых грунтов известны случаи деформации на поверхности при глубине выработок в 600 м.
Нарастание деформации поверхности не зависит от веса сооружения, возведенного на ней, так как вес самых тяжелых сооружений незначителен по сравнению с весом массива грунта.
Небольшие здания, расположенные в центре значительно превосходящих их по своим размерам мульд, обычно получают равномерную осадку, вследствие чего в этих зданиях повреждения не появляются. Так, в центральной части Донецкого бассейна, где понижение поверхности на большинстве участков происходит равномерно, величина осадки многих заводских корпусов превосходит 200 мм. Однако в связи с равномерностью этих осадок ни один из этих корпусов не пострадал. В Подмосковном бассейне, наоборот, понижение поверхности характеризуется отдельными скачками.
Характер смещения грунтов разнообразен и зависит, главным образом, от следующих факторов:
1) структуры грунтов и гидрологии месторождений;
2) угла падения ископаемых, мощности залежей и системы разработок;
3) скорости проходки забоя;
4) глубины разработок;
5) топографии местности и др.
Безосадочность грунтов, расположенных над выработкой, может быть достигнута только при условии своевременного заполнения выработанного пространства. При оставлении в выработке целиков последние должны располагаться близко друг от друга и иметь достаточные размеры, чтобы на поверхности не создавались отдельные мульды.
В последнее время на шахтах, разрабатывающих крутопадающие пласты, вместо выдачи породы на поверхность используют ее для заполнения образовавшихся пустот. Такое мероприятие повышает безопасность работ в забое, служит гарантией от образования мульд на поверхности, уменьшает расходы по поддержанию кровли, разгружает шахтный подъем, в результате резко снижается потребность в вагонетках и упрощаются работы на поверхности.
Незначительное влияние на осадку поверхности над выработками грунтов оказывают: 1) наличие в геологическом разрезе пластичных грунтов, способных прогибаться; 2) пологое падение при небольшой мощности ископаемого и при сплошной системе разработок; 3) большая скорость продвигания забоя; 4) значительная глубина разработок; 5) равнинная территория над выработкой и наличие естественного стока для атмосферных осадков.
К неблагоприятным факторам, оказывающим большое влияние на осадку поверхности, относятся: 1) наличие над выработкой жестких грунтов при высоком горизонте грунтовых вод; 2) крутое падение и мощный слой ископаемого; 3) малая глубина разработки.
Известно, что равномерная осадка зданий, в том числе и расположенных в районах горных разработок, не вызывает в них деформаций. Практически такие перемещения безопасны при эксплуатации этих зданий. Неравномерные осадки кирпичных зданий, имеющих не менее двух этажей и соотношение между шириной, длиной и высотой не более чем 1х2х1, с железобетонными панелями перекрытий, вызывают крен всего здания без образования повреждений в его стенах. В последнем случае основание всего здания остается в одной плоскости.
Чтобы осадки меньше влияли на величину деформаций зданий, длину последних следует ограничить; длинные здания разделяют на самостоятельные блоки осадочными швами. Каждый блок должен представлять жесткую пространственную систему, ограниченную в плане примерно размерами 1x2x1, которые позволили бы считать, что при неравномерных осадках они будут давать крек целиком, как монолит.
Конструкции несущих каркасов промышленных сооружений следует выполнять статически определимыми с учетом приводимых ниже рекомендаций по обеспечению выправления неравномерных осадок. Последние вызывают повреждения в статически неопределимых системах конструкций с опорами в виде отдельных башмаков. Значительно слабее сопротивляются неравномерным осадкам неармированные сводчатые перекрытия.
Хорошо сопротивляются неравномерным осадкам ленточные-железобетонные фундаменты, а еще лучше — сплошные железобетонные. Последние надо применять на участках, расположенных в местах перехода оседающей части поверхности к неоседающей, где грунты испытывают растяжение в горизонтальном направлении.
При определении толщины железобетонной плиты основания и ее армирования следует исходить из условий распределения нагрузки на всю площадь ее основания и сохранения неизменности расстояния между стенами здания.
Для воспринятая растягивающих напряжений по высоте расположения капитальных стен необходима установка железобетонных поясов или стальных связей как вверху стены, так и на уровней междуэтажных перекрытий или оконных перемычек. Эти связи увеличивают сопротивление стен изгибу в вертикальной плоскости.
Площадь поперечного сечения связей в междуэтажных перекрытиях, как расположенных ближе к нейтральной оси, может быть в 2—3 раза меньше площади сечения арматуры, заложенной в фундаменте или вверху стен здания. Верхние два пояса желательно скреплять между собой еще вертикальными связями.
Для увеличения общей прочности стен здания целесообразно вести их кладку на прочном, но в то же время пластичном (смешанном) растворе. Толщина слоя раствора как под арматурой, так и над ней должна быть не менее 1,0—1,5 см, а с внешних сторон стены — 2,5 см. Для увеличения поверхности сцепления связей с раствором кладки стен рекомендуется последние делать из тонкой полосовой стали или прокатных уголков.
