Выбор расчетной схемы для обоснования устойчивых параметров многоярусного штабеля

11.06.2019
На практике в качестве механико-математической основы расчетов устойчивости откосов принята теория предельного равновесия сыпучей среды. Основное условие предельного равновесия, которое принято называть обыкновенным предельным равновесием, определяется выражением
Выбор расчетной схемы для обоснования устойчивых параметров многоярусного штабеля

где т = р cosa, on = р sin a - касательное и нормальное напряжения по элементарной площадке внутри массива; f - величина коэффициента внутреннего трения, равная тангенсу угла внутреннего трения; С - сцепление.

Состояние предельного равновесия массива сыпучей среды определяется как состояние, при котором его внутренняя граница является поверхностью скольжения. В результате решение задачи о предельном равновесии сыпучей среды сводится к получению условия предельного напряженного состояния среды, когда поверхность скольжения рассчитывается по заданным граничным условиям. В результате получается область, покрытая сеткой линий скольжения (поверхности скольжения), в каждой точке которых удовлетворяется условие (3.1). Решение задачи при прочих равных факторах в значительной степени зависит от принятой модели массива, которую большинство исследователей рассматривают в качестве однородной и изотропной среды.

Такое допущение в наибольшей степени правомочно для техногенных массивов при кучном выщелачивании, которые формируются из относительно однородного по составу, размеру и физико-механическим свойствам материала. Поэтому в дальнейшем будем считать, что рассматриваемый техногенный массив однороден и изотропен.

Решение задачи по выбору расчетной схемы для обоснования устойчивых параметров откоса штабеля при кучном выщелачивании предусматривает определение сил, действующих в массиве, и выбор вид деформации, в наибольшей мере соответствующий реальным условиям.

Анализ показывает, что штабель кучного выщелачивания подвергается комбинированному воздействию гравитационных, гидравлических и сейсмических сил (внешние силы). Действию этих сил по третьему закону Ньютона противостоят внутренние силы, обусловленные внутренним сцеплением пород в массиве и коэффициентом трения частиц друг от друга. Массив находится в равновесии, если перечисленные внешние и внутренние силы в статическом состоянии равны между собой и противоположны по направлению. При этом внешние силы работают на смещение массива, а внутренние силы на сохранение его устойчивости.

Вид деформации определяется, главным образом, структурой массива и действием гравитационных сил. Как известно, нарушение устойчивости массива происходит в виде обрушения пород по поверхности скольжения. В случае отсутствия в откосе неблагоприятно ориентированных поверхностей ослабления (например, трещин и т.п.) поверхность скольжения представляет собой плавную кривую линию. Однако на практике поверхность скольжения в верхней части массива представляет собой вертикальную линию отрыва, которая переходит в наклонную линию скольжения лишь с некоторой глубины. Размеры этой вертикальной линии по глубине определяются плотностью, сцеплением и углом внутреннего трения пород. Форма и ориентация поверхности скольжения в неослабленном массиве определяется теорией предельного равновесия сыпучей среды на основе следующих основных положений.

1. Элементарные площадки скольжения возникают в массиве, если нормальная составляющая от веса горных пород на площадке составляет не менее о больше 2С Ctg(45-ф/2). Только в этом случае образуется трещина отрыва глубиной H90, переходящая затем в наклонную площадку скольжения. Условием для возникновения такой площадки скольжения является равенство:

откуда величина вертикальной трещины отрыва определяется как

где у - объемный вес пород; ф - угол внутреннего трения.

2. К направлению максимального главного напряжения элементарные площадки скольжения располагаются под углом е = 45-ф/2.

3. Наклон поверхности скольжения плавно изменяется от угла ? к вертикали в верхней части поверхности скольжения до угла е к подошве откоса в нижней части поверхности скольжения.

4. Величина зоны захвата на поверхности штабеля определяется по формуле

где H - высота откоса, м; а - угол откоса, град.

Схему деформации многоярусного штабеля можно изобразить следующим образом (рис.3.2).

Сформированный штабель представляет собой массив из однородного материала. Сцепление пород в массиве является величиной, зависящей не от высоты штабеля, а от состава и физико-химических свойств пород. От высоты штабеля зависит сила трения пород по поверхности сдвижения, которая возрастает при увеличении веса столба породы. При этом следует отметить, что глинистые породы основания более чувствительны к изменению внешней нагрузки по сравнению с измельченными породами, уложенными в штабель. В результате следует ожидать, что сопротивление сдвигу в уложенных породах будет выше сцепления в основании штабеля. Поэтому в этих условиях характер деформации будет определяться несущей способностью пород основания, а развитие деформации можно представить как на рис. 3.2.

Сдвигающие напряжения в породах штабеля с увеличением расстояния от верхней бровки откоса сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Если соотношение сдвигающих и удерживающих напряжений в точке с максимальным сдвигающим напряжением будет меньше n < 1,0, то массив деформируется. При этом в массиве образуется вертикальная трещина отрыва AB (рис.3.2), которая затем переходит в плоскость скольжения ВС, расположенную под углом наклонной (45+ф/2) к горизонтальной плоскости. Часть штабеля, ограниченная многоугольником ABCGF, имеет потенциальную возможность под действием веса пород P опускаться вниз. Эта возможность будет реализована в том случае, если веса породы в многоугольнике ABCGF будет достаточно для того, чтобы, смещаясь под действием гравитационных сил по плоскости скольжения BCD, сместить породы, заключенные в многоугольнике CDEFG вдоль линии DE.

Смещение блока пород CDEFG вдоль линии DE происходит под действием сдвигающей силы Tсдв, которая складывается из горизонтальной составляющей силы Tх от веса пород P на наклонной плоскости CG и реактивной силы Tхр от горизонтальной составляющей силы Tх1, возникающей от веса пород P на площадке скольжения ВС. Поскольку многоугольник ABCGF имеет форму клина, а главной действующей в этом случае является сила гравитации, то блок пород ABCGF, имеющий потенциальную возможность к инициированию деформации приоткосной зоны штабеля, носит название «гравитационного клина».

Возникновение реактивной силы Tхр от горизонтальной составляющей силы T вызвано разной жесткостью бокового отпора пород в сторону откоса EF и внутрь штабеля.

Смещение пород произойдет, если гравитационный клин способен создать горизонтальную сдвигающую силу, которая способна преодолеть силы сцепления и трения пород по линии BCDE. При этом суммарная сдвигающая сила будет равна

Таким образом, при формировании высокого многоярусного штабеля на глинистом основании можно предположить, что характер деформации будет определяться несущей способностью пород основания. Инициирующим элементом деформации является «гравитационный клин», а смещение пород приоткосной зоны наиболее вероятно на уровне пород основания.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна