CC BY
11
© Д.И. Шинкарь, 2013
УДК 622.25(06) Д.И. Шинкарь
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПИ
Рассмотрены закономерности формирования свойств материалов крепи под воздействием технологических факторов. Приведены полученные зависимости для определения модуля деформации и меры ползучести бетонной составляющей крепи. Ключевые слова: комбинированная крепь, вертикальный ствол, горное давление, гидростатическое давление.
Особенностью комбинированных крепей является соединение в одной конструкции материалов с резко отличными свойствами, например, монолитный бетон и железобетон, чугун, сталь, анкеры, бетонные и железобетонный блоки, которые по-разному воспринимают растягивающие и сжимающие напряжения, по-разному деформируются под внешними нагрузками и при температурных колебаниях, имеют отличающиеся в десятки раз пределы прочности. Учет всех особенностей входящих в крепь материалов в математической модели невозможен, так как нахождение общих закономерностей в математической форме всегда подразумевает определенную идеализацию объекта исследования. Важнейшими во всех методиках расчета признаются геометрические и деформационные характеристики слоев комбинированной крепи. Если характеристики чугунных тюбингов, стали, железобетонных блоков известны достаточно точно, ввиду их изготовления в заводских условиях, то правильность определения свойств бетона, укладываемого на месте, является вопросом более сложным. Так модуль деформации бетона зависит от моду-
ля деформации крупного заполнителя и цементного камня; состава бетона (содержание отдельных компонентов); степени твердения/возраста бетона; плотности/пористости (в т. ч. применения уплотнения); условий твердения; влияния влажности и температуры на этапе эксплуатации; введения добавок (ускорителей схватывания, пластификаторов бетонной смеси); величины, характера, порядка нагру-жения (проявление свойств ползучести при нагружении бетона на ранних стадиях твердения) и т.д. Также очевидна зависимость модуля деформации от технологии изготовления и характера эксплуатации, это обусловлено изготовлением бетона «на месте» и вводом его в работу до окончания процесса набора прочности.
Используемые при проектировании строительных конструкций данные, приводимые в СНиП 2.03.01-8, жёстко привязывают значение начального модуля упругости к прочности бетона на одноосное сжатие, сходный подход применен и в зарубежных нормативах, например DIN 1045-1. Для условий, в которых деформационные характеристики бетона имеют большое значение, выведены зависимости позволяющие учесть,
Рис. 1. Расчётные значения Еь (Т) определённые по различным методикам:
Ряд 1 - по данным табл. 18 СНиП 2.03.01-84; Ряд 2 -рассчитанные данные для бетонов с подвижностью свыше 8 см и максимальным размером крупного заполнителя до 40 мм. Ряд 3 - рассчитанные данные для бетонов с подвижностью до 8 см и максимальным размером крупного заполнителя до 80 мм
помимо прочности, максимальный размер крупного заполнителя и подвижность смеси СНиП 2.06.08-87.
На рис. 1 представлены рассчитанные по СНиП 2.06.08-87 и взятые из СНиП 2.03.01-84 данные о модуле деформации бетона в 28 суточном возрасте.
Как видим, совпадение наблюдается только при размере крупного заполнителя 40 мм, подвижности смеси св. 8 см. и возрасте бетона 180 сут. Игнорирование только одного фактора - размера крупного заполнителя и подвижности смеси, может привести к вариативности определения начального модуля упругости до 50 %.
Строгое выдерживание норм на компоненты, близкая к эталонной консистенция смеси и благоприятные условия набора бетоном прочности, дают значения близкие к рекомендуемым в (СНиП 2.03.01-84). Так, например, опыты [1] выполненные с подбором компонентов по соответствующим нормативам, на трёх различных видах щебня, дали результаты отличающихся от рекомендуемых DIN
1045-1 (аналог СНиП 2.03.01-84) не более чем на 10 %.
Исходя из сказанного выше, можно заключить, что значения, рекомендуемые в СНиП 2.03.01-8 являются надежными и имеют достаточную точность только в очень узком диапазоне условий, которые при строительстве вертикальных стволов, с креплением по существующим технологиям обеспечены быть не могут [2].
