CC BY
52
---------------------------------------- © А.Ю. Панфилов, Н.В. Ширяев,
2004
УДК 518.4
А.Ю. Панфилов, Н.В. Ширяев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СДВИГОВОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ ИЗ ОБРАТНЫХ ОПОЛЗНЕВЫХ РАСЧЕТОВ
Семинар № 1
Структурно-механические уравнения
ползучести и длительной прочности могут использоваться для описания процессов сдвиговой ползучести в бортовых массивах, сложенных глинистыми, мерзлыми или заснеженными породами.
При изучении процессов разрушения горных пород привлекаются основные законы термодинамики. Так, В.А. Падуков [1] рассматривает этот процесс как постепенный, кинетический, термоактивационный, развивающийся при нагрузках, меньших критических. Однако при использовании такого подхода затруднительно учесть особенности пород различных инженерно-геологических классов, а также степень надежности определения исходных расчетных параметров.
К группе пород, характеризующихся высокой степенью ползучести и пластичности, Г.Л. Фисенко [2] относит все горные породы, содержащие глинистые материалы, каменные и калийные соли, а также все другие породы в массиве, имеющие кососекущую трещиноватость.
Реологические процессы в массивах твердых пород целесообразно принимать во внимание для карьеров, глубины которых измеряются сотнями метров. Для ориентировочного определения глубины Нп залегания зоны развития пластических деформаций пород можно использовать соотношение у-Нп = (c•cosф)/(1-sinф)
где у — средневзвешенное значение плотности пород в пределах бортового массива; с, ф — соответственно сцепление и угол внутреннего трения твердых пород.
Интенсивность реологических процессов резко возрастает (безотносительно к глубине карьеров) в бортовых массивах, где имеются падающие в сторону выработанного пространства разрывные нарушения или литологиче-
ские контакты. Материал — заполнитель тектонических трещин или ослабленные выветриванием породы контактных зон — обычно проявляют повышенную склонность к пластическому деформированию.
Формирование бортов карьеров вызывает существенное уменьшение нагрузок на слои пород в пределах призм возможного оползания. При этом создаются условия для разупрочнения глинистых пород в связи с их переуплотненным состоянием по отношению к первичному состоянию массива, нарушенного открытыми горными выработками.
Процесс набухания глинистых пород рассматривается как результат взаимодействия фаз тонкодисперсных сред, вызывающий ослабление структурных связей и уменьшение сопротивления сдвигу. Снижение прочности пород вследствие набухания определяется диапазоном снижения напряжений в бортовых массивах.
Как отмечает Г. Л. Фисенко, причиной многих оползневых явлений может быть совместное развитие процессов набухания и ползучести глинистых пород в бортах карьеров. Масштаб влияния разуплотнения изучается с помощью экспериментальных исследований развития набухания во времени, давления набухания, процессов снижения сопротивления сдвигу и развития деформаций ползучести во времени. На величину набухания глинистых пород с высокими показателями уплотненности блокирующее влияние оказывает сцепление упрочнения.
Натурные наблюдения свидетельствуют, что при наличии в бортах карьеров глинистых пород со сцеплением упрочнения снижение сопротивления сдвигу вследствие набухания приурочено к зонам, где сцепление упрочнения ослаблено. Для анизотропных массивов такими участками являются приконтактные зоны, где в
результате перерывов в осадконакоплении или изменения его режима образовались дефекты структуры различного характера. При разрушении переуплотненных пород в зоне сдвига происходит разуплотнение и прочность снижается за счет увеличения влажности. А.Н. Могилко [3] экспериментально установлено, что воздействие касательных напряжений ускоряет процесс разуплотнения и деформации ползучести пород происходят в условиях их максимального разуплотнения при неизменном объеме, т. е. исходное переуплотненное состояние не сказывается на величине скорости установившейся ползучести.
