CC BY
32
А. Я. Егоров
НОВЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ СДВИГУ ПРИ АНАЛИЗЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ
При анализе устойчивости откосов, например, карьерных, наиболее трудной задачей является получение расчетных па-раметров сопротивления сдвигу и расчетной линии скольжения.
Современный технический уровень в этой области не позволяет достаточно надежно решить эту сложную задачу при оценке устойчивости откосов. Особенно неблагополучно обстоит дело с изучением прочности слабых грунтов и контактной прочности (прочности вдоль трещин различной степени проявленности и зелечен-ности и вдоль поверхностей ослабления различного генезиса) гак называемых «компетентных» грунтов, в том числе скальных и полускальных.
Плохо обстоит дело и с учетом масштабного эффекта.
Основными причинами такого положения являются слабая оснащенность исследователей новыми устройствами и способами изучения прочности грунтов и противоречия между теми инженер-геологами, которые исследуют массивы горных пород в натуральных условиях и теми геомеханиками, которые изучают свойства пород в основном по образцам в лабораторных условиях без должного учета натурных условий деформирования в расчетных схемах.
В процессе многолетних исследований оползневых склонов и карьерных откосов, подверженных оползневым деформациям для целей инженерно-геологического обоснования оценки их устойчивости, автором, в том числе в соавторстве с другими исследователями, в дополнение к известным традиционным методам был разработан ряд новых способов и устройств на уровне изобретений для решения частных вопросов по затронутой проблеме. Обзор и критика известных технических решений не даются в связи с тем, что это потребова-
ло бы большого объема публикации, а так же потому, что специалистам недостатки традиционных методов достаточно хорошо известны. В материалах заявок приведена критика аналогов и прототипов.
Большинство из предлагаемых новых технических решений внедрено в практику оценки устойчивости карьерных откосов при реконструкции карьеров горной химии в связи с широким развитием в их бортах оползневых деформаций.
Предлагаемые технические решения можно разделить на три группы:
1) изучение прочности слабых грунтов;
2) изучение контактной прочности и
3) обратные расчеты.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СЛАБЫХ ГРУНТОВ
Для изучения прочности слабых грунтов предложено три способа и два устройства.
Способ определения сопротивления образцы грунта сдвигу [1], заключающийся в том, что зону сдвига образуют путем создания шероховатых поверхностей с бороздами и выемкам, а между ними размещают пластину из слабого глинистого грунта. Способ позволяет испытывать слабые грунты как в лабораторных, так и в натурных условиях. Последнее обстоятельство очень важно, так как отбор и транспортировка проб слабых грунтов не гарантирует сохранения ненарушенности их естественного состояния.
Способ внедрен на карьерах Верхнекамского фосфорудника (ВКФР) при изучении прочности мягко- и текучепластичных суглинков непосредственно на оползневом теле.
При массовых параллельных внедрениях конуса микропенетрометром В СЕГИ Н-ГЕО были получены четкие корреляционные связи между глубиной погружения ко-
нуса Л и сопротивлением сдвигу т при различных вертикальных нагрузка о [2].
Способ определения сопротивления сдвигу дисперсных грунтов в массиве и устройство для его осуществления [3] характеризуется тем» что в массив внедряют штамп с отверстием до начала выдавливания через него слабого грунта. По усилию внедрения предварительно определяют величину структурной прочности. Устройство снабжено защитной обоймой прямоугольной формы с закругленными углами, закрепленной на сдвиговой каретке, в каретке выполнено отверстие, съемные насадки выполнены в виде продольных и поперечных ребер и размещены в защитной обойме.
Способ и устройство позволяют изучать прочность очень слабых грунтов (текучей и тек^чепластичной консистенции) в натурных условиях без нарушения их структурной прочности при максимальной вертикальной нагрузке. Для лабораторных испытаний отобрать пробы из таких грунтов без нарушения естественной структуры практически невозможно.
Техническое реШекиё внедрено в Ци-хис-Убанском карьере бентонитовых глин в Грузии [4].
