Jerzy Kwiatek Obiekty budowlane na terenach górniczych Wydanie II zmienione i rozszerzone GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Katowice 2007
SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH POJĘĆ... 13 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 18 1. WPROWADZENIE... 21 Literatura... 24 2. PROBLEMY OCHRONY OBIEKTÓW BUDOWLANYCH NA TERENACH GÓRNICZYCH... 25 2.1. Wpływ eksploatacji górniczej na powierzchnię... 25 2.2. Teren górniczy... 26 2.3. Wpływ eksploatacji górniczej na obiekty budowlane... 27 2.4. Społeczno-ekonomiczne aspekty eksploatacji górniczej... 30 Literatura... 31 3. DEFORMACJE POWIERZCHNI... 33 3.1. Opis deformacji powierzchni... 33 3.1.1. Kształtowanie się deformacji górotworu... 33 3.1.2. Charakterystyka deformacji powierzchni... 34 3.1.2.1. Opis przemieszczeń powierzchni... 34 3.1.2.2. Elementy kształtujące deformacje powierzchni... 35 3.1.2.3. Płaski stan deformacji powierzchni... 39 3.1.2.4. Deformacje przypowierzchniowej warstwy górotworu... 40 3.1.2.5. Terenowa weryfikacja wskaźników deformacji powierzchni... 40 3.1.2.6. Rozproszenie wskaźników deformacji powierzchni... 41 3.1.2.7. Kategorie terenów górniczych... 48 3.2. Ustalone deformacje powierzchni... 49 3.2.1. Zależności ogólne... 49 3.2.2. Elementy teorii Knothego... 51 3.2.2.1. Krzywa wpływów... 51 3.2.2.2. Wskaźniki deformacji dla nieskończonej półpłaszczyzny... 52 3.2.3. Uwzględnienie ugięcia stropu... 54 3.2.3.1. Obrzeże eksploatacyjne... 54 3.2.3.2. Wskaźniki deformacji powierzchni... 57 3.3. Wpływ prędkości eksploatacji na deformacje powierzchni... 64 3.3.1. Koncepcja reologicznego modelu deformacji powierzchni... 64 3.3.1.1. Zależności ogólne... 64 3.3.1.2. Trójkąt wpływów... 66 3.3.1.3. Zastosowanie modeli reologicznych... 67 3.3.1.4. Pozorne opóźnienie wpływów eksploatacji... 70 3.3.2. Dwuelementowy szeregowy model Kelvina... 72 3.3.2.1. Obniżenia i krzywizny powierzchni... 72 3.3.2.2. Przykład opisu deformacji powierzchni... 77 3.3.2.3. Przerwy eksploatacyjne... 81 3.3.2.4. Możliwości uproszczenia modelu... 84 Literatura... 85 7
4. GEOTECHNICZNE PROBLEMY PODŁOŻA GÓRNICZEGO... 89 4.1. Stan naprężenia w przypowierzchniowej warstwie gruntu... 89 4.1.1. Zależności ogólne... 89 4.1.2. Stan naprężenia w warstwie niespoistej... 92 4.1.2.1. Warstwa poziomo rozluźniana... 92 4.1.2.2. Warstwa poziomo zagęszczana... 94 4.1.3. Stan naprężenia w warstwie spoistej... 95 4.1.3.1. Warstwa poziomo rozluźniana... 95 4.1.3.2. Warstwa poziomo zagęszczana... 96 4.1.4. Nieciągłe odkształcenia warstwy... 96 4.2. Oddziaływanie górniczych deformacji podłoża na obiekt... 98 4.3. Wpływ poziomych odkształceń podłoża na obiekt... 101 4.3.1. Naprężenia styczne pod fundamentami... 101 4.3.1.1. Uwagi wstępne... 101 4.3.1.2. Fundamenty płytowe... 102 4.3.1.3. Fundamenty ławowe... 109 4.3.1.4. Fundament na cienkiej warstwie gruntu... 