17.10.2019
Перед любым начинающим бизнесменом появляется проблема поиска надежного поставщика, который не подведет. Ошибка в этом деле может...


17.10.2019
Древесина больше других материалов нуждается в профессиональной огнезащитной обработке, поскольку легко воспламеняется и быстро...


17.10.2019
Сегодня практически на всех строительных площадках уже невозможно увидеть старые строительные бытовки. Такие сооружения помимо...


15.10.2019
В процессе подбора материалов для ремонта потолочной поверхности активно используют потолочную плитку. Давайте поговорим о её...


15.10.2019
Покупая жидкие обои, важно понимать, что они являются одной из модификаций декоративной штукатурки, не стоит их путать со...


15.10.2019
Среди профессиональных мастеров большим спросом пользуются многофункциональные приспособления либо мультититулы. Они являются...


Определение влияния жидкости на устойчивость штабеля рудной массы

11.06.2019

Жидкость в сформированных техногенных массивах - одна из основных причин возникновения оползневых и других видов деформаций откосов. Ее влияние сводится к изменению механических свойств пород, напряженного состояния пород вблизи откоса и развитию процессов механического выноса и сноса.

При наличии в порах и трещинах гидравлически связанной свободной воды каждая частица грунта будет испытывать всестороннее давление. Суммарное давление со стороны покоящейся жидкости на каждую частицу при водится к выталкивающей силе. В произвольном объеме породы т с пористостью m твердые частицы занимают объем (1-m)т. Выталкивающая сила, действующая на эти частицы, равна Fа=y(l-m)т и направлена вертикально вверх. Гидростатическое давление в жидкости определяет эффект взвешивания грунта.

При движении жидкости в порах грунта, кроме гидростатического взвешивания, выделяют еще силу воздействия фильтрационного потока на скелет грунта. В этом случае говорят о гидродинамической или фильтрационной силе.

Простейшим видом напряженного состояния является однородное напряженное состояние, при котором в разных точках тела по параллельным площадкам действуют одинаковые по величине и направлению напряжения. Таково, например, напряженное состояние в средней части образца, испытывающего одноосное сжатие или растяжение. В этом случае нормальные напряжения по горизонтальной площадке, расположенной на глубине z, будут определяться лишь собственным весом столба вышележащих пород высотой z с удельным весом yn(z):

Здесь вертикальная ось z направлена вниз, начало от счета взято на дневной поверхности.

Объемный вес породы без учета влияния жидкости выражается формулой

где уi, у - удельный вес соответственно материала скелета и жидкости; w - объемная влажность, равная при полном насыщении w=m.

Выражение для полного напряжения (2.1) представим в следующем виде:

Величину оэ называют эффективным напряжением, которое создается весом скелета грунта в пределах выделенного объема с учетом взвешивания.

Величина р = y(z-zo) численно равна весу столба жидкости с основанием, равным единице, и высотой R = z-zo. Это давление в жидкости.

Эффективные напряжения определяют силу взаимодействия между минеральными зернами, а, следовательно, прочность и деформационную способность пород. Давление в поровой жидкости р называют нейтральным напряжением, поскольку от него прочность и деформационная способность пород непосредственно не зависят.

Таким образом, полное напряжение оn представляет собой сумму из двух составляющих:

Из формул (3.6) и (3.7) следует, что при осушении, когда уровень свободной поверхности воды понижается, давление р уменьшается, а эффективное напряжение увеличивается.

В общем случае полные напряжения определяются как суммарные напряжения от действия внешних сил и от веса вышележащих пород с заключенной в них водой.

При исследовании напряженно-деформированного состояния грунта, поры которого частично или полностью заполнены водой, следует воспользоваться моделью двухфазной среды. Одна фаза - скелет грунта, другая - движущаяся или покоящаяся в нем жидкость.

Для оценки степени напряженности массива целесообразно сравнить напряженное состояние с предельно допустимым значением, что позволяет оценить степень устойчивости массива в целом и в отдельных его зонах. Для этого вводится понятие коэффициента устойчивости породы в рассматриваемой точке, равного отношению сопротивления сдвигу S к действующему на рассматриваемой площадке касательному напряжению (сдвиговому усилию). Сопротивление сдвигу горные породы оказывают благодаря наличию в них внутренних связей. Природа внутренних связей является по существу основным классификационным признаком, согласно которому породы делятся на три основные группы:

1) твердые (скальные и полускальные) горные породы;

2) несвязные (раздельно-зернистые) горные породы;

3) мягкие связные горные породы.

