Monthly Archives Август 2012

Напряжения

Принимается, что зона растяжения пропорциональна начальному радиусу выработки. С течением времени граница перехода растянутой зоны в сжатую несколько отодвигается в массив и затем стабилизируется. Длительное деформирование горных пород, таким образом, происходит в пределах двух зон — растянутой и сжатой.

Пусть на некоторой глубине устроена круглая горизонтальная выработка радиусом. Горный массив характеризуется изотропными свойствами и находится под действием только гравитационных сил. В этом случае выработку можно представить как бесконечное отверстие в пространстве. Гравитационные силы, действующие в центре намечаемой выработки до ее устройства, отнесем на бесконечность. Тогда в условиях плоской задачи сечение с отверстием может рассматриваться как вырез в невесомой плоскости, сжатой на бесконечности. Существовавшее первоначально напряженное состояние обозначим через. В связи с изложенным эти силы отнесем от центра выработки на расстояние.

Из симметрии задачи следует, что напряжения зависят только от радиуса R и времени , а смещения в других направлениях отсутствуют. Пусть текущая координата элементарного объема, которая при имеет значение. При условии равенства нулю составляющей тензора деформаций вдоль оси у, что вполне логично для прямолинейных туннельных выработок большой протяженности, в линейной постановке уравнения равновесия в при...

Подробнее

Влияние фактора времени на состояние горного массива

Вокруг выработки с течением времени происходит перераспределение и концентрация напряжений. Радиальная составляющая тензора напряжений уменьшается, а тангенциальная увеличивается по сравнению с величинами в нетронутом горном массиве. Распределение нормальных составляющих тензора напряжений в каждый момент времени соответствует упругому решению. Если до момента установки обделки в незакрепленной выработке радиальная составляющая возрастает с удалением от контура выработки (на контуре равна нулю), то тангенциальная составляющая убывает от величины, вдвое большей напряжения в ненарушенном массиве. В пределе обе составляющие стремятся к величине гидростатического давления.

Напряжения в произвольной точке массива зависят от соотношения между радиусом выработки и расстоянием рассматриваемой точки до контура выработки R. Для одного и того же отношения величины о и оде являются одинаковыми в данный момент времени. В связи с этим увеличение радиуса выработки приводит к изменению величины напряжений: росту тангенциальной составляющей и уменьшению радиальной. Длительные процессы приводят к тому, что возникновение деформаций в окрестности выработки связано с уменьшением и увеличением ад. Это является прямым следствием проявления релаксации напряжений.

Смещения боковых пород на контуре выработки могут носить затухающий характер и по абсолютной величине растут пропорционально. Естественно, что радиальные

Подробнее

Анализ изменения состояния горного массива

Достижение нового статического равновесия системы состоит в конвергенции (перемещении) потерявших устойчивость масс в образовавшееся свободное пространство горной выработки.

Если провести аналогию с электродинамикой, такие понятия, как конденсатор, оммическая и индуктивная сопротивляемость применительно к процессам сдвижения горных пород приобретают новое значение. Например, конденсатор может характеризовать как упругое, так и пластическое поведение породы. Явления разрушения, связанные с колебательным или быстрым движением частиц массива, характеризуются индуктивностью.

Анализ изменения состояния горного массива как энергетической системы удобно осуществить при помощи гидродинамического аналога, обеспечивающего наглядность и взаимную связь между параметрами, определяющими характер протекания процесса.

Обделка туннеля, как составляющая часть системы порода — крепь, входит самостоятельной частью в комплекс сопротивлений, способствующих восстановлению энергетического равновесия. Конструкция обделки должна компенсировать недостающую часть сопротивления горных пород, чтобы обеспечить необходимую устойчивость. Процессы нарушения и восстановления равновесия энергетической системы следует рассматривать как динамические. Характер поведения упруго-пластической системы оценивается коэффициентом пластичности.

Все звенья в ней соединены между собой шарни...

Подробнее

Изменение напряженного состояния во времени

Важнейшей задачей как технического, так и технико-экономического характера является управление выработкой, т. е. рациональная организация в пространстве и активный контроль во времени соответствующей системы окружающая среда — крепь.

До инженерного вторжения горный массив является, в собственных масштабах, сплошной средой и непрерывным полем действия гравитационных сил. Слагающие его породы испытывают всестороннее, чаще всего неравномерное сжатие. Вместе с тем, естественное напряженно-деформированное состояние пород на глубинах современного строительства туннелей заметно коррелирует с положением тех же пород по отношению к земной поверхности.

При расчетах сооружений в сложных геологических условиях пользуются коэффициентами, которые учитывают вероятную неравномерность нагружения и перегрузку конструкций.

Изменение напряженного состояния во времени и переход упругих деформаций в неупругие в некоторой области за контуром обнажения выработки было отмечено многими натурными наблюдениями.

Расчетами установлено и акустическими методами доказано, существование сразу за границей ослабления породы области повышенной ее плотности (кольцо Файоля) и даже перемещение этой границы во времени (волна Вебера). Формирование из вскрываемой породы рабочего тела с удовлетворительной самонесущей способностью и при больших скоростях проходки отличается повышенной сложн...

