книги из ГПНТБ / Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения

Рис. 41. Исследование напряжен­ ного состояния породного мас­ сива вокруг камерной выработки Кетана (модель из эквивалент­ ных материалов)

сцементирован (рис. 41). В результате исследования выработка была принята и построена со сводчатой кровлей без каких-либо надрезов породы. Камера закреплена железобетонными анкерами длиной от 3 до 4,5 м с шагом 1,2 м.

Оценка несущей способности сооружения. В первом приближении оценку несущей способности подземного сооружения можно произ­ вести на основе анализа моделей, выполненных методом фотоупру­ гости (сравнение прочностных характеристик породы с выявленными напряжениями сжатия, растяжения и среза). Однако, как уже отмеча­ лось выше, такая оценка не является достаточно объективной в силу того, что фактическое распределение напряжений и усилий в тре­ щиноватой породе может существенно отличаться от идеализирован­ ной упругой схемы. Поэтому для оценки несущей способности соору­ жения, а также для получения уточненных данных по напряженному состоянию горного массива целесообразно использовать другой метод моделирования, в частности на эквивалентных материалах. Работы по применению этого метода для исследования подземных сооруже­ ний особенно широкое развитие получили в Советском Союзе. (ВНИМИ, ЛИИЖТ, институт Оргэнергострой, МИИТ, ЦНИИС Минтрансстроя и другие организации).

При испытаниях стендовых моделей из эквивалентных материалов можно контролировать и корректировать получаемые результаты с максимальным приближением к натуре и с доведением модели до разрушения. Модельные исследования на крупномасштабных стендах из эквивалентных материалов позволяют, в частности, оценить эффек­ тивность анкерной и другого типа крепи, т. е. сравнить картину

105

напряженного состояния в массиве породы и на контуре выработки как незакрепленной, так и с временной крепью, проследить процесс деформации и подвижки массива, возникновение и развитие трещин в породе, изучить картину перераспределения напряжений при уста­

новке крепи.

■ "Исследования на моделях из эквивалентных материалов, в инсти­ туте Оргэнергострой проводились с учетом особенностей трещинова­ тых скальных пород. Это обусловило некоторое отличие эксперимен­ тальной техники от практикуемой в лабораториях, изучающих выра­ ботки угольных шахт и другие, расположенные преимущественно

в слабых породах.

Условия подобия соблюдаются подбором материала-эквивалента при широком варьировании соотношений между основными компо­ нентами его (гипс, вода, песок) и введением специальных химических добавок (поливинилацетатная эмульсия и др.), изменяющих упру­ гость материала, а также специальной «тренировкой» модели путем ее загрузки и разгрузки. Наиболее подходящим материалом ока­ зался гипсобетон, имеющий структурное сходство как со скальной породой, так и с бетоном. Огибающие кругов Мора для гипсобетонов и скалы имеют сходную конфигурацию, величины прочности на сжа­ тие, растяжение, срез и изгиб также имеют удовлетворительную коррелятивную связь, величины прочности и упругие характеристики могут быть выдержаны в нужном масштабе, так как соотношение RclK/£ для гипсобетона и скалы одинаково. Коэффициент Пуассона гипсобетона равен 0,15—0,3, т. е. близок к значению этого коэффи­ циента для скальных пород.

Величины модуля деформаций гипсобетона можно регулировать

Таким образом, появляется возможность на моделях исследовать подземные сооружения, возводимые в прочных скальных породах с пределом прочности на сжатие до 2600 кгс/см2 и модулем упругости до 800 000 кгс/см2.

Поскольку модуль деформации горного массива, сниженный за счет его трещиноватости, составляет обычно 50 000—100 000 кгс/см2, на модели приходится воссоздавать несколько основных систем трещин: тектонические, трещины напластования и др. В большинстве проведенных исследований моделировали 2—4 системы трещин, рас­

или № 88, более открытые трещины (тектонические), заполненные глинкой или брекчией трения, имитируют слоем парафина или смеси парафина с солидолом и песком. Для швов модели сохраняют соот­ ношение величин прочности на сжатие и на разрыв, имеющие место в натуре. Моделирование трещин приводит к снижению модуля де­ формации массива по сравнению с модулем деформации образца

106

в 5—10 раз. На модели, как и в натуре, модуль деформации массива определяют путем ультразвуковых измерений по всей площади

модели.

