книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах

ции массива от воздействия положительных температур в теплый период года. Вечномерзлые породы различного состава и свойств, сцементированные трещинным льдом, в обнажениях подобны моно­ литным скальным породам. Под воздействием положительных тем­ ператур происходит сезонное оттаивание пород на определенную глубину, что и обуславливает образование осыпей и обрушений. Для сохранения устойчивости откосов необходимо либо предотвра­ тить проникновение тепла в глубь массива, либо удержать оттаяв­ ший слой пород на поверхности откоса и тем самым локализовать процесс оттаивания. В по­ следнем случае теплоизолятором служит оттаявший по­ родный слой.

Наиболее простым счи­ тается метод теплоизоляции материалами с малым объ­ емным весом и низким ко­ эффициентом теплопровод­ ности, например пенополи­ стиролом ПСБ (пенополи­ стирол суспензионный беспреосовый). Этот материал имеет плотность 30 кг/м3, коэффициент теплопровод­ ности 0,035—0,040 и водопоглощение около 2% от объ­ ема. Но существенным пре­

пятствием к его применению является пока высокая стоимость. Конструкция покрытия с использованием пенополистирола приве­ дена на рис. 11-20, а.

Механическое укрепление поверхности откосов и берм в усло­ виях многолетней мерзлоты имеет свои особенности. Если в обыч­ ных условиях легкие покрытия служат в качестве изоляторов и почти не несут нагрузок, то в условиях вечной мерзлоты они должны рассчитываться на давление слоя пород, мощностью рав­ ного глубине сезонного оттаивания. Эта глубина составляет

1,5—2 м.

Наиболее приемлемым для условий вечной мерзлоты является способ укрепления уступов сборными железобетонными защитными стенками в сочетании со штанговой крепью (рис. II.20,б). Такая стенка не может исключить оттаивания пород за ней, но она спо­ собна оказать необходимое сопротивление давлению оттаявшего слоя пород.

6 !

Глава III

ДАВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ И СООРУЖЕНИЯ

§1. ПОЛОЖЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ

ВНЕУСТОЙЧИВЫХ ОТКОСАХ

При расчетах устойчивости откосов уступов и определении до­ полнительных удерживающих сил, так же как и при расчетах общей устойчивости бортов карьеров, необходимо устанавливать положение наиболее слабой поверхности, по которой соотношение сил, .сдвигающих и удерживающих откос в равновесии, является минимальным. Такие поверхности чаще всего называют поверх­ ностями скольжения, хотя, точнее, их следовало бы называть наиболее слабыми или расчетными. Положение в откосе наиболее слабой поверхности может быть предопределено геологическим строением массива горных пород при неблагоприятно ориентиро­ ванных поверхностях ослабления, рассмотренных в главе I, но может и не совпадать с поверхностями ослабления или же совпа­ дать только частично.

Определение положения наиболее слабой поверхности при рас­ чете укрепления откосов, так же как и при расчете общей устой­ чивости бортов, является первым и важнейшим этапом.

Расчетами установлено, что при углах откоса до 65° устойчи­ вость уступов и бортов обеспечивается, если сила сцепления (выра­ женная в тс/м2) в 3 раза меньше высоты откоса, а высота верти­ кального откоса численно равна удельной силе сцепления. Поэтому откосы сдвоенных и строенных уступов, сложенных скальными и

поверхностей ослабления будут сохранять устойчивость, т. е. не будут обрушаться или оползать; при углах откосов 65—80° они могут только осыпаться под влиянием выветривания.

Обрушение и оползание откосов скальных и полускальных по­ род может происходить только при неблагоприятно ориентирован­ ных поверхностях ослабления.

Откосы уступов, сложенные рыхлыми породами, могут обру­ шаться или оползать и при отсутствии неблагоприятно ориентиро­

■62

ванных поверхностей ослабления, поэтому углы откосов уступов; таких пород рассчитываются из условия предельного равновесия по наиболее слабой поверхности при заданной высоте уступа и не­ обходимом коэффициенте запаса устойчивости. Определение поло­ жения наиболее слабой поверхности входит в методику расчета устойчивости откосов.

П о в е р х н о с т и с к о л ь ж е н и я , о б у с л о в л е н н ы е г е о ­ л о г и ч е с к и м с т р о е н и е м м а с с и в а . В уступах, ослаблен­ ных тектоническими трещинами, слоистостью, подрезанными кон­ тактами слоев пород и т. п., падающими в сторону выработки под углами, близкими к углу внутреннего трения пород в ослабленной зоне, эти поверхности с течением времени обычно реализуются в поверхности скольжения.

Поверхности скольжения строятся на характерных поперечни­ ках уступов в виде линий скольжения. Они ограничивают призму возможного обрушения от остальной, устойчивой части массива.

