CC BY
10
the impact of seismic waves on the mountain range, including the development / / Notes of the Mining Institute. 2017. Vol. 226. Pp. 405-411.
622.271.45, 624.137
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА МАССИВНЫЕ ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ В УСЛОВИЯХ СЛАБОСВЯЗНЫХ ПОРОД
Д.А. Волков, В.И. Сарычев, В.П. Сафронов, М.В. Хмелевский
Предложены схема и метод построения призмы обрушения для слабосвязных пород внутренних отвалов при их взаимодействии с массивными подпорными стенками. Получены зависимости изменения площади поперечного сечения призмы обрушения от угла наклона поверхности отвала, угла заложения подпорной стенки, угла внутреннего трения пород отвала и угла трения пород о подпорную стенку. Установлены зависимости изменения давления на подпорную стенку от сцепления пород отвала.
Ключевые слова: внутренние отвалы, слабосвязанные породы, массивные подпорные стенки, призма обрушения, давление пород.
Вопросам исследования геомеханических процессов в песчано-глинистых отвалах вскрышных пород, а также их взаимодействия с ограждающими конструкциями для предотвращения оползневых и обвальных проявлений в условиях эксплуатации карьеров по добыче строительных материалов посвящены работы многих известных ученых [1 - 3, 7 - 9].
На основании полученных результатов был разработан ряд нормативных документов [4 - 6], направленных на оценку устойчивости бортов, откосов отвалов и уступов и проектирование ограждающих сооружений. Однако при определении конфигурации призм обрушения и давления на ограждающие конструкции, в частности на массивные подпорные стенки, задачи решались для условий сыпучей среды, которая характеризуется только углом внутреннего трения пород. При этом внутренние отвалы пес-чано-глинистых пород, находясь под постоянно увеличивающимся статическим давлением за счет роста объемов, в процессе их уплотнения переходят из состояния сыпучей среды к слабосвязной среде, устойчивость которой оценивается уже не только углом внутреннего трения ф, но и сцеплением С, что не нашло должного отражения в нормативной документации.
Анализ методов оценки устойчивости откосов отвалов из песчано-глинистых вскрышных пород и их взаимодействия с подпорными стенками показал [1, 4, 5, 7, 9], что на конфигурацию призмы обрушения в момент ее предельного равновесия оказывают влияние такие горнотехнические параметры, как угол наклона поверхности отвала а, угол наклона
подпорной стенки относительно вертикальной оси в, угол трения пород о подпорную стенку ф0. На основании данных параметров, а также угла внутреннего трения ф пород осуществляется построение призмы обрушения, сечение которой представляет собой треугольник (или клин) ЛБК. Главной задачей здесь является определение угла 0 (угла плоскости обрушения), который предлагается находить из наибольшего значения давления на подпорную стенку при условии отсутствия связности пород. Угол 0 находится по стандартной методике [1].
На рис. 1 представлена схема призмы обрушения, построение которой предложено для слабосвязной среды. При этом плоскость обрушения включает три основных участка: вертикальную трещину отрыва Л'Л', линию скольжения первого рода Л'Т и плоскость обрушения для сыпучих пород ТБ. На рис. 1 также отмечены высота подпорной стенки Н и глубина линии отрыва Н ^ о.
Рис. 1. Схема призмы обрушения
Для решения задачи определения конфигурации плоскости обрушения для связных пород используем следующие положения:
1) наличие сил сцепления формирует вертикальную плоскость (трещину) отрыва у поверхности отвала глубиной Н§ о =(2С/ у)<*в(45 -Ф/2);
2) под плоскостью отрыва возникают площадки скольжения, направленные под углом 45° -ф/2 к вертикальной плоскости, соответ-
ствующей направлению действия наибольших главных напряжений в массиве пород отвала;
3) криволинейная поверхность скольжения, характерная для сыпучей среды, заменяется на прямолинейную, наклоненную к горизонту под углом 0.
В итоге плоскость обрушения приобретает ломаное очертание А1А1 ТВ, а метод ее построения сводится к следующему:
определяется глубина вертикальной трещины отрыва Н ^0 и строится вертикаль АцА';
параллельно поверхности отвала АС проводится вспомогательная прямая А'С';
из точки В (основания стенки, или откоса) под углом 0 к горизонту проводится линия ВК, характеризующая плоскость обрушения для несвязных пород;
из точки А' под углом р = 45° + ф/2 до пересечения с линией обрушения проводится прямая А'Т;
из точки Т строится отрезок ТА1 до пересечения с А'С' под углом р к горизонтали и к точке Ац возводится вертикаль А' А}.
