на подрабатываемой территории

Добыча полезных ископаемых подземным способом сопровождается смещением в образовавшуюся при подработке полость покрывающих ее пород, а на земной поверхности при этом образуется чашеобразная впадина – мульда сдвижения. Когда мульда сдвижения развивается в пределах застроенных территорий или участков строительства, происходит смещение фундаментов зданий и сооружений, приводящее к появлению значительных по величине дополнительных усилий в элементах надземных конструкций. Поэтому основания и фундаменты на подрабатываемых территориях должны проектироваться с учетом их совместной работы с сооружением, обусловленной неравномерными оседанием земной поверхности, которое сопровождается горизонтальными деформациями сдвигающегося грунта.

При проектировании фундамента оценивают основные параметры деформаций поверхности земли в связи со сдвижением пород, величины которых зависят от ряда факторов: толщины пласта m, угла падения α, глубины разработки Н, размеров выработки вдоль и в крест простирания пласта D ₁ и D ₂, толщины наносов, физико-механических свойств пород и т.д. (рис.). В зависимости от глубины разработки деформации земной поверхности могут проявляться в виде провалов в случае выемки на небольших глубинах (Н/т < 15), уступов и трещин при выемке крутопадающих пластов (α < 45º). В некоторых случаях происходят деформации поверхности в виде плавных оседаний.

В соответствии с требованиями СНиП по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях устанавливают следующие характеристики деформации земной поверхности: кривые оседания η, наклонов i, относительных горизонтальных деформаций ε, кривизны k и горизонтальных сдвижений ξ.

Относительные горизонтальные деформации ± ε, вследствие трения и сцепления фундаментов с грунтом, вызывают в конструкциях растяжение и сжатие, изгиб и скашивание; кривизна мульды k – прогиб и выгиб конструкции здания; наклон i – их крен. Деформации земной поверхности, вызванные горными выработками, являются причиной дополнительных нагрузок на конструкции сооружений, которые относят к категории особых воздействий. Неравномерные оседания земной поверхности вызывают изгиб здания, наклоны – его крен, горизонтальные деформации (при взаимодействии грунта с подземной частью здания) – продольные усилия в конструкциях, изгибающие моменты и поперечные силы.

Для зданий и сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях, должны применяться фундаменты следующих конструктивных схем (рис.,):

1) жесткий (фундаменты плитные, ленточные сборные с железобетонными поясами, монолитные железобетонные ленточные и из перекрещивающихся лент, столбчатые со связями-распорками между ними и др.);

2) податливый (фундаменты с горизонтальными швами скольжения между отдельными элементами, имеющие возможность наклоняться при горизонтальном перемещении грунта);

3) комбинированный (жесткие фундаменты, имеющие шов скольжения ниже уровня планировки или пола подвала).

Та или иная конструктивная схема фундамента должна приниматься в зависимости от расчетных деформаций земной поверхности, жесткости надфундаментных конструкций, деформируемости грунтов основания и др. Следует отметить, что для зданий повышенной этажности и башенного типа применение наклоняющихся фундаментов не допускается.

Расчет фундаментов по жесткой конструктивной схеме производится из условия обеспечения прочности всех несущих элементов конструкций подземной и надземной частей сооружения (т.е. по I группе предельных состояний) с учетом дополнительных усилий, вызванных относительными горизонтальными деформациями земной поверхности (растяжения и сжатия) в направлении как продольной, так и поперечной осей здания и сооружения. Суммарные горизонтальные нагрузки определяются по формуле

N = 0,8·(N _T + N _б + N _Tn + N _Д), (9.1)

где N _T и N _Tn – соответственно нагрузки, вызванные силами трения сдвигающегося грунта в продольном направлении по подошве рассчитываемого фундамента (N _T) и по подошве фундаментов, примыкающих к нему, и передающиеся на рассчитываемый фундамент (N _Tn);

N _б – нагрузки, вызванные силами трения грунта по боковым поверхностям контакта рассчитываемого фундамента с грунтом;

N _Д – нагрузки, вызванные нормальным давлением сдвигающегося грунта на фундаменты, примыкающие к рассчитываемому;

0,8 – коэффициент, учитывающий особое сочетание нагрузки.

Фундаменты податливой конструктивной схемы при воздействии горизонтальных деформаций грунта рассчитывают на нагрузки и усилия в зависимости от типа податливости:

а) при I типе податливости, когда фундаменты имеют возможность смещаться по шву скольжения, - на силы трения, возникающие в шве скольжения, действующие в направлении продольной (или поперечной) оси здания, и силы трения по шву скольжения примыкающих стен, действующие в поперечном направлении относительно этих стен;

б) при II типе податливости, когда фундаменты имеют возможность наклоняться, - на нагрузки трения по шву скольжения в направлении оси здания, бокового давления грунта на наклоняющиеся фундаменты и нагрузки, возникающие в элементах пояса под примыкающими стенами от наклона фундамента вследствие эксцентричной передачи на него вертикальной нагрузки.