При разработке проекта искусственного укрепления уступов механическими способами очень важно правильно установить поло­ жение потенциальной поверхности скольжения, а также границы всей неустойчивой зоны (зоны сдвига), так как дополнительное сопротивление сдвигу создается за счет надежной заделки замков укрепляющих конструкций (свай, штанг, тросовых тяжей) в устой­ чивой части массива. От положения в массиве поверхности сколь­ жения зависит вес призмы возможного обрушения, а следова­ тельно, и расчетное давление на поддерживающие конструкции и сооружения.

Возможны следующие случаи ослабления уступов:

а) уступ подсечен одной поверхностью ослабления, пересекаю­ щей поверхность откоса или выходящей в его основание (рис. III.1); б) уступ подсечен двумя поверхностями ослабления, падаю­ щими в сторону выработки под различными углами, одна из кото­

рых пересекает поверхность откоса или выходит в его основание

(рис. III.2, а);

в) уступ ослаблен увлажненным контактом сложной формы рыхлых пород с полускальными или скальными породам

(рис. III.2, б) ;

г) уступ пересекается поверхностями ослабления (трещинами большого протяжения, тектоническими нарушениями, системами' трещин), простирание которых диагонально борту (рис. Ш.З). В этом случае от ориентации поверхностей ослабления относительно борта зависит степень их влияния на устойчивость откосов.. Наиболее опасными по оползням или обрушениям являются участки, на которых угол между направлениями простирания от­ коса и поверхности ослабления менее 45°.

.63

А-А Б-Б

Рис. III.2. Уступы, подсеченные сложными по­ верхностями ослабления массива (обозначения 1, 2, 3, 4, 5 см. на рис. III.1); 6 — увлажнен­

ные контакты пород

Рис. III.3. Поверхности ослабления, простирающиеся диагонально борту:

€4

фициента запаса; р' — проекция угла падения поверхности ослаб­ ления на вертикальную плоскость, нормальную к простиранию

но в момент нарушения устойчивого равновесия откоса. Наблюдения за деформациями бортов карьеров, а также иссле­

дования обрушений на моделях из эквивалентных материалов позволяют определить, что наиболее слабая поверхность, обра­ зуемая в откосе однородных пород в момент нарушения его равно­ весия, имеет криволинейную форму и вверху заканчивается верти­ кальной трещиной отрыва.

Расчетную поверхность скольжения можно построить в неустой­ чивом массиве, предполагая, что данный уступ находится в со­ стоянии предельного равновесия. Согласно положениям статики сыпучей среды в уступах с однородным строением, площадки скольжения в любой точке наклонены к наибольшему главному

Из формулы (III.2) вытекает, что площадки скольжения возни­ кают, лишь начиная с глубины

В массиве горных пород наибольшие главные напряжения вдали от откоса направлены вертикально, а по мере приближения к откосу выполаживаются в сторону откоса и на поверхности во­ гнутых и плоских откосов совпадают с ними. С изменением на­ правления действия наибольших главных напряжений от 90° до а (а — угол откоса уступа) изменяется и направление площадок скольжения. Однако угол наклона их к наибольшим главным напряжениям остается постоянным, равным 45°—р/2. Зная на­ правление наибольших главных напряжений в каждой точке неко­ торой области, можно построить общую поверхность скольжения в предельно напряженном откосе. Если их направление опреде­ лить трудно, применяются инженерные методы расчета, в которых не соблюдаются все условия теории предельного напряженного состояния связной среды с трением (статики сыпучей среды).

Применение инженерных методов расчетов для укрепления ус­ тупов вполне оправдывается, так как деформации последних, в силу небольшой их высоты, происходят по поверхностям сколь­ жения простейших форм. Так, например, в уступах, сложенных равномерно трещиноватыми скальными и полускальными поро­ дами, соотношение размеров блоков пород и высоты уступа таково, что наиболее вероятная форма поверхности, по которой может произойти обрушение, плоская или близкая к ней. В слабых по­ родах поверхность скольжения криволинейна. Деформации бортов, включающие несколько уступов, происходят также по криво­ линейным поверхностям скольжения, близким к круглоцилиндри­ ческим.

П л о с к и е п о в е р х н о с т и с к о л ь ж е н и я . В практике от­ крытых горных работ методы расчета устойчивости откосов рас­ пространяются на уступы, сложенные равномерно трещиноватыми скальными и полускальными породами с углами откосов 60°

иболее.

Воднородной связно-сыпучей среде положение плоской крити­ ческой поверхности скольжения определяют методом подбора при различных углах наклона поверхности скольжения. По результа­ там четырех-пяти вычислений строится график функции

и определяется |Зкр для F = Fmax (рис. III.5), где F — сила реакции крепи; (Зкр— критический угол наклона поверхности скольжения, градус.

Другой метод определения значения |3!ф заключается в опреде­ лении экстремума функции вида (III.4) т. е. в решении уравнения

68

Но так как масса пород в пределах призмы возможного обру­ шения и длина поверхности скольжения, в свою очередь, также являются функциями рКр, выражение (III.5) получается довольно сложным.

