автореферат диссертации по строительству, 05.23.18, диссертация на тему:Определение границ условных зон нарушения сплошности пород для прогноза их устойчивости при подземном строительстве

p í* 61удь<м'! ГОСУЦАТСтШМ TEXHIÍ'íFCivUíi УНИВЕРСИТЕТ

1 П м ' ii 'poo

i и u¡u ¡:;jj

На правах рукописи

Allb-HACEP XAGAiî

ОПРЕДЕЛЕН!® ГРАНИЦ УСЛОШИХ ЗОН НАРУШИМ

сплошности пород да прогноза их устойчивости

11РИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТШСГНЕ

Специальность 05.23.18 - Подземов строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических неук

Тула - [.933

Работа внполнеив в Тульском государственном технической университет е.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Н.С.Булычев. •

Офицяалыше оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.П.ШеШиш ,

I кандидат технических наук, доцент А.С.Саммаль.

Ведущее предприятие - Акционерная Фирма "Гидрослецстрои".

Защита состоится 'и 1993 г. в часов ■

на заседании спецпсизированного сооота К 063.47.04 в Тульском государственном техническом университете по адресу: 300600, г. Тула, лр. Ленин?, 92, учебный корпус 9, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного технического университета.

Авторефораг разослан - " ■ - - у- ':-/^19ЭЗ г.

Ученый секретарь специализированного совета, к,т.н., доц.

/ /

С-О.М.Пискунов

ОНШ ХАРАКТЕРИСТИКА РаЬОШ

.Актуальность т е м н. В состайо'ооаре-ыешшх ГЭС, ГАЭС и др. подтекших соору-шшЛ шектсл выработки большого сечения. Такие внрайоткп сооружаются. обычно а скадышх массивах, имеющих ловорхиостн ослабления (слоистость, клипах, систеии трыцпц), обуславлиааквде их прочностную анизотропию.'

Суи\вству>эга;1е числеттв методы оценки устоичииости таких мае-«квов при подземном строительства являются трудэишими, поэтому осперцнцстоопанио оущестпукшх и разработка но ьих истодоь снопик устойчивости ойнакепмц дород, обладающих прочностной анизотропией, яаадотсл а-К'/уалънэй задача;!.

.¡шосортация выполнена в рылках хоздоговорной раооти ка^ецри СПС (К гос. регистрации 1)1-10045394).

Поль работы заключается а разработке методы и кои-цькя-ерной програмли расчета и построения границ условных зон нарушения сплошности пород по'поверхностям ослабления, но воливине и конфигурации которпх мотшо судить о степени устойчивости обнажений пород.

Идеи работы заключается п определении границ условии* зон наруменйя сплошности пород по поверхностям ослабления на основе анашмчвехого 'решения задачи о распределен»!» напряжении п упругой среди вокруг Ешрвботкн произвольного сечения с н<;-лолбзопглнем условии прочности по поверхностям ослаблений.

М е т о д я и с с л е д о в а н и я. В работе использоьанн ¡¡наиитичаскиа метод». решения ллеских задач теории упругости, про-гршздровннва я расчьт!! на ЭК.1.

1! а у ч н к в н о лона я и и, р а з р а 0 о т а н н ы а л и ч н о с-о и с к о т ь л й м, л н о 9 и з н а:

- рпзрсб&ТгШй нетбиа-гическия дадел» и ыегод определения границ услооних зон нарукталя сплошости массива пород ло поверхностям ослабления ¡¡округ выработок произвольного поперечного сечения, лроиценних и лилейно-дефоршруьыом массива пород, ослабленном одной или несколькими системами поверхностен ослабления, имеющем гравитационное или тектоническое иоле начальных непряжений, при полном или поэтапном р&скрптпи сечения внработок;

- разработан» алгоритм и программа для ЭКЛ определения размеров и кон^игурлшш.уолеиных зоа нарушения сплошности массива пород ¿юкрут парабогоя;

- п результат« внчисли-грльнох'о эчеяершрнта (шоговарианмиис

расчетов с использованием ЭЕМ) установлены зависимости величины зоны нарушения сплошности от горно-геологических факторов л ориентации систем поверхностей ослабления в массиве пород.

