Численная оценка устойчивости круглой подземной выработки, расположенной в активной зоне заглублённого ленточного фундамента Павлов Дмитрий Вадимович

Содержание к диссертации

Введение

Обзор методов оценки устойчивости подземной выработки на основе анализа напряжённо-деформированного состояния грунта

Понятие об устойчивости подземной выработки Некоторые критерии прочности в геомеханике Аналитические критерии прочности Эмпирические критерии прочности

Виды потери устойчивости подземной выработки

Теоретические методы определения устойчивости подземной выработки и построения областей неупругих деформаций

Численные решения упругопластических задач А.Н. Ша-шенко об устойчивости подземных выработок Определение устойчивости подземной выработки по Н.С. Булычёву и Н.Н. Фотиевой

Оценка устойчивости подземной выработки и построение областей неупругого деформирования в снимаемых напряжениях

Методы оценки устойчивости подземных выработок, предложенные в ВолгГАСУ Выводы по главе

Постановка задачи об устойчивости подземной выработки круглого сечения в активной зоне заглублённого ленточного фундамента

2.1. Основные расчётные параметры, влияющие на напряжённое состояние и процесс образования областей пластических деформаций. Механико-математическая модель 37

2.1.1. Геометрические характеристики основных элементов 38

2.1.2. Физико-механические характеристики вмещающего массива грунта 40

2.1.3. Физико-механические характеристики материала фундамента 43

2.1.4. Силовые воздействия 44

2.1.5. Механико-математическая модель и расчётные схемы МКЭ 44

2.2. Анализ влияния различных факторов на напряжённое со стояния вблизи круглой подземной выработкой 48

2.2.1. Влияние геометрических параметров на характер распределения и численные значения напряжений 49

2.2.2. Влияние коэффициента бокового давления на напряжённое состояние 58

2.3. Исследование процесса образования областей пластических деформаций на контуре выработки, расположенной в активной зоне фундамента 62

2.3.1. Оценка влияние геометрических характеристик на процесс образования ОПД 62

2.3.2. Влияние физико-механических характеристик грунта на процесс образования ОПД 67 Выводы по главе II 71

Глава III. Результаты компьютерного моделирования процесса образования и развития ОПД 73

3.1. Интерпретация результатов компьютерного моделирования в графической форме 75

3.3. Инженерный метод расчёта устойчивости круглой выработки, находящейся в активной зоне фундамента 93

Выводы по главе III 98

Глава IV. Экспериментальные исследования процесса потери устойчивости подземной выработки круглого сечения, расположенной в активной зоне фундамента 99

4.1. Лабораторная установка и исходные данные для проведения экспериментов 100

4.2. Порядок проведения эксперимента и полученные результаты 104

4.3. Сравнение полученных результатов эксперимента с результатами численных расчётов 108 Выводы по главе IV

Основные выводы 112

Библиографический список

Приложение А

Приложение Б 159

Приложение В 172

Приложение Г 1

• Теоретические методы определения устойчивости подземной выработки и построения областей неупругих деформаций
• Геометрические характеристики основных элементов
• Инженерный метод расчёта устойчивости круглой выработки, находящейся в активной зоне фундамента
• Сравнение полученных результатов эксперимента с результатами численных расчётов

Введение к работе

Актуальность темы диссертационной работы. Проектирование и строительство подземных сооружений в Российской Федерации ведётся в соответствии с рекомендациями нормативных документов, например, «Подземные горные выработки» СП 91.13330.2012, «Метрополитены» СП 120.13330.2012, «Туннели гидротехнические» СП 102.13330.2012 и др. Классификация подземных сооружений включает в себя практически все отрасли гражданского и промышленного строительства.

В практике современного строительства фундаменты зданий и сооружений в зависимости от условий проектирования могут располагаться на небольшой глубине, определяемой в соответствии с рекомендациями СП 23.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Стоимость строительства подземных сооружений увеличивается с приращением глубины их заложения, что влияет на выбор проектного решения. Таким образом, существует вероятность пересечение двух зон влияния: подземной выработки и заглублённого фундамента.

Устойчивость подземной выработки зависит от ряда параметров и в каждом конкретном случае её оценка должна проводиться с учетом всех совокупностей переменных расчётных величин, включающих геометрические и физико-механические характеристики системы «фундамент – основание – подземная выработка».

Большинство существующих методов расчёта предполагает, что подработанный подземной выработкой массив грунта однороден и изотропен, а для анализа напряжённого состояния используются классические решения линейной теории упругости, порой не учитывающие напряжений, обусловленных силами гравитационного воздействия.

