автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Расчет нагрузок на крепь вертикальной выработки от сооружений типа башенного копра и несущей способности грунтового массива

На правах рукописи

Булычев Игорь Николаевич /¡Л^Э^-ъ ¡-

РАСЧЕТ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ОТ СООРУЖЕНИЙ ТИПА БАШЕННОГО КОПРА И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВОГО МАССИВА

Специальность 05.15.04 - Шахтное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Институте горной геонеханики и иарквейдерског дела (ВШ6Я),

Научные руководители: доктор техн. наук, проф. Г~Н- А. Филатов*! и доктор техн. наук А. Н. Козел. Официальные оппоненты:

1. Доктор техн. наук, проф. Черников А. К.

2. Канд. техн. наук, с. н. с. Абашнн С. И. Ведущая организация: институт Гнпрошахт

Защита состоится " " 1995 г на заседаню

диссертационного совета Д.063.15.03 при Санкт-Петербургско1 государственном горном институте иы. Г. В. Плеханова по адресу: 19902( Санкт-Петербург, В-26, 21 Линия, 2, ауд. 4 4/7 , £/3« /5

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института ии. Г. В. Плеханова.

Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

В. И. Очкуров

- I -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Устья вертикальпнх стволов шахт предназначены для эресечения зоны слабых, выветрелых пород и четвертичных отложений . рн значительной мощности слабых пород, особенно в условиях их ригрузкн в окрестности устьев весом надзахтных сооружений, вблюдаэтся явления потери устойчивости массива как при проходке -1валл пород из-под опорных венцов, горизонтальные разрывы крепи, так при эксплуатации - неравномерные осадки надшахтных сооружений.

В настоящее время нагрузки на крепь устьев стволов определяются на знове яестко-пласткческой подели, что предполагает полную потерю зтойчивости массива в окрестности ствола, при этом анализ зтойчивости массива в основании фундаментов надшахтных сооружений, титивакций влияние закрепленного вертикального ствола, не рснзводится. Это существенно ограничивает возможности анализа эздействия веса надшахтных сооружений на массив и крепь ствола.

Таким образом, исследование нагрузок на крепь устья ствола, ¿званных влиянием надшахтных сооружений, и условий обеспечения ;тойчявости массива в основании их фундаментов является актуальной зучной.задачей.

Настоящая работа является итого:-! исследований, выполненных в ютветствии с тематическим планоа ВИЗЕ! за 1989-1990 годы по теме >39014000 "Разработать технические требования для проектирования зциональнах типов крепи и чар кх охраны в Печорском угольном ассейне", № гос. регистрации 01870094855, в которых автор принимал 1астие в качестве ответственного исполнителя.

Цель работы состоит в определении нагрузок на крепь устья гртикального шахтного ствола и напряженного состояния окружающих >род под влиянием веса надшахтного сооружения, что необходимо для ¡бора рациональной крепи устьд ствола и обеспечения устойчивости >род.

Идея работы заключается в использовании решения осесиыметричной щачи теории упругости о полупространстве с жёстко-подкреплённой фтикальной цилиндрической полостью, к поверхности которого приложена ¡вномерно распределённая по кольцу вертикальная нагрузка, для феделения дополнительных радиальных нагрузок на крепь ствола и щряжений в окружающих породах, что необходимо для оценки ;тойчивости пород, выбора рациональной конструкции устья и

- 2 -

расположения фундамента относительно ствола.

Задачи исследования: -обоснование и разработка иатецатнчесжой модели напряженного состоят массива в окрестности устья ствола, пригруженного весом надшахтног сооружения> создание пакета прикладных программ; -установление закономерностей нагружения крепи ствола; -разработка методических приемов изготовления и испытания объемны фотомеханических моделей, включащих существенно разномодульны элементы, в том числе - моделирование процессов неупругог дефоршрования массива;

-обоснование и разработка методов оценки устойчивости массива окрестности ствола, испытывающего вертикальную пригрузку от фундамент надаехтного сооружения.

