Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы мониторинга жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых 11
1.1. Особенности применения жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых 11
1.2. Состояние проблемы прогнозной оценки усталостной прочности и долговечности жестких покрытий карьерных дорог 15
1.3. Состояние проблемы оценки морозостойкости цементобетонов 21
1.4. Геофизические методы мониторинга жестких покрытий
карьерных дорог 27
1.5. Выводы и постановка задач исследований 31
2. Разработка кинетической модели импульсного электромагнитного излучения микротрещин при нагружении жестких покрытий карьерных дорог 35
2.1. Механизмы образования заряда движущихся трещин 35
2.2. Кинетика разрушения твердых тел 39
2.3. Кинетическая модель излучения электромагнитных импульсов при различных условиях нагружения твердых тел и разных режимах изменения температуры 45
2.4. Долговечность образцов жестких покрытий карьерных дорог при циклических изменениях температуры и действующих напряжений 51
2.5. Определение кинетических констант разрушения 52
2.6. Морозостойкость образцов жестких покрытий карьерных дорог при циклических изменениях температуры и действующих напряжений 54
2.7. Выводы по второй главе 59
3. Лабораторные исследования долговечности и морозостойкости образцов жестких покрытий карьерных дорог 51
3.1. Лабораторная установка 51
3.2. Образцы материалов для испытаний 67
3.3. Методика лабораторных испытаний образцов жестких покрытий карьерных дорог 71
3.4. Методика оценки морозостойкости материалов жестких покрытий карьерных дорог 72
3.5. Оценка долговечности жестких покрытий карьерных дорог 73
3.6. Оценка морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог 74
3.7. Анализ полученных результатов 74
3.8. Проверка адекватности кинетической модели импульсного электромагнитного излучения экспериментальным данным 85
3.8.1 Проверка адекватности модели оценки долговечности жестких покрытий карьерных дорог экспериментальным данным 85
3.8.2 Проверка адекватности модели оценки морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог экспериментальным данным 87
3.9. Выводы по третьей главе 90
4. Разработка и внедрение метода геофизического мониторинга жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых 91
4.1. Прогноз долговечности жестких покрытий карьерных дорог при различных условиях их эксплуатации 91
4.2. Пример прогноза долговечности жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых 102
4.3. Практическая реализация результатов исследований 105
4.4. Выводы по четвертой главе 106
Заключение 108
Список литературы
- Состояние проблемы прогнозной оценки усталостной прочности и долговечности жестких покрытий карьерных дорог
- Кинетика разрушения твердых тел
- Методика лабораторных испытаний образцов жестких покрытий карьерных дорог
- Пример прогноза долговечности жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых
Введение к работе
Актуальность работы. Рост добычи полезных ископаемых открытым способом неразрывно связан с совершенствованием и эффективностью работы карьерного автотранспорта. 40-70% трудоёмкости, энергоёмкости и себестоимости добычи полезных ископаемых приходится на перемещение горной массы. При этом эффективность работы карьерного автотранспорта непосредственно зависит от качества и долговечности подъездных дорог и их основного элемента - дорожной одежды. Повышение качества дорожного покрытия снижает расходы транспортирования горной массы на 15-К35%.
Особенностью условий эксплуатации карьерных дорог при разработке полезных ископаемых является высокая грузоподъемность автотранспорта (от 27 до 180 тонн) и небольшие скорости движения (около 20 км/ч).
Строительство на горных предприятиях автомобильных дорог с прочным и долговечным покрытием должно отвечать весовым, габаритным и скоростным характеристикам карьерного автотранспорта. Этому, как показывает отечественный и мировой опыт, в наибольшей степени отвечают цементобе-тонные покрытия, обладающие по сравнению с покрытиями, построенными с применением органических вяжущих, стабильными транспортно-эксплуатационными показателями и высокой долговечностью.