111 4.3.2. Parcie gruntu na fundamenty obiektów... 114 4.3.2.1. Parcie przy rozluźnianiu warstwy gruntu... 114 4.3.2.2. Parcie przy zagęszczaniu warstwy gruntu... 115 4.3.3. Nośność podłoża poziomo rozluźnianego... 117 4.3.3.1. Chwilowa utrata nośności... 117 4.3.3.2. Trwała utrata nośności... 118 4.3.4. Dwukierunkowy wpływ jednokierunkowych odkształceń podłoża na obiekt... 119 4.3.5. Obiekt budowlany na podłożu o dużym poziomym rozluźnieniu... 120 4.4. Wpływ nachyleń podłoża na obiekt... 122 4.5. Wpływ krzywizn podłoża na obiekt... 123 4.5.1. Informacje wprowadzające... 123 4.5.2. Obiekt na podłożu Winklera... 124 4.5.2.1. Zależności podstawowe... 124 4.5.2.2. Znamię podłoża... 126 4.5.2.3. Obiekt odkształcalny... 128 4.5.3. Obiekt na zmodyfikowanym podłożu Winklera... 131 4.5.3.1. Definicja modelu... 131 4.5.3.2. Współczynniki niesprężystości podłoża... 132 4.5.3.3. Przykład zastosowań... 133 4.5.4. Zastępczy rozkład oddziaływań... 137 Literatura... 140 5. REOLOGICZNE ASPEKTY WSPÓŁDZIAŁANIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH Z PODŁOŻEM GÓRNICZYM... 143 5.1. Wprowadzenie... 143 5.2. Uproszczone kształtowanie się krzywizn i poziomych odkształceń powierzchni w czasie... 145 5.3. Reologiczne właściwości współdziałających ze sobą ośrodków... 147 8
5.3.1. Zależności dla modeli reologicznych... 147 5.3.1.1. Dane ogólne... 147 5.3.1.2. Modele ciał Zenera i Kisiela... 149 5.3.2. Podłoże gruntowe... 152 5.3.3. Beton i mur z cegły... 155 5.4. Oddziaływania między obiektami a podłożem zakrzywionym... 157 5.4.1. Monotoniczne zakrzywianie podłoża... 157 5.4.2. Pełna niecka obniżeniowa... 160 5.4.3. Natychmiastowe zakrzywienie podłoża... 162 5.5. Sumowanie wpływów eksploatacji wielokrotnych... 164 5.5.1. Eksploatacja do trwałej krawędzi... 164 5.5.2. Efektywne krzywizny powierzchni... 166 5.6. Równoważne krzywizny powierzchni... 168 5.7. Wpływ prędkości eksploatacji na obiekty... 171 5.7.1. Naprężenia w konstrukcji obiektów... 171 5.7.2. Zastępcze krzywizny i poziome odkształcenia powierzchni... 171 5.7.3. Eksploatacja ze zmienną prędkością... 173 5.8. Działanie obiektu na podłoże górnicze... 175 5.8.1. Naprężenia w podłożu... 175 5.8.2. Strefy plastyczne... 177 5.8.3. Obciążenie krytyczne... 179 5.9. Podłoże gruntowe nawodnione... 181 Literatura... 184 6. OGÓLNE WYMAGANIA STAWIANE OBIEKTOM BUDOWLANYM NA PODŁOŻU O CIĄGŁYCH DEFORMACJACH... 187 6.1. Wymagania formalne... 187 6.2. Obliczeniowe kombinacje obciążeń... 189 6.3. Odporność obiektów na ciągłe deformacje podłoża... 191 6.4. Prognozowane deformacje powierzchni... 194 6.4.1. Rodzaje prognoz deformacji... 194 6.4.2. Przydatność terenów górniczych do zabudowy... 196 6.5. Ocena bezpieczeństwa konstrukcji... 197 6.5.1. Metoda probabilistyczna... 197 6.5.1.1. Podstawy metody... 197 6.5.1.2. Stopień wykorzystania odporności obiektu... 200 6.5.1.3. Współczynniki zmienności oddziaływań i odporności... 