Лекция №8. Определение нагрузок на сооружения, возводимые горными способами.

Нагрузки от локальных вывалов и при сплошном сводообразовании.

Под нагрузкой на конструкцию подземных сооружений от сил горного давления следует понимать силовые воздействия со стороны окружающего породного массива. Из приведенного определения следует, что понятия «горное давление» и «нагрузка на крепь» не адекватны. К сожалению, в горнотехнической литературе до сих пор допускают отождествление этих понятий.

Определение этих нагрузок составляет специфику проектирования подземных сооружений: нагрузки от сил горного давления на стадии проектирования могут быть определены только в результате анализа механических процессов в окружающем породном массиве. Исходная информация для такого анализа, как правило, недостаточна.

Поэтому оценки нагрузок независимо от метода их определения (на основе нормативных рекомендаций или специальных исследований) получаются весьма приближенными. Более того, в большинстве случаев оценки нагрузок могут быть получены только в результате анализа деформированного состояния крепей или обделок, т. е. не могут быть заданы до начала расчета, как это имеет место при проектировании конструкций наземных сооружений.

Режимы взаимодействия конструкций подземных сооружений с массивами горных процессов тесно связаны с реализациями механических процессов в массивах. Эти реализации, в основном, проявляются в виде вывалов пород (локальное вывалообразование, сплошное сводообразование) или их деформирования без разрывов сплошности (без вывалов). В первой случае обычно имеем режим заданной нагрузки, а во втором — взаимовлияющей или заданной деформации.

Рассмотрим процесс формирования нагрузки на конструкции подземных сооружений при вывалообразовании. Наблюдаемое при строительстве подземных сооружений обрушение пород кровли с образованием сводов различной конфигурации и размеров послужило причиной появления большого числа гипотез, объясняющих механизм этого явления, получивших в горнотехнической литературе название «гипотезы горного давления».

Следует отметить, что по общности исходных предпосылок все они могут быть отнесены, как минимум, к пяти большим группам.

В гипотезах первой группы (В. Риттер, Ф. Энгессер, О. Коммерель, М. Протодьяконов и др.) вывалообразование считается результатом действия сил тяжести пород в объеме свода обрушения. Во второй группе гипотез (А. Динник, Ж. Ержанов и др.) ответственными за сводообразование считываются растягивающие напряжения. Гипотезы третьей группы объясняют появление свода обрушения в условиях упругосжатого контура (Ф. Мор, К. Ирвинг, А. Айзаксон, Г. Черепанов), а в четвертой группе гипотез полагается, что свод обрушения есть результат образования вокруг выработки области неупругих деформаций (А. Лабасс, К. Руппенейт, Ю. Либерман). И, наконец, в гипотезах пятой группы (К. Терцаги, В. Слесарев, Н. Покровский и др.), качественная и количественная оценка процесса вывалообразования основывается на данных практических наблюдений.

Не вдаваясь в подробный анализ достоинств и недостатков гипотез сводообразования, отметим, что некоторые из них сыграли важную роль в развитии вопросов горного давления, а гипотеза проф. М. М. Протодьяконова до сих пор используется в расчетных схемах определения нагрузки на подземные сооружения неглубокого заложения.

Тот факт, что в рассмотренных гипотезах механизм сводообразования трактуется по-разному, не случаен и объясняется разнообразием причин этого явления. В зависимости от конкретных условий строительства подземных сооружений сводообразование может быть вызвано как обрушением пород от собственного веса, так и в результате их разрушения сжимающими или растягивающими напряжениями. Однако, различные причины вывалов пород взаимосвязаны, что позволяет объяснить их природу, исходя из общих положений учения о механических процессах в породных массивах.

Из существующих методов определения нагрузки от локальных вывалов наиболее удобным является метод упругого наложения. Сущность данного метода состоит в том, что напряжения, определяемые из решения для упругой модели массива, ослабленного выработкой определенной формы поперечного сечения, сопоставляются с прочностью вмещающих пород. Области, и пределах которых условие прочности не выполняется, считаются разрушенными. Хотя этот метод и является, приближенным, т. к. не учитывает изменение напряженного состояния за пределами области разрушения, однако, как показывают исследования, при сравнительно небольших размерах областей разрушения (что характерно для локального вывалообразования) он дает удовлетворительную для инженерных расчетов точность. К достоинствам метода следует отнести вполне ясную его физическую основу и простоту расчетных формул и др.

Рис. 1. Расчетная схема к определению нагрузки на крепь от локального вывала в однородном массиве.

Площадь вывала s определится из выражения

Нагрузка от веса породы в расчете на площадь поверхности крепи, имеющей единичный размер по продольной оси, составит

P = g×s