Карьерные дороги с жесткими покрытиями широко применяют практически на всех горных предприятиях США, Канады, Австралии. В России такие дороги были построены на Ковдорском и Оленегорском ГОКах, на угольных и алмазных карьерах Республики Саха, Холбольджинском угольном разрезе (Бурятская республика), на Ингулецком ГОКе, Михайловском, Лебединском и Гайском карьерах.
Однако повсеместное внедрение карьерных дорог с жестким покрытием в России сдерживается рядом факторов. Как показала практика, их долговечность существенно не отличается от срока службы дорог с традиционным покрытием. Причина этого — сложные природно-климатические факторы, особенно в уело-
5 виях Севера и Сибири, большие осевые нагрузки, отсутствие оперативного и надежного мониторинга за текущим состоянием покрытия.
Подъездная карьерная дорога является природно-техническим объектом, имеющим слоевую структуру, состоящую, как правило, из жесткого покрытия, промежуточного песчано-гравийного, щебеночного или песчаного слоя и подстилающего слоя горных пород различного состава. Свойства этих слоев определяют величину растягивающих напряжений, возникающих при перемещении горной массы, и возможность пучения жесткого покрытия в зимних условиях при высокой влажности промежуточного и подстилающего слоя. Для надежного прогноза долговечности дороги необходимо проводить мониторинг влажности пород основания, температуры покрытия, частоты движения транспорта при перемещении по дорогам горной массы, его грузоподъемности и микронарушений структуры жесткого покрытия дорог.
Существующие методы мониторинга дорожного покрытия являются весьма трудоемкими и дорогостоящими и не могут с хорошей точностью ответить на главный вопрос - как долго оно будет служить без существенных повреждений при разработке полезных ископаемых.
В связи с вышесказанным, разработка надежного и оперативного метода геофизического мониторинга карьерных дорог с жестким покрытием при разработке полезных ископаемых является актуальной научной задачей.
Настоящая работа содержит результаты исследований, выполненных автором в период 1999-2002 гг. в соответствии с заказом администрации Кемеровской области по темам НИР № 102 -99/27, №102/2000, №144ЭТН, №309/2001/89-У.
Цель работы. Разработка и обоснование метода геофизического мониторинга карьерных дорог с жестким покрытием при разработке полезных ископаемых, обеспечивающего учёт влияния горнотехнических условий, нагрузки от карьерного автотранспорта, сезонных колебаний температуры,
физико-механических параметров покрытия и породных слоев дороги, существенно снижающего трудоёмкость контроля.
Идея работы состоит в использовании закономерностей излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) при накоплении микроповреждений структуры жестких покрытий дорожных одежд в сложных неизотермических условиях нагружения при перемещении горной массы для прогноза их долговечности и морозостойкости.
Задачи исследований:
разработать кинетическую модель излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) при накоплении микротрещин в жестких покрытиях карьерных дорог в условиях сложного неизотермического режима их нагружения тяжелым карьерным транспортом;
на основе кинетической модели ЭМИ разработать метод оценки кинетических констант разрушения материалов покрытий, оценить влияние кинетических констант разрушения, колебаний температуры, частоты и амплитуды нагружения на долговечность и морозостойкость жесткого покрытия карьерных дорог;
разработать метод геофизического мониторинга жестких покрытий карьерных дорог в условиях реальной их эксплуатации, учитывающий влияние физико-механических свойств слоев дороги, изменение температуры, режим перемещения горной массы и свойства материала покрытия.
Методы исследований:
геофизическая модель кинетики излучения электромагнитных импульсов материалом покрытия карьерных дорог была построена путем аналитических исследований с использованием методов физики твердого тела, горной геофизики и кинетической теории прочности твердых тел;
оценка связи долговечности и морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог с кинетическими константами разрушения материала, частотой и амплитудой действующей нагрузки, механической прочностью
7 материала, технологическими дефектами его структуры и изменениями температуры, выполнена на основе регистрации и анализа импульсного электромагнитного излучения при накоплении микроповреждений структуры в лабораторных условиях;
- результаты лабораторных и натурных испытаний обрабатывались с ис
пользованием методов математической статистики на базе современной
электронно-вычислительной техники.
