CC BY
60
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 550.372: 624.131.5
С. М. Простов, О. В. Герасимов, Н. Ю. Никулин, Д. А. Зубов
ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ, СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ
Подповерхностное радиолокационное (электромагнитное) зондирование основано на генерации импульсов электромагнитных колебаний в диапазоне частот 50-3000 МГц, приеме сигналов, отраженных от границ слоев зондируемой среды с различными электрофизическими свойствами [1].
Величина принимаемого отраженного сигнала может быть определена из выражения [2]:
Еь =
Ео К 2к
ехр(-2ЛН)П (1 - К), (1)
где ЕИ - величина сигнала, отраженного на глубине И; Е0 - величина зондирующего сигнала; КИ и К - коэффициенты отражения электромагнитной волны от границы основного слоя на глубине И и от промежуточных слоев (7 = 1 ... п);
К =
+ ф
А - удельное затухание сигнала в проводящей немагнитной среде
Л = ■
а
р-4ё ’
а - постоянная, зависящая от рабочей частоты и времени установления поляризации среды; р -эффективное удельное электросопротивление среды; £ - эффективная абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.
Техническая реализация георадиолокацион-ных исследований включает следующие основные операции:
- формирование зондирующего сигнала, представляющего собой импульс с длительностью, определяемой 1,5-2 периодами колебаний рабочей частоты, и наносекундным фронтом;
- возбуждение электромагнитного поля в массиве излучающей антенной;
- прием отраженного сигнала и его преобразование, включающее трансформацию в область звуковых частот путем стробоскопической обработки и сжатие динамического диапазона путем широкополосного усиления с автоматической регулировкой во времени;
- измерение временных интервалов между от-
раженными сигналами, формирование и визуализация радарограмм.
Основными функциональными характеристиками георадарных устройств являются глубинность и разрешающая способность зондирований.
Глубинность зондирования Н определяется рядом факторов, описываемых уравнением
Ро МК2 (1 + К о )2
V /о У
ЩН) 4Н2
= 64лКТА/,
(2)
где Р0 - излучаемая мощность; N - число накоплений при регистрации полезного сигнала; К0 -коэффициент отражения от границы "порода-воздух"; С - конструктивная постоянная, определяющая эффективную площадь антенны; /0 - центральная рабочая частота; Ь(вН) - функционал, определяющий потери на поглощение электромагнитной энергии за счет токов проводимости; в - коэффициент поглощения, рассчитываемый на основе дисперсионной частотной зависимости поляризуемости диэлектриков
в_ 60п • 1,13<т + (0 -£оо)®2 • 10-8
4£0 ад/£0
а - проводимость; £, £ - диэлектрическая проницаемость при f = 0 (статическая) и / ^ (оптическая); о = 2п/0 -круговая частота; т - интервал времени поляризации; 4KТAf - мощность собственных шумов приемника; К - постоянная Больцмана; Т - температура; АА = 0,7/0 - полоса пропускания приемного устройства.
Поскольку основная часть геолокационных исследований ведется в дальней радиоволновой зоне, разрешающая способность метода полностью определяется длиной волны Л. Так в диапазоне /0 = 50-3000 МГц разрешающая способность, оцениваемая как Л./2, составляет 1-100 см.
Из уравнения (2) следует, что для увеличения глубины зондирования Н необходимо:
- увеличивать мощность Р0;
- увеличивать число накоплений N
- снижать частоту /0.
2
1=1
Поскольку увеличение N ограничивается техническими возможностями аналого-цифровых преобразований и формирования зондирующих импульсов, а уменьшение частоты / < 50 МГ ц ведет к недопустимому снижению разрешающей способности, реальным является только первый из выше указанных путей. Приближенная оценка показывает, что при Р0 = 200 Вт, N = 10, /0 = 100 МГц в слабопроводящем массиве (£0 = 5; р = 500 Ом-м) максимальное значение Н составляет
Нтах 17 м.
Для повышения информативности геолокации полученные при измерениях данные подвергают визуальной и компьютерной обработке, алгоритм которой включает следующие операции: ввод данных; предварительное редактирование; коррекция амплитуд; фильтрация; импульсная или предсказывающая деконволюция; подавление дефрагированных волн; статические поправки; Гильберт-преобразование мгновенных амплитуд, частот и фаз; пикирование границ и объектов; совмещение радарограмм с осями и топографическими планами. Результаты исследований представляют в виде радарограмм в форме вертикальных георадиолокационных профилей или горизонтальных сечений, на которых воспроизведены линии синфазности отклонений, соединяющие максимумы (минимумы) волн дифракции, или изоомы (линии равных удельных электросопротивлений).
