автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Экспериментальное моделирование работы подземных сооружений в форме горизонтальных цилиндрических выработок



Ростовская-на-Дону государственная академия строительства

на правах рукописи

Калякин Владимир Николаевич

Экспериментальное моделирование работы подземных сооружении в форме горизонтальных цилиндрических выработок

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты 06.23.17 - Строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 1996

о

Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного проектирования объектов строительства п фундаментостроення Новочсркасского государственного технического университета.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, академик МАН ВШ, доктор технических наук, профессор Мурзенко Юлиан Николаевич

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Панасюк Леонид Николаевич

Официальные оппоненты: лауреат Государственной премии и

премии Совета Министров СССР, доктор технических наук, профессор Коновалов Павел Александрович

доктор технических наук, профессор Ананьев Игорь Всеволодович

Ведущая организация: ОАО Ростовский Теплоэлектропроект

Защита состоится " 3 " декабря 1996 г. в 10 час. 15 мин. на заседании диссертационного Совета Д.063.64.01 Ростовской-ыа-Дону государственной академии строительства (344022, Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая,162) в зале заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " " 1996г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета, кандидат технических . Панченко

Общая характеристика работы

Алстуальность темы. Надежность работы подземных сооружений, например горизонтальных выработок станций метрополитенов, тоннелей в горной местности для железнодорожного и автомобильного транспорта, находящихся в сейсмически неблагоприятных регионах страны, а также объктов гражданской обороны, подвергающихся действию ударных волн, требуют применения специальных защитных мероприятий.

Актуальность проблемы прежде всего связана с тем. что нормативные документы, регламентирующие надежные и вместе с тем экономичные способы строительства перечисленных выше типов подземных сооружений в ряде случаев не имеют достаточного экспериментального и теоретического обоснования.

Разработка новых и совершенствование существующих способов изучения работы и оценки прочности подземных инженерных сооружений является актуальной задачей. Успешное решение этой задачи позволит обеспечивать длительную эксплуатационную надежность возводимых сооружений.

Актуальность этих вопросов отмечалась в решениях Научно-технического Совета Госстроя РФ, на конференциях и совещаниях по проблемам строительства и защиты подземных сооружений.

Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение работы подземного сооружения в форме горизонтальной цилиндрической выработки в массиве грунта при нагружении его статическими и динамическими нагрузками.

Для достижении цели доставлены следующие задачи:

1. Разработка методики экспериментального моделирования для изучения работы подземного сооружения.

2. Теоретическое исследование условий подобия и выводы критериев подобия для моделирования процессов взаимодействия подземного сооружения и массива грунта при динамических воздействиях.

3. Разработка методики и создание автоматизированного испытательного комплекса для измерения параметров состояния объекта при статическом и динамическом нагружениях.

4. Разработка методики подбора модельного материала с заданными свойствами по результатам факторного эксперимента с последующей реализацией ее на ПЭВМ.

5. Экспериментальное исследование на моделях процессов развития НДС подземного сооружения и массива грунта при различных условиях нагружения.

6. Построение и теоретическое обоснование схем разрушения подземного сооружения и массива грунта.

7. Разработка рекомендаций по повышению прочности подземного сооружения в форме горизонтальной цилиндрической выработки в массиве грунта при статической и динамической нагрузках.

Научная новизна работы состоят в следующем: -получены критерии подобия в экспериментальном моделировании работы подземного сооружения и окружающего массива грунта при различных способах нагружения;

-разработана и апробирована информационно-измерительная система с высокой разрешающей способностью для проведения экспериментальных (модельных) испытаний объекта как в лабораторных условиях, так и в условиях полигона;

-получены экспериментальные данные о напряженно-деформиро-вапном состоянии околовыработочного массива грунта и зонах разрушения при различных способах нагружения;

-показана возможность использования программного комплекса "ПОЛЮС" для качественного и количественного прогнозирования напряженно-деформированного состояния околовыработочного пространства, а также образования и дальнейшего распространения зон предельного состояния, непосредственно предшествующих разрушению и вывалу массива грунта;

-разработаны рекомендации по оценке прочности подземных сооружений в форме горизонтальных цилиндрических выработок в массиве грунта и повышению их несущей способности.

Практическая значимость диссертационной работы: -разработана методика экспериментального моделирования работы подземного сооружения и массива грунта при различных видах силового воздействия;

-разработан и освоен испытательный комплекс с высокой разрешающей способностью для регистрации, измерения и обработки исследуемых параметров при действии статической и динамической нагрузок;

-разработана методика подбора модельного материала с заданными свойствами по результатам факторного эксперимента с последующей реализацией ее на ПЭВМ;

-проведенные экспериментально-теоретические исследования и разработанные на их основе рекомендации по оценке прочности подземных сооружений в форме горизонтальных цилиндрических выработок и повышению их несущей способности, позволяют повысить эксплуатационную надежность и долговечность подземных сооружений.