Научные положения, защищаемые автором:
кинетика импульсного электромагнитного излучения жестких покрытий карьерных дорог при их нагружении определяется частотой проездов, амплитудой действующей нагрузки, кинетическими константами разрушения материала и изменениями температуры покрытия;
метод нахождения кинетических констант разрушения отличается от известных тем, что материал жестких покрытий карьерных дорог нагружается циклически со скоростью, близкой к реальной скорости нагружения перемещающимся транспортом, регистрируется процесс излучения коротких электромагнитных импульсов на первых десятках циклов и на этой основе определяются энергия активации разрушения и активационный объем материала;
геофизический мониторинг жестких покрытий карьерных дорог состоит в измерении влажности пород основания, регистрации частоты движения транспорта и его грузоподъемности, измерении температуры слоев дороги, отборе из покрытия кернов цилиндрической формы, циклическом их нагружении в лабораторных условиях, нахождении на этой основе кинетических констант разрушения материала и амплитуды температурных микронапряжений в нем, а также в последующем аналитическом прогнозе остаточного ресурса долговечности и морозостойкости покрытия при разработке полезных ископаемых.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке кинетической модели излучения электромагнитных им
пульсов жестких покрытий карьерных дорог, учитывающей реальную частоту
проездов, амплитуду действующей нагрузки, механическую прочность материала слоев дороги, технологические дефекты его структуры и изменение температуры;
в разработке основанного на регистрации ЭМИ метода оценки кинетических констант разрушения материалов жесткого покрытия и установлении связи его морозостойкости и долговечности с кинетическими константами, колебаниями температуры, частотой и амплитудой нагружения;
в разработке на основе регистрации ЭМИ метода геофизического мониторинга карьерных дорог с жестким покрытием в условиях их реальной эксплуатации при разработке полезных ископаемых.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением классических методов горнопромышленной геофизики, физики твердого тела, кинетической теории прочности и известных методов численного анализа; использованием известных методов измерения исследуемых величин и серийно выпускаемых датчиков и приборов, прошедших метрологический контроль; применением статистических критериев для оценки адекватности экспериментальных данных модельным представлениям; достаточным объёмом лабораторных исследований; положительными результатами опытного внедрения результатов исследований.
Личный вклад автора заключается:
в разработке кинетической модели ЭМИ и оценке связи кинетики излучения импульсов с морозостойкостью и долговечностью материалов жестких покрытий карьерных дорог;
в подготовке и проведении экспериментальных исследований образцов материалов дорожного покрытия;
- в разработке численных методов обработки экспериментальных дан
ных;
- в разработке методических указаний по применению метода электромагнитного излучения для оценки кинетических констант разрушения материалов и прогнозу долговечности и морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог.
Научное значение работы. Установлена функциональная связь между показателями долговечности и морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог и физико-механическими параметрами их слоев - температурой, влажностью, кинетическими константами разрушения, действующими в покрытии напряжениями и частотой проездов большегрузных автомобилей.
Практическая ценность. Разработан экспресс-метод геофизического мониторинга и нормативно- методические материалы по оценке кинетических констант разрушения, долговечности и морозостойкости жестких покрытий карьерных дорог при проектировании, строительстве и эксплуатации карьерных дорог.
Результаты исследований отражены в отраслевом нормативном документе, утвержденном ООО «Фэцит», методических разработках, применяемых в учебном процессе.
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в нормативный руководящий документ «Методические указания по использованию экспресс-метода оценки кинетических констант разрушения цементобетонов для прогноза долговечности цементобетонных покрытий при проектировании, строительстве и эксплуатации дорог». Данные указания были приняты к внедрению фирмой ООО «Фэцит», занимающейся проектированием и строительством дорог в Российской Федерации и странах СНГ.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров специальности «Физические процессы горного производства».