Концы гибких связей следует заделывать в кладке при помощи вертикальных анкеров, а связей из уголков обрезками из таких же уголков, устанавливаемых перпендикулярно к связям (горизонтально или вертикально) с последующей их сваркой между собой. He следует считать, что только одни связи могут обеспечить прочность и устойчивость зданию. Вся его конструкция должна быть достаточно жесткой, а дверные и оконные проемы должны иметь ограниченные размеры.
В последние годы проводится экспериментальная проверка клиновидных фундаментов, в которых плоское основание заменено клиновидным. Такие фундаменты были впервые применены для слабых сильно сжимаемых грунтов инж. С. Беляевым. Предполагается, что клиновидные фундаменты сглаживают, выравнивают переходы участка с разными размерами осадок благодаря лучшему контакту фундамента с грунтом. Обычный, только значительно более утоненный фундамент будет вести себя так же, как и клиновидный.
В связи с более легким врезанием клиновидного фундамента в деформированный грунт происходит быстрое выравнивание величин осадок и уменьшается вероятность образования трещин в здании. Такие фундаменты опережают оседание поверхности земли и не теряют опоры в грунте в значительной части своего периметра. Благодаря этому снижаются напряжения в конструкциях зданий.
В конечном итоге здание получит такие же осадки, но с более плавными переходами и меньшими деформациями по сравнению с обычными фундаментами. Однако из-за высокой стоимости клиновидных фундаментов (их приходится делать из железобетона) они не получают распространение.
За изгибом поверхности следует изгиб фундаментов, что является наиболее частой причиной повреждения сооружений, расположенных над выработками. Поэтому строители при возведении сооружений на участках, где возможны большие неравномерные осадки, иногда предусматривают специальные устройства, позволяющие быстро выровнять сооружения под одну вертикальную отметку
Для этого в фундаментах зданий оставляют сквозные гнезда для установки в них домкратов, а в стенах при их возведении над этими домкратными гнездами устанавливают горизонтальную железобетонную поясную балку.
За рубежом в одном из горнопромышленных районов было построено здание почты с несущим стальным каркасом, в котором для противодействия осадкам была предусмотрена возможность регулирования вертикальных отметок его основания. Стальной каркас представлял собой замкнутую коробку, нижняя плоскость которой служила перекрытием и опиралась на фундаменты из отдельно стоящих столбов. На эти столбы с упором в нижнюю плоскость балок каркаса установили в опрокинутом состоянии винтовые ручные домкраты грузоподъемностью до 35 тс каждый.
Все коммуникационные трубопроводы, котел центрального отопления, боров и нижняя часть дымовой трубы были подвешены к перекрытию подвала. Присоединение внутренних сетей коммуникаций к городской сети было осуществлено гибкими шлангами.
Осадка каждого фундаментного столба обнаруживалась системой электрической сигнализации. Однако эту сигнализацию проще осуществлять замыканием электрической цепи при подъеме жидкости выше определенного уровня в отводных трубках системы водяной нивелировки.
Горизонтальность положения здания почты после постройки один раз регулировалась домкратами. Пристройка, возведенная одновременно со зданием почты (в последней не были предусмотрены регулирующие приспособления), оторвалась от основного корпуса здания и дала крен.
Угольные шахтные копры могут служить примерами устройства оснований с подвижными опорами, вертикальные отметки которых часто регулируют домкратами. По такому же принципу была построена известная Эйфелева башня в Париже, у которой одна из четырех опор закреплена неподвижно, а величину вертикальных отметок остальных трех опор регулируют установленными в их основании гидравлическими домкратами.
На рис. 88 приведена рекомендуемая конструкция крупноблочного фундамента со сквозным проемом для домкрата. Подобная конструкция целесообразна при больших неравномерных осадках для зданий высотой в два и более этажей. Каждый блок данной конструкции может быть самостоятельно загружен. Если один блок загрузить на 40—50% больше, чем на него приходится нагрузки от здания, то благодаря дополнительному уплотнению грунта увеличится расчетное сопротивление основания. Следовательно, обжатие грунта под фундаментами всего здания может быть произведено поочередным повышением нагрузки на фундаментные блоки. При временной повышенной загрузке блока (сверх приходящей на него нагрузки от стены) расположенная над домкратом рандбалка совместно с кирпичной кладкой стены должна обеспечить распределение в них этой превосходящей нагрузки. И только после поочередного обжатия грунтов основания под всеми блоками, в которых устанавливаются домкраты, приступают к подъему части здания, получившего наибольшую осадку. Благодаря выравниванию подъемом неравномерных осадок и дополнительно произведенному уплотнению грунтов основания, в будущем потребность во вторичном выравнивании, как правило, отпадает.
Мероприятия, предохраняющие здания от неравномерных осадок в районах горных разработок

С целью уменьшения нарушений во внутренних помещениях искусственное уплотнение подстилающих грунтов под наружными стенами и подъем этих стен до необходимого уровня рекомендуется вести с внешних сторон здания, а для внутренних стен с одной из сторон каждой стены. Гнезда для домкратов располагаются на высоте цоколя здания, или для них используются оконные проемы в подвалах (рис. 89).