Методы исследования: -аналитическое исследование нагрузок на крепь устья ствола напряженного состояния массива методами теории упругости; -шчислительный эксперимент по определению параметров напряженног состояния массива в окрестности устья ствола с использование)* пакет компьютерных программ;

-экспериментальные исследования упругих и пластических деформаци массива и крепи на объемных моделях методами фотомеханики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Аля задачи о пригрузке слабого массива в окрестное? закрепленного ствола весом близко расположенных надшахтных сооружений прикладываемой после проведения и крепления ствола, наиболе адекватное- моделью является линейно деформируемое полупространство абсолютно жестким проскальзывающим подкреплением вертикально цилиндрической полости.

2. Нагрузки на крепь устья ствола, вызванные весом надшахтны сооружений, и нормальные тангенциальные напряжения в крепи имек максимум, величина и вертикальная координата которого зависят с наличия и величины ненагруженного участка на земной поверхности межи стволом и фундаментом,. причем очертания эпюр нагрузок на крепь нормальных тангенциальных напряжений в крепи качественно сопоставимы.

3. Распределение вертикальных напряжений в нетронуто массиве, вызванных влиянием веса надшахтных сооружений, и на контаю С жесткой крепью практически одинаково и с идущей в запас погрешность

юпоставимо с распределением вертикальных напряжений в незакрепленной :тволе.

4. Очертания эпюр распределения нормальных тангенциальных и ¡ертикальных напряжений, вызванных влиянием веса надшахтных :ооружэннй, на внутренней поверхности крепи ствола и на поверхности иссива в незакрепленном стволе качественно сопоставимы. >. Несущая способность основания фундаментов надшахтных сооружений, неположенных йблизи устьев вертикальных стволов,а также опорных шнцов креш, существенно снижается по сравнению с нетронутым (ассивсы.

Достоверность научных результатов обеспечена строгим аналитическим >ешениеы задачи теории упругости и удовлетворением граничных условий, :огласованием результатов теоретических и экспериментальных ^следований.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна:

Разработана математическая модель напряженного состояния пород в >зсрестноста устья ствола и метод расчета нагрузок на крепь (напряжений ш контакте крепи с массивом), вызванных весом надаахтного сооружения, 1а основе решения обобщенной автором осесимметричной задачи теории ттрутостн о полупространстве с жестко подкрепленной вертикальной цшщдрической полостью, нагрухеннш по поверхности полупространства,

Разработаны и осувдаствлзш новые методические положения испытания Лъекшх моделей крепи ствола в массиве пород методом фотомеханики, юзволяизге изготовлять и испытывать кодели с соотношением модулей реформации материала пород и крепн от 1:100 до 1:30 и воспроизводить [роцесс пластического деформирования пород.

Установлены зависимости максныальньи нагрузок на крепь устья :твола и положения максимума по глубине ствола от размеров [ригруиаювдго фундамента. Установлено распределение напряжений в креш ■стья ствола по глубине, в том числе - в крепи ствола-фундамента [адиахтного сооружения.

Установлены зависимости максимальных вертикальных напряжений в юродных стенках ствола и вертикальной координаты максимума от >азмеров пригружавдего фундамента, а также - характер деформирования »емной поверхности (наличие и местоположение растягивающих напряжений, >еличика и характер вертикальных деформаций).

Разработан метод, алгоритм и программа расчета и построения

условных зон пластических деформаций массива в окрестности усты ствола под фундаментом надшахтного сооружения. Установлены зависимосп конфигурации и размеров указанных зон от прочностных характеристш массива и размеров пригружаидего фундамента.

Разработана методика оценки несущей 1 способности окружающего усты ствола массива по критической стадии развития пластических деформаций,

Практическое значение работы

Результаты исследования позволяют: -с помощью пакета прикладных программ более обоснованно определят! радиальные нагрузки на крепи устьев стволов от влияния фундаменто! надшахтных сооружений, что по сравнению с ныне действующей методикой позвоялет в породах с углом внутреннего трения 10... 15° снизить толщину крепи до 20%;

-более обоснованно назначать расчетное сопротивление основашй фундаментов, размеры и расположение относительно ствола фундаментоЕ надшахтных сооружений, и ширину опорных венцов (ступеней) устьег стволов:

-оценивать с помощью дополнительных напряжений в стенках незакрепленного ствола безопасность работ в окрестности пригружапцих фундаментов.