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях
10 студентов, аспирантов, преподавателей КузГТУ (г. Кемерово, 1999-2005); на V Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2002); на 2-й областной конференции молодых ученых «Молодые ученые - Кузбассу» (Кемерово, 2002); на «Неделе горняка» (Москва, 2001, 2006); на Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения надежности и долговечности автомобильных дорог и искусственных сооружений на них» (Барнаул, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, содержит список литературы из 130 наименований, 15 таблиц, 16 рисунков и приложения на 1 стр.
Автор выражает особую благодарность к.т.н., доц. Афиногенову О.П. за помощь при выполнении экспериментальных исследований, а также к.т.н., доц. Должикову А. И. и к.т.н., доц. Журавелю А.А. за полезное обсуждение результатов.
Состояние проблемы прогнозной оценки усталостной прочности и долговечности жестких покрытий карьерных дорог
Жесткие покрытия карьерных дорог работают под воздействием циклических нагрузок от транспортных средств, поэтому их долговечность в значительной степени определяется усталостной прочностью материала покрытия.
Вопрос о том, как влияют повторные нагрузки на работу покрытий, обстоятельно изучался во многих странах, но наиболее важными считаются исследования по программе AASHO [21]. В результате испытаний жестких дорожных одежд были получены зависимости между толщиной покрытия и количеством проходов автомобилей различной массы при фиксированном зна-чении показателя растрескивания (С=30 м/100 м ): IgN = 5,438 -2,621g - + 4,84 -lg—, (1.1) 0,454 2,54 где N - число проходов расчётной нагрузки, Р - величина нагрузки, b - толщина плиты.
Показатель растрескивания С - это отношение общего протяжения трещин всех классов на покрытии к площади покрытия. Критерий С - условный показатель, его величина (30 м трещин на 100 м покрытия) установлена произвольно. В общем случае она может существенно меняться в зависимости от назначения и уровня капитальности дороги, характера движения по ней, местных условий и должна назначаться на основании технико-экономического анализа. Очевидно, что зависимость (1.1) применима, если климатические и грунтовые условия нагрузки близки к имевшим место при испытаниях по программе AASHO.
Н.Н. Иванов предложил учитывать повторность приложения нагрузок (проездов) коэффициентом усталости: K = f(m,lgN), (1.2) где m - коэффициент пластичности материала; N - число повторений расчетной нагрузки [22]. А.П. Синицыным и Г.И. Глушковым [23] для жестких покрытий рекомендовано в расчеты вводить коэффициент повторности, зависящий от количества приложений расчетной нагрузки и опытного параметра - кп, определяемого по результатам испытаний дорожных одежд: kn=l + z-lgN, (1.3) где кп - коэффициент повторности, равный отношению прогиба покрытия после расчётного количества проходов (N) к прогибу покрытия после первого прохода; z - коэффициент, характеризующий процесс накопления деформаций в покрытиях различных конструкций.
Высокая стоимость и трудоемкость экспериментов не позволили получить необходимые для практики значения параметра кп. Кроме того, с учетом разнообразия природных условий нашей страны, данный путь оценки усталостной прочности бетона дорожных одежд вряд ли можно считать рациональным. В связи с этим, после получения качественной картины работы цементобетона под действием транспортных нагрузок, усилия ученых были направлены на лабораторные исследования [24-26].
Изучение прочностных и деформационных свойств бетона при воздействии динамических и переменных нагрузок проводится во всем мире в расширяющихся масштабах с начала 1900 г., и, тем не менее, до сего времени единая теория усталостной прочности бетона не разработана. Это объясняется сложностью и большой неоднородностью структуры бетона, зависимостью его свойств от большого числа факторов. Ситуация усугубляется отсутствием общепринятых методик испытаний и разнообразием испытательного оборудования. Поэтому результаты исследований усталостной прочности бетона характеризуются значительным разбросом, нередко противоречат друг другу, что затрудняет их анализ. Тем не менее, накопленные экспериментальные данные позволили установить ряд общих закономерностей, они рассмотрены ниже на основе работ [27, 28].
