CC BY
1УДК 622.837:622.838
Н. Н. Грищенков, Л. А. Иванова, Т. И. Рахманова, Е. Т. Сушко, В. П. Сажнев
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ СКЛОНАХ МЕЗОРЕЛЬЕФА
На основании обобщения и анализа имеющихся данных предложена новая классификация технического состояния подработанных зданий (состояния I-IV), в зависимости от соотношения нормативного и фактического значений допустимого и предельного ресурсов зданий для условий эксплуатации и безопасности. Установлены предельные значения деформационных критериев, которые позволяют разработать конструктивные и локальные меры защиты в условиях сложной структуры рельефа.
Ключевые слова: техническое состояние зданий, подрабатываемые склоны мезорельефа.
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] и [2].
Неравномерность осадок вызывает вертикальные деформации земной поверхности (наклоны и кривизну), а неравномерность горизонтальных смещений - горизонтальные деформации растяжения и сжатия [3].
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 поверх-
ности 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.
При подработке зданий, расположенных на территориях со сложной структурой рельефа земной поверхности отмечено, что зона влияния горных работ (мульда сдвижения) за счет смещения в сторону рельефа земной поверхности увеличивается на 10-20 %, также меняется распределение значений деформаций в точках мульды сдвижения. Смещение фактической точки максимального оседания земной поверхности от расчетной (прогнозной) точки максимального оседания сдвигается на 100-120 м в сторону склона рельефа земной поверхности [4].
При подработке зданий, расположенных на территориях со сложной структурой рельефа земной поверхности, деформированное состояние зданий будет характеризоваться структурными деформациями соответствующих зон сдвижения от влияния горных работ, однако расположение линий структурных деформаций в плане зданий будет совпадать с расположением линий рельефа земной поверхности. Здания как бы разделяются на блоки с максимальным раскрытием трещин в уровне перекрытий верхнего этажа, также будет отмечаться наклон самого здания или его отсеков от влияния рельефа земной поверхности [5].
Материалы и методы исследования. Обследование зданий на подрабатываемых склонах мезорельефа проводится по методике, разработанной для подрабатываемых зданий, но имеет свои отличительные особенности, вызванные влиянием сложной структуры рельефа земной поверхности. Была разработана специальная методика обследования зданий с зарисовкой всех имеющихся трещин по фасадам зданий с выявлением мест расположения трещин с максимальным раскрытием.
Основными исходными материалами для обследования являются данные о конструктивной характеристике обследуемых
зданий и данные о месте расположения обследуемых зданий на плане поверхности с нанесением линий рельефа земной поверхности.
Данные о конструктивной характеристике здания включают: назначение (жилой дом, здание общественного назначения), этажность, год строительства, конфигурация (простой, усложненной, сложной формы в плане - прямоугольное, Г-образное, П-образное и др.), размеры в плане (длина, ширина), высота, наличие подвала (под всем или под частью здания в плане), размеры и высота подвала, строительный объем здания, подвала, конструктивная схема (бескаркасное, каркасное), для каркасных зданий - количество и величина пролетов, шаг колонн каркаса, для жилых домов - количество квартир и подъездов, материал основных конструкций: фундаментов, стен, перекрытий, каркаса (для каркасных зданий), лестничных площадок и маршей, крыши (форма двухскатная, многоскатная, плоская и др.) и кровли (шифер, черепица, рулонное покрытие и др.), наличие конструктивных мер защиты от влияния горных работ (разрезка зданий деформационными швами на отсеки, наличие фундаментных, цокольных и поэтажных поясов и др.).
Данные о расположении обследуемых зданий на плане поверхности с нанесенными изолиниями рельефа земной поверхности также включают: наличие в основании зданий зоны влияния тектонических нарушений, выходов под наносы угольных пластов, старых горных выработок, имеющих выход на дневную поверхность.
Обследование здания заключается в визуальном осмотре здания с фиксацией всех имеющихся дефектов и повреждений конструкций на зарисовках фасадов здания, фотофиксацией фасадов и мест повреждений конструкций здания, а также в проведении инструментальных замеров (ширина раскрытия трещин, отклонение стен и цоколя в вертикальной и горизонтальной плоскости и др.). Также производятся замеры высот цоколей в угловых точках в плане здания и определение уклонов земной поверхности вдоль всех его фасадов.