Интерпретация георадиолокационных данных основана на взаимосвязи электрофизических свойств среды (р, £) с пористостью и влажностью. Поскольку электрические свойства горных пород в диапазоне /0 = 50-3000 МГц практически не изучены, за основу могут быть приняты зависимости, полученные в более низкочастотном диапазоне [3].
Гидрогеологическая интерпретация радаро-грамм включает четыре основные этапа:
- установление соответствия линий синфазно-сти или изоом границам аномальных зон в исследуемом массиве;
- выделение георадарных комплексов, т. е. основных элементов геологического разреза;
- анализ локальных аномалий внутри комплексов;
- построение глубинного геологического разреза, ограждающего инженерно-геологические и гидрогеологические особенности исследуемого объекта.
Анализ физических, методических основ и имеющегося опыта применения георадиолокаци-онного метода для решения задач геомеханики и геотехнологии позволил сделать выводы:
- бесскважинная георадиолокация является одним из наиболее технологически и информационно развитых методов геоконтроля, обеспечивающим детальное построение геоэлектрических разрезов на глубину до 30 м, определение с уче-
том взаимосвязи электрических и физических свойств грунтового массива расположения границ слоев, ослабленных и влагонасыщенных зон;
- опробованные методики георадиолокацион-ного контроля могут непосредственно применяться при укреплении неустойчивых зон, прогнозе свойств массива, что необходимо на стадии обоснования проектных решений;
- поскольку существуют способы отстройки от экранирующего влияния металлических конструкций при геолокации, нет принципиальных препятствий для применения этого метода на стадиях контроля процессов насыщения грунтов укрепляющим раствором и набора прочности укрепленным массивом.
Ниже приведены практические результаты, полученные при определении расположения и размеров неустойчивых обводненных зон в основании автомобильной дороги. В качестве основного метода комплексного мониторинга применялось электромагнитное сканирование.
Автомобильная дорога "Бийск - Мартыново -Новокузнецк" проходит по территории Новокузнецкого района Кемеровской области и занимает одно из ведущих мест в осуществлении транспортных связей Алтайского края, Республики Алтай с Кемеровской областью и ранее классифицировалась как дорога республиканского значения. Техническое состояние рассматриваемого участка дороги является неудовлетворительным. Наиболее сложным в отношении безопасности движения является перегон "Граница Алтайского края - Ку-зедеево", на котором имеются неустойчивые склоны естественного рельефа. Так на протяжении 15 лет происходят сезонные подвижки склона на 187 км рассматриваемой дороги. Дорожная одежда имеет большие деформации - продольные трещины, выбоины, разрушения кромок проезжей части, на отдельных участках покрытие разрушено полностью. Существующее земляное полотно на рассматриваемом участке выполнено по водоразделу в насыпи высотой до 1 м на протяжении 760 м и сложено суглинистыми грунтами твердой и полутвердой консистенции. На протяжении 270 м насыпь высотой до 6,5 м, проходящая по тальвегу лога с левой стороны и крутого склона - с правой, подвержена оползневым явлениям. Для разработки мероприятий по укреплению основания автодороги необходимо было определить местонахождение в плане и по глубине фильтрационных коллекторов.
Возможность локализации обводненных грунтов обусловлена тем, что активность флюидаль-ных агентов существенно изменяет их электрическое сопротивление. При насыщении водой многие грунты становятся существенно более электропроводящими, удельное электросопротивление относительно пресных приповерхностных вод может изменяться в широких пределах от 1 до 1000 Ом-м, а грунтов при нормальной влажности
502
500
498
496
494
492
490
488
486
W j Ф,24 0,12-
Вил и № вьгоаб. ВЭЗ-42 С-2а С-1а ВЭЗ-44
Абс. отметка устья, м 502,19 498,55 494,42 490,12
Расстояние, м 1 28.0 50^,14 30,0 1 19,0 1 28,0 |
Рис. 1. Геологический разрез:
С-1 а, С-2а - скважины; 2-7 - геологические элементы; Ж - природная влажность; - число пластичности; р- УЭС; ВЭЗ - точки электрозондирований
от 20 до 100 Ом-м. При полном заполнении поро-вого пространства водой сопротивление обводненного грунта может понизиться до единиц Ом-м. Эти предпосылки обуславливают целесообразность использования электромагнитного сканирования для обнаружения аномальных влагонасыщенных зон.