В зависимости от задач исследования и имеющихся натурных данных на модели выдерживают все или некоторые из следующих прочностных характеристик: Исж, R p, тср, с в абсолютных значениях

с учетом масштаба напряжений.

Моделирование железобетонных анкеров осуществляют следу­ ющим образом. Анкер выполняют из металлической проволоки, по всей длине которой наклеен мелкий песок для имитации периодиче­ ского профиля. Проволоку вводят в . отверстие (шпур) в модели, которое заполнено смесью парафина и солидола. Размеры анкеров

ирасстояние между ними принимают согласно геометрическому масштабу. Состав смеси (парафин и солидол) подбирают таким обра­ зом, чтобы выдерживалось подобие выдергивающих усилий в натуре

имодели через 48 ч после введения анкера в шпур.

Моделирование предварительно-напряженных анкеров осуще­ ствляют на тех же анкерах, имеющих на одном из концов жесткую торцовую пластинку, имитирующую заделку анкера, а на другом — резьбу. Конец анкера с пластинкой заделывают в модель при ее заливке, а на свободном конце с резьбой осуществляют с помощью специального измерительного прибора регулируемое натяжение до

заданной величины усилия.

При моделировании покрытия из набрызгбетона по породе по­ верхность свода туннеля пропитывают раствором клея БФ-4 и спирта в три слоя при различном соотношении клея и спирта. При такой обработке по поверхности вырезанного отверстия образуется упроч­ ненный слой глубиной 2 мм, что при масштабе моделирования 1 : 50 отвечает толщине покрытия 10 см. Покрытие, имитирующее набрызгбетон, может быть выполнено также по методике ЛИИЖТ [36].

Арочную металлическую крепь моделируют плексиглазом (от­ дельные арки или тонкая оболочка по всей длине модели) по жесткости

конструкции.

Туннельную выработку вырезают в модели, находящейся в напря­ женном состоянии под действием некоторой нагрузки на контурах, называемой номинальной. Величину номинальной нагрузки (вер­ тикальной и горизонтальной) определяют в зависимости от поста­

новки задачи.

В часто встречающихся случаях, когда основное давление на крепь выработки возникает вследствие перераспределения напряжений в породе при проходке, номинальную нагрузку подбирают из усло­ вия создания в окрестности выработки естественного напряженного состояния до начала проходки. При этом зависимость между нагруз­ кой на контуре модели и давлением в окрестности выработки уста­

навливают экспериментально.

В ходе эксперимента нагрузка постепенно увеличивается вплоть до разрушения выработки. Поскольку зависимость между нагрузкой на контуре модели р и давлением q на крепь туннеля нелинейная,

107

необходимо на каждой ступени загружения определять значение q непосредственно или с помощью корреляционной зависимости. Отно­ шение g/g0, гДе — давление на крепь, отвечающее номинальной нагрузке на контур модели р0, является фактически коэффициентом нерегрузки к„. При исследовании различных вариантов закрепле­ ния выработки напряженное состояние моделей сравнивают при одинаковых значениях коэффициента перегрузки.

Для оценки несущей способности крепи можно использовать понятие коэффициента запаса устойчивости ку, показывающего, во сколько раз надо увеличить расчетное давление на крепь для того, чтобы привести сооружение в состояние предельного равновесия. Значение ку может совпасть с кп в момент начала разрушения в част­ ном случае, когда q0 численно равняется расчетному давлению на крепь.

Если расчетная нагрузка не задана, то для определения коэффи­ циента запаса устойчивости можно воспользоваться сравнением ис­ следуемой конструкции с вариантом незакрепленной выработки. При этом вместо расчетной нагрузки на крепь принимают среднюю интенсивность собственного веса породы в пределах нарушенной зоны породы в окрестности незакрепленной выработки в момент начала ее разрушения. Эта величина может быть получена различными спосо­ бами, например исходя из глубины зоны растягивающих напряжений над кровлей выработки или (в слабых породах) по размеру зоны об­ рушения или по области увеличенных деформаций вокруг выра­ ботки.