На защиту выносятся:

-методика экспериментального моделирования работы подземного сооружения и массива грунта при различных видах силового воздействия;

-результаты теоретических исследований по разработке условий моделирования и выводу критериев подобия в экспериментальном моделировании работы подземных сооружений цилиндрической формы;

-методика подбора модельного материала с заданными свойствами для моделей различного масштаба на основании результатов факторного эксперимента;

-результаты экспериментального изучения на моделях напряженно-деформированного и предельного состояний околовыработоч-пого массива грунта при статическом и динамическом нагружениях;

-конструктивные меры, предназначенные для повышения несущей способности подземных сооружений в форме горизонтальных цилиндрических выработок.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 121 наименование, и 2 приложений. Полный объем диссертации 213 страниц, включая 95 рисунков и 12 таблиц. Основной текст диссертации (без оглавления, списка литературы, приложений, рисунков и таблиц) содержит 127 с. машинописного текста.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях научно-технического совета отраслевой научно-исследовательской лаборатории конструкций и сооружений ВЗИСИ (Москва, 1986, 1987гг.), па II Всесоюзной конференции "Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании основании и фундаментов" (Йошкар-Ола, 1989г.), на Российской национальной конференции по механике грунтов и фундамен-тостроенгоо с иностранным участием (Санкт-Петербург, 1995г.), на внутривузовских конференциях кафедр строительного цикла НГТУ (1987-199бгг.).

Результаты работы использованы в учебном процессе по специальности 29.03. ПГС САПР. Проведенные исследования отражены в отчетах по тематике хоздоговорных работ НГТУ.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 работ и получено одно анторское свидетельство.

Автор выражает благодарность доценту, кандидату технических наук В.П. Дыбе, консультации которого использованы в процессе работы и написании диссертации.

Основное содержание работы.

Во введеляи обосновывается актуальность темы, ее научная и практическая целесообразность.

В первой главе дан анализ состояния изучаемого вопроса, отмечаются актуальные направления в развитии теоретических методов расчета и экспериментальных исследований по изучению воздействия статической нагрузки и волн давления на цилиндрическую выработку в массиве грунта. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Основные модельные представления статики и динамики грунтов рассмотрены в трудах Х.А. Рахматулина, А.Я. Сагомоняна, С.С. Григоряна, Г.М. Ляхова и др. Распространение плоских волн в пластических средах при различных диаграммах С от В рассматривалось А.Л. Павленко, Г.В. Литвиновым, Х.А. Рахматулиным, В.Н. Родионовым, А.Я. Сагомоняном, А.Ю. Ишлинским, Н.В. Зволинским, С.С. Григоряном, Г.М. Ляховым, Г.В. Рыковым, Г.С. Шапиро, О.Я. Шех-тер. А.П. Синицыным, К.В. Николаевым, В.Л. Бидерманом, В.А. Ильичевым. В.Н. Николаевским, Л.Р. Ставницером, Б.С. Расторгуевым, В. Гольдсмитом, С. Калисским и другими.

Методам расчета оснований сооружений и совершенствованию расчетов по предельным состояниям посвящены труды Н.М. Герсеванова, Д.Е. Польшина, В.В. Соколовского, В.Г. Березанцева, С.С. Вялова, М.В. Малышева, П.Д. Коновалова, Ю.К. Зарецкого, Ю.Н. Мурзенко,

A.К. Бугрова и др.

Наиболее близкими к теме диссертационной работы являются экспериментальные и теоретические исследования, проведенные М.М. Бароном, В.Н. Николаевским, А.Д. Борулевым, А.И. Дружининым,

B.К. Макеевым, Ю.В. Сушковым, Г.В. Васильковым и Л.Н. Панасю-ком, А. Дурелли и В. Райли, С.М. Айзиковичем и др.

Экспериментальные работы по изучению напряженно-деформированного состояния на границе цилиндрической полости в однородной изотропной среде при статическом и динамическом нагружениях, которым посвящены работы А.Д. Борулева, А.И. Дружинина, В.К. Макеева, Ю.В. Сушкова, А. Дурелли, В, Райли и др., позволили установить статическое и динамическое распределение напряжений па границе отверстия, характер образования и дальнейшего распространения трещин, основные зоны вывала материала внутрь полости и зависимость их расположения от параметров нагружающего воздействия. Однако, несмотря па несомненную достоверность, высокую значимость и полноту полученной информации по всем указанным исследованиям, представляется затруднительным в полной мере воспользоваться результатами работ упомянутых авторов применительно к условиям моделирования, принятым в диссертационной работе, поскольку имеются существенные отличия по ряду критериев подобия.

Теоретическое решение аналогичной задачи с применением метода конечных элементов получено Л.Н. Панасюком. Тем не менее необходимо заметить, что это решение не имеет достаточно полного экспериментального подтверждения.

В связи с этим, исходя из отмеченных особенностей состояния вопроса, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработана методика моделирования экспериментальных исследований на основе теории подобия, дано теоретическое обоснование модельных испытаний путем анализа размерностей.

Для проведения модельных испытаний необходима количественная и качественная оценка параметров, существенным образом влияющих на изучаемые процессы в натурном сооружении. Это осуществляется с помощью теории подобия. Следует отметить, что теория подобия развивалась в основном благодаря трудам отечественных ученых. В этой области хорошо известны работы H.H. Павловского, A.A. Гухмана, М.В. Кнршгчева, В.Л. Кирпичева, Ю.Н. Мурзенко, Л.И. Седова, Л.С. Эйгенсона, П.Д. Евдокимова, B.C. Петухова, П.М. Алабужева и др. Подобие явлений означает, что данные о протекании процессов, полученных при изучении одного явления на модели, можно распространить на все явления, подобные данному. При этом необходимо учитывать, что модель не дает и не должна давать подобие абсолютно всех процессов, совершающихся в явлении. Модель обеспечивает по-

добие только тех процессов, которые удовлетворяют критериям подобия, найденным на основе теории подобия.

