Метод экспериментальной оценки устойчивости подземных выработок в трещиноватых скальных массивах на физических моделях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ



На правах рукописи

УРУСТЕМБЕКОВ Багышбек Айнабековнч

МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ П0ДЗЕШ1ЫХ ВЫРАБОТОК В ТРЕЩИНОВАТЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ НА ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

01.02,07 - Мэхашпса сиоучих тел, грунтов и горпих пород

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой стогопи кандидата технических паук

Москва - 1996

Работа выполнена в лаборатории геотехнических исследований отдела подземных сооружений АО "НИИ энергетических сооружений" РАО'"ЕЭС России"

Научный руководитель:

Официальные оппонента:

Ведущая организация

.- член - корр. МИД, доктор технических наук, профессор П.К.Зарвщшй

- доктор технических наук старший научный сотрудник Е.М.Шафарешсо

- кандидат технических наук, доцент В.Н.Бурлаков

"Институт Гидросшцпроект"

Заащта состоится 193^ г. в " ¿5"" час',

на заседании диссертационного совета Д.053Л1.05 при Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, ул. Спартаковская, д.2, ауд.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НГСУ.

Автореферат разослан *<£1г М^У^Л 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

профессор А.Л.КриЕаяэвский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_тэта. Подземные выработки гидротехнических сооружений в большинстве .случаев строятся в скальных массивах, находящихся в сложных ишзнерно - геологических условиях. Уникальность и ответственность строптольства подземных машзалов ГЭС и других подземных большепролетных сооружений предъявляют повышешше требования к методам оцонки их устойчивости в период проектирования а строительства. ' Для оценки устойчивости подземных сооружений, расположенных в скальных трещиноватых ■ массивах, необходимо детальное исследования влияния различных факторов трещяковатости. Блочно-слоистая структурэ скального массива, рассеченного системами трещин различных порядков приводит к большой степени неопределенности при назначений прочности и деформационных характеристик массива. Полоаание осложняется тагсяз и том, что механические показатели лабораторных образцов скальных пород существенно отличаются от соответствующих характеристик массива. Поэтов вопрос о методах оценки механических характеристик скального массива с учетом особенностей структурного строения является актуальным при решении инженерных задач- по оценке устойчивости подземных выработок.

В настоящео время-оценка устойчивости подземных выработок ведется с помощью натурных наблндений, расчэтно- аналитическим путем и методами моделирования. Необходимым условием решения шшэнерных задач является создание и применение геомеханических моделей, учитывающих блочно-слоистое строение трещиноватого скального массива для первичной оценки деформируемости, а также для разработки систем наблюдений за деформационными процессами в массива. В связи с этим представленная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию устойчивости подземных выработок гидротехнических сооружений в трещиноватых скальных массивах на физических моделях.

Цель работа заключается в экспериментальном исследовании прочностных и деформационных характеристик трещиноватых скальных массивов вмещающих подземные выработки с учетом угла .напластования системы сплошных трещин и работы единичных трещин с различной морфологией контактных поверхностей, а также устойчивости подземных выработок на физических моделях.

Для достижения 'указанной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

- Выбор методики моделирования трещиноватой скальной среды, подбор фазико-мохапичесюас характеристик эквивалентных материалов в соответствен с теорией моделирования.

- Разработка экспериментальной установки. для проведения модельных испытаний из структурных блоков при различных'орион- ' тзцпях системы троцип к направлении действующих главных напряжений в условиях плоского напряженного состояния.

- Экспериментальное исследование изменения параметров сопротивляемости сдвигу по скалышм трещинам при различных условиях шероховатости контактной поверхности.

- Проведение крупномасштабных геомехашчсских испытаний па модельном стенда для оценки устойчивости подземных выработок, расположенных в скальных массивах блочной структура с учетам геостатического напряженного состояния в массиве.

Научная ..новпоча работы состоит в следулцем:

1. На оснований получению: результатов модельных испытаний установлена закономерность изменения прочностных и деформационных 'характеристик чрэьдаоватого скального массива в зависимости от ориентации напластования системы сплошных трошда.

2. Определена степень влияния шероховатости поверхности трещин на параметры сопротивляемости сдвигу при', значительных

' относительных смещениях.

3. Экспериментально установлено влияние характера геостатического напряженного состояния трещиноватого скального массива на устойчивость подземных выработок.

Практическое„значение дассертационной работы закличаатся в том, что полученные результата экспериментальных испытаний на . физических моделях и расчет методом конечных элементов (?,КЭ) позволяют более обоснованно применять различные строительные и технологические мероприятия с учетом структурных особенностей - трещиноватого скального массива при проектировании .подземных выработок. '•

Результаты ' испытаний - использованы при прогнозе деформируемости трещиноватого массива Рогунской ГЭС в 19Э1 г. и при оценке устойчивости подземных выработок гидроузла Яли (Вьетнам) в 1934 г.

