CC BY
117
Тарасов Владислав Викторович, заведующий горной лабораторией, Tarasov@gallurgy.т, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,
Пестрикова Варвара Сергеевна, ведущий инженер горной лаборатории, Tarasov@gallurgy.т, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»
EXPERIENCE OF USING POLYMERIC RESINS FOR WATERPROOFING MINING
SHAFTS OF POTASSIUM MINES
Vladislav V. Tarasov, Varvara S. Pestrikova
Specifics of advancing and exploitation mining shafts at Verhnekamskoe Potassium Mineral Deposit were characterized at the paper. Method of fight against water-developments in tubing links of mining shafts by supercharging hydro-active polymeric resins was considered. Industrial experience of using this method and beneficial effect were shown.
Key words: mining shaft, tubing link, waterproofing, cement solution, polymeric resins.
Vladislav V. Tarasov, chief of the mining laboratory, Tarasov@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC,
Varvara S. Pestrikova, senior engineer of the mining laboratory, Tarasov@gallurgy.ru, Russia, Perm, «Galurgia» OJSC
УДК 622.281
ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕОПАСНОГО ГЛИНИСТОГО СКЛОНА В УСЛОВИЯХ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Н.И. Прохоров, А.В. Корнеев
Приведены результаты исследования устойчивости глинистого склона, находящегося в зоне влияния нового строительства. Изучена чувствительность устойчивости глинистого склона к внешним факторам. Приведены результаты вычислительных экспериментов.
Ключевые слова: оползень, грунт, устойчивость, склон, строительство, математическая модель.
Оползни представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений. В черте города оползни опасны для зданий и магистралей, расположенных на склонах или вблизи них. Известны многочисленные случаи повреждения оползнями промышленных объектов.
Необходимость оценки влияния нового строительства на окружающий грунтовый массив закреплена законодательно Градостроительным кодексом РФ, ст. 47, пп. 4.1 и сводом правил СП 22.13330.2011, пп. 9.33-9.39. При проектировании оснований, фундаментов и подземных частей вновь возводимых или реконструируемых сооружений, необходимо выполнять геотехнический прогноз влияния строительства на изменение напряженно-деформированного состояния окружающего грунтового массива, с учетом последовательности выполнения работ. К негативным внешним факторам следует относить: разгрузку основания от выемки грунта в котловане, вертикальную нагрузку от вновь возводимого сооружения или дополнительную нагрузку от реконструируемого сооружения, изменения уровня подземных вод, вибрационные и динамические воздействия строительных работ.
Применительно к исследуемой задаче возникает необходимость количественно оценить степень устойчивости склона с определением величины коэффициента запаса. Для напряженного состояния толщи грунта на склоне характерно влияние не столько нормальных а, сколько касательных напряжений т. Развитие оползневых деформаций грунта на склоне даже без приложения внешних нагрузок, только под действием гравитационных сил, в зависимости от условий протекает во времени с различной интенсивностью. В случае преимущества нормальных напряжений - процесс носит явно затухающий характер и приводит лишь к более плотному сложению грунта, при этом как правило обеспечивается прочность грунта и устойчивость склона.
Процесс деформирования склона в котором превалируют касательные напряжения, соизмеримые с предельной сопротивляемостью грунта сдвигу (т ~ ), связан с образованием пластических областей в которых
происходит локальное нарушение прочности грунта. В этой фазе работы грунта сдвижение как правило оказывается резко неравномерным и весьма значительным по величине, а в результате проявления ползучести глинистых грунтов - часто приобретает долго незатухающий характер. Такого рода деформирование не всегда достаточно точно прогнозируется теоретически.
Развитие сдвигающих напряжений до критического уровня приводит к прогрессирующему увеличению пластических областей, наступлению резкого и внезапного полного нарушения общей устойчивости, связанного со сдвижением земляных масс вниз по склону и в некоторых случаях выпором грунта. Такой процесс носит катастрофический характер и должен быть исключен на стадии проектирования объектов нового строительства, способных оказать негативное воздействие на грунтовый массив, находящийся в их зоне влияния.
