Горное давление на подземные сооружения

На обделку камеры и выработок, пройденных подземным способом, окружающий массив оказывает горное давление.
Исходное напряженное состояние массива на глубине z характеризуется вертикальными напряжениями ?z = yz и горизонтальными напряжениями ?xy = ?yz. Величина коэффициента ?, связывающего вертикальные и горизонтальные напряжения, для четвертичных песчаноглинистых грунтов обычно составляет 0,6-0,8, причем большие значения относятся к глинам. В коренных скальных породах X наблюдается в пределах от 0,3 до 2-3, причем в различных направлениях по азимуту горизонтальные напряжения не обязательно будут одинаковы. Высокие значения ? свойственны районам литосферы, испытывающим тектонические сжатия. В среднем же для коренных пород характерно гидростатическое напряженное состояние:

При проходке выработки (рис. 6.4) вес столба массива над ней перераспределяется на боковые части, вследствие чего на контуре выработки возникает концентрация напряжений. Если напряжения в местах наибольшей концентрации не превышают прочности пород, то выработка устойчива, и ее крепление не требуется. Если концентрация напряжений превышает прочность породы на одноосное сжатие, то вокруг выработки развивается зона разрушенной породы, а максимум напряжений смещается от стенки выработки в глубь массива, в область всестороннего сжатия.

Разрушенную породу в кровле и стенках выработки необходимо поддержать с помощью крепления, в противном случае она обрушится в выработку, а зона разрушений вокруг выработки разрастется. Величину давления, воспринимаемого креплением выработки, называют горным давлением.
Точный аналитический расчет величины горного давления крайне затруднителен ввиду сложности физико-механических свойств горных пород, особенно в пределах неупругой зоны, где состояние породы изменяется от почти монолитного на внешнем контуре зоны до почти полностью раздробленного на контуре выработки.
Поэтому для ориентировочной оценки горного давления используются упрощенные инженерные схемы, из которых ниже рассматривается лишь схема К. Терцаги (рис. 6.5).

Согласно этой схеме в стенках выработки образуются поверхности скольжения под углом (45° - ?/2), по которым вышележащий столб шириной B1 = В + 2htg(45° - ?/2) опускается вниз. Однако при движении вниз этот столб встречает сопротивление сил сцепления и сил трения по боковым поверхностям - проявление арочного эффекта. Таким образом, при абсолютно жесткой крепи, не допускающей никаких подвижек столба породы вниз, и мобилизации арочного эффекта, горное давление было бы равно yz. При податливой крепи за счет арочного эффекта давление снижается.
Величина его составляет:

где ? - коэффициент бокового распора грунта, обычно принимаемый равным 1; ?, с, ?, - удельный вес, сцепление и угол внутреннего трения грунта соответственно.

Предсказываемая схемой Терцаги зависимость горного давления от податливости крепления подтверждается экспериментальными наблюдениями.
Боковое давление грунта на крепление выработки по схеме Терцаги определяется по формуле

В российской практике проектирования для расчета величины горного давления применяется схема профессора Протодьяконова. По этой схеме над выработкой образуется свод обрушения, пролет В и высота h1 которого над верхней точкой выработки определяются формулами (рис. 6.6):

где ? - значение «кажущегося» угла внутреннего трения грунтового массива, ?k = arctgf, f - коэффициент крепости породы.
Вертикальное давление ?v от веса породы свода обрушения и горизонтальное давление ?I сдвигающихся боковых призм определяется как

Коэффициент крепости породы f по определению профессора Протодьяконова, равен 0,1Rc, где Rc - прочность кубика породы на одноосное сжатие, МПа (для пород с величиной Rc >> 10 МПа). Для ряда дисперсных грунтов ориентировочные значения коэффициента крепости таковы:

Наряду с упрощенными и инженерными схемами расчета горного давления все большее применение находят численные методы механики сплошных и дискретных сред, требующие весьма подробной информации о механических свойствах массива и крепи, получение которой является сложной самостоятельной проблемой.
Достоверность расчетов горного давления по той или иной схеме невысока, поэтому при начале строительства крупного сооружения организуются экспериментальные измерения горного давления. Для этого между креплением и породными стенками укладываются плоские подушки из листового металла, заполненные внутри маслом. Давление в масле, пропорциональное горному давлению, измеряется манометрами. На основании результатов измерений корректируются проектные решения по конструкции крепления.