Апробация работа...тт.публикации. Осповнио положения диссертационной работа докладшзалпсь па научпо - практической л научно - методической ксн^решдил ?,»лодах: учзтн. (Москва, 1993), региональной научно-методической кспфоротщи (Каратау, 1993), меэдупородаоа научно-технической конференций(Актау,I39S), заседании ССКЦИИ rpyiITOElJX И подземных сооружений Учоного СОВО'ГО АО 1ПИЭ0 (Москва, I99S).

0снов1шэ результаты диссертационной работа нздожепи в 5 публикациях автора.

На..защиту 1йшюсятся...сл9.г[у,щив..ос1Юготс1_,полоаапия;

Х.'йтодяка и результаты модельных экспериментальных исследований устойчивости подземных выработок в трещшюватнх скальных массивах методом физического моделирования.

2. Закономерности шшпил угла напластования системы трощиц па механической поведение скального трещиноватого массива блочпо-слоистой структуры.

3. Методика и результата сдоигомга испытаний по скальным тр&гдоам с различной шероховатостью контактной поверхности при значительных относительгшх смещениях.

Обьпм работы. Диссортация состоит из введения, пятя глав, общих синодов и списка литературы из 125 наименований и включает IG4 страницы, из них 0G страниц мошноописного текста, 73 иллюстрации и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность теми, кратко изложено состояние вопроса, показаны научная новизна п практическое значение голучошгнх результатов, 'сформулированы основные положения, выдвигаемые на защиту.

В.петтоа. ..глава приводен обзор и сдолзп анализ современного состояния вопроса исследований устойчивости подземных выработок в скальных трещиноватых массивах. Рассмотрены метода оценки устойчивости подземных выработок и показано влияние трещд-поватоста на характер изменения напряженно - деформпровашгаго состояния скального массива, вмещающего подземные выработки гидротехнических с сюру линий.

Оценка устойчивости подземных выработок, располоавгашх в скальных трещиноватых массивах, осуществляется па основе анализа напря.то!шо-доформировашюго состошшя с учетом струк-

турпых особенностей трещиноватого t лас сива. Как известно, механизм разрушения трещиноватого массива в значительной стенопа зависит от прочности связей -структурных элементов, слагающих массив, 'гак как она существенно наге прочности самих элементов. Поэтому прочность скального массива рассматривается в зависимости от степени его трещиноватости и неоднородности.

Исследованиям влияния трещиноватости па механическое поведение скального массива посвящены работы O.E.Чиркова, D.M. •Лпбормэна, Г.Л.Фисзпко, Э.Г.Газиева, С.В.Ухова, Г.Н.Кузнецова, А.А.Борисова, Р.А.Ширяева, К.Иона,Л.Мкшлера и других ученых.

Системная трзщиноватость и слоистость скальных массивов приводят к необходимости рассмотрения je как неоднородных анизотропных сред. Исследования Э.Г.Газиева, В.И.Речищсого и других показывает что распределения напряжений и деформаций, а такзе кинематика разрушения в таких средах качественно отличаются от изотропных сред. Линий равных напряжений приобретают характерную "х-рибообраздув". форму, • трансформирующуюся в зависимости от утла напластования трещал и слоев. При этом,как показали"экспериментальные исследования, выполненные на блочно-слоистых моделях А.Д.Борисовым, Г.Н.КузгоцоЕим, Р.А.Ширяевы;.!, 'С.Е.Чирковым, К.В.Ионом важной особенностью механических процессов, протекающих в таил средах, является их повышенная деформируемость. Это происходит.за счет перемещения контактных поверхностей трещин. Возможность скольжения и поворота по контактам структурных блоков приводит' к изменению общего характера разрушения.

. В диссертации рассматривались два вида нарушений сплошности скального массива, вшщашцэго подземные выработки:' I) массив-разбит системами трещин различной ориентации и представляет собой блочно-слоистув структуру,-2) в сплошном массиве проходят единичные трещины, имеющие различную морфологию контакта поверхностей.

В нервом случае наличие системной трещиноватости превращает массив скальпах пород в анизотропную среду, имеющую неодинаковые 1фочшстно-деформационпые свойства в зависимости от расположения системы трещин.

Исследования влияния характера трещиноватости на деформирование и разрушило скальных пород на моделях из эквивалентных материалов проводились Г.Н.Кузнецовшл, Д.Н.Кимом, P.A.

Ширяевым, К.В.Ионом и на структурно-породных образцах С.Е.Чир-ковнм, В.В.Кузевановым, В.Л.Коршуновым, В.С.Брауном. Однако различие ттятттпг о степени влияния макротрещиноватостя не позволяет адекватно оценивать механическое поведения массива в зависимости от угла расположения системы напластования трещин.

Во втором случае значительные деформации в скальном массиве происходят по поверхностям ослаблений; при наличии скольжения по сквозной трещине на параметры сопротивляемости сдвигу существенное влияние оказывает шероховатость контактной поверхности трещины.