Г.Л. Фисенко считает, что плоская задача может решаться при условии, если Ь/Ну >=2 - З, где Ь — ширина оползня, Ну — высота деформируемого уступа. В ВИОГЕМе (В.И. Стрельцов) произведено обоснование этого положения путем сопоставления размеров оползневых призм с показателями прочности пород на сдвиг, определенными
методом обратных расчетов с использованием
Рис. 1 (а, б). Натурные исследования деформаций келловейских глин на карьере Михайловского ГОКа: а и б — профили соответственно I и II с контрольными реперами
объемной (соб) и плоской (спл) задач и нахождения зависимости между ними. При b/Hy >1,5 значения соб и спл различаются не более чем на 5 % и практически совпадают при b/Hy = 2. На основании этого можно сделать вывод, что сопротивление сдвигу с может определяться путем решения плоской задачи при геометрии оползневого тела, отвечающей условию b/Hy =
1,5.
Для получения надежных данных о характере снижения во времени прочности пород в уступах бортов карьеров использованы обратные расчеты оползней откосов с длительными сроками службы.
Следует подчеркнуть целесообразность дополнения результатов инструментальных наблюдений данными разбуривания оползневых тел для уточнения положения поверхности скольжения в глубинных зонах.
Для природных склонов, находящихся в фазе глубинной ползучести, Г.И. Тер-Степаняном [4] предложен метод обратного расчета, позволяющий определять предел пластического течения и коэффициент вязкости грунтов по результатам длительных наблюдений за состоянием массива с помощью деформационных колодцев.
Для обработки результатов маркшейдерской съемки оползней и обрушений на карьерах обычно применяются модификации метода алгебраического суммирования сил по поверхности скольжения. Для откосов нелитифицированных глинистых пород при обратных расчетах оползней можно определять общее сопротивление сдвигу по предложенному Г. Л. Фисенко методу касательных напряжений. Искомая величина x(t) получается при an = hy-cos^ из соотношения фп, t) = Тсдв = 1/2 h1y-sin2a1 где тсдв — сдвигающее касательное напряжение (в момент достижения предельного равновесия равно общему сопротивлению породы сдвигу); h1 — вертикальная мощность оползневого клина в середине расчетных площадок; а1 — угол наклона
ї.0=7сут 10 20 tm 30 40 50 tp 60 70 S0 90 t, сут
участка поверхности скольжения, для середины которого определяется сопротивление породы сдвигу.
Описанный расчетный прием применим в случаях, когда поверхность скольжения имеет плавное криволинейное очертание и ее положение не предопределяется структурными особенностями массива. При горизонтальном или близком к нему залегании поверхностей ослабления среднее сопротивление сдвигу глинистых пород по поверхности скольжения до оползня и после его стабилизации можно определять путем деления суммы касательных сил на ее площадь.
Представительные обратные расчеты были произведены А.Н. Могилко для условий контактных оползней и оползней-надвигов (по классификации Г. Л. Фисенко) на ряде карьеров Украины. Для обследованных оползней время устойчивого существования уступа после заоткоски составляло от 1 мес. до 10 лет. Уступы имели первоначальную высоту 15—30 м с углами заоткоски а = 30-45° и были сложены четвертичными суглинками и песками, ниже которых залегали третичные глины. С помощью маркшейдерских наблюдений и бурения установлено, что поверхность скольжения для всех оползней проходила в зоне контакта песков и подстилающих глин. Поверхность скольжения обычно заглублялась до 20 см в слой глины, залегание которого близко к горизонтальному. А.Н. Могилко обработаны результаты съемки оползней с относительной длиной поверхности по контакту Ь/Ьо = 0,1 --0,7. Для контактных зон такой протяженности нормальные напряжения принимались постоянными (по средним значениям). На рис. показаны графики т = і(о), полученные при обработке результатов обратных расчетов оползней откосов глинистых пород на карьерах Украины. Для сро-
Рис. 1 (в). Натурные исследования деформаций келловейских глин на карьере Михайловского ГОКа: зависимости смещения во времени наблюдательных точек Rp6 профиля I (1) и Rp7 профиля II (2). Сплошной линией показаны фактические данные, а штриховой — расчетные
ков службы откосов, превышающих предельное время набухания, зависимость т = f(a) является линейной и длительное сопротивление сдвигу может определяться из выражения T(t) = c(t) + an-tg9
где ф — угол внутреннего трения породы.
