CC BY
3УДК 622.837:622.838
Л. А. Иванова, В. П. Сажнев
АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ ПРИ ПОДРАБОТКЕ НА СКЛОНАХ МЕЗОРЕЛЬЕФА
На основании обобщения и анализа результатов обследований зданий с фиксацией трещин в стенах от влияния деформаций земной поверхности при отработке 8-ой, 9-й и 10-й западных лав пласта l4 (блок 4) ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса», расположенных в городе Кировское на территории с мезорельефом земной поверхности, установлены структурные деформации зданий в зонах мезорельефа земной поверхности при подработке.
Ключевые слова: структурные деформации зданий, горные работы, мезорельеф земной поверхности.
Введение. Подземная разработка пластовых месторождений угля сопровождается оседанием земной поверхности над очистной выработкой с образованием мульды сдвижения. В процессе формирования мульды сдвижения земная поверхность испытывает неравномерные осадки и горизонтальные смещения [1].
Неравномерность осадок вызывает вертикальные деформации земной поверхности (наклоны и кривизну), а неравномерность горизонтальных смещений - горизонтальные деформации растяжения и сжатия.
Анализ имеющихся фактических данных показывает, что деформированное состояние зданий в зонах сдвижения земной поверхности на подрабатываемых территориях характеризуется структурными деформациями наружных стен в виде трещин, распределение которых соответствует виду и знаку деформаций земной поверхности. При плавных деформациях земной поверхности трещины располагаются симметрично относительно центра здания.
Горизонтальным деформациям растяжения соответствуют наклонные расходящиеся трещины; кривизне выпуклости - вертикальные трещины от изгиба и наклонные трещины, расходящиеся от вертикального сдвига; горизонтальным деформациям сжатия и кривизне вогнутости - сходящиеся наклонные и горизонтальные трещины.
Актуальность работы обусловлена необходимостью выбора оптимальных мер защиты подрабатываемых зданий на склонах мезорельефа на основе закономерностей совместного влияния подработки и мезорельефа для различных типов застройки, характерной для Донбасса [2]-[7].
Влияние подработки на здания. На основании опыта подработки каменных зданий [8]-[10], при условии образования в наружных стенах трещин допустимых размеров выполнено обобщение их деформированного состояния, которое характеризуется обобщенными структурными деформациями, то есть суммарным расслоением стен в состоянии предельного равновесия при фиксированных деформационных воздействиях со стороны основания.
Горизонтальные деформации растяжения земной поверхности воздействуют на здание по подошве фундамента и вызывают в стенах равномерные структурные деформации горизонтального сдвига (рис. 1, а). Плоскости сдвига расположены симметрично относительно центра здания в виде лучей и наклонены к горизонту под углом 45 Зона воздействия горизонтальных деформаций по высоте здания ограничивается ее полудлиной.
При кривизне выпуклости здания претерпевают вертикальный сдвиг (рис. 1, б), плоскости которого совпадают с плоскостями горизонтального сдвига от растяжения земной поверхности. Но структурные деформации вертикального сдвига являются переменными по высоте здания, вырастая от нуля на уровне подошвы фундамента до максимума на высоте, равной полудлине здания. При кривизне выпуклости также образуются структурные деформации от изгиба здания, имеющие существенное значение для зданий небольшой высоты.
а - от горизонтального сдвига при растяжении земной поверхности; б - от вертикального сдвига при кривизне выпуклости; в - от горизонтального сдвига при сжатии земной поверхности; г - от вертикального сдвига при кривизне вогнутости
Рис. 1 - Обобщенные структурные деформации зданий в зонах сдвижения земной поверхности
Горизонтальные деформации сжатия земной поверхности воздействуют на здания по подошве фундамента и вызывают в стенах структурные деформации горизонтального сдвига, кото-
/1с0
рые приурочены к плоскостям, расположенным под углом 45 симметрично относительно центра здания в виде трапеции или треугольника в зависимости от отношения длины здания к его высоте (рис. 1, в). На уровне подошвы фундамента эти деформации максимальны, а на высоте, равной полудлине здания, практически угасают.
Аналогичны по направлению структурные деформации от вертикального сдвига при кривизне вогнутости (рис. 1, г). Они также являются переменными и увеличиваются по высоте, которая не превышает полудлину здания. При кривизне вогнутости
структурные деформации от прогиба здания практически не обнаруживаются, так как этому препятствуют горизонтальные деформации сжатия земной поверхности, что подтверждается результатами наблюдений.