Исследования прочности и деформируемости единичных трещин и их влияния на параметры прочности скального массива изложены в работах П.Д.Евдокимова,Э.Г.Газиева, С.Б.Ухова, В.Н.Бурлакова С.Е.Могилевской, Ю.А.Фишмана, Н.Бартона, Д.Паттона и др. Известно, что сопротивляемость сдвигу по шероховатым трещинам а определяется модифицированной зависимостью Нора-Кулона

1 = сг„хЧ?(фтр+ <Й ' (I)

где ф^- угол поверхностного трения и Ы - угол наклона между средней плоскостью трещины и Неровностями. Опыты ряда авторов показали, что угол с* отражает эффект далатансии при сдвиге и зависит от нормального давления о^. При атом ' учет влияния шероховатости трещин па параметры сдвиговой прочности осуществляется двумя "путями: либо на основа обработки измеренных углов наклона выступов с последующим усреднением методом 'математической корреляций и построением профплограмм поверхности трещин (С.Е.Могилевская, Э.Г.Газиов, Н.Репгерс и др.), либо па основе проведенных сдвиговых испытаний в полевых пли лабораторных условиях (С.Б.Ухов, В.Н.Бурлаков, ¿..¿.Никитина, Г.Джегер и др.). В обоих случаях учитывается влияние шероховатости па предельное сопротивление сдвигу т! При значительных относительных смещениях поверхности трещин разрушение и раздробление выступов на поверхности трещины приводит к значительному снижению угла наклона <£. При атом вызываемые дала-тансией нормальные к плоскости трещины перемещения могут изменить напряженное состояние в скальном массиве. Поэтому исследование характера разрушения шероховатых трецин при 'Значительных относительных смещениях является р.азпшм при оценке устойчивости скального массива.

В первой главе диссертации также рассмотрены вопросы по

- b -

обеспечению устойчивости подземных выработок в скальных трещиноватых массивах. Процессы деформаций, перемещений и разрушений скального массива вблизи выработок ранее были исследованы недостаточно, а большинство теорий горного давления были разработаны лазь применительно к сыпучим материалам с последующей модификацией да других горных пород. При проектирований кроной гидротехнических сооружений и других подземных выработок М.М.Протодьяконовым рассмотрена схема воздействии горного давления для услоттй "сводообрдзованил", затем формаллзовашшх к нормативных документах. Согласно этой схош над выработкой образуется . вывал, верхняя граница которого имеет параболическое очортапие и носит название"свода давления"

В цровэдошшх модельных исследованиях Г.Н.Кузнецова и A.A. Борисова зсна разрушений для трещиноватой среды ■ имела Фор;ду трапеции, а не свода, в зависимости от наклона систош трест«®. Согласно данным исследований Е.М. Пепсина, С.Н.Чорвшазва, М.В.Раца, С.Е.Хочшова и датах авторов, образованно вывалов над выработкой зависит от ряда таких факторов, как залегание пластов, наличие блочности, размори блоков, характер нарушений поверхностей ослабления и размори пролета и т.п. Указанные факторы наиболее полно учитывает. обобщенная формула В.М. Мосткова, позволяющая определить высоту ooxni нарушенных пород над выработкой '»СЦр. Согласно отой формула

"выр кнар2 U Eup где пролет выработка к дар=(Х-1)/2»к ф - коаффиционт

варуиошоста скального массивам ф- параметр учитавандей форму

выработки, X - коэффициент, принимаемый в зависимости от угла

трения фТр и безразмерного параметра C/'ß (здесь С -сцепление,

Н - глубина заложения выработки, 7 - плотность порода).

Вмосто с тем, как показала наши исследования, па коэффициент ^нар' ^Р^ с указанными факторами трещгоюватости, влияегг '.такав характер геостатичоского напряженного состояния и размеры бзюков массива. Оценка устойчивости подземных вырзботок в зависимости от характера геостатического напряженного состоя-пил а особенностей блочно-слоистого строения скального массива в настоящей работа исследована с использованием метода моделирования. Приведен обзор методов физического моделирования и их практического применения при проектировании и строительстве подземных сооруЕений. Отмочено в частности, что применение

методов физического моделирования в процессе проектирования подземных сооружений позволяет сократить объем сложных, длителышх, п дорогостоящих работ по испытании опытпых выработок в натурных условиях, уточппть расчетные схемы и обосновать конструктивные и технологические решения.

Изложенные в первой главе диссертации материалы позволил сфар^лировать цель и задачи настоящей-работа.

Во второй .глаш рассмотрены вопросы физического моде-'пгро-вашл, подбора основных физико - мохатгсоских характеристик материалов а такяо методика создания структурной физической модели скального трещиноватого массива.

В основу составления госмоханичсской модели закладывается, кок правило, щсгенорпо-гоологическая схема массива, полученная по датшм изысканий. Основы игеитерно - геологической схема-■газацта заложены в работах М.В.ГоовскогоД.М.Гуроева, Л.И. Нейштздт, Н.И.Маслова, Л.Мюллера и Д.Крсмаисвичэ. Известен достаточно широ:птй класс физических моделей из эквивалентных материалов, применяемых при проведении экспериментальных исследований. Фязпчеаае модели скального массива различаются по масштабу, типу материалов, степени схематизации ипженерпо-гоологнчоскях параметров, и классу моделируемых процессов а зависимости от задач исследований.