Способ определения сопротивления сдвигу дисперсных грунтов в массиве и устройство для его осуществления [5] характеризуется тем, что для обеспечения фиксировавшего положения зоны сдвига при испытаниях в натурных условиях, целик подготавливают путем внедрения в него, закрепленных на общей площадке плоских ребер, расстояние между которыми и их высота выбираются в зависимости от плотности и влажности грунтов: чем слабее грунты тем выше и чаще расположены эти ребра.
Техническое решение позволяет изучать прочность дисперсных грунтов в ШИ-роком диапазоне: от мягкопластичных до полутвердых. Оно внедрено на карьерах ВКФР[6].
ИЗУЧЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ
Для изучения контактной прочности предложено два способа и 4 устройства.
Устройство для определения параметров сдвига пород в массиве [7], заклю-
чающееся в том, что сдвиговая каретка (см.рис.) выполнена в виде прямоугольной площадки (1) с бортиком (2), на которой закреплены направляющие (5) с упором (4), а рычаг (3) выполнен с фиксатором (6) его положения и шарнирно соединен с упором каретки, установленным в направляющих с возможностью продольного перемещения и фиксации. Вертикальная и сдвигающие нагрузки вычисляются за счет разложения сил на наклонной плоскости. Сдвигаются целики пород, выкроенные трещинами (или вырезанные в нескальных породах) на наклонной поверхности трещин или зоны раздела по напластованию.
и
Рис. Устройство для определения параметров сопротивления
сдвигу пород в массиве 17, 101:
I — площадке; 2 — бортик; 3 — рычаг;’4 — упор;
5 — направляющие; 6 — фиксатор; 7 — упорный рычаг;
8 — шарнир; 9 — фиксатор упорного рычага; 10 — рукоять;
II —шарнирное кольцо; 12 —опорная скоба; 13 — клинья;
14 — динамометр.
Устройство широко внедрено на карьерах Каратаусского фосфоритового бассейна, ВКФР, в Цихис-У банек ом карьере, на карьере Коашва в Хибинах [81, на Моно-маховском карьере известняков ПО «Бор»
[91-
Полученные результаты (значения tg' <р) использовались в обратных расчетах с целью получения значений сцепления, учитывающих масштабный фактор.
Устройство для определения параметров сдвига пород в массиве [10] является дальнейшим развитием идеи, изложен-ной ранее [7]. Особенности его связаны со способом крепления дополнительного ры-
чага, позволяющего развить большие прижимающие и сдвигающие усилия, что очень важно при изучении контактной прочности по несплошным или частично залеченным трещинам (см.рис.).
Способ определения контактной прочности пород по керну колонкового бурения и устройство для его осуществления [11], характеризуются тем, что площадь сдвига вычисляют до начала испытаний по номограммам, с учетом этого определяют величины вертикальных нагрузок, испытания можно проводить под водой, многократно и разноправленно с созданием горизонтальной противодействующей силы, измеряют усилия сдвигов, моделируя реальные условия деформирования в обводненных разломах и оползнях. Устройство снабжено встречно направленными приводами со штоками. Противодействие осуществляется пружиной, попеременно устанавливаемой на одном из штоков.
Техническое решение осуществляется в лабораторных условиях. Трещиноватый керн подвергается испытаниям после детального изучения его по методике, изложенной в материалах изобретения [12] с целью выявления наиболее опасных для устойчивости откосов систем трещин.
Способ определения прочности грунтов на сдвиг и устройство для его осуществления (полож. решение по заявке № 5040871 от 26.Х.93*) характеризующиеся тем, что одновременно и совместно сдвигают несколько сдвиговых обойм, равных количеству расчетных отсеков и расположенных в том же порядке, что и отсеки, при соответствующих вертикальных нагрузках, равных бытовым нагрузкам от веса пород по каждому соответствующему расчетному отсеку, с учетом разложения сил на наклонной поверхности скольжения и силового воздействия подземных вод, сейсмики и др. воздействий природных и техногенных факторов. Длины прямоугольных сдвиговых обойм (раздвигающихся) принимают равными в выбранном масштабе соответствующим длинам расчетной линии скольжения по каждому расчетному отсеку.