Обследование здания начинают с главного фасада. На зарисовку фасада наносятся все имеющиеся трещины с указанием их
раскрытия и следы заделанных трещин с указанием материала заделки и величины нового раскрытия трещины, если оно имеется (рис. 1, 2). Отмечаются места расположения трещин, имеющих максимальное раскрытие на всех фасадах здания. Отмечается место изгиба цоколя, срез кладки под опорными частями перемычек, перекос оконных и дверных проемов, изгиб (прогиб) оконных перемычек и поясов кладки под окнами (при наличии влияния сосредоточенных деформаций). Отмечается образование зазоров между цоколем и отмосткой, изменение раскрытия осадочных и деформационных швов, повреждение нащельников, закрывающих деформационные швы. Также проводится обследование правого, дворового и левого фасадов.
Замеры ширины раскрытия трещин в наружных стенах, во внутренних стенах и в стенах лестничной клетки проводится с помощью линейки, точность измерений 0,5 мм.
По выявленным местам расположения трещин, имеющих максимальное раскрытие на всех фасадах здания, устанавливают линии расположения максимальных структурных деформаций, которые будут совпадать с линиями рельефа земной поверхности.
Фотофиксацию проводят после зарисовки фасада. Фотографируется весь фасад, или частями, если не помещается в кадр, также фиксируются отдельные участки стен, цоколя, карнизов с максимальными повреждениями, осадочные и деформационные швы. Фотографирование здания, как и визуальное обследование, проводится начиная с главного фасада в определенном направлении (слева направо или наоборот).
После проведения визуального обследования здания производят инструментальные наблюдения за отклонением всех углов стен здания в уровне карниза в двух направлениях относительно низа в уровне цоколя здания путем проектирования верхних точек (карниза) теодолитом на горизонтально установленную в уровне цоколя здания рейку.
Крен стен здания определяют как отношение величины отклонения стены от вертикали к расстоянию между замерными точками [6]:
а
а
2,20
□ □ □ □: 7 ;□ □ □
□ п , I р
А А м 1 м
1,96 )
□
Щп
5 с д!
0,9-0,95
1.0
0,9
□ сРП □ □
О I /\1 и
_ $ П
0,62
2,24
Т 5 Ч1 122 {¡-¡0 1 )
зУ »
2.20
0\
1-20 - раскрытие трещин (2012 г., 2013 г.), мм; 1-22 - раскрытие трещин (2024 г.), мм; в - раскрытие трещин до 1 мм; а - дворовой фасад по ул. Ленина; б - дворовой фасад по ул. Чапаева; в - правый фасад
Рис. 1 - Повреждения в стенах дворовых фасадов жилого дома № 1 по ул. Ленина (г. Кировское)
н
РО
сл
К"
О ^
Р >н
СЛ
¡=ъ ^
2 к
ю1 ю1
ю ю
о о
ю ю ■4^
□
□ |Ощр до и о о
□ □□ □ о о у о
- - - ^ ' '
2,24
0,36
} 0.9
0.62
0,36
н н ^ тз Й '<
£ ё
О". ^ о > Р Д
о К
>-+5 ^
£ ^ Н -N
ю1 —'
ч»
"74 °
Ю
V»
К) О
ю
1-10 - раскрытие трещин (2012 г., 2013 г.), мм; 1-20 раскрытие трещин (2024 г.), мм; в - раскрытие трещин до 1 мм; а - главный фасад по ул. Ленина; б - главный фасад по ул. Чапаева; в левый фасад
Рис. 2 - Повреждения в стенах главных фасадов жилого дома № 1 по ул. Ленина (г. Кировское)
где а - величина смещения верхней точки стены здания в горизонтальной плоскости относительно нижней точки, мм;
Н - расстояние по вертикали между верхней и нижней замерными точками, равное высоте здания, м.