Создание структурной физической модели (из эквивалентных материалов) на осиово геомоханической схош осуществляется на основе теорда подобия, разработанной в трудах M.D.Кирпичева, JI.II.Седова, А.Г.Назарова, Г.Н.Кузнецова и др. Приложение общих выводов теории подобия к моделированию процессов деформации и разрушения скальных массивов обосновапо в трудах Д.Д.Сапешш, В. М. Мо сткова,Э.Г.Газпева,Р.Л.Ширяева,К.В.Иона,Д.Миловановича, при этом показано, что структурные модели, эломепты которых изготовлены из эквивалентных материалов с соблюдением подобия свойств пород, позволяют исследовать влияние характеристик породных блоков па моханичоское поеодошш скального массива.

При исследовании процессов разрушения на структурных физических моделях ип эквивалентных материалов главным требованием япляотся условий подобий кэханичосгаа констант прочности. ■ При этом подбор основтп физико-механических характеристик эквивалентного материала, обеспечивающего подобие механических процессов в модели, производятся по формуле, отражающей общий

- Хи -

закон механического подобия Ньютона для случал совместного действия сил тяжести и возникавших внутренних напряжений в массиве пород, 01фуясающих выработку, а именно)

а = р х \ (3 )

где а =»'м/ми - масштаб напряжений или величин, имеющих размерность напряжений модели ("м") и натуры ("п")/ р =*1м/1-н - геометрический масштаб (£м,Цм -линейные размеры модели И натуры), Л.=7м/тн - масштаб обьемшх весов материалов модели и натуры.

Для воспроизведения заданной структуры скального массива на модельном стенде в соответствии со схемой трещиноватости и характера блочности.бшщ изготовлены специальные формы таким образом, чтобы грани отдельных элементов слагающих модельный массив соответствовали характеру напластования, а схема сборки обеспечивала заданные параметры системы трещин. Сборка модели осуществлялась на специальном основании, при . этом вааное зпачение имело совладение условий контактных поверхностей по трещинам, шероховатости и свойств заполнителей. Величины параметров сдвига по трещинам* определялись сдвиговыми испытаниями по схеме "плашка по плашке". Методика и результаты сдвиговых испытаний при различной шероховатости контактной поверхности приведена в третьей главе диссертации.

При созданий модельпого массива таете учитывалось влияние условий структурных ослаблений, связанных с формой разрушения блочной среда и характером напряженного состояния. Поэтому были проведены специальные испытания на экспериментальной установке модельного блока¿представлявшего в заданном масштабе фрагмент скального трещиноватого массива. Описание экспериментальной установки и методика проведения зтих испытаний приводится в четвертой главе диссертации.

В .третьей главе дан краткий обзор и анализ методов учета влияния шероховатости контактной поверхности при сдвиге да скальным трещинам. Приведено описание сдвиговых приборов, методики и результатов экспериментальных исследований параметров прочности трещин при сдвиге по контактной поверхности с разной степенью шероховатости.

Исследования« прочности трещин на сдвиг и раскрытии роли факторов, определяющих условия' работы скальных пород по трещинам, посвящены работы П.Д.Евдокимова, Д.Д.Сапегина, С.А.Роза, С.В.Ухова, С.Е.Могилевской, Э.Г.Газиева, Ы.Н.ГольдптеЯна, Ю.Д.

Фшпманв, М.Г.Зерцалова, И.Б.Мгалобвлопа, Р.Гудмапа,С.Бапдиса, Д.Паттона и других авторов. Отмечено что, при исследовании механического поведения трещиноватого массива особое внимание уделяется изучении характеристик существующих трещин. Шероховатость коптактных поверхностей в условиях сдвига приводит вследствие проявления дилатансиа к изменении объема скального массива и сдвиговой прочности трещины.

Метода учета днлатансии при сдвиге изложены в работах Э.Г.Газиева, С.Е.Могалевской, С.Б.Ухова, В.Н.Бурлакова, A.A. Никитина, Н.Шнейдера,Г.Дхегера.Н.Бартопа,Б.Ладаньи.Д.Паттона. Автором проведен анализ зависимостей для определоштл предельных касательных напряжений с учетом дилатапсш, предложенных указанными выше авторами. Отмечено что, при использовании расчетных методов оценки устойчивости учет дилатансии осуществляется путем замены реальной шероховатости контактов поверхности регулярного профиля. При этом предполагается, что при твкой замене происходит идентичное влияние дилатансии па сдвиговые процессы в массиве.

При оценке характера шероховатости трещин используется методика измерения поверхности Ренгерса 'путем построения прбфилогра'лм с их последующей детальной математической обработкой. В исследованиях С.Е.Могилевской вид шероховатости трещин уставовливаетсл в зависимости от угла поверхностного трения ф^ При этом о пределах одного порядка неровностей определенного типа трещин средние утлы наклопа сохраняется приблизительно одинаковыми. Также, согласно данным Бартона, величина ф^ изменяется в основном в пределах от 10 до 35°. В зависимости от качества поверхности, трещины сдвига разделяются па три вида: шероховато-волнистые (аср= 20°), волнистые (аср=Ю°) и пло исто (аср=5°).

