автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование толщины ледопородного ограждения в слоистом массиве с учетом теплофизических свойств пород и технологических параметров замораживания

Введение.

Глава I. Условия и технология строительства подземных сооружений Санкт-Петербургского метрополитена.

1.1 Горно-геологические условия строительства.

1.2 Технология замораживания и свойства пород покровной толщи в замороженном состоянии.

1.2.1 Технология строительства подземных сооружений с искусственным замораживанием грунтов.

1.2.2 Преобразование структуры минерального скелета дисперсных пород при их промерзании.

1.2.3 Особенности преобразования мерзлых пород при оттаивании.

1.2.4 Определение основополагающих факторов при формировании и оттаивании ледогрунтового ограждения.

Глава II. Причины деформации поверхности при строительстве подземных сооружений способом замораживания грунтов.

2.1 Характер деформирования грунтов при образовании ледогрунтовых ограждений.

2.1.1 Физико-механические процессы в промерзающих и протаивающих дисперсных породах.

2.1.2 Деформации и напряжения в талой части промерзающих пород.

2.1.3 Деформации и напряжения в мерзлой части промерзающих пород.

2.2 Смещения грунтовой толщи и осадки поверхности при оттаивании.

2.3 Существующие методы расчета осадок поверхности и зоны влияния от строительства эскалаторного тоннеля с замораживанием грунтов.

Глава III. Математическая модель процессов формирования ледогрунтовых ограждений.

3.1 Вывод приближенного закона движения фронта фазового перехода при замораживании грунта.

3.1.1 Вывод уравнения теплопроводности при наличии фазового перехода.

3.1.2 Нахождение приближенного закона движения фронта фазового перехода (замерзания) грунта.

3.2 Зависимость изменения температуры (функция Т(х, 1;)) в процессе замораживания грунта.

-33.3 Вывод расчетного уравнения изменения толщины ледогрунтового ограждения во времени.

Глава IV. Прогноз осадок поверхности и зоны влияния при строительстве эскалаторного тоннеля с замораживанием грунтов.

4.1 Расчет толщины ледогрунтового ограждения в слоистом массиве.

4.2 Величина максимального оседания и зоны влияния мульды сдвижения поверхности после оттаивания ледогрунтового ограждения.

4.2.1 Расчет по методике "Пособия .".

4.2.2 Расчет по методике С.Н. Сильвестрова.

Актуальность диссертационной работы. Эскалаторные тоннели С.-Петербургского метрополитена сооружаются в мощной слоистой толще слабоустойчивых водоносных пород с применением искусственного замораживания. В настоящее время для определения действительных размеров ледопородных ограждений удовлетворительного решения не найдено. Вследствие различий теплофизических свойств пород, слагающих слоистую толщу четвертичных отложений, скорости роста ограждений по слоям существенно отличаются. Чрезмерное промораживание пород при строительстве подземных сооружений - обычное для практики явление. При этом в слоях с большей скоростью промерзания объем замороженного массива значительно превышает проектный. В результате уменьшается скорость проведения из-за повышенной трудоемкости разработки промороженного ядра выработки. Кроме того, замораживание и оттаивание вызывают оседание земной поверхности. Параметры мульды оседания зависят, главным образом, от толщины формируемого при строительстве ледопородного ограждения. Таким образом, толщина ограждения непосредственно влияет на наземные инженерные сооружения.

Поэтому определение толщины ледопородного ограждения с учетом структуры породного массива и теплофизических свойств пород по слоям толщи четвертичных отложений с целью выбора оптимальных технологических параметров замораживания (продолжительности замораживания и температуры стенки замораживающей колонки) является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является выявление зависимости скорости движения фронта промерзания от технологических параметров замораживания и теплофизических свойств пород как основы метода расчета толщины ледопородного ограждения в слоистой толще, повышающего достоверность прогнозирования параметров ограждения и осадок поверхности.

Идея работы. Толщина и объем замороженного слоистого массива существенно зависят от физико-механических и теплофизических свойств слагающих толщу пород, что должно учитываться в расчетах технологических параметров активного замораживания и прогнозах осадок поверхности при строительстве подземных сооружений.