В результате сечение призмы обрушения представляется в виде многоугольника АВТА'А', площадь которого может быть больше или меньше площади сечения призмы обрушения для сыпучих пород, что определяется величиной углов р и 0, последний из которых зависит от углов а, в, ф и ф0.
На рис. 2, 3 приведены зависимости изменения площади поперечного сечения призмы обрушения, формирующей давление на подпорную стенку (в расчетах принята высота стенки Н = 10 м, сцепление С = 6 кПа, объемный вес пород отвала у = 18 кН/м ). Моделирование проводилось для 4 геомеханических ситуаций, каждая из которых характеризуется следующим набором данных: а) а = 0 ^ 18°; в = 0° (вертикальная стенка); ф = 20°; Фо = 10° (для поверхностей средней шероховатости принимается равным половине угла внутреннего трения); б) а = 0°; в = -30 ^ 30°; ф = 20°; Ф0 = 10°; в) а = 0°; в = 0°; ф = 15 ^ 30° (диапазон характерен для песчано-глинистых грунтов отвалов); ф0 = 10°; г) а = 0°; в = 0°; Ф = 20°;
Ф0 = 0 ^ 20° (диапазон от гладкой стенки до стенки с повышенной шероховатостью). Приведенные зависимости показывают, что формирование плоскости обрушения по предложенному методу практически во всех ситуациях уменьшает площадь поперечного сечения призмы обрушения, что ведет соответственно к снижению давления на подпорные стенки.
В общем случае, для сыпучей (несвязной) среды давление обруша-ющихся пород на подпорную стенку находится из выражения [1]
sin (0 - ф)
E = G
^сып исып ■ ( ъ V
sin (^ + 0 - ф)
(1)
где у = 90° - р-ф0; ^сып ав^ - вес призмы обрушения для сыпучей среды ( 5двк - площадь поперечного сечения призмы обрушения несвязных пород).
а
S ,м
140 120 100 80 60 40 20 0
10 12 14 16 а, град
б
-тв- с 2 S, м
1___
2 30 20
-30
-20
-10
10
20 р, град
Рис. 2. Изменение площади сечения призмы обрушения для сыпучих (1) и для связных (2) пород в зависимости
от угла а (а) и в (б)
0
2
4
6
8
0
При переходе к расчету давления в условиях слабосвязных пород необходимо учитывать уже вес призмы обрушения Осв п в рамках площади АВТА1А!, т.е. Осв.п = У^АВТА1А1 . Тогда
Е = „ 8Ш (0-ф) ...
^св.п ^св.п ■ ( г. У^у
Б1П(у + 0 - ф)
На основании полученного значения давления строится эпюра нагрузки (напряжений), представляющая собой треугольник с максимальным значением ^тах в основании стенки, которое может быть найдено из выражения
^тах = 2Есв.п/Н. (3)
б
Рис. 3. Изменение площади сечения призмы обрушения для сыпучих (1) и для связных (2) пород в зависимости от угла ф (а) и ф0 (б)
Известно [9], что наличие сил сцепления предполагает учет всестороннего равномерного давления связности рсц, противоположно направ-
ленного по отношению к активному давлению пород. Таким образом, сцепление уменьшает боковое давление по всей высоте подпорной стенки. Исходя из этого, до определенной глубины суммарное давление будет равно 0. Данная глубина соответствует высоте линии отрыва Н ^ 0. На основании подобия эпюр нагрузки запишем уравнение для определения рсц:
Н
Рсц =
8 0
Н
^шах ■
(4)
В итоге активное давление связных пород на подпорную стенку будет определяться по формуле
=1 (.
Е,
сц
г шах
рсц )(Н - Н80 )•
(5)
На рис. 4 в качестве примера при а = 5°, в = 10°, ф = 20°, фо = 10° и Н = 10 м приведены характерные зависимости изменения давления слабосвязанных пород отвала на подпорную стенку без учета (1) и с учетом (2) давления связности.