Для проведения исследований использовался сканирующий измерительный комплекс "Им-пульс-Д", предназначенный для исследования
Таблица 1. Техническая характеристика
тельного комплекса приведены в табл. 1.
Для проведения ЭМ-сканирования необходимо знать физико-механические свойства пород слагающих массив. Все необходимы данные были получены в результате проведения инженерногеологических изысканий. На рис. 1 изображен инженерно-геологический разрез по линии 3-3.
По данным инженерно-геологических изысканий строение массива следующее.
Слой № 2 - почвенно-растительный, пред-
измерительного комплекса "Импульс-Д"
Параметры, режимы Величина
Количество каналов 1
Диапазон времени регистрации, с 125-10^1
Динамический диапазон, дБ 140
Системный блок FLOW - архитектура
Емкость накопителя, не менее 32 Мб
Количество точек временной шкалы 220
Скорость сканирования, м/с «О, 7 и,
Привязка траектории сканирования GPS
Амплитуда П-образного тока, А Стабилизирована на уровне 0,5-5
Амплитуда первого вступления тока осциллятора, А До 5
Максимальная частота кадров в секунду 6
Блок питания До 12В/3А
Устройство визуализации и управления Жидкокристаллический графический модуль и клавиатура
труднодоступных ограниченных территорий в пешеходном варианте. Аппаратура дает возможность измерения в движении и с фиксацией антенн. Глубинность исследований ограничивается выбором приемно-генераторной конструкции. Основные технические характеристики измери-
ставленный почвой суглинистой черного цвета, высокопористой, сильносжимаемой, с корнями травянистой и древесной растительности. Распространен практически повсеместно, за исключением трассы автодороги и участков, где проводились земляные работы.
Элемент За - суглинок тяжелый делювиаль- стенции. Распространен в основном по склонам
ный пылеватый бурого цвета, полутвердой коней- логов.
Рис. 2. Результаты ЭМ-сканирования в плане:
3-3 - линия разреза; пр. 209, пр. 201 - продольные профили вдоль которых производилось ЭМ-сканирование
Г еомеханика
Слой № 4 - отложения еловской свиты - суг- профиля, пройденного по линии геологического
линок темно-серого цвета иловатый, с включени- разреза 3-3,55 м. Рабочий временной диапазон
ем неразложившихся древесных остатков, полу- измеряемого сигнала был выбран 7-500 мкс, что
Таблица 2. Физико-механические свойства пород
№ скважины Глубина отбора образца Классификация грунта по ГОСТ 25-100-95 Природная влажность, г Характеристика пластичности Плотность Пористость п, % Угол внутреннего трения, град
Влажность на границе текучести, ^ Влажность на границе пластичности, Число пластичности, Плотность минеральной части у,., г/см3 -а О ^ о з Я ^ Н е то ст л С Плотность сухого грунта г.. г/см3 В естественном состоянии В водонасыщенном состоянии
1а 2 суглинок тяжелый пылеватый 0,25 0,4 0,25 0,15 2,73 1,95 1,56 42,9 15 15
4 0,26 0,42 0,26 0,16 2,73 1,93 1,53 44 17 14
5 0,25 0,38 0,25 0,13 2,73 2,15 1,95 28,6
6 0,24 0,33 0,21 0,12 2,72 1,95 1,57 42,3 22
2а 2 суглинок тяжелый пылеватый 0,25 0,34 0,21 0,13 1,83 1,46 46,5 22
3 0,28 0,47 0,29 0,18 2,73 1,92 1,5 45,1 26 19
4 глина 0,25 0,45 0,28 0,17 2,73 1,93 1,54 43,6 37 18
5 0,27 0,5 0,31 0,19 2,73 1,94 1,53 44 32 16
6 0,29 0,52 0,35 0,17 2,73 1,9 1,47 46,2 36 9
7 0,25 0,45 0,27 0,18 2,73 1,94 1,55 43,2 33 33
твердой консистенции.
