Виды деформаций

Инженерные сооружения и земная поверхность испытывают различные деформации, которые возникают вследствие внешних воздействий при изменении природных условий, а также являются и следствием деятельности человека. К деформациям объектов приводят факторы, влияющие на разупрочнение грунтов (обводнение или осушение территории, локальные изменения влажности грунтов на площадке размещения инженерного сооружения, неудовлетворительное состояние отвода атмосферной влаги, влияние морозного пучения увлажненных грунтов и др.). При проведении горных работ, строительстве тоннелей, коллекторов происходят опускания земной поверхности с находящимися на ней сооружениями, происходят и деформации самих горных выработок. Часто деформации вызываются карстовыми явлениями, воздействием вибраций от работающих массивных механизмов, сейсмическими воздействиями от землетрясений. Опыт изучения деформаций, накопленный за сравнительно большой период времени, показывает, что их величина может составлять доли и единицы миллиметров и десятки метров.

Под деформацией понимают изменение формы объекта (здесь – инженерного сооружения или земной поверхности).

Рис. 1. Проявление неравномерных осадок

Рис. 2. Кручения, наклоны и изгибы

В результате постоянного давления массивного сооружения на грунт происходит сжатие грунта и смещение объекта в вертикальном направлении. Такое смещение называют осадкой (рис. 1). Обычно осадка носит затухающий характер и для вновь построенного сооружения достигает через некоторое время предельной величины. В результате воздействия различных факторов природного и искусственного происхождения может произойти коренное изменение структуры грунтов основания. В связи с этим возникают быстропротекающие во времени деформации, которые называют просадками. Как осадка сооружения, так и его просадка могут проявляться неравномерно по площади. Так, на рис. 1 а, разуплотнение грунтов на краях здания привело к неравномерной осадке, из-за того, что центральная часть сооружения по отношению к периферии осталась практически неподвижной. Образовалась система вертикальных трещин 1. На рис. 1 б – обратный эффект: центральная часть здания получила б о льшие значения вертикальных перемещений, в результате чего образовалась горизонтальная трещина 2 отрыва фундамента в сочетании с многочисленными вертикальными трещинами и трещинами, имеющими косое направление. Кроме того, в правой части здания образовался откол угла из-за значительного изменения напряженно-деформированного состояния объекта. Это положение возникает при неравномерных нагрузках на грунт, а также из-за значительно различающихся его свойств даже при равномерной нагрузке.

Неравномерные деформации приводят к кренам сооружений, сдвигам, перекосам, прогибам, горизонтальным смещениям. Чаще всего такие деформации проявляются в виде трещин, разломов, призм откола на углах сооружений (рис. 1 б), в ослаблении несущих конструкций. Горизонтальные смещения сооружений часто наблюдаются в тех случаях, когда объект находится на склоне либо вблизи него. В этом случае решающим может оказаться боковое давление грунта. Подобные деформации испытывают гидротехнические сооружения из-за бокового давления воды.

Объекты башенного типа испытывают воздействия неравномерного солнечного нагрева и ветра, что приводит к их изгибам, кручению и наклону (рис. 2). Наклон в направлении продольной оси сооружения называют завалом, а в направлении поперечной оси – перекосом.

Участок земной поверхности, который подвергся сдвижению под влиянием горных работ, называют мульдой сдвижения (рис. 3). В общем случае точки земной поверхности в мульде сдвижения перемещаются в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде называется оседанием (земной поверхности). Участок мульды сдвижения, в котором изгиб слоев грунта происходит без разрывов сплошности массива, называют зоной прогиба. Горизонтальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде определяет процессы растяжения или сжатия. Растяжение приводит к разрывам сплошности массива горных пород (грунта); сжатие чаще способствует вспучиваниям грунтов. В предельном (аварийном) случае мульда сдвижения характеризуется образованием пятнадцати зон:

1-я зона (зона обрушения) расположена непосредственно над выработкой; породы в ней значительно деформированы и разделяются на куски и блоки;

2-я зона (зона сквозных трещин) характеризуется развитием в породах нормально секущих трещин и трещин расслоения, которые разбивают массив на крупные блоки; эти трещины являются хорошим проводником воды и выделяющихся в породах газов;

Рис. 3. Образование мульды сдвижения

3-я зона (зона активных (фильтрующих) трещин); секущие трещины и трещины расслоения 2-й зоны соединяются в 3-й зоне по ломаным кривым и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэро- и гидродинамическим сопро-тивлением, которое увеличивается при приближении к зоне 4;

4-я зона (зона локальных трещин) характеризуется локальными проявлениями трещин;

5-я зона (зона плавного прогиба) определяется прогибом пород без разрыва сплошности массива;

6-я зона (зона опорного давления);

7-я зона (зона предельно-напряженного состояния); в этой зоне происходят все стадии деформирования: всестороннее сжатие на границе упругих деформаций – значительное разрыхление вблизи обнажения; такие явления проявляются в боках выработки;

8-я, 9-я, 10-я, 11-я и 12-я зоны находятся в надработанной зоне, в отличие от зон 1-6, находящихся в подработанной толще пород; зона обрушения в надработанном пространстве отсутствует, а остальные зоны по своим характеристикам соответствуют по возрастанию обозначений зонам 2, 3, 4, 5, и 6; размеры зон 8-12 примерно в три раза меньше, чем размеры зон 2-6;

13-я зона характеризуется максимальным растяжением у земной поверхности (иногда до разрыва сплошности) и постепенным затуханием в глубину слоя;

14-я зона характеризуется максимальным растяжением на границе слоя и постепенным затуханием при приближении к земной поверхности; 15-я зона характеризуется сжатием слоя.

На рис. 3 обозначено: L – длина полумульды; η – оседание земной поверхности (в данном случае – оседание в центре мульды); δ_о – граничный угол.

Рис. 4. Деформации откосов (оползневые явления)

Откосы часто подвержены оползням – медленным смещениям масс горных пород (рис. 4). Это смещение происходит в виде скользящего движения между сдвигающимися породами и неподвижным массивом. При быстром смещении породных масс или блоков и пачек пород, слагающих откос, возникает обрушение. Оно сопровождается дроблением смещающейся части массива. Некоторые разновидности песчано-глинистых пород, насыщенные водой, способны перейти в текучее состояние при углах наклонов 4^о– 6^о. Перемещение таких масс называют оплывиной. Оплыванием (как процессом) называют фильтрационные деформации, которые вызываются переносом и переотложением грунтовых частиц подземными водами. Оплывание происходит в откосах в местах высачивания подземных вод. Приповерхностная часть откоса может разрушаться и смещаться в основном под действием силы тяжести грунтов и при значительных углах откоса. Такие разрушения называют осыпями.

Дата добавления: 2014-01-20