*
Полож. реш. патентной экспертизы НИИГГ1Э
Сопротивление сдвигу по каждой отдельно взятой обойме (для построения паспорта прочности) вычисляют с учетом коэффициентов пропорциональности по формуле:
..п ~ т1,2,3
где т12,з „ — коэффициент пропорциональности по каждой сдвиговой обой-
ме, равный ~р ■ £,р2,з..
л — количество ступеней нагрузок, равное количеству расчетных отсеков;
— суммарное сопротивление сдвигу (вычисленное) при раздельных сдвигах;
— то же, определенное прямым измерением при совместном и одновременном сдвиге;
§Г1в2,з.и — сопротивление сдвигу, опре-
деленное прямым измерением при раздельном сдвиге по отдельно взятой обойме.
Порядок расположения сдвиговых обойм и тип их соединения в «цепочке» (гибкий или жесткий) в опытной серии испытаний подбирают в зависимости от возможного механизма и условий деформирования откоса. Дальнейшие массовые испытания выполняют по той схеме, при которой были получены наименьшие значения суммарного сопротивления сдвигу с учетом анализа устойчивости откоса, используя принцип обратной связи непосредственно в процессе проведения экспериментов.
ОБРАТНЫЕ РАСЧЕТЫ
Для получения «истинных» параметров прочности предложено три способа обратных расчетов.
Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве [131, заключающийся в том, что в трещиноватых породах измеряют элементы залегания согласных оползнеопасных и поперечных трещин и расстояния между ними на оползневом участке и в непосредственной близости от него, а параметры поверхности скольжения определяют с учетом этих измерений путем графических построений. Рассмотрено 6 случаев наиболее часто встречаемых при деформировании откосов, включающие плоскую, сту-
пен чатую и криволинейную (комбинированную) формы поверхностей скольжения. При этом угол внутреннего трения определяют путем сдвига целика^ ограниченного трещинами непосредственно на оползневой поверхности. Подставляя значения іц (р в уравнение предельного равновесия на стадии подготовки основного оползневого смещения, получаем обобщенное значение сцепления, учитывающее масштабный фактор.
Способ эффективен при проведении обратных расчетов по схеме деформирования анизотропных массивов горных пород.
Способ внедрен на объектах Каратаус-ского фосфоритового бассейна, в карьере Коашва в Хибинах [8], в Цихис-Убанском карьере [4], на Мономаховском карьере [9], на карьерах ВКФР [6].
Способ натурного определения параметров сопротивления пород сдвигу в массиве [14], заключающийся в том, что за счет площадной локализации натурных измерений характеристик элементов поперечного профиля после завершения основ-ной оползневой подвижки, необходимых для получения оптимальных координат центра вращения и длины радиуса реальной круглоцилиндрической поверхности скольжения в уступах сложенных однородными и квазиизотропными массивами горных пород, в центральной характерной части опблзня выделяют полосу, ширина которой обобщенно отражает реальный механизм и форму деформирования в границах этой полосы в натурных условиях производят многократные измерения по простиранию характеристик элементов поперечного профиля, средние значения полученных измерений используют при построении обобщенного расчетного поперечника, на основе которого выполняют геометрический анализ, определяют координаты центра и длину радиуса реальной круглоцилиндрической поверхности скольжения, вычисляют действующие в момент оползания напряжения, значения которых подставляют в уравнения предельного равновесия.