В данном случае в качестве системы определяющих параметров выбраны величины:

Р;Я;а; гЛ\ и; р, (1)

где Р - максимальное давление на фронте волны;

К - предельное давление на сжатие образца породы, получаемое из

стандартных испытаний; а - характерный размер блоков, выделенных трещинами; г - радиус полости;

t - характерное время воздействия импульса давления;

- ускорение свободного падения; Е- модуль Юнга;

- коэффициент Пуассона; р - плотность.

Анализ размерностей перечисленных величин и основные положе-ия /Г-теоремы позволили получить следующие безразмерные критерии подобия:

*1 = »; = *» = -; ^° Р ; = = {2) к а р • • / л

В качестве исходного принят материал натурного сооружения с характеристиками:

у=0,3; В.сж=ЧЧ,ЬМПа\

Е=П000МПа\ р=: 2500кг/м8.

Из постоянства критериев (2) вытекает, что модельный материал для моделей различных размеров должен обладать следующими физико-механическими характеристиками.

Для модели 200 х 200 х 200 мм:

V -=0 ,3; Ясж = 0,232 МПа; Е = 253 МПа; р = 1993 кг/ма.

Для модели 300 х 300 х 300 мм:

V =0,3; Ксж =0,365МПа; Е = 398МПа; р =1997 кг!ма.

Для модели 500 х 500 х 500 мм:

V =0,3; Ксж = 0,638МПа; Е = 694МПа; р -2046 кг/'м3.

Введение в горную выработку подкрепляющих устройств приводит к появлению дополнительных критериев подобия. Их появляется столько, сколько становится новых определяющих параметров. К новым определяющим параметрам следует отнести механические характеристики заполнителя - Ег; V,,; Яг; р3; <р,А (угол внутреннего трения), а также механические и геометрические характеристики подкрепляю-

щей оболочки - Д,; <7ПР', г0 \ h. В связи с этим к ранее полученным условиям подобия должны быть добавлены критерии, характеризующие;

а) материал заполнителя -

Р Р Г

— = const; — = const: vp = const; ——— = const: <з„ = const,

К & Pz-g-r

б) подкрепляющую оболочку (при изготовлении оболочки в модели и в натуре из одного материала) -

5

Ьмод = Ьн ■ {гмод!Гн)&ъ

В третьем главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и апробацией регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры, а также нагружающих устройств, приборов и датчиков, используемых в экспериментальных исследованиях.

С номощью разработанной информационно-измерительной системы (ИИС) по плану данной диссертационной работы изучались динамические процессы в моделях сооружений. Используемая в экспериментальных исследованиях ИИС обладает достаточной гибкостью, т.е. она может быть применена как в лабораторных условиях, так и в условиях полигона. При этом возможно разделение всей системы на две части: регистрирующую (усилитель тензометрических сигналов и магнитограф) и обрабатывающую (измерительно-вычислительный комплекс Ф-36). Первая часть выполняет роль передвижного модуля ИИС и как правило используется при проведении самих испытаний, включая полигонные, вторая же служит для обработки результатов только в стационарных условиях. Обработанная информация выводится на внешние регистрирующие устройства (графопостроитель, перфоратор, цифропечатающее устройство).

ИИС включает в себя:

- 12 канальный усилитель сигналов тензорезисторных датчиков;

- измерительное устройство записи (магнитограф типа "TESLA");

- измерительно-вычислительный комплекс типа Ф-36;

- графопостроитель зависимостей типа Н-ЗОб;

- устройство синхронизации.

Разрешающие возможности информационно-измерительной системы определяются в основном параметрами измерительно-вычислительного комплекса Ф-36. Аналоговые сигналы преобразовываются в дискретную форму и в виде числовых кодов записываются в ОЗУ вычислительного устройства П318 комплекса. Количество записываемых

точек сигнала и интервал выборки накопителя позволяют изучать динамические процессы длительностью более 200 мкс,

Разработанная и смонтированная в лабораторных условиях копровая установка состоит из следующих составных частей: массивного основания, вертикальной рамы, переставной траверсы и устройства для сбрасывания груза. Данная установка позволяет динамически нагружать исследуемые образцы падением груза с высот в пределах от 0 до 150 см. Это обеспечивает передачу ударной нагрузки на испытываемую модель до 3 МГ1а.

С целью обеспечения возможности работы ИИС дистанционно, было разработано и апробировано устройство синхронизации. Конструктивно это устройство состоит из двух частей: оптической и электрической. Оптические приборы и фототранзистор КР-101 в пластмассовой светонепроницаемой обойме смонтированы на копровой установке и служат для подачи импульса на внешнее включение' накопителя сигналов Ф-Зб. Подача импульса производится в момент пересечения падающим грузом сфокусированного пучка света, направленного на фототранзистор через линзы излучателя.