При перемещении наклоняющихся фундаментов предусматриваются меры по обеспечению местной устойчивости элементов фундамента и общей устойчивости сооружения в целом. Швы скольжения и наклоняющиеся фундаменты, обеспечивая достаточно свободное смещение фундаментов относительно надфундаментной конструкции, позволяют снизить усилия в несущих элементах конструкций сооружения при сдвижениях основания.

Несущие жесткие фундаментные плиты рассчитывают на растяжение под воздействием деформаций земной поверхности в продольном и поперечном направлениях здания. Толщина плиты определяется по расчету на вертикальные нагрузки. Гибкие железобетонные плиты, устраиваемые на уровне пола подвала, рассчитывают на растяжение и сжатие в указанных направлениях на различных расчетных участках. Податливые фундаменты типа I рассчитываются на продольное суммарное усилие растяжения или сжатия, указанное выше, а II типа, - кроме того, и на внецентренное сжатие с учетом эксцентриситетов вертикальных нагрузок в верху и в низу наклоняющегося фундамента.

Расчетные значения прочностных характеристик грунта для определения усилий, действующих на фундаменты в результате деформаций земной поверхности, принимают равными нормативным. Значение модуля деформации грунта в горизонтальном направлении E_h допускается принимать равным 0,5 для глинистых грунтов и 0,65 – для песчаных грунтов от значения модуля деформации в вертикальном направлении E. Расчетные сопротивления грунтов основания R определяют по формуле (5.5) СП 50-102-2004 с коэффициентом γ_{с 2} > 1 для жесткой конструктивной схемы сооружений, в которых помимо поэтажных поясов жесткости предусмотрен также фундаментный пояс; в остальных случаях - γ_{с 2} = 1.

Краевое давление на грунт под подошвой фундаментов, в том числе плитных, вычисляют с учетом дополнительных моментов, вызванных деформациями земной поверхности при подработке. Краевое давление не должно превышать 1,4 R и в угловой точке - 1,5 R, а равнодействующая нагрузок не должна выходить за пределы ядра сечения подошвы фундамента.

Расчет деформаций оснований допускается не производить при привязке некоторых типов проектов (СП 50-102-2004), а также если конструкции сооружений проектируют с учетом неравномерного оседания земной поверхности. На площадках, сложенных просадочными грунтами, конструкции сооружений рассчитывают с учетом возможного совместного воздействия на них деформаций от подработок и от просадок грунтов.

При проектировании свайных фундаментов учитывают воздействия, вызванные горизонтальным перемещением грунта. Возникающие опорные реакции в головах свай в виде горизонтальных сил и изгибающих моментов передаются на ростверк, который помимо распределения вертикальных нагрузок на сваи дополнительно работает в горизонтальной плоскости, как фундаментный железобетонный пояс.

В зависимости от схемы сопряжения головы сваи с низким ростверком допускается следующее горизонтальное перемещение свай: при жесткой заделке – до 2 см; при условно-шарнирном сопряжении – 5 см; при шве скольжения – до 8 см. Помимо горизонтальных деформаций земной поверхности на свайные фундаменты воздействуют наклоны поверхности земли от горных выработок. Сваи на подрабатываемых территориях должны рассчитываться с учетом усилий, вызванных указанными деформациями земной поверхности.

Для уменьшения неблагоприятных воздействий деформаций земной поверхности на фундаменты и конструкции сооружений помимо уже указанных выше конструктивных мероприятий возможно осуществить следующие меры: разрезку сооружений на отсеки; размещение фундаментов на одном уровне; устройство грунтовых подушек на основаниях, сложенных практически несжимаемыми грунтами; выполнение подушек из материалов, обладающих малым сцеплением и трением на контакте с поверхностью фундаментов; выполнение временных компенсационных траншей по периметру здания или сооружения или только в местах наибольших горизонтальных перемещений грунта.

В некоторых случаях следует предусматривать возможность выравнивания здания с помощью гидравлических домкратов. Для снижения деформации земной поверхности могут применяться горнотехнические защитные мероприятия, включающие закладку выработанного пространства породой, применение специальных способов отработки пластов. При выборе мероприятий следует учесть, что в процессе активной стадии подработки осуществляются систематические наблюдения за состоянием конструкций. Так как нарастание деформаций земной поверхности является относительно медленным процессом, деформации недостаточно прочных элементов конструкций не могут произойти неожиданно и привести к аварийному состоянию здания в целом.