Слой № 5 - суглинок элювиальный пестроцветный тяжелый, пылеватый, местами с примесью дресвы и щебня коренных пород, от твердой до мягкопластичной консистенции. По физикомеханическим свойствам в слое выделены два инженерно-геологических элемента.
Слой № 5а - глина легкая пылеватая элювиальная, красновато-бурого цвета, ненабухающая, твердой и полутвердой консистенции. При дополнительном водонасыщении снижает прочностные свойства. При проектировании рекомендуется пользоваться показателями для водонасыщенного состояния.
Слой №5б - отложения кочковской свиты, представленные глинами легкими пылеватыми пестроцветными, аргиллитоподобными, в основном красновато-бурыми, твердой и полутвердой консистенции. При дополнительном водонасыще-нии глина снижает прочностные свойства.
Грунтовые воды в период производства изысканий были встречены на глубине 4,2-5,7 м от поверхности земли.
Физико-механические свойства пород, отобранных в скважинах 1а и 2а на разной глубине, приведены в табл. 2.
ЭМ-сканирование выполнялось по системе продольных и поперечных профилей. Ниже приведены результаты георадарных исследований по наиболее значимым продольным профилям 201 и 209 и поперечному профилю, пройденному по линии геологического разреза 3-3. Расположение профилей в плане приведено на рис. 2.
Длина профилей 201 и 209 составила 660 м, а
обеспечило глубинность зондирования не менее 15 м. Обработка полученных материалов проводилась методом одновременной инверсии для коаксиальных приемно-генераторных конструкций в программе ABCWIN.
Результаты георадарного сканирования представлены в виде вертикальных разрезов и поглу-бинных срезов удельного электрического сопротивления, являющегося функцией физического состояния грунтов: водонасыщенности, пористости, их минерального, гранулометрического состава. На рис. 2 приведены результаты ЭМ-сканирования в плане на глубине Н = 5 м, а на рис. 3 - вертикальный разрез по линии 3-3.
Анализ приведенных данных показывает, что разрезы в полученном диапазоне глубин слабоконтрастные по электросопротивлениям (р = 8-14 Ом-м) и не имеют отчетливых субгоризонтальных границ разделения слоев.
На участке можно выделить несколько зон пониженного сопротивления р = 6-10 Ом-м: А1, А2, А3, А4. Область А1 с сопротивлением р = 910,5 Ом-м имеет сложный характер залегания и протяженность в плане около 50 м в приповерхностной части (Н < 5 м). На профилях 209, 201 аномалия прослеживается на глубинах не более 6 м. Аномалия А2 имеет локальный приповерхностный характер с протяженностью 100 м и прослеживается до глубины 10 м. Аномалия А3 имеет наибольшее распространение по площади съемки и сложную конфигурацию в плане и в разрезе. Данная зона обусловлена суммой природных и техногенных факторов. Границы области наименьших сопротивлений в пределах данной зоны
500
сїі&.2а
10 20 30 40 50
Рис. 3. Результаты ЭМ-сканирования по линии 3-3: скв. 1а, скв. 2а - скважины
р = 6-8 Ом-м имеют резко выраженный градиентный характер, что позволяет связать особенности этого участка с влиянием техногенных проводящих объектов (металлические ограждения). Аномалия А4 имеет приповерхностный характер с протяженностью 150 м и прослеживается до глубины 8 м относительно дневной поверхности. Так наиболее вероятное расположение влагонасыщенных зон соответствует аномалиям А2 и А4.
Проведенные электромагнитные исследования позволили установить расположение по глубине и в плане основных фильтрационных коллекторов и перейти к разработке технических проектов по укреплению основания автодороги.
При проработке вариантов ликвидации оползневых явлений рассмотрены два варианта.
Первый вариант предусматривает:
- смещение трассы влево по ходу пикетажа с целью удаления от правого неустойчивого склона.
- понижение проектных отметок продольного профиля дороги с целью разгрузки поверхности оползневых участков от давления насыпного грунта, достигающего в отдельных местах 6 м;
- закрепление неустойчивого склона методом высоконапорной инъекции;
- проведение дренирования грунтов;
- устройство временного объезда на период строительства по существующей дороге.
Второй вариант предусматривает:
- прокладку трассы по существующей дороге;
- понижение проектных отметок продольного
профиля дороги с целью разгрузки оползневого склона (как и в 1-м варианте);
- закрепление откосов дороги подпорными стенками из свай с обеих её сторон на участке оползней и инъекционное укрепление грунтов;
- проведение дренирования грунтов;
- устройство временного объезда на период строительства справа от существующей дороги.
