CC BY
2ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики. №3 (88) / 2024.
©2024. Н.Я. Азаров1, Ф.М. Голубев2, Т.И. Рахманова3, В.П. Сажнев4
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ РЕЛЬЕФА НА ДЕФОРМАЦИИ ЖИЛЫХ ДОМОВ НА ПОДРАБАТЫВАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ
В статье проведен анализ особенностей влияния структуры рельефа на характер повреждения подработанных горными выработками зданий. Приведен опыт обследования подработанных и подтопленных зданий на склонах рельефа. Установлено преобладающее над прочими факторами влияние параметров рельефа на состояние основных несущих конструкций. Ключевые слова: жилые дома, подработка, затопление горных выработок, влияние структуры рельефа, устойчивость склона, меры защиты.
Введение. Разработка месторождений полезных ископаемых неизбежно приводит к изменению ландшафта местности, которая попадает в зону влияния горных работ. Подземные очистные работы вызывают сдвижения и деформации земной поверхности, которые, в свою очередь, приводят к повреждениям и деформациям объектов социальной и производственной инфраструктуры, рас-
1 Азаров Николай Янович - доктор геол.-мин. наук, проф., научный консультант РАНИМИ, Донецк, e-mail: [email protected].
Azarov Nikolay Yanovich - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Scientific Consultant, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk.
2Голубев Филипп Максимович - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. отд. сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов РАНИМИ, Донецк, e-mail: [email protected].
Golubev Philipp Maksimovich - Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Earth Surface Displacement and Protection Objects Above Mining.
3Рахманова Татьяна Ивановна - ст. науч. сотр. отд. сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов РАНИМИ, Донецк, e-mail: [email protected].
Raxmanova Tat'yana Ivanovna - Senior Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Earth Surface Displacement and Protection Objects Above Mining.
4 Сажнев Вячеслав Петрович - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. отд. сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов РАНИМИ, Донецк, e-mail: [email protected].
Sazhnev Vyacheslav Petrovich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Department of Earth Surface Displacement and Protection Objects Above Mining.
УДК 622.837:622.838
doi:10.24412/0136-4545-2024-3-111-118
EDN:JIPLZQ
1Щ
положенных на подрабатываемой территории [1—5].
Особое внимание следует уделять зданиям, расположенным на склонах рельефа и на участках застройки со сложными горно-геологическими и инженерно-геологическими условиями, так как в таких случаях на техническое состояние зданий воздействуют дополнительные факторы.
При эксплуатации зданий и сооружений, возведенных на склонах или вблизи них, появляется опасность нарушения устойчивости и прочности конструкций из-за возможных подвижек грунта [2]. При этом деформации сооружений могут произойти как из-за воздействия давления неустойчивых масс грунта непосредственно на конструкции, так и вследствие разрыхления грунта в основании сооружения в результате смещения оползневых масс вниз по склону. Такое движение грунта по наклонной поверхности (проявление оползневого смещения) может начаться по самым различным причинам, в том числе от влияния подработки и затопления горных выработок.
В работе [3], изложен подход к определению степени устойчивости откоса, который подразумевает составление отношения суммы сил, сопротивляющихся сдвигу, к сумме сил, стремящихся сдвинуть массив по плоскости скольжения, расчетная схема данного подхода для участка МА приведена на рисунке 1
Рис. 1. Схема определения сдвигающих и удерживающих сил для каждой плоскости скольжения в массиве склона: 1-6 - границы блоков; 7 - плоскость скольжения; 8 - склон; М - точка максимального оседания; и Я - центр и радиус круглоцилиндрической плоскости скольжения;
Н0 - глубина, ниже которой возможно образование плоскости скольжения
Согласно рисунку 1 определяются величины дп (нормальная составляющая силы Qn) и Ьп (сдвигающее усилие):
Яп = Qn созвп,
(1)
Ьп = ЯпЦф, (2)
где Qn - вес грунта п-го блока, Н; ¡Зп - угол между вертикалью и нормальной составляющей силы Qn (дп), градус; ф - угол внутреннего трения, градус.
