CC BY
71
УДК 624.137.5:624.138.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗМЫ ОБРУШЕНИЯ ВЫСОКИХ ПОДПОРНЫХ СТЕН ИЗ ЗАИНЪЕКТИРОВАННЫХ ГРУНТОВ
П.Н. Должиков, М.Ю. Псюк
Выполнен анализ параметров призмы обрушения высоких подпорных стен из заинъектированных грунтов. Рассмотрены основные механизмы разрушения подпорной стены из заинъектированных грунтов, получена зависимость взаимосвязи свойств грунтов и параметров высокой подпорной стенки, а также доказана ее устойчивость в оползнеопасных условиях.
Ключевые слова: подпорная стенка, призма обрушения, заинъектированные грунты, устойчивость.
Строительство промышленных и гражданских зданий на наклонных территориях очень часто связано с подрезкой грунта и формированием обратной засыпки в оползнеопасных условиях. Наиболее часто в таких условиях применяются сооружение ограждающей конструкции, обратная засыпка и противооползневые мероприятия [1, 2]. Такой подход к строительным технологиям является дорогостоящим и длительным по времени. Поэтому предложен способ сооружения высоких подпорных стен из заинъектированных грунтов обратной засыпки [2]. Сущность способа заключается в инъекции цементно-силикатного раствора в насыпные грунты через систему скважин, заходящих в коренные грунты. Данный технологический подход позволяет значительно увеличить сцепление грунта, создать в нем и в коренных грунтах армирующую систему и обеспечить общую устойчивость высокой подпорной стены в оползнеопасных условиях [3, 4]. Конструкция подпорной стенки приводится на рис. 1.
Цель данной работы - выполнить анализ параметров призмы обрушения заинъектированных грунтов.
Для проведения исследований применяется аналитический метод, который состоит в рассмотрении равновесного состояния грунтовой призмы, ограниченной жесткой вертикалью грунтового массива и потенциальной наклонной плоскостью сдвига [5]. Предполагается, что грунт находится в предельном состоянии, рассматривается плоская задача.
Помимо указанных, необходимо учесть следующие условия при решении задачи:
- верхний подпор насыпного грунта с высотой И;
- полученное за счет инъекции грунта дополнительное сцепление
Собщ = С0 + Сдоп,
где Со - начальное сцепление грунта;
- грунт, армированный системой вертикальных стержней с расстоянием а и сечением А;
- оползневое давление ро, действующее в общей грунтовой системе на призму обрушения, а также плоскость скольжения оползня.
Рис. 1. Конструкция высокой подпорной стенки из заинъектированных
грунтов
Анализ внешней и внутренней устойчивости заинъектированных и армированных грунтов направлен на определение оптимальных размеров и схемы расположения инъекторов, отвечающих условиям предельного равновесия, и определение напряжений разрыва грунта или нарушения сцепления между арматурой и грунтом вследствие развития сдвигающего и оползневого давления [6]. На основании этих положений выделены основные механизмы разрушения высокой подпорной стены из заинъектирован-ных грунтов: параллельное смещение под действием оползневого давления (рис. 2, а); наклон со смятием (рис. 2, б); сдвиг по плоскости скольжения оползня (рис. 2, в); разрыв сплошности заинъектированного грунта (рис. 2, г).
Основным принципом работы заинъектированного грунта в ополз-неопасных условиях является внутренняя устойчивость грунтового сооружения, которая обеспечивается высоким сцеплением частиц грунта, их
взаимодействием с трубной арматурой и работой арматуры в коренных грунтах, т.е. ниже плоскости скольжения оползня.
а
% £ "А
V/ | | ' У
" - --- /
в
7"V- У/ У У'
/> J/// У I
-
б
/ / / /
// / %
У С ,/ £
г/ /V/ /
—— -
Рис. 2. Схемы разрушений подпорной стенки из заинъектированных грунтов
На основании этого принципа можно считать наиболее возможными видами разрушения подпорной стены наклон со смятием и разрыв сплошности грунта. Это означает, что за счет перехода призмы обрушения в запредельное состояние произойдет сдвиг грунта с разрывом и наклоном ограждающей поверхности.