Результаты работы используются институтом Гипрошахт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседании Секции проектирования и шахтного строительства Совета Минуглепрома СССР (Донецк,1990), на конференции молодых специалистов ВНИМИ (Ленинград, 1990), на X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 92 страницы машинописного т.екста, 37 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 125 наименований.

Автор приносит глубокую благодарность к.т.н. Е.И. Агуфу и к.ф.-м.н. М.С. Злотникову за помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.

- 5 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Анализ состояния вопроса показал, что пригрузка крепи стволов, ызванная влиянием надшахтных сооружений, и нагрузка на основание их учдаментов определяется без взаимного согласования.

Нагрузки на крепи устьев стволов в горной геоыеханике определяются соответствии с жестко -пластической моделью массива, плоской Е.П.Калмыков, Г.Л.Розенблит, П.М.Цимбаревич, Unrug Kot Р.) либо сесимметричной ( Г.А.Крупенников,. А.М.Козел и Н.А.Филатов), в то ремя как расчет нагрузок на основания фундаментов башенных копров и ругих надшахтных сооружений (В.Ф.Грибниченко, Л.П.Макаренко, •Я.Неиурко, А.С.Поварский, Мофлах Шариф Али и др.) основаны на инейно деформируемой модели грунтового основания, в которой, в тличие от жестко-пластической модели, допускается лишь ограниченное азвитие областей неупругих деформаций.

В экспериментальных исследованиях Г.А.Крупенникова, А.М.Козела и .А.Филатова по нагружению модели крепи ствола в песчаном массиве тампашс не получены ни линии скольжения, ни области сползания пород, оторые неоднократно описаны при моделировании жестко-пластических адач о плоской подпорной стенке, и отмечены в окрестности стволов при тсутствии пригрузки от поверхкостгшх сооружений в экспериментах Н.С. улычева и в натурных исследованиях A.B. Кондратова. Недостаточная очность описания эпюры пр-лгрузгет крепи ствола от влияния штампов, редетявленной показаниями не болае трех динамометров, не позволяет читать обоснованным вывод о жестко-пластическом механизме пригружения репи устьев стволов от близко расположенных надшахтных сооружений.

В расчетах нагрузок на крепи стволов ч стенки опускных колодцев етодами механики грунтов (В.Ф. Грибниченко, Л.П. Макаренко, ,Я. Неяурко, A.C. Поварский, Мофлах Шариф Али и др.) предполагается, то нагрузка на крепь от действия фундамента равна горизонтальной оставляющей напряжений в аналогично нагруженной упругой олуплоскости, при этом влияние ствола на несущую способность гнования фундамента учитывается постоянным коэффициентом т=0,85.

Осесимметричная задача теории упругости о полупространстве с эртикальной цилиндрической полостью рассмотрена в общем виде З.Л.Абрамян, Н.Х.Арутюнян, А.А.Баблоян, В.З.Васильев, А.С.Каплун, .А.Керимов, А.А.Клюкин, К.В.Соляник-Красса, А.П.Филин и др.), и тасаны примеры численных решений (С.Г.Лехницкий, П.Я.Малиц,

К.А.Б1епкаш, Е^егпЪег^, «Т.С.*111ю11^ С.К.Уошйс1аЫ.). в тем числе ■ эпюры радиальных нагрузок на жесткую крепь (В.З. Васильев, Е.В Конопелько, А.К. Приварников, Я.А. Чернин, К. С1аап(1гао1гек!ггага, Р Сора1акг1з1тпап). Анализ устойчивости массива, пригруженног! фундаментом в о!фестности ствола не проводился.

Анализ состояния вопроса позволил определить цели и задач: исследовний. В качестве модели массива принята линейно-деформируема] среда. Поскольку массив в окрестности ствола нагружается весо) надшахтных сооружений после возведения постоянной крепи, то дефррмацш массива малы, и связь между напряжениями и деформациями можно считан линейной. Крепь принята жесткой, проскальзывающей без трения. Пр5 соотношении моделей деформации массива и крепи 1:100, погрешность ш превышает 10% и идет в запас надежности расчета.

В результате эксперимента с нагружением низкоыодульного массива, закрепленного упругой крепью при соотношении модулей деформацш массива и крепи 1:38, получено:

- потеря сцепления упругой крепи ствола с низкомодульным массиве» после нагружения, что соответствует граничным условиям модели;

- качественное совпадение определенных в эксперименте нагрузок к упругую крепь и рассчитанных для жесткой проскальзывающей крепи.

