CC BY
53
УДК 658.32:622.33 В.А. Бабелло
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАСЫПНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД
Приведены результаты экспериментального исследования напряженного состояния насыпных массивов горных пород в стендовых и натурных условиях. Описана методика оценки погрешностей применяемых приборов в связи с изменением напряженного состояния массивов. Проведено сравнение результатов определения напряжений, полученных опытным путем и по модели нелинейно-деформи-руемой среды.
Ключевые слова: мессдоза, напряжения в породном массиве, насыпные массивы горных пород.
V.A. Babello
THE EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE STRESSED STATE OF THE BULK ROCK MASS
The outcomes of an experimental research of a state of stress of bulk rock masses in bench and full-scale conditions are adduced. The technique of an estimation of errors of used devices is described in connection with change of a state of stress of massifs. Matching outcomes of definition of pressure (voltage, stresses) obtained by practical consideration and on model non-linear - of deformed environment is conducted.
Key words: pressure cell, rock mass stress, bulk rock mass.
У^езультаты прямых измерений Р распределения напряжений в породном массиве заслуживают доверия лишь при использовании измерительных приборов - мессдоз с заранее известной и учитываемой экспериментатором ошибкой измерения [1]. Измерение напряжений в породной среде связано с необходимостью преодоления многочисленных трудностей, обусловленных сложными и изменяющимися свойствами нескальных пород. Опытами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что:
- с увеличением отношения высоты корпуса измерительного прибора (датчика, мессдозы) к его диаметру погрешность показаний мессдозы существенно увеличивается;
- погрешность показаний мессдозы увеличивается при увеличении отношения деформационных характеристик мессдозы и окружающего грунта;
- погрешность показаний мессдозы возрастает при увеличении прогиба ее корпуса.
В экспериментальных исследованиях, выполненных нами, применялись мессдозы двух типов, сконструированные и выполненные с учетом специфики измерения возрастающих напряжений в стендовых и натурных условиях при квазистатическом характере приложения нагрузки. Первый тип мессдозы представляет собой мембранный датчик цилиндрической формы, диаметром 3,5 • 10-2 м и высотой 0,5 • 10-2 м с параллельным перемещением мембран. Для изучения поведения такой мессдозы в условиях сложного напряженного состояния нами был изготовлен прибор трехосного сжатия образца породы с возможностью независимого регулирования каждого из
трех главных напряжений и создания условий близких к тем, которые возникают при измерении напряжения в породном массиве (формирование области концентрации напряжения вокруг мессдозы).
В опытах использовался среднезернистый песок с плотностью р = 1,8 т/м3 (максимально уплотненный) и р = 1,57 т/м3 (рыхлый). Эти же значения характеризовали плотность сложения песчаного массива в стендовых условиях.
Испытания породных образцов, находящихся в сложном напряженном состоянии, позволили установить, что применявшиеся нами мессдозы активно реагируют на изменение вида напряженного состояния, оцениваемого соотношениями. £ = Оз /О] и £1 = 02 /о] , где 01,02,03 - главные напряжения.
Для проверки возможности измерения напряжений, действующих в массиве по различным направлениям, в приборе трехосного сжатия фиксировались показания мессдоз, измеряющих вертикальные, горизонтальные и наклонные (45 °) напряжения.
Из полученных результатов следует, что коэффициент вариации показаний различно ориентированной мессдозы, расположенной в плотном песке, при £ = 0,8 и £ = 0,2 составляет 7-10 %, в рыхлом песке - 10-12 % соответственно. Надежность показаний исследованных нами мессдоз проверялась по степени расхождения известной из теории напряжений зависимости 01 - 03 = 2 Он, где Он - напряжение, равно-наклоненное к направлениям действия напряжений 01 и 03. Кроме того, этими же исследованиями проверено выполнение уравнений статического равновесия части массива грунта с моделью опорных элементов горнотранспортного оборудования (по площади эпюр 0z на различных горизонтальных уровнях как под подошвой мо-
дели, так и ниже нее). Оба упомянутых условия выполнены с достаточной точностью.
Полученные данные позволили произвести расшифровку показания мессдозы при изучении напряженного состояния в породных массивах, сформированных в стендовых условиях с учетом его переменности вокруг мессдозы, что повысило достоверность результатов измерения напряжения в сравнении с традиционными методиками. Результатом проведенных исследований явилась новая методика градуировки мессдоз и рекомендации по их использованию в условиях переменного напряженного состояния техногенных массивов.
Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния насыпных массивов горных пород, находящихся под воздействием нагрузки, состояли из четырех серий опытов: в стендовых и натурных условиях.
Первая серия опытов с использованием плотного и рыхлого песка выполнялась в лотке с размерами в плане 2,2 х 1,6 м и высотой 1,5 м. Для имитации опорных элементов горнотранспортного оборудования применялись жесткие штампы с шероховатой подошвой размером 0,3 х 0,3 м; 0,3 х 0,75 м; 0,3 х 1,5 м (№«№ 1, 2 и 3 соответственно). Для измерения компонент напряжений применялись исследованные нами тензо-метрические мессдозы первого типа. Послойные вертикальные деформации вычислялись по перемещениям марок диаметром 3,5 • 10-2 м, установленных вдоль центральной вертикали штампов и соединенных струнами с прогибомера-ми.
Вторая серия аналогичных опытов проведена с плотным песком в лотке с размерами в плане 3 х 3 м высотой 2,5 м; использовались штампы размером 0,3
х 0,3 м; 0,7 х 0,7 м и 0,3 х 1,5 м. Три компоненты линейных деформаций в этом случае измерялись деформометра-ми конструкции Новочеркасского политехнического института в сочетании с прибором ЦТМ-5; диаметр рабочих пластин деформометров -3,5 • 10-2 м, база -2,5 • 10-2 м. С целью уточнения результатов опытов первой серии мессдозы и деформометры во второй серии опытов располагались между точками установки измерительных приборов в первой серии.
Лотки в каждом опыте заполнялись песком средней крупности, послойно уплотненным вибратором или же свободно отсыпанным, с плотностью породы в первом случае 1,76 т/м3, во втором
- 1,56 т/м3.
Эпюры полученных главных напряжений о1 в основании каждого из штампов, использованных в первой серии опытов, в исследованном диапазоне внешней нагрузки имеют на глубине h ~
0,5 в четко выраженный максимум; в -ширина штампа.
Обобщая полученные опытные данные, можно сказать, что исследованные вдоль центральной вертикали штампов напряжения о1 превышают установленные по теории линейно-деформируемой среды для нагрузки, передаваемой жестким штампом. Измеренные напряжения о1 в рассматриваемом случае как плотного, так и рыхлого основания могут быть вычислены по зависимостям о1 =
т Тут т
01 • Ка, где 01 - напряжения, устанавливаемые по теории линейно-деформируемой среды при равномерно распределенной нагрузке; К = ао + Ьо • вт^^о), где ао, Ьо, do - параметры определенные опытом, z1 = z/b - относительное заглубление точки. Сопоставляя наши результаты с данными других исследователей (штампы на песчаных и глинистых породах) можно заключить,
что определенное опыт-ным путем значения о1 существенно превышают таковые, вычисленные по теории упругости.
Горизонтальные напряжения <з3 в исследованной породе под полосовым и о3 = о2 под квадратными штампами, начиная с некоторой глубины, также превышают вычисленные по теории линейно-деформируемой среды (до 250 %); в рассматриваемых условиях они аппроксимированы полиномом <з3 = £ • о1 = (а1 + Ь^ + с^2 + й^3 + е^4) о1, где а1 - е1 -параметры, определенные опытом; z1 = z/b. Для иных условий параметры, а возможно и вид аппроксимирующих функций могут быть иными.
Степень приближения напряженного состояния породы к предельному в точках, где измерялись напряжения, оценивалась величиной угла наибольшего отклонения 0 отах, вычисленного по полученным значениям компонент напряжений. Во всех случаях при увеличении нагрузки угол 0 отах увеличивался. Под каждым из штампов на глубине h = (0,81,0) Ь эпюры 0 отах имеют максимум: напряженное состояние здесь наиболее близко к предельному. Таким образом, по критериям напряженного состояния в техногенных массивах были выделены зоны, находящиеся в допредельном и предельном состояниях. Это, в свою очередь позволило обосновать применение характерных особенностей исследованного переменного напряженного состояния в приборах трехосного сжатия для оценки деформационных свойств пород.
В процессе увеличения внешней нагрузки происходит трансформация эпюр вертикальных е1 и горизонтальных е3 деформаций песчаного массива.
Контроль точности измерения е1 осуществлен сравнением измеренных перемещений Б штампов с результатами суммирования послойных деформаций
основания. При малых нагрузках (близких к расчетному давлению Я) эти значения практически совпадали, а при последних ступенях отличались на 5-12 %. Графики зависимости е1 - р для всех точек плотного и рыхлого основания штампов №№ 1-4 были криволинейны.