Анализ большого числа опытных данных выполнен в работе [29], на его основе предложена следующая формула для коэффициента снижения прочности (Кр): К0=1,5 + 0.85л/р3 1 + 0,185-lgN (1.4) где N - число циклов нагружения; р = тш - коэффициент асимметрии цикла атах (характеристики цикла); атт и атах - минимальное и максимальное напряжения цикла. Имеющиеся данные показывают, что переменные нагрузки вызывают интенсивное развитие пластических деформаций бетона. При этом, если не превышен определенный уровень напряжений, составляющий примерно 0,5 статической прочности, пластические деформации быстро затухают, и бетон начинает вести себя как упругий материал. Установлено, что во всех случаях разрушение имеет тот же характер, что и при статических нагрузках.
По мнению О.Я. Берга существует уровень напряжений, выше которого начинается образование и развитие микротрещин. Это явление сопровождается резким изменением коэффициента поперечных деформаций: прод (1.5) где Лспопер и Лєпрод - приращение поперечной и продольной относительных деформаций.
Процесс микротрещинообразования начинается задолго до разрушения бетона, и нижняя граница его Kj характеризуется значениями v = 0,3-0,4. О.Я. Берг высказал предположение, что граница RT соответствует пределу выносливости бетона Rnp и предложил определять Rnp однократным нагружением по достижении v = 0,5. При v = 0,5 трещины обнаруживаются визуально [30]. В дальнейшем удалось обнаружить появление микротрещин при значительно меньших напряжениях.
Кинетика разрушения твердых тел
Одним из главных этапов в развитии физических представлений о разрушении твердых тел явился переход от рассмотрения тел как упругих или вязко-упругих сплошных сред к рассмотрению их как атомно-молекулярных систем. Именно этот переход создал возможность расчета величины физической прочности твердых тел на основе теории сил межатомного и межмолекулярного сцепления [35, 57, 96, 97].
Второй важный этап в развитии физических представлений о прочности, вслед за учетом атомного строения тел, заключается в учете влияния теплового движения атомов в твердом теле на развитие разрушения. Переход к этапу уче та теплового движения был связан, в частности, с накоплением экспериментальных данных о свойствах «пределов» прочности и текучести, когда было выяснено, что эти «пределы» нестабильны. Это стало особенно очевидным при изучении механических свойств твердых тел при высоких температурах, в широком диапазоне изменения скоростей нагружения, при периодических и вибрационных нагрузках и т. д [36].
Наличие теплового движения атомов существенно меняет задачу. В этом случае с внешней силой взаимодействует уже не статическая система связанных атомов, а система частиц, каждая из которых находится в колебательном тепловом движении, в результате которого происходят изменения локальных напряжений межатомных связей. Особо же важную роль для межатомных взаимодействий в теле может играть неравномерность теплового движения-энергетические флуктуации, являющиеся следствием хаотичности теплового движения. При этом отдельные атомы приобретают кинетическую энергию во много раз большую, чем средняя, а в меру превышения энергии возрастают и тепловые растягивающие усилия на связях.
Из сказанного следует, что наряду с чисто механическим способом разрыва межатомных связей, при котором рассоединение атомов осуществляется целиком за счет внешнего воздействия, когда уровень внешней силы достигает предельной величины, равной прочности межатомной связи (отсюда и выводился предел прочности), существует и другой, смешанный способ разрушения. В этом случае рассоединение атомов осуществляется при нагрузках, меньших прочности межатомных связей, причем окончательный разрыв напряженных межатомных связей осуществляют тепловые флуктуации. Учет разрушающей роли теплового движения, тепловых флуктуации составляет основное содержание кинетического подхода к проблеме прочности твердых тел. Влияние временного фактора на прочность, найденное в опытах С.Н. Журкова [48], трудно совместить с представлением о разрыве, который наступает критическим образом.