Абсолютные деформации, смещения и подвижки модели измеряют индикаторами часового типа с точностью до 0,002 мм. Напряжения в массиве и на контуре измеряют методом электротензометрирования, датчики наклеивают по поверхности модели в виде розеток, а также закладывают в глубь модели при ее изготовлении. Относительные деформации измеряют тензостанциями ИСД-3 с точностью до

1 - 10” 5 .

Ниже приведены некоторые примеры исследований, выполненных

в1963—1969 гг. институтом Оргэнергострой на крупномасштабных моделях (масштаб 1 : 50 ~ 1 : 100) из эквивалентных материалов, применительно к различным подземным сооружениям. Результаты этих исследований позволили также откорректировать паспорта крепления и обоснованно применить временную облегченную крепь

вподземных выработках большого сечения.

Строительный туннель. Для оценки эффективности анкерной крепи было проведено сравнительное исследование моделей выра­ ботки без крепи и с анкерной крепью в своде Туннель имеет корыто­ образное поперечное сечение высотой 15 ми шириной 13 м и располо­ жен в слаботрещиноватых известняках. Трещины напластования рас­ положены под углом 60—80° к оси туннеля через 2,5 м, тектонические трещины — под углом 65° к трещинам напластования через 10 м. Предел прочности образца породы при сжатии 800—1600 кгс/см2, модуль упругости образца породы 500 000—600 000 кгс/см2, модуль

108

деформации массива 90 000—100 000 кгс/см2, коэффициент Пуассона 0,3. Глубина залегания туннеля от поверхности 200 м.

Модели из эквивалентных материалов были изготовлены в гео­ метрическом масштабе 1 : 50 и масштабе напряжения 1 : 40. В ходе экспериментов измеряли относительные деформации в выбранных точках (с помощью электротензодатчиков) в трех направлениях — вертикальном, горизонтальном и под углом 45°. Полученные данные позволяют определить тензоры напряжений и деформаций в каждой выбранной точке модели.

В результате исследования были сделаны следующие основные выводы:

облегченная временная крепь (анкерная) является несущей кон­ струкцией, она включается в работу и вызывает перераспределение напряжений в породе вокруг туннеля;

врезультате установки анкерной крепи растягивающие напряже­ ния вблизи контура выработки уменьшаются. Максимум эпюры сжи­ мающих напряжений на уровне горизонтального диаметра смещается от контура выработки в глубь массива;

взамке свода наибольшие растягивающие напряжения вследствие установки анкерной крепи уменьшились примерно на 30%, главные сжимающие напряжения — увеличились на 60%.

Специальное исследование было проведено для оценки устойчи­

вости стен этого туннеля при проходке нижнего уступа. Были изго­ товлены две модели из эквивалентных материалов, в одной из них вертикальные стены оставлены без крепи, в другой закреплены анке­

В обоих случаях моделировался бетонный свод, опирающийся вынос­ ными пятами на породу. Геометрический масштаб моделирования 1 : 100, масштаб напряжений 1 : 133. Относительные деформации в выбранных точках в трех направлениях (вертикальном, горизон­ тальном и под углом 45°) измеряли методом электротензометрирования.

На основании исследований можно сделать следующие выводы: установка анкерной крепи в стенах привела к перераспределению напряжений в массиве породы вокруг туннеля с образованием напря­ женного пояса вдоль стен, где сжимающие напряжения увеличились вдвое по сравнению с незакрепленными стенами. Сжимающие напря­

на 20-45% ;

несущая способность выработки при закреплении вертикальных стен анкерами увеличивается почти в 2 раза по сравнению с неза­ крепленными стенами. Последний вывод сделан на основании опытов по доведению обеих моделей до разрушения.