Применим метод сил Кулона [7] для анализа устойчивости призмы обрушения. Расчетная схема устойчивости заинъектированного грунта приведена на рис 3. Рассматривая силы, действующие на плоскости скольжения АС призмы обрушения ABC (вес призмы, реакция грунта, сила сцепления грунта с учетом армирования, вес оползня, результирующая сила), перейдем к распределению напряжений.
При этом дополнительный подпор на плоскость ВС заменим дополнительным напряжением [7]. Следовательно, в общем виде для результирующего напряжения в грунте имеем
где у - удельный вес грунта; Н - высота подпорной стенки; ф - угол внутреннего трения грунта; Ка - коэффициент армирования грунта; С -сцепление грунта; р0 - оползневое давление.
На рис. 3 показано распределение давления в связанном грунте. Максимальное давление развивается в нижней части грунта.
Е
Ъ
Рис. 3. Расчетная схема устойчивости заинъектированного грунта: 1 - заинъектированный грунт; 2 - природный грунт с откосом подрезки; 3 - армоинъекторы в грунте
Для того чтобы заинъектированный грунт выполнял роль подпорной стенки, необходимо выполнение следующего условия: Ис = Н. Это означает, что ограждающая поверхность АВ не будет испытывать давления, а всю нагрузку (гравитационную и оползневую) будет воспринимать заинъектированный грунт, т. е. а2 = р0 . Из формулы (1) находим значение
минимального сцепления грунта после инъекции
/
у(Н + И )
С
общ
'45°- ФЛ
2
у
2 К
(2)
а
В формулу (2) входит коэффициент армирования грунта инъекто-рами Ка = 1 + 51/52 . Расчётным путем установлено и экспериментально
подтверждено, что среднее значение Ка при шахматном расположении инъекторов равно 1,5.
Следует отметить, что оптимальная высота одного яруса подпорной стенки определяется углом сдвижения грунта 0 и углом естественного откоса природного грунта а. Это означает, что длина верхней площадки b « BC, и высоту подпорной стенки определяем по точке пересечения линий АС и DE. При этом необходимо учитывать, что в рассматриваемой модели принималось, что поверхность скольжения призмы обрушения АВС по форме близка к плоскости и образует угол 45° - ф/2 с горизонталью, что справедливо только для сыпучих грунтов. В реальных условиях эта поверхность является криволинейной, и ее кривизна зависит от сцепления грунта и степени армирования. Поэтому переход к плоской поверхности является усреднением кривизны. Вместе с тем, допущение о том, что грунт и армоинъекторы одновременно переходят в запредельное состояние, является условным и предполагает высокую степень закрепления грунта.
Анализ формулы (2) показывает, что высота подпорной стенки из заинъектированных грунтов также определяется его величиной сцепления. Выполним расчеты по формуле (2) при следующих данных: 4 /3
Y = 2,8 • 10 Н/ м ; ф = 30°. По полученным данным построена зависимость С = f (Н + h), приведенная на рис. 4. Из полученного графика видно, что даже при высоте подпорной стенки 20 м необходимое сцепление грунта должно составлять 0,11 МПа, что легко реализуется при инъекции в на-
33
сыпные грунты цементно-силикатного раствора плотностью 1,8 • 10 кг/ м . При этом лабораторными и натурными испытаниями установлено, что прочность на одноосное сжатие заинъектированного насыпного грунта достигает 5... 8 МПа.
С, МПа
OJO
0,08 0,06 0,04 0,02
5 10 15 H+h, м
Рис. 4. Зависимость величины сцепления заинъектированного грунта
от высоты подпорной стенки
Таким образом, проведенные исследования параметров призмы обрушения заинъектированных грунтов позволили установить распределение
напряжений и получить формулу взаимосвязи свойств грунтов и параметров высокой подпорной стенки, а также доказать ее устойчивость даже в оползнеопасных условиях [8 - 10].
