CC BY
30
© С.А. Пуневский, М.А. Лазарева, М.Н. Тавостин, 2006
УДК 624.131.438.002.56
С.А. Пуневский, М.А. Лазарева, М.Н. Тавостин РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОГЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ГИДРООТВАЛА «БЕРЕЗОВЫЙ ЛОГ»
НА ПРИБОРЕ КОМПРЕССИОННОГО ТИПА СТАБИЛОМЕТРЕ УСВ-2
Семинар № 1
ТУ учебно-исследовательском
■М-М центре «Геомеханика» при МГГУ были проведены экспериментальные исследования прочностных свойств намывных отложений, глинистомелового состава, гидроотвала «Березовый Лог» с глубин от 12 до 20 м. Целью исследования было определение показателей паспорта прочности (с учетом влияния порового давления): угла внутреннего трения - ф и коэффициента сцепления - с.
Экспериментальные исследования проводились на приборе компрессионного типа УСВ-2 (универсальный ста-билометр ВИОГЕМ конструкции Н.П.Верещагина), на образцах цилиндрической формы. Этот прибор предназначен для определения комплекса механических и филь-трационных характеристик связных и сыпучих пород в условиях трехосного напряженного состояния. При-бор позволяет варьировать значения главных напряжений Р2, Рх, Ру и порового давления Ри, а соответственно и моделировать условия напряженно-деформированного со-
стояния породного массива в откосах карьеров и отвалов, при проведении горных работ.
Установка УСВ-2 представляет собой гидравлическую камеру, в которой вертикальное давление Р2 создается
верхним поршнем (диаметр 5 см) при помощи рычажного механизма. Боковое давление Рху производится при помощи рабочей жидкости (глицерин, дистиллированная вода и т.д.). Поровое давление создается в торцах верхнего и нижнего поршня, при помощи гидравлических нагнетателей или под воздействием вертикальной деформации образца.
Рекомендуемое отношение диаметра образца к его высоте необходимо выдерживать 1:2, при этом диаметр образца должен соответствовать диаметру поршней. В данном эксперименте использовались образцы высотой 10 см и диаметром 5 см. Обязательным условием испытаний является наличие эластичной водонепроницаемой оболочки, изолирующей образец от рабочей жидкости, создающей боковое давление. Методика проведения опыта предусматривает сжатие образца без возможности бокового расширения, т. е. условие компрессии.
Испытуемые образцы были разделены на две категории. Первая категория это пробы, взятые с глубины от 12 до 15 м, вторая от 15 до 20 м. Образцы доводились до полной консолидации при ограничении бокового расширении под бытовыми нагрузками равными 1,4 и 1,7 кг/см2 соответственно.
После предварительного уплотнения под бытовыми нагрузками образцы догружались в диапазоне АРг = 1-4 кг/см2 (0.1-0.4 МПа), имитирующем приложение внешней нагрузки к намывному основанию. Приложение нагрузки осуществлялось ступенчато через равные промежутки времени, с одновременным увеличением бокового давления, соответствующее величине прикладываемой нагрузке Рг. Затем производилось быстрое разрушение образца по закрытой схеме (без оттока воды из образца) уменьшением бокового давления Рху при постоянной вертикальной нагрузке Рг.
Испытания проводились по закрытой и открытой схеме. Закрытая схема моделирует работу массива при быстром росте нагрузки и затрудненной фильтрации, т.е. в наиболее тяжелых условиях. Поровое давление достигает максимального значения и остается постоянным. Определения по закрытой схеме дают самое низкое расположение предельной огибающей Мора, т.е. наименьшие значения характеристик прочности. При проектировании по этим характеристикам обеспечивается устойчивость сооружения в самых опасных условиях нагружения.
Открытая схема воспроизводит условия работы грунта при хорошем дренировании и медленном росте нагрузки. В этих условиях возникающее поровое давление в начале достигает максимума, а далее сравнительно быстро рассеивается и вся нагрузка воспринимается практически скелетом грунта (эффективный сдвиг). Испытания по открытой схеме дают наиболее высокие показатели прочности грунта. Открытая схема позволяет получать данные об изменениях объема грунта в процессе опыта. Проведение испытаний по открытой схеме вследствие длительности процесса консолидации требует значи-
тельно больших затрат времени, чем испытания по закрытой схеме. Скорость проведения таких испытаний определяется водопроницаемостью исследуемых грунтов. Испытания по закрытой и открытой схемам определяют соответственно нижнюю и верхнюю границы области возможных положений предельной огибающей.