Подробнее

Физические аналогии взаимодействия породы и обделки

Если нагрузка на крепь определена весом разрушившихся пород, то величина этой нагрузки будет постоянной и не зависит от жесткости крепи. Такое взаимодействие крепи с породой получило название работы крепи в условиях заданной нагрузки. Если нагрузка создается всей толщей пород непосредственной и основной кровли, крепь не может противостоять опусканию пород и нагрузка на нее зависит от жесткости крепи. Такое взаимодействие крепи с кровлей принято называть работой крепи в условиях заданной деформации.

Этот случай представляет собой упрощенную аналогию работы крепи в условиях заданной деформации.

Рассмотренные две схемы соответствуют случаям, когда система кровля — крепь — подошва составлена только из жестких и упругих элементов. Если в эту систему включить вязкие элементы (податливая крепь), работа ее будет выполняться еще и в условиях заданной скорости деформирования. При наличии упруго-вязких элементов вязкость на схемах условно показана в виде поршня, выдавливающего вязкую жидкость из цилиндра.

Конечные значения сжатия пружин Аз и А4 и величины реакций стержней будут такими же, как в соответствующих случаях без вязких элементов и определяются условиями работы пружин в случае заданной нагрузки или заданной деформации. Промежуточные же значения сжатия пружин будут зависеть от вязкости элементов системы. Реакция стержней в случае за...

Подробнее

Обнажения боков выработки

За зоной влияния выработки, которая, по результатам исследований многих ученых, распространяется обычно на расстоянии (1-5) от ее контура, породы остаются практически в первоначальном напряженном состоянии.

Обнажения боков выработки будут устойчивы, если сжимающие напряжения в них равны или меньше прочности пород на сжатие, т. е. если К2уНСосж. Кроме того, величина касательных напряжений должна быть меньше или равна прочности пород на сдвиг

Наибольшая концентрация наблюдается в углах выработки; она тем больше, чем острее углы. С увеличением ширины выработки по сравнению с ее высотой величина растягивающих напряжений в кровле (подошве) возрастает. Растягивающие напряжения в кровле прямоугольной выработки максимальны, при трапециевидной форме они почти на 30% меньше, а при сводчатой или круговой форме на контуре могут быть равны нулю. Поэтому выработки кругового и эллиптического очертания более устойчивы, чем прямоугольные и трапециевидные.

Величина разрушенной зоны зависит от физико-механических свойств окружающей горной породы. С уменьшением сил трения (в случае увлажнения) радиус зоны увеличивается, причем достигает значения около. Аналогичная закономерность наблюдается и при изменении сцепления. Особенно существенное влияние сцепления на размеры зоны пластических деформаций: например, радиус

Подробнее

Определение границ зоны пластических деформаций

Определение границ зоны пластических деформаций даже для сравнительно простых очертаний контура выработки в изотропной среде представляет значительные трудности. Будем решать

Таким образом, устройство горной выработки нарушает первоначальное напряженное состояние массива в некоторой области вокруг выработки: в кровле горизонтальной выработки (особенно прямоугольного сечения) часто появляются растягивающие напряжения. Образуется новое поле напряжений, характер которого зависит от глубины расположения выработки, формы выработки и соотношения размеров поперечного сечения, свойств окружающих выработку пород.

Обнажение пород в выработке начинает деформироваться. Если эти деформации находятся в пределах упругости породы, обнажение будет устойчивым; если они выходят за пределы упругости породы, обнажение будет неустойчивым.

Общую закономерность развития горного давления во времени для глинистой породы можно представить в виде графика. Сначала величина горного давления быстро нарастает (участок а), затем рост горного давления замедляется. В зависимости от характеристики крепи горное давление может принять постоянное значение или несколько снизится, а затем принять постоянное значение.

Для характеристики изменения напряженного состояния в результате устройства выработки многими исследователями используется понятие коэффициента концентрации напряжений с, который

Подробнее

Радиус отверстия

По мере удаления от выработки оно увеличивается но значения в зоне (нейтральной). Таким образом, вокруг выработки образуется область, или зона, разгрузки. Однако не следует эту зону отождествлять со сводом обрушения. Разрушения породы в этой зоне происходят з виде трещин или пластических деформаций первоначально вблизи стенок выработки, а затем отодвигаются все дальше вглубь массива.

Если обозначить теперь радиус отверстия ослабления через R, то, как показывают наблюдения, с течением времени он увеличивается. Скорость этого увеличения зависит от большого числа факторов, основные из которых отражают физико-механические и реологические свойства окружающей среды (плотность, влажность, время релаксации и др.). Скорость развития R будет тем больше, чем плотнее порода, а в скальных породах она практически отвечает скорости распространения звуковой волны, т. е. почти мгновенно.