Третья серия опытов была реализована с помощью испытательного стенда, разработанного и изготовленного в Читинском политехническом институте (а.с. № 1476378 СССР. МКИ в 01 N 33/24. Испытательный стенд для моделирования деформаций оснований / В.А. Бабелло и др. (СССР) - № 4258569/2933; заявл. 08.06.1987; опубл. 30.04.1989. Бюлл. № 16. - 3 с.).
Стенд состоял из 11 силовых рам, установленных на расстоянии равном одному метру друг от друга, настила, силовых балок и связей. Длина стенда составляла 10 м, его ширина 3 м.
Перед началом испытаний настил стенда устанавливался в исходное горизонтальное положение. На поверхности настила формировалась насыпь высотой 1,0-1,5 м из песчаных пород. Для передачи нагрузки на насыпь использовались металлические жесткие штампы, имитирующие опорные элементы горнотранспортного оборудования. Нагрузка на штампы создавалась при помощи гидродомкратов. В тело насыпи устанавливались тензорезисторные преобразователи давления (ПД) типа ПДП-70/11 конструкции ЦНИИСК [2](мессдозы второго типа). Для учета погрешностей ПД до и после испытаний в насыпи, производилась их породная и гидравлическая градуировки в баках-одометрах и стабилометрах.
Полученные результаты измерения компонент нормальных напряжений в теле нагруженной насыпи не выявили каких-либо принципиальных отличий от результатов I и II серий опытов. Допол-
нительно исследовалось влияние факторов системы «объект - насыпь - слабое основание» в процессе их взаимодействия.
Четвертая серия опытов (опытнопромышленный эксперимент) по изучению н.д.с. насыпей заключалась в том, что в отдельных точках отвала «Восточный» Уртуйского угольного разреза нами были измерены вертикальные и горизонтальные напряжения.
Измерения проводились с использованием мессдоз (преобразователей) второго типа. Всего было использовано 11 преобразователей, установленных в 8 точках внутри отвала в процессе его формирования. Два преобразователя измеряли горизонтальное и вертикальное напряжения в угловой точке 22, расположенной по горизонтали на расстоянии 4 м и по вертикали - на 0,56 м выше нижней точки откоса. По одному преобразователю для измерения вертикальных напряжений было установлено на глубине 7 м ниже бровки откоса (точка 231 и 285 соответственно). На таком же удалении от данной вертикали, но на глубине 3,5 м измерялись вертикальные напряжения в точках 227 и 283, то же — на глубине 1,75 м в точках 225 и 282. Вертикальное напряжение измерялось еще в одной точке, расположенной у поверхности откоса на расстоянии 5,6 м от вертикали, проходящей через бровку, и на глубине 6,4 м (точка 148).
Горизонтальные напряжения, кроме точки 22, измерялись в точках 148, 227 и 225.
Сравнение измеренных и рассчитанных с использованием модели упругоидеальнопластической среды значений напряжений, показало, что упомянутая модель удовлетворительно оценивает напряженное состояние исследованного отвала.
Таким образом, для надежного прогноза напряженного состояния техногенных массивов горных пород, в т.ч. нагруженных горнотранспортным оборудованием возможны следующие варианты:
- установление общих закономерностей, позволяющих внесение корректив в аналитические зависимости, описывающие распределение всех компо-
1. Хейфиц В.З. Измерение напряжения в грунтах (обзор). - М.: ИНФОРМЭНЕРГО. 1973. - 43 с.
нент напряжений в массиве, например, методами теории упругости;
- определение компонент напряжений численными методами, например, путем решения упруго-идеальнопластической задачи;
- установление индивидуальных закономерностей распределения напряжений в отвальных породах опытным путем.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Паспорт на тензорезисторный преобразователь давления ЦНИИСК типа ПДП -70/11. - М.: Госстрой СССР. 1982 - 12 с. ЕШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------------
Бабелло В.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геологии гидрогеологии, Читинский государственный университет, [email protected]
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА
ВОЛКОВ Дмитрий Сергеевич Особенности и методы изучения геологического строения Верхнедевонско-каменноугольных отложений северо-востока Республики Татарстан и поиск органогенных построек в осевой зоне Кам-ско-кинельской системы прогибов 25.00.12 к.т.н.
