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

противление сдвигу и отрыву горных пород в массиве; ж) влияния динамических нагрузок, вызванных массовыми взрывами, движе­ нием транспортных средств и землетрясениями; з) погрешности определения средней величины плотности пород, слагающих приз­ му возможного обрушения.

В расчетах методом предельных состояний учитываются факто­ ры, от которых зависит переход в предельное состояние; менее зна­ чительные факторы учитываются совокупно введением коэффи­ циента условий работы.

Все перечисленные факторы, за исключением снижения сопро­ тивления сдвигу некоторых разновидностей скальных и полускальных пород под влиянием выветривания, поддаются количествен­ ной оценке, благодаря чему можно выделить наиболее существен­ ные из них.

На величину коэффициента запаса устойчивости откосов наи­ большее влияние оказывают набухание пород в откосах и ползу­ честь. У пластичных глин соотношение между пределом ползуче­ сти и предельным сопротивлением быстрому сдвигу составляет 0,50—0,65, а у глинки трения в некоторых случаях снижается до

0,30—0,40.

У трещиноватых скальных и полускальных пород наименее изучено влияние трещиноватости на сопротивление отрыву. Су­ щественные погрешности в расчетах получаются также в резуль­ тате ошибок, допускаемых при определении элементов залегания поверхностей ослабления.

Погрешности, связанные с другими факторами, обычно значи­ тельно меньше. Так, погрешность определения средней плотности горных пород в границах призмы возможного обрушения не пре­ вышает 2—3%, погрешность методов расчета — 3—5%, погреш­ ность лабораторного определения основных расчетных характери­ стик— 5—8%, если методика испытания соответствует условиям деформации пород в откосах.

При обосновании коэффициента запаса в строительной меха­ нике величина общего коэффициента запаса определяется как про­ изведение его частных значений (за счет влияния отдельных факторов):

n = n1nin3 . . ,п п.

При оценке устойчивости укрепленных откосов (так же как и неукрепленных) необходимо учитывать два фактора, влияющие на выбор величины коэффициента запаса:

1)горные породы (особенно глинистого состава) обладают значительной ползучестью;

2)предельное состояние, вследствие ползучести, развивается постепенно и за его развитием можно наблюдать инструменталь­ ным и визуальным путями.

При расчетах устойчивости откосов принимаются минималь­ ные величины коэффициента запаса устойчивости. Так, при рас­

82

четах общей устойчивости всего борта принимается я=1,2-у1,3,. чтобы при расчете по пределу ползучести величина п' была не менее 1; а при расчете устойчивости уступов, с учетом сейсмиче­ ского влияния, 2, что при расчете по предельному сопротив­ лению не превысит величины п = 1,5.

При коэффициенте запаса устойчивости уступов, равном двум, в откосе, имеющем коэффициент запаса менее двух, с течением времени под влиянием сейсмических воздействий и выветривания могут снизиться характеристики сопротивления сдвигу, вследствие чего коэффициент запаса уменьшится до величины я<1,5, что по­ требует укрепления откоса уступа.

Динамические нагрузки от массовых взрывов вблизи неустой­ чивых участков уступов твердых пород существенны и должны учитываться при определении коэффициента запаса устойчивости.

С учетом перечисленных факторов коэффициент запаса устой­ чивости как свободных, так и укрепленных откосов уступов при­ нимается равным 1,5—2.

При решении вопроса укрепления неустойчивых участков усту­ пов необходимо знать фактический коэффициент устойчивости откосов с заданными параметрами. Если запас устойчивости ниже нормативного, то путем укрепления откосов он доводится до рас­ четного значения. Например, если фактический коэффициент за­ паса равен 1,2, а нормативный— 1,5, то расчетный коэффициент запаса яр^ 1 ,5 принимается в зависимости от степени влияния перечисленных ранее факторов.

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО УДЕРЖИВАЮЩЕГО УСИЛИЯ

Укреплением ослабленных участков бортов карьеров дости­ гается повышение коэффициента их устойчивости до такого значе­ ния, при котором исключаются деформации этих участков в тече­ ние всего времени эксплуатации горной выработки. Дополнитель­ ное удерживающее усилие, сообщающееся откосу при его укре­ плении, не сохраняет устойчивости вообще, а позволяет довести запас устойчивости до расчетного значения. Отсюда под поня­ тием «неустойчивый уступ» подразумевается уступ, фактический коэффициент устойчивости которого меньше расчетного. Так, при Яф=1,3, а яр =1,5 уступ считается неустойчивым.

Если расчетный коэффициент запаса устойчивости для нера­ бочих уступов со сроком службы более 5 лет принимается равным 1,5—2, то уступы, имеющие запас устойчивости, меньший 1,5, под­ лежат укреплению.

Одним из наиболее простых инженерных методов расчета устойчивости откосов является метод алгебраического сложения сил, действующих вдоль поверхности скольжения.

Применяя теорию предельного равновесия, определяют, что сдвиг происходит по поверхностям скольжения простейших форм (плоской или монотонной криволинейной), благодаря чему призма

83

-обрушения сохраняет монолитность и сползает в виде «жесткого клина» породы под действием сосредоточенных сил.

