Цель работы – совершенствование метода прогноза геомеханических процессов при строительстве горных выработок в упругопластическом породном массиве с дилатансией. Приведены результаты экспериментальных исследований объемной прочности горных пород и особенностей развития объемных деформаций при пластическом сдвиге. Показано проявление дилатансии горных пород, представлены диаграммы изменения объемных деформаций пластического сдвига при различной величине достигнутых сдвиговых деформаций. Выполнена обработка результатов испытаний горных пород с использованием условия пластичности А.Н.Ставрогина. Предложено новое аналитическое решение задачи прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива в зоне развития неупругих деформаций на основании условия пластичности А.Н.Ставрогина, в том числе уравнения для расчета зоны предельного состояния пород в окрестности горной выработки. Представлен алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива. Изучены закономерности связи размеров зоны предельного состояния породного массива в окрестности горной выработки с параметрами дилатансии горных пород, коэффициентом бокового распора и глубиной заложения выработки. Исследован характер развития смещений контура горной выработки кругового очертания в постановке плоской деформации при различных параметрах условия пластичности и показателях дилатансии горных пород. Выполнено внедрение условия пластичности А.Н.Ставрогина в программный комплекс Abaqus. Результаты исследований позволили установить область применения аналитического решения. Оно сохраняет физический смысл только при формировании зоны предельного состояния в окрестности всего контура горной выработки. Представленный подход к численному решению не содержит это ограничение и может распространяться на произвольное геомеханическое состояние породного массива и на любую форму сечения горной выработки.
Рассмотрена взаимосвязь факторов ослабления массива калийно-магниевых солей Палашерского участка Верхнекамского месторождения – содержания в пласте глинистого материала в виде галопелитовых прослоев и воздействия техногенных рассолов на прочностные характеристики пород продуктивной толщи в процессе закладочных работ выработанного пространства. Представлены результаты лабораторных исследований влияния содержания нерастворимого остатка и влажности соляных пород на их прочностные характеристики. Построены зависимости изменения прочности, влажности и предельных деформаций от времени выдержки в рассолах. На основании результатов выполненных испытаний установлено, что насыщенный рассол не оказывает существенного воздействия на предел прочности сильвинита и каменной соли, но влияет на интенсивность деформируемости.
Представлены результаты изучения факторов, определяющих формирование и изменение фильтрационных свойств штабеля кучного выщелачивания, сформированного из окомкованных бедных песчано-глинистых руд. Выполнен анализ методов исследования фильтрационных свойств рудного материала для разных этапов функционирования участков кучного выщелачивания. Опытно-фильтрационными работами установлено влияние процесса сегрегации при отсыпке штабеля на формирование зон с сильно отличающимися параметрами проницаемости руды. Показано построение и применение численной модели фильтрационных процессов в окомкованных рудах на основе лабораторных экспериментов. С помощью моделирования просачивания растворов при различной интенсивности орошения выполнены обоснования оптимальных параметров штабеля с точки зрения его геомеханической устойчивости и предупреждения подъема уровня растворов выше дренажного слоя.
Рассмотрен метод прогноза напряженно-деформированного состояния обделок подземных сооружений, форма поперечного сечения которых отлична от кругового очертания. Основной задачей исследования является разработка методики оценки влияния параметров формы поперечного сечения подземных сооружений на напряженное состояние обделки. Для решения поставленной задачи обоснован и развит метод расчета напряженного состояния обделки для тоннелей арочной с обратным сводом и квазипрямоугольной форм. Выполнена апробация методики, которая показала, что точность прогноза напряженного состояния обделки достаточна для выполнения практических расчетов. Предложен алгоритм проведения многовариантного анализа влияния формы поперечного сечения подземных сооружений арочной и квазипрямоугольной форм на напряженное состояние обделки. С использованием разработанного алгоритма выполнены параметрические расчеты и получены закономерности формирования напряженного состояния обделок подземных сооружений для различных инженерно-геологических условий, а также начального поля напряженного состояния. Выполнена количественная оценка влияния геометрических параметров тоннелей на их напряженно-деформированное состояние.