Результаты исследования. На основании проведенных исследований разработана новая методика определения технического состояния зданий в сложных горно-геологических условиях по их деформационному ресурсу, который выражается показателем суммарных А / деформаций зданий, функционально связанным с обобщенным деформационным критерием максимального раскрытия характерных трещин во внешних стенах и с учетом величины отклонения стен от вертикальной плоскости. По нормируемым значениям допустимого при условиях эксплуатации максимального раскрытия трещин [¿тах] определены нормативные допустимые показатели суммарных [А /д]н деформаций, характеризующих нормативный допустимый деформационный ресурс зданий различной этажности и назначения.
При ожидаемом воздействии деформаций земной поверхности на здания по результатам обследования определяют фактическое значение максимального раскрытия характерных трещин в наружных стенах зданий и вычисляют их остаточный деформационный ресурс (А /ост), который сравнивают с расчетными показателями деформаций зданий А / от прогнозируемого воздействия
1 ^ о 1 * 1
деформаций земной поверхности. Если остаточный деформационный ресурс зданий меньше расчетных показателей деформаций, то прогнозируемое влияние деформаций земной поверхности возможно только в случае предварительного применения мер защиты зданий. В то же время, как известно, во многих случаях здания в сложных горно-геологических условиях эксплуатируются с деформациями конструкций, которые превышают допустимые по ГСТУ [1]. Поэтому этим стандартом разрешено поэтапное применение мер защиты зданий в процессе воздействия на них деформаций земной поверхности по результатам инструментальных наблюдений, но никаких указаний по определению условий использования зданий с деформациями конструкций, которые
превышают допустимые при условиях эксплуатации, не содержит.
Учитывая реальное состояние существующей застройки в сложных горно-геологических условиях и в условиях сложной структуры рельефа, опираясь на имеющийся опыт, разработана новая классификация технического состояния зданий, которая, наряду с критерием допустимого в условиях эксплуатации воздействия деформаций земной поверхности на здания, содержит критерий предельного в условиях безопасности воздействия деформаций земной поверхности на здания. Под условиями безопасности понимают сохранение эксплуатационной пригодности здания при применении конструктивных мер защиты. Нормативный предельный показатель суммарных деформаций [А /п]н приведен в таблице 4.1 «Правила...» [7].
Предложенная классификация технического состояния зданий, эксплуатируемых при сложных горно-геологических условиях и в условиях сложной структуры рельефа, характеризуется четырьмя состояниями в зависимости от соотношения нормативного допустимого деформационного ресурса зданий и фактического остаточного деформационного ресурса зданий в условиях эксплуатации, прогнозируемого влияния деформаций земной поверхности на здания, нормативного предельного деформационного ресурса зданий и фактического остаточного деформационного ресурса зданий в условиях безопасности:
Состояние I (нормальное) - фактический остаточный деформационный ресурс здания в условиях эксплуатации равен нормативному допустимому ресурсу в условиях эксплуатации или меньше его и прогнозируемое влияние деформаций земной поверхности на здание не приводит к полному исчерпанию нормативного допустимого ресурса;
Состояние II (работоспособное) - фактический остаточный деформационный ресурс здания в условиях эксплуатации равен нормативному допустимому ресурсу в условиях эксплуатации или меньше его, а прогнозируемое влияние деформаций земной поверхности на здание приводит к полному исчерпанию нормативного допустимого ресурса, но остаточный деформационный ресурс здания в условиях безопасности составляет более 50 % от
нормативного предельного деформационного ресурса в условиях безопасности;
Состояние III (ограниченно-работоспособное) - фактический остаточный деформационный ресурс здания в условиях эксплуатации равен нормативному допустимому ресурсу в условиях эксплуатации или меньше его или полностью исчерпан и остаточный деформационный ресурс здания в условиях безопасности с учетом прогнозируемого влияния деформаций земной поверхности на здание составляет 50 % от нормативного предельного деформационного ресурса в условиях безопасности;
Состояние IV (аварийное) - фактический остаточный деформационный ресурс здания в условиях безопасности составляет менее 50 % от нормативного предельного деформационного ресурса в условиях безопасности.