202 6.5.2. Wskaźniki niezawodności... 203 6.5.3. Metoda częściowych współczynników bezpieczeństwa... 205 6.5.3.1. Podstawy metody... 205 6.5.3.2. Obiekty na terenach o ciągłych deformacjach powierzchni... 206 6.5.4. Charakterystyczne wartości oddziaływań górniczych... 211 6.6. Użytkowalność obiektów... 213 6.6.1. Ujęcie ogólne... 213 6.6.1.1. Uciążliwość użytkowania obiektów... 213 6.6.1.2. Sprawdzanie stanów granicznych użytkowalności... 214 9
6.6.2. Budynki... 216 6.6.2.1. Stopnie uciążliwości... 216 6.6.2.2. Punktowa metoda oceny uciążliwości... 217 6.7. Elementy konstruowania obiektów budowlanych... 221 6.7.1. Odkształcalność obiektów... 221 6.7.2. Przerwy dylatacyjne... 223 6.7.2.1. Szerokość przerw dylatacyjnych... 223 6.7.2.2. Ujęcie probabilistyczne... 226 6.8. Obiekty o dużej długości... 229 Literatura... 231 7. WYBRANE ZAGADNIENIA WPŁYWU EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ NA OBIEKTY BUDOWLANE... 233 7.1. Parcie gruntu na obiekty... 233 7.1.1. Ściany oporowe... 233 7.1.2. Obiekty tunelowe... 235 7.1.3. Szyby... 236 7.1.3.1. Poziome zagęszczanie gruntu... 236 7.1.3.2. Poziome rozluźnianie gruntu... 239 7.1.4. Rurociągi... 240 7.1.4.1. Rurociągi nieodkształcalne... 240 7.1.4.2. Rurociągi odkształcalne... 243 7.2. Obiekty liniowe... 244 7.2.1. Obiekty liniowe o konstrukcji ciągłej... 244 7.2.1.1. Ogólna charakterystyka współdziałania obiektów z podłożem... 244 7.2.1.2. Siły styczne i osiowe... 245 7.2.1.3. Przybliżone wartości sił osiowych... 249 7.2.1.4. Wpływ stopnia terenowego na rurociąg... 251 7.2.2. Rurociągi odcinkowe... 254 7.2.2.1. Podział rurociągów na odcinki... 254 7.2.2.2. Bloki oporowe... 255 7.2.2.3. Siły osiowe w rurociągach odcinkowych... 258 7.2.2.4. Momenty zginające i siły poprzeczne... 259 7.3. Budynki... 261 7.3.1. Siły rozciągające i poziomo zginające fundamenty ławowe... 261 7.3.1.1. Poziome rozluźnianie podłoża... 261 7.3.1.2. Poziome zagęszczanie podłoża... 263 7.3.1.3. Dowolny kierunek poziomych odkształceń podłoża... 264 7.3.1.4. Losowe rozproszenie wartości parametrów geotechnicznych... 264 7.3.2. Oddziaływania krzywizn podłoża na budynki... 265 7.3.3. Szkodliwość krzywizn podłoża dla budynków... 267 7.3.3.1. Udział krzywizn podłoża w uszkadzeniach budynków... 267 7.3.3.2. Metoda odchylenia kątowego szkodliwości krzywizn... 269 7.3.4. Odporność budynków na krzywizny podłoża... 272 7.3.4.1. Odporność pojedynczego muru budynku... 272 7.3.4.2. Uwzględnienie odcinka muru poprzecznego... 274 7.3.4.3. Parametry uzyskanego rozwiązania... 277 7.3.4.4. Przykład... 282 10
