Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

или поперечной оси сооружения, испытывающей действие нагрузки, возра­

Таким образом, сжимающая или растягивающая нагрузка от сил трения воз­ растает с увеличением длины I фундамента в направлении сдвижений грунта. В связи с этим при строительстве в районах горных разработок здания и соору­ жения вытянутой формы разбивают на отсеки. При некотором неизменном весе сооружения, однако, безразлично с точки зрения максимального дефор­ мирующего усилия FR шах, будет ли данное сооружение иметь большую высоту при малой площади основания или, наоборот, малую высоту при большой площади, поскольку суммарные силы трения [см. выражение (387)] не зависят от площади опорной поверхности. При превышении предела прочности мате­ риала фундамента (из однородного материала) на растяжение или сжатие его разрушение должно произойти в середине сооружения, если в фундаменте нет

Относительное смещение между нагруженным до в/ шах фундаментом н грунтом, испытывающим равномерное сжатие или растяжение на величину е.. возрастает к концам фундамента до

1 В Советском Союзе силы трения но подошве фундаментов подрабатываемого соору жения определяются в зависимости от горизонтальных деформации земной поверхности и сопротивления грунта основания на сдвиг [489] (примеч. отв. ред.).

Рис. 197.

К примеру расчета смещений четырехэтажного здания:

а — план здания и действую щ ие на стенку фундамента силы, обусловленные деформациями грунта о сн о ­ вания; б — боковое давление грунта на стенку фундамента Ер при увеличении в 2 раза оседания и кривизны

земной поверхности (поперечный разрез):

1 — эпюра сил трения на поверхности плиты; 2 — эпю р? сил трения по подош ве фундамента стены; з — фун­ дамент; Е0 — давление п окоя; а,, а2 — уплотнение грунта

На рис. 197 показан пример расчета смещений построенного на подрабаты­ ваемой территории четырехэтажного здания длиной 50 м и шириной 15 м, фундамент которого заложен на глубину 2 м, при р, = 0,65 и у = 1,8 тс/м3. Боковое давление грунта при отсутствии деформаций земной поверхности

поперек продольной оси здания составит Ео = у yh2Xo = 18кН/м, а пере­

даваемая на продольную стенку фундамента и возрастающая к середине этой

Таким образом, общая максимальная сила трения по поверхностям двух стенок фундамента, действующая на здание в середине его фундамента, составит 586 кН.

К этой нагрузке добавится сила трения по подошве фундаментной плиты площадью 750 м2. Если принять, что каждый этаж здания создает нагрузку на основание, равную 10 кН/м2, а фундаментная плита толщиной 15 см еще

^ 1 0 500 кН. Таким образом, сила трения по обеим стенкам фундамента высо­ той 2 м будет весьма мала по сравнению с силой трения по подошве фундамента (в данном случае 6%). Следует обратить внимание на то, что при большой толщине фундаментной плиты давление на основание в краевой зоне плиты в 4 раза больше вычисленного среднего давления по ее поперечному сечению.

Силы трения по подошве фундаментной плиты вызовут в середине здания упругую горизонтальную деформацию

Причем вместо S должна быть подставлена отнесенная к бетону эквивалентная площадь сечения фундамента (здесь имеющего толщину 15 см), включая про­ дольные стенки фундаментов и перекрытие (здесь дополнительно всего толщи­ ной 15 см), т. е. площадь сечения стальной арматуры должна быть в соответ­ ствии с модулями упругости бетона и стали умножена на 10. Полная длина фундамента вследствие деформации изменится на AZ = Z/2e/mnx = 25-0,1 -- = 2,5 мм.

Для сравнения была вычислена линейная деформация фундамента, обусло­ вленная боковым давлением грунта, которая оказалась равной ДI = 2Epl/ES — = 2 •2080 •5000/2500 •45000 = 1,88 мм. Относительная величина такой дополни­ тельной и равномерно распределенной деформации, равная 1,88 : 50^0,04 мм/м, является для сжатия фундамента настолько незначительной, что ее можно в расчет не принимать, даже не учитывая, что вследствие сопротивления трения 645 кН/м и сцепления, примерно равного 10 кН/м2 (для глины), давление грун­ та может действовать как деформирующее усилие не по всей длине фундамента, а главным образом на его стенки, вызывая их изгиб.

Конец здания при горизонтальной деформации грунта es = 0,45 мм/м переместится на величину иХОТИ= I/2 (es — l/2e/max = 25 (0,45—1/2 0,1) = = 10 мм. В данном случае боковое давление грунта не достигло бы максималь­ ного значения Ер (ихотн > 10 см).

Расчеты показывают, что для тяжелых строительных сооружений большой длины, построенных в зоне влияния подземных разработок, силы трения пре­ вышают боковое давление грунта и горизонтальные деформации сооружения отстают от деформаций растяжения или сжатия грунта. В то время как пассив­ ное давление грунта, действующее извне, стремится вдавить стенки фундамента внутрь, сила трения действует в направлении сдвижения грунта по всей длине фундамента. При этом деформирующее усилие возрастает к середине подраба­ тываемого сооружения, и поэтому разрушение фундамента начинается с сере­ дины.