Реальное развитие представлений о кинетическом разрушении началось с появления систематических исследований С.Н. Журкова и его сотрудников, начатых в 1952 г. Именно Журковым в первой же публикации на эту тему [56] были наиболее четко отмечены противоречивость между статическим подходом к проблеме прочности, фактом температурно-временнои зависимости прочности и указана необходимость перехода от общепринятой статической концепции прочности к новой, кинетической. Начиная с 1952 г. в лаборатории физики прочности ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР были организованы систематические исследования температурно-временнои зависимости прочности твердых тел и этим заложено начало серьезного развития кинетической концепции прочности.
Систематическое изучение кинетической природы разрушения твердых тел началось лишь в 1950 году. Результаты этих работ привели к коренному изменению всей системы взглядов на явление механического разрушения и изменили представления о природе прочности твердых тел. Оказалось, что внешняя сила сама не осуществляет разрыва межатомных связей, а лишь активирует процесс разрушения. Стало ясным, что разрушение тел является термофлуктуационным процессом и что его нельзя характеризовать, используя понятия о «пределе прочности».
С.Н. Журковым был сформулирован физический принцип прогнозирования разрушения объекта, находящегося в поле механических сил, исходя из представлений термофлуктуационной теории прочности твердых тел [57].
Методика лабораторных испытаний образцов жестких покрытий карьерных дорог
Первая группа образцов. Первая группа образцов на втором и третьем этапах (2000-2002г.) испы-тывалась по методике п. 3.3 путём циклического нагружения образцов с постоянной скоростью до полного их разрушения.
На первом этапе проведения испытаний (1999-2000г.) каждый образец помещался в экранируемую ячейку, где размещалась антенна и термопара для измерения изменений температуры в процессе испытаний образцов (см. рис.3 Л). Затем образец нагружался с постоянной скоростью a = const вплоть до его разрушения. Испытания проводили при четырех значениях температуры образца Ть Т2, Т3 и Т4. Для этого образцы выдерживались в течение 4 часов при температуре Ті=-10С, Т2=-15С, Т3=-20С, Т4=-25С в морозильном шкафу, а затем помещались в ячейку и разрушались под прессом.
В процессе нагружения образцов регистрировали с интервалом 5-10 с. число импульсов ЭМИ - N;, текущее время -1,, нагрузку - Pj, время до полного разрушения - tp, полное число импульсов - N , накопленных в процессе испытаний, размеры образца (это делается до испытания), форму импульсов, среднее время нарастания фронта импульса - т„, среднее время релаксации импульса — Хр, амплитуду импульсов А (среднюю).
Вторая группа образцов. На втором и третьем этапах для второй группы образцов определялась морозостойкость нормативным методом [40]. Вторая группа на первом этапе лабораторных исследований (1999-2000г.) испытывалась по ускоренной методике ГОСТа. На всех этапах данные процесса лабораторных испытаний заносились в лабораторный журнал.
Исходя из кинетической модели ЭМИ при циклическом нагружении с постоянной скоростью ранее были получены расчётные формулы для нахождения кинетических констант разрушения. Кинетические константы разрушения находятся из условия минимума суммы квадратов отклонений теоретических значений (2.32) от экспериментальных точек кинетической кривой ЭМИ.
В п.2.5 была получена система уравнений для нахождения кинетических констант разрушения, из решения которой (см. формулы 2.41-2.42) были найдены энергия активации разрушения (UQ) и активационный объём (у) для каждого испытанного образца. С целью проверки адекватности предложенной модели экспериментальным данным по формуле (2.31) была рассчитана циклическая долговечность для каждого образца. В дальнейшем вычислялись средние значения UQ и у для каждой серии материала жесткого покрытия.
Обработка результатов эксперимента осуществлялась в следующем порядке. По результатам записи кинетической кривой накопления микроповреждений структуры для каждого образца по формулам (2.41)-(2.42) определяли энергию активации разрушения и активационный объём. Затем, использовали экспериментальные значения морозостойкости, полученные по ГОСТу и найденные кинетические константы разрушения каждой серии бетона находились число микроповреждений структуры образцов, накопленных к моменту 5%-ой потери их прочности - г, и амплитуда внутренних микронапряжений - ад (см. формулы 2.56, 2.58, 2.59).