Предоставленная горной породе свобода в деформациях приводит к тому, что по достижении определенной величины радиуса зоны ослабления R давление на обделку, связанное с явлением упругого последействия, становится минимальным. В массиве горной породы можно выделить теперь зону, которая воспринимает все нагрузки от и распределяет возникающие напряжения в толще породы. Образовавшееся таким образом несущее кольцо также зависит от прочности и жесткости обделки. Ослабление давления на обделку во времени в этом случае следует

Подробнее

Свобода в деформациях

Уменьшение это непосредственно связано также с гибкостью (податливостью) кольца и скоростью уменьшения диаметра. В случае, если деформации горной породы вокруг выработки будут соответствовать деформациям обделки, давление на кольцо вообще будет отсутствовать. Отсюда и вытекает, что величина радиального давления на кольцо зависит от степени жесткости конструкции и соотношения диаметров отверстия в толще и самого кольца.

Проанализировав характер происходящих в горном массиве процессов, можно сделать предположение, что величина горного давления зависит как от упругой части деформаций, так и деформаций необратимого характера. Существовавшее в горном массиве напряженное состояние в — результате устройства горной выработки нарушается, и тогда окружающая порода может свободно деформироваться.

Применительно к туннелю свобода в деформациях имеет место при значительных переборах горной породы и отставания нагнетания за обделку или при недостаточной жесткости самой обделки. В этом случае находим аналогию с поведением связного глинистого грунта, испытываемого на ползучесть и длительную прочность, когда нагруженный образец начинают разгружать. Наблюдаемое давление может рассматриваться как следствие проявления процесса упругого последействия при одновременной Релаксации напряжений.

Из условий повед...

Подробнее

Внутреннее пространство

Поскольку в натуре горные породы не могут быть отнесены к упругим телам и, кроме того, отличаются еще и большей анизотропностью, методы теории упругости могут использоваться только на стадии предварительных расчетов при проектировании подземных сооружений.

Для рассмотрения влияния процессов взаимодействия обделки туннеля с окружающей средой на напряженное состояние системы примем, что в толщу на некоторой глубине (сравнительно большой) от дневной поверхности вставлено кольцо без нарушения сплошности всего массива и без извлечения породы из внутреннего пространства кольца. Вделываемое в толщу кольцо обладает определенной степенью жесткости. Естественно, что в таком случае будет иметь место плотное прилегание породы к внешней поверхности кольца.

Если теперь вынуть из внутреннего пространства кольца породу то оно окажется нагруженным направленными усилиями. Величина этих усилий зависит от глубины заложения кольца и при достаточно большой глубине от поверхности достигает больших значений.

Экспериментальные исследования показывают, что со временем величина горного давления увеличивается и по истечении определенного промежутка времени достигает значения, значительно превосходящего величину, определяемую по теории сводообразовання.

Если конструкцию кольца принять жесткой, то напряжения по периметру будут распределяться неравномерно, что в конечном

Подробнее

Распределение напряжении в системе обделка туннеля — окружающая среда

Чаще приходится встречаться с таким положением, когда окружающая среда представлена более прочными телами; в этом случае часть напряжений воспринимается породой, окружающей горную выработку, а остальная часть передается стенкам обделки. Соотношение частей напряжений колеблется в широких пределах и зависит от большого количества факторов. Важно то, что напряжения в обделке будут меньшими.

Чтобы выяснить, насколько окружающая порода влияет на закон распределения напряжений, рассмотрим другой крайний случай: горная выработка устроена в твердых породах, обделка отсутствует.

После проходки выработки напряженное состояние изменится, так как по площадкам, совпадающим с контуром выработки, напряжения должны быть равны нулю.

Благодаря всестороннему сжатию, хотя и неравномерному для вертикального и горизонтального направлений, выделенный в горном массиве элементарный кубик находится в весьма благоприятных условиях и может выдерживать значительное давление, значительно большее, чем образец из того же материала при испытании на одноосное сжатие, где наибольшее касательное напряжение равно 12 сжимающего. Условия прочности для элементарного кубика в массиве тем благоприятнее, чем больше постоянная Пуассона.

Эти напряжения, по общему правилу, действуют по площадке, проходящей

Подробнее

Оптимальная крепь подземного сооружения

Кроме того, в расчетах горного давления параметры — механические свойства горных пород и крепи — рассматриваются как некоторые константы, средние величины. В действительности же эти параметры должны характеризоваться не только средними значениями, но и законом распределения. Такое ответственное сооружение, как туннель транспортного, гидротехнического или иного назначения, должно проектироваться с определенной степенью надежности в работе при длительной эксплуатации. Возможные обычно в расчетах неточности, а также несовершенство методов расчета компенсируются введением коэффициента запаса. При этом оказывается, что одному и тому же значению коэффициента запаса, определяемого как отношение разрушающего напряжения к действующему, соответствуют совершенно различные вероятности разрушения в зависимости от возможной изменчивости расчетных параметров.

Оптимальная крепь подземного сооружения при очевидной сложности условий работы может быть подобрана только при достаточно правильном учете изменений напряженного состояния породы. Взаимодействие крепи с окружающей глинистой средой должно рассматриваться при одновременном воздействии давлений со всех сторон, в том числе и давления в результате пучения пород. Многообразие тектонических особенностей горных массивов даже на сравнительно незначительной длине туннеля, изменение рельефных у...

Подробнее