Д о с т о в о р н о с т ь научных положений, выводов п р е к о м в и д 8 ц и ii обеспечена применением строгих аналитических решений задач теории упругости, согласованием полученных данных с результатами модельных экспериментов и натурных наблюдении, выполненных другими авторами.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана uporpara.ia для IBM совместимых компьютеров для расчета л построения границ условных зол нарушения сплошности пород вокруг гырабрток. Результаты диссертационной работы приняты л внедрению АФ Тддроелецстрой".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на заседаниях семинара по механике подземных сооружении (г.Тула, I9L4, 1992, 1993 гг.), на конференции (г. Киев, 1993 г.).

Доклады по теме диссертации приняты и включены в, программы международных конференций.ACMIRME-S3,Wan , China (May, 24-2i\ id93 г.) s: iUROCK'mjjishoa Portugal (;;r-,?;.os.i993 г.).

Г1 у б л н к а ц и и. По результатом выполненных исследований опубликована I статья. Приняты два доклада д.л лубликсции в трудах международных конферешцш в Китае и Португалия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, обвдх виводов и содерчит 114 стр. машинописного текста, включая 33 рис., 3 табл., список литературы из 131 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В современном подземном строятельстве одним из важных вопросов является прогноз устойчивости горных выработок. При проведении выработок вокруг них в некоторой зоне (в зона шшяння выработки) происходит перераспределение напряжении. В зависимости от того, какова величина нппракений в приконтурной зоне, вокруг выработки можно выделить в 'общем случае две зоны - 3oiry упругих деформации и зону пластических деформации (или зону йеупругих-дь-формеций). Вопросам определения критериев появления и размеров золы неулругих деформаций уделяюсь и уделяется в' настоящее время большое внимание, поскольку появление зоны неупругих деформа-

ции напрямую связано с понятием устойчивости выработки.

Особо вечна оценка устойчивости пород при строительстве бн-

• работок большого поперечного сечения, Именно такио выработки чаще всего располагаются о массиве, сложенном скальипмл и полуопальными породами.'Изоестно, что основным свойством теки к пород является наличие упорядочении/ систем поверхностей ослабления. К числу таких поверхностей ослабления относятся контакты слоен, поверхности . отдельности, поверхности микрослоистости и шкротрециноватостн, поверхности трещин. .

Анализ работ, носвишенник оцонко устойчивости выработок, позволяет выделить три груши методой, которыми ведутся исслодовв-нш по данному вопросу. К первой группе штао отнести аналитические кетоди, которые использовались а трудах И.М.Айтплиена,

• И.В.Бакланова, Н.С.Булычева, В.Т.Глушко, А.Н.Гузя, Н.С.Ерканова, Л.В.Ершова, Б.А.Картоэия, Г.Н.Кравченко, Ю.М.Либермана, А.М.Лпнь-кона, А.С.Сашаля, Н.И.ФогиевоИ и др.

Ко второй группе мокно отнести чиеденнив и графические методы, которые применялись для исследования устойчивости внрабсток я рассматривались в трупах Ш.М.Айталиево, Э.И.Бергмана, Ю.А.Вексле-ря, В.Г.Глушко, Р.Гудмана, Н.С.Ерйановз, В,В.йукова, В.Ю.Извксона, С.А.Константиновой, П.Кнодя, Г.II.Кузнецова, И.Ф.Саврасова,А.С.Саганова, С.К. Туганова, С.Б.Ухйва, Т.Ъ.ТауСог, t.l.MSson и др.

К третьей группе работ мохдо отпасти, исследования, о которых использовались экспериментадьние матоци. К таким работай мелю отнести труди Г.Н:Кузнецова, Ю.а.Яимновп, И.А.Филатова и др.

Дал болео йЭД.октиииоИ работы арештиропаикам нужен такой метод расчета, с немощью которого прецоуавдялэсь rfu воэмонпт производить г.шегошряангнае расчеты дчя оценки устойчивости массива пород вокруг выработок бистро л и шшшлалышш затратами труда н времени.