Подземный машинный зал. Исследование проводили с целью разработки оптимальных параметров крепления свода и стен вы­ работки высотой 32 м и наибольшим пролетом 27,8 м. Заглубле-

109

Рис. 42. Исследование породного массива вокруг подземного машин­ ного зала (модель из эквивалентных материалов)

ние выработки от поверхности 100 м. Подземное машинное здание по проекту располагалось в слоистых известняках, разбитых мно­ гочисленными тектоническими трещинами, в большей части не запол­ ненными или заполненными глинкой трения и брекчией. Средний размер породного блока, образованного в сечении пересекающимися

Исследования проводили в четыре этапа: при пройденной подсводо­ вой части выработки определяли деформации и напряжения в породе от бытового горного давления при незакрепленном своде и при уста­ новке в своде анкерной крепи; выработку доводили ^до проектного очертания, устанавливали бетонный свод, опирающийся выносными пятами на породу; измерения проводили при незакрепленных стенах

и при закреплении стен анкерами.

На основании исследований были получены следующие резуль­

таты:

по своду выработки (этапы 1 и 2) — при отсутствии крепи в своде возникают растягивающие напряжения, в углах — концентрации сжимающих напряжений, достигающие 180 кгс/см2. После установки анкерной крепи растягивающие напряжения на контуре выработки отсутствуют, сжимающие — уменьшаются до 40 кгс/см2, максималь­ ные сжимающие напряжения (225 кгс/см2) возникают в глубине массива, осадка кровли уменьшилась на 35%; закрепленная анке-

110

рами порода работает как свод, воспринимающий нагрузку от гор­ ного давления;

по стенам (этапы 3 и 4) — при установленном бетонном своде и незакрепленных стенах массив сжат, наибольшие напряжения возникают на контуре выработки. После установки анкеров мак­ симальные напряжения действуют в глубине массива, на контуре напряжения уменьшаются на 30—40%, осадки породы под пятами бетонного свода уменьшились вследствие закрепления стен анкерами на 30-35% .

Напорный туннель. Исследование проводили для проверки тео­ ретических предпосылок, предварительных расчетов и уточнения параметров анкерной крепи, а также получения сравнительной ха­ рактеристики работы арочной и анкерной крепей. Туннель пролетом 11,8 м и высотой 5,65 м (верхняя часть) расположен на глубине 540 м от поверхности в известняках с пределом прочности на сжатие 800 кгс/см2. Пласты мощностью 0,5 м наклонены под углом 65° к оси туннеля. Нормально к пластам проходят тектонические тре­ щины через 1—1,5 м, заполненные глинкой трения.

Модели были выполнены в геометрическом масштабе 1 : 60, мас­ штаб напряжений 1 : 52. Исследования проводили в четыре этапа: измеряли деформации и смещения на контуре выработки и в глубине массива породы при бытовом давлении для незакрепленной выра­ ботки, для туннеля закрепленного арками и для туннеля, закреплен­ ного анкерами; определяли характер деформаций при превышении бытового давления и разрушении выработки, закрепленной анке­ рами.

На основании исследований были получены следующие резуль­ таты:

установка анкерной крепи приводит к образованию несущего породного свода, что подтверждается уменьшением деформаций контура выработки на 30% со стороны подсеченных пластов и на 8% с противоположной стороны (аналогичный эффект при установке арочной крепи 40 и 12—19%), а также увеличением на 10% сжима­ ющих напряжений в массиве на уровне пят породного свода в 3— 5 м от контура выработки;

разрушение модели произошло при нагрузке, в 2 раза превыша­ ющей бытовое давление, причем первые вывалы возникли со стороны неподсеченных пластов породы. Наблюдалось интенсивное раскрытие трещин напластования и смятие пластов под пятой породно-анкер­ ного свода, что подтверждает его несущий характер;

напластование обусловливает анизотропию горного массива, при­ водящую к несимметричному распределению деформации вокруг выработки (радиальные деформации породы со стороны подсеченных

эквивалентных материалов выполняли с целью сравнения несущей способности двух видов крепления туннеля в слабых скальных

І И

породах: арочной крепи и анкеров в сочетании с покрытием из набрызгбетона. Туннель имел корытообразное поперечное сечение пролетом 10,3 м и высоту (верхняя часть сечения) 7,8 м.