В первой группе преобладают жесткие кристаллические и цементированные связи, во второй - в основном силы трения между отдельными минеральными зернами, их принято называть силами внутреннего трения, а в третьей развиты преимущественно связи особого водноколлоидного типа.

Многочисленные испытания образцов пород, проводившиеся преимущественно по схеме, близкой к простому сдвигу, показали, что предельное сопротивление сдвигу S довольно хорошо описывается известным законом Кулона, который дает линейную зависимость S от нормального напряжения он по поверхности скольжения:

где ф - угол внутреннего трения; С - сцепление.

Сцепление обусловлено наличием соответствующих связей между минеральными составляющими породы. Оно определяет долю в суммарном сопротивлении сдвигу, которая зависит не только от типа породы, но и от степени ее увлажнения.

При формировании многоярусного штабеля имеют место породы второй группы, поскольку формируемый техногенный массив состоит из минеральных зерен и агрегатов, представленных, главным образом, твердыми, достаточно химически прочными материалами. Однако это не абсолютно сыпучий массив, в котором частицы связаны между собой, в основном, силами трения, а массив переходного типа, в котором имеет место структурное сцепление.

В формуле S = он tgф+C в качестве напряжения он следует брать эффективное напряжение, равное, в случае горизонтальной поверхности, разности между полным напряжением и внутрипоровым давлением:

Как видим, внутрипоровое давление уменьшает сопротивление грунта сдвигу.

При увеличении нагрузки на грунт имеет место деформация сжатия, что приводит к изменению пористости. Деформация сжатия раздельно-зернистых пород заметно возрастает при динамическом нагружении, когда вследствие более плотной переукладки частиц существенно изменяется структура грунта.

Фильтрационное давление на грунт наиболее эффективным образом проявляет себя в сыпучих породах, состоящих из отдельных не связанных между собой минеральных зерен. В зонах выхода грунтовых вод на откос или склон депрессионная поверхность наиболее крутая, что обеспечивает достаточно большое фильтрационное давление. Под воздействием этого давления песчинки, расположенные на промежутке высачивания грунтового потока, отрываются от общей массы и уносятся фильтрующейся жидкостью.

Таким образом, порода выносится из толщи рыхлых песков. При подобных обстоятельствах откос лишается поддержки снизу и начинает работать подобно консоли. Рано или поздно такой откос обрушивается со сколом подвешенной его части.

При решении задач об устойчивости горных пород требуется учитывать наличие в массиве областей двух типов:

- областей, где породы находятся в предельном напряженном состоянии;

- областей, где породы располагают тем или иным запасом прочности. Определение напряженно-деформированного состояния массива горных пород связано в общем случае с выявлением границ распространения в нем предельных и допредельных зон. Однако сложность решения практических задач в такой постановке вынуждает существенно упрощать реальные физические схемы. Исследования напряженно-деформируемого состояния развивались главным образом по линии упрощения расчетных моделей. Расчетная модель обычно сводится к одному из двух крайних статических вариантов:

- модель среды, предполагающая отсутствие зон с предельно напряженным состоянием;

- модель среды, предполагающая наличие зон с предельно напряженным состоянием.

На практике часто прибегают к оценке устойчивости массива на сдвиг вдоль некоторых расчетных поверхностей скольжения, форма и положение которых задаются априорно или отыскиваются путем подбора. Распределение напряжений вдоль расчетных поверхностей скольжения принимается при этом, также исходя из некоторых упрощенных гипотез.

Использование модели среды в предельном напряженном состоянии предполагает, что в априорно заданной части массива достигнуто предельно-напряженное состояние, т.е. прочность пород исчерпана полностью. В этом случае условием равновесия среды является условие предельного напряженного состояния применительно к деформациям сдвига.