Понижение отметок продольного профиля в обоих вариантах продиктовано необходимостью уменьшения постоянной нагрузки на оползневой склон, уменьшения протяженности неустойчивых участков дороги, а также уменьшения длины и сечения свай.
Понижение профиля дороги до отметок грунтов устойчивого горизонта не представляется возможным. Т. к. это вызывает ухудшение безопасности движения за счет уменьшения радиусов вертикальных кривых и увеличивает глубину выемок в неустойчивых грунтах. Вариант № 1 предусматривает закрепление сваями оползневого склона на участке оползня с дополнительным занятием земель лесного фонда, что увеличивает затраты и ухудшает экологию за счет вырубки леса. Закрепление сваями откосов насыпи по варианту № 1 невозможно по условиям залегания грунтов устойчивого горизонта, поэтому был принят вариант № 2. Результаты инженерно-геологических изысканий, геофизического и электромагнитного контроля были использованы для обоснования параметров технологии укрепительных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Старовойтов, А. В. Георадиолокационные исследования верхней части разреза: учеб. пособие / А.
В. Старовойтов, М. Л. Владов. - М. : Изд-во МГУ, 1999. - 90 с.
2. Владов, М. А. Введение в георадиолокацию / М. Л. Владов, А. В. Старовойтов. - М. : Изд-во МГУ, 2004. - 134 с.
3. Простов, С. М. Геоэлектрический контроль зон укрепления глинистых горных пород / С. М. Простов, В. А. Хямяляйнен, М. В. Гуцал и др.; РАЕН. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. - 127 с.
□ Авторы статьи:
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
Герасимов Олег Васильевич
- зам. директора по науке ООО "НООЦЕНТР-Д"
Никулин Николай Юрьевич
- студент гр. ФП-021
Зубов
Денис Александрович
- студент гр. ФП-021.
УДК 622.267.33
Ю.Ф. Глазков, С.М. Простов, Д.И. Рудковский
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЫРАБОТОК ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ЗАКРЕПЛЕНИИ ГЛИНИСТЫХ НАНОСОВ
В связи со сложными условиями строительства шахт в Кузбассе, актуальны новые методы и технологии закрепления обводненных грунтов. Одним из таких методов может стать электрохимическое закрепление (ЭХЗ). Он показал свою несомненную эффективность при использовании в гражданском и железнодорожном строительстве, однако опыт его применения в горной промышленности ограничен и мало применим к условиям проведения подземных выработок. Анализ перспектив применения данного метода показал, что разработанная технология электрохимического закрепления позволяет не только исключить вывалообразова-ния и связанные с ними простои на ремонтные работы, но и облегчить крепи за счет учета совместной работы комбинированной системы «капитальная крепь-оболочка из закрепленных пород».
Основной целью определения применимости данного метода становится решение задачи расчета несущей способности системы «капитальная крепь-породная оболочка» (в дальнейшем К-О).
Горные породы, вмещающие выработку, представляют собой переувлажненные наносы
в виде слоев суглинков, глин и супесей различного гранулометрического состава. Необходимые сведения о свойствах наносов получют путем проведения инженерно-геологиче-
ских исследований на трассе проектируемой выработки.
Закрепление массива наносов вокруг и внутри сечения выработки производится путем подачи в трубчатые электроды, помещенные в предварительно пробуренные скважины, водных растворов различных крепителей-электролитов и воздействия на массив постоянного электрического тока. Как показывают обширные результаты практического применения ЭХЗ глинистых грунтов, обработка приводит к значительным изменениям их механических свойств. Они состоят в том, что происходит одновременное осушение грунтов и образование минеральных частиц, служащих цементирующим веществом для исходного грунта [1, 2].
Анализ результатов закрепления глинистых грунтов электрохимическим способом, описанных разными авторами, показал, что вопрос нахождения необходимых для проектирования системы К-О расчетных характеристик закрепленных наносов остается в настоящее
время далеко не исчерпанным.
Так, почти все приведенные данные относятся к частным случаям инженерно-геологических условий и не обладают достаточной полнотой и надежностью. Их абсолютное большинство относится к закреплению глинистых грунтов, залегающих в поверхностных слоях под фундаментами наземных зданий.