Список литературы
1. Инъекционная стабилизация оползневых грунтов / П.Н. Должи-ков, П.Г. Фурдей, К.К. Кирияк, О.А. Рыжикова. Донецк: Свгг книги, 2012. 212 с.
2. Должиков П.Н., Псюк М.Ю., Кирияк К.К. Устройство высокой подпорной стенки из заинъектированных грунтов // Проблемы горного дела и экологии горного производства: материалы IX Международной научно-практической конференции. Донецк, 2014. С. 62-67.
3. Должиков П.Н., Кобзарь Ю.И., Кирияк К.К. Стабилизация оползневого процесса способом напорной цементации // Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. Алчевск: ДонГТУ,
2012. № 36. С. 345-351.
4. Должиков П.Н., Кипко А.Э., Кирияк К.К. Геомеханическое обоснование устройства подпорных стен методом напорной цементации насыпных грунтов // сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. Алчевск: ДонГТУ, 2013. № 41. С. 181-189.
5. Должиков П. Н., Псюк М. Ю. Принципы математического моделирования напряженно-деформированного состояния высокой подпорной стены // Международная научно-практическая конференция «Строительство и архитектура - 2015». Ростов н/Д: Ростов. гос. строит. ун-т, 2015. С. 227-230.
6. Должиков П.Н., Кипко А.Э., Кирияк К.К. Методика проектирования инъекционной стабилизации оползневых грунтов // Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. Алчевск: ДонГТУ,
2013. № 40. С. 157-162.
7. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П., Хозяйкина Н.В. Механика грунтов : учеб. пособие. Киев: Новий друк, 2008. 128 с.
8. Должиков П.Н. О стабилизации оползневых процессов в Крыму // Вестник МАНЭБ. Санкт-Петербург, 2011. Т. 16. № 4. С. 91-95.
9. Должиков П.Н., Кирияк К.К. Применение метода напорной цементации для стабилизации оползневого процесса // Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. Алчевск: ДонГТУ, 2012. № 36. С. 345-351.
10. Должиков П.Н., Кирияк К.К., Псюк М.Ю. Предупреждение аварийных ситуаций в сложных геотехнических условиях // Надзвичайш ситуацп: безпека та захист: матерiали IV Мiжнародноl науково-практично! конференцн. Черкаси: Ч1ПБ iм. Геро!в Чорнобиля НУЦЗ Укра!ни, 2014. С. 6-8.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный строительный университет,
Псюк Марина Юрьевна, асп., [email protected], Луганская Народная Республика, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
RESEARCH PARAMETERS PRISM OF CAVING HIGH RETAINING WALLS
OF INJECTING SOIL
P.N. Dolzhikov, M.U. Psuk
The analysis parameters of a prism of caving for high retaining walls of injecting soil were shown. The main mechanisms of destruction of the retaining wall of injecting soil, obtained the dependence of interdependence soil properties and parameters of high retaining wall and proved its stability in landslide-prone environment were considered.
Key words: retaining wall, prism of caving, injecting soil, stability.
Reference
1. In#ekcionnaja stabilizacija opolznevyh gruntov / P.N. Dol-zhikov, P.G. Furdej, K.K. Kirijak, OA. Ryzhikova //Doneck: Svit knigi, 2012. 212 s.
2. Dolzhikov P.N., Psjuk M.Ju., Kirijak K.K. Ustrojstvo vysokoj podpornoj stenki iz zain#ektirovannyh gruntov // Problemy gornogo dela i jekologii gornogo proizvodstva: Materialy IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Doneck: Donbass, 2014. S. 62-67.
3. Dolzhikov P.N., Kobzar' Ju.I., Kirijak K.K. Stabilizacija opolznevogo processa sposobom napornoj cementacii // Sb. nauch. tr. Donbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Alchevsk: DonGTU, 2012. № 36. S. 345-351.