Выполнить оценку устойчивости подземной выработки, исключив при этом большинство перечисленных недостатков, можно, например, используя численные методы расчёта.

В настоящее время продолжается значительный рост городских агломераций, происходит постоянное уплотнение застройки, порождающее множество проблем, связанных с недостаточностью пространства для возведения новых инженерных коммуникаций снабжения, расширения автодорожных магистралей и создания современной инфраструктуры. Комплексное использование подземного пространства позволяет исключить большинство перечисленных проблем, в связи с чем возникает необходимость решения большого количества проектировочных и оценочных задач.

Поэтому решение задачи об оценке устойчивости подземной выработки, расположенной в активной зоне заглублённого ленточного фундамента, является актуальным.

Цель диссертационной работы: предложить инженерный метод оценки устойчивости подземной выработки круглого сечения, расположенной в активной зоне заглублённого ленточного фундамента.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ положений нормативных документов, регламентирующих
расчёт устойчивости подземных выработок; критериев прочности и методов расчёта,
обоснован вывод о необходимости использования результатов анализа напряжён
ного состояния окрестности выработки и процесса образования областей пластиче
ских деформаций на её контуре.

1. Определены пределы изменения численных значений основных расчётных параметров, влияющих на устойчивость выработки; проведена оценка их влияния на напряжённое состояние и процесс формирования областей пластических деформаций на контуре выработки круглого сечения.

2. Усовершенствована механико-математическая модель системы «фундамент – основание – подземная выработка»; составлены расчётные схемы метода конечных элементов (МКЭ) и заданы граничные условия, обеспечивающие получение достоверных результатов компьютерного моделирования.

4. Проведено моделирование процесса формирования областей пластических
деформаций на контуре круглой выработки, расположенной в активной зоне фунда
мента для всех возможных и имеющих физический смысл комбинаций численных
значений расчётных параметров.

5. На основе качественного и количественного анализа полученных результатов построены графические зависимости вида = f(R), = f (), = f (св) и записаны их аналитические аппроксимации.

6. Результаты компьютерного моделирования в виде таблиц, графических зависимостей и аналитических выражений составили базу данных, ставшую основой программы-калькулятора, предназначенной для предварительных расчётов устойчивости выработок. Тестирование программы на основе вычислений по программе «Устойчивость (Напряжённо-деформированное состояние)» показало удовлетворительное совпадение результатов с точностью 95%.

7. Проведены экспериментальные исследования устойчивости выработок на моделях. Установлено, что результаты экспериментов с точность до 78% совпадают с результатами соответствующих расчётов, полученными по программе «Устойчивость (Напряжённо-деформированное состояние)», принятой в качестве основного инструмента исследования.

Достоверность полученных результатов и рекомендаций диссертационного исследования определяется:

- использованием фундаментальных положений теории упругости (МКЭ), пластичности (условие прочности Кулона), механики грунтов, геомеханики и инженерной геологии;

- применением в качестве инструмента исследования компьютерной про
граммы «Устойчивость (Напряжённо-деформированное состояние)» зарегистриро
ванной в государственном реестре компьютерных программ и баз данных (свиде
тельство о государственной регистрации программы для ЭВМ: патент Российской
Федерации № 2009613499);

результатами экспериментов на моделях из эквивалентных материалов в лабораторных условиях;

внедрением результатов исследования в строительную практику.

Научная новизна диссертационной работы:

получены новые данные о процессе формирования и развития областей пластических деформаций на контуре круглой выработки, расположенной в активной зоне фундамента;

установлены качественные особенности и приведена количественная оценка влияния расчётных параметров на величину количественного показателя выбранного критерия устойчивости выработки (см. стр. 8);

разработан инженерный метод оценки устойчивости подземной выработки и написана компьютерная программа, позволяющая определять величину количественного показателя критерия устойчивости;

подтверждена достоверность результатов теоретических расчётов экспериментальными данными, что позволяет рекомендовать разработанную программу для использования в практических целях.

Практическая значимость работы. Диссертационная работа является частью научных исследований, проводимых на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружений» ВолгГАСУ в 2012-2015 гг.

Результаты диссертационной работы могут быть применены:

для оценочных расчётов устойчивости подземных выработок, расположенных в активной зоне заглублённого ленточного фундамента;

для определения геометрических параметров системы «фундамент - основание – подземная выработка», обеспечивающих устойчивость последней;

- для анализа напряжённо-деформированного состояния массива грунта во
круг круглой подземной выработки, находящейся в зоне влияния фундамента;

- для курсового и дипломного проектирования студентов строительных
направлений подготовки и специальностей вузов.