В целях повышения надежности измерений при проведении полевых испытаний, значительно более сложных и дорогих, чем лабораторные, был разработан и изготовлен новый механический датчик давления. К достоинствам датчика следует отнести механическую схему измерения (вдавливанием), простоту и удобство в эксплуатации, высокую надежность и мобильность.

В четвертой главе разработана методика получения модельного материала с заданными свойствами для моделей различного масштаба на основании результатов факторного эксперимента. Составлен алгоритм программы по количественному подбору компонент модельного материала, дан сравнительный анализ статических и динамических испытаний образцов, выполненных из полученного материала.

Согласно разработкам и указаниям ВНИМИ все применяемые модельные материалы по природе связующего вещества разделяются на четыре группы. В нашем случае, когда материал горной породы (натуры) обладает хрупким разрушением целесообразно в качестве модельного материала использовать материал, относящийся к группе неорганических веществ. Поэтому нами был принят песчано-цементный материал. Его основные компоненты: песок, портланд-цемент, вода. Путем исследования безразмерных комплексов (критериев подобия) и показано, что величины, равные отношению Е/Ксж, соот-

ветственно для натурного и модельного материалов должны быть одинаковыми. Исходя из этого, определен вес компонентов материала на единицу объема. Это позволило получить исходные данные для проведения полного факторного эксперимента (ПФЭ).

Для обработки результатов эксперимента и представления их в виде полинома степени d использован регрессионный анализ. На основании матрицы планирования ПФЭ получено уравнение регрессии: к к к у - У] Ы ■ jü + У V bit ■ лу • x¡ (i * ./; j > i).

1=0 i=íj=l

Поскольку подбор модельного материала осуществляется по трем компонентам физико-механических характеристик {Им'. рм\ Ем), то система нелинейных уравнений имеет вид:

\уя = А> + А ■ + А • +А ■ -*3 + As ■ ^ ■+ Аз • • 4о ■ • -*з + А»3 • ■ <ч • ■ Ур = К + А' ■ Ч + Ч. ■ <4 + Ч • Л + А'а ■ • Л2 + As • -ri ' -Ya + ¿4 ■ -Г» • Х8 + ■ X ■ Хг • X,; .í^ = ¿>;+ ¿f • х, + х, + ь;;- ,у5 + ¿у:. ■ х ■ ,г2+^ ■ х • х8 + • х ■ х, + ■ .г, ■ х,. ■ xs. Для определения коэффициентов уравнений регрессии, совместного решения системы нелинейных уравнений методом Ньютона и статистической обработки полученных результатов разработан и реализован па ПЭВМ алгоритм программы.

Зная как меняется кривая зависимости напряжений от деформаций при изменении скорости нагружения, можно переносить результаты статических испытаний модели сооружения на случай динамического нагружения.

Предельными кривыми семейетва о = о(е,ё) являются:

а) "статическая" кривая О = Ост(е), т.е. зависимость напряжений от деформаций при возможно медленном нагружении;

б) "динамическая" кривая о = Один(е), т.е. зависимость напряжений от деформаций при возможно быстром нагружении, например, на фронте ударной волны.

"Статическая" кривая (рис. 1, кривая л) получена в результате испытания на сжатие кубиков размерами 150 х 150 х 150 мм на машине УММ-5, изготовленных из модельного материала для модели 300 х 300 х 300 мм.

Для получения "динамической" кривой (рис. 1, кривая 6) были проведены испытания аналогичных образцов на копровой установке. Пренебрегая, в первом приближении, вязкостью материала считали.

что максимальным значениям деформаций соответствуют максимальные значения напряжений.

О ,МПа

8

2

4

1

0,02 ^

0,01

Рис. 1 Графики зависимостей О — в при статических и динамических испытаниях образцов материала.

Из рис. 1 видно, что динамические напряжения превышают соответственные статические в 2,5-3 раза. По литературным источникам эта величина больше и составляет порядка 5-13 раз. Это можно объяснить тем, что принятый в динамических испытаниях упрощенный профиль волны нагружения отличается от реального, в связи с чем полученные значения напряжений меньше истинных и являются оценкой снизу.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований моделей сооружения, которые сопоставлены с теоретическими, основанными на использовании классического упругого решения и имеющегося решения аналогичной задачи с применением метода конечных элементов (програмный комплекс "ПОЛЮС").

Для статических испытаний были изготовлены четыре модели сооружения с размерами 300 х 300 х 300 мм, заключенные в металлическую обойму. Внутренний объем обоймы представлял собой усеченную четырехгранную пирамиду высотой 300 мм. Расширение обоймы к низу обеспечивало работу модели в условиях возможности боковых деформаций при нагружении ее вертикальной нагрузкой, как это имеет место в реальном скальном массиве. Смотровые окна обоймы зак-

рыты изнутри пластинами из органического стекла толщиной 5 мм с кольцевыми вырезами диаметром 62 мм в створе цилиндрической полости. Исследуемые модели имели тензооснащение.

Все испытания статической нагрузкой показали, что при нагрузке Р = 0,7- Рлр (Др - нагрузка, при которой происходит разрушение модели) по образующим цилиндрической полости, пересекающим горизонтальный диаметр, где концентрации сжимающих кольцевых напряжений наибольшие, появляются трещины. При дальнейшем нарастании нагрузки вокруг этих трещин формируются зоны разрушения, через которые разрушенный материал вываливается в цилиндрическую полость, пока не завалит ее полностью. Круглое поперечное сечение полости трансформируется в лункообразпое с угловыми точками по горизонтальному диаметру.