Следует отметить, что для оползневых склонов неизбежно перетекание фаз работы грунта из предельной в критическую, таким образом, при
оценке несущей способности грунта на склоне необходимо оценить его прочность и устойчивость.
Процесс потери общей устойчивости склона протекает по принципу "сдвиг грунта по грунту", при этом грунт испытывает осадку, поворот и смещение по некоторой криволинейной поверхности скольжения, а общее сопротивление породы сдвигу складывается из сил трения и структурных связей сцепления грунта.
К условиям, от которых зависит характер деформирования склона, относятся: строение рельефа местности, внутренние сложение и несущая способность грунтов, режим грунтовых вод, внешние факторы.
Исследуется склон, расположенный на юго- восточной окраины г.Тулы, находившийся в зоне влияния нового строительства и потерявший устойчивость вследствие разгрузки, связанной с выемкой грунта в его основания (см. рис. 1).
ДРД^"] г лита с »рои ■□«■обета* {гяреиатая) пещая
Рис. 1. Схематичный инженерно-геологический разрез
Согласно классификации Н.Н. Маслова [3] исследуемый склон по степени устойчивости к оползневым явлениям относится к "склонам обрушения". До начала СМР склон находился в состоянии предельного равновесия, которое было нарушено подсечкой его упорной части со значительным увеличением крутизны откоса (рис. 1, 2).
шт
Рис. 2. Нарушение устойчивости склона, вызванное срезом грунта
в его упорной части
Выполнив анализ последствий оползня по внешним признакам и по данным геологического исследования после обрушения, можно утверждать, что деформации прошли «первичную» стадию с перемещением земляных масс по вновь возникающим в толще склона поверхностям скольжения, обладающим в условиях общего перенапряжения толщи меньшим сопротивлением (рис. 3, а).
Расчет будет выполняться для оползня «с фиксированной поверхностью скольжения» [3], положение которой определено результатами геологического исследования (см. рис. 1). Смещение произошло по поверхности контакта покровных глинистых пород с подстилающими их мелкими водонасыщенными песками и приобрело форму "обрушения со срезом и вращением" [3] (рис. 3, б).
Рис. 3. Характерные деформации склона: а - теоретическая схема деформаций; б - общий вид натурных наблюдений
Обрушение имело форму ряда последовательных срезов, проходящих по возникающим под нагрузкой линиям скольжения. Вследствие кри-волинейности линий среза перемещение оползающих блоков происходило с вращением вокруг нескольких последовательно сменяющихся мгновенных центров таким образом, что верхняя часть сдвинувшегося блока оказалась несколько запрокинутой в обратную сторону (рис. 3). В результате проявления ползучести слагающих склон пород, искусственное нарушение общей устойчивости привело к длительной деформации срезанных блоков.
Учитывая сложную природу оползневых явлений, и с целью большего соответствия расчетной схемы природной обстановке, а также для расширения диапазона возможных деформаций не связанных с применением грубых гипотез, за расчетный метод оценки устойчивости склона был принят численный метод конечных элементов на основе моделей материалов, согласующихся с данными инженерно-геологических изысканий.
Расчет выполнен с помощью программного комплекса «PLAXIS 2D 2012» использующего двухмерные конечно-элементные сетки. Программный пакет учитывает упругопластические деформации, выполняет расчеты устойчивости и консолидации, расчеты по изменяемой сетке КЭ и расчеты установившейся фильтрации в грунтах.
а
б
1. Геометрическая модель. Рассматривается плоская конечно-элементная модель грунтового массива до глубины 25,5 м с поверхности земли. Для обеспечения возможности развития потенциального механизма разрушения и для снижения влияния внешних граничных условий модели, рассматривается сечение шириной 140 м (рис. 4).
Рис.4. Расчетная схема склона. Сетка конечных элементов
геометрической модели
2. Предпосылки к расчету. Выполняется конечно-элементный расчет двумерной геометрической модели, имеющей только две поступательные степени свободы - в направлении осей х и у.