Закономерности совместного влияния подработки и мезорельефа на различные типы застройки. Анализ и обобщение результатов инструментальных наблюдений за деформациями зданий в условиях влияния мезорельефа земной поверхности выполнены в городе Кировское, расположенном на горном отводе ГУП ДНР «ШАХТА КОМСОМОЛЕЦ ДОНБАССА».
На рассматриваемой территории города Кировское имеется мезорельеф земной поверхности с перепадом отметок поверхности до 50-60 м. На рисунке 2 показан совмещенный план поверхности города Кировское с планом горных выработок шахты по пласту 14 (блок 4), обозначены линии мезорельефа земной поверхности и выделены исследуемые здания.
Для определения закономерностей совместного влияния подработки и мезорельефа на различные типы застройки, характерные для Донбасса, и установления зависимостей повреждений подрабатываемых объектов поверхности от их технических характеристик и условий подработки, выполнено обобщение имеющихся данных о подработке одно, двух и трехэтажных зданий города Кировское. Здания расположены на территориях с мезорельефом земной поверхности в зоне влияния 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-й западных лав пласта 14 (блок 4) ГУП ДНР «ШАХТА КОМСОМОЛЕЦ ДОНБАССА». Также рассмотрены отдельные четырех и пятиэтажные здания в зоне влияния 8-ой, 9-ой, 10-й западных лав пласта 14 (блок 4).
На территории города с уклоном земной поверхности до 90 рассмотрены для исследования одноэтажные здания, расположенные в зоне влияния 7-ой и 8-ой западных лав пласта 14 (блок 4). Одноэтажная застройка представлена в основном двух-четырехквартирными жилыми домами государственной застройки. Фундаменты домов каменные ленточные, стены каркасно-щитовые, облицованные кирпичом, перекрытия - щитовой накат по деревянным балкам.
1 - линии мезорельефа с высотными отметками; 2 - границы очистных выработок; 3 - обследованные здания с линиями расположения структурных деформаций
Рис. 2 - Элемент плана г. Кировское с линиями мезорельефа земной поверхности и линиями структурных деформаций
зданий
Двухэтажные здания расположены на территории города с уклоном земной поверхности 4-5 ° в зоне влияния 8-ой, 9-ой и 10-ой западных лав пласта 14 (блок 4). Двухэтажные жилые дома в основном 8-ми и 16-ти квартирные, построены без учета влияния горных работ. Фундаменты домов каменные ленточные, стены каркасно-щитовые, облицованные кирпичом, перекрытия - щитовой накат по деревянным балкам.
Одноэтажные и двухэтажные жилые дома построены без конструктивных мер защиты от влияния горных работ [11].
Трехэтажные жилые дома также не имеют необходимого комплекса конструктивных мер защиты от влияния горных работ. Фундаменты домов каменные ленточные или сборные из бетонных блоков, стены - кирпичные, крупноблочные, перекрытия сборные из железобетонных плит, лестницы из сборных железобетонных площадок и маршей. В некоторых домах выполнены температурные или осадочные швы шириной 20-30 мм.
Четырех и пятиэтажные жилые дома, построенные до 1962 г. не имеют необходимого комплекса конструктивных мер защиты от влияния горных выработок. В домах выполнены температурные или осадочные швы шириной 20-30 мм.
Фундаменты домов каменные ленточные или сборные из бетонных блоков, стены - кирпичные, из крупных бетонных блоков, перекрытия сборные из железобетонных плит, лестницы из сборных железобетонных площадок и маршей.
Строительство четырех и пятиэтажных жилых домов после 1962 г. велось с конструктивными мерами защиты от влияния горных выработок: дома разделены деформационными швами на отсеки, имеют фундаментные и цокольные железобетонные пояса.
Фундаменты домов ленточные сборные из бетонных блоков, стены из крупных бетонных блоков или панелей, кирпичные, перекрытия сборные из железобетонных плит, лестницы из сборных железобетонных площадок и маршей.
Была разработана специальная методика обследования зданий с зарисовкой всех имеющихся трещин по всем фасадам зданий с выявлением мест расположения трещин с максимальным раскрытием.
Большинство обследованных зданий на горном отводе шахты подвергались влиянию подработки несколько раз (в основном с сочетанием деформаций растяжения, сжатия, растяжения).
