книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

чеыное при расчете. Поскольку эта активизация сдвижений связана такжо с перераспределением напряжений, развитием трещин и снижением изгибной жесткости породных слоев в верхней части горного массива, то она может быть определена при помощи механической модели породного массива, в кото­ рой деформации выводятся как функция соответствующего поля напряжений. То же можно сказать и о заниженных значениях конвергенции, получающихся в новом выемочном поле в результате влияния выемки защитного пласта. Кроме того, пока еще не поддается учету при расчете сдвижений установлен­ ные исследователями последних лет заниженное оседание при первой подра­ ботке породного массива и завышенное оседание (а 1) при отработке второгопласта [242].

6. Отклонение формы мульды сдвижения от полученной, по данным рас­ чета, наблюдается, кроме того, при современной технике ведения горных работ в угольной промышленности, характеризующейся применением выемки угля с обрушением кровли и высокой концентрацией очистных работ (выемка бло­ ками), а также быстрым и непрерывным обнажением кровли в течение пяти рабочих дней с последующим двухсуточным перерывом в работах. Мульда осе­ дания, обычно имеющая вид впадины со сравнительно пологими склонами, при этих условиях приобретает форму воронки с крутыми склонами, причем граничные углы возрастают до 60°, скорость оседания увеличивается до 4 см/сут. а над добычным забоем наблюдаются значительные деформации земной поверх­ ности на промежуточных стадиях развития процесса сдвижения [242, 422]. Сдвижения для таких мульд могут быть рассчитаны только при помощи спе­ циальных интеграционных сеток с повышенными значениями коэффициентов, влияния для внутренних зон [например, построенными в соответствии с урав нением (158), см. рис. 106] или при помощи типовых кривых, в уравнения кото­ рых введены скорректированные параметры для конечной и промежуточной стадий процесса [см. уравнение (141)].

7. Отклонения фактических величин оседания земной поверхности от прин­ ципа суперпозиции, наблюдающиеся при разработке нескольких пластов, залегающих на разных горизонтах [15, 225], могут быть вызваны совместным суммирующимся влиянием границ выработок, краевых зон и выемки защитных пластов, а также снижением изгибной жесткости породных слоев над серединой очистной выработки, возрастающим с ростом степени подработанности пород­ ного массива и развитием в нем трещин. Поэтому при взаимном наложении влияний старых и новых выемочных полей необходимо учитывать связанное с повторной подработкой снижение изгибной жесткости породных слоев, а так­ же напряженное состояние породного массива. Для расчета оседания пород непосредственной кровли в новом выемочном поле и активизации процесса сдвижения под влиянием ранее отработанных выработок должна быть устано­ влена зависимость конвергенции от горного давления.

8. Для расчета сдвижений при наклонном и крутом залегании пласта необходимо иметь по возможности точные данные о граничных углах, угле* смещения центра мульды ц, коэффициентах оседания и горизонтальных сдви­ жений, поскольку пока нет еще более совершенных и простых методов расчета для таких случаев. Нет пока еще возможности определять границы областей

растяжения и сжатия в вертикальном и горизонтальном направлениях пород­ ного массива путем измерений, выполняемых из горных выработок. Невыяс­ ненными остаются также направление сдвижений в средней области слоистого породного массива и влияние на деформации земной поверхности породных слоев покрывающей толщи, залегающих несогласно по отношению к коренным породам (см. рис. 154).

9. Наконец, необходимо отметить отсутствие точных данных о том, в какой степени силы давления и трения передаются на фундаменты сооружений. Поэтому в расчеты, связанные со сдвижением горных пород и земной поверх­ ности, следовало бы вводить, с учетом законов механики грунтов, параметры подрабатываемого сооружения и учитывать влияние этого сооружения, как внедренного в породный массив инородного тела, на параметры процесса сдвижения.

Таким образом, можно сделать вывод, что необходимы дальнейшие теорети­ ческие исследования и натурные наблюдения, чтобы даже в наиболее сложных случаях можно было сделать правильные заключения о характере сдвижения горных пород и дать соответствующую оценку возможной опасности для под­ рабатываемых сооружений.

11.1.