При этом центр 0 и соответствующий ему радиус определяются графически на основе приложения теоремы Эйлера (ХУГИ век): «...любое перемещение тела на
сфере может быть описано в виде вращения вокруг оси, проходящей через центр этой сферы». Применительно к плоскому случаю эта теорема позволяет найти центр О сначала приблизительно как точку на линии, продолжающей направление верхнего запрокинутого оползневого блока и перпендикулярной головной стенке срыва, отстоящую от последней на расстоянии 2Ь, где Ъ — ширина захвата оползня. Местоположение этой же точки уточняется методом подбора радиуса, центр 0 должен одинаково отстоять как от верхней бровки головной стенки срыва оползня так и от точки пересечения линии скольжения с дневной поверхностью в основании уступа. Окончательный контроль правильности определения центра 0 проводится после опускания из этой точки вертикальной линии и проведения окружности с определенным радиусом. При правильном определении центра и длины радиуса вертикальная линия из точки 0 должна служить границей между сдвигающими и удерживающими расчетными отсеками.
Способ позволяет определить и наиболее опасный радиус расчетной линии скольжения, несколько отличающийся от установленного предлагаемым способом (до 0,5 %). Это различие имеет физический смысл: теоретически обрушение принято считать возможным при Ку = 1. Однако в действительности нужна какая-то малая величина отличная от 0, что бы это обрушение реализовалось.
Следует отметить, что если предлагаемый способ не работает при анализе оползневой деформации, значит оползание произошло по криволинейной, существенно отличной от круглоцилиндрической поверхности скольжения и в неоднородных породах.
Способ внедрен на отвалах глинистых пород ВКФР.
Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве (положит, решение по заявке № 5042209 от 22.07.93), заключающийся в том, что за счет более полного учета динамики процесса оползневого смещения и сдвига в процессе экспериментов, в условиях приближенных к натурным измеряют на образцах или портативным сдвиговым уст-
ройством на оползневой поверхности скольжения пиковую (в момент начала сдвига) и установившуюся в процессе перемещения с постоянной скоростью прочности, поданным этих измерений определяют три коэффициента снижения параметров прочности при перемещении: сцепления (Кс), угля внутреннего трения (K!g(p) и общего сопротивления сдвигу делени-
ем соответствующих расчетных параметров сдвига при заданной доверительной вероятности полученных при перемещении с постоянной скоростью, на значения, полученные при фиксировании пиковой прочности. Эти коэффициенты подставляют во второе уравнение предельного равновесия, характеризующее состояние откоса после начала оползневой подвижки. Затем решают два уравнения (первое — характеризует состояние откоса до начала оползневой подвижки) с двумя неизвестными относительно tgip и С и получают их истинные значения для конкретного рассмотренного случая с учетом масштабного эффекта в момент начала оползневой подвижки, то есть при реализации пиковой прочности.
В общем виде эти уравнения представ-, ляются следующим образом
2 Pt cos a. tg <р + 2 С 1{г = X Р{ sin at
2 Pl cos а{ • tg ip • Kxg(p + X С I. Kc =
= £ Pi sin a. ■ К^
Суммарное значение является аналогом X Pi sin а. в расчетных формулах предельного равновесия. Его получают сложением сдвигающих усилий г по всем сдвиговым точкам по каждому эксперименту.
Способ может быть внедрен на карьерах Каратаусского фосфоритового бассейна, где имеются массовые определения пиковой и установившейся прочности по трещинам.
В заключение следует отметить, что предлагаемые новые технические решения (за исключением предназначенных для изучения слабых грунтов, где масштабный эффект практически всегда может быть учтен аналитическими методами, например, учет силового воздействия подземных вод) эффективны при их совместном использовании с обратными расчетами, используя
известный специалистам консерватизм угла внутреннего трения и отражение масштабного эффекта, главным образом, на величине сцепления. В ряде случаев результаты, например, определения контактной прочности в скальных породах только экспериментальными методами, в том числе сдвигами крупномасштабных целиков, когда вскрыша ведется с помощью массовых взрывов, не отражают реальных условий деформирования и не имеют самостоятельного (без использования их в обратных расчетах) значения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Егоров А.Я., Кононов В.В., Егорова Т.Т., Кононов Д.В. Способ определения сопротивления образцы сдвигу. А.с. № 1636517 СССР //Б.И. № 11.61991, с. 171.
