автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование параметров железобетонной крепи стволов повышенной несущей способности

Ha ¡цльак ¿¡l'H'ii/iiib'ii

KABEPillI llrcpi- Ш/Сшл'лшч

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ йЕЛЕйОЕЕТОШЮЙ КРЕГШ.. СТВОЛОВ ШЫШЕШЮй НЕСУНЫ! споссиииош

Специальность Ob.i5.G4 - Строительство »¿х? и гюдземшм сооружений

Автореферат диссертации па исискгшие ученой степени глпдвдата технически паук

Тула - 1995

ГаОота выполнена в Тульском' государственном техническом уттстпитот?.

Научный руководитель

заслуженный деятель науки и техники Р.ф. докт. техн. наук, проф. БУЛЫЧЕВ Н.п.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КЛЕЙМЕНОВ В.Б. канд. трлн. ■ неук, ГЕЛЕСКУЛ В. II.

Ведущее предприятие - трест "ШаЧтспецстрой"

Защита диссертации состоится " № " УМ&уЪХ-- 1995 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 063.47.01

Тульского государственного технического университета по адресу: .Х'ООЛО. г. Ту.?;а, пр.Летшэ,

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного технического университета.

Автореферат разослан " $ ■■ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного сонета, канд.техн.наук

М.Пискунов

окг.я ХЛГЛКТЕНЮТИКА РАБОТЫ

В слабых обводненшм порогах при строительстве пзхт Поднос-торного угольного бассейна более 40 7, протяженности еортикаяъиь"« стполоп закреплена- чугунной тюбинговой крепья.

Расчета н спит крепления стволов келег-обетонноп крепмэ о гибкой арматурой показывают, что применение обычной продольной гибкой арматуры в крепи, испнтывтцеи сжимавдие тангенциальное напряжения, нерациональна. Пр« обычно принятом проценте армирования ( до 3 % ) наличие арматуры приводит к - незначительному уменьшен!® напряжений, в бетоне, которые остаются практически одинаковыми как в монолитной бетонной крепи С без арматуры ), так и в железобетонной крепи. Разрушение крепи происходит в результате разрушения Сетона, при этом стержни арматуры теряют устойчивость в продольном направлении и изгибаются. Таким обрааом, наличие гибкой арматуры практически не увеличивает несущую способность железобетонной крепи, испытывающей сжимающие напряжения, по сравнению с такой же монолитной бетонной крепью. Поскольку стоимость чугунной тюбингоЕой крепи существенно вьозе ле-лезобетонной крепи, возникает актуальная задача - изыскать возможность повышения несущей способности монолитной ж.елеообетоннон крепи за счет рационального расположения арматуры.

Исследования выполнены в рачках НИР "Разработать конструкции, технологические схемы,- методы и компьютерные программы расчета крепи вертикальных шахтных стволов из монолитного и сборного бетона и железобетона, обеспечивающие существенное повышение несушей способности крепи", N госрегистрации 01.9.ЕО 000474.

Цель работа заключается в обосновании рациональных параметров монолитной железобетонной крепи шахтног ствола на основании экспериментального изучения механизма и закономерностей разрушения крепи на моделях.

Идея работы заключается в повышении несущей способности монолитной железобетонной крепи шахтного ствола, сооружаемого в сложных гидрогеологических условиях ( начичие слабый обводненных пород ) ва счет радиального расположения главной арматури каркаса, о учетом особенностей и закономерностей-раэрушения крепи.

Методы исследований - экспериментальные исследования несущей способности и разрушения железобетонной крепи вертикального

иахтного ствола на моделях на специально разработанном автором стенде.

Изучайе пояснения, разработанные лцчяо соискателем, и их иозигна.

1. Разработана методика н средства испытаний модели крепи вертикального шахтного отвода (непитательный стенд» нагрузочное устройство, средства измерений).

2. Установлен ыеханизи разрушения монолитной бетонной крепц ствола в слабил обводненных породах, установлены две стадии раерушеиш монолитной бетонкой крепи ствола:

- на первой стадий разрушения крепи оСраеуется наклонная к радиусу тревдша сдвига, соответствующая линии логарифмической спирали (согласно теории прочности Кулона-Мора);

- на второй стадии ослабление крепи в результате образования тресушц сдвига, приводит к локадивации участка равруиения, который выдавливается внутрь ствола.

3. Установлены зависимости деформаций монолитной бетонной и аедевсбеюнной крепи ствола от нагрувок на крепь и параметров армирования.