Различные виды воздействия подработки

Рассмотренные ранее составляющие сдвижения земной поверхности: оседание vz и горизонтальное сдвижение vxy, а также выведенные из них деформации наклона vz, кривизны v”z и горизонтальные деформации es могут служить основой для оценки степени воздействия подработки на наземные здания и сооружения. При этом, так же как и при рассмотрении системы «шахтный ствол — породный массив», снова возникает вопрос, в какой степени подраба­ тываемое сооружение следует за сдвижениями и деформациями грунта. Хотя и известно, что при сдвижении грунта сооружение изменяет свое положение — оседает, смещается и наклоняется в соответствии со сдвижениями грунта в уро­ вне основания (рис. 187), причем жесткий на изгиб и упругий фундамент искри­ вляется и претерпевает растяжение или сжатие в меньшей степени, чем грунт основания, однако в каждом конкретном случае остается неизвестным количе­ ственное соотношение между деформациями грунта и подрабатываемого соору­ жения. Поэтому необходимо более детально исследовать деформации и механи­ ческие процессы в грунте, имеющие место при передаче усилий на подрабаты­ ваемое сооружение.

Наряду с общим изменением положения подрабатываемого сооружения на него воздействуют также нагрузки, вызывающие изгиб, растяжение или сжатие элементов конструкции сооружения (табл. 21). Многие сооружения вследствие их значительной протяженности, как, например, автодороги, рель­

£ Сжатие

V, ^

Кривизна

Схема воздействия сдвижений (а) и деформаций (б) земной поверхности на подрабатываемое здание

вследствие их малой собственной жесткости не в состоянии перекрыть образо­ вавшуюся в грунте впадину, не деформируясь. Такие сооружения под дейст­ вием собственного веса следуют за оседанием грунта и прогибаются. Если же сооружение возведено на жестком фундаменте, оно может частично провисать над впадиной в основании, причем под подошвой фундамента происходит пере­ распределение отпора грунта. Что касается горизонтальных деформаций грунта, то большинство сооружений успешно противостоят их воздействию, так как обладают большей жесткостью, чем рыхлый грунт или выветрелые породы ближайшей к земной поверхности зоны породного массива. Поэтому деформи­ рующийся грунт основания в отдельных местах смещается по подошве и боко­ вым поверхностям фундамента, причем возникают силы трения, передающиеся сооружению. Кроме того, грунт в зоне деформаций сжатия оказывает на фун­ даментные стены, ориентированные перпендикулярно к направлению сдвиже­ ния, боковое давление (так называемое пассивное давление грунта).

Таким образом, для системы «основание — фундамент сооружения» можно выделить четыре вида воздействия подработки:

1)смещение всего сооружения на величину, равную величине сдвижения •земной поверхности;

2)дополнительное боковое давление грунта на стенку фундамента;

3)передача сил трения по подошве и боковым поверхностям фундамента;

4)изменение давления грунта вследствие искривления поверхности грунта под жестким фундаментом.

Из этих четырех видов можно рассматривать как уже решенный только первый — смещение сооружения вслед за сдвижением грунта, не сопрово­ ждающееся деформированием сооружения. В остальных трех видах давление грунта, силы трения и искривление основания вызывают деформацию сооруже­ ния, причем, в отличие от первого, деформации растяжения или сжатия соору­ жения всегда будут меньше вызывающих их горизонтальных деформаций грунта. Поэтому принимавшееся до сих пор предположение о равенстве деформаций сооружения расчетным величинам растяжения или сжатия земной поверхности приведет к завышенным нагрузкам на сооружение. Это, правда, упрощает задачу, однако, если такое допущение положить в основу проектирования

сооружений или планирования горных работ, это приведет к неоправданно завышенному запасу прочности, что экономически нецелесообразно.

Ниже будет показано, что в простейших основных случаях задача опреде­ ления усилий, передаваемых от деформирующегося верхнего слоя грунта к фундаменту сооружения, в настоящее время может быть решена с достаточной точностью при помощи механики грунтов. Рабочие гипотезы механики грунта и некоторые эмпирические формулы могут быть использованы даже при реше­ нии более сложных задач, если при этом все время помнить о содержащихся в них неточностях и допущениях и по возможности их учитывать. Чтобы иметь возможность определить ожидаемую степень воздействия подработки на соору­ жение в зависимости от соответствующих горизонтальных деформаций земной поверхности, нужно исходить прежде всего из напряженно-деформированного состояния основания, а затем рассчитывать усилия, создаваемые давлением грунта и силами трения.