Инженерные методы базируются на приближенных представлениях о распределении напряжений в массиве и на некоторых априорных предпосылках о характере деформаций. Так, при изучении предельного равновесия ненагруженного массива вертикальные напряжения в отдельных его точках обычно считаются равными весу столба вышележащих пород с единичной площадью поперечного сечения, а деформации предполагаются протекающими вдоль некоторой заданной поверхности. Полагают, что нормальное и касательное напряжения на произвольно ориентированной площадке можно считать равными проекциям указанного вертикального напряжения на нормаль и касательную плоскость к этой площадке. По значениям этих напряжений оцениваются удерживающие Tу и сдвигающие Тсдв силы, действующие по этой поверхности. Степень устойчивости участка массива (коэффициент запаса) определяется соотношением

Существуют различные инженерные методы расчетов, некоторые из них дают вполне надежные результаты. Например, исследованиями с целью проверки одного из таких методов (метод К.Терцаги) установлено, что, хотя расчетные напряжения в отдельных точках массива могут существенно отклоняться от действительных величин (до 25 % в момент обрушения), степень устойчивости nуст оценивается этим методом с ошибкой, не превышающей 4-6% (в сторону запаса).

При расчете устойчивости склонов инженерными методами обычно проводится потенциальная поверхность скольжения, выделяющая в массиве горных пород призму возможного оползания, которая разбивается на ряд расчетных отсеков, чаще всего вертикальными линиями. На рис. 3.5 изображен один из блоков призмы возможного оползания, ограниченный потенциальной поверхностью скольжения AB, дневной поверхностью CD и двумя боковыми гранями АД и ВС. Внутри выделенного объема проходит свободная поверхность EG жидкости, т.е. блок частично затоплен водой.

Применительно к данному блоку задачу сдвижения массива рассмотрим в статической постановке для плоской задачи. В рассматриваемой плоской задаче объему т соответствует площадь фигуры ABCD. Часть ABGE объема блока, расположенного под депрессионной кривой, обозначим через т'. Гидродинамические силы на скелет грунта действуют только в объеме т'. Поверхность объема соответствует контуру ABCDA. Применительно к нашему случаю расчетное уравнение имеет вид:

Если предположить, что в пределах блока грунт однородный, (grad h) - величина постоянная и пренебречь увлажнением грунта над свободной поверхностью, то уравнение (2.9) можно представить в виде

Интеграл Pn(1-m) dS представляет собой поверхностную силу, действующую с внешней стороны объема т на участок границы AB. Согласно закону равенства сил действия и противодействия, на этот же контур с внутренней стороны объема действует сила P = - Pn(l-m)ds.

Степень устойчивости массива оценивается коэффициентом запаса устойчивости nуст, который определяется по формуле

Выполненные математические выкладки позволяют внести коррективы в решение задачи о влиянии жидкости на устойчивость пористых раздельно-зернистых массивов техногенного происхождения, которые базируются на следующих предпосылках.

Дифференциальные уравнения равновесия скелета грунта (3.15) содержат слагаемое - у m grad(h)/(l-m), отражающее действие фильтрационной силы на твердую фазу породы. Уравнения равновесия твердой фазы, приведенные в различных источниках, содержат слагаемое -у grad(h), но без множителя m/(1-m). Наличие этого множителя позволяет сделать вывод о том, что воздействие жидкости на массив находится в прямой зависимости не только от градиента напора, но и от пористости грунта: чем больше пористость, тем больше воздействие и наоборот.

При расчетах устойчивости водонасыщенных грунтов вводится понятие полного напряжения. Полное напряжение, действующее на горизонтальную поверхность, равное по величине весу столба породы с единичной площадью поперечного сечения вместе с заключенной в ней жидкостью, представляется в виде суммы эффективного напряжения и давления жидкости в поровом пространстве. Эффективное напряжение - поверхностная сила в твердой фазе породы, приходящаяся на единицу площади сечения породы.

Выражение для эффективного напряжения получим, воспользовавшись соотношением (2.12), являющимся следствием одного из законов механики сплошной среды -закона количества движения. Приближенное выражение для эффективного напряжения оз из (3.15) имеет вид

- вес скелета грунта с учетом взвешивания, расположенного над единичной площадкой, находящейся на глубине z и составляющей угол а с горизонтальной плоскостью. Нормальная составляющая эффективного напряжения равна

Анализ последних формул показывает, что выталкивающая и фильтрационная сила вносят свой вклад в значение как нормальной, так и касательной составляющих эффективного напряжения.

Согласно тому, что выражения нормальной и касательной составляющих эффективного напряжения (3.20) и (3.21) отличаются от соответствующих выражений в некоторых источниках, то и формула для определения коэффициента устойчивости откоса с учетом влияния жидкости также отличается от известных формул:

Расчетные формулы отличаются от выражения (3.22) лишь множителем mу в слагаемых, содержащих компоненты градиента напора.