Наибольшее количество сведений обзорного характера приведено в работах Г.Н. Жин-кина [2-4]. Лишь в относительно небольшой их части приводятся численные значения основных механических характеристик закрепленных грунтов, таких как предел прочности при сжатии, сцепление.
Проведенный анализ позволил установить, что для оценки несущей способности породной оболочки из закрепленных наносов вокруг капитальной выработки необходим следующий минимум сведений о свойствах материала оболочки:
- прочностные свойства закрепленного материала, обычно представляемые в графической форме в виде огибающей предельных кругов Мора (паспорта прочности породы), включающие сцепление С, угол внутреннего трения р , прочность
породы при одноосном сжатии Ссж и одноосном растяжении
&р ;
- деформационные характеристики материала; включающие модуль деформации Едд и коэффициент поперечной деформации (Пуассона) л.
Рассмотрим возможности прогнозирования указанных характеристик и их влияния на выбор расчетной модели. В отношении прочностных свойств наибольшей полнотой обладают результаты исследований Г. Н Жинкина и П. Н. Должикова [25]. Г. Н. Жинкин утверждает, что при закреплении незначительно изменяется угол внутреннего трения, но значительно (до 2,5-6,0 раз) увеличивается сцепление. При этом закрепленные грунты становятся нечувствительными к намоканию в отличие от неукрепленных, но осушенных электроосмосом. В его работах отмечается, что после окончания электрохимической обработки в течение длительного времени (до 10-15 лет) прочность увеличивается еще в
1,5-2,0 раза. Следует отметить, что автором установлены только величины С, р и не приведены сведения о прочности при растяжении <Ур и сжатии <Гсж. Таким образом, известные сведения можно использовать для оценок прочности при состояниях сжатия, но при растяжении это становится затруднительным и слабо обоснованным, поскольку эти результаты получены на сдвиговых приборах, обычно используемых в механике грунтов.
Наиболее близко к поставленной в данной работе задаче стоят исследования П. Н. Дол-жикова [5], где приведены систематизированные сведения об изменении свойств наносов при закреплении. Автором получено регрессионное уравнение связи между прочностью грунта до и после закрепления
Т ^ огл -0,892
Т + Тз _ 2,864р ,
где То , Тз - исходное и приобретаемое напряжение сдвига МПа; р - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом •м.
Недостатком зависимости является использование в ней не встречающейся в стандартной проектной практике характеристики р, сведения о которой отсутствуют в нормативной литературе. Вызывает также
сомнение, что величина Тз зависит только от конечного значения р, поскольку взаимосвязи между механическими и электрическими свойствами закрепленных грунтов, как правило, имеют место только для относительных значений.
Вместе с тем, прогноз прочностных свойств закрепляемых грунтов по результатам геофизического мониторинга представляется весьма эффективным. Так, в работах [6, 7] показано, что электрофизический контроль позволяет выявить зональность механических
свойств массива в межэлек-тродном пространстве, оценивать изменение интенсивности набора прочности грунтов с течением времени в пределах зон инъекции, и осушения, а так же прогнозировать момент достижения требуемого уровня прочности с использованием предварительно полученных
зависимостей.
В заключение анализа изученности характеристик прочности отметим, что в литературе часто описываются изменения прочности на основе специальных испытаний, таких как вдавливание, выдергивание и сдвиг свай, пенетрационные испытания и т. д. Вследствие практической невозможности приведения этих сведений к стандартным прочностным характеристикам они в дальнейших исследованиях не используются. Влияние на прочность закрепленных наносов таких факторов, как сила тока, напряжение, время закрепления изучено недостаточно, отсутствуют све-
дения о поведении закрепленного материала в условиях объемных напряженных состояний и в запредельных стадиях работы.
Еще скуднее сведения о деформационных характеристи-
ках, которые имеют существенное значение при аналитических исследованиях проявления горного давления. Удалось обнаружить единственное описание [8] результатов испытаний палеогеновых глин, проведенных в ЛИИЖТе. Отмечено увеличение модуля деформации закрепленного материала Ед в 2,0-2,5 раза по сравнению с исходными значениями. Сведений об изменении коэффициента Пуассона обнаружено не было, хотя эта характеристика необходима при математическом моделировании. В дальнейших исследованиях принималось увеличение значения модуля деформации в
3,0-3,5 раза, а величина коэффициента Пуассона равной 0,3, как для малопрочных твердых горных пород.