На основе предложенной классификации повврхпосгл трещип, позволяющей задзвать необходимую ивроховатость трещины, проведена экспериментальная проверка возмо:шоста замены реальной шероховатости на эквивалентную п исслодован характер разрупеяил выступов норовностей при значителышх касательпых смещениях.

Экспериментальные испытания включали! I) исследование влияние йероховатости путем проведения сдвиговых испытаний при заданных .значениях угла на&лона выступов а, составляющих 15,30,60°, 2) исследование характера изменения прочности и деформкруо-

моста по коптактпой поверхности трощкп в 'широком диапазоне величин сдвига при заданной шероховатости ¿ср,равной 10°.

В качество материала искуствошшх образцов использован гипс при различных соотношениях с водой и незначительной добавкой диатомита для получения более однородной смеси. В соответствии с программой испытаний первая часть исследований выполнена на материале с прочность!) на одноосное сжатие 5,5 МПа. Вторая часть испытании выполнепа при*изменении прочности па сжатие от 4 до 12 МПа для определения влияния прочности выступов неровностей на параметры сопротивляемости сдвигу.

Экспериментальные дапные, получешше в первой часта испытаний показали существенную зависимость угла наклона регулярных выступов а на параметры сопротивляемости сдвигу, которая определяется кок уровнем пагруаиэний, так и величиной деформаций. Установлено что, процесс разрушения выступов с повышением уровня нормального нагружения ом приводит к снижению роста Хщ, и, в свою очередь, к нелинейности связи ап и при атом

нелинейность оказывается тем существеннее, чем больше угол наклона выступов о!. Таким образом, диаграмма прочности при различных значениях с£ имеет нелинейную связь за исключением зависимости для плоской поверхности. Величина угла подъема (далатансии) имеет максимальное значение при низком уровне нормального нагружения и значительно снижается с повышением нагрузок, противодействующих далатансии. Анализ результатов показал, что прочность на сдвиг по шероховатой трещине определяется не только углами ср^ и оС, но и механической прочностью выступов на срез, что составляет менее 20£ от прочности на сжатие материала что согласуется с экспериментальными данными полученными Аль Сахнау в МГСУ.

' Во второй части испытании сдвиг образцов "плашки по плашке" происходил в результате передачи сдвигающих усилий па трещину* мэтодом -кольцевого нагружения по кинематической схеме (принудительным гаданием деформации сдвига). Описание сдвигового прибора приведено в диссертации. Испытания проводились по следующей методике, образец нагружался вертикальным давлением до заданного уровня (в опытах значение оп приняты от 0,05 до 0,8 Ша с интервалом 0,05 МПа) и после стабилизации вертикальных деформации, осуществлялось кинематическое сдвиговое нагру-геша. Опытные данные, позволил определить пшсовне и остаточ-

шэ значения сдвиговой прочности в широком диапазоне касательных смещений, а- такта характер разрушения выступов. Состояние иэроховатой трещины определяется уровнем нормальных напряжений, при приложений которых происходило сближение "берегов" шероховатой трещины, величина которого стабилизировалась при ап -0,5 НПа. При кинематическом сдвиге зависимости папряяэний и деформации т,у= I1 (и) тают две области - "до пика" и "посла пика". При доспавши "пика" значения вертшсальных (V) и горизонтальных (и) деформаций стабилизировалась, а величина "пика" касательного напряжения Iх снизилось до остаточной прочности *с°. Как показали результаты испытаний, разность х* и а0 оказывается близкой углу дилатансии при достижении "пика" и определяется уровнем нормального нагрузиши, т.е.х*-х°= Ц(УД1) х ап. В рассмотренном диапазоне нормальных напряжений процесс сдвига по шероховатой поверхности происходил в трех характерных стадиях: I) скольжение с частичным разрушением выступов (оп< 0,4 !Ша), 2) разрушение выступов и их скалывание (сгп«=0,4-0,6 ЫПа), 3) полное раздробление выступов, приводящее к снижению сдвиговой прочности трещины.

Анализ результатов проведенных сдвиговых испытаний позволил выявить, что параметры сопротивляемости сдвигу по трещинам определяются в зависимости от характера шероховатости стенок на контактной поверхности трещины. Различие зависимостей т^« Г.(ап) для шероховатых и плоских трещин определяется влиянием далатансии! при превышении прочности выступов неровностей на срез и их разрушении образуется продукты раздробления, играющие роль смазки приводящее к снижению сдвиговой прочности трещины. В атом случае сопротивление сдвигу по шероховатой трещине близко сопротивлению сдвигу по плоской поверхности.

ВгЧ8твертоЙ главе приводятся результаты экспериментальных исследований прочности и деформируемости скального массива о учетом угла напластования системы сплошных трещин р. Сформулирована задача экспериментальных испытаний, дано описание экспериментальной установки, методика проведения испытаний и метрологического обеспечения экспериментов, содержится результаты обработки полученных экспериментальных данных и их анализа.