В результате экспериментов по разрушению эпоксидных моделей пригружаемого штампами массива в окрестности ствола установлено, чте механизм разрушения включает в себя:

- появление и развитие областей пластических деформаций, в основноь совпадающих с условными зонами неупругих деформаций, определенных пс распределению напряжений в упругом полупространстве, причем вплоть дс разрушения пластические области не доходят до контура ствола;

- появление трещин отрыва, зарождающихся в области радиальнш растягивающих напряжений, полученных на "модели . упругого полупространства, которые не соответствуют трещинам сдвига -- ливши скольжения жестко-пластической модели, и разрушение массива внутрт отделившегося объема.

Таким образом, сформулировано первое защищаемое научное положение об адекватности поставленной задаче модели упругого полупространства с жестко подкрепленной вертикальной цилиндрической полостью.

<г(г)=

В основу теоретических исследований, изложенных во второй главе, олоеено решение осесишетричной задачи теория упругости В. 3. асильева, обобщенной автором для случаев произвольного расположения агрузки на поверхности полупространства.

Предлагаемая матеыатяческая модель напрятанного состояния массива н репи устья ствола основана на аналитическом реввнли осесньметриянов адачи теории упругости в форме К.В. Солянзка -Красса со слэдутавоя раничными условиями:

г сга= д(г); = 0 - на 2 = 0; г > го

1 иг= 0; 1М = 0 -не г = го; 2^0. рягрузка q(r) имеет вид:

0; го< г < г,;

г,<г<га!

0; г > гг.

В отлична от работ В.З. Васильева, Е.В. Конопельг.о, А.К. ¡нворшкова, Я.А. Чарнина, К. СКаийтазЬекЛята, Р.Сора1акг1в1тап, радусиотрено наличие незагруженного участка а=г1- го.

Для обеспечоная возможности росчбта непряпениЭ и перемещений в зссиве вблизи плоскости 2=0 , гт сходаиость несобственных интегралов езко ухудззэтся, авторш осуцзстЕлано улучгэнае их сходимости с оусцьп катода ас2Езтотдческого ездэлзкея особенностей:

¡9(х)<& = /[Ф(т) - Ф(х)]сгг + /Ф(х)Ог,

г*

да" Ф(х) - асзсштотаческоэ представление фущц&д Ф(х).

Прз проведении вдкладок использова/зсь нулаше ' члены сшототяческого разлете кия функций Бессехя и Неймана. Ецтехрает от оотвэтетвуядш всишзтотик взяты с псякжьо таблиц.

Нагрузки на крепь устья ствола определяется по форсила:

со 2

<*г = о"7«)г[*оСТ.'*) сов7(г-1)] -

-(^^[»Дт.г)*-— sírcT(r-l)]} »

r 1 2г(г -1) %

VrTj-L arctg -=-Ц—--? + — Ä -

21 2 z ♦fr-ll -fr„-1)8 2

_ 2 icVF

-Pz.f

-(V1)* (yin*a+0yi3g-(r-t)a]

_ lr2v Г ГИ ^ g'CVn +

r L 2 z2+Cr-1)2-(ry-1)2

Г -1 2*(r-1) z 02+(r -Г)г ,

—- arctg-,-5-— ln-5-ь- L

2 гг+(гг-1)г-(г-1)г 4 z2+(r.+r-2)2 -I

г гг+(г0+г-21;

7 « с

+ -- la

2 ✓F' 2¿+(r2-r)'

1 2*(r;-1)

- — arctg —p-

11 ?

2 z^Cr-t)2-^-»)2

— arctg -5--» +

r L 2 гг+(г-1]2-[гг1)2

г,-1 2z(r-1] z g?+ fr, -r)2 — ^g p , ■ c,-Tp + - 1л- 1

2 V+írl-IJ^fr-l]8 4 e8+(r,+r-2)2

z с +(r,+r-2)

- In —5---g—

2^ ze+(r -r)e

Здесь л(Т) =

Г ^e^e^W П.»*«И/,<T.r, )] ;

Jq , (7r) - функции Бесселя действительного аргумента первого рода нулевого и первого порядка;

Уо 1(7г) - функции Неймана нулевого и первого порядка;

7 - параметр разложения с непрерывным спектром;

(7,г) - функции Вебера:

V - коэффздиент Пуассона.