Апробация работы. Основные положения данной диссертационной работы обсуждены и опубликованы в материалах ежегодных научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава, докторантов и аспирантов Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (г. Волгоград, 2012-2014 гг.); Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства», посвящённой 80-летию со дня рождения профессора Бартоломея Адольфа

Александровича (г. Пермь, 2014 г.); VI Всероссийской молодежной конференции аспирантов, молодых ученых и студентов по проблемам строительной науки, техники и технологии «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (г. Пермь, 2014 г.); Научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве (г. Пермь, 2013 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Геонауки - 2013», посвященной 90-летию со дня рождения В.М. Степанова (г. Иркутск, 2013 г.); на семинарах кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Личный вклад автора:

усовершенствована механико-математическая модель МКЭ, составлены расчётные схемы МКЭ, отработаны граничные условия;

выполнено планирование и проведение компьютерного моделирования процесса формирования и развития областей пластических деформаций на контуре круглой выработкой при различных геометрических и физических параметрах системы «фундамент – основание – подземная выработка»;

построены графические зависимости, записаны их аналитических аппроксимации, позволяющие определять величину количественного показателя критерия устойчивости;

разработана блок-схема и написана компьютерная программы-калькулятор;

выполнены сопоставительные расчёты, проведён анализ их результатов;

усовершенствован экспериментальный лоток, подобрано специальное оборудование, проведён эксперимент и выполнено сопоставление его результатов с расчётными данными.

На защиту выносится:

1. Усовершенствованная механико-математическая модель и расчётные схемы метода конечных элементов, соответствующие объекту исследования.

2. Новые данные о процессе формирования и развития областей пластических деформаций на контуре подземной выработки круглого сечения.

3. Графические зависимости и их аналитические аппроксимации, полученные в результате проведённых исследований.

4. База данных и разработанная на её основе компьютерная программа-калькулятор.

5. Результаты экспериментальных исследований и внедрения результатов диссертации в строительную практику.

Выводы и рекомендации диссертации использованы:

- для оценочных расчётов устойчивости проходного коллектора диаметром
2.5 м при проектировании жилого района «Новый свет», расположенного в г. Вол
гоград, Советский район, в границах ул. Тимирязева – Ерина – Малиновского, адрес

земельного участка: ул. Тимирязева 9, и назначения рекомендаций по обеспечению надёжных (без ограничения) условий эксплуатации;

- при проведении дипломного и курсового проектирования на кафедрах «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 192 страницы состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 143 наименований и приложений, включает 129 рисунков и 69 таблиц.

Теоретические методы определения устойчивости подземной выработки и построения областей неупругих деформаций

Под подземной выработкой в данной работе, согласно [62], понимается инженерное сооружение, расположенное в недрах Земли или на её поверхности, сформированное в результате ведения проходческих работ и представляющее собой полость в массиве грунта, выполняющую своё функциональное назначение в течение определённого срока эксплуатации.

Под устойчивостью подземной выработки в данной работе, согласно [62], понимается её способность выполнять своё функциональное назначение в определённых условиях и при заданных параметрах, сохраняя свои размеры и форму в течение установленного срока эксплуатации. Расчёт подземных выработок ведётся по двум предельным состояниям: - по первому предельному состоянию потери прочности (частичное или полное обрушение) элементов сооружения; - по второму предельному состоянию чрезмерных перемещений (частичное или полное закрытие) сооружения.

В соответствии с работой [23], различают два типа устойчивости подземных выработок, основанных на наличии или отсутствии крепи (обделки): устойчивость незакреплённых и устойчивость закреплённых выработок соответственно. В общем случае, устойчивость неподкреплённой подземной выработки, расположенной в массиве скального грунта, обеспечена, если выполняется условие (1.1): где сж - предел прочности породы при одноосном сжатие, МПа; д - главное максимальное напряжение, действующее на контуре выработки, МПа. Если же предел прочности при сжатии вмещающей породы меньше максимального сжимающего усилия на контуре выработки, то в непосредственной близости от данной выработки возникают области, соответствующие условию предельного равновесия, - порода неустойчива.

Из условия (1.1) следует, что оно в полной мере учитывает прочностные характеристики вмещающего массива грунта, а также напряжённо-деформированное состояния на контуре выработки. При отсутствии какой-либо крепи, устойчивость выработки обеспечивается только за счёт прочности самого грунта. Такое условие характерно для скальных пород и неприменимо для связных грунтов.