Оценка степени устойчивости откоса производится сопоставле­

Так как сдвигающие и удерживающие силы действуют в пло­ скости сдвига, то и сила ДГуд направлена вдоль поверхности скольжения. Определение значения ДГуд является первым этапом расчета параметров укрепления откоса. По величине этой силы можно ориентировочно судить о величине ожидаемого давления горных пород на крепь и, исходя из этого, выбрать способ укре­ пления откоса.

Если откос укрепляется механическими способами, то ожидае­ мое давление на конструкции и сооружения определяется анали­ тическим или графическим методами. Исходной для определения расчетных характеристик при упрочнении горных пород является формула (III.26) или (III.27).

§4. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ ОЖИДАЕМОГО ДАВЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА КОНСТРУКЦИИ И СООРУЖЕНИЯ

Величина дополнительного удерживающего усилия, вычисляе­ мая по формулам (Ш.26), (III.27), дает лишь общее представле­ ние о нескомпенсированном удерживающими силами избытке сдви­ гающих сил в свободном откосе. Поэтому после выбора способа

случаях, когда речь идет об абсолютной величине этих сил, раз­ личия между ними не делается. Эффективность укрепления, а также величина давления на крепь зависят от направления дейст­ вия силы реакции крепи относительно поверхности скольжения. Иногда можно получить обратный результат — после укрепления устойчивость откоса снизится. Отрицательный эффект будет на­ блюдаться, если штанговую крепь (предварительно напряженную) устанавливать под тупым углом к поверхности скольжения (см. рис. IV.3). Поэтому очень важно правильно определить характер работы конструкций и сооружений в укрепленном откосе.

84

Аналитический метод расчета величины ожидаемого давления на крепь основан на решении уравнений статики, составленных для внешних сил, приложенных к призме возможного обрушения, и внутренних сил сопротивления пород сдвигу.

При сдвиге по поверхности скольжения, имеющей резкие изло­ мы или большую кривизну, призму обрушения не всегда можно рассматривать как единый блок, так как неизбежно влияние кри­ визны основания. При ломаной поверхности возможно образова­ ние трещин в местах излома поверхности скольжения, при криво­ линейной поверхности скольжения с возрастающей книзу кривиз­ ной, напротив, следует ожидать зажимающего действия отдельных блоков породы. Для учета влияния изменения кривизны поверхно­ сти скольжения призма обрушения делится на блоки, а границы между блоками рассматриваются как дополнительные поверхности скольжения. Принцип деления призмы возможного обрушения на блоки рассмотрен далее.

Силы трения и сцепления по границам раздела между отдель­ ными блоками учитываются только в тех случаях, когда они ре­ ально могут проявиться. Если эти силы в расчет не принимаются, а реакция крепи направлена вдоль поверхности сдвига, то ре­ шается обычная задача алгебраического сложения сил. Расстоя­ ние между разделительными гранями выбирается с таким расче­ том, чтобы в пределах блока криволинейную поверхность сколь­ жения можно было бы заменить плоской. Чем меньше это рас­ стояние, тем точнее результаты расчетов.

В уступах, сложенных трещиноватыми скальными пли полускальными породами, а также в слоистых уступах сдвиг призмы обрушения по поверхности скольжения сопровождается поворотом отдельных блоков пород или смещением слоев, в связи с чем воз­ никают изгибающие моменты. При этом крепи могут раз­ рушиться от изгиба раньше, чем произойдет их срез. Направ­ ление вектора силы реакции крепи уже не будет совпадать с на­

85

В табл. II 1.2 приведены виды деформаций конструкций и соору­ жений и соответствующие им направления действия сил реакции крепи относительно поверхности скольжения.

П л о с к а я п о в е р х н о с т ь с к о л ь ж е н и я . Рассмотрим об­ щий случай, когда сила реакции крепи направлена к поверхности скольжения под произвольным углом ср (см. рис. III.13). Величина этой силы (равной ожидаемому давлению горных пород, но про­ тивоположно ему направленной) определится из условия предель­ ного равновесия призмы АВС на поверхности ВС под действием сил: Р— масса пород призмы возможного обрушения, т; k'L — сце­ пление по поверхности ВС, тс/м2; R — реакция основания приз­

под углом ф, тс.

Для нахождения неизвестных сил R и F достаточно составить два уравнения статики. Проектируем все силы на направление ВС (ось х ) и нормаль к нему (ось у).

Получим:

2х = Р sin Р — F cos ф — knL — R sin рп = 0;

= Pcosfl -f- / ’эшф — R cos рп’ = 0.

Из второго уравнения

R = Р cos р + Fsin ф

cos рп

Подставляя значение R в первое уравнение и решая его отно­ сительно F, при характеристиках с заданным коэффициентом за­ паса, получим

а для нахождения величин g и со рассчитать графики. Подобный график приведен на рис. III.14.

86

В частном случае, когда призма возможного обрушения подсе­ чена трещиной с небольшим раскрытием, в связи с чем в крепких породах может произойти срез крепи, сила F направлена парал­ лельно поверхности сдвига. При этом ф=0, со = 1 и форму-

из которых одна наклонена под углом, близким к углу откоса уступа, а другая пересекает поверхность откоса.