Экспериментальные исследования проведены на специальной установке, разработанной в отделе подземных сооружений 10 НИИЭС с участием автора. Установка позволяет испытывать модель-

- ¿4 - 1

вый блок о поперечными размерами 500x500 мм и толъщздой 200 мм, представлящий собой фрагмент скального массива блочной структуры и сложенный из отдельных элементов, образующих две систе-. мы трещин -сплошных и прерывистых. Процесс проведения экспериментальных испытании осуществлялся в два этапа. На первом этапе испытании модельный блок подвергался обжатию при равных значениях главных напряжений (а( = а2). Последующее девиаторноэ погружение осуществлялось ступенями = 0,01 ЫПа) и выдерживалось на каждой ступени до стабилизации деформаций. Осевое нэгружение прекращается при разрушении модельного блока, т.о. когда наблюдается прогрессирующее развитие осевых и боковых деформаций при постоянном или уменьшающемся значении верти-К8ЛЫЮГ0 напряжения.

Модельные блоки испытаны при трех разных углах напластования системы сплошных трещшх ß=45,60 и 90° к направлению действия минимального главного напряжения о2. Для каждого напластования системы трещш проведены испытания при трах значениях боковых напряжений» о2* 0,03-,0{05 и 0,10 ЫПа.

Полученные в результате испытаний первичные значения главных напряжений (0j,02), линейных Ц, ) и угловых (е,^) дефор,ш-ции при заданных углах наклона сплошных трещин ф) обрабатывались по специальной программе на ПЭВМ, в результате э'гого били получены значения следующих параметров прочности и двормяруо-мости модельпого блока; -среднего напряжения (оСр), интенсивности касательных напряжений (ot), объемных и сдвиговых деформации (ev и eL). "Паспорт" прочности и деформируемости модельного блока (рис.I> показал существенную зависимость проявления обьемлых и сдвиговых деформаций от угла напластования системы сплошных трещин р и от величины боковых напряжений ог. Минимальная прочность и максимальная деформируемость модельного блока реализуются при угле напластования 0 о 60° (рис.2). Возможность поворота боковых граней модельного блока приводит к тому, что разрушение блока во всех опытах происходит в виде потеря устойчивости вследствие скольжения отдельных элементов по контактам.

С использованием экспериментальных данных выполнено расчетное исследование механического поведения блочно-слоистоП среда методом конечных элементов(МКЭ) по вычислительной программе разработанной В.Н.Воробьевым. Количество коночных. эломонтов

.ó'aiia

гио.1."Цаснср?"прочностк и деформируемости модельного блока при угле напластования системы сплошных трещин^'бб0 при значениях бдсоставлящих 0,03 Müa (кривые I), 0,05 гша (кривые 0,10 Ша[кривые 3). На графике: свлошние линии - расчетные; штрих-пунктирные линии - экспериментальные.

• bi

O.IL-*—I-----Л

45 60 90 jj.ijpaa,

Рис.2. Экспериментальные зависимости предельней прочности модельного блок-, от угла наклона системы сплошных трещин при:^&=0,03 Ша, ü)¿2=0,05 Ша и 3)6*» 0,10 Ша

при расчетах соответствовало количеству отдельных элементов, слагающих модельный блок при проведении в физическом эксперименте. Система тренда описывалась контактными элементами Гудмана. По контуру расчетной, области задавалось контактные элементы, отражающие возможность перемещения физнчоской модели без трения. По расчетной схеме характер нагружепип модели анплогачен к проведенным экспериментам. Нагружонио модельного блока осуществлялось при траекториях гидростатического ,нагру-яетгая (о2 «= 0,03;0,05 и 0,10 МПа), и при угле наклона системы сплошных трещин ß = 60°. По ризультзтам 'птслошшх экспериментов для модельного блока определены : прочностные и деформационные зависимости, эпюры напряжений по контактным зонам между трещинами и в алемонтах, картшш деформированного состояния и козОДятсиент запаса прочности по троицшом (из.п.~ V"«^ Отмочен аналогичный характер диЛормированим модельного блока при физических экспериментах, при атом поворот боковых граней приводил к неравномерного распределения напрязагшй ц отдельных елемантах блока. О приближением к предельпему состояния в лскалышх зонах по трещинам происходили продельные сдвиги, а в зонах незначительного смещения имелся запас прочности (ka I). Раскрытие контактов- происходило в мостах доконцентрациа напряжений и у граней модельного блока. Таким образом, совпадете результатов проведопных акспаришн-тальпых исследовашй! и численных расчотов позволяет сделать вывод} что при определении кюханичоских показателей блочно-слоистого массива (при олочности ¿бл/1м=1/б4-1/0, гдо С бл и Ъ м соответственно лияв&шз размеры разори отдельных блоков а рассматриваемого массива) можно применять аппарат механики сплошной среди, рассматривая скалышй массив как квазисплошпуа сроду, и получеть оервдношшо аиачопая напряжений и деформации рассматривая скальный массив 1шк систему взаимодействующих 8ломентов с учетом свойств ¡«затактных поверхностей трещин.