Для связных грунтов условие предельного равновесия записывается в виде выражения (1.2), которое показывает предельное соотношение между главными напряжениями для точки массива грунта, характеризуемой параметрами прочности с и , при котором наступает предельное состояние. Если правая часть этого выражения меньше левой, т.е. sin больше, чем отношение главных напряжений, то точка массива грунта находится в допредельном состоянии по прочности: О л — (То sin p= ; J , (1.2) где 1, 3 - главные напряжения; с (с = сtg(p) - давление связности; ср - угол внутреннего трения грунта.

В настоящей исследовательской работе проведена оценка устойчивости только неподкреплённой выработки в массиве связного грунта.

В геомеханике для оценки устойчивости массива грунта используются различные критерии прочности. Такие критерии были разработаны как отечественными, так и зарубежными учёными: А.Н. Шашенко и Л.Я. Парчевским [63], П.П. Баландиным [64]. В.В. Новожиловым [65], И.Н. Миролюбовым [66], А.А. Грифиттсом [67], А.Э. Треском и Сен-Венаном [68], О. Мором и Ш.О.Ку-лоном [69], Е. Хоеком [70] и др.

Каждый критерий прочности должен соответствовать определённым требованиям: достоверно описывать модель механизма разрушения, учитывать начальное состояние и строение грунта, определять условия потери устойчивости и т.д.

Все критерии прочности, можно разделить на две большие категории: аналитические и эмпирические.

Для аналитических критериев основополагающей является гипотеза О. Мора, основной (не требующей проверки, так как она полностью основана на эмпирических результатах) предпосылкой которой является идея о незначительном влиянии промежуточной компоненты тензора напряжений на процесс потери устойчивости грунта, причём состояние предельного равновесия наступает на площадке, проходящей через направление промежуточного главного напряжения. Аналитические критерии прочности определяются методом итераций соответствующего экспериментального выражения, а область его использования ограничивается лишь условиями напряжённого состояния, в которых проводился эксперимент.

Эмпирические критерии прочности получают исключительно опытными испытаниями грунтов и область их применения ограничивается определённым типом грунтов и условиями, соответствующими проведению эксперимента.

Геометрические характеристики основных элементов

Для задания силового воздействия, передаваемого от вышестоящего здания через фундамент на основание, используется равномерно распределённая нагрузка q, выраженная в долях d (рис. 2.2). Все численные расчёты проведены для трёх вариантов нагрузки q: минимальное qmin = 1d; среднее qmid = 5d и максимальное qmax = 10d, согласно [94,117] и опыту проектирования. Полученные результаты численных расчётов (значения угла ) справедливы и для других значений q, входящих в установленные интервалы.

В соответствии с главой I настоящей диссертационной работы для проведения расчётов использована программа «Устойчивость (Напряжённо-де 45 формированное состояние)» [73]. Для оценки напряжённого состояния массива грунта в программу интегрирован метод конечных элементов (МКЭ), который получил широкое распространение в различных исследовательских работах в области геотехники и механики грунтов [95-100]. Как было отмечено А.Б. Фадеевым в работе [101], каждая публикация в области геотехнических расчётов непосредственно связана с МКЭ. Этот метод позволяет рассчитывать всю систему как единое целое, не подвергая её механическому разделению на составные конечные элементы, являясь при этом чисто математическим способом, сохраняющим сплошность и непрерывность среды. Для процесса построения областей пластических деформаций в программе используется условие прочности Кулона и предложения профессора А.Н. Богомолова, рассмотренные ранее в данной главе.

Как сказано в главе I, программа [73] позволяет наблюдать эволюцию образования и развития областей пластических деформаций на контуре подземной выработки, расположенной в активной зоне фундамента.

В данной работе усовершенствована механико-математическая модель, соответствующая системе «фундамент – основание – подземная выработка» (рис. 2.4).

Размер и вид механико-математической модели, граничные условия Согласно [99], граничные условия оказывают минимальное воздействие на получаемые результаты в ходе определения напряжений по МКЭ, если они отдалены от исследуемой области на расстояние не меньше шести максимальных размеров этой области. В связи с этим назначены соответствующие размеры расчётных схем.