В статье оценивается влияние повторяющихся взрывов на напряженно-деформированное состояние набрызг-бетонной крепи, которое негативно сказывается на несущей способности крепи и может привести к формированию локальных вывалов пород в местах значительной деградации прочности набрызг-бетона. Несмотря на то, что однократное сейсмическое воздействие обычно не оказывает значительного влияния на техническое состояние набрызг-бетонной крепи, многократное динамическое нагружение может привести к развитию негативных процессов и повлиять на безопасность людей. В качестве набрызг-бетонной крепи рассмотрен неармированный и дисперсно-армированный набрызг-бетон. Изучены модели деформирования горной породы и набрызг-бетонной крепи. Для описания модели деформирования породного массива принята упругопластическая модель, основанная на условии пластичности Хука – Брауна, которая достаточно точно описывает упругопластическое поведение трещиноватой среды. При выполнении прогноза напряженно-деформированного состояния набрызг-бетонной крепи принята модель пластического деформирования бетона с накоплением повреждений Concrete Damage Plasticity (CDP), которая позволяет комплексно рассмотреть процесс деформирования бетона как при условиях одноосного сжатия и растяжения, так и при незначительном боковом обжатии. На первом расчетном этапе выполнен прогноз распространения сейсмических волн в непосредственной близости от участка инициации взрывчатого вещества. На втором этапе выполнены прогнозы распространения сейсмических волн до горной выработки и напряженно-деформированного состояния крепи. На основании выполненных исследований предложена методика оценки воздействия повторяющихся взрывов на напряженно-деформированное состояние набрызг-бетонной крепи горной выработки.
Предложена методика и выполнен прогноз напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола, расположенного в соляных породах, на участке сопряжения с горизонтальной выработкой. Рассмотрено развитие геомеханических процессов в соляном массиве в окрестности сопряжения вертикального ствола, где крепь рассматривается как двухслойная среда: внутренний слой – бетон, внешний слой – компенсационный материал. Для этого применено решение задачи механики сплошной среды в пространственной постановке с учетом длительного деформирования солей и сжимаемости компенсационного слоя. Длительное деформирование соляных пород реализовано за счет введения в численную модель вязкопластической модели деформирования солей, а для моделирования деформирования компенсационного слоя принята модель уплотняемой пены. Такой подход в явном виде учитывает все стадии деформирования материала компенсационного слоя и развития длительных деформаций соляных пород, что позволяет повысить достоверность прогноза напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола.
Получена зависимость смещения контура выработки от расстояния до забоя , позволяющая рассчитывать нагрузки на крепь с учетом отставания работ по креплению от проходческих работ. Приведены некоторые результаты расчета осевых усилий в элементах крепи. Расчеты выполнены методом конечных элементов в трехмерной постановке.
Представлены результаты лабораторных испытаний глинистых грунтов, направленных на выявление анизотропии их деформационных свойств. Рассмотрена концепция взаимодействия между агрегатами глинистых грунтов на микроуровне. Предложен подход к математическому описанию естественной и вынужденной анизотропии деформационных свойств грунтов.
Представлен краткий анализ причин деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений. Выполнено численное моделирование строительства типового полузаглубленного сооружения под защитой ограждающей конструкции. Сделаны выводы о применимости типовых геомеханических моделей грунта для описания процессов в окрестности полузаглубленного сооружения.
Рассмотрен подход к прогнозу оседания земной поверхности на основании численного моделирования строительства подземных сооружений. Предложена простая модель трансверсально-изотропной нелинейно-упругой среды для описания поведения плотных глин при строительстве объектов метрополитена. Выполнена оценка достоверности результатов численного моделирования.
Работа посвящена вопросам реализации численного эксперимента на примере элемента податливости обделки тоннеля. Разработана численная модель элемента податливости обделки тоннеля. Получены характеристики поведения податливого элемента с различными геометрическими параметрами. Представлен характер деформирования податливого элемента обделки.
Приведена методика численного моделирования строительства тоннеля в условиях плотной городской застройки. Рассмотрены вопросы определения параметров геомеханической модели материалов для слабых грунтов. Выполнено численное моделирование строительства тоннеля в объемной постановке. Определены характер и величины осадки земной поверхности в зависимости от пригруза, создаваемого щитовым комплексом, и начального напряженного состояния. Выполнено сравнение результатов чиcленного моделирования и геотехнического мониторинга.