11.2. Напряженно-деформированное состояние основания

Все виды грунтов, как, например, гравий, песок, ил и образующаяся в результате химического разложения глина, в механике грунтов определяются как природный конгломерат из минеральных частиц, который при растворении в воде может быть разложен на отдельные частицы по их крупности. В отличие от этого в крепких (скальных) породах минеральные частицы прочно связаны между собой значительными силами сцепления. Грунты подразделяются на не­ связные (сухой песок или гравий), характеризующиеся пористостью примерно1 30—45% и углом внутреннего трения 30—40°, и связные (глинистые или или­ стые грунты) с пористостью 25—75%, углом внутреннего трения 10—30О;и сце­ плением 1,0—2,5 Н/см2.

В н е с в я з н о м п е с к е часть песчинок начинает перемещаться ужепри незначительном повышении нагрузки, причем при вращении и перемеще­ нии песчинок снижается нагрузка до тех пор, пока каждая песчинка в соответ­ ствии со своей формой не получит новую, стабильную опору (рис. 188). Это будет иметь место в случае, если нормальные усилия (напряжения) а,п переда­ ющиеся на рассматриваемую песчинку от соседних песчинок через участки их взаимного касания, уравновешиваются действующими на этих участках каса­ тельными силами трения (напряжениями) т, не превышающими сопротивление грунта сдвигу. В результате такого саморегулирования опирания песчинок объем образца песка, находящегося под действием равномерного всестороннего сжатия (а? = ах = ау — гидростатическое напряженное состояние), будет уменьшаться. При неравномерном нагружении образца (а* ф ву — напряжен­ ное состояние при сдвиге) может произойти разрыхление песка, бывшего до этого в уплотненном состоянии. Идеально упругий грунт должен был бы под действием сдвигающих напряжений изменить только свою форму, но не объем. Таким образом, область упругих деформаций без взаимного пластического перемещения частиц для несвязных грунтов отсутствует даже при незначитель­ ных изменениях сжимающих напряжений, т. е. такие грунты деформируются в основном пластически. Упругие деформации ге столь малы, что после снятия.

Рис. 189.

Схема перераспределения частиц в слое грунта, находящегося под действием вызванных подработкой сдвижений и деформаций:

а — при деформировании слоя связного водонасыщенного грунта над очистной выработкой, имеющей площадь полной подработки; б — кубическая и ромбическая упаковка частиц в слое несвязного грунта: 1 — поровая вода; 2 — поры; з — частицы песка; 4 — укладка частиц до начала воздействия подработки.

ния боковой деформации (кривая 1) и при испытаниях в стабилометре образ­ цов в жесткой оболочке, т. е. с ограничением боковой деформации (кривая 2). Обе кривые показывают нелинейную зависимость, но в первом случае эта зави­ симость больше, а во втором — меньше линейной.

В части мульды сдвижения земной поверхности, расположенной над очист­ ной выработкой, где имеет место кривизна вогнутости, слой грунта над дейст­ вием горизонтального сжатия при изгибе может выдавливаться вверх и вниз, т. е. расширяться в вертикальном направлении (увеличение толщины слоя),

вто время как в краевой зоне мульды, где имеет место кривизна выпуклости,

вгрунте возникают горизонтальные деформации растяжения, сопровожда­ ющиеся соответствующим сжатием в вертикальном направлении в зоне опор­ ного давления и уменьшением толщины слоя грунта. В процессе такой дефор­ мации изгиба отдельные частицы в слое связного грунта, подстилаемые абсорб­ ционной водой и минеральными примесями и обволакиваемые свободной норо­ вой водой, условно изображенные на рис. 189 в виде шариков, перемещаются таким образом, что горизонтальные расстояния между центрами соседних

шариков в зоне растяжения увеличиваются, а вертикальные — уменьшаются; в зоне сжатия, наоборот, горизонтальные расстояния между шариками умень­ шаются, а вертикальные — увеличиваются. Между краем мульды и ее центром все слагающие грунт частицы перемещаются в горизонтальном направлении,

причем величина этих перемещений изменяется так, как показано стрелкамивекторами и штрихпунктирной кривой на рис. 189. Если представить себе взаимное расположение частиц в грунте в виде шариков, плотно уложенных в упаковку кубической формы, то в области растяжения произойдет «разрыхле­ ние» частиц в горизонтальном направлении, сопровождающееся уменьшением толщины слоя на Ай1? а в области сжатия — уплотнение, в результате которого шарики-частицы перераспределяются («ромбическая укладка») и часть из них выдавится вверх, так что толщина слоя увеличится на А ( п р и чистой дефор­ мации сдвига по горизонтали без искривления слоя толщина его должна была бы уменьшиться на Ah2). При переходе от кубической укладки шариков к ром­ бической, когда соединяющая центры шариков линия из отвесного положения переходит в наклонное под углом 60° к горизонту, в области сжатия может про­ исходить заметное горизонтальное смещение точек земной поверхности, которое зависит от той глубины, на которую распространяется захваченный процессом сдвижения слой грунта.