4. Получена эмпирическая еависимостъ несущей способности монолитной железобетонной крепи ствола от параметров арыированиЯ при радиальном расположении главной арматуры-

Достоверность научны« положений, выводов я рекомендаций обоснована применением екоперименгального метода исследования несущей способности монолитной бетонной и келевобетонной крепи ствола на Моделях в соответствии о критериями подобия и подтверждается обгеаог^ испытаний (испытано ар модеаей, сделано около 1000 намерений). 4

Научное значение диссертационной работы вакхичеется р установлении мекайивма раьрувдния монолитной бетонной крепи ствола й слабил обводненных породах, установлении вависимости • несущей способности Крепи от параметров армирования при радиальной расположении главной арматуры.

Прамючеснов значение диссертации состоит $ обронорании эффективного расположения главной' арматуры в радиальном Направления, что позволяет повысить несуща способность монолитной келе-аобетонног крегШ вертикального шахтного ствола, и Получении расчетных заЬисииостей длй определения рационалЫшЛ Параметров ар-

- й -

кировашп.

Ооновные рееу.чьтагн р-чботи преттти к г.чедреш:» трестом "Шачтспг-цстрой" и ДО "Носбяссаахтосзрой" ври разраГкзгк» рабочей документов»! но сттшм стЕолам.

лщктбпиия рлвогы. Ооноерш положения дпгс?ртдасилой ргЛчи'' докчадмвашсь на заседании Секции расчета п [гро.жгиропапи:» гоис-трукцич подрамник сооружений Тошюл-кой Лсссцнзд-гл (г. Тула, 1С04 г.), ипучно-техшпеск.т; конференциях преподавателей и сотрудников Ту.11'ТУ (г.Тула, г.г).

Публикации. По тене диссертации опуСЗликоплт три статьи.

Оаднэтурз и объем рзС-ош. Диссертация состоит из введения, трек г лагз, заключения, кгложекга-'к йа //«Сотрашшах тп&юшягого текста, рису!нив, У таблиц, списка кспользогачной литературы из ГС5'

СОДОТШИЕ РАБОТЫ

Модедировзние .чп.тяется одннч вз взкрцч ендсе кеслсззиага« ПОЦЗРМ!!1-.'Х КОНСТРУКЦИЙ. При ШДеЛ£1ГСЕ£Ш;!И ЧОКЦО В!ССЛ-ЛТЬ н управлять осиоьния! фактерючь изучение которпх является цель» данного эксперимента, а при построении модели - предусмотреть пярь-проганне этик йчясгоров пл отдаиних урошя» (кыкпчу стршя! псд-зомного сооружмш, копу-ль дс|гр<гаипп млторазш осгруг-рнкя. величину нпгруаки).

Моделирования райоти кропя вергАкалышэс выргЛзгок посвятепа обширная литература. Сагош тсоряк моделкровспга мэгедем эквивалентных материалов залечены грудгши Г.Н.Куонецоса и его глгадн.

Непосредственно методом моделирования препк стеолов посвя-црны работы М.И.Агоагсова, А.А.Бориоог-а, И. г\Буличевз, Р.И.Кравченко, Р. А.Крупешшковз, Н.Л.йкатоса и др.

Ряд работ посвяцен.определенно давления на [-.репь (М.И.Агош-ков,И.С.Булычев, Р. А. Крупекникоп, Ю.С.Обручев, Ю. И.Огородников, Н.А.Филатов, А.М.Янчур и др.).

Исследовались на моделях деформации и раерувени'? конкретш« конструкций кропи отводов:

- »эдповптноЗ бстспиоЛ и гселсзобетонтюЛ (Д.Рихур. м. Кзас-чеяагкй. Е.Стр.-«, К.Упруг. З.^еппи? п др);

- анкерной (Б. К.Воронин А. О.ГЗр^мцос. Л.И.Кол:*.и, Г.И. Край-

ч?нет, С.'.'.Гпгивний, В.М.Рогинсда";, В. ¡1.Туманов, ц;;р.);

- сталебетонной {Г. 1!.иодровскиЛ, СЛ|. Ра-усеико р др.-)!

- стальной (трубы) (Г.Б.Добровольский, Д.М.Казикаэя,

С,В.Сергеев).

Во всех экспериментах, связанных с исследованием несущей способности монолитной железобетонной крепи вертикального вахг-ного ствола моделировалась обычная продольная гибкая арматура. С связи с этим, целью диссертационной работа является обоснование {'¿^положения рабочей арматуру и рациональные параметров ар).;;;ро-гашш монолитной железобетонной крепи шахтного ствола.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следув-мие зада-ш исследований:

- разработать методику и средства испытаний Модели крепя вертикального шахтного ствола; ' ' . .

- установить механизм разрушения монолитной бетонной крепи ствола при равномерной -внешней нагрузке;

- провести эксперименты по моделирований бетонпай н железобетонной крени ствола в условиях слабых водоносных пород и установить зависимости деформаций крепи ствола от нагрузок на крепь;

- определить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния крепи ствола от параметров армирования.