В связи о изложенным целью диссертационной работ является разработка на основе решения плоской задачи .теории упругости о распределении напряжении в линзйно-деформируемоЙ среде вокруг выработок произвольного поперечного' сечения (о одной осью симметрии) метода расчета и построения.условных зон нарушения сплошности пород, имеющих одну или несколько систем поверхностей ослабления.

Для определения'границ условных'зон нарушения сплошности пси род, обнажжчшх при строительстве подземного сооружения, необходимо, знать распределение напряжений в упругой среде, ослабленной отверстием, форма которого соответствует.форме поперечного, сеча- •

ния выработки. Для определения распределения напряжений вокруг па работки произвольного поперечного сечения (с одной осью симметрии? использовано решение плоской задачи теории упругости, полученное Н.Н.Фотиевой.

Массив ¡юрод моделируется однородной изотропной линейно-деформируемой средой, имеющей отверстие произвольной формы (не менее чеы с одной осьв симметрии). Рассматривается одиночная выработка глубокого -заложения. Среда, моделирующая массив пород, описывается деформационными характеристиками; модулем общей деформации и коэффициентом Пуассона и имеет начальное.ноле напряжений, которое в общей случае характеризуется главными ншфял'.вшш.ми А// и Л/г , действующими под произвольным углом к вертикали н горизонтали.

При наличии ц .-.аосиве пород тектонического ноля начальных напряжений характеристики начального поля Л// и Д/2 определяются либо путем непосредственного измерения, либо путей обработки дашшх-натурных измерении с использованием 'эхепэрт'.ентально-аналитичежпх методов.

Искомые компоненги полных напряжения в среде представляются б-виде суммы начальник'в дополнительных напряжений. Начальные напряжения действуют в ненарушенном массиве (до проведения выработки), а дополнительные напряжения,- в нарушенном и вызываются ош! образованием выработки.

При решении задач о распределений.напряжений в упругой плоскости, ослабленной отверстием произвольного попэречного сечоаня (с одной осью симметрии), используется метод конформных отображении. _ .

Для определения напряженного состояния упругой сради вводятся комплексу .с погенцишш,• которые связаны с искомыми напрнхешж.ш с помощь» формул КолЬсова-Мусхелшвмли. Коыплзксше потенциалы' представляются в виде комплексных рядов с неизвестны.« коэффициентами. Эти коэффициенты в силу силовой я геометрической симшгрии задачи являются действительными величинами.,

Как указывалось'выше,, к поверхности ослабления мы будем относить контакты'слоев; поверхности отдельности, поверхности мийро-слоистости и. ыикротрещиновгатости, поверхности трещин. Расстояние между поверхностями'ослабления конечно, а сами поверхности ослаблений понимаются как направления, сопротивление сдвигу по которым существенно меньше, чём по направлениям,' не совпадающим с этими поверхностями. Необ-ходш.ю отметить, что трещшоьагость массивов

мотет меняться от близкой к хаотической до четкой системной. В данной работе рассматриваются системы субпзратлелышх трещин л л о-верхностей ослабления, придающие массиву свойство прочностной ани зотрошш.

В диссертационной работе решаются следующие основные задач!!:

1) составление критериального уравнения, раэре; отка лгорит-ма и программ для ПЭВМ расчета границ условных зсн нарушения сплошности пород в окрестности выработки по поверхностям ослабления;

2) установление (путем вычислительного эксперимента) закономерностей развития условных зон нарушения сплошности пород (зависимостей радиальной протяженности условных зон нарушения оплошности от инженерно-геологических факторов).

На рис. I показана расчетная схема массива пород, ослабленного одной системой поверхностей ослабления.

В массиве, имеющем

начальные напряжения /У/ и (в общем случае налрав-

TrrnjTTrrnrnjTT^

Расчетная схема массива пород, имекхцего одну систему поверхностей ослабления

ленные под произвольный

- ч.