Особенностью адаптированной к условиям исследования механико-математической модели «фундамент – основание – подземная выработка» является то, что в расчётной области «вырезается» круглое отверстие, имитирующее подземную выработку. На основании усовершенствованной механико-математической модели составлены расчётные схемы метода конечных элементов, состоящие из треугольных конечных элементов и предварительно разработаны в среде программного комплекса AutoCAD, а затем импортированы в программу «Устойчивость (Напряжённо-деформированное состояние)» [73] для дальнейших расчётов. Всем конечным элементам присвоены принятые физико-механические характеристики, изменяющиеся в определённых пределах так, как это было оговорено ранее в п. 2.1.1. На рис. 2.5 показаны фрагменты расчётных схем для = 0, 30, 60, 90. На рис. 2.6 для примера показана конечно-элементная схема МКЭ для = 30, R = 6d где чёрным цветом указана равномерно-распределенная нагрузка q, красным – заглублённый ленточный фундамент. Для всех сочетаний численных значений геометрических параметров системы «фундамент – основание – подземная выработка» разбивка на конечные элементы аналогична рис. 2.6.

Подсчитано, что для достижения поставленной цели необходимо выполнить 768 вычислительных циклов, т.е. такое количество численных значений угла внутреннего трения грунта определено в процессе вычисления. 2.2. Анализ влияния различных факторов на напряжённое состояния вблизи круглой подземной выработкой

Наибольшее влияние на изменение величины численных значений напряжений вблизи круглой подземной выработки оказывают: - геометрические характеристики (радиус-вектор R, угол , диаметр выработки D); - физико-механические свойства грунта (коэффициент бокового давления 0), Для оценки изменения величин напряжений на контуре подземной выработки, выбраны четыре контрольные точки (рис. 2.7). Изменяя расчётные параметры в установленных пределах, построены картины изолиний и определена степень изменения горизонтальных x, вертикальных z и касательных xz напряжений.

Рис. 2.8. Картины безразмерных (в долях yd) изолиний горизонтальных ох (а, г, ж, л), вертикальных oz (б, д, и, м), касательных ixz (в, е, к, н) напряжений вблизи круглой подземной выработки при D = 1.4d; 0 = 30; q = 5yd; о = 0.75; для R = 4d (а-в\ 5d (г-е), 6d (ж-к), 7d (л-н) в) Рис. 2.9. Графические зависимости вида ох =/R) (а), oz =/R) (б), xxz =/R) (в) для точек 1- 4 при D = 1.4d; q = 5yd; o = 0.75 Из рис. 2.8 видно, что при изменении значений R от 4d (8 м) до 7d (14 м), происходит постепенное сгущение изолиний напряжений вокруг выработки. Согласно графическим зависимостям (рис. 2.9) среднее увеличение напряжений в контрольных точках для горизонтальных напряжений составило 27-35% (наибольший рост характерен для точки 4), для вертикальных напряжений 22-40%. Касательные напряжения в среднем уменьшились на 46-50%. В итоге, при изменении величины R от 4d (8 м) до 7d (14 м), напряжения в среднем увеличились на 22-50%. Полученные графики с точность в 97-100% аппроксимированы линейными зависимостями (2.7): (2.7) x = mR + n; z = mR + n; xz = mR + n, где x, z, xz – горизонтальные, вертикальные, касательные напряжения в долях d; R – радиус-вектор, м; m и n – коэффициенты, имеющие размерность [dм-1]; [d], определяемые по табл. 2.3 в соответствии с видом напряжений, промежуточные значения вычисляются линейными интерполяциями.

Угол изменяется в пределах от 0 до 90. Чтобы проследить, как это изменение влияет на напряжённое состоянии вблизи круглой выработки, проведена серия расчётов при R = 6d, D = 1.4d, q = 5d, o = 0.75, = 0, 30, 60, 90, аналогично расчётам по R. Результаты представлены в виде картин безразмерных (в долях d) изолиний напряжений (рис. 2.10) и графических зависимостей вида X =Д), Z =/(), xz =/() (рис. 2.11). л) м) н)