Проведенные исследования [3, 6] показывают, что влияние мезорельефа на прогнозируемые величины деформаций могут являться значительными и достигать 40-50 % от допустимых значений наклонов, кривизны и относительных деформаций для целого ряда охраняемых объектов поверхности [7, 8]. Все эти факторы требуют научно обоснованного и своевременного выбора горных и конструктивных мер защиты зданий и сооружений.
Таким образом, теоретическое обоснование прогноза деформаций земной поверхности, определение причин деформирования и выбора мер защиты зданий и сооружений на участках мезорельефа, подрабатываемых подземными горными работами, является актуальной научной задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение для народного хозяйства и способствует повышению безопасности и эффективности ведения горных работ.
1. Методика исследования. Для примера определим причины деформирования жилого дома № 6 по ул. Южной в г. Брянке, расположенного на склоне рельефа на горном отводе шахты «Брянковская». Одноэтажный двухквартирный жилой дом построен в 1958 году. Размеры дома в плане (с пристройками) 23,0 м х 9,24 м, высота 3,3 м. Фундаменты выполнены из бутового камня, стены из гипсоблоков, перекрытие деревянное, кровля двускатная шиферная по деревянным стропилам и обрешетке.
Подвалы каждой квартиры расположены под соответствующими пристройками. Размеры подвалов 3,5 м х 2,5 м х 2,7 м, стены бутовые, перекрытия железобетонные.
Основные параметры горно-геологических условий приведены в таблице 1.
Результаты вертикальной съёмки участка застройки дома на склоне рельефа показаны на рисунке 2.
Породы участка представлены песчаными и песчано-глинистыми сланцами, песчаниками с отдельными пластами известняков и углей. К западу от дома находится выход под наносы известняка Мз мощностью 3,5-6,0 м. Мощность наносов на участке составляет 2,0-4,0 м.
Для оценки влияния горных работ шахты «Брянковская» выполнен расчёт сдвижений и деформаций земной поверхности в соответствии с методикой «Правил охраны... » [5].
Из одиннадцати лав, принятых к расчету деформаций земной поверхности, на дом оказала влияние отработка только девяти лав. Из них значимое влияние на дом оказала отработка только трёх лав: 1-й восточной лавы пласта 1з, 1-й восточной лавы пласта ¡2 и 1-й восточной лавы пласта к6.
В таблице 2 приведены результаты расчёта сдвижений и деформаций земной поверхности от каждой лавы и максимальные деформации за весь период подработки дома.
Таблица 1. Горно-геологические условия подработки
Наимено- Символ Угол Средняя Вынимае- 1 Размеры лавы, м Способ
вание пласта паде- глубина, мая вкрест по управления
лавы ния, град. м мощность, м простирания простиранию кровлей
1 2 4 5 6 7 8 9
1-я бис восточная 1з 10 296 0,65 135 515 Полное обрушение
Коренная западная Ь1 10 410 1,25 148 450 Полное обрушение
Коренная западная 1з 10 427 0,70 196 250 Полное обрушение
Коренная восточная 1з 10 427 0,70 180 640 Полное обрушение
Коренная восточная Ь1 10 410 1,40 148 500 Полное обрушение
Коренная восточная ке 10 650 0,59 170 465 Полное обрушение
Коренная западная ке 10 650 0,61 153 1110 Полное обрушение
1-я восточная к 10 296 0,68 208 110 Полное обрушение
1-я восточная Ь1 10 310 1,35 196 630 Полное обрушение
1-я западная Ь1 10 310 1,30 196 700 Полное обрушение
1-я восточная ке 10 350 0,61 114 500 Полное обрушение
Рис. 2. Схема расположения жилого дома на склоне рельефа
Таблица 2. Расчетные значения сдвижений и деформаций земной поверхности
Наименование лавы Символ пласта Оседание, мм Деформации в направлении простирания, мм/м Деформации вкрест простирания, мм/м
ер Кр еч кч
Коренная западная к1 7 0,30 0,02 -0,04 -0,02
Коренная западная к 3 0,16 0,02 0,02 -0,02
Коренная восточная к 144 -0,46 -0,02 0,51 0,02
Коренная восточная к1 105 0,19 0,02 -0,69 -0,02
Коренная восточная ке 36 -0,07 -0,02 -0,14 0,02
1-я восточная к 51 -0,43 0,022 1,41 0,022
1-я восточная к1 351 -1,50 -0,04 4,07 0,03
1-я западная к1 2 0,22 0,02 0,01 -0,02
1-я восточная ке 119 -0,39 -0,02 1,6 0,02
Сумма 818 -1,98 -0,06 6,7 0,08
Приведенные в таблице значения расчётных деформаций земной поверхности, кривизны и оседаний, определены на основании действующих отраслевых стандартов [4, 5] в единицах измерения, принятых в нормативной базе угледобывающей отрасли и использованы в анализе степени влияния горных работ на техническое состояние дома. Вычисленное по максимальным деформациям значение показателя суммарных деформаций составляет А1 = 62 мм.