Формулы асимптотических выражений послужили основой для разработки алгоритма и создашм программы вычисления компонентов напряжений от эдиничной нагрузки <jq. Расчёт производится для земной поверхности (z^O), и вдоль контакта крепи и массива (г-1).Характерные эпюры мпрязгений в пассиве вблизи контакта с .крепью показаны на рис.1.

В случае пршшканкя фундамента надаахтного сооружения гепосредственно к крепи ствола, напряжения достигают максимума у заикой поверхности и составляют

<3 пах = (Т max -Zv <J max =ü{r)

Г Z <р Ч 4 '

НеззгруженыЗ участок (а / 0) качественно изменяет характер эпюр 18пряЕешй. У поверхности (z=0) напряжения равны нулю, максимум филотан на некоторой глубине' г. Максимум радиальных нагрузок ¡асполояен на глубине, не проткавЕсгаЗ 2г . Независимо от формы зундвиента, максимальны« осагыв напряжения располояены глубже шкскиэлькшс радиальных нагрузок, причем

С max ~ <S .

Z Г

'величеннэ гпфнны фундамента Ъ, расположение его на некотором тсстоянии а от ствола приводит к увеличению протяаенности зоны действия радиальных нагрузок на крепь и уменьшению их максимальных течений. При равных площадях пр:агыкагя;эго н уделанного от ствола ¡ундаиентов существенное (на 203 и более) cintre ¡зге действующих ка ;репь ствола радиальных нагрузок достигается при расстоянии а, ¡еличииа которого составляет но менее 1/4 ширины приныкащего ундамента.

Экспериментальные исследования распределения напряжений в крестности незакрепленного ствола в массиве, пригруненном фундаментом адаахтного сооружения, проводились методом фотоупругости с замораживанием" оптической картины напряжений на объемных моделях, ыполненных из эпоксидной смолы ЭД-6М. Моделировались граничные словия а=Ь=г и а=0; Ь^1,44г (площадь опорных поверхностей штампов

одинакова).

Эпюры распределения напряжений в стенках незакреплённого ствол( (рис. 2) свидетельствуют об аналогичном снияении величин максимальны) напряжений на поверхности ствола при создании незагруженного участкг между стволом и пригрукаэдим штампом. Очертания эпюр тангенциальны; напряжений на контуре незакрепленного ствола и эпюр тангенциальны: напряжений в упругой крепи ствола, пройденного в низкомодулънся массиве, оказались качественно сопоставимыми с эпюрами нагрузок т жесткую крепь.

Сопоставление результатов вычислений и экспериментов методаш фотоупругости с моделями закрепленного и незакрепленного стволо! позволило сформулировать второе защищаемое научное положение о влияшс незагруженного участка на земной поверхности между стволом I фундаментом надшахтного сооружения на радиальные нагрузки на крепь I на нормальные тангенциальные напряжения в крепи ствола.

При исследовании характера распределения напряжений на земно! поверхности отмечено появление с внешней сторош фундамента облает; радиальных растягиващих напряжений, величина которых растет < увеличением ширины пригрузки Ь. с увеличением коэффициента Пуассона \ величина растягивающих напряжений уменьшается.

Результаты вычислений осадки граничных точек фундамента (г^, гр) ш глубине 2=0,001го показывав? тенденцию неравномерности осадю фундамента с наклоном его подошвы в сторону ствола. Накболыод неравномерность осадки отмечается в случае примыкания фундамента 1 стволу.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования методо: фотоупругости. Для сопоставления расчетных величин напряжений н, контакте упругого массива с жесткой крепью с экспериментальными исследована объемная оптическая модель, в которой жёстко* подкрепление ствола моделировалось сплошным стальным цилиндром Нагружение модели производилось кольцевым в плане штампом. Отмечен качественное совпадение величин разностей. главных напряжени (коэффициентов концентрации напряжений) на контакте с крепью в модел и полученных расчетом.