На основе анализа результатов многочисленных многолетних наблюдений за деформациями зданий в зонах сдвижения земной поверхности, обусловленных подземной добычей угля, и в зонах подтопления над горными выработками шахт, которые ликвидируются, определены обобщенные деформационные критерии технического состояния зданий, которые могут свидетельствовать об опасности их дальнейшей эксплуатации:
- для жилых и общественных зданий в зонах сдвижения земной поверхности - максимальное раскрытие трещин в наружных стенах, отклонения от вертикали и перегиб наружных стен;
- для одноэтажных производственных зданий в зонах сдвижения земной поверхности - максимальное раскрытие трещин в наружных стенах, отклонения от вертикали наружных стен;
- для одноэтажных жилых домов в зонах подтопления -максимальное раскрытие трещин в наружных стенах и отклонение от вертикали наружных стен.
Были обработаны данные натурных наблюдений за деформированным состоянием жилых, общественных и производственных зданий, для которых исчерпывался деформационный ресурс в условиях эклуатации (359 зданий на территории ДНР и ЛНР).
Разработана методика определения предельных значений обобщенных деформационных критериев зданий в зонах сдвиже-
ния земной поверхности и подтопления, которая базируется на сопоставлении изменения условий эксплуатации зданий с соответствующими значениями обобщенных деформационных критериев по результатам длительных натурных наблюдений.
Получены фактические предельные значения обобщенных деформационных критериев жилых и общественных зданий в зонах сдвижения земной поверхности.
- раскрытие трещин в наружных стенах одноэтажных зданий - 45 мм, двух и трехэтажных зданий - 55 мм, четырех- и пятиэтажных зданий - 60 мм;
- отклонение от вертикали наружных стен одноэтажных зданий - 145 мм и двухэтажных зданий - 150 мм;
- местный перегиб по вертикали наружных стен одноэтажных зданий - 135 мм, двух- и трехэтажных зданий - 125 мм, четырех- и пятиэтажных зданий - 120 мм.
Нормативные предельные значения кренов многоэтажных бескаркасных зданий в соответствии с ДБН В.1.1-5-2000 [8] принимают равными 0,008.
Получено предельное значение обобщенного деформационного критерия одноэтажных производственных зданий в зонах сдвижения земной поверхности:
- раскрытие трещин в наружных стенах - 60 мм;
- отклонение от вертикали наружных стен зданий - 150 мм.
Получены предельные значения обобщенных деформационных критериев одноэтажных жилых домов в зонах подтопления:
- раскрытие трещин в наружных стенах - 40 мм;
- отклонение наружных стен от вертикали - 165 мм.
Определены нормативные допустимые и предельные показатели суммарных деформаций и отклонений от вертикали (кренов) стен зданий в зонах сдвижения земной поверхности, которые характеризуют нормативный допустимый и предельный деформационный ресурс.
Установленные при обследовании технические состояния зданий (состояние I, состояние II, состояние III, состояние IV) позволяют разработать конструктивные меры защиты подработанных зданий в условиях сложной структуры рельефа поверхности [9]-[11].
Учет полученных при обследовании зданий данных по расположению линий максимальных структурных деформаций позволяет разработать локальные меры защиты подработанных зданий в условиях сложной структуры рельефа поверхности.
Заключение. На основании проведенных исследований разработана новая методика определения технического состояния зданий в сложных горно-геологических условиях по их деформационному ресурсу. Предложена новая классификация технического состояния зданий в сложных горно-геологических условиях, которая характеризуется четырьмя состояниями в зависимости от соотношения нормативного допустимого деформационного ресурса зданий и фактического остаточного деформационного ресурса зданий по условиям эксплуатации; прогнозируемого влияния деформаций земной поверхности на здания; нормативного предельного деформационного ресурса зданий и фактического остаточного деформационного ресурса зданий по условиям безопасности.
Определены обобщенные деформационные критерии технического состояния для жилых и общественных и производственных зданий в зонах сдвижения земной поверхности, которые могут свидетельствовать об опасности их дальнейшей эксплуатации. Получены фактические предельные значения обобщенных деформационных критериев жилых, общественных и одноэтажных производственных зданий в зонах сдвижения земной поверхности и для одноэтажных жилых домов в зонах подтопления.