Нами рассмотрено определение
реологических параметров на примере глинистых от-ложений бортовых массивов карьеров КМА.
Обратные расчеты выполняются с использованием контуров оползневых призм на момент деформации откосов. Принятая методика определения длительной прочности основывается на учете изменения природного сопротивления сдвигу по поверхности скольжения во времени. Составными частями методики являются, во-первых, определение природной сдвиговой прочности путем обратных расчетов оползней участков уступов, имевших различные высоту Ну, угол откоса а и время устойчивого их существования, и, во-вторых, нахождение закономерности изменения сдвиговой прочности во времени c = f(t). Для выделенных комплексов глинистых пород, имеющих относительно изотропные механические свойства при отсутствии ярко выраженных структурных поверхностей ослабления, путем лабораторных испытании определяются показатели механической прочности на сдвиг фо и со, которые характеризуют собой условно-мгновенную (природную) прочность исследуемых пород. Путем решения обратных оползневых задач при ф = const определяется ряд значений с для различных промежутков времени t.
Для этого по результатам наземной и воздушной фотограмметрических съемок, а также тахеометрических вычерчиваются профили по оползневым участкам, определяются векторы сдвижения и по ним отстраиваются поверхности скольжения. Использование в работе материалов аэрофотограмметрических съемок оползней, а также внедрение разработанного метода определения векторов сдвижения позволило оперативно и с достаточной точностью
Таблица 1
Обработка значений С(і) для апт-неокомских глин
t, лет 0.083 0.167 0.667 1.166 1.832 2.0
C(t), кг/см2 0.36 0.33 0.27 0.20 0.16 0.15
C0-C(t), кг/см2 0.07 0.10 0.16 0.23 0.27 0.28
t/(C0-C(t)) 1.186 1.67 4.169 5.07 6.785 7.143
Таблица 2
Обработка значений С(і) для келловейских глин
t, лет 0.25 0.75 1 1.25 1.67
C(t), кг/см2 0.72 0.38 0.33 0.32 0.28
C0-C(t), кг/см2 0.33 0.37 0.42 0.43 0.47
t/(C0-C(t)) 0.76 2.027 2.38 2.91 3.55
определять поверхности скольжения и геометрические параметры оползней в целом. Геометризация оползневых призм на основе аэро-фотограмметрического метода съемки дает возможность отказаться от трудоемких инструментальных маркшейдерских наблюдений по специально проектируемым и строящимся наблюдательным станциям.
Учитывая незначительное изменение величины угла внутреннего трения в процессе сдвига, используется формула в виде:
Се = с0 — (с0 - сда) ез.(Ез+ез)
где со — мгновенная (природная) прочность грунта на сдвиг; с — прочность грунта на сдвиг в момент времени нарушения устойчивости; Сда — длительная прочность; Тр — параметр длительной прочности.
Для обработки результатов инструментальных наблюдений за деформациями откосов и глинистых пород и определения скорости деформации сдвига используются зависимости, вытекающие из общего реологического уравнения состояния: ит/т = (1/пгК5 ; ир/т = (1/ПрК5
Рассмотрим результаты инструментальных наблюдений за смещениями реперов, заложенных по двум профильным линиям (рис. 1) на площадке уступа северного борта карьера Михайловского ГОКа, сложенного келловейскими глинами. На графиках смещений реперов во времени четко фиксируются моменты 1;т и 1р, что позволяет определить скорости смещений ур и ут. Построение кривых скольжения в массиве откоса производилась по методике ВНИ-МИ. Скорости деформации сдвига определялись для сходственных точек в пределах оползневых клиньев (профиль I — Яр = 6, профиль II — Яр = 7). Для определения параметров ползучести используем средние значе-
ния:
an=yh; cos2 а=4,5 10-2 МПа, ут = 7,853Ч0-1 мм/сут; ур = 2,771 мм/сут. С использованием графиков т = f(an, t) при an = 4,5-10-2 МПа получаем Тр=0,212 года=77,38 сут, Тт= Т^/tp = 30,46 сут, т0 = 8,8-10'2 МПа. т„ = 3,7-10-2 МПа и при т = 5,9-10-2 МПа. т = (т-т„)/(т0-т) = 0,76. Принимая параметр 5=1, получаем: 1/пТ = 17,5 МПа-1 (мм/сут); пТ = 0.57-10-2 МПа (сут/мм); 1/Пр = 61 МПа-1 (мм/сут); пр = 0.162-10'2 МПа (сут/мм). Для рассмотренного случая уТср = 7.853-10 мм/сут и урср = 2.771 мм/сут.