С целью более полного изучения деформаций моделей во внутреннем объеме они были распилены по двум плоскостям, перпендикулярным продольной оси полости. По полученным срезам проведены тщательные исследования состояния материала. В результате обнаружено наличие следов поверхностей разрыва сплошности модельного материала, образовавшихся за счет наличия сдвиговых деформаций. Удаляя мягкой кисточкой разрушенный материал, при боковом контрастном освещении была обнаружена основная картина зон разрушения.

По результатам статических испытаний моделей, их последующего распила и анализа была построена схема разрушения сооружения, представленная на рис. 2. Здесь прослеживаются несколько характерных видов деформаций. Кривые А, Б, С и Д являются поверхностями сдвиговых деформаций, разделяющими пространство вокруг выработки на зоны, в которых вид напряженного состояния различен. Так в одних доминируют вертикальные перемещения частиц среды (вертикальная штриховка), а в других - горизонтальные (горизонтальная штриховка). Можно представить, что цилиндрические поверхности я - о и с - д образующие контур сооружения работают на сжатие, как арочные своды. В зонах а - с и б - д материал работает, выполняя роль опор арочных сводов. Здесь материал раздавливается и начинает вываливаться внутрь полости выработки. Остальная часть материала в зонах 2 и -4 перемещается от оси выработки горизонтально в стороны. Эти деформации определяются конечной жесткостью обоймы и возможны в трещиноватых горных породах при местной нагрузке.

ффффф<Ь»ЬффффФФФ

<&/УУУ//У////УУУУ//УУ;/У/'//ЛУЛУ//У///У/'У'У/,'А

Рис. 2 Схема разрушения сооружения.

Лабораторные динамические испытания модели сооружения с размерами 300 х 300 х 300 мм в жесткой обойме были проведены на копровой установке.

В связи с тем, что информационно-измерительная система имеет 8 измерительных каналов с независимыми входами, то в тензометри-ческой модели тензокольцо принято с 8 тензорезисторами. Тензоколь-цо изготовлено из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм, жесткость которого незначительна и не вызывает концентраций при вагруже-нии модели.

Результаты измерения вертикальных и горизонтальных деформаций в точках 1, 2, 3 и 4 (рис. 2) на основании полученных магнитограмм позволили построить график зависимости изменения относительных деформаций в местах расположения тензоэлементов от величины нагружающего динамического воздействия.

На полигоне были испытаны три модели сооружения в виде замкнутой капсулы с тремя вспомогательными вводами. Габаритные размеры моделей;

-300 х 300 х 300мм (диаметр сооружения 60мм) -2 шт -600 х 600 х 600мм (диаметр сооружения 120мм) - 1шт

Модель сооружения имела пенопластовую капсулу, которая моделировала подкрепление сооружения. Капсула имела форму полого цилиндра со сферическими торцами и толщиной стенок 10 (16) мм. Мо-

дели оснащались тензодатчиками для определения деформаций вокруг основной полости. Нагружение осуществлялось одновременным взрывом 9-ти (20-ти) двухсотграммовых тротиловых шашек, расположенных на подкладной плите. В опытах фиксировались сигналы тен-зодатчиков с помощью блока регистрирующей аппаратуры. Максимальное давление воздействия определялось при помощи динамических датчиков вдавливания.

Результаты проведенных испытаний позволили установить:

1. Схему разрушения сооружения сложной формы при действии ударной волны нагружепия.

2. Значения вертикальных и горизонтальных деформацй по осям поперечного сечения модели.

3. Влияние сферических торцов сооружения и цилиндрических ответвлений на характер деформаций и разрушения модели сооружения.

4. Величину действующего давления и его изменение в пределах размера моделей.

5. Форму действующего импульса пагружения и его продолжительность.

После испытания пенопластовая капсула получила значительные деформации. Однако, значительная часть рабочего внутреннего объема была сохранена, и вывала материала внутрь полости не наблюдалось. В тоже время три отвода от основного сооружения, имеющие вдвое меньшие диаметры (неподкрепленные), были полностью разрушены и завалены материалом. Поверхность верхнего свода капсулы в результате испытания стала гофрированной и более темной а синаи с вдавливанием в нее модельного материала. Это вызвано сжатием верхнего свода. Поверхность нижнего свода осталась гладкой, светлой, местами имела разрывы, что говорит о деформациях растяжения. Установлена положительная роль сферических торцов в повышении несущей способности сооружений при импульсном нагружении. Они способствуют сохранению первоначальной формы поперечного сечения выработки. По мере удаления от сферических торцов происходит все большее закрывание полости и уменьшение высоты оставшейся части пространства выработки.

Поперечные распилы моделей по створам позволили определить и зафиксировать зоны меньшей плотности материала, а также обнаружить поверхности разрывов сплошности в массиве вокруг полости. При исследовании повторившихся в каждом опыте поверхностей раз-

рывов сплошности материала (трещин) обнаружены схемы трещино-образования, аналогичные полученным ранее в лабороторных условиях при динамических испытаниях на копровой установке. Зоны разрыхления, образовавшиеся в верхних частях модельных образцов и идущие от нагружающей торцовой поверхности до пенопластового свода, преобразуются из горизонтально направленных в параболические. В нижних частях моделей зоны разрыхления в основном горизонтальные.