На основании проведенного анализа с учетом критериев подобия при разработке стенда и средств моделирование, принят масштаб моделирования 1:20. В соответствии с физической картиной работы крепи ствола в слабых обводненных породах принято равномерное на1 руление крепи по внешней поверхности, Величина нагрузки должна быть независимой от деформирования модели подобно тому-1сак это имеет место в случае гидростатического иагружения крепи в обводненном массиве. '

Названные выше общие положения могут быть реализованы при применении гидравлической системы иагружения. Автором разработана конструкция испытательного стенда, показанная на риа.1. Стенд состоит из цельного металлического корпуса^ к которому крепятся болтами фланцы. Толщина стенок корпуса рассчитана на нагрузку до Ю Ша. Фланцы фиксируют модель крепи ствола в центре стенда и

Рис. 1. Схема стенда для кспитэшя I вдета ирепи 1 - трпта фланец; с - 1!!!«НШ"| фл'.иец; 3.- чгрлус}

4 - кольцевой рвэиновий дшкр&г, б - недель крепи; ■

6 - тоизоыэгрг,ческко датчики;

7 - ¡шдякагор часового ткпа.

- о -

искляча^т ь? соевые деформации, создавая условия плоской деформации лея материала модели.• "

•• Кольцевой доынрат изготовлен ив Беазшаслострйкой резины и слуянт для совдшшя равномерного давления иа нарукнуй поверхность модели крепи. В кольцевой резиновый доьнфат соответствующим обрааоы ваделан металлический штуцер, который крепится к корпусу и к рукаву высокого давления. Для нагружеиия модели крепи ксяольвуегс^ установка для Гидравлических испытаний Ш) 720/100, погорал иозЕолзет полуфгаЬ Давление до ао Ша.

Деформации модели крепи в ироцесле йейут&фй, квмсряаксь с помощью теваоревисторов сопротивлений, наклеенных на внутренкз Поверхность крепи. Показания датчиков фиксировалась с поповом комплекта 1»йювой тонесметрической .аппаратуры ЦЙ{-1 для Измерения статических деформаций. Радиальные перемещения вйутреякей поверхности модуля крепи ивмерйлись -индикаторами часового типа с ценой деланна 0,01 км. •

Модели Крепи изготавливались с помощью спроектированной автором формы (опалубки), состояв?« из трех частей: коддойв, наружной опалубки и внутренней опалубки. Сорца изготовлена 1з виде раэтешоГо соединения, ' что существенно облегчает продало изготовления и извлечений ыодели из ($орьи.

-При подготовка эксперимента, подборе материала крепи, составлении мйтодикй ак-.ор руководствовался уетодиУестш полшеви-БНШ'1. Геометрические характеристики ¡додели крепя ствола на-' хиЯитса в елгдукуи пределах; высота. модели иревк Ьм«400 , наружный диаметр модели ам=370 им., таэдща'-- ¡с;.

Полью моделирования монолитной бетонкой крепи ьерЩкального иахтного ствола являйся ИнктшШЗ рцйотК креПн й слсявых гидрогеологических условиях при наличии Ьлабыхводой осн-й Пород {применительно к условиям подмосковного бассейна а кы Мюбньы). В слабых водоносных породах, модуль деформаций которых па., два и Солее порядков мельие модула деформации Нрепй, креп» работает в режиме "заданной гагруакй", испытывает па^руаку, равную гидростатическому давлений взвешенней в Ьоде' грунтовой касса и Не зависящей от жесткости крепй. ьто обстоятельство гЫвададо упростить методику испытания моделей к ограничиться 'моделированием только крепи, бев имитации окружающего массиЬа гориц* пород.

Материал для подели крепи вертикального ыахтного ствола

Рвс.З. Сэди армировамш железобетонной крепи стсола:

í - рзбочля радиальная арматура, пропятсгпуюдая i-i стадии рас-рушения крепи;

Z - рзЗочея продольная арматура, вступетщая в palп

на 2-й стгздки разрушения крепи; 3 - распределительная арматура,

п -

На основании установленного механизма расруизкия монолитной бетонной крепи, ■ предложено рациональное армирование модели. Рациональное армирование заключается в установке рабочей арматуры Б радиальном-направления. Работа такой конструкции модели крепи подобна работе анкерной крепи контактного, типа. Неоуиая способность монолитной железобетонной модели крепи ствола пошситсп, если лиивд скольжения пересечена хотя ^ы одним стержнем арматуры. Рад»;альнак арматура препятствует образования трещин сдвига и обеспечивает целостность крепи. Крепь не теряет несущей способности я после образования трепщн сдвига, яогя сопротивление крепи уменьшаете^. Радиальная' гфматура, пересекаемая линиай сцодйжения модели крепи ствола, в оби,ем случае не срезается. При этом предел текучести-материала радиальной арматуры на растяжение определяет степень удлинения радиальной арматуры и частично го вдавливания ее в материал модели крепи.