В. пятой главе излояены результаты ыодалышх гоомоханических испытаний трещиноватых скальных массивов, вмещающих подземныо выработки. Стенд для испытаний плоских геомашппеских моделей (рис.3) имеет следующее основные размзрц! длину 200 см, высоту 150 см и ширину 20 см и оборудован нагрузочными устройствами, создающими поле напрятанного состояния в модели. Выбор основных физико - мохаштчоских характеристик эквивалентных маториа-

Й-t

QSg

K-Z

3

S

1>

L*

7

4_|_ — -

-- — —

i ------- t > f ■

2

Ь

X

-ip

ä

».

Ù

Lata

ér

te i

K-3

A

r-:

I

Рнс.З. йсеаашческиа чертеж стенда для ииш-геша гвоьехаагческах.

I - рела, 2- ищрсздгзвдры, 3 - модель массива, 4 - нахрузочные BJSITU, 5 - ввдвишшз доски, 6 - игрка, 7 - щэошант сгруктури массивов. Размера зека а иа.

- ха

лов и методика создания модельного массива изложены в главе 2. •Испытаны три модели трещиноватого скального массива. Исходя из размеров испытательного стенда, геометрический масштаб недельных массивов составил р= £мАн =£'. 100. При атом масштабе отдельные блоки, слагающие модельные массивы имели длину 200 мм и поперечное сечение 15x60 и 30x60 мм для первой модели 50x100мм для второй модели 15x40 и 30x60мм для третьей модели.

Имея исходную геологию,на модальном массиве воспроизводились .блочная структура, угол напластования системы трещин и уровень естественного напряженного состояния. Отдельные блоки укладывались согласно заданной схеме трещиноватости, при этом положение граней блоков соответствовало углу наклона системы трещин. Так как внешними нагрузками действующими на выработки являются горнов давления и боковая нагрузка, в модельном массиве напряженное состояние создавалось через вертикальные и _ горизонтальные грани стенда с помощью гидравлической системы. Возможность независимого создания вертикальных и горизонтальных давлений в гидросистема дозволяла создавать различные, напряженные состояния на модели.

В зависимости от структурного строения и характера геостатического напряженного состояния в модельных массивах били определены общая картина деформирования и зона нарушенных пород над выработками. Модельные испытания проводились по изложенной в диссертации методике. В подготовленном к испытаниям модельном массиве осуществлялась отработка горизонтальных выработок с максимальной шириной 900 мм при трех этапах выработки 300, 600 и 900 мм, как показано на рис.3. Для определения подвижек в массиве при отработке выработок использовались марки нанесенные на лицевую поверхность модели. Смещения марок определялось путем сканирования с помощью лазерной установки, под. клшенной к ПЭВМ. Результаты измерений обрабатывалось по специальной графической программе и представлялись в виде линий равных перемещений. Так как процессы деформирования и разрушения проявляются в первую очередь в кровле , выработки, отработка- выработки осуществлялась без креплений. .

Проведенные серки модельных испытаний позволили установить, что устойчивость выработок в значительной степени зависит от характера блочностп (ебд/иШр, где 1бл - характерный размер •блоков, слагащих массив, и ьЕЦ - ширина пролета выработки)

- 1Ь -

1$нар = 1тар/Ьвыр

П. л

0,2

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 (оГфЛэвер

..Тис.'!. Область экспериментальной зависимости коэффициента наруиенности модельного массшзао^рлгеостатического напряженного состояния, хграктерлзуемого* отношением горизонтальных и вертикальных папрязений. п = (§гор/сЬвер . На графике нанесены расчете значения коэффициента 1<игр, определенные по формуле В.М.Мосткоза для подземного хранилища газа (и), ■ гидроузла Ялп(у); "и Рощгнскои ГаС (о). .

к

натэ

0,5 .0,4

0,3 0,2

-V) 1

- - о -V

1750 Що- 1/Е ЩО 1/3 £бл/ Ь вир

Рис.5. Экспериментальная зависимость коэффициента игру- • шенности кнар модельного массива 01 относительной блоч-ности-£бл/Ьв№. .. ''

и расположения систош трешда относительно выработки. В опытах ойюышо разрушения происходили по трещинам. и характеризовались формой кивало, дащей трапэцяодальное очорташю. Показа-ио, что увеличение отаошошю п<гГОр/аВ0рЯ в массиве приводит к значительному снижению ьисота еоии нарушшых пород .