Рис. 2.10. Картины безразмерных (в долях yd) изолиний горизонтальных ох (а, г, ж, л), вертикальных oz (б, д, и, м\ касательных xxz (в, е, к, н) напряжений вблизи круглой подземной выработки при D = 1.4d; R = 6d; q = 5yd; o = 0.75; для 0 = 0 (а-в), 30 (г-е), 60 (ж-к), 90 (л-н) в) Рис 2.11. Графические зависимости вида ох =/0) (а), oz =/0) (б), xxz =/0) (в) для точек 1-4 при R = 6d; R = 6d; D = 1.4d; q = 5yd; o = 0.75 Интенсивность напряжений уменьшается при изменении угла от 0 до 90. Это объясняется тем, что подземная выработка постепенно «поднимается» относительно фундамента и достигает линии, лежащей в плоскости его подошвы (Нз = d). Уменьшение значений горизонтальных напряжений х составило 71-81%, вертикальных напряжений z = 81-83%. Касательные напряжения xz, наоборот, увеличились на 82-86%. Изменение угла оказывает сильное влияние на изменение интенсивности напряжений вокруг выработки, а также на их величину, среднее изменение которой составило 71-86%. Полученные графические зависимости аппроксимированы с точностью в 96-98% выражениями (2.8): х = k2 + и + т; z = k2 + « + /и; xz = k2 + « + т, (2.8) где x, Z, xz - горизонтальные, вертикальные, касательные напряжения в долях d; - угол отклонения радиуса-вектора от оси симметрии фундамента, град.; к,п, т - коэффициенты, имеющие размерность [dрад2]; [dград-1]; [d], определяемые по табл. 2.4 в соответствии с видом напряжений, промежуточные значения вычисляются линейными интерполяциями.

Инженерный метод расчёта устойчивости круглой выработки, находящейся в активной зоне фундамента

В процессе исследования часто возникает вопрос о том, как соотносятся между собой полученные результаты теоретических изысканий с результатами эксперимента. В результате делается окончательный вывод о степени применимости аналитического метода в реальных условиях.

Согласно [113], эксперимент – это некоторая система определённых операций, мероприятий, систематических наблюдений и средств воздействия, основной целью которой является получение сведений об объекте исследования, полученных в процессе соответствующих испытаний. Зачастую проведение эксперимента на натурном объекте связано с определёнными трудностями, поэтому применяются модели из эквивалентных материалов.

В главе III отмечено, что устойчивость подземной выработки, расположенной в активной зоне заглублённого фундамента, обеспечена, если на её контуре отсутствуют области пластических деформаций.

В данной главе рассмотрены результаты серии экспериментов, целью которых являлось определение минимальных значений равномерно распределённой нагрузки qp, приложенной к модели заглублённого фундамента, при которых происходит потеря устойчивости подземной горизонтальной выработки круглого сечения, расположенной в активной зоне фундамента.

Результаты данного экспериментального исследования опубликованы нами в работе [136].

Лабораторная установка представляет собой прямоугольный в плане лоток с размерами 1000x1790x121 мм, стенки и основание которого выполнены из органического стекла толщиной 8 мм, соединённых между собой болтами и равнополочными стальными уголками 30x30 мм (рис. 4.1). Посередине экспериментального лотка, с передней его стороны, на расстоянии 250 мм от основания расположено квадратное отверстие размером 200x200 мм. В это отверстие вставляется и фиксируется болтами квадратная пластина тех же размеров, также выполненная из органического стекла толщиной 8 мм, с отверстием заданной формы, которое используется для формирования выработки заданного сечения с помощью специального короба-вставки.

Для уменьшения возникающих деформаций выгибов стенок в результате заполнения лотка эквивалентным материалом и появления распорных усилий в местах возможного возникновения деформаций предусмотрены специальные стяжные. Расчётами установлено, что стяжные болты оказывают минимальное воздействие на полученные в ходе эксперимента результаты.

Эквивалентный материал (который в условиях эксперимента имитирует связный грунт) представляет собой смесь сухого песка средней крупности с машинным маслом, плотностью 900 кг/м3. Объёмный вес полученной смеси составил 14.7 кН/м3. Остальные прочностные характеристики эквивалентного материала - удельное сцепление с и угол внутреннего трения грунта , определены при помощи стандартных испытаний на сдвиговом приборе ВСВ-25 после предварительной процедуры специального уплотнения. В результате значение с составило 0.491 кПа, а значение = 14. Для определения величины коэффициента бокового давления использован метод Карла Терцаги [114] и получено значение 0 = 0.75.

Для создания модели фундамента, в соответствии с ранее принятым условием, используется жёсткий штамп прямоугольной формы, выполненный из бетона класса В30 с удельным весом = 20 кН/м3, размерами 50x200x105 мм, массой 2.3 кг, см. рис. 4.2а.

На верхней грани жёсткого штампа размещен специальный весовой датчик давления (тензодатчик) МП 300 ВЖА 24/ХМ 21, подключенный к индикатору, представляющему собой электронное табло. (рис. 4.2б). Максимальная нагрузка, передаваемая на тензодатчик составляет 100 кг, а точность измере-ния– 1 г. Калибровка датчика производилась дважды, первый раз на заводе-изготовителе, второй непосредственно в условиях лаборатории. Чтобы избежать попадания мелких частиц эквивалентного материала в тензодатчик, он покрывается двойным слоем полиэтиленовой плёнки.