Благодаря такому натяжэнию радиальной арматуры создается состояние объемного сжатия материала мэдели крепи, что препятствует возникновению и расширешю микротрещин прй нагружеиии и повышает сопротивление материала крепи разрушении.

Исследовались' модели монолитной железобетонной крепи стволов при раалнчном расположении рабочей арматуры. Установлено,что наилучшее результаты достигается при расположении рабочей арматуры строго радиадыю (рис.3). 'На рис.4 показаны зависимости тангенциальных Деформаций на внутреннем контуре сечения крепи и радиальных Перемещений, контура от тангенциальных нормальных напряжений в крепи й нагрузок.на крепь.

Количественно эффект упрочнения оценивается коэффициентом упрочнения

Купр= 6*с/в0 , (1)

где б*с и бс - соответственно предел прочности на сжатие материала радиально армированной модели крепи и неармированной модели.

Эффективность армирования возрастает с увеличением плотное-

6 г ч<зМЛа

Рис.4. Зависимость тангенциальных деформаций ее-На внутренней контуре сзчення крепи от тангенциальных нормальных напряжений й&вн в креню •

^ - процент армирования,

бс- 'предел прочности Материала крепи.

ти установки радиальной арматуры. После математической обрдбото

результатов эксперименте:! получен экспериментальной критерш прочности монолитной железобетонной крепи стволов повнаенной несущей способности (подобный экспериментам ному критерии прочности системы крепь-порода при напрягающей штанговой крепи профессора Г. И. Кравченко) , сооружаемых в сложных горногеологически? условиях

б*с= 1,14бс>10-35 , (Е)

где р. - процент армирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании экспериментального изучен«! механизма и закономерностей разрушения крепи на моделях обоснованы рациональные параметры монолитной железобетонной ' креп шахтного ствола.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующе;

1. Разработана конструкция стенда и средства для испытали; моделей крепи (нагрузочное устройство, средства измерений) стео ла при масштабе моделирования 1:ВО. Измерялись деформации прово лочными тензометрами и перемещения внутренней поверхности крепи Испытано 30 моделей из гипса, парафшганесчакой смеси й цементно песчаного раствора и сделано около 1000 измерений.

2. Установлен механизм разрушения крепи ствола и процес возникновения и развития трещин в монолитной бетонной и железо бетонной крепи При сооружении его в сложных гидрогеологически условиях (наличие слабых . обводненных пород), установлены дв стадии разрушения крепи ствола:

- на первой стадии разрушения крепи образуется нашоннад радиусу гревдиа сдвига, соответствующая линии логарифмическс

спирапи (согласно теории прочности Кулона-Мора);

- на Второй стадии ослабление крепи в результате обрааорл-иия трещины сдвига, Приводит к локализации участка разрушения, который выдавливается внутрь ствола, при этом крепь подвергается деформациям изгиба.

3. Экспериментально установлена эффективность радиального расположения рабочей арматуры. Благодаря натяжения радиальной арматуры возникай* дополнительные напрлкегня, согдавля соотонннг« объемного сжатая материма

4. Установлены предельные деформации и зависимость деформаций монолитного бетона в крепи шачтпого ствола от нагрузок на крепь.

5. Установлена зависимость несущей способности монолитной модели крепи вертикального шахтного ствола от параметров армирования, получена эмпирическая расчетная зависимость для определения коэЗфщиенга упрочнения бетона в железобетонной крепя при радиальном расположении рабочей арматуры.

6. Предложена схема армирования крепи вертикально!п шахтного ствола повышенной несущей способности, состоящей из главной радиальной арматуры и продольной кольцевой арматуры.

Результаты' исследований принят к виедреш-го трестом "Шахт-спецстрой" и АО "МосбассшаХтострой" при разработке рабочей документации по шахтным стволам.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Каверин И. М. Стенд для исследований напрменно-дгформи-рованного состояния моделей крепей шачтиах стволов // Механика подземных сооружений. - Тула. - 1091. - С. ¡38-60.

2. Каверин И.М. Исследование несущей способности монолитной бетонной крепи шачтпого ствола На моделях // Механика подврминк сооружеиний. - Тула. - 1693. - С, 60-63.

3. Каверин И.М. исследование несущей способности железобетонной крепи ствола на моделях / Тульский 'государственный университет. -•- Тула -1994. - 8 с. Деп. в ЦНИИЭИугодь. Н°£407-уп.