Исследования проводили на трех индентичных моделях, в каждой из которых моделировался определенный вид крепи. В ходе экспе­ римента модели были доведены до разрушения и определены предель­ ные нагрузки, а также деформации (осадки) свода выработки и уточ­ нен характер разрушения модели. Геометрический масштаб модели­ рования был принят 1 : 50, толщина модели 14 см соответствует 7 м длины туннеля. Прочность моделируемого массива породы (алевро­ литы) в натуре составляет 100 кгс/см2, что соответствует IV катего­ рии породы по СНиП.

Выбранный материал, эквивалентный породе, представлял собой песчано-парафиновую смесь из песка люберецкого (90%) и парафина (10%). Смесь укладывали в стенд в разогретом состоянии при температуре t° = 70° С и уплотняли трамбованием. Материал-эк­ вивалент указанного состава имеел предел прочности на сжатие 7?СЖ(М) = 20 кгс/см2, что соответствовало масштабу напряжений 1 : 5.

Арочную крепь моделировали с соблюдением условия ШрРГ,,.] == = const и исследовали в двух вариантах, соответствующих крайним возможным случаям. В первом варианте моделировали арки со сплош­ ной затяжкой и расклинкой по всему контуру, обеспечивающей равномерную передачу нагрузки от породы. Этот вариант отвечает в натуре обетонированным аркам. Во втором варианте моделировали арки, воспринимающие усилия от горного давления в отдельных (8— 10) точках расклинки, что соответствует характерным условиям в на­ туре. Замоделированная в обоих вариантах арочная крепь отвечает в натуре расчетным металлическим аркам из двутавра № 30 при расстоянии между арками по осям 75 см. В первом варианте арки для модели изготовляли из органического стекла. Арки в этом случае обладают высокой деформативностью, что отражает способность ме­ таллической арки к пластическим деформациям при надлеяшщим об­ разом выполненных соединениях. Во втором варианте арки изгото­ вляли из гипсобетона. Материал арки на моделях при этом харак­ теризуется хрупким разрушением, что соответствует в натуре метал­ лической арке с торцовыми накладками на болтах.

Анкерную крепь в своде моделировали проволочными стержнями длиной по 5,6 см, установленными радиально к своду выработки с шагом в 2 см, в натуре анкера имеют длину 2,8 м шаг 1 м. Покрытие

Вмоделях измеряли абсоліртную величину осадки свода выработки

взамке под крепью с помощью индикаторов часового типа. Точ­ ность измерения 0,01 мм в модели, или 0,5 мм в пересчете на натуру. На рис. 43 показаны графики нагрузок на модель Р, соответству­ ющих осадкам свода выработки в замке б (в пересчете на натуру)

112

По отношению же к нормативному коэффициенту запаса устой­ чивости (1,4—1,5) анкерная крепь с набрызгбетоном в данном случае обеспечивает превышение в размере 50—60%, арочная крепь в наи­ выгоднейшем варианте 80—90%, а в невыгоднейшем варианте коэф­ фициент запаса снижается по отношению к нормативному на 35—

30%.

Таким образом, па основании результатов данного модельного исследования можно заключить, что анкерная крепь в сочетании

с набрызгбетоном обладает достаточным запасом прочности в рас­ сматриваемых условиях и с этой точки зрения незначительно отли­ чается от арочной крепи в наивыгоднейшем варианте (типа обетони­ рованных арок). В то же время устойчивость арочной крепи меняется в широких пределах в зависимости от конструкции арок и способа их расклинки, причем коэффициент запаса устойчивости арочной крепи практически может оказаться меньше расчетного. Поэтому применение анкерной крепи и набрызгбетона в данных условиях наи­

более целесообразно.

Эти рекомендации были использованы при решении вопроса о способе проходки и типе временной крепи на участке слабых пород

и крепления крупной подземной камеры

Как отмечалось выше, наиболее целесообразным решением при проведении модельных исследований является переход на комплекс­ ность таких исследований, т. е. они должны вестись различными ме­ тодами, дополняющими друг друга и обеспечивающими всестороннее решение проблемы. Естественно, что модельные исследования не

114