Кооф1ициоит пропорциональности k^p метду шсотой зовы пару-, теплых пород пад выработками liuap и шириной пролета выработан ^выь ПРИ п 1 маодитси в пределах от 0,30 до 0,«12 и при n ^ I от 0.10 до 0,30 (рис.4). Эти данные хорошо согласуется с данными, определенным;! по формуле 2 0^^=0,25-7 0,35), о такаю с дашш'-м, определенными по эмпирической формуле Л.А.Борисова (к-^р ---0,35-; 0,45), одлшсо в последнем случае при испытаниях но учитывалось влияние характера гоостатичоского папряженпого _ состояния в Hiiccimo устойчивость шработох, Следует отметить, что величины определяемые дм модельных массивов по формуле Ы.М.Крэтодьякоюва по "схема смолообразования" . окаонпошся'несколько «пае, чем по результатам Нота испытаний и в зависимости от коэффициента крепости горных пород находятся в пределах 0,4 г 0,5. Как .показали результаты модельных гоомеханическиж испитый (рис.5), формулу Ы.М.Протодьякопова возможно примепятъ лишь при блочности /Ьвир, составляющий, копае 1/50, при которой влияние относительных размеров слагающих скальный массив блоков па устойчивость подземных выработок сводится к минимуму. .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I.Экспериментальные исследования прочности и деформируемости по контактным поверхностям трещин различной шероховатости показали, что при сдвиге по гладкой поверхности параметры сопротивляемости сдвигу практически по зависят от прочности породы, а при шероховатой поверхности зависят от прочности породи и стадии сдвига. Для шероховатой трещины в зависимости от уровня нормальных напряжений характерны следующее стадии сдвига и разрушения выступов: I) при низком уровне напряжений происходит скольжение поверхности с частичным разрушением выступов (on<s 0,4 Ша), 2) разрушение выступов и их скалывание (оп= 0,4 - 0,6 Ша), 3)t полное разрушьте выступов (оп?0,6МПе)

с образованием продуктов раздробления, приводящее к снижению сдвиговой прочности.

2. При кинематическом сдвиге по шероховатой трещине деформации сдвига, при которых достигается пиковая прочность) практически не зависит от прочпости материала и определяются степенью шероховатости. После достижения пика, напряжения сдвига снижаются до остаточпой прочности, величина которой близка сопротивлении сдвигу по гладкой поверхности.

3. Различив зависимостей 1(сгп) между шероховатыми и гладкими трещинам! определяется влиянием дилатаясия. При атом . скорость далатзпсиа в предельном состояний равна разности пиковой и остаточпой прочности, т.е. = 1:0(У/и) х ад.

4. Экспериментальными исследованиями прочности и деформируемости модельного блока с различными напластованиями систем сплошных трещин установлено, что минимальная прочность модель-' ного блока достигается зри наклоне системы сплошных трещин относительно направления действия минимального главного напряжения равном р = СО0. При атом же утло наклона системы сплошных трещин реализуется максимальные деформации сдвига по трещинам.

5. Расчетно-зксперимзптальпыв исследования модели блочпо-слопстой' среды позволяли констатировать, что при определении механических параметров трещиноватого массива (при блочности 1бл/Ъ,1 ~ 1/6 1/2) в расчетах мо'.кно применять аппарат механики сплошной среда, при этом массив мотет рассматриваться как ■ кваззкяиошнэя среда, и как система взаимодействуйте блоков с учетом свойств межблочных контактных поверхностей.

6. Исследованиями па геомеханичесгах моделях подземных выработок в трещиноватых скальных массивах различной структуры экспериментально установлено, что разрушение(вывалообразование) над выработкой и значительные подвижки в массиве определяются относительной блочностьэ (1^/Ъ^) и характером геостатического напряженного состояния массива (£™г/с?м[>).

7. Экспериментами показано, что' при' оценке устойчивости подземных выработок в скальных трещиноватых массивах формула М.М.Протодьяконова по схеме сводообразования применима лишь ' при отношении слагающих массив блоков к пролету выработки, составляющих менее 1/50, при котором влияние факторов трещиноватости сводится к минимуму., •'' .

ческого напрятанного состояния (п= с7гор/аВ0р)находится в пределах 0,301-0,42 при п С I и в пределах от 0,10 до 0,30 при п » I.

пстптши'результата диссертации опубликованы в следуйте 1 работах:

■ I. Урустембеков Б.А. Влияние морфологии поверхности трещин в скалышх породах на параметры сопротивляемости сдвигу// Тезисы докладов научно-практической и" научно-методической конференции молодых ученых стран СНГ. Изд."Зордо", Ы., 1993, с.97 .

2. Урустембеков Б.А. Исследование прочности и деформируемости контактной поверхности трещал на эгаивалептвых материалах. // Тезисы докладов к региональной научно-методической конфоронции. КазПГИ, Каратау, 1993, с. 18. ■ " з. Урустембеков Б.А. Оцешш устойчивости подземных выработок . гидротехнических сооружений В скальных массивах. Библиограф, указатель депонированных рукописей, вып.1, N 11527, ВНИИНТПИ, Ы., 1995.

4. Урустембеков Б.А. Экспериментальные исследование прочности .и деформируемости скального трещиноватого массива 7/ Тезисы "докладов к международной научно-технической конференций. Ш,

дктау, 1996, с.138. •

. 5. Урустембеков Б.А. .Азбергенов М.И. Оценка устойчивости под- ; земных выработок расположенных в скальных трещиноватых массивах Тезисы докладов к международной научно-технической конференций. I ШМ, Дктау. 1996, с.137-.

Подписано в печать 1$, И,9С Формат 60x847)5 Печ-. офсетная И- 332. Объем I пл. Т. ДО Заказ МЛ;

Московский государственный строительный университет " Типография МГСУ, 129337, Москва, Ярославское ш.,26

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.92 г.