2. Егоров А.Я., Кононов В.В. Опыт экспрессного изучения прочности слабых глинистых грунтов на карьерах ВКФР, НТРС, Гос.Агрохим.ассоц. НИИТЭИ, Сер. «Гор-нохим. промышл.», вып. 4, М.: 1990, С. 7-8.
3. Егоров А.Я. Способ определения сопротивления сдвигу дисперсных пород и устройство для его осуществления. А.с. № 181538 РСФСР //Б.И. №15, 1993, С.80.
4. Егоров А.Я., Мчелидлишвили К.М., Лежава О.Д. Исследование трещиноватости эффузивных пород Цихис-Убанекого карьера бентонитовых глин. В кн.: «Добыча и переработка горно-химического сырья Грузии Тр. ГИГХС, вып. 72, М.: 1988, С. 5-13.
5. Егоров А.Я. Способ определения сопротивления сдвигу дисперсных пород в массиве и устройство для его осуществления. А.с. СССР № 1710734 //Б.И. № 5, 1992, С. 121.
6. Егоров А.Я. Оценка влияния трещиноватости глинистых пород на устойчивость откосов, Инж.геол., № 12, 1991, С. 120-128.
7. Егоров А.Я., Кононов В.В. Устройство для определения параметров сдвига пород в массиве: А.с. № 1399663 СССР //Б.И., 1987, № 20, С.17.
8. Егоров А.Я. Структурно-тектонические особенности формирования откосов карьера Коашва в Хибинах. Инж.геология, № 5, 1990, С. 45-55.
9. Егоров А.Я. Опыт исследования контактной прочности по трещинам в породах Мономаховского карьера известняков Приморского ПО «Бор». Обз.инф.сер. «Горнохим.промышлен.», — М.: НИИТЭ-ХИМ, 1989, вп. 6.
10. Егоров А.Я., Кононов В.В. Устройство для определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве: А.с. № 1612056 СССР //Б.И. № 45, 1990, С.240.
11. Егоров А.Я., Мозжухин А.В., Кононов В.В., Егорова Т.Т. Способ определения контактной прочности по керну колонкового бурения и устройство для его осуще-
ствления. А.с. N9 1670123 СССР //Б.И. № 30,1991, С.210.
12. Егоров А.Я. Способ оценки трещиноватости пород по ориентированному керну и устройство для его осуществления. А.с. № 1618877 СССР //Б.И. № I, С. 272.
13. Егоров А.Я. Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве. А.с. № 1671770 СССР //Б.И. № 31, 1991, С.270.
14. Егоров А.Я. Способ натурного определения параметров сдвигу пород в массив. А.с. № 1824488 РСФСР //Б.И. 1993 № 31, С.87.
Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом (взрывные технологии в промышленности) ч. И. Учебник для вузов. 3-е издание, переработанное и дополненное. М.: Издательство МГГУ.—1994, 448 с.
Б, учебнике приведены ббйще требования к технологиям производства взрывных •работ в промышленности: требования к документации на выполнение взрывных раоот, технологии подготовки и изготовления простейших и водосодержащих ВВ на местах производства взрывных работ, технология ручного и механизированного заряжания и забойки скважин.
г од роб но изложены взрывные технологии разрушения угля и руды при подземной 11добыче, при проведении подземных выработок, при добыче полезных ископаемых на карьерах. Приведены новые технологии рыхления мерзлых и взрывания скальных грунтов с использованием локализаторов, специальные технологии взрывных работ на земной поверхности, в том числе при реконструкции предприятий и взрывании в стесненных городских условиях.
В учебнике даны принципы проектирования, подготовки и организации взрывных работ, расчеты оснвых параметров взрывания различными методами при открытой и подземной разработке месторождений, при применении взрывов в других отраслях промышленности.
Дан анализ причин аварий при производстве взрывных работ, состояния безопасности на горных предприятиях, рассмотрены мероприятия по предотвращению аварий при ведении взрывных работ.
Учебник предназначен для студентов горных вузов и факультетов и может быть полезен специалистам, занимающимся взрывными работами в промышленности.
1
I