Установка домкратов в гнезда внутренних стен производится из технического подполья. После проведения работ по подъему осевших стен и уборки домкратов все гнезда целесообразно закладывать кирпичом на известковом растворе. Рекомендуемая конструкция фундамента требует, чтобы домкраты имели большую грузоподъемность. Для зданий высотой до 5 этажей можно использовать домкраты ДГ-200-2. При установке под одним зданием более 10 домкратов применяют централизованную систему питания.
Для города, расположенного над горными выработками или на просадочных грунтах, достаточно при строительном тресте иметь специализированную бригаду, состоящую из 5—8 рабочих: 1 слесарь, 1 электромонтер, 1 каменщик, 1 плотник, 1 такелажник и 1 штукатур. Такая бригада осуществляет подъем, выполняя одновременно другие строительные работы.
Мероприятия, предохраняющие здания от неравномерных осадок в районах горных разработок

Необходимое оборудование для подъема должно состоять из 10—20 домкратов; 20 шт поддомкратных стальных подкладок размером 400х400 мм, б=20 мм; 2 электронасосов (один запасной) высокого давления; 100 пог. м труб сечением 7—10 мм высокого давления; 2 баков (один запасной) открытых сверху, емкостью по 200—300 л; 3 распределительных коробок; 20—30 шт. запорнораспределительных кранов, устанавливаемых как на нагнетающем трубопроводе, так и в месте выпуска из домкрата жидкости; 2 предохранительных пружинных клапанов (один запасной) для снижения давления в системе до расчетного. Кроме того, резиновые трубки, стеклянные трубки и тройники для системы водяной нивелировки.
Все оборудование, работающее под высоким давлением, должно быть рассчитано на 400 ати. Стоимость всего перечисленного оборудования составляет от 3 до 5 тыс. руб. Работу по выпрямлению кирпичного здания следует начинать после достижения неравномерной осадки — 1,2 мм на 1 пог м стен, причем поднимать здание до его первоначальных отметок, как правило, нет необходимости. Эту работу рекомендуется вести в следующем порядке:
1) освободить гнезда в блоках фундаментов (цоколя) от закладки;
2) собрать трубопровод высокого давления и присоединить его к насосу (насос должен быть смонтирован на тележке);
3) установить в гнездах блоков на стальные подкладки гидравлические домкраты, присоединить их к трубопроводу и поднимать поршни домкратов до их упора в поясную балку;
4) смонтировать систему водяной нивелировки;
5) выпрямить крен;
6) заполнить образовавшиеся зазоры между блоками и поясной балкой сначала стальными клиньями, пластинками, а после окончания выпрямления кладкой, раствором;
7) разобрать трубопроводы, убрать домкраты и освободившиеся гнезда в блоках заполнить кладкой на слабом растворе;
8) произвести восстановительные работы.
На каждой такой работе на монтаж и демонтаж домкратов приходится 2 дня и на подъем — 2 дня. Следовательно, при потребности в производстве таких работ можно принять, что домкраты на одном объекте бывают заняты до пяти дней.
В нашей стране способ искусственного уплотнения основания фундаментов зданий был применен при прокладке туннелей еще в 1933—1934 гг. на строительстве первой очереди метрополитена (Москва). Уплотнение (обжатие) грунтов, подстилающих фундаменты зданий, расположенных вблизи туннелей, производилось гидравлическими домкратами грузоподъемностью 200 т каждый.
Так, трасса туннелей метро проходила по Волхонке под домом № 16 и вдоль его выступавших крыльев, внутренние угловые части которых оказались над туннелями. Для предохранения от какой-либо деформации (от появления трещин) еще до прокладки туннелей выступающие угловые части здания были вывешены подведенными под них горизонтально расположенными сварными стальными балками. Опорами балок служили установленные за пределами стен туннелей шпальные клетки, причем они были основаны на 1 м ниже рандбалок. И так как шпальные клетки примыкали к внешним граням туннеля, то подстилающий их грунт попадал в зону обрушения. Задача строителей сводилась к тому, чтобы поддержать опоры стальных балок на одной вертикальной отметке. Для этого под опорами горизонтальных балок, на шпальные клетки установили домкраты, которыми компенсировали малейшую осадку грунта, подстилающего шпальную, клетку. Благодаря учету дополнительного давления на стены туннеля от шпальных клеток и непрерывному (круглосуточному) наблюдению за вертикальными отметками зданий в течение всего времени строительства туннеля на этом участке и своевременной компенсации осадки здания, все работы были благополучно завершены, и в стенах дома не образовалось даже волосных трещин.
Повреждение небольших сооружений от осадок и сдвигов грунта может быть предотвращено устройством под ними фундаментов в трех точках. Причем, при определении размеров фундаментов надо считаться с возможными их перемещениями как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
Кроме приведенных мероприятий, направленных на предупреждение осадки поверхности, расположенной над горными разработками, в некоторых случаях может оказаться целесообразным производить своевременное заполнение выработанного пространства не только породой, но и сухой каменной кладкой (без раствора) или песком. Нагнетание песка может быть произведено сжатым воздухом по шлангам специальным пескоструйным аппаратом.