Установлено, что осевые напряжения в стволе при наличии жестко! крепи и ^ез нее совпадают с точностью до 10 X. Расчет вертикальны

),2 0,4 0,6 0,8 ОЛ} 0 0,2 0,4 0,6 0,8 ОЛ}

2/Г

\0

г/г

ч

/ ■

7 ✓

/

Рис. 1.. Эпюры напряжений в массиве на контакте с жесткой крепью:

а- кольцо фундамента примыкает к стволу (а=0; Ъ=2г ); <5 - кольцо фундамента удалено от ствола (а=Ь=го).

а О

0 0,2 0,4 0,6 0,8 ОЛз 0 0,2 0,4 0,6 0,8 аЛ}

2

г/г

'а -в

/

4 6

г /г

/

> -

(

Рис.2 Эпюры напряжений на контуре незакреплённого ствола: а - кольцо фундамента примыкает к стволу (а=0; Ь=1,44го); О - кольцо фундамента удалено от ствола (а=Ь=го).

4

6

напряжений под фундаментами круговой н кольцевой фориы в плане выполненный методами механики грунтов по таблицам, показал практичесю полное совпадение их с напряжениями на контакте упругог< полупространства с жесткой крапью,на основа чего сфорыулпроваш защищаемое научное положение о сопоставимости вертикальных напрягани! в массиве, на контакте с крепью и в незакрепленном стволе.

Эксперименты на моделях показали, что очертание квадратного в плане ленточного фундамента надшахтного сооружения можно принять в расчетно{ схеме круговым, погрешность определения пзпрязэнкй в крепи устья не превышает 15 % и идет в запас надежности.

Исследовано влияние конусности штампов, моделнруизнх фундаменты I опорные венцы крепи; установлено, что изменение угла конусности а от. С до 30° (включительно) не влияет на величина максимальных напряжений I стенках незакреплённого ствола. Лишь при а =45° отмечено уменьшение напряжений в стенках незакрепленного ствола примерно в 1,4 раза, чтс соответствует величине ц-з1п 45°.

Для моделирования взаимодействия массива с деформируемой крепы автором предложено использовать высокоэлвстнчный при комнатной температуре оптически активный материал на основе эпоксидно* алифатической смолы ДЗГ-1, отверддённой полиэтилешюлиашном (ГГЗПА) « пласткфицированноЯ глицерином.Материал ~ вадеркивает температура "замораживания" напряжений в эпоксидной смоле без признакоЕ термодеструкции. Модуль упругости его составляет от 0,1 до 0,8 МПа.

Массив изготавливался из эпоксидной композиции в составе ДЭГ: глицерин: ПЭПА = 100:50:10 путём послойной заливки в форму с заранее установленной в ней крепью, выполненной из эпоксидной смола (Е =3£ МПа) Пригрузка осуществлялась кольцевым штампом. В модели былс реализовано соотношение модулей массива и крепи 1:38.

Распределение напряжений <?г и б на внутренней поверхности модели крепи ствола оказалось подобным распределению напряжений ш поверхности незакрепленного ствола, полученному ранее, что являете* четвертым защищаемым научным положением.

Очертания эпюры тангенциальных напряжений о^ качественно совпадай с расчетной эпюрой радиальных нагрузок на крепь.

Низкомодульный эпоксидный материал также применялся для исследования напряжений в крепи ствола-фундамента надшахтного

;ооруяешя. В данной модели было реализовано соотношение модулей лассива и крепи 1:100.

Пр:: исследовании срезов модели крепы установлено,что коническая 1асть передает на массив до 60 % исходной нагрузки от веса бакенного сопра. Остальные 40 % нагрузки еизывают в крепи вертикальные схимавдие шгрягеиия, линейно убыващзе с глубиной.

Пятая глава посвяггена исследованию несущей способности оснований фундаментов надшахтных сооружений, испытывавших влияние ствола. В ¡еханике грунтов расчетное сопротивление основания фундамента-[азначается не сыта величины критической нагрузки, допускающей юкальное разрушение грунта (в границах условной зоны неупругих :еформаций) с внешней стороны края фундамента Безопасной является агрузха, исключавшая появление условных зов неупругах деформаций в снованш фундамента. Глубина' условных зон неупругнх деформаций при окритической нагрузке согласуется с пластическими зонами, описанными о результатам численных ревеняй (Ф.К.Бугров, А. Л. Голь дин, А.А.Зархи, .Л.Прагер, В.С.Прокопович, О.Д.Сапегин, А.Б.Фадеев, К.Pames и др.), экспериментальных исследований (С.А.Елизаров, А.С.Копанен, .И.Корольков, М.В.Малывев, Е.А.Плотников, А.С.Саянов, А.С.Тепляков).