Оценим влияние жидкости на устойчивость многоярусного штабеля, использовав прием «худший вариант» с наиболее неблагоприятным сочетанием условий его формирования, которые могут создать эффект камуфлетного воздействия.

1. Расчет устойчивости фильтрующего песчаного откоса произведен при следующих исходных данных: угол откоса 22,5° и 36,5°, высота массива Нм = 60 м, удельный вес горной массы '/=2,6 т/м, объемная плотность горной массы в массиве 1,78 т/м , удельный вес воды у = 1 т/м , пористость m=0,32, угол внутреннего трения в обводненном массиве 30°, в сухом - 35°, коэффициент сцепления равен нулю.

2. В качестве расчетной схемы принята схема в двух вариантах: существующий вариант со ступенчатым откосом под утлом 22,5° и вариант со сплошным откосом под углом 36,5° (рис. 3.6).

3. Расчет выполнен для штабеля, не заполненного и заполненного на 40 % рабочими растворами. При этом учитывалось влияние только сил взвешивания.

4. В расчетах использованы результаты изучения влияния изменения нормального напряжения от веса пород в штабеле на угол внутреннего трения и сдвигающее сопротивление. Например, согласно графикам (отчет по этапу 1, рис.3.6) при нормальном напряжении, возникающем в породах основания от веса штабеля, равном он=1,5 МПа, угол внутреннего трения составляет ф=10° а сдвигающее сопротивление - Ссдв = 0,2 МПА.

Коэффициент устойчивости откоса nуст определялся с учетом сил взвешивания, а без учета сил взвешивания (сухой грунт) по формуле

где Pi - вес блока вместе с заключенной в нем водой; L -длина i-гo участка кривой; pi - среднее давление в пределах L.

Результаты расчетов устойчивости откоса штабеля с учетом и без учета сил взвешивания приведены в табл. 3.4.

Анализ приведенных данных показывает, что значение коэффициента устойчивости, определенное без учета сил взвешивания, оказывается завышенным на 7-9 %.

Таким образом, анализ влияния жидкости на устойчивость техногенных массивов, выполненный на основе строгих математических расчетов, позволяет сделать следующие основные выводы.

1. Влияние грунтовых вод на устойчивость массивов очевидно и не вызывает сомнений. В литературе описано немало случаев, когда фильтрационные деформации приводили к катастрофам различного масштаба.

2. Влияние фильтрационного потока на скелет грунта изменяет напряжение в твердой фазе, ее механические свойства и может быть оценено не только качественно, но и количественно.

Уравнение равновесия твердой фазы, полученное в результате проведенных математических выкладок, позволяет сделать вывод о том, что воздействие жидкости на массив находится в прямой зависимости не только от градиента напора, но и от пористости грунта: чем больше пористость, тем больше воздействие и наоборот. Поэтому для решения задачи устойчивости массива недостаточно иметь усредненные значения параметров для всего массива, а следует иметь данные о каждом слое в отдельности, потому что при изменении влажности этих слоев и нагрузки на них они могут существенно изменить свои свойства.

Для правильного описания динамики грунтовых вод необходимо знание фильтрационных параметров грунта. Их можно определить в лабораторных условиях с помощью физико-механического анализа грунта, например, по исследованию керновых проб, а также путем решения обратных задач при математическом моделировании процесса фильтрации.

3. Приведенные примеры расчета коэффициента запаса устойчивости позволяют сделать вывод о значительном влиянии грунтовых вод на устойчивость сформированного многоярусного штабеля. При этом установлено, что наличие жидкости в массиве штабеля уменьшает коэффициент запаса устойчивости по сравнению с соответствующим коэффициентом для сухого грунта.

Количественная оценка этого различия показала, что присутствие воды в штабеле за счет эффекта взвешивания уменьшает значение коэффициента запаса устойчивости на 7-9 %. Поэтому в расчеты по определению устойчивости откосов высоких многоярусных штабелей, проводимых без учета влияния жидкости, необходимо вводить поправочный коэффициент на обводненность массива, который для пористого массива при кучном выщелачивании составляет kпопр = 1,07-5-1,09.

4. Выполненные расчеты для штабелей высотой 60 м со ступенчатым и сплошным откосом показали: в самых неблагоприятных условиях, когда штабель на 40 % наполняется растворами, что маловероятно в условиях пустынного климата, существующей конструкции дренажной системы и принятого порядка подачи растворов устойчивость откоса сохраняется с коэффициентом запаса kз больше 1,4.


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