Геометрия, схема нагружения и напряженное состояние обследуемого грунтового объема в направлении перпендикулярном плоскости расчета (направление z) достаточно слабо изменяется, благодаря чему в качестве КЭ модели корректно применение модели плоской деформации грунтового основания, при которой в направлении z перемещения и деформации - отсутствуют, но учитываются нормальные напряжения.
Для обеспечения высокой точности результатов расчета грунта, используются пятнадцатиузловые КЭ, дающие интерполяцию четвертого порядка для перемещений и предусматривающие для численного интегрирования напряжений двенадцать точек Гаусса.
Для моделирования поведения конструктивных объектов: фундамента строящегося здания, подпорной стены, шпунтового ограждения и распорок, используются совместимые плитные элементы (упругопластиче-ские пятиузловые линейные КЭ, удовлетворяющие положениям теории плит Миндлина: допустимы прогибы при изгибе и сдвиге, изменения длины) и анкеры с защемленным концом (упругий одноузловой пружинный элемент с постоянной жесткостью).
3. Граничные условия и нагрузки. На границах геометрической модели (см. рис. 4) приняты следующие кинематические условия: нижняя горизонтальная граница имеет полное закрепление от вертикальных и горизонтальных перемещений (их=иу=0); вертикальные границы закреплены только от горизонтальных перемещений (их=0).
В пределах исследуемого грунтового массива действуют поверхностные распределенные нагрузки, показанные на рисунке 4.
4. Свойства материалов. Для представления механического поведения грунта, в расчете используется «упругоидеальнопластическая модель с критерием разрушения Мора-Кулона» [5-7] предполагающая постоянную среднюю жесткость для каждого слоя грунта. Физико-механические характеристики суглинков, песчаных и глинистого грунтов, используемые в расчете, сведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические характеристики инженерно-геологических
элементов
Параметры ИГЭ-1 сугл. ИГЭ-2 сугл. ИГЭ-3 глина тверд. ИГЭ-4 песок мелк. ИГЭ-5 сугл. несв. ИГЭ-6 глина тверд. ИГЭ-7 глина рыхл. Ед. изм.
Модель материала Мора-Кулона
Тип поведения материала Не дренированный
Удельный вес грунта выше уровня грунтовых вод УитЛ 19,7 19,9 20,0 18,6 19,4 20,0 20,0 кН/м3
Удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод 21,0 22,0 22,0 20,0 21,0 22,0 22,0 кН/м3
Начальный коэффициент пористости вш 0,95 0,95 1,05 0,65 1,2 0,65 1,05 -
Парамет ры разрушения
Модуль Юнга Е 10103 12103 14103 28103 50 25103 5103 кН/м2
Коэффициент Пуассона V 0,35 0,35 0,40 0,30 0,35 0,40 0,35 -
Эффективное сцепление с 10 13 35 1 6 60 10 кН/м2
Эффективный угол внутреннего трения ф 17 18 15 32 5 20 6 град
Угол дилатансии у 0 0 0 0 0 0 0 град
Идеально пластическая модель характеризуется фиксированной поверхностью текучести, которая задается параметрами модели и не зависит от пластического деформирования. При напряженных состояниях, соответствующих точкам в пределах поверхности текучести, поведение материала считается упругим, а все деформации считаются обратимыми.
5. Построение КЭ модели (сетки). Геометрическая модель (рис. 4) делится на базовые и совместимые конструктивные элементы (п. 2). При построении сетки учитывается положение всех точек и линий геометрической модели, так что сетка конечных элементов учитывает точное положение слоев, нагрузок и конструкций. Процесс построения сетки основан на устойчивом принципе триангуляции, с помощью которого находятся оптимальные размеры треугольников, и строится неструктурированная сетка (рис. 4).
Совместно с разбиением расчетной плоскости на конечные элементы, выполняется преобразование входных данных (свойств, граничных условий, наборов данных по материалам) из геометрической модели (точек, линий и кластеров) в сетку конечных элементов (элементы, узлы и точки напряжений).