Для оценка несуггей способности основания фундамента, осесимметрично рагруяапзего настав в окрестности ствола, сопоставлена глубина ?ловных зон неупругих деформаций, возникающих в невесомой элуплоскостя и невесомом полупространстве, ослабленном вертикальным гволом.Предполагается, что весомость массива равным образом геличивает несущую способность грунтового основания в обоих случаях.

Для невесомой полуплоскости формулы определения критической и ¡запасной нагрузок совпадают, зоны неупрутях деформаций не возникают и нагрузке, составляющей 0,95.от критической.

Расчетами установлено, что прягружение мвссива в окрестности устья [крепленного ствола безопасной для обычного фундамента нагрузкой во вх случаях вызывает появление условных зон веунругих деформаций, что идетельствует о снижении несущей способности массива.

Под узким (Ъ < 0,5го) фундаментом образуется условная зона упругах деформаций, выходящая на поверхность ствола, вертикальная отяженность zp которой возрастает с увеличением угла внутреннего енкя (р, прием zp всегда больае яирвны фундамента Ь. Под крокям (Ь

4 го) фундаментом условная зона неупругих деформаций разделана на две части: у края фундамента и у поверхности ствола, причём глубина зоны гр у края фундамента постоянна и составляет 0,5 го<

Для опытной проверки ослабляющего эффекта влияния ствола на устойчивость массива как основания фундамента надаахтногс сооружения, использован метод фотопластичности. В качестве материале моделей использована впоксидаая смола ЭД-€М ( С » 4,73 Ша; ср= ¡12°; ос = 1000 Ш/м2).

Нагружение моделей производилось на 50- тонной прессе стальными штампами, величина нагрузки на штамп назначалась в долях сцепления аналогично расчётам. После испытания из моделей выпиливались вертикальные срезы для определения областей наупругах деформаций пс оптической картине полос.

При малых нагрузках условные зоны неупругих деформаций имехп завышенные размеры по сравнению с экспериментально полученнша пластическими областями, с ростом нагрузок соотноаенаа результата расчёта и эксперимента меняется на противоположное. На критической стадии потери устойчивости массива расчетные и ахспэркшнтальнж размеры указанных зон совпадают.

Экспериментами подтвервдено ашхэнке езлхчиш разрушвдей нагрузи для моделей с закрепленным стволои по сравнению с коделяма нетронутого массива, что позволяет сформулировать ,научноа п слога нне о еннжениг несущей способности основания фундаментов надозхтных сооружений, вызванном влиянием ствола.

Расчетное (критическое) сопротивление оснований Р^ фувдаментоз надшахтных сооружений рекошвдуется производить по скорректировать авторш формуле Н. И. Маслова:

Рг = а77(Ь-гос18ф/2)+*чгйе+ИоС/2. где Ы , кИс~ безразмерные коэф5ащиенты по СНиП 2.02.01-83;

7 - объемный вес 1рунта, ШУы3;

й - заглубление фундамента, м; я

Ь - сторона равновеликого квадратного в плана фундамента, и;

С - сцепление, Ша.

Эта формула применима для определения критического сопротивление масива под опорными венцами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получено новое решение задачи, 1аключащееся в разработке математической модели и установлении (акономерностей формирования напряжённо- деформированного состояния ■рутового массива в окрестности устья ствола, являющегося основанием >ундаментсв надпахтнцх сооружений, и разработке метода расчета гагрузок на крепь устьев стволов, вызванных весом надшахтных ооружений, что имеет существенное значение для шахтного ;троительства.

Основные научные и практические результаты диссертационных :сследований заключаются в следующем.

1. Разработана математическая модель напряжённо - деформированного остояния грунтового массива в окрестности устья ствола, являющегося снованием фундаментов надшахтных зданий и сооружений, на основе ешения обобщенной автором задачи теории упругости для олупространства для случая произвольного расположения нагрузок, ряложенных к границе полупространства, относительно вертикальней олости, моделирующей устье ствола.

