Файл: Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения.pdf

Рис. 40. Влияние надрезов на концентрацию напряжений:

а — г — стадии разработки; а и і — до надрезов; б и г — после надрезов

горные породы обладают трещиноватостью, то в том случае, если концентрация напряжений превысит предел прочности породы, про­ изойдет местное раскрытие трещин и надрез, выполненный на модели, образуется в натуре без вмешательства человека. Тем не менее, было принято решение перенести надрез в условия строящейся камеры. Для этого на каждом перегибе поверхностей почти вплотную друг к другу были пробурены шпуры с использованием алмазных коронок. При развитии напряжений целики между шпурами разрушались, а для обеспечения контроля за раскрытием щели в каждое отверстие были вставлены деревянные шпонки, которые затем снимали, а образовавшиеся сквозные продольные щели (глубиной около 1 м) заделывали цементным раствором. Камеру крепили анкерами глу­ биной 3,6—4,3 м и набрызгбетоном по сетке.

Интересно заметить, что спустя 6—7 лет там же, на о. Тасмания, была построена подземная станция Кетана. Моделирование этой выработки шириной 18 м и высотой 30 м вели на объемной модели.

104

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