В процессе экспериментов измерялись следующие величины:
1- боковое давление Рху (по манометрам)
2- поровое давление Ри (по манометрам)
3- осевая деформация £1 (по индикаторам часового типа ИЧ-10).
Поскольку измерения этих величин необходимо осуществлять в длительном режиме, в т.ч. ночное время, для удобства и точности измерений нами был использован компьютерно-изме-
рительный комплекс СИИТ-2, который автоматически производил снятие показаний в течение всего опыта, через заданный промежуток времени. Измерения производились специальными тензодатчиками, работающими параллельно с вышеперечисленными измерительными приборами. Компьютерноизмерительный комплекс СИИТ-2 способен производить снятие показаний датчиков через любой заданный промежуток времени, что позволило определять время полной консолидации испытуемого образца, а также фиксировать все изменения порового давления на протяжении всего эксперимента. Считывание показаний производилось: на начальном этапе эксперимента через 510 секунд, по истечению нескольких часов 600-1200 секунд, в процессе догружения 5-10 секунд и в момент разрушения 1-2 секунды. Измерение через 1-2 секунды при разрушении дало возмож-
График сопротивления сдвигу намьівньіХ(отложений в эффек-
Ри(Ц
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
t,ч рис 1
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1,4 рис 2
ность точно определить точку разрушения образца.
Наличие большого количества точек позволило построить практически непрерывные графики зависимостей: по-рового давления от времени, вертикальной деформации от времени и график разрушения образца, с помощью которого определялась критическая точка, по которой производилось построение паспорта прочности. Достоинство использования комплекса СИИТ-2 заключается в непрерывном наблюдении эксперимента на всем протяжении, а так же
ДИ (1:)
16
14
12
10
5
8
-С
< 6
4
2 ■] ■
0«-------------------------------------------------------------------
0 10 20 30 40 50
1,4
рис 3
точного определения точки разрушения за счет большой частоты измерения.
На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости порового давления Ри от времени для разных экспериментов. Рис. 1 соответствует изменению порового давления Ри в закрытой системе, второй в открытой под бытовой нагрузкой = 1,7 кг/см2.
На рис. 3 представлен график изменения вертикальной деформации образца на протяжении всего процесса уплотнения, под бытовыми нагрузками.
На рис. 4 представлена диаграмма
Диаграмма разрушения
(Рг-Рху), кг/см2 рис 4
разрушения образца, по которой определялась критическая точка, с помощью которой производилось построение паспорта прочности испытуемого материала.
По результатам испытаний построен график зависимости т = Г(о), с помощью которого были определены показатели паспорта прочности (с и ф) (рис. 5).
Определение параметров паспорта прочности позволяет оценить несущую способность намывного массива, слагаемого испытуемым грунтом. Целью расчетов по несущей способности является обеспечение прочности и устойчивости основания горнотехнического сооружения. Основываясь на результатах трехосных испытаний глинисто-ме-ловых отложений третей секции гидроотвала «Березовый Лог» оценивалась не-сущая способность намывного массива.
Установлено, что для всей третьей секции площадью около 200 га, несущая способность глинисто-меловых отложений превышает 2 кг/см2. Это позволяет рассмотреть возможности формирования
сухого отвала скальной вскрыши высотой 20-25 м на намывном основании.
Основным преимуществом трехосных испытаний перед другими методами лабораторных испытаний сопротивления грунтов сдвигу является возможность более правильного воспроизведения природного напряженного состояния грунта и условий его работы в сооружениях. При трехосном сжатии на образец грунта действует не только вертикальная нагрузка, но и боковые нагрузки. Весьма существенным является возможность измерения порового давления, возникающего в процессе нагружения и изменяющегося во времени. Трехосное сжатие является единственным методом, позволяющим испытывать грунт по закрытой системе, т. е. без оттока воды из образца в процессе опыта, а также с определением объема отжимаемой из образца воды. Возможность измерения порового давления для каждого испытания позволяет построить предельную огибающую Мора в эффективных напряжениях.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Пуневский С.А. - аспирант, кафедра геологии, Московский государственный горный университет,
Лазарева М.А. - студентка 5-го курса кафедры ФГП, Московский государственный горный университет,
Тавостин М.Н. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией “Изучения механических свойств горных пород” ООО “Подземгазпром”.
