Геофизический мониторинг карьерных дорог с жестким покрытием при открытой разработке полезных ископаемых Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.831.32

К. В.Ардеев

ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАРЬЕРНЫХ ДОРОГ С ЖЕСТКИМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рост добычи полезных ископаемых открытым способом неразрывно связан с совершенствованием и эффективностью работы карьерного автотранспорта. 40-70% трудоёмкости, энергоёмкости и себестоимости добычи полезных ископаемых приходится на перемещение горной массы. При этом эффективность работы карьерного автотранспорта непосредственно зависит от качества и работоспособности подъездных дорог и их основного элемента - дорожной одежды. [1]

Дороги на рудниках и карьерах относятся к природно-техническим объектам, основные элементы структуры которых показаны в табл.1.

Повышение качества дорожного покрытия снижает расходы транспортирования горной массы при открытой разработке полезных ископаемых на 15^35% (табл. 2) [2].

Возрастающим требованиям, как показывает отечественный и мировой опыт, в наибольшей степени отвечают цементобетонные покрытия. Их преимуществами являются стабильные транспортно-эксплуатационные показатели и высокая долговечность.

В настоящее время около 60% горной массы на карьерах России и более 85% на зарубежных карьерах перевозится автотранспортом. За последние 25 лет осевые нагрузки карьерного автотранспорта возросли более чем в 7,5 раз, поэтому значение жестких дорожных одежд будет расти. Жесткие дорожные одежды по своим прочностным показателям являются одними из наиболее перспективных, отвечают требованиям современного движения автомобилей с высокими осевыми нагрузками и скоростями и получили широкое распространение в различных странах [1].

Автомобильные дороги с цементобетонными покрытиями в России были построены на ряде горнодобывающих предприятий, но несмотря на все свои преимущества, встречаются довольно

редко. Это во многом связано с их низкой работоспособностью, обусловленной несвоевременным ремонтом дорог, сложными природно-

климатическими факторами и высокими нагрузками, воздействующими

на дорожное покрытие.

Главная цель мониторинга карьерных дорог -повышение эффективности работы карьерного автотранспорта путем своевременного выявления скрытых дефектов структуры жестких покрытий карьерных дорог.

В связи с особенностями работы карьерных дорог, определяющим показателем срока службы жестких покрытий является их прочность, снижающаяся со временем в связи с накопления микродефектов. Очевидно, что наиболее перспективные методы мониторинга жестких покрытий карьерных дорог должны не только оценивать текущее состояние дорожного покрытия, но и с достаточной точностью предсказывать ресурс его работоспособности.

Разработка практических методов прогноза работоспособности карьерных дорожных покрытий, связана с проведением теоретических и экспериментальных исследований в ряде фундаментальных и прикладных областей науки, таких как механика разрушения, механика дорожных покрытий, теория автомобиля, надежность строительных конструкций и др. Наиболее сложным является выполнение экспериментальных исследований, в процессе которых необходимо наблюдать многолетние длительно протекающие процессы изменения основных эксплуатационных показателей дорожных покрытий в результате совместного влияния большого числа факторов, имеющих выраженную вероятностную природу. Прогнозирование срока службы дорожных покрытий, требует знания усталостной прочности мате-

Таблица 1

Конструкции карьерных дорог некоторых российских горнодобывающих

предприятий

Горные предприятия и карьеры Конструктивные слои дороги

Подстилающий слой Основание I Покрытие

Материал и толщина слоя

Ковдорский ГОК Грунт земляного полотна Песок (10 см) Цементобетон (38 и 22 см)

Оленегорский ГОК Песок (30 см) Щебень (15 см) Цементобетон (28 см)

Холбольджинский угольный разрез Грунт земляного полотна Щебень (14 см) Цементобетон (38 и 24 см)

Михайловский карьер Грунт земляного полотна Щебень (14 см) Цементобетон (38 и 24 см)

Гайский карьер Грунт земляного полотна Щебень (14 см) Цементобетон (38 и 24 см)

«Коашва» комбината Апатит Песок (30 см) Щебень (14 см) Цементобетон (65 см)

Айхальский карьер Песок (30 см) Гравийнопесчаная смесь Цементобетон (38 см)

риалов. Как правило, её оценка возможна либо путем долговременных испытаний образцов при постоянной нагрузке, либо при циклических нагрузках.