углом U. i, пройдена выработка произвольного поперечного сечения. Породы, слагающие массив, имеют свои прочностные С и V5 (сцепление и угол внутреннего трения соответственно) и •де$ор:-:?цвош|ке$ хяректв-ристкки te , Vft (модуль деформации и коэффициент Пуассона). Поверхности ослабления моделируются направлениями с углом наклона"« вертикали оС , но кото рым сопротивление сдвигу характеризуется величинами С* и V*, существенно меньшими, чем характеристики О ■, У ¿

Очевидно, что условие предельного состояния массива будет зависеть от угла моаду панреолениялли действия максимального главного сжимлэдего напряжения к поверхностью ослабления.- Также оче-

видно, чю если этот угол составит 0е

90 , то лспорхностл

лйблеиия не окажут влияния на условия продольного состояния и-: е-

риела, который ведет себя как монолитный.

Специальное предельное состояние на поверхностях ослабления можно представить в следующем виде

. (I).

где т'к бп - касательные и нормальные напряжения по поверхностям ослабления;

С*- сцепление по поверхностям ослабления;

угол внутреннего трения по поверхностям ослабления. Кесетелышв и нормальные напряжения яв наклонной площадке определяются по иэвестнчм формулам сопротивления материалов:

б'а = 4<1рз * Ч^» сов 2/ ;

г' зт 2р' -,

при Л'4 90' Ы'-90°-&При сС > 90° ,

где р - угол между нормачьй к поверхности ослабления и направ- • лением действия ; 6< , 6$ - главные напряжения;

Ы.1 - угол между направлением действия б г и 61 . Величины главных напряжений и угол выразим через компоненты напряжений в полярной системе координат. Получим:

а< вз

_ бд ¿в-

где 6г - нормальные радиачьниэ напряжения; - бе- -^нормальные тангенциальные напряжения; - касательные напряжения.

Условие специального предельного' состояния, записанное в главных напряжениях и реализующееся на поверхностях ослабления, можно рассматривать как критерий нарушения сплошности массива по поверхностям ослабления.

Дакние о прочностных характеристиках по поверхностям ослабления приведены в работах Е.Е.Веденоева, В.Ю.Изексона, Г .Н.Кузнецова, С.ЕЛАогилявокоп, Д.А.Молокова, Р.Т.Тулинова, Ноек Е., &гау1.

ИДР-' *

Значения параметров сдвигу по трещине *Р и С могут быть определены по данным замеров морфологии (рельефа) поверхности трещин. В "Методических рекомендациях по методам псс.гедс ния скальных пород и массивов", предложенных Международной комиссией по механике скальных пород, для описания морфологии трещин предлагается использовать классификацию с двумя порядками неровностей. Все разнообразие трещин описывается при помощи девяти типовых про-филеи, объединяющих трещины по типу неровностей. На сопротивляемость трещчнн сдвигу существенное влияние оказывает заполнитель трещины. В общем случае в качестве заполнителя трещин принимается рыхлил или относительно неплотный, по сравнению с вмещающими породам!, материат, Основными показателями заполнителя трещин являются;- мощность, состав, состояний и степень заполнения (пустот-ность). Все Перечисленные характеристики как заполнителя, так и профиля неровностей, одинаково ва^нн при определении сопротивления сдвигу по трещине-, т.е. параметров У и £?*.

В предлагаемой работе развивается метод оценки устойчивости пород по величине и конфигурации условных зон неупругих деформаций (метод U.C.Булычевэ-Н.Н.Фоткевой). Этот метод обобщается на случай прочностной анизотропии массива пород, обусловленной наличием поверхностей ослабления и образованием кроме зон неупругих деформаций также зон нарушения сллойности пород по поверхностям ослабления.

Под условной зоной нарушения сплошности понимается ирнмйкею-щая к выработке область в упругой Модели ызееявп пород, в которой не выполняется условие (I).

Если в массиве имеется несколько поверхностей ослабления, то .условные зоны нарушения сплошности- от каздой из них накладываются друг на друга.