Поверх тензодатчика устанавливается контейнер для засыпки свинцовой дроби, служащий для задания внешней нагрузки на жёсткий штамп, имитирующий фундамент (рис. 4.2в). Этот контейнер представляет собой прямоугольный короб, выполненный из органического стекла, толщиной 6 мм, и тонкого непрозрачного пластика, весом 150 г, высотой 200 мм, полностью совпадающий в плане с размерами тензодатчика. Известно, что свинец - тяжёлый материал со средней плотностью 11.3 кг/дм3, поэтому для контроля нагружения использована свинцовая дробь диаметром 2.5-2.75 мм.

Суммарный вес жёсткого штампа, датчика давления, контейнера и свинцовой дроби, делённый на площадь штампа, и будет определять значение равномерно распределенной нагрузки qр, передаваемой на основание модели фундамента. в) Рис. 4.2. Основные лабораторные приспособления: жесткий штамп (а), датчик давления (тензодатчик) и электронный индикатор (б), контейнер для свинцовой дроби и свинцовая дробь (в)

Как сказано выше, целью экспериментов являлось определение интенсивности равномерно распределённой нагрузки qp, при которой происходит потеря устойчивости подземной выработки круглого сечения, расположенной в активной зоне заглублённого фундамента.

Создание модели горизонтальной выработки в системе «фундамент – основание – подземная выработка» проводится в следующий последовательности. Сначала в квадратное отверстие на передней стенке лотка устанавливается пластина с круглым вырезом диаметром 90 мм, жёстко фиксируемая болтами в специальных креплениях. В отверстие на пластине вставляется цилиндрический короб-вставка, формирующая подземную выработку. Затем послойно и равномерно укладывается эквивалентный материал, слоями толщиной 100 мм. Каждый слой подвергался уплотнению при помощи специальной трамбовки по отработанной технологии так, чтобы сдвиговые характеристики эквивалентного материала соответствовали установленным выше значениям. Когда отметка заложения подошвы жёсткого штампа достигнута, в соответствии с данным на рис. 4.4., в лоток помещался деревянный брусок, размеры которого в плане соответствуют геометрическим характеристикам штампа, а по высоте - глубине его заложения. Далее, с каждой стороны установленного бруска укладывались слои эквивалентного материала с последующим уплотнением, пока не достигался уровень дневной поверхности. Важно, что после укладки каждого слоя делалась пауза в 30 минут для перераспределения напряжений. После завершения формирования модели деревянный брусок извлекался из лотка, а на его место помещался жёсткий штамп, поверх которого устанавливался тензодатчик и контейнер для свинцовой дроби. Окончательно сформированная модель выдерживалась не менее 6 часов.

После завершения процесса «выдержки» через отверстие в пластине извлекался цилиндрический короб-вставка, в результате чего формировалась горизонтальная круглая выработка (рис. 4.5).

Сравнение полученных результатов эксперимента с результатами численных расчётов

Лабораторная установка представляет собой прямоугольный в плане лоток с размерами 1000x1790x121 мм, стенки и основание которого выполнены из органического стекла толщиной 8 мм, соединённых между собой болтами и равнополочными стальными уголками 30x30 мм (рис. 4.1). Посередине экспериментального лотка, с передней его стороны, на расстоянии 250 мм от основания расположено квадратное отверстие размером 200x200 мм. В это отверстие вставляется и фиксируется болтами квадратная пластина тех же размеров, также выполненная из органического стекла толщиной 8 мм, с отверстием заданной формы, которое используется для формирования выработки заданного сечения с помощью специального короба-вставки.

Рис. 4.1. Лабораторный лоток для проведения эксперимента (общий вид с основными размерами)

Для уменьшения возникающих деформаций выгибов стенок в результате заполнения лотка эквивалентным материалом и появления распорных усилий в местах возможного возникновения деформаций предусмотрены специальные стяжные. Расчётами установлено, что стяжные болты оказывают минимальное воздействие на полученные в ходе эксперимента результаты.

Эквивалентный материал (который в условиях эксперимента имитирует связный грунт) представляет собой смесь сухого песка средней крупности с машинным маслом, плотностью 900 кг/м3. Объёмный вес полученной смеси составил 14.7 кН/м3. Остальные прочностные характеристики эквивалентного материала - удельное сцепление с и угол внутреннего трения грунта , определены при помощи стандартных испытаний на сдвиговом приборе ВСВ-25 после предварительной процедуры специального уплотнения. В результате значение с составило 0.491 кПа, а значение = 14. Для определения величины коэффициента бокового давления использован метод Карла Терцаги [114] и получено значение 0 = 0.75.