4. Dolzhikov P.N., Kipko A.Je., Kirijak K.K. Geomehanicheskoe obosnovanie ustrojstva podpornyh sten metodom napornoj cementacii nasypnyh gruntov // Donbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo uni-versiteta. Alchevsk: DonGTU, 2013. № 41. S. 181-189.
5. Dolzhikov P.N., Psjuk M.Ju. Principy matematicheskogo mode-lirovanija naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija vysokoj podpor-noj steny // Mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija «Stroi-tel'stvo i arhitektura - 2015». Rostov n/D: Rost. gos. stroit. un-t, 2015. S. 227-230.
6. Dolzhikov P.N., Kipko A.Je., Kirijak K.K. Metodika proekti-rovanija in#ekcionnoj stabilizacii opolznevyh gruntov // Sb. nauch. tr. Donbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Alchevsk: DonGTU, 2013. № 40. S. 157-162.
7. Shashenko A.N., Pustovojtenko V.P., Hozjajkina N.V. Mehanika gruntov : ucheb. posobie. K.: Novij druk, 2008. 128 s.
8. Dolzhikov P.N. O stabilizacii opolznevyh processov v Kry-mu // Vestnik MANJeB. Sankt-Peterburg, 2011. T. 16, № 4. S. 91-95.
9. Dolzhikov P.N., Kirijak K.K. Primenenie metoda napornoj ce-mentacii dlja stabilizacii opolznevogo processa // Sb. nauch. tr. Don-basskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Alchevsk: DonG-TU, 2012. № 36. S. 345-351.
10. Dolzhikov P.N., Kirijak K.K., Psjuk M.Ju. Preduprezhdenie avarijnyh situacij v slozhnyh geotehnicheskih uslovijah // Nadzvichajni situacii: bezpeka ta zahist: Materiali IV Mizhnarodnoi naukovo-praktichnoi konferencii. Cherkasi: ChlPB im. Geroi'v Chornobilja NUCZ Ukraini, 2014. S. 6-8.
Dolzhikov Peter Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dolpn@yandex. ua, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Civil Engineering,
Psuk Marina Urevna, postgraduate, marikapt@,rambler.ru, Luhansk People's Republic, Donbass State Technical University УДК 622.333
ПРОГНОЗ МЕТАНООБИЛЬНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ
А.Н. Качурин, П.В. Васильев
Уточнены закономерности метановыделения из разрабатываемого угольного пласта и конвективно-турбулентной диффузии метана в подготовительных выработках при большой скорости подвигания подготовительного забоя. Установлено, что метановыделение с поверхности обнажения пласта в подготовительную выработку следует описывать уравнением фильтрации в частных производных гиперболического типа, учитывающим волновую составляющую фильтрационного движения. Доказано, что поля концентраций метана в воздухе подготовительных выработок стремятся к некоторому стационарному состоянию. Решена задача оценки динамики метановой опасности и динамического расчета количества воздуха, обеспечивающих безопасность проведения подготовительных выработок по аэрологическому фактору.
Ключевые слова: метан, подготовительная выработка, фильтрация, метано-обильность, метановая опасность, аэрологическая безопасность, угольный пласт, математическая модель.
Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны, предполагающему обеспечение высокого уровня промышленной безопасности в угольной отрасли. Планируется увеличение производительности труда в 5 раз к 2030 г. Основным угольным бассейном России является Кузбасс. Шахты Кузбасса высокогазообильные и, как показывает статистика взрывов мета-но-воздушной смеси (МВС), в угольных шахтах России до настоящего времени нет эффективной системы предотвращения этого вида аварий. Но в то же время широко внедряется технология «шахта - лава», при которой добыча из одной лавы может достигать 20.. .30 тыс. т в сутки.
При этом большими темпами увеличивается глубина разработки, что влечет за собой рост природной газоносности разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород, угрозу динамических проявлений горного и газового давления. В этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метановой опасности шахт.