Величина допустимого показателя суммарных деформаций земной поверхности для жилого дома с учётом коэффициентов, учитывающих грунтовые условия, материал и толщину стен, износ стен, конструкцию перекрытия и конфигурацию в плане, составляет [А1д] = 100 мм. Сравнение показателя суммарных деформаций, вычисленного по расчетным деформациям, с допустимым значением показывает, что он в 1,5 раза меньше допустимого значения. Отсюда следует, что согласно принятым в «Правилах охраны...» [5] нормам здание могло быть подработано без назначения конструктивных либо горных мер защиты. При этом вычисленное значение прогнозируемого максимального раскрытия трещин составляет 6-7 мм. Указанные повреждения не могут вызвать повреждения, угрожающие безопасности эксплуатации дома.
Возможная активизация горных работ, вызванная затоплением шахты, составляет не более 5-7 % от суммарных максимальных деформаций, вызванных влиянием горных работ. При этом расчетный показатель суммарных деформа-
ций не превысит 7 мм. Указанная величина характеризующего ресурс здания показателя суммарных деформаций, вызванных деформациями земной поверхности от активизации сдвижений, является малозначимой и здание не должно пострадать.
2. Результаты обследования здания. При обследовании технического состояния жилого дома зафиксированы следующие повреждения. В стене главного фасада зафиксированы горизонтальные трещины 1-2 мм под оконными проемами, в примыкании пристройки трещины раскрытием до 4 мм. Вертикальные трещины раскрытием до 3 мм зафиксированы в правой торцевой стене. В цоколе горизонтальные и наклонные трещины раскрытием до 10 мм. Щель между от-мосткой и стеной дома составляет более 50 мм. Во внутренней поперечной стене, разделяющей квартиры имеются наклонные трещины раскрытием до 2 мм. На сопряжении перекрытий и стен, а также стены главного фасада и поперечных стен происходит деформирование обоев.
При обследовании мест опирания балок перекрытия зафиксировано смещение продольной стены главного фасада на 50-70 мм в сторону склона.
Зафиксированные повреждения позволяют утверждать, что наибольшие деформации здание претерпело на уровне цоколя и перекрытия. При этом трещины ориентированы в направлении падения склона.
Характер повреждений здания совпадает с преобладающим знаком относительных деформаций, что говорит о наличии влияния горных работ на состояние здания, при этом ориентирование зафиксированных трещин позволяет утверждать, что распространение повреждений преобладает в части здания, расположенной ближе к нижней части склона, что обосновывается воздействием подвижек склона под влиянием подработки.
Рассматриваемый жилой дом по степени капитальности следует отнести к III группе, поэтому усредненный срок его службы составляет 100 лет, а так как фактический срок службы на момент обследования составлял 42 года, то процент физического износа, вычисленного по сроку службы, равен 42 %.
В связи с зафиксированным при обследовании смещением стены главного фасада в сторону склона, выполнен анализ его устойчивости на основании предоставленной вертикальной съемки. Измеренный наклон земной поверхности на шестиметровом участке между проезжей частью улицы и стеной главного фасада равен 20 градусов. В полутораметровом интервале (точки 2 и 3) наклон земной поверхности равен 30 градусов.
В работах Маслова Н.Н. [9, 10] изложен «метод устойчивого откоса», по которому величина коэффициента запаса устойчивости склона кзап [10] для несвязанного грунта определяется формуле
= (3)
tg а
а для связанного грунта - по формуле
tg Фр
Лзап = (4)
tg а
где: р - угол внутреннего трения, градус; а - угол падения склона, градус; Фр - угол сопротивления грунта сдвигу, градус.