Для создания модели фундамента, в соответствии с ранее принятым условием, используется жёсткий штамп прямоугольной формы, выполненный из бетона класса В30 с удельным весом = 20 кН/м3, размерами 50x200x105 мм, массой 2.3 кг, см. рис. 4.2а.

На верхней грани жёсткого штампа размещен специальный весовой датчик давления (тензодатчик) МП 300 ВЖА 24/ХМ 21, подключенный к индикатору, представляющему собой электронное табло. (рис. 4.2б). Максимальная нагрузка, передаваемая на тензодатчик составляет 100 кг, а точность измере-ния– 1 г. Калибровка датчика производилась дважды, первый раз на заводе-изготовителе, второй непосредственно в условиях лаборатории. Чтобы избежать попадания мелких частиц эквивалентного материала в тензодатчик, он покрывается двойным слоем полиэтиленовой плёнки.

Поверх тензодатчика устанавливается контейнер для засыпки свинцовой дроби, служащий для задания внешней нагрузки на жёсткий штамп, имитирующий фундамент (рис. 4.2в). Этот контейнер представляет собой прямоугольный короб, выполненный из органического стекла, толщиной 6 мм, и тонкого непрозрачного пластика, весом 150 г, высотой 200 мм, полностью совпадающий в плане с размерами тензодатчика. Известно, что свинец - тяжёлый материал со средней плотностью 11.3 кг/дм3, поэтому для контроля нагружения использована свинцовая дробь диаметром 2.5-2.75 мм.

Суммарный вес жёсткого штампа, датчика давления, контейнера и свинцовой дроби, делённый на площадь штампа, и будет определять значение равномерно распределенной нагрузки qр, передаваемой на основание модели фундамента. в) Рис. 4.2. Основные лабораторные приспособления: жесткий штамп (а), датчик давления (тензодатчик) и электронный индикатор (б), контейнер для свинцовой дроби и свинцовая дробь (в)

Взаимное расположение круглой выработки и заглублённого фундамента определяется по схеме на рис. 4.3. Схема взаимного месторасположения подземной выработки и фундамента где R – радиус-вектор, – угол, определяющий отклонение радиуса-вектора от оси симметрии фундамента, d – глубина заложения фундамента, Hз – глубина заложения выработки, определяемая как Hз = d +Rcos, q – равномерно распределённая нагрузка.

Сформированная модель подработанного основания заглублённого ленточного фундамента в лабораторном лотке, представлена на фотографии (рис. 4.4).

Как сказано выше, целью экспериментов являлось определение интенсивности равномерно распределённой нагрузки qp, при которой происходит потеря устойчивости подземной выработки круглого сечения, расположенной в активной зоне заглублённого фундамента.

Создание модели горизонтальной выработки в системе «фундамент – основание – подземная выработка» проводится в следующий последовательности. Сначала в квадратное отверстие на передней стенке лотка устанавливается пластина с круглым вырезом диаметром 90 мм, жёстко фиксируемая болтами в специальных креплениях. В отверстие на пластине вставляется цилиндрический короб-вставка, формирующая подземную выработку. Затем послойно и равномерно укладывается эквивалентный материал, слоями толщиной 100 мм. Каждый слой подвергался уплотнению при помощи специальной трамбовки по отработанной технологии так, чтобы сдвиговые характеристики эквивалентного материала соответствовали установленным выше значениям. Когда отметка заложения подошвы жёсткого штампа достигнута, в соответствии с данным на рис. 4.4., в лоток помещался деревянный брусок, размеры которого в плане соответствуют геометрическим характеристикам штампа, а по высоте - глубине его заложения. Далее, с каждой стороны установленного бруска укладывались слои эквивалентного материала с последующим уплотнением, пока не достигался уровень дневной поверхности. Важно, что после укладки каждого слоя делалась пауза в 30 минут для перераспределения напряжений. После завершения формирования модели деревянный брусок извлекался из лотка, а на его место помещался жёсткий штамп, поверх которого устанавливался тензодатчик и контейнер для свинцовой дроби. Окончательно сформированная модель выдерживалась не менее 6 часов.

После завершения процесса «выдержки» через отверстие в пластине извлекался цилиндрический короб-вставка, в результате чего формировалась горизонтальная круглая выработка (рис. 4.5).