2. Разработаны методические положения испытаний объёмных моделей рунтового массива с крепью устья ствола методами фотомеханики, озволящяе осуществлять изготовление и испытание моделей онтактирующах тел (массива и крепи) с соотношением модулей деформации т 1:100 до 1:30, и воспроизводить процесс пластического еформнрования пород.

3. Установлены закономерности форкирования напряжённо ефорыированного состояния грунтового массива в окрестности устья твола под действием нагрузок, приложенных к земной поверхности, в том исле:

зависимости максимальных радиальных нагрузок На крепь устья ствола

очертания эпюры (вертикальные координаты максимума и нуля) от моаення и размеров пркгружанцего фундамента;

зависимости максимальных вертикальных напряжений в породных стенках гвола и вертикальной координаты максимума от положения и размеров эягружащего фундамента;

характер деформирования земной поверхности: наличие и зстоположенне растягивающих напряжений, величина и характер

вертикальных деформаций основания фундамента;

. 4. Установлено распределение нормальных тангенциальных напряжений i крепи по глубине устья ствола при действии нагрузок, приложенных i земной поверхности;

установлено, что конусность опорной поверхности фундамент! (опорного венца) снижает величину напряжений в стенках незакреплённой ствола при угле наклона опорной поверхности о ^ 30° к горизонту;

установлено распределение напряжений в крепи устья ствол! -фундамента надшахтного сооружения: наличие растягивавди: тангенциальных напряжений в верхней расширенной части устья, концентрации напряжений в местах сопряжений участков BepxHeJ воронкообразной части устья.

5. Установлены закономерности, процесса зарождения (под краевыш частями фундаментов) и развития условных зон неупругих деформацЛ вблизи устья ствола; зависимость размеров и конфигурации указанных 30i от прочностных характеристик массива (сцепления и угла внутреннее трения) и размеров пригружаицего фундамента, установлены ,услови} выхода зон неупрутих деформаций на поверхность устья ствола и нг земную поверхность с внешней стороны фундамента;

разработана методика оценки устойчивости грунтового массива t окрестности устья ствола, включающая алгоритм и программу расчёта i построения границ условных зон неупругих деформаций;

установлено, что массив в окрестности устья ствола обладав! пониженной несущей способностью в качестве основания надшахтных здаюй и сооружений, по сравнению с ненарушенным массивом;

установлено, что в связных породах в окрестности устья ствола пр» чрезмерных нагрузках на основание фундамента надшахтного сооружена* может произойти образование кольцевой трещины разрыва у внешней ег< границы, и разрушение пород и крепи внутри отделившегося объёма;

предложена формула для определения расчетного сопротивления массив« как основания фундамента надшахтного сооружения или опорных венцо£ крепи ствола и его устья.

6. Достоверность аналитических и модельных исследований обеспечен« обоснованием постановки задачи, улучшением сходимости несобственеши интегралов и строгим удовлетворением граничных условий, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических v экспериментальных исследований.

- Т7 -

7. Основные результаты исследований данной работы используются [статутом Гипрошахт при проектировании стволов -фундаментов в лоеиях Печорского бассейна.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Булычев И.Н. Напряженно - деформированное состояние массива ренных пород вблизи опоры ствола - фундамента // Механика подземных оружений: сб. науч. тр. -Тула, 1990. - С. 103 - ПО.

Булычев И.Н. Расчет дополнительных нагрузок на крепь устья шахтного вола в условиях близко расположенных зданий// Подземное и шахтное роительство .- 1993 .- ЯЗ.- С.12-14.

Булычев И.Н. Исследование методом фотоупругости напряжений в крепи гья ствола при осесиыметричной нагрузке поверхности//Подземное и иное строительство .- 1993 *9.~ С.5-7.

Булычев И.Н. Устойчивость грунтового массива в основании эружений, расположенных в окрестности устья вертикального зола//0снования, фундаменты и механика грунтов.- 1993 .-*5.-С.24-26.

Булычев И.Н. Устойчивость массива, пригруженого фундаментом в эестносги устья вертикального ствола // X Международная конференция

механике горных пород: Тез. докл. - М., 1993. -С. 63.

ечатный цех; ВНИМИ. Зак. 2. Тираж 70.