В процессе обобщения и анализа результатов подработки были установлены характерные структурные деформации (дефекты и повреждения конструкций) зданий различной этажности при воздействии деформаций земной поверхности и мезорельефа: - в одноэтажных домах: наклонные трещины в стенах и в облицовке стен под и над оконными проемами, в угловых частях стен (рис. 3, а); смещение кладки облицовки по трещинам; отклонение облицовки стен от вертикали; повреждение пристроек; повреждение бутовой кладки фундаментов под наружные стены;
а б
а - одноэтажное здание; б - двухэтажное здание
Рис. 3 - Повреждение стен одно- и двухэтажных зданий
- в двухэтажных домах: наклонные трещины в стенах и в облицовке стен под и над оконными проемами, в простенках, в угловых частях стен (рис. 3, б); расслоение кладки и облицовки стен с образованием вертикальных и наклонных трещин в угло-
вых частях стен, отклонение облицовки стен от вертикали; разрушение участков облицовки стен и цоколя; повреждение кладки стен в местах опирания оконных перемычек, прогиб перемычек;
- в многоэтажных домах: в кирпичных стенах - трещины под и над оконными проемами (рис. 4, а), в простенках, в угловых частях стен; в крупноблочных и панельных стенах - разрушение заделки швов между блоками и панелями (рис. 4, б), трещины в угловых блоках, повреждение защитного слоя бетона в блоках стен и участков керамической облицовки стеновых панелей; отслоение и обрушение металлических нащельников (рис. 4, б), и разрушение заделки деформационных швов.
а б
а - кирпичные стены; б - крупноблочные стены
Рис. 4 - Повреждение стен трехэтажных зданий
При определении закономерностей совместного влияния подработки и мезорельефа на различные типы застройки для одноэтажных, двухэтажных и трехэтажных зданий были установлены места расположения максимальных трещин в стенах на всех
фасадах зданий. Установленные места максимальных деформаций по фасадам зданий позволили в плане зданий установить линий структурных деформаций, которые совпали с линиями мезорельефа земной поверхности (см. рис. 2).
При подработке одно, двух и трехэтажных зданий, расположенных на территориях с мезорельефом земной поверхности, деформированное состояние зданий будет характеризоваться структурными деформациями соответствующих зон сдвижения от влияния горных работ (см. рис. 1), однако расположение линий структурных деформаций в плане зданий будет совпадать с расположением линий мезорельефа земной поверхности. Здания как бы разделяются на блоки с максимальным раскрытием трещин в уровне перекрытий верхнего этажа (рис. 5).
Рис. 5 - Обобщенные структурные деформации подработанных зданий в зонах сдвижения на участках с мезорельефом земной поверхности
При этом при подработке одноэтажных и двухэтажных кар-касно-щитовых домов наибольшее влияние мезорельеф будет оказывать на отклонение от вертикали облицовки стен зданий и вызывать повреждение (обрушение) участков облицовки стен.
При подработке трех-пятиэтажных зданий, построенных с мерами защиты от подработки, влияние мезорельефа земной поверхности будет проявляться меньше, в основном при работе деформационных швов - будут повреждаться нащельники, закрывающие эти швы, и отмечаться наклоны отсеков зданий.
Выводы. На основании опыта подработки каменных зданий, при условии образования в наружных стенах трещин допу-
стимых размеров, обобщения их деформированного состояния, установлены обобщенные структурные деформации зданий в различных зонах сдвижения земной поверхности.
Установлены характерные дефекты и повреждения зданий различной этажности и конструктивных характеристик, расположенных в г. Кировское на горном отводе ГУП ДНР «ШАХТА КОМСОМОЛЕЦ ДОНБАССА» и подработанных в условиях влияния мезорельефа земной поверхности.
Разработана специальная методика обследования зданий, с зарисовкой всех имеющихся трещин по фасадам зданий и выявлением трещин с максимальным раскрытием, на основании которой установлены линии расположения структурных деформаций подработанных зданий, совпадающие с линиями мезорельефа земной поверхности.
Полученные данные по расположению линий структурных деформаций позволяют разработать локальные меры защиты подработанных зданий с учетом влияния мезорельефа земной поверхности.
Локальные меры защиты одно-двухэтажных каркасно-щитовых зданий могут включать: дополнительное армирование мест структурных деформаций при усилении цоколей, усиленную анкеровку облицовки к стенам и дополнительное армирование в этих местах облицовки стен.
Локальные меры защиты многоэтажных кирпичных зданий могут включать устройство армированной штукатурки цоколей и стен в местах структурных деформаций.