7.3.5. Probabilistyczna ocena wpływu krzywizn podłoża na budynki... 284 7.3.5.1. Współczynniki zmienności odporności budynków na krzywizny podłoża... 284 7.3.5.2. Współczynniki zmienności krzywizn powierzchni... 287 7.3.5.3. Niezawodność budynków na podłożu podlegającym zakrzywieniu 288 Literatura... 291 8. ZJAWISKA NIECIĄGŁE W GÓRNICZYCH DEFORMACJACH POWIERZCHNI... 293 8.1. Charakterystyka deformacji górotworu i powierzchni... 293 8.2. Deformacje o małej nieciągłości... 294 8.2.1. Nieciągłość względem czasu... 294 8.2.2. Nieciągłość względem położenia punktów na powierzchni... 297 8.3. Deformacje o dużej nieciągłości... 300 8.3.1. Klasyfikacja... 300 8.3.2. Wykrywanie pustek w górotworze... 301 8.3.3. Ocena możliwości powstania deformacji nieciągłych typu powierzchniowego... 303 8.3.3.1. Metoda bazująca na teorii sklepienia ciśnień... 303 8.3.3.2. Statystyczna ocena zagrożenia powierzchni... 306 8.3.4. Zmniejszanie zagrożenia obiektów budowlanych... 307 8.3.4.1. Zapełnianie pustek w górotworze... 307 8.3.4.2. Profilaktyka konstrukcyjno-budowlana... 308 Literatura... 310 9. WSTRZĄSY GÓRNICZE... 313 9.1. Charakterystyka drgań powierzchni... 313 9.2. Wpływ wstrząsów górniczych na obiekty budowlane... 319 9.2.1. Siły sejsmiczne w obiektach... 319 9.2.2. Ocena szkodliwości oddziaływań sejsmicznych na obiekty 326 9.2.2.1. Skale makrosejsmiczne... 326 9.2.2.2. Skale SWD-I i SWD-II... 329 9.2.2.3. Klasyfikacja dynamicznej odporności budynków... 332 9.2.2.4. Skale GSI-2004... 335 9.3. Ocena wpływu wstrząsów górniczych na ludzi... 339 9.4. Niezawodność obiektów poddanych wpływowi wstrząsów górniczych... 341 Literatura... 344 10. WARUNKI PROWADZENIA EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ... 347 10.1. Wprowadzenie... 347 10.2. Wymagania ogólne... 347 10.3. Ciągłe deformacje powierzchni... 348 10.3.1. Zakres uwzględnianego wpływu eksploatacji... 348 10.3.2. Ocena możliwości prowadzenia eksploatacji... 350 10.3.2.1. Wymagania podstawowe... 350 10.3.2.2. Bezpieczeństwo konstrukcji obiektów... 353 11
10.3.3. Prędkość eksploatacji... 355 10.3.4. Eksploatacja wielokrotna... 357 10.4. Zmiana warunków wodnych... 359 10.5. Oddziaływania sejsmiczne... 359 10.6. Rzeczywista odporność obiektów... 362 10.7. Obserwacje skutków eksploatacji... 364 10.8. Działania zmniejszające skutki eksploatacji w obiektach... 366 10.8.1. Profilaktyka górnicza... 366 10.8.2. Profilaktyka budowlana... 368 Literatura... 369 11. SKUTKI EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ... 371 11.1. Rodzaje szkód... 371 11.2. Rektyfikacja obiektów budowlanych... 372 11.2.1. Charakterystyka problemu... 372 11.2.2. Rektyfikacja za pomocą podnośników... 374 11.2.3. Rektyfikacja przy wykorzystaniu sił grawitacji... 374 11.3. Tereny pogórnicze... 375 11.3.1. Zagrożenia na terenach pogórniczych... 375 11.3.1.1. Rodzaje zagrożeń... 375 11.3.1.2. Opóźnione deformacje ciągłe powierzchni... 376 11.3.1.3. Nieciągłe deformacje powierzchni... 376 11.3.1.4. Zalewiska i podtopienia... 377 11.3.1.5. Zagrożenia gazowe powierzchni... 377 11.3.2. Kategorie przydatności terenu pogórniczego do zagospodarowania... 378 Literatura... 379 12. ZAKOŃCZENIE... 381 Literatura... 384 O Autorze... 385 12