В дальнейшем полученные значения г и G считались константами для каждой серии материала и использовались при определении его морозостойкости по формуле (2.48).
Лабораторная установка (см. п.3.1) позволяет регистрировать широкий спектр электромагнитного излучения, давая представление о форме, размере и количестве импульсов. На основании этого нами отслеживалась кинетика накопления микроповреждений в каждом образце. На рисунке 3.6 и 3.7 показана типичная кинетическая кривая импульсов ЭМИ, соответствующая кинетике накопления микроповреждений при однократном нагружении образца цементобетона до полного его разрушения. Как видно из рисунка, построенная по формуле (2.32) кинетическая кривая импульсов ЭМИ при нагружении образцов жестких покрытий карьерных дорог хорошо соответствует экспериментально зарегистрированной кинетике их выделения.
Пример прогноза долговечности жестких покрытий карьерных дорог при открытой разработке полезных ископаемых
Метод геофизического мониторинга жестких покрытий карьерных дорог сформулирован в методических рекомендациях [125]. Решение задачи геофизического мониторинга влияния перемещения горной массы на жесткие покрытия дорожных одежд при открытой разработке полезных ископаемых основывается на разработанной модели прогноза долговечности и морозостойкости материалов, представленной во 2-й главе. Мониторинг позволяет прогнозировать долговечность верхнего жесткого слоя дороги с учетом влияния влажности слоев, их температуры, частоты движения и грузоподъемности движущегося транспорта, нагрузки на полотно дороги и физико-механических свойств подстилающих слоев.
Большое воздействие на прочность и долговечность дорожного покрытия помимо механических характеристик материала покрытия и влияния перемещения горной массы оказывают модули упругости и коэффициенты Пуассона грунта, земляного полотна и всех слоев дорожной одежды. Все эти расчетные параметры существенно зависят от их влажности, плотности и температуры [126]. В результате сложных процессов перемещения влаги в земляном полотне происходит постоянное изменение состояния грунта, что приводит к изменению его основных деформационных и прочностных характеристик [127]. Наибольший интерес, с точки зрения прогноза долговечности, представляет процесс изменения модуля упругости земляного полотна [127, 128]. Изучение этого процесса позволяет значительно повысить надежность прогноза. Значительное влияние также оказывают температурные воздействия [7]. Мониторинг включает в себя следующие этапы.
1) Измерение температуры. Оно осуществляется при помощи термометров с автоматической регистрацией температуры, либо по данным метеорологических служб. Регистрируется изменение температуры в течение года. График годовых температурных колебаний для г. Кемерово, зафиксированных с периодичностью 6 часов, приведен на рисунке 4.1. (по данным фонда безопасности окружающей природной среды (ФОБОС), при техническом и технологическом содействии НПЦ Мэп Мейкер (лицензия Росгидромета Б 420458 от 25 января 2002 г.)). При отсутствии данных или с целью упрощения расчёта можно использовать среднемесячную температуру (табл. 4.1) [129].
2) Наблюдения за перемещением горной массы. Оно осуществляется путем регистрации частоты проездов автомобилей, скорости движения и величины прилагаемой к полотну дороги нагрузки. Это осуществляется путем непрерывной регистрации, периодического сбора информации (наблюдение в течение 1 часа, 1 суток) либо, в случае если движение подчиняется фиксированному технологическому графику- путем расчета.