В заключение необходимо обратить внимание на одно теоретическое огра­ ничение. При расчете силы трения и относительного смещения для упрощения было принято, что горизонтальные смещения и деформации основания соору­ жения равны смещениям и деформациям, полученным, при расчете сдвижепий земной поверхности, без учета нагрузки от веса сооружения, действующей на грунт основания. Фактически заложенный в грунт фундамент представляет собой как бы внедренное в породную толщу и н о р о д н о е т е л о , сопро­ тивляющееся давлению грунта на его лобовые стенки и препятствующее пере­ мещению частиц грунта под его подошвой вследствие касательных сил трепня

я сцепления и увеличенного нормального давления на грунт. В этом проявля­ ется реакция сооружения на усилия, обусловленные деформациями грунта. Силам трения, передающимся на сооружения вдоль всей поверхности сдвига под фундаментной плитой, противодействуют равные им по величине, но про­ тивоположно направленные касательные напряжения % в грунте, которые -в пределах зоны своего влияния тормозят развитие сдвижений и деформаций грунта. Неучет этих сил реакции деформирующегося сооружения, воздейству­ ющих на грунт, приводит к тому, что при расчете сил трения и давления грунта исходят из завышенных горизонтальных деформации растяжения или сжатия грунта и относительных смещений, что, однако, при учете других принятых допущений не имеет особо важного значения с точки зрения оценки деформи­ рующих усилий, так как приводит только к некоторому завышению запаса надежности.

11.5.

Измепение отпора грунта вследствие искривления земной поверхности

Перед сооружением фундамента грунт, служащий основанием сооружения, выравнивается и покрывается слоем песка или гравия. Если впоследствии ллоскостьдоснования деформируется под влиянием горных работ, то возника­ ющие при этом усилия передаются сооружению частью непосредственно — в виде давления грунта и сил трения, частью косвенно — в виде изгибающих усилий, обусловленных искривлением земной поверхности. При возникновении кривизны выпуклости или вогнутости происходит провисание или консолирование отдельных участков фундамента, теряющих при этом опору (см. рис. 187); нагрузка на основание от таких утративших опору частей фундамента полностью или частично передается другими его частями, еще опирающимися на основание, прибавляясь к уже действовавшим там ранее нагрузкам. Такое перераспределение нагрузок действует на сооружение как изгибающая на­ грузка и приводит к перераспределению отпора грунта в опорной плоскости фундамента. Вследствие этого прежде всего в разрыхленном грунте в области растяжения может произойти дополнительная осадка пригруженных участков фундамента, а также могут образоваться трещины в грунте основания. По­ этому для многих зданий и сооружений кривизна земной поверхности является весьма важной причиной повреждений при подработке.

Строительные конструкции, как правило, не являются настолько податли­ выми, чтобы их несущие конструктивные элементы при искривлении основания не испытывали перегрузок, или же настолько жесткими, чтобы изменения от­ пора грунта не могли повлиять на прочность сооружения. Однако, как показы­ вает опыт, подрабатываемые сооружения могут перенести незначительное ис­ кривление земной поверхности без повреждений. Поэтому для специалистов, занимающихся вопросами сдвижения горных пород, представляют интерес допу­ стимые для данного здания или сооружения разности оседаний или искривлений.

Обработка результатов наблюдений за осадками большого числа (более 100) зда­ ний на территории, не подверженной влиянию горных разработок [406], показала, что видимые трещины в кирпичных стенах появляются при радиусе кривизны равном 1 км, что соответствует стреле прогиба в 2 см на длине 12 м (см. рис. 140) При испытаниях на изгиб кирпичных стен жилых домов, возведенных на нераз­ резных балках, образование трещин с раскрытием более 1 мм было отмечено при кривизне вогнутости при радиусе г = 5 км, а при кривизне выпуклости при радиусе г = 10 км [335]. Таким образом, для кирпичного здания длиной L вызванное оседанием искривление земной поверхности не будет представлять опасности, если радиус кривизны р > 500L.

Чтобы иметь возможность судить о воздействии искривления земной поверхности на подрабатываемое сооружение, необходимо определить отпор грунта под подошвой фундаментов, а также величину врезания сооружения в грунт при его искривлении. Если известно давление q на грунт основания, то о с а д к у фундамента можно определить с помощью или коэффициента жесткости грунта Es = q : Ah/h, для песчаного грунта колеблющегося от 3 до 10 кН/см2, или коэффициента постели cb = q : vz, представляющего собой при­

жесткости основания. По гипотезе коэффициента постели осадка сооружения v? пропорциональна давлению на грунт основания q в любом месте фундамента (рис. 198, а), т. е.

Расчет на основе гипотезы коэффициента постели обеспечивает достаточ­ ную точность для фундаментов большой длины, заложенных в слое податли­ вого грунта небольшой мощности. При расчете методом к о э ф ф и ц и е н т а ж е с т к о с т и учитывается взаимное наложение полей напряжений от со­ седних нагрузок [166]. Фундамент в продольном и поперечном направлениях разбивается на десять равных частей и принимается, что это части опираются на воображаемые податливые опоры (в грунте), оседания которых могут быть определены исходя иэ жесткости системы «сооружение — грунт» и из взаим­ ного наложения сжимающих напряжений (рис. 198, б), как это делается при расчете балок на упругом основании по уравнению (16). Таким образом, напря­ жения в основании жесткого сооружения все более смещаются к кромке фунда­ мента, так что изгибающая нагрузка на сооружение будет тем больше, чем больше толщина слоя грунта в основании сооружения и чем этот грунт подат­