Однако в обоих случаях испытания носят долговременный и весьма трудоёмкий характер, а прогноз усталостной прочности возможен лишь при накоплении большого объёма статистических данных. Кроме того, связь усталостной прочности с числом проездов автотранспортных средств не всегда выражается простыми корреляционными уравнениями, что обусловлено зависимостью усталостной прочности от асимметрии прикладываемой нагрузки, характера зависимости напряжений от времени, изменений температуры в процессе нагружения покрытия и другими факторами. Значительные напряжения в материале дорожных покрытий обусловлены изменением температуры. Как следует из многочисленных многолетних наблюдений, разрушение наступает от возникающих микронапряжений вследствие расширения воды в микротрещинах и порах при застывании. Методы определения морозостойкости материала покрытия карьерных дорог, регламентированные действующими нормативными документами, весьма трудоемки (даже в ускоренных вариантах). Как правило, они основаны на прямом или косвенном определении потери прочности материала при многократном замораживании и оттаивании образцов.

Вследствие этого для мониторинга жестких покрытий наиболее перспективно применение геофизических методов, которые основаны на использовании предвестников разрушения - аномалий или возмущений физических параметров материалов, которые сопровождают процесс формирования очага разрушения. Наибольший интерес представляют методы, основанные на регистрации электромагнитной эмиссии при быстром распространении трещин. В наиболее развитых кинетических моделях выделения импульсов ЭМИ в комплексе учитываются как масштаб разрушения, изменение напряжений, так и изменение температуры (В .В. Иванов и др.).

Основными физическими механизмами, вносящими определяющий вклад в величину электрического заряда и дипольного момента вблизи вершины быстро распространяющихся трещин, является пьезоэффект, поперечное скольжение заряженных дислокаций и адгезия вблизи поверхности контакта зерен и цементирующего вещества

[3].

Количественная оценка заряда и дипольного момента на единицу длины фронта трещины для разных материалов даёт заряд QII ~ 10-11 -г- 10-12 Кл/м; дипольный момент Р ~ 10-15 -г- 10-16 Кл-м/м; и поверхностную плотность заряда 8о

Таблица 2

Снижение затрат при повышении капитальности карьерных дорог

Тип покрытия Относительное значение показателей

Скорость движения Расход горюче- смазочных материалов Износ шин Расходы на ремонт и техобслуживание Эксплуата- ционные расходы

Капитальные 1,7 0,74 0,67 0,7 0,55-0,6

Облегченные 1,3 0,85 0,75 0,8 0,65-0,75

Переходные 1 1 1 1 1

Низшие 0,8 1,3 1,5 1,2 1,8-2,2

10-2 -г- 10-5

Кл/м2. В результате в процессе нагружения материалов возникают импульсы ЭМИ, частота образования которых в единице объема определяется следующей формулой

-ехр

Iа - и0 кТ

(1)

/'1* -3

где С - предельная концентрация трещин, м ; То

- период тепловых атомных колебаний, с; и0 -энергия активации разрушения материала, Дж; у -активационный объём, м3; к - постоянная Больцмана, Дж/град; Т - абсолютная температура, Ко; а

- действующие в материале напряжения, Па.

Разработанная нами кинетическая модель выделения импульсов ЭМИ для сложных неизотермических условий нагружения имеет вид:

N (і) =

N *

Т0 • 4с

ехр

(у •а(і) - и 0)

к • Т(і)

(N */ К)

• = е.

(2)

(3)

N *

ехр

(уа(і) - и 0)

к • Т

йі = N *, (4)

где V - объем очага разрушения, м3; Ьс - масштабный коэффициент; 1 -размеры микротрещин, м; Ы* - критическое число импульсов ЭМИ в объёме очага разрушения; Т - время до разрушения образца, с.

1 -экранированная ячейка с образцом материала и датчиком электромагнитной эмиссии

2 -нагружающее устройство

3 -устройство для измерения температуры образца при разрушении

4 -широкополосный усилитель

5 - записывающий осциллограф

6 - счетчик импульсов

Рис 1. Блок-схема лабораторной установки для изучения разрушения образцов методом ЭМИ

*

Т

0

т

Первое уравнение (2) представляет собой скорректированное кинетическое уравнение С.Н. Журкова для скорости трещинообразования, уравнение (3) - концентрационный критерий разрушения, а уравнение (4) - условие необратимости накопления повреждений структуры материала. Отличием данной модели от предшествующих является учет масштаба разрушения, а также изменений температуры и действующих нагрузок. Кинетическая модель (2-4) нечувствительна к масштабному уровню разрушения, учитывает подобие процессов разрушения на разных уровнях, а кинетические константы U0 и у, найденные на испытываемых образцах, могут быть использованы в аналогичных условиях нагружения (объемное, одноосное сжатие - растяжение) для прогноза разрушения на любом уровне.