6. Результаты расчета. В расчете рассмотрено два варианта развития деформаций:
1 вариант - без выполнения каких-либо мероприятий по ограждению откоса;
2 вариант - выполнение сплошного шпунта из свай, без зазоров между сваями, низ шпунта - на абс. отм. +172.500.
Для каждого варианта выполнен расчет напряженно-деформированного состояния грунтового массива с учетом консолидации грунта до тех пор, пока избыточное поровое давление в модели не снизится до 1кН/м ; дополнительно выполнены расчеты общих коэффициентов безопасности Кг (рис. 5-7).
а) без шпунта б) со шпунтом
Рис.5 - Качественный характер деформаций грунтового массива
а) без шпунта
б) со шпунтом
Рис. 6. Пластические точки Мора-Кулона (красн.). Точки переуплотнения (бел.)
а) без шпунта, КГ<1,0 б) со шпунтом,
Кг=1,1
Рис.7. Наиболее вероятный механизм разрушения склона
при расчете КГ
7. Выводы. Анализ результатов расчета показал, что во время выполнения СМР было выполнено искусственное обрушение оползнеопасно-го склона, с последующим длительным деформированием (сползанием) нарушенной грунтовой массы в сторону объектов нового строительства. Сложившаяся ситуация вынудила выполнить масштабные строительные мероприятия, предохраняющие зону застройки от оползневых масс.
Исследованная задача лишний раз подтверждает необходимость выполнения геотехнических прогнозов на этапе проектирования объектов нового строительства для обеспечения безопасности эксплуатации строительных конструкций и для достижения максимальной экономической эффективности строительства.
Список литературы
1. Бринкгрив Р.Б. Пособие по моделям материалов для Plaxis 2D. Спб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012.
2. Бринкгрив Р.Б. Научное пособие для Plaxis 2D. Спб. Изд-во По-литехн. ун-та, 2012.
3. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М.: Высш. шк., 1982.
4. Ухов С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Высш. шк., 2007.
5. Koiter W.T. General theorems for elastic-plastic solids // Progress in Solid Mechanics. Vol. 1. North-Holland. Amsterdam, 1960. P. 165-221.
6. Smith I.M., Griffith G.V. Programming the Finite Element Method,
1982.
7. Van Langen H., Vermeer P.A. Automatic step size correction for nonassociated plasticity problems // Int. J. Num. Meth. Engng., 1990. P. 29, 579598.
Прохоров Николай Ильич, канд. техн. наук, ecology@tsu. tula. ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнеев Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, ecology@,tsu. tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет
GEOTECHNICAL FORECASTING STABILITY OF LANDSLIDE DANGEROUS ARGILLACEOUS SLOPE AT NEW BUILDING CONSTRUCTION CONDITIONS
N.I. Prohorov, A. V. Korneev
Results of researching stability of landslide dangerous argillaceous slope at new building construction conditions were submitted. Sensitivity of the stability for landslide dangerous argillaceous slope to outside factors was studied. Results of calculated experiments are shown.
Key words: landslide, soil, stability, slope, construction, mathematical model.
Nikolai I. Prohorov, Candidate of Sciences, Professor, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula City, Tula Sate University,
Andrey V. Korneev, Candidate of Sciences, Docent, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula City, Tula Sate University
УДК 622.271.3
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ПОДМОСКОВНОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ
Н.И. Прохоров
Представлен анализ результатов натурных наблюдений за эксплуатацией металлической податливой крепи на шахтах Подмосковного бассейна. Даны рекомендации по повторному использованию металлической крепи подготовительных горных выработок.
Ключевые слова: металлическая крепь, подготовительная выработка, деформация, повторное использование, горно-геологические условия.
Надежность крепи горных выработок, обеспечивая стабильность протекающих в инфраструктуре шахты производственных процессов, определяется деформацией ее конструктивных элементов, т.е. переходом рамы крепи из состояния, когда все ее элементы, включая межрамное пространство ис-