Для достижения цели работы поставлены следующие задачи исследований:

- анализ физико-механических и теплофизических свойств дисперсных грунтов и процессов, при замораживании и оттаивании слоистого массива пород;

- разработка математической модели движения фронта фазового перехода при образовании ледопородного ограждения в породах с различным теплосодержанием и теплопроводностью;

- разработка метода расчета толщины ледопородного ограждения в слоистом массиве, учитывающего технологические параметры замораживания и те-плофизические характеристики пород.

Методика исследований предусматривала обзор и обобщение данных о теплофизических характеристиках и свойствах дисперсных пород и процессах, происходящих в них при замораживании и оттаивании; математическое моделирование процессов, происходящих в массиве при формировании ледопородного ограждения, с компьютерным моделированием изменения геометрических размеров ледопородного ограждения в слоистой толще и параметров мульды оседания поверхности.

Защищаемые научные положения:

- объем ледопородного ограждения определяется структурой слоистой толщи и скоростями движения фронта промерзания, отличающихся согласно теплофизическим свойствам слоев пород;

-6- продолжительность периода активного замораживания и деформации поверхности при строительстве эскалаторных тоннелей должны определяться с учетом особенностей промерзания и пучения пород слоистого массива.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель движения фронта фазового перехода при замораживании пород с использованием подвижной системы координат и методика расчета толщины ледопородного ограждения в слоистом массиве пород, учитывающая теплофизические свойства пород по слоям, температуру стенки замораживающей колонки и продолжительность активного замораживания.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается удовлетворительной сопоставимостью расчетных параметров мульды сдвижения, вычисленных с учетом особенностей формирования ледопородного ограждения в слоистом массиве пород, с фактическими параметрами мульды сдвижения, полученными маркшейдерскими наблюдениями за оседанием земной поверхности.

Практическая значимость работы. Разработан метод расчета толщины ледогрунтового ограждения, позволяющий определить продолжительность периода формирования ледопородного ограждения в каждом слое толщи четвертичных отложений в зависимости от технологических параметров замораживания и теплофизических свойств пород, а также повысить достоверность прогноза деформаций поверхности и календарных планов строительства подземных сооружений.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в обобщении данных о теплофизических свойствах и сведений о деформациях пучения и оседания грунтов при замораживании и оттаивании, разработке математической модели движения фронта промерзания и метода расчета размеров ледопородного ограждения, компьютерном моделировании процессов формирования ледопородного ограждения и оседания земной поверхности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях студентов и молодых ученых СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (С.-Петербург, 24-25 апреля 1996 г., 23-24 апреля 1997 г., 15-16 апреля 1998 г., 15-16 апреля 1999 г.), третьей международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных и других средах" (Тверь, 26 июня - 3 июля 1998 г.), третьей международной конференции "Экология Северо-Запада России" (С.-Петербург, 5-9 июля 1998 г.), международной конференции "Подземный город: геотехнология и архитектура" (С.-Петербург, 8 - 10 сентября 1998 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача, имеющая важное значение для строительства подземных сооружений в слабых неустойчивых водоносных породах. Выявленные закономерности формирования ледопородного ограждения в слоистой толще пород позволяют определять толщину ледопородного ограждения с учетом технологических параметров замораживания и теплофизических свойств каждого слоя. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1) Выявлены закономерности движения фронта промерзания и формирования ледопородного ограждения, позволяющие определить скорость движения фронта промерзания и толщину ограждения в каждом слое толщи пород в зависимости от его теплосодержания, теплопроводности и технологических параметров замораживания;

2) Разработана методика расчета толщины ледопородного ограждения с учетом различных по слоям теплофизических свойств пород.

3) Установлены зависимости толщины ледопородного ограждения от температуры хладоносителя и продолжительности замораживания, позволяющие обосновать рациональные параметры технологии проведения эскалаторных тоннелей, режимов замораживания пород, оптимизировать календарные графики строительства подземных сооружений с учетом строения и свойств пород толщи четвертичных отложений.

Расчет толщины ледопородного ограждения по разработанной методике, учитывающей структуру и свойства слоев толщи наносов, и последующий расчет осадок по известным апробированным методам дает близкие к наблюдаемым в натурных условиях величины максимальных осадок поверхности и размеры мульды оседания.

Полученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации проектных параметров строительства подземных сооружений с замораживанием грунтов, а также в инженерных прогнозах сдвижений земной поверхности при проектировании и строительстве эскалаторных тоннелей в слоистой толще обводненных дисперсных пород способом замораживания.

Оптимизация продолжительности периода замораживания с учетом мощности и теплофизических свойств пород в слоях дает возможность уменьшить объемы замороженного массива. Тем самым снижается негативное воздействие замораживания и оттаивания пород на объекты городского хозяйства на поверхности. Повышение точности прогноза ожидаемых осадок позволяет своевременно и обоснованно выбрать способы охраны зданий и сооружений в зоне влияния строительства и в результате снизить затраты на укрепление фундаментов и другие меры инженерной защиты сооружений. Разработанная методика расчета толщины ледопородных ограждений и оптимизация периода активного замораживания дает возможность уменьшить промораживание лба забоя. При этом снижается трудоемкость разработки пород в забое, что также имеет значение для практики строительства тоннелей с искусственным замораживанием.

1. БузковаМ.С., Астратова Н.П., БадухинВ.Н. Инженерно-геологические условия участка расположения Александровского моста. В сб. "Вопросы инженерной геологии Ленинградского экономического района". Л.: ЦБТИ, 1960.

2. Витке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. М.: Недра, 1990. - 439 е.: ил.

3. ВниР.Сб. В18 Специальные работы в шахтном строительстве. Вып. 1 Проходка шахтных стволов и сопряжений способом замораживания. Минмон-тажспецстрой СССР, М.: Прейскурантиздат, 1987. 48 с.

4. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Новосибирск: "Наука", 1975. - 177 с.

5. Вялов С.С. и др. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледог-рунтовых ограждений. М.: изд. АН СССР, 1962.

6. Гречищев С.Е. К основам методики прогноза температурных напряжений и деформаций в мерзлых грунтах. М., 1970.

7. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1981. - 319 е., ил.

8. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в примерах и задачах: Учеб пособие для студентов втузов, ч. 2. М.: Высш. шк., 1986. -415 с.

9. Джошуа К. Носитер Excel 7.0 для Windows 95 (серия "Без проблем!"): пер. с англ. М.: БИНОМ, 1996. - 400 е.: ил.

10. Ю.ДорманЯ.А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. М.: Транспорт, 1971. — 272 с.

11. Достовалов Б.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение. М.: Изд. МГУ, 1967. - 404 с.

12. Ершов Э.Д. Физико-химия и механика мерзлых пород. М.: Изд. МГУ, 1986. - 336 с.

13. Ершов Э.Д. и др. Сублимация льда в дисперсных породах. М., 1975.

14. Ершов Э.Д. и др. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М.: Недра, 1978.

15. Иванов Н.С., Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства мерзлых горных пород. М.: Наука, 1965.

16. Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов, горных железнодорожных и автодорожных тоннелей. ВСН 190-78. Минтрансстрой. -М.: 1978. 39 с.

17. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. М.: Недра, 1979.

18. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений: пер. с нем. М.: Недра, 1978. - 494 с.

19. Кремнева Р.Н. Инженерно-геологические и гидрологические условия сооружения Ленинградского метрополитена. В сб. "Вопросы инженерной геологии Ленинградского экономического района". Л.: ЦБТИ, 1960.

20. Лиманов Ю.А. Исследование развития осадок земной поверхности при сооружении станционных тоннелей в кембрийских глинах. Сборник ЛИИЖТа, вып. 156, Л.: Трансжелдориздат, 1958.

21. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. 2-ое изд., пе-рераб. и доп. Л.: Недра, 1984. - 511 с.

22. Ломтадзе В.Д. Инженерно-геологическая характеристика и оценка пород Ленинграда. Отчет по НИР, х/д №17. Фонды СПбГГИ, 1967.

23. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: изд. Высшая школа, 1967. -600 с.

24. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

25. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения: Учеб. пос. для вузов. М.: Стройиздат, 1985. - 439 е.: ил.

26. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. Л.: изд. ВНИ-МИ, 1972.