Из работ [8, 9] известно, что возможные реализации механических процессов и конструктивные параметры крепи определяются режимами взаимодействия крепи и массива. Особенность рассматриваемой среды состоит в высокой обводненности массива наносов, вмещающего систему К-О. Предполагается, что наносы находятся в текучем или плывунном состояниях.
Многие авторы [10-13] склонны считать, что за счет проявления выраженных реологических свойств вмещающего массива режимы работы капитальных крепей приближаются к схеме работы в условиях заданной нагрузки, это соответствует несущей характеристике системы К-О, при сплошном сводообразовании в окружающем незакрепленном массиве наносов. При таких условиях нагрузка на систему К-О обычно задается в виде двух компонент с постоянными интенсивностями - вертикальной и гори-
Рис. 1. Расчетная схема системы «капитальная крепь - породная оболочка»
1 - оболочка из закрепленных наносов; 2 - капитальная крепь; 3
- незакрепленная порода (наносы); 8], 82 - расчетные значения толщины породной оболочки вне зоны влияния забоя, найденные по 1 или 2 расчетной схемам; 1о - длина зоны отставания капитальной крепи от забоя выработки; 8з - толщина оболочки в незакрепленной зоне; 8зв - толщина оболочки в предзабойной
зоне.
зонтальной. Вертикальная нагрузка qв в обводненном массиве наносов с выраженными реологическими свойствами будет равна весу столба грунта над выработкой:
qв =уН , (1)
где у - среднее по глубине заложения выработки значение удельного веса массива наносов; Н - глубина заложения центра расчетного сечения выработки.
Горизонтальная нагрузка qг задается как некоторая часть вертикальной с помощью коэффициента бокового давления Л: qг _ Лqг _ ЛуН , (2)
В справочном издании [14] для горизонтальных и наклонных выработок, пройденных в наносах первого типа (разжиженные глины и пески с диаметром частиц не более 0,15 мм), рекомендуется Л=1.0 +0.53 . Общепринято считать [10-13], что реологические свойства обводненных разжиженных наносов приводят к тому, что со временем Л стремится к единице.
Опираясь на все упомянутые выше соображения за основное расчетное значение принимается условие Л = 1,0 и в отдельных неблагоприятных
случаях рассматриваются величины Л=1.0 -г0.7
Производство горных работ
и, в частности проведение горных выработок, сопровождается нарушением естественного (начального) напряженно-
деформированного состояния породных массивов. В результате происходит деформирование породных массивов и перераспределение напряжений в окрестности поверхностей обнажений (стенок выработки, поверхностей целиков и т. д.). Концентрация напряжений в поперечных сечениях протяженной выработки зависит от близости рассматриваемых сечений к забою выработки. Существен-
ным образом влияют на концентрацию напряжений деформационные свойства пород и распределение их в массиве (анизотропия и неоднородность массива).
В результате действия напряжений в окрестности выработки возникают перемещения. Максимальные перемещения породного массива в направлении выработанного пространства наблюдаются на контуре и также затухают в глубь массива, как и концентрация напряжений.
Условно можно выделить упругую и неупругую составляющие перемещений породного контура. Упругие перемещения происходят практически мгновенно со скоростью распространения упругих волн в массиве. Величины упругих перемещений очень малы и, как правило, составляют всего лишь несколько процентов от конечных перемещений.
Неупругие перемещения более значительны и развиваются со временем. Их величины могут в десятки раз превосходить величину упругих перемещений, особенно при большой глубине заложения выработок и
слабых породах. Поэтому следствием нового напряженно-деформированного состояния породного массива, сформировавшегося после образования выработки, могут быть процессы разрушения, связанные с частичной или полной потерей несущей способности окружающих пород. В этом случае вокруг выработки образуются области запредельного состояния и полного разрушения пород, которые могут охватывать часть контура или весь контур выработки. Процесс перехода пород из допредельного в запредельное состояние развивается во времени, так как их механические характеристики снижаются под действием выветривания и при длительном приложении нагрузки.