Полученные параметры использованы при расчетах по формуле U(t), теоретические значения которых показаны на графиках рис. 1 (а,б) (для Rp6 и Rp7). Значения полученных параметров следует уточнить, располагая данными наблюдений по реперам, размещаемым в пределах призмы оползания с интервалами 1—2 м как на площадке, так и в откосе уступа. Критические значения скорости смещения реперов, заложенных на расстоянии около 3,5 м от бровки уступа высотой 28—30 м, в келловейских глинах составляют ур = 2,8 мм/сут, урверт = 2,2 мм/сут, ургор= 1,69 мм/сут. Таким образом, дифференциация значений а для периодов t<tp(a = аТ) и t>tp(a = ар) обеспечивает хорошую сходимость (погрешность не превышает 5 %) расчетных и измеренных значений у^). Использование зависимостей позволяет определять критическую скорость деформаций пород в пределах оползневых тел или решать обратную задачу по установлению tp.
Достоверность получаемых из обратных расчетов данных может быть повышена на основе учета пространственного положения оползневого тела.
Использование предложенного П.Н. Панюко-вым [5] пространственно-геометри-ческого мето-
да в сочетании со способом многоугольника сил позволяет, в частности, выполнять расчеты при практически любой конфигурации поверхности скольжения, а также уточнить область применения плоской задачи об устойчивости откосов для обратных расчетов.
Предложенная МГГУ модификация про-
странственно-геометрического метода может ис-
1. Падуков В.А. Горная геомеханика. - Спб.:
Изд. СпбГИ, 1997.
2. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров
и отвалов. - М.: Недра, 1965.
3. Могилко А.Н., Куваев Н.Н. Определение длительной прочности пород методом обратных расчетов
пользоваться как для прогнозной оценки устойчивости откосов, так и для обработки материалов съемок оползней. В общем случае рекомендуется условно разбивать массив на продольные и поперечные блоки с учетом их веса Рбл .
Полученные результаты могут распространятся как на объект-аналог на бортовой массив карьера ЛГок.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
оползней // Уголь Украины. - 1969. - №11. - с. 19-21.
4. Тер-Степанян Г.И. Теория прогрессирующего разрушения в глинистых и скальных породах. - Ереван, изд-во АН АрмССР, 1975.
5. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Недра, 1978.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Панфилов А.Ю. - аспирант, Московский государственный горный университет. Ширяев Н.В. - АО «КМА Гидромеханизация».
------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ: Учебник для вузов. — 473 с.: ил.
КВЫ 5-7418-0228-1 (в пер.)
Рассмотрены природно-геологические и технологические факторы, определяющие состояние бортовых и отвальных массивов. Приведен анализ процессов нарушения устойчивости бортов карьеров, отвальных насыпей, дамб гидроотвалов и хвостохранилищ. Изложены теоретические основы прогноза геомеханических процессов в бортовых и отвальных массивах, инженерные методы расчета устойчивости карьерных откосов, описаны технологические и специальные мероприятия по направленному изменению состояния массива. Освещены вопросы геомеханического обоснования технологии формирования и рекультивации отвальных насыпей и намывных горно-технических сооружений с учетом требований обеспечения промышленной и экологической безопасности. Дана характеристика методов и средств геомеханического контроля на карьерах.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Горное дело».
УДК 622.015
--------Ф
^---------