27. Мышкис А.Д. Лекции по высшей математике. М.: Наука, 1967. - 640 с.

28. Натансон И.П. Краткий курс высшей математики. М.: Наука, 1968. - 728 с.3 3.Новиков Ф.Я. Температурный режим мерзлых горных пород за крепью шахтных стволов. М.: Изд. АН СССР, 1959.

29. Общее мерзлотоведение. Под ред. П.И. Мельникова, Н.И. Толстихина. Новосибирск: Наука (Сибирское отд-ие), 1974. - 290 с.

30. Орлов В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. М.: Изд. АН СССР, 1962.- 188 с.

31. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985.-480 с.

32. Падуков В.А. Горная геомеханика: Учеб. пособие. СПб: СПГГИ, 1997. -134 с.

33. Падуков В.А. Прогнозирование устойчивости бортов карьеров: Учеб. пособие.-Л.: ЛГИ, 1981.- 50 с.

34. Подаков В.Ф., Соловьев В.М., Капустин В.М. и др. Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена. Л.: Стройиздат (Ленингр. отд-ие), 1973. - 72 с.

35. Путикова М.О. Исследование механизма оползневого процесса в слоистой среде с учетом деформируемости слагающих пород. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минераловедческих наук. СПб: СПГГИ, 1997. - 20 с.

36. Сильвестров С.Н. Осадка поверхности земли при сооружении эскалаторных тоннелей метрополитена с применением искусственного замораживания пород, диссертация на соискание уч. степени канд. техн. наук, 1964.

37. Смышляев П.П. Приближенные решения уравнения теплопроводности / Инженерно-физический журнал. 1967. - том XII, № 6. - с. 30.

38. Смышляев П.П. Приближенные решения уравнения теплопроводности для двухслойной пластины при сублимации материала на внешней поверхности / Инженерно-физический журнал. 1967. - том XII, № 4. - с. 30.

39. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 56 с.

40. СНиП П-44-78. Тоннели железнодорожные и автодорожные. Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1978. - 21 с.

41. Соколов М.Ю. Особенности формирования нагрузок на подземные сооружения, расположенные в оттаивающих дисперсных грунтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л: ЛИИЖТ, 1989. - 23 с.

42. Справочник инженера шахтостроителя. В 2-х томах. Том 2. Под общей ред.

43. B.В. Белого. М.: Недра, 1983. 432 с.

44. Справочник инженера-тоннельщика. Г.М.Богомолов, Д.М. Меркина,

45. C.И. Сеславский и др.; под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова. М.: Транспорт, 1993.-389 с.

46. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами. М.: Недра, 1980.

47. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л.: Стройиздат, Ленингр. отделение, 1977. - 552 с.

48. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие / М.Н. Шуп-лик, Я.М. Месхидзе, И.О. Королев и др.; Под ред. М.Н. Шуплика. М.: Недра, 1990.-384 е.: ил.

49. Тоннели и метрополитены: Уч. для вузов. В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов и др.; под общей ред. В.Г. Храпова. М.: Транспорт, 1989. -383 с.

50. Трупак Н.Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. М.: Уг-летехиздат, 1954.-102

51. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М.: "Недра", 1974. - 280 с.

52. Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок. М.: Уг-летехиздат, 1951. - 492 с.

53. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

54. Фадеев А.Б., Репина П.И., Абдылдаев Э.К. Метод конечных элементов при решении геотехнических задач и программа "Геомеханика": уч. пос. Л.: Изд. ЛИСИ. - 72 с.

55. ХартМ.Е. Основы теоретической механики грунтов. М.: Изд. литературы по строительству, 1971. - 320 с.

56. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973.

57. Цытович H.A. Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. М.: изд. АН СССР, 1958. - 168 с.

58. Цытович H.A., Вотяков И.Н., Пономарев В.Д. Методические рекомендации по исследованию осадок оттаивающих грунтов. М.: Изд. АН СССР, 1961. -56 с.

59. Экономика природопользования: Учеб. Для вузов/ М.А. Ревазов, Н.Я. Лобанов, Ю.А. Маляров и др. М.: Недра, 1992. - 351 е.: ил.