Сравнительный анализ схем разрушения позволил выделить следующие особенности.

Сходства динамической и статической схем разрушения :

- трещинообразование над выработкой более развито, чем под ней;

- в сечениях по срезам наблюдается развитие магистральных наклонных трещин, проходящих от полости к углам модели;

- в обоих случаях наблюдается значительный вывал материала внутрь полости.

Различия динамической и статической схем разрушения:

- при динамических испытаниях основные зоны вывала подняты над горизонтальной осью поперечного сечения выработки на 10° - 15°, верхний свод разрушен значительно сильнее нижнего;

- при динамических испытаниях различия в степени разрушения сечений модели, разноудаленных от ее края, более выражены, что говорит о возрастании в этом случае требований к соблюдению условий плоской деформации в модельных опытах;

- при динамических испытаниях трещины над полостью менее развиты и не имеют замкнутых зон;

- при динамических испытаниях трещинообразование в непосредственной близости от выработки менее развито, горизонтальные трещины от полости к боковым граням модели не прослеживаются.

По результатам исследований П. Д. Евдокимова скальных грунтов на сдвиг показана возможность применения критерия Кулона-Мора (Щ к оценке прочности скального массива:

(от - ар)" + 4 ■ л = —- ,

(ае+ <7Р+ 2- H f

где Н = с - ctg<p, с - сцепление среды, (р - угол внутреннего трения среды.

Условие К ~ Кщ>= Sill2 <р будет являться условием предельного состояния. В условии Кулона-Мора отражено понятие внутреннего тре-

ния среды. И если наличие внутреннего трения в отдельном монолитном образце горной породы может быть поставлено под сомнение, то для реального массива горной породы на основании опытных данных П.Д. Евдокимова наличие внутреннего трения представляется несомненным, как следствие влияния сетки макро- и микротрещин в массиве.

Рассмотрено напряженное состояие горной породы. Величина Р состоит из двух слагаемых: давления в горной породе за счет веса вышележащих слоев и динамической составляющей. Прочностные характеристики условия Кулона-Мора (рис будут связаны с Rex следующим выражением:

с - — • ctg\ — + — I • Rex.

2 U 2 J

Для двух вариантов расчета (<з = 10°, <р - 30°) произведены вычисления и построены изолинии значений величины К/Кщз, показывающей степень приближения состояния среды к критическому (при ЛУ-/Й1р=1 происходит разрушение среды).

Сравнительный анализ схемы разрушения сооружения и картины изолиний критерия состояпия К показал, что главные трещины, разделяющие модельный материал вокруг цилиндрической выработки па области существенно различного напряженного состояния, проходят в направлении вытянутости изолиний критерия состояния, т.е. с точки зрения выбранного критерия состояния проходят по материалу, состояние 1{оторого наиболее приближенно к предельному.

Теоретическое представление о начальном напряженно-деформированном состоянии горной породы вокруг цилиндрической выработки может быть получено на основе классического упругого решения. Начальное напряженное состояние определяет схему появления трещин и их основные направления. Появившиеся трещины, распространяясь с большой скоростью, сравяивмой со скоростью распространения упругой волны, изменяют напряженно-деформированное состояние вокруг сооружения. На рис. 3 представлены графики распределения вертикальных и горизонтальных деформаций вдоль вертикальной и горизонтальной осей выработки, полученных на основании решения Кирша.

При нагружении пространства без полости равномерно-распределенной нагрузкой оно деформируется, причем линейные деформации ех ~ Еу = 0, е2 - = const. При нагружении пространства с цилиндрической полостью деформированное состояние вокруг полости иска-

жается, деформации концентрируются. Изменения деформированного состояния существенны на расстояниях от центра полости меньших 2,5 диаметров полости отверстия.

Наибольшие концентрации вертикальных напряжений наблюдаются в точках пересечения горизонтального диаметра с контуром цилиндрической полости. Здесь отношение £^./£° = 3,15. На вертикальной оси деформации В2 переходят через ноль в точке на расстоянии 1,35/? от центра полости (Я- радиус полости), а на поверхности полости становятся уже растягивающими, причем е2Ы% - -0,15.

Рис. 3 Распределение деформаций вокруг полости по теории упругости.

Горязоитальпьте деформации £х на горизонтальном диаметре являются растягивающими и концентрируются у границы полости, где £.г= ~Горизонтальные деформации £х на вертикальной оси переходят через максимум в точке на расстоянии 1.272Д от центра

полости и па поверхности являются сжимающими, причем здесь отношение ~ 0535.