Новая классификация технического состояния зданий и установленные при обследовании зданий линии структурных деформаций для зданий, расположенных на склонах мезорельефа, позволяют разработать комплекс конструктивных и локальных мер защиты подработанных зданий в условиях сложной структуры рельефа.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы БЯ8Я 2023-0002 «Разработка геомеханических основ защиты объектов поверхности в условиях сложной структуры рельефа подрабатываемых территорий и исследование формирования зон интенсивных деформа-цийгорного 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.
2. СНиП II-A. 14-71. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях [Текст]. - Введ. 01.02.1972. - М., 1972. - 14 с.
3. Грищенков , Н . Н . Прогноз деформаций земной поверхности на подрабатываемых территориях с учетом мезорельефа [Текст] / Н. Н. Грищенков, Е. В. Блинникова // Маркшейдерский вестник: науч.-техн. произв. журнал. - Москва: ОАО Гипроцвет-мет, 2013. - № 4. - С. 29-31.
4. Иванова, Л. А. Влияние мезорельефа на деформации земной поверхности при подработке города Кировское [Текст] / Л. А. Иванова, Ф. М. Голубев, Н. С. Федосова // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2023. - № 23 (38). - С. 27-35.
5. Иванова, Л. А. Анализ деформированного состояния зданий при подработке на склонах мезорельефа [Текст] / Л. А. Иванова, В. П. Сажнев // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. -Донецк, 2024. - № 3 (41). - Т. 2. - С. 34-46.
6. Сушко, Е. Т. Методика определения размеров трещин и смещений на недоступных для измерения участках строительных конструкций зданий и сооружений [Текст] / Е. Т. Сушко,
B. П. Сажнев, Р. Е. Сушко, И. А. Украинский, Е. А. Ялпута // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2024. - № 3 (41). -Т. 2. - С. 9-17.
7. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях [Текст]. - Введ. 1979-12-29. - М.: Недра, 1981. -288 с.
8. ДБН В.1.1-5-2000. Часть I Здания и сооружения на подрабатываемых территориях [Текст]. - Введ. 01.07.2000. - К., 2000. - 65 с.
9. Грищенков, Н. Н. Анализ применения конструктивных мер защиты зданий и сооружений от влияния горных работ [Текст] / Н. Н. Грищенков, Л. А. Иванова, Т. И. Рахманова // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2024. - № 1 (39). -
C. 94-109.
10. Грищенков, Н. Н. Конструктивные меры повышения ресурса безопасной эксплуатации жилых и гражданских зданий на подрабатываемых территориях угольных месторождений [Текст] / Н. Н. Грищенков, В. Р. Шнеер, Е. В. Блинникова, Т. И. Рахманова, С. С. Стельмах // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2015. - № 15. - С. 168-179.
11. Голубев, Ф. М. Систематизация конструктивных мер защиты жилых и общественных зданий от влияния горных работ [Текст] / Ф. М. Голубев, Л. А. Иванова, Т. И. Рахманова // Инновационные перспективы Донбасса: сб. материалов конф. -Донецк, 2024. - Т. 6. - С. 49-53.
Грищенков Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Иванова Лариса Александровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Рахманова Татьяна Ивановна, старший научный сотрудник отдела сдвижения земной поверхности и защиты подрабатываемых объектов, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Сушко Евгений Тихонович, кандидат технических наук, ведущий 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].
ASSESSMENT OF BUILDINGS TECHNICAL CONDITION ON THE UNDERWORKED SLOPES OF THE MESORELIEF
Based on the generalization and analysis of available data, a new classification of the technical condition of damaged buildings (states I-IV) is proposed, depending on the ratio of the normative and actual values of the permissible and
maximum resources of buildings for operating conditions and safety. Limit values of deformation criteria are established, which allow the development of structural and local protective measures in conditions of a complex relief structure.
Key words: technical condition of buildings, underworked slopes of mesorelief.
Grishchenkov Nikolai Nikolaevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Displacement of the Earth's Surface and Protection of Undermined Objects, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Ivanova Larisa Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of the Department of Displacement of the Earth's Surface and Protection of Undermined Objects, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Rakhmanova Tatiana Ivanovna, Senior Researcher of the Department of Displacement of the Earth's Surface and Protection of Undermined Objects, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
Sushko Evgenii Tikhonovich, Candidate of Technical Sciences, Leading 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, Candidate of Technical 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].