При такой форме поверхности скольжения возможны следую­ щие три схемы расчета:

1. Поверхность BD крутая (угол падения >70°). Призма воз можного оползания ABDC представляет собой жесткий породный блок. В предельном равновесии на нее действуют внешние силы: собственная масса призмы Р и сила реакции крепи F\ поскольку они неуравновешенны как в направлении оси х, так и в направ­ лении оси у (рис. III.15,а), то вызывают деформирование жестко­ го блока, выражающееся в сдвиге (смещении) по поверхности

87

ослабления CD. Этому смещению препятствуют внутренние силы, действующие по поверхности скольжения: реакция R, являющаяся равнодействующей нормальной составляющей опоры основания блока и сил трения, действующих по плоскости CD, силы сцепле­ ния, действующие по этой же плоскости, и силы сопротивления отрыву, действующие по плоскости BD.

Равновесие обеспечивается при условии

Рsin р — F cos ф — R sin р'п— knL2— qnLx = О,

Рcos (5 + F sin ср — R cos р'п _ о.

Подставляя в первое уравнение значение R из второго урав­ нения и решая первое уравнение относительно F, получим

острым углом к оконтуривающей крутопадающей поверхности BD (например, направление DD' на рис. III.15, б), то при деформиро­ вании (смещении) она разделяется на две части (два жестких блока, взаимодействующих между собой).

Уравнения равновесия первого блока составляются в проек­ циях на плоскость BD и нормаль к ней:

Рг sin Pj — knLx— Rxsin pn — knl cos p — E cos e=0;

Pxcos Pi — Rxcos pn — k'nl sin p + E sin e = 0,

где е= 90°—р—рп.

88

Из второго уравнения определим силу реакции R\:

Подставляя значение R i в первое уравнение и решая его отно­ сительно Е, получим

Уравнения равновесия второго блока составляются в проек­ циях на плоскость CD и нормаль к ней:

Р2 sin р2 — k'nl2— R2sin рп + Е sin у — F cos cp = 0;

Р2cos р2 + Е cos у — R2cos рп— F sin cp = 0,

где

у = 0+ p'n’, 0= Pi—|32 + p—90°.

Из второго уравнения определим реакцию Рг:

DР2 cos |32 + Е cosу — F sin ф

А2 ----------------------;-------------.

cosp„

Подставляя значение R2 в первое уравнение и решая его отно­ сительно F, получим формулу для определения величины ожи­ даемого давления горных пород в окончательном виде:

декс п означает, что в эти характеристики введен необходимый коэффициент запаса устойчивости п. При определении величин Е и F в соответствующие формулы можно подставить и различные характеристики сопротивления сдвигу, если поверхности ослабле­ ния отличаются по морфологии или заполняющему материалу.

3. В слабых породах разделение призмы возможного ополза­ ния на два блока может происходить и без наличия ослабленной поверхности, сопряженной с поверхностью BD. В этом случае, в соответствии с законами статики сыпучей среды, разграничиваю­ щая поверхность пройдет через точку D и будет наклонена под углом (о = 45° + р/2. Формула для определения силы F будет ана­ логичной формуле (III. 33), в которой вместо угла р, ставится угол 90°—р^, а сцепление и угол внутреннего трения по поверхно­

89

сти DD' берутся как для неослабленного массива; в этом случае угол у равен

призма DD'C (см.рис. III.15, б), независимо от величины давления на нее со стороны призмы ABDD', при соответствующих соотно­ шениях сдвигающих сил будет неустойчива. С уменьшением зна­ чения угла Рг устойчивость призмы DD’C возрастает, и при опре­ деленном его значении поверхность ослабления DC теряет функ­ цию потенциальной поверхности скольжения для второго блока. Для всего уступа, устойчивость которого в данном случае цели­ ком будет зависеть от давления со стороны призмы ABDD', эта функция сохраняется и реализуется при условиях:

1)образования дополнительной поверхности скольжения DD', что приведет к оседанию блока I и сдвигу блока II; это условие проверяется построением силового многоугольника для первого блока;

2)небольшой ширины призмы возможного обрушения, когда удельный вес поверхности DC незначителен.

Возможность сдвига при этом определяется силой сопротив­ ления, оказываемого призмой DD'C.

Взависимости от ожидаемого характера деформации уступа

выбирается способ укрепления, если призма возможного обруше­ ния монолитна, искусственное сопротивление сдвигу создается только в ослабленной зоне; если же прочность пород самой приз­ мы обрушения невелика, принимаются меры к укреплению всей толщи пород (например, цементация пород в зоне возможных сдвигов). При малых углах |32 для ликвидации опасности обру­ шения иногда оказывается достаточным обеспечить монолитность

упрощенными методами; б) явные поверхности скольжения, обус­ ловленные геологическим строением массива.

Для криволинейных поверхностей скольжения сохраняется об­ щий принцип расчета величины давления горных пород, основан­ ный на применении законов статики к призме обрушения, находя­ щейся в предельном равновесии под действием внешних и внутрен­

в пределах которых поверхность скольжения принимается пло­

90