Выполненный расчет устойчивости склона, с учетом расположенного на нем дома, по методу [7] при усредненных величинах физико-механических характеристик грунта-суглинка (сцепление C = 0,05 кг/см2, угол внутреннего трения р = 20 град., плотность y = 1,8 т/м3) показывает, что коэффициент запаса устойчивости равен 1,0. Это позволяет сделать вывод о неустойчивости склона и, таким образом, высказать предположение о его влиянии на техническое состояние дома.
Выводы. На основании выполненного анализа влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на техническое состояние здания установлено, что отработка шахтой «Брянковская» угольных пластов оказывала влияние на объекты поверхности, при этом расчетные деформации земной поверхности не превысили допустимых значений. Следовательно, подработка производилась в соответствии с требованиями действующих нормативных документов и в чистом виде не могла привести к деформациям здания. Активизация горных работ, вызванная затоплением горных выработок шахты, в рассматриваемых условиях не может превышать 5-7% от влияния подработки и является малозначимой.
Существующие повреждения дома соответствуют повреждениям, вызванным влиянием склоновых подвижек, активизированных сдвижением земной поверхности при подработке, которые существенно увеличивают физический износ зданий.
Таким образом, повреждения жилого дома вызваны перемещением склона, активизация которого связана с производственной деятельностью шахты и её затоплением. Установление данного факта подчеркивает важность учета влияния параметров рельефа на характер деформирования объектов поверхности и актуализирует необходимость доработки действующей методики расчета, игнорирующей влияние параметров рельефа на расчетные деформации. Адекватность и работоспособность представленного подхода подтверждается результатами наблюдений за несколькими сотнями зданий, подработанных горными выработками и расположенных на склонах рельефа.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 123092600006-9).
1. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений / Г. Кратч; пер. с нем.; под общ. ред. Р.А. Муллера и И.А. Петухова. - М.: Недра, 1978. - 494 с.
2. Канавец А.А. К вопросу об устойчивости склонов мезорельефа / А.А. Канавец, Н.Н. Гри-щенков // Инновационные перспективы Донбасса: Материалы 8-й Международной научно-практической конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2022. - Т. 6. - С. 159-161.
3. Авершин С.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами / С.Г. Авершин. - М.: Угле-техиздат, 1954. - 324 с.
4. ПБ 07269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - Введ. 1998-10-01. - М., 1998. - 203 с.
5. ГСТУ 101.00159226.001 - 2003. Правила подработки зданий, сооружений и природных
объектов при добыче угля подземным способом. - Введ. 2003-10-28. - К., 2004. - 128 с.
6. Грищенков Н.Н. Прогноз деформаций земной поверхности на подрабатываемых территориях с учётом мезорельефа / Н.Н. Грищенков, Е.В. Блинникова // Маркшейдерский вестник. - 2013. - № 4 (96). - С. 34-38.
7. Горбунов-Посадов М.И. Сложные основания и фундаменты: справочник проектировщика / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов [и др.]; под ред. Ю.Г. Трофименко-ва. - М.: Стройиздат, 1969. - 272 с.
8. Березанцев В.Г. Расчет прочности оснований и сооружений / В.Г. Березанцев. - Л.: Гос-стройиздат, 1960. - 138 с.
9. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними) / Н.Н. Маслов. - М.: Стройиздат, 1977. - 320 с.
10. Маслов Н.Н. Прикладная механика грунтов / Н.Н. Маслов. - М.: Машстройиздат, 1949. - 328 с.
N.Y. Azarov, Ph.M. Golubev, T.I. Raxmanova, V.P. Sazhnev
Features of influence of relief structure on deformations of residential buildings on the underworked area.
The article analyzes the features of the influence of the relief structure on the nature of damage to buildings underworked by mine workings. The experience of examining underworked and flooded buildings on relief slopes is given. The predominant influence of relief parameters on the condition of the main load-bearing structures over other factors is established.
Keywords: residential buildings, underworking, flooding of mine workings, influence of relief structure, slope stability, protection measures.
Статья поступила в редакцию 10.10.2024; доработана 18.11.2024; рекомендована к печати 29.11.2024.