Порядок определения границы ээи неупругих деформаций и зон нарушения сплошности следующий:

•Г. Используя решение Н.Н.Фотиавой, определяются компоненты, тензора напряжений, возникающих в массиве-пород вокруг выработки.

2. В соответствии а условием прочности лсрод определяется координат» *j£? и &■ зоны леупрутих деформации в однородном изотропном массиве,-

3. Определился в ели чини глазных, напряжений б, 'и Oj и х-направление.

4. Вычисляются значения нормальных и кзеэтэльннх напржкнкл

f

но поверхностям ослаблении.

ö. В соответствии с условием прочности.(I) определяются координаты ß* ; зоны нарушения сплошности, образующейся вокруг выработки за счет наличия поверхностей ослабления. '

Используя вышеизложенный подход автором разработан алгоритм , и программа для IÖM совместимых компьютеров по определению границы условной зоны нарушения сплошности порол вокрут выработки произвольного поперечного сечения с учетом ослабления прочности массива пород по поверхностям ослабления.

Исходными данными для расчета зон неулрутих деформации v зо-иы нарушения сплошности, образующихся вокруг"неподкренленной вы- ■ работки произвольного поперечного сечения, являются:

Xi ,ус - координаты контура выработки {длины 13 лучей, проведенные от цонтра до внешнего контура выработки через 15е);

Н - глубина эалотения выработки;

d! - угод наклона поверхностей ослабления к вертикальной оси;:

У® . С - угол внутреннего трения и коэффициент сцепления мае-' сина пород;

А - коэффициент бокового давления;

(У - удельный вес горных пород;

£?*, У3* ~ коэффициент сцепления и угол внутреннего трения по поверхностям ослабления.

Время расчета одного варианта зависит от точности построения зоны неупругих деформации. При максимальной точности построения зоны неупругих деформации время счета одного вврианга на 1Е>М совместимых компьютерах не превышает 50 минут..

Исследовалось влияние различных факторов на конфигурацию и размеры условных зон нарушения сплошности массива вокруг выработок кругового и сводчатого сечения. Исследования проводились на ПЭВМ. В качестве моделей были использованы н'эподкреплешше выработки: кругового поперечного оечення и сводчатого полеречного сечения с полуциркульным сводом.

Исследовались зависимости-протяженности зоны неупругих де-формацы! л' нарушения сплошности от величины угла наклона поверхностей ослабления, величины коэффициента бокового давления, прочностных характеристик по поверхностям ослабления. Здесь и далее под относительной величинам зоны неукругих деформации (нарушения сплошности) понимается отношение максимальной ширины зоны, отсчитываемой по радиусу от контура сечения выработки а глубь массива до границы зоны, к ^радиусу'выработки.

Проведанные исследования показали, что наличие систем поверхностей-ослабления существенно слиаает устойчивость окружающих вн~ работку пород в саяэи с образованием зон нарушения сплошности по поверхностям ослабления. Характер- зависимостей максимальной относительной протяженности условной зони нарушения сплошности принципиально остается идентичным для выработок кругового и накругового поперечного сечения.

Размер относительной, зош неупругих деформации достигает максимальной. величины в интервала углов наклона поверхностей озлобления к вертикали 30°- о0° (для круговой) и 15°- 45° (дм сводчато;!) выработки. При. значениях угла, близких к 90°, размер зоны минимальный. (рис. 2)'.

Зависимость максимальной относительной протяженности зоны нарушения сплошиостп от угла наклона поверхностен ослабления при Л = 0,5; У* = 200-

Зьаисшость максимальной относительна-и протяженности зоны нарушения сплошности от сцепления по поверхностям ослабления при Л '0,5; л' = 60°

50 60 сС'^/эад

Рис. 2

0,15

0,5 С */¡гЯ Рис. .3

На протяженность зоны нарушения сплошности.существенное влияние оказывают прочностные характеристики но поверхностям ослабления, причем более суви.с7»е:шшл является влияние сцепления но по вврхшстям ослабления (рис. 3). Ълияиг.е коэффициента бокового давления в массиве пород сказывается практически яри всех условиях, с его уменьшением размер -относительной зоны нарушения сплошности увеличивается.