Эффективно учитывать различные особенности реальных задач позволяет метод конечных элементов. Л.Н. Панасюком произведен расчет аналогичного подземного сооружения на нестационарное воздействие с применением вышеуказанного метода. В качестве исходной принята гипотеза плоской деформации, позволяющая для некоторых классов сооружений (тоннели, выработки и т.д.) получать решение с высокой точностью. Используя разработанный им программный комплекс "ПОЛЮС", выполнены расчеты по данным экспериментальных исследований. В результате информационного моделирования компоненты напряженного состояния представлены комплексом характеристик главных и касательных напряжений. Изолинии напряжений су. Ох. Тху и горизонтальных перемещений частиц их в процессе их развития с указанием развития пластических зон, получены в результате расчета по четырем теориям прочности (Баландина, для хрупких материалов, Мора, Писаренко-Лебедева). В целом картина распределения напряжений оу, сь. Тху и горизонтальных перемещений частиц Иг говорит о том, что экстремальные значения этих пеличин при росте нагрузки концентрируются в зонах, прилегающих к точкам пересечения контура полости с горизонтальной осью поперечного сечения модели.

Сопоставление данных экспериментальных исследований (статический режим нагружения) с результатами расчета по ПК "ПОЛЮС" показали, что количественная и качественная оценки параметров НДС моделей сооружения по теориям прочности для хрупких материалов и Баландина хорошо согласуются с данными опытон.

В шестой главе даны рекомендации по оценке прочности цилиндрической скальной выработки натурного сооружения методом экспериментального моделирования.

Установлено, что проведенным ранее статическим испытаниям моделей сооружения будет подобно следующее натурное явление. Статическое давление интенсивностью Р=325 МПа действует на полупространство горной породы, характеризующейся параметрами: R = 12,6МПа,Б = 0,79 • 105 МПа\р = 2500 кг/м?' ,v = 0.3. При этом цилиндрическая полость в полупространстве диаметром D—6,14 м полностью будет разрушена. Если учесть, что в модельном испытании 25% от Р есть силы трения по обойме, то разрушающим статическим давлением является величина f=244 Mlla. а нагрузка, при которой

трещины не появляются и горная порода будет вести себя квази-упруго вокруг сооружения, будет равна 0.7.Р=162 МПа.

Особенностью испытаний модельных образцов сооружения на лабораторной копровой установке явилось ступенчатое возрастание амплитуды повторяющихся импульсов воздействия с 2 МПа до 4 МПа. Значения критериев подобия при Р=4 МПа следующие: ж1 =0,3; пг =10,96; я5 = 37,5; п4 =6479; гга =0,01; жв =0Д8.

В связи с этим, рассмотренному модельному испытанию будет подобно следующее натурное явление. На неподкрепленную выработку диаметром .0=11,8 м в сплошной горной породе набегает волна наг-ружения длительностью / =124 мс с амплитудой Р=1210 МПа.

В результате такого воздействия произойдет ограниченный вывал разрыхленной горной породы внутрь сооружения, который заполнит примерна 20-25 % исходного объема выработки. При этом останется целым верхний свод полости с длиной дуги примерно 5,4 м и нижний свод с длиной дуги примерно 11 м. Основные зоны вывала будут подняты над горизонтальной осью поперечного сечения выработки на 10° - 15°. Горная порода вокруг выработки разбивается системой магистральных трещин. Со стороны прихода волны нагружения над верхним сводом выработки появляется зона, ослабленная системой трещин, параллельных поверхности выработки.

Обработка данных, полученных в результате полевых испытаний показала, что нагружающее воздействие характеризовалось амплитудой равной Рмз.1 ~ \ЪМПа и длительностью импульса I =22 мс.

Значения критериев подобия для моделей различного масштаба с диаметром полости 60 мм и 120 мм сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Крит.подобия ж2 «е

Р=60мм 0,3 41Д 37,5 24295 0,0377 0,40

1?=120мм 0,3 23.5 75,0 11596 0,022 0,28

Прогнозируемое натурное испытание будет подобно модельному, если наряду с геометрическим подобием характеристики импульса воздействия, натурного материала, а также материала подкрепляющей оболочки будут такими, что критерии подобия не изменят своих значений.

На основании результатов модельных испытаний можно утверждать, что во всех опытах волна нагружения, проходя по горной породе. разрушает ее на блоки, размеры которых порядка 0,1-0,15 м. Сце-

пленне между блоками практически отсутствует. В окружающей сооружение разрушенной горной породе можпо указать области значительного разрушения. Расположение зон разрыхления соответствует схеме трещинообразования при допредельных нагрузках.

Неподкренленные выработки - три цилиндрических отвода диаметром 0,5/? полностью завалепы разрушенной горной породой. Пространство подкрепленных выработок резко уменьшилось. Зафиксирована положительная роль сферических торцов выработки в повышении несущей способности сооружения. Сферические торцы способствуют сохранению первоначальной формы поперечного сечения выработки. По мере удаления от сферических торцов происходит все большее закрывание полости и уменьшение высоты оставшейся части пространства выработки.

На основе полученных результатов можно рекомендовать общее равномерное подкрепление толщиной 1,5 - 2,0 м, выполненное из пространственных конструкций со средней плотностью 50-100кг/м'3 и модулем деформации Е0 = 1000 - 4000 МПз при натурных диаметрах полости 10 - 12 м. Кроме того, для усиления наиболее нагруженных зон необходимо устройство упрочненного каркаса в виде равностороннего вписанного треугольника с вершиной в середине (на вертикальной оси симметрии) нижнего свода полости. При этом стороны треугольника должны иметь некоторый начальный изгиб в направлении от центра к границе полости с целью задания безопасного направления потери устойчивости элементов упрочнения. В местах спирания упрочненного каркаса необходимо дополнительное устройство с целью исключения прорыва общего подкрепления в наиболее нагруженных зонах.