3) Оценка состояния покрытия, проводимая путем регулярного (ежегодного) отбора проб с последующим испытанием их в лабораторных условиях приведенным в третьей главе способом с целью определения кинетических констант разрушения материала покрытия. С этой целью из покрытия выбуривается статистически представительная серия образцов цилиндрической формы (порядка 12-4-15 образцов). 3 образца испытываются на прочность в соответствии с ГОСТ 10180-90 [120]. Если оценка состояния покрытия данной серии бетона проводится впервые, то 3 образца испытываются по одной из методик ГоСТа [40] для определения морозостойкости и с целью нахождения амплитуды
Метод геофизического мониторинга жестких покрытий карьерных дорог сформулирован в методических рекомендациях [125]. Решение задачи геофизического мониторинга влияния перемещения горной массы на жесткие покрытия дорожных одежд при открытой разработке полезных ископаемых основывается на разработанной модели прогноза долговечности и морозостойкости материалов, представленной во 2-й главе. Мониторинг позволяет прогнозировать долговечность верхнего жесткого слоя дороги с учетом влияния влажности слоев, их температуры, частоты движения и грузоподъемности движущегося транспорта, нагрузки на полотно дороги и физико-механических свойств подстилающих слоев.
Большое воздействие на прочность и долговечность дорожного покрытия помимо механических характеристик материала покрытия и влияния перемещения горной массы оказывают модули упругости и коэффициенты Пуассона грунта, земляного полотна и всех слоев дорожной одежды. Все эти расчетные параметры существенно зависят от их влажности, плотности и температуры [126]. В результате сложных процессов перемещения влаги в земляном полотне происходит постоянное изменение состояния грунта, что приводит к изменению его основных деформационных и прочностных характеристик [127]. Наибольший интерес, с точки зрения прогноза долговечности, представляет процесс изменения модуля упругости земляного полотна [127, 128]. Изучение этого процесса позволяет значительно повысить надежность прогноза.
Значительное влияние также оказывают температурные воздействия [7]. Мониторинг включает в себя следующие этапы.
1) Измерение температуры. Оно осуществляется при помощи термометров с автоматической регистрацией температуры, либо по данным метеорологических служб. Регистрируется изменение температуры в течение года. График годовых температурных колебаний для г. Кемерово, зафиксированных с периодичностью 6 часов, приведен на рисунке 4.1. (по данным фонда безопасности окружающей природной среды (ФОБОС), при техническом и технологическом содействии НПЦ Мэп Мейкер (лицензия Росгидромета Б 420458 от 25 января 2002 г.)). При отсутствии данных или с целью упрощения расчёта можно использовать среднемесячную температуру (табл. 4.1) [129].
2) Наблюдения за перемещением горной массы. Оно осуществляется путем регистрации частоты проездов автомобилей, скорости движения и величины прилагаемой к полотну дороги нагрузки. Это осуществляется путем непрерывной регистрации, периодического сбора информации (наблюдение в течение 1 часа, 1 суток) либо, в случае если движение подчиняется фиксированному технологическому графику- путем расчета.
3) Оценка состояния покрытия, проводимая путем регулярного (ежегодного) отбора проб с последующим испытанием их в лабораторных условиях приведенным в третьей главе способом с целью определения кинетических констант разрушения материала покрытия. С этой целью из покрытия выбуривается статистически представительная серия образцов цилиндрической формы (порядка 12-4-15 образцов). 3 образца испытываются на прочность в соответствии с ГОСТ 10180-90 [120]. Если оценка состояния покрытия данной серии бетона проводится впервые, то 3 образца испытываются по одной из методик ГоСТа [40] для определения морозостойкости и с целью нахождения амплитуды внутренних микронапряжений, возникающих от расклинивающего действия влаги при замерзании в порах и микротрещинах покрытия. Остальные образцы испытываются на представленной в 3 главе установке. Образец циклически нагружается несколько десятков раз до напряжения равного 80-90% от разрушающего. При этом фиксируется текущее время ti} с интервалом 5 ч-10с; накопленное на счётчике частотомера к моменту времени tj число импульсов ЭМИ N;, шт.; текущая нагрузка Р, кН; N , шт. - максимальное число импульсов за всё время нагружения до разрушения образца. При помощи осциллографа отслеживается наличие помех.