Обобщая сказанное, можно сделать следующие выводы относительно поведения грунтов под давлением:

на связанные между собой частицы песчаного грунта перемещаются пла­ стически (саморегулирование опирания);

объем грунтового массива не является постоянным (плотность и объем пор грунта могут изменяться);

кривые зависимости деформаций от напряжений в грунте при нагрузке и разгрузке не совпадают (малая зона упругости);

после снятия нагрузки первоначальная плотность грунта не восстанавли­ вается (наличие остаточных деформаций);

деформации грунта не пропорциональны напряжениям; деформациям сдвига в связных грунтах препятствуют, с одной стороны,

сцепление между частицами, обусловленное наличием абсорбционной воды* и, с другой стороны, трение между частицами.

11.3.

Давление грунта на стенку фундамента

Если при подработке здания или сооружения оно оказывается на участке зем­ ной поверхности с кривизной выпуклости, стенки его фундаментов разгружа­ ются; если же в этом месте возникает кривизна вогнутости, то кроме обычного давления грунта, имеющего место при недеформированном основании сооруже­ ния, на стенки фундаментов начинает действовать добавочное давление (рис. 190). В экстремальном случае, т. е. при достаточно сильном искривлении слоя грунта, давление на стенку фундамента может в области растяжения уменьшиться до активного давления грунта Еа или в области сжатия увели­ читься до пассивного давления грунта Ер.

Активное давление грунта имеет место при возникновении в области рас­ тяжения трещин земной поверхности. Эти трещины глубиной от 1 до 3 м, иду­ щие наклонно в направлении к очистной выработке (рис. 191), возникают в случае, если при кривизне выпуклости деформации растяжения грунта пре-

Схема сил давления грунта, действующих на стенку фундамента при деформации изгиба слоя грунта:

вышают предельную величину, равную 5—7 мм/м, при которой превышается предел прочности грунта на разрыв. Клин разрыхленного и нарушенного грун­ та у трещины может сместиться или опуститься по второй поверхности разрыва к главной трещине, если сила собственного веса этого клина превысит силу трения по противоположно падающей поверхности разрыва. В результате такого сползания или осадки грунтового клина на расстоянии от 30 до 60 м от главной трещины образуется обратная (или откосная) трещина. Поскольку разведочными работами установлено, что главная трещина идет до глубины, не превышающей нескольких метров, надо полагать, что при расстоянии между трещинами более 10 м должна существовать зона расслоения большой глубины или должно сказываться влияние более глубоких трещин. В ре­ зультате процесса сдвижения на линии главной трещины остается уступ высо­ той в несколько дециметров или же между линиями обеих трещин образуется канавообразное углубление. Слой мергеля, залегающий под слоем песчаного грунта и подстилаемый песком-плывуном, при растяжении от изгиба может разломиться по плоскостям трещин на отдельные блоки, которые будут погру­ жаться в слабый подстилающий слой, вследствие чего у края мульды сдвиже­ ния может возникнуть ряд уступов (рис. 192). При этом ширина уступов будет зависеть от расположения систем трещин в подстилающем слое. Такого рода уступы весьма опасны для транспортных сооружений и жилых зданий [262].

Для специалистов, занимающихся вопросами сдвижения горных пород, представляет особый интерес, как дополнительная нагрузка на строительные сооружения, п а с с и в н о е д а в л е н и е г р у н т а , само название кото­ рого, заимствованное из механики грунтов, говорит о том, что это давление грунта возникает вследствие перемещения в песчаном грунте подпорной стенки и является своего рода пассивной реакцией грунта, препятствующей его дефор­ мированию. Поскольку в зоне влияния подземных горных разработок грунт представляет собой активный элемент сдвижения, в науке о защите подрабаты­ ваемых сооружений может иметь место и обратный случай, когда грунт в своем движении воздействует на неподвижную стенку фундамента. Так, например,