Сопоставление зон ослабления, полученных путем анализа, с зонами, полученными и результате практических измерен««

Рис. 4

— условная зона неупругих де,формаций; • •зоны нарушений сплошности по поверхностям ослабления ;

-результаты натурных.намерений.

В рампах разработанной иетод.чди представляется возможность определения размеров и построения условных зон нарушения сплошности вокруг выработок большого поперечного сечения при поэтапном их раскрытии. В данном случав построение зон нарушения сплошное ги осуществляется последовательно путем наложения указан- " них зон, полученных для очередного этапа-раскрытия сечэ-ния, на условные зоны, полученные для предыдущего этапа раскрытия сечения. В качества примера в диссертационной работе приведен расчет устойчивости выработки гидроаккумулирующей электростанции Спыого при ьв поатапиои раскрытии. На рис. 4 показаны условные зоны нарушения сплошности пород по двум системам трещин вблизи машинного зала ГАЭС на стадиц окончательного раскрытия сечения. На рис. 4 показано также наблюдавшееся в натуре нарушение пород (данные Мураками).

' ЗШЮТШ1Е

Представленная диссертация является научным трудом, в котоэт: изложенное автором научно обоснованные разработки по определение границ условных зон нарушения сплошности иоиод, обладает/ прочностной анизотропией, обеспечивающие решение ваяной прикладной задачи, прогноза устойчивости пород при строительстве подземных coopу гний.

Основное научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаичштоц определения границ услоаных зон нарушения сплошности пород, имеющих одну иди несколько поверхностей ослабло-лил вокруг выработок произвольного поперечного сечения (с одной осью симметрии), при начальном гравитационном или тектоническом поло напряжении.

2. Разработан алгоритм и программа (для IBM совместимых компьютеров) расчета и построения границ условных зон нарушения сплошности массива пород п окрестности выработок.-

3. Установлено, что наличие систем поверхностей ослабления существенно снижает устойчивость окружающих выработку пород и связи с образованием зон нарушения сплошности (расслоения по поверхностям ослабления)..

4. В результате вычислительного-экспяршента (многоаориент-ных расчетов на tlBiiM) установлены зависимости максимальной протяженности условных зон нарушения сплошности от характеристик сопротивления сдвигу по поверхнос-ям ослабления ( С а У'*), от угла наклона систем поверхностей ослабления и от коэффициента бокового давления в массиве.

Установлено, что наибольшее влияние на размер зон нарушения сплошности (и на устойчивость обнзяений) оказывают характеристики сопротивления сдвигу ( С , у?).

5. ■Разработана методика определения границ условных зон нарушения' сплошности вокруг выработки большого поперечного сечения пои поэтапном раскрытии ее сечения.

6. Диссертационная работа выполнена по заказу Акционерной ирмы -"Гидроспецстион". Результата работы одобрены и принята к

внедрению.

Основное содержание дисоирт&шкяппй ргйоти опублиноасно с татьс;

I. Аль-Кзсер Хасан. 1/х-год. определения ■ зон неупругих деферис---■ци.й. вог:р;'г «шработок. в£оазволыюк> поперечного оеченгя при ипл --

чин ь utcaiiae систем *ро)шш//Моханика подавших сооружений. -• Ту-. ла, IS9I. - С. 85-67.

Приняты к.оиуолкЕовашш u чрудйХ Международных симпозиумов доклады:

I. Н.Б .buiychev, li „М .i?ociova, l.ii.liamEial, I,I,Savin, H.A1 Nasar. btabilicy Evaluation of lax-g3 Undurgrouud Openings, iiroo. of tha JSHii Inb.Symp. SMOCK193 (Portugal). 25.06. 19932. H.a.bulycbav, H.i.1 fJaser, I Л.Savin, И .V.Dnitriev. Stability cf Underground Openings. - Ins Jointai Hock Proa, of tha Int. Syap. - ACM.IRME-93 (.China). 2Ч-2В,05И9у5.