Предположив, что циклическое нагружение осуществляется путем приложения сжимающего или растягивающего напряжения с постоянной частотой и считая, что скорость изменения напряжений постоянна в каждом цикле (ст = const), для числа накопленных в каждом цикле импульсов ЭМИ можно получить:

Таблица 3

Результаты исследований жестких покрытий карьерных дорог на

Серия Y U0 r C Мэкс теор

м3-102/ Дж-1019 шт МПа шт шт

1 0,82 1,65 4,75-104 3,30 264 268

2 0,88 1,59 0,60 222 189

3 1,31 1,63 1,20 185 191

4 1,01 1,65 2,40 211 212

5 1,09 1,62 0,34 207 123

7 2,97 1,63 0,2 263 208

8 1,79 1,68 0,38 269 250

9 1,10 1,66 0,7 232 254

10 1,13 1,71 0,5 279 234

11 1,21 1,51 1,36 -104 0,85 263 271

12 0,91 1,53 9,77 -103 0,81 293 374

13 1,57 1,55 5,68 -103 0,4 251 263

14 6,70 1,50 1,00 -104 1,57 219 227

ЛГ kT'N

N1 _ —-------Т exp|

T0 LcYC&

U 0 k-T

(5)

где ^ - время эксперимента; а - скорость нагружения; Т - температура образца покрытия.

Учитывая что пц - Ы1 = N , где Пц - число

циклов до полного разрушения образца покрытия, можно найти кинетические константы разрушения методом наименьших квадратов отклонений теоретических от экспериментальных точек Ык кинетической кривой накопления импульсов ЭМИ:

^ hr kT-N ( Uо

Si Nk---------- expl--T

K=11 ToC 1 kT

exP

min

YC tK

kT

-1

(6)

и 0,7

Определив значения По и у, можно прогнозировать количество циклов приложения нагрузки до разрушения жесткого дорожного покрытия

n _*oYJk exp( Ul

ц _ kT p1 kT

exP

YCA

kT

-1

(7)

где а- амплитуды напряжений в жестком дорожном покрытии, Па; / - частота приложения нагрузки (частота движения карьерного автотранспорта), Гц; Ьс - масштабный коэффициент.

Для вычисления морозостойкости материала жесткого покрытия, используем кинетическую модель (2-4). Потеря прочности образцов с энер-

гией активации разрушения П0 равна ри0 , где в=0,95 что соответствует 5%-ной потере прочности (по основной методике ГОСТа). Вычитая из (7) число циклов до разрушения образца с энергией активации ри0 и выполняя некоторые преобразования, получим морозостойкость материала (число циклов замораживания-оттаивания при котором прочность образца уменьшается на 5%):

т0/г(уоА - 400Квв 0/Т0 Ус (ри0

---------------------------ехР1 1

(8)

M _■

k-To

kTo

exp

(a - 40-PU0/T'0

kTo,

-1

где 40 К - изменение температуры за один цикл замораживания-оттаивания по основной методике ГОСТа.

Знание у и и0 позволяет по формуле (8) предсказать морозостойкость материалов жестких дорожных покрытий. Однако расчёт затруднен, поскольку заранее неизвестны амплитуда внутренних микронапряжений - о а и количество микроповреждений структуры образцов г, накопленных к моменту 5%-ой потери их прочности.

Методика прогноза морозостойкости материалов жесткого дорожного покрытия состоит в циклических испытаниях образцов и определении кинетических констант разрушения. Параллельно проводятся измерения морозостойкости образцов того же материала в соответствии с ГОСТ 10060.0-95. Из сравнений теоретических значений морозостойкости с результатами эксперимента для каждой серии образцов методом наименьших квадратов находим параметры Оа и г:

Mг --

оГ(а - 40PUог / ToPUoi exp

kT0

kTo

exp

(a - 40 PU Oi / To)

kTo,

min

CA, r

2

г _1

где М - морозостойкость образцов в 7 циклах замораживания-оттаивания, полученная путём лабораторных испытаний по ГОСТу.

Приравнивая производные (9) по Оа и г нулю, можно получить уравнения, из которых определяют эти параметры, характерные для каждого типа материала.

Для определения кинетических констант разрушения образцов

жесткого покрытия была собрана лабораторная установка, принципиальная блок - схема которой представлена на рис.1.

За время проведения исследований было изготовлено и испытано около 250 образцов покрытий дорожной одежды тринадцати серий.

Каждый из исследуемых образцов помещался в ячейку и нагружался с постоянной скоростью а до напряжения аА ~ 0.9 -аР , где Ор - разрушающее для данного типа материала напряжение. Затем образец разгружался с той же скоростью до напряжения, равного нулю. В каждом цикле нагружения-разгрузки регистрировали число накопленных микроповреждений структуры материала Ы7 (Ы - число зарегистрированных к моменту времени ti микроповреждений). Процесс циклического нагружения повторяли до разрушении образца, при этом регистрировалось полное число микроповреждений структуры образца за всё время испытаний N и число циклов нагружения-разгрузки. Регистрировалась также температура образца во время испытаний (Т).

