CC BY
0Б01 10.24412/с1-37280-2024-1-21-25
Нагель Артур Евгеньевич, аспирант ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (Сибстрин), г. Новосибирск
Волкова Станислава Алексеевна, студент ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (Сибстрин), г. Новосибирск
Лукашова Кристина Евгеньевна, студент ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» (Сибстрин), г. Новосибирск
Напряженное состояние горного массива в зависимости от формы поперечного сечения горной выработки
Аннотация. Настоящее исследование направлено на изучение напряжённого состояния горного массива в зависимости от формы поперечного сечения горной выработки. Проанализированы наиболее распространенные конфигурации горных выработок (сводчатая, прямоугольная). Экспериментально получены поля напряжений в плоских моделях при варьировании конфигурации выреза, имитирующего горную выработку. Эксперименты реализованы численно и физически при одноосном и двуосном сжатии.
Ключевые слова: горный массив, метод фотоупругости, концентраторы напряжений, поля напряжений, напряженно-деформируемое состояние.
Введение
В горном массиве происходит перераспределение напряжений при образовании в нем выработки. Напряжения в различных точках горного массива неодинаковые в зависимости от вида горной породы, глубины образования полости, ее
формы и так далее. Необходимо знать и учитывать распределение напряжений в горном массиве вблизи отверстий, чтобы не допустить аварийных ситуаций.
В статьях [1-4] представлены результаты исследования напряжённого состояния горного массива, полученные как численно, так и экспериментально (методом фотоупругости). В настоящей работе зависимость напряжений от формы отверстия исследована на прозрачных моделях с помощью метода конечных элементов (МКЭ) и методом фотоупругости.
Цель работы - изучить влияние конфигурации поперечного сечения выработки на напряжённое состояние горного массива.
Методы исследования
В работе использованы: метод конечных элементов и метод фотоупругости. С помощью обоих методов получены поля напряжений, проведено их сопоставление. Метод фотоупругости особенно хорошо позволяет решать задачи о концентрации напряжений [5, 6].
Физический и численный эксперимент
В ходе исследования были отлиты модели из эпоксидной смолы марки ЭД-20, схемы моделей представлены ниже (рис. 1). Фотографии моделей приведены на рис. 2.
Рисунок 1. Схемы моделей
Рисунок 2. Фотографии моделей
Для реализации двухосного сжатия была изготовлена обойма (рис. 3), с целью зажима образцов. Состоит из двух брусков с выемками под модель и двух хомутов (затяжек), которые стягивают модель брусками.
Рисунок 3. Обойма
Модели исследованы численно и методом фотоупругости при одноосном сжатии и при двухосном (посредством фиксации в обойме). Проведено сравнение значений напряжений в углах отверстий, имитирующих поперечное сечение горной выработки (табл. 1).
Рисунок 4. Поля напряжений в моделях при одноосном (слева) и двухосном (справа) нагружении
Магистерские слушанья
Выполнен численный расчет в программном комплексе SCAD Office аналогичных моделей при идентичном нагружении, получены поля напряжений. В табл. 1 приведены результаты сравнения численного и физического экспериментов.
Таблица 1
Сравнение численного и физического экспериментов
Форма выреза Одноосное сжатие, напряжение, МПа Двухосное сжатие. напряжение, МПа
МКЭ Эксперимент Процент расхождения, % МКЭ Эксперимент Процент расхождения, %
Прямоугольная 5,74 4,46 22,3 5,77 5,43 5,9
Сводчатая 5,85 6,08 3,8 5,59 5,43 2,9
Заключение
В ходе численного и физического экспериментов получены поля напряжений в плоских моделях с вырезами разной формы, имитирующими поперечное сечение горной выработки. Исследования выполнены при одноосном и двухосном сжатии (посредством обоймы). С помощью полей напряжений определены значения напряжений в углах вырезов. Сравнение результатов показало, что введение обоймы в рассмотренных случаях мало влияет на напряжённое состояние элементов. Разница между численным расчётом и физическим экспериментом незначительна.
Библиографический список
1. Исследование напряженного состояния пород, окружающих образованную полость // Н. Ю. Швагер, Т. А. Комиссаренко, А. А. Комиссаренко, Ю. О. Швагер // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), №6. С. 154-159.
2. Оценка влияния формы выработки и действующих напряжений в массиве на формирование зоны растягивающих деформаций на глубине свыше 1 км // Нгуен Ван Минь, В. А. Еременко, М. А. Сухорукова, С. С. Шерматова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), № 6, 2020. С. 67-75.
3. Тоннели и метрополитены // В. П. Волков, С. Н. Наумов, А. Н. Пирожкова, В. Г. Храпов // Транспорт. Москва. 1975. 551 с.
4. Experimental study on mechanical and optical properties of printable photopolymer used for visualising hidden structures and stresses in rocks // Yang Ju, Wang Guo, Zhangyu Ren, Jiangtao Zheng, Lingtao Mao, Xuan Hu, Peng Liu // Optical Materials 111, 2021. - 110691
5. Напряжения вблизи вершины трещины-пропила // Ю. А. Гербер, А. Е. Нагель, М. В. Табанюхова // Строительная механика и конструкции. 2023. № 1 (36). С. 55-62.
6. Оценка влияния радиуса закругления вершины трещины на напряженное состояние элемента // А. Е. Нагель, М. В. Табанюхова // Интеллектуальный потенциал Сибири. Материалы 31-ой Региональной научной студенческой конференции: в 7 частях. Новосибирск, 2023. С. 114-118.