Локальные меры защиты многоэтажных зданий из крупных бетонных блоков и крупнопанельных могут включать: восстановление защитного слоя бетона цокольных и поэтажных поясов, ремонты заделки швов между стеновыми блоками и панелями в местах структурных деформаций, расчистку и замену нащельни-ков деформационных швов.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы FRSR 2023-0002 «Разработка геомеханических основ защиты объектов поверхности в условиях сложной структуры рельефа подрабатываемых территорий и исследование формирования зон интенсивных деформаций горного массива».
ЛИТЕРАТУРА
1. ГСТУ 101.00159226.001 - 2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных объектов при добыче угля подземным способом [Текст]. - Введ. 01.01.2004. - К., 2004. - 128 с.
1. Гаврюк, А. Г. Графоаналитический способ определения длин полумульд с учетом рельефа земной поверхности [Текст] / А. Г. Гаврюк, Г. А. Антипенко, Г. Ф. Гаврюк // Научный вестник НГУ. - 2007. - № 2. - С. 30-33.
2. Гаврюк, Г. Ф. К вопросу распределения горизонтальных деформаций в полумульде с учетом рельефа земной поверхности [Текст] / А. Г. Гаврюк. - 2012. - 75 с.
3. Боровков, Ю. А. Определение степени влияния рельефа земной поверхности на напряженно-деформированное состояние массива горных пород и параметры горных выработок [Текст] / Ю. А. Гаврюк // Московский геологоразведочный институт. Записки горного института. - СПб, 2003. - Т. 154. - С. 234-236.
4. Грищенков, Н. Н. Прогноз деформаций земной поверхности при ее подработке с учетом влияния мезорельефа [Текст] / Н. Н. Грищенков, В. Р. Шнеер, Е. В. Блинникова // Вести Донецкого горного института: всеукр. науч-техн. журнал горн. профиля. - Донецк: ДонНТУ, 2010. - № 1. - С. 265-272.
5. Грищенков, Н. Н. Алгоритм прогноза деформаций склонов мезорельефа при их подработке подземными горными работами [Текст] / Н. Н. Грищенков, В. Р. Шнеер, Е. В. Блинникова // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецьк, 2010. - № 7. - С. 199-210.
6. Швец, В.Б. Усиление и реконструкция фундаментов [Текст] / В. Б. Швец, В. И. Феклин, Л. К. Гинсбург. - М.: Стройи-здат, 1985. - 204 с.
7. Проект подработки жилых домов и общественных зданий г. Кировское 10-й западной лавой пласта 14 (блок 4) и 4-й восточной лавой пласта 16 (блок 2) ПАО «ДТЭК шахта Комсомолец Донбасса» 70с/11 [Текст]. - Донецк, 2011. - 282 с.
8. Проект подработки жилых домов и общественных зданий г. Кировское 11-й западной лавой пласта 14 (блок 4) и 5-й восточной лавой пласта 16 (блок 2) ПАО «ДТЭК шахта Комсомолец Донбасса» 19с/13 [Текст]. - Донецк, 2013. - 314 с.
9. Выполнить анализ деформированного состояния жилых домов № 23, 23а, 38, 40 по пр. Театральному, № 117, 177б, 119, 119а, 123,125 по ул. Набережной, № 143а, 143б по ул. 50-летия СССР и разработать рекомендации по обеспечению их дальнейшей безопасной эксплуатации. 41с/10 [Текст]. - Донецк. 2010. -159 с.
10.ДБН В.1.1-5-2000. Часть I Здания и сооружения на подрабатываемых территориях [Текст]. - Введ. 01.07.2000. - К., 2000. - 65 с.
Иванова Лариса Александровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Сажнев Вячеслав Петрович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
ANALYSIS OF THE DEFORMED STATE OF BUILDINGS DURING MINING ON MESORELIEF SLOPES
Based on the generalization and analysis of the results of surveys of buildings with the recording of cracks in the walls from the influence of deformations of the earth's surface during the development of the 8th, 9th and 10th western longwalls of the l4 seam (block 4) of the SUE DPR "Shahta Komsomolets Don-bassa", located in the city of Kirovskoye on the territory with mesorelief of the earth's surface, structural deformations of buildings in the zones of mesorelief of the earth's surface during mining were established.
Keywords: structural deformations of buildings, mining operations, mesorelief of the Earth's surface.
Ivanova Larisa Aleksandrovna, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher of the Department of Displacement of the Earth's Surface and Protection of Undermined Objects, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Sazhnev Viacheslav Petrovich, Ph. D. in Engineering Sciences, Associate Professor, Senior Researcher of the Department of Displacement of the Earth's Surface and Protection of Undermined Objects, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