По полученным данным с использованием модели (2-4) были найдены кинетические константы разрушения. Был произведен расчёт количества циклов нагружения-разгрузки до разрушения для каждого образца и произведено сравнение с количеством циклов нагружения-разгрузки, выдержанных образцом в ходе лабораторных испытаний. В целом наблюдается хорошее соответствие циклической прочности материалов покрытия, определяемой экспериментально и прогнозируемой теоретически на основе найденных из эксперимента кинетических констант разрушения образцов (рис. 2).

Сравнение экспериментальных значений морозостойкости с прогнозными, рассчитанными по формуле (7), показывает, что практически для всех исследованных типов материалов дорожного покрытия наблюдается весьма удовлетворительное соответствие теории и эксперимента.

Для подтверждения адекватности предложен-

Таблица 4

Результаты проверки адекватности предложенной модели эксперименту по

Б-критерию Фишера

№ серии Число образцов п, шт 52 расч 52 эксп Энергия активации и„, Дж-1019 Активационный объём у, м3-1027 Значение критерия Фишера при 1-а = 0,05

Ррасч Рк,к

7 11 101,0 50,8 1,63 2,97 1,99 2,97

8 7 165,5 136,6 1,68 1,79 1,21 4,28

9 8 184,3 165,6 1,66 1,10 1,11 3,79

10 6 74,6 67,8 1,71 1,13 1,10 5,05

11 4 84,9 38,3 1,51 1,21 2,22 9,28

12 6 410,2 197,5 1,53 9,08 2,08 5,05

13 5 1368,8 1381,7 1,55 1,57 1,01 6,39

14 3 7004,7 954,3 1,50 6,70 7,34 19

ной нами кинетической модели выделения импульсов ЭМИ при разрушении материалов покрытия карьерных дорог экспериментальным данным проводилась статистическая проверка гипотезы по Б-критерию Фишера (табл. 4), где 52расч - дисперсия количества циклов нагружения-разгрузки, полученных расчётным путём, 5эксп - эмпирическая дисперсия количества циклов нагружения-

N шт

Ь,с

Рис. 2. Кинетика накопления импульсов ЭМИ при одном цикле нагружения до полного разрушения образца покрытия: N - число импульсов, шт; t - текущее

время, с.;-- теоретическая кривая накопления

микроповреждений; ♦ точки экспериментальной

кривой

разгрузки, полученных испытанием образцов, к1 и к2 - число степеней свободы соответственно большей и меньшей дисперсии; Ррасч < Рк,к , соответственно проверка гипотезы при 5%-ом уровне значимости свидетельствует о непротиворечивости выборочных данных.

Обобщив результаты исследований, ожидаемую работоспособность покрытия дорожной одежды можно определить по формуле, получающейся из (4):

ехр

Л

Л = т„ -Ь„ (10)

где пц - срок эксплуатации покрытия в годах, Ьс = й /1 - масштабный коэффициент; 1 - раз-

3,17 -10 п

мер испытываемых образцов, м; й - толщина плиты покрытия, м; о - напряжение под колесом транспортного средства, Па; аА^)— амплитуда микронапряжений от расклинивающего действия льда в микротрещинах и порах покрытия.

С целью уточнения прогнозных данных и уменьшения влияния стохастических факторов, испытания образцов покрытия проводятся ежегодно.

В качестве примера ниже приведены прогнозы работоспособности жесткого дорожного покрытия на основе цементобетона при различных технологических схемах движения карьерного автотранспорта (различные скорости, грузоподъёмности

автомобилей) в разных климатических зонах РФ.

Приведенная интенсивность движения транспортных средств принималась равной 100 расчётным автомобилям в сутки. Материал покрытия бетон с кинетическими константами разрушения: 7=1.10-10-27 м3; и0 = 1,6610-19 Дж (табл. 5).

Разработанные рекомендации по геофизическому мониторингу работоспособности карьерных дорог с жестким покрытием в условиях их реальной эксплуатации в различных природноклиматических зонах РФ существенно снижают трудоемкость количественного прогноза работоспособности жестких дорожных одежд.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев, М.В. Научные основы проектирования карьерного транспорта / М.В. Васильев, В.Л. Яковлев. - М.:недра, 1972. - 201 с.

2. Ушаков, В.В. / Транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог в регионах с суровыми природно-климатическими условиями / В.В. Ушаков, А.В. Вишневский, // Вестник Читинской организации научно-техн. общества строителей / Читинский гос. техн. ун-т. - Чита,1997. - Вып. 1. -С.118-122.

3. Иванов, В.В. Физические основы электромагнитных процессов при формировании очага разрушения в массиве гонных пород. Дис. ... докт. техн. наук.- Кемерово, 1994.

□ Автор статьи :

Ардеев Кирилл Валерьевич - аспирант каф. теоретической и геотехнической механики