Рассмотрен подход определения жесткости контакта между частицами грунта. Выполнен анализ двух моделей взаимодействия частиц грунта между собой: модели частиц с гладкой поверхностью и модели частиц с шероховатой поверхностью. Представлены зависимости жесткости контакта двух частиц от размера нормальной силы и шероховатости поверхности.
Выполнено сопоставление результатов расчетов тангенциальных напряжений на внутреннем контуре тюбинговой обделки и радиальных напряжений на внешнем контуре, найденных на основе решения задачи взаимодействия «обделка – грунтовый массив» в пространственной и плоской (однослойное и двухслойное кольцо) постановках. Выявлена область корректного применения плоских моделей.
Приведена интеллектуальная технология проектирования конструкции пилонной станции метрополитена, сооружаемой по малоосадочной технологии, в которой учитываются основные этапы ввода элементов конструкций в работу. В качестве исходной принята схема взаимодействия системы «обделка – грунтовый массив». Расчет напряженного состояния конструкций выполнен методом конечных элементов.
Приведен анализ причин, вызывающих деформацию породы вокруг тоннеля и смещения его контура при использовании щитовых проходческих комплексов. Описан характер формирования мульды оседания земной поверхности в продольном и поперечном направлении, форма мульды оседания в пространственной системе координат. Рассмотрены полуэмпирические методы определения осадки земной поверхности, горизонтальных смещений и деформаций породы на поверхности земли. Приведены данные о потерях объема грунта, полученные по натурным наблюдениям.
Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния пилонной станции с чугунной обделкой метрополитена глубокого заложения. Сложная геометрия станции и последовательная проходка тоннелей с поэтапной разработкой на полное сечение потребовали применить трехмерное моделирование с учетом технологии возведения станции.
Приведены подходы к решению задач геомеханики больших размерностей, высоконелинейных задач с возможностью развития больших пластических деформаций, задач контактного взаимодействия массива самого с собой, опыт применения высокопроизводительных вычислительных систем.
Приведены закономерности натурных инструментальных наблюдений за вертикальными смещениями перегонных тоннелей по трассе Петербургского метрополитена. Выполнены новые пространственные постановки и решения контактных геомеханических задач о взаимодействии обделок с грунтовым массивом в условиях геостатического давления и при переменных вертикальных подъемах и опусканиях участков тоннелей. Проведено сопоставление расчетных растягивающих тангенциальных напряжений в обделках и закономерностей формирования зон трещинообразования в них.
Приведена классификация радиоактивных отходов по степени их активности. Указаны основные требования к участку строительства хранилища или могильника радиоактивных отходов. Кратко рассмотрены возможные конструктивные решения подземных хранилищ и приведено подробное описание спиралевидной конструкции хранилища РАО. Приведена оценка влияния температуры и радиации на физико-механические свойства бетона и глины. Получен характер распределения температурных полей вокруг подземного хранилища РАО во времени. Произведена оценка напряженно-деформированного состояния крепи и найдены нагрузки на крепь при совместном действии температуры и горного давления с учетом изменения физико-механических свойств бетона и глины.
Выполнена постановка задачи о распределении температурных напряжений вокруг подземных хранилищ радиоактивных отходов. В качестве геологических формаций приняты синие глины, залегающие в Северо-Западном регионе России. Задача решена методом конечных элементов. Выявлено влияние фактора температуры на напряженно-деформированное состояние системы «крепь – массив». Установлен характер подъема поверхности от температуры в камере. Отмечено появление ярко выраженных растянутых зон в массиве, обусловленное температурными напряжениями. Проведен анализ характера распределения напряжений sx и sy в массиве и обделке тоннеля.
Рассматривается распределение температурных напряжений и напряжений от горного давления с учетом фактора температуры вокруг подземных хранилищ радиоактивных отходов (РАО) в подземном пространстве. В качестве геологических формаций приняты синие глины, залегающие в Северо-Западном регионе России. Задача решена методом конечных элементов. Выявлено влияние фактора температуры на напряженно-деформированное состояние (НДС) системы крепь-массив. Установлен подъем поверхности от температуры в камерах РАО. Сделан анализ влияния камер РАО друг на друга. Найдены закономерности распределения горизонтальных и вертикальных напряжений по оси камер.