Е, кН/м
450 400 350 300 250
1
2
10
15
20
25 С, кПа
0
5
Рис. 4. Зависимости изменения максимального давления пород отвала на подпорную стенку от сцепления
Приведенные зависимости показывают о существенном снижении давления на подпорные стенки (в 1,23 - 1,29 раза) в условиях слабосвязанных песчано-глинистых вскрышных пород при учете сцепления. Полученные результаты в качестве прогнозных значений нагрузки позволяют производить обоснование конструкции и параметров массивных подпорных стенок для предотвращения оползневых явлений на внутренних отвалах.
Список литературы
1. Жемочкин Б.Н., Пащевский Д.П. Курс строительной механики. Ч. III. Статика сооружений. М.: Госстройиздат, 1959. 335 с.
2. Механика грунтов, основания и фундаменты : учеб. пособие для строит. спец. вузов / С.Б. Ухов [и др.]; под ред. С.Б. Ухова. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 566 с.
3. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика: учебник для вузов. М.: МГГУ, 2005. 438 с.
4. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. Санкт-Петербург, 1998. 208 с. (Минтопэнерго РФ. РАН. Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела - Межотраслевой науч. центр ВНИМИ).
5. Проектирование подпорных стен и стен подвалов. Справочное пособие к СНиП 2.09.03-85. М.: Стройиздат, 1990.
6. СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий / Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2006. 66 с.
7. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ФизМатГИз, 1960. 241 с.
8. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. М.: Недра, 1974. 208 с.
9. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): учебник для строит. вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1983. 288 с.
Волков Дмитрий Александрович, директор по минеральным ресурсам и горным работам, d.volkov@,akkermann.ru, Россия, Оренбургская обл., Новотроицк, AKKER-MANNcement,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, доц., проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, доц., проф., viksafronov@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелевский Максим Викторович, инженер, Sarychevy@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEATURES OF PRESSURE FORMA TION ON MASSIVE RETAINING WALLS IN CONDITIONS OF WEAKLY CONNECTED ROCKS
D. A. Volkov, V. I. Sarychev, V. P. Safronov, M. V. Khmelevsky
A scheme and method for constructing a collapse prism for loosely connected rocks of internal dumps in their interaction with massive retaining walls are proposed. The dependences of the change in the cross-sectional area of the collapse prism on the slope angle of the blade surface, the angle of laying the retaining wall, the angle of internal friction of the blade
rocks and the angle of friction of rocks against the retaining wall are obtained. The dependence of the pressure change on the retaining wall on the adhesion of the dump rocks is established.
Key words: internal dumps, weakly connected rocks, massive retaining walls, collapse prism, rock pressure.
Volkov Dmitry Alexandrovich, director of mineral resources and mining works, d. volkov@akkermann. ru, Russia, Orenburg region, Novotroitsk, AKKERMANNce-ment,
Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, associate professor, professor, Sarychevy@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, associate professor, professor, viksafronov@,list. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khmelevsky Maxim Viktorovich, engineer, Sarychevy@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Semochkin B. N., Padewski D. P. the Course of structural mechanics. Part III. Static structures. Moscow : Gosstroiizdat, 1959. 335 PP.
2. Soil mechanics, foundations and foundations: a tutorial for builds. spets. universities / S. B. Ukhov, V. V. Semenov, V. V. Znamensky, etc.; edited by S. B. Ukhov. 2nd edition, revised and expanded. Moscow: Higher school, 2002. 566 PP.
3. Pevsner M. E., Iofis M. A., Popov V. N. Geomechanics: textbook for universities. Moscow : Moscow state mining University, 2005. 438 PP.
4. Rules for ensuring the stability of slopes in coal mines. Saint Petersburg, 1998. 208 p. (Ministry of fuel and energy of the Russian Federation. RAS. State research Institute Gorn. geomech. and the mine survey. business-cross-Industry research. VNIMI center).
5. Design of retaining walls and basement walls. Reference guide to SNiP 2.09.0385. Moscow: Stroizdat, 1990.
6. SNiP 2.09.03-85. Structures of industrial enterprises / Gosstroy of Russia. Moscow: FSUE tspp, 2006. 66 p.
7. Sokolovsky, V. V., Statics of granular medium. 3rd edition, revised and expanded. Moscow: Fizmatgiz, 1960. 241 PP.
8. Fisenko G. L., Revazov M. A., Galustyan E. L. Strengthening of slopes in quarries. Moscow: Nedra, 1974. 208 PP.
9. Tsytovich N. A. soil Mechanics (short course): textbook for construction universities. 4th edition, revised and expanded. Moscow: <url>. SHK., 1983. 288 PP.