Решение задачи значительно упрощается, если обратиться вна­ чале к частному случаю вертикального откоса (а = 90°), а затем распространить полученный результат на общий случай (а+^ЭО0).

Рис. III.5. Построение плоской критической поверхно­ сти скольжения воднородном уступе методом последова­ тельного приближения:

При вертикальном откосе направление Ci остается постоянным. Так как площадки скольжения всегда наклонены к направлению Oi под углом 45°—р/2, общая поверхность скольжения будет плос­ кой, а угол наклона ее к горизонту

При вертикальной подпорной стенке плоская поверхность сколь­ жения по Кулону совпадает с одной из поверхностей скольжения 1-го семейства по теории В. В. Соколовского, так как в данном случае сетка поверхностей скольжения образована двумя семейст­ вами изогональных прямых (рис. 111.6).

Переходя теперь к общему случаю (а=+90°) для любого зна­ чения угла а, получим

Для примера, приведенного на рис. III.5,

3* 67

Таким образом, для построения плоской расчетной поверхности скольжения в однородном уступе необходимо (рис. III.7):

а) определить глубину вертикальной трещины отрыва по фор­ муле (III.3) и отложить ее на поперечнике уступа, построенного в определенном масштабе;

б) под углом ркр, полученным из формулы (III.7), провести прямую CD;

в) в точке D восстановить перпендикуляр BD.

Р— вертикальная нагрузка

Всыпучей среде действительная форма поверхности скольже­ ния близка к круглоцилиндрической. Если построить кругло­ цилиндрическую поверхность скольжения по методике, изложенной

вработе [74], и соединить точки С и D прямой, то окажется, что

угол (3 = Ркр= Р ■(рис. III.8). Прямая CD совпадает с плоской

критической поверхностью скольжения B'E'DC, построенной выше­ приведенным способом.

Какова же величина погрешности в определении величины ко­ эффициента запаса устойчивости откоса при замене круглоцилин­ дрической поверхности скольжения плоской? Рис. III.8 дает на­ глядное представление о величине ошибки по соотношению площа­ дей поперечного сечения призмы возможного обрушения. Для а= 60° она составляет около 15%. С увеличением угла а ошибка уменьшается, и при а = 90° поверхности BEDMC и B'E'DC сли­ ваются.

В слоистых уступах лежачего бока при подрезке контактов слоев пород обрушения происходят по плоским поверхностям скольжения — контактам между слоями пород. Наиболее слабым

68

слоем считают тот, который выходит в основание откоса. Более

затем рассчитывают разность между сдвигающими и удерживаю­ щими силами по каждому контакту и строят график изменения избыточной сдвигающей силы по мере удаления от откоса. Эта

с учетом коэффициента запаса.

Построив график функций ATya= f(b ), где b — расстояние от бровки уступа до контакта (рис. III.9), найдем наиболее слабый контакт, который соответствует максимальному значению АТуЯ, и горизонтальную мощность ослабленной зоны. Более детально этот

В слоистых породах лежачего бока, заоткошенных по наслоению, при условии, что Р> р' (Р — угол падения слоев; р '— угол трения пород по контактам слоев), контакты слоев пород являются потен­ циальными поверхностями скольжения (рис. ШЛО). При наруше­

69

нии условия предельного равновесия в основании откоса обра­ зуется дополнительная поверхность скольжения AD, которая пере­ секает слои пород. Эту поверхность можно принять плоской, наклоненной к поверхности откоса под углом е= 45°—р/2, и счи­ тать, что предельное равновесие такого откоса наступит в момент равенства нескомпенсированного удерживающими силами избы­

точного давления призмы возможного обрушения вдоль отрезка BD времен­ ному сопротивлению сжатию пород основания призмы обрушения. Это ус­ ловие записывается в виде равенства

В первом приближении величина L принимается равной hjsin (3, а при крутых откосах L ~ h . В тех случаях, когда слоистый уступ подсекается пологими поверхностями ослабления, угол падения которых близок к 45°—р/2, эти поверхности принимаются за по­ верхности скольжения.

Некоторая неточность в определении ширины призмы обруше­ ния по формуле (ШЛО) связана с тем, что входящие в нее вели­ чины h и L относятся не к призме обрушения, а к уступу в делом. Но, как видно из рис. ШЛО, при пологих углах откосов слоистых уступов и малых значениях угла р' по контактам слоев (с умень­ шением угла р' угол 45°—р/2 увеличивается) ошибка будет не­ значительной.

Расчет устойчивости производится при заданном положении контактов между слоями.

Если значение утла ссо = а— е превышает 5°, приведенный способ может дать ощутимые погрешности. Более точное решение можно получить, введя в равенство (III.9) высоту призмы возможного обрушения (h—h^ и длину поверхности скольжения:

L = h ~ hl . sin Р

70