Общие выводы

1. Разработана методика экспериментального моделирования по изучению работы подземных сооружений в форме горизонтальных цилиндрических выработок при статическом и динамическом нагру-жениях.

2. Обоснованы и теоретически исследованы условия моделирования, на основании которых найдены безразмерные критерии подобия, необходимые для определения условии проведения модельных испытаний.

3. Создана и освоена информационно-измерительная система с высокой разрешающей способностью для проведения в лабораторных и полевых условиях модельных испытаний объекта.

4. Разработана конструкция копровой установки, позволяющей в стационарных условиях динамически нагружать модельные образцы материала или сооружения.

5. Реализован на ПЭВМ и доведен до возможности использования в практических расчетах алгоритм программы по количественному определению компонент модельного материала на основании результатов трехфакторного эксперимента с последующей статистической обработкой.

6. Проведенные на копровой установке динамические испытания деформируемости модельных материалов, позволили установить зависимость между прочностными и деформационными характеристиками исследуемых образцов материала и сравнить ее с имеющейся статической.

7. В результате статических испытаний экспериментально исследовано деформированное состояние околовыработочного пространства моделей сооружения. В предельном состоянии выявлены зоны интенсивного вывала материала внутрь цилиндрической полости.

8. В целях изучения работы моделей подземного сооружения в широком диапазоне динамических нагрузок проведена серия лабораторных и полевых испытаний. Экспериментальные исследования позволили установить параметры нагружающих воздействий, определить относительные значения максимальных вертикальных и горизонтальных деформаций в зонах расположения тензоэлементов, зафиксировать зоны меньшей плотности материала, а также обнаружить поверхности разрывов его сплошности. Установлено сходство и отличие картин трещинообразований и схем разрущения цилиндрической выработки по результатам статических и динамических испытаний.

9. Путем применения ПК "ПОЛЮС" исследована работа модели сооружения при ступенчатом возрастании нагрузки. Получена численная и графическая информация о распределении компонент тензора напряжений и деформаций в целях сравнения с экспериментальными данными.

10. Результаты экспериментальных исследований сопоставлены с теоретическими, основанными на использовании классического упругого решения и имеющегося решения аналогичной задачи с применением метода конечных элементов. Выявлена аналогия в образо-

вании и дальнейшем развитии зон предельного состояния, а также схем разрушения цилиндрической выработки в теоретических решениях и в экспериментах.

11. Установлена положительная роль сферических торцов и подкрепляющих устройств в повышеншга несущей способности подземных сооружений в виде цилиндрической полости при различных способах нагружения.

12. На основании экспериментальных исследований моделей сооружения разработана методика, позволяющая осуществлять прогноз поведения натурного объекта, внешнее воздействие на которое определяется через имеющиеся критерии подобия.

13. Определена эффективность подкрепления горных выработок конструкциями или оболочками, выполненными из материалов, допускающих большие пластические деформации,

14. Результаты исследований использованы при прогнозировании поведения и характера разрушения натурных сооружений.

Список работ по теме диссертации.

1. Изучение работы преобразователей в статическом и динамическом режимах// Исследование и расчет оснований и фундаментов при действии статических и динамических нагрузок: Межвуз. сб.- Новочеркасск, 1988.- С. 107-111. (Соавтор Ю.В. Галашев).

2. Развитие упруго-пластического состояния сплошной среды вокруг заглубленных сооружений// Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов: Тез. докл. 2-й Всесоюз. конф. Йошкар-Ола, 1989.- С. 55-56. (Соавтор В.П. Дыба).

3. Получение материала с наперед заданными свойствами с использованием факторного эксперимента// Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований: Межвуз. сб.- Новочеркасск. 1990.- С. 134-139.

4. A.C. 1629402 СССР, МКИ Е 02 Д 1/00.Устройство для измерения угловых деформаций в грунте/ Ю.Н. Мурзенко, В.В. Шматков, Ю.В. Галашев, В.Н. Калякин, Л.В. Краснояруженский.- Опубл. 1991, Бюл. №3.

5. Дистанционный преобразователь для измерения угловых деформаций в сыпучих средах// Исследования и разработки по компьютер-пому проектированию фундаментов и оснований: Межвуз. сб.- Ново-

черкасск, 1993,- С. 85-87. (Соавторы Ю.Н. Мурзенко. В.В. Шматков, Ю.В. Галашев, Л.В, Краснояруженскнй).

6. Предельная устойчивость подземных сооружений в форме цилиндрических выработок// Труды Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению с иностранным участием.- Санкт-Петербург, 1995.- Т. 3.- С. 490-493. (Соавтор Ю.Н. Мурзенко).

7. Динамические испытания модельных материалов на копровой установке// Исследования и компьютерное проектирование фундаментов и оснований: Межвуз. сб.- Новочеркасск, 1995,- С. 63-67.

Подписано в печать10.1996 г. Формат 60 х 84 1/16. Объем 1,25 пл. Тираж 70 экз. Заказ № 1021

Типография Новочеркасского государственного технического университета.

346400, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. Ксерокс, бумага офсетная.