Чтобы предотвратить смещения породного контура и образование вывалов породы, т. е. обеспечить безопасность эксплуатации выработок, необходимо предусматривать специальные мероприятия по их поддержанию (искусственное укрепление окружающих пород цементационными и другими растворами, а также их анкерова-ние, торкретирование стенок
Анализ геологических данных
выработки, возведение ограждающих и грузонесущих конструкций крепи). Конструкция крепи деформируется совместно с породным контуром, уменьшая его перемещения. Концентрация напряжений вокруг выработки при этом несколько снижается, а зоны разрушения пород, если они появляются, имеют ограниченные размеры и развиваются медленнее. При искусственном упрочнении окружающих пород крепь испытывает меньшие нагрузки, так как развитие перемещений породного контура и механических процессов разрушения пород в этом случае искусственно ограничивается.
Расчетная схема системы КО подвергающейся расчету,
представлена на рис. 1.
При работе породной оболочки под нагрузкой могут реализовываться два типа ее напряженно-деформированного состояния.
В первом случае, при сравнительно малых глубинах залегания выработки Н и небольших
величинах нагрузок qв и qг , величины возникающих в породной оболочке напряжений не будут достигать предельных значений по прочности.
Породная оболочка будет работать в допредельной стадии, и такую схему работы можно условно назвать упругой (первая расчетная схема). Условие надежности в этом случае можно сформулировать по кри-
терию прочности в локальной зоне конструкции (в опасной зоне).
Во втором случае, когда напряжения в значительной части породной оболочки превышают предельные значения, необходимо вести расчет по упругопластической стадии с использованием принципа предельного равновесия (вторая схема).
Проведенный анализ физических предпосылок позволил перейти к разработке схем расчета параметров крепи при ЭХЗ глинистых грунтов. Разработана блок-схема расчета, приведенная на рис. 2. Методика и результаты расчетов по указанным схемам будут приведены в последующих публикациях авторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржаницын, Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве - М.: Стройиздат, 1986. - 246 с.
2. Жинкин, Г.Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве - М.: Стройиздат, 1966. -196 с.
3. Жинкин, Г.Н. Закрепление слабых грунтов в условиях Ленинграда / Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов. -Л.: Стройиздат, 1967. - 96 с.
4. Жинкин, Г.Н. Электрохимическая обработка грунтов в основаниях сооружений / Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов. - М.: Стройиздат, 1980. - 164 с.
5. Должиков, П.Н. Электрохимический тампонаж обводненных неустойчивых горных пород при строительстве устьев шахтных стволов / Автореф. дисс... канд. техн. наук. - Днепропетровск: ДГИ им. Артема, 1989. - 16 с.
6. Простов, С.М. Геолектрический контроль зон укрепления глинистых горных пород / С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, М.В. Гуцал, С.П. Бахаева; РАЕН. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. - 127 с.
7. Покатилов, А.В. Контроль изменения физико-механических свойств массива глинистых грунтов при ЭХЗ // Вестник КузГТУ. - 2006. - № 4. - С. 10-14.
8. Разработка методов усиления земляного полотна искусственным закреплением грунтов. Техниче-
ские указания по электрохимическому закреплению глинистых грунтов земляного полотна // Отчет о НИР. Гос. регистр. № 01880049129. - Л.:ЛИИЖТ, 1990. - 93 с.
9. Жинкин, Г.Н. Практические рекомендации по электросиликатизации грунтов / Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов // Материалы к VI Всесоюзному совещанию по закреплению и уплотнению грунтов. - М.: Изд-во МГУ, 1968. - С. 394-397.
10. Основания и фундаменты: Справочник / Г.И Швецов, И.В. Носков, А. Д. Слободан, Г.С. Госькова.
- М.: Высш. Школа, 1991. - 383 с.
11. Баклашов, И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия - М.: Недра, 1984. - 415 с.
12. Баклашов, И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей / И.В. Баклашов, Б.А. Картозия - М.: Недра, 1992. - 543 с.
13. Булычев, Н.С. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок / Н.С. Булычев, Н.Н. Фо-тиева, Е.В. Стрельцов - М.: Недра, 1986. - 288 с.
14. Строительство подземных сооружений: Справочное пособие / М.Н.Шуплик, Я.М. Месхидзе, И.О. Королева и др.: Под ред. М.Н. Шуплика. - М.: Недра, 1990. - 384 с.
□ Авторы статьи:
Глазков Простов Рудковский
Юрий Федорович Сергей Михайлович Дмитрий Игоревич
- канд. техн. наук, доц. каф. - докт. техн. наук, проф. каф. теоре- - ассистент каф. «Технология
«Сопротивление материалов» тической и геотехнической механики строительного производства»