Анализ приведенных данных показывает, что для получения надежных результатов при проектировании комбинированной крепи необходимо провести дополнительные исследования, которые позволят учесть влияние основных факторов и специфики изготовления, транспортировки, твердения и нагружения бетонного компонента.
Анализ научной и научно-технической литературы позволил выделить основные технологические факторы, влияющие на деформационные характеристики (модуль упругости, модуль деформации, мера ползучести, относительные предельные деформации) бетона и диапазоны их варьирования (табл. 1).
Для проведения экспериментальных исследований был выбран состав соответствующий применяемым в шахтном строительстве при креплении вертикальных стволов комбинированными чугунно-бетонными и сталебетонными крепями:
цемент - 320 кг, марки М400; щебень - 1250 кг, максимальный размер зерен 20 мм, согласно данным по проходке стволов с комбинированной крепью и в соответствии с
Таблица 1
Изучаемые факторы и уровни их варьирования
№ Наименование фактора Минимальное значение Максимальное значение
1 Время приложения нагрузки, ¿1, сут. 0,5 1,5
2 Подвижность смеси, ОК, см. 16 26
3 Время действия нагрузки, 71, сут. 3 181
Таблица 2
Коэффициенты регрессии, детерминации и уровни значимости уравнения регрессии и его отдельных членов
Рассматриваемая переменная Еь28
Коэффициент детерминации, Я2 0,92892
Регрес. коэффициент Уровень значимости, р Стандартная ошибка 1(14) -критерий
а 40819,07 0,000000 4505,491 9,05985
ах 2021,28 0,436643 2524,165 0,80077
а2 -2372,15 0,044064 1072,214 -2,21239
аз -2165,78 0,000280 450,787 -4,80444
а4 41,04 0,001730 10,628 3,86099
аз 1,55 0,880941 10,158 0,15254
ав -0,05 0,144723 0,034 -1,54468
а? 115,91 0,076676 60,651 1,91117
аз 5,27 0,144292 3,411 1,54647
ад 0,12 0,731625 0,341 0,34989
требованиями ГОСТ 10180 - 78, при размере образцов 10^10^40 см.;
песок - 670 кг;
вода - количество воды подбиралось опытным путем до достижения необходимой подвижности смеси.
Для проведения эксперимента был использован стандартный центральный композиционный план для 3-х факторов с 16 опытами.
Опыты проводились на образцах призмах, размером 10x10x40 см, и кубах, размером 10x10x10 см. Исследования выполнялись по методике изложенной в ГОСТ 24452-80 и ГОСТ 24544-81.
Модули упругости бетона в возрасте t сут. находились по формуле:
Е(0 = , МПа
где -а^ - приращение на-
пряжений в момент времени
ст? = 0,3 х Яь (^) - напряжения в образце в момент времени
= 0,3 х Яь (¿/+1) - напряжения в образце в момент времени (1), Яь(¿/+1) - предел прочности образца соответственно в момент времени и ¿1+1; е.у - относительная деформация образца, возникшая после приложения нагрузки Аа1, в момент времени ¿1+1.
Зависимость модуля упругости бетона, после отсеивания факторов имеющих не существенное значение (значение а менее 0,05) искалась в виде:
Еь28 = а + а1 ■ + а2ОК + а3ОК2 + а4ОК1 ■ /1, МПа.
Найденные регрессионные коэффициенты приведены в табл. 2.
Как показало сравнение эффектов, наибольшее влияние на величину
Таблица 3
Коэффициенты регрессии, детерминации и уровни значимости уравнения регрессии и его отдельных членов
Рассматриваемая переменная с (^, 7)
Коэффициент детерминации, Я 0,91678
Регрес. коэффициент Уровень значимости, р Стандартная ошибка 1(14) - ^ критерий
а 4,546543 0,799006 17,51861 0,25953
ах 4,811905 0,631532 9,81466 0,49028
а2 -0,718570 0,865623 4,16907 -0,17236
аз -0,592461 0,740370 1,75279 -0,33801
а4 0,024371 0,564779 0,04133 0,58971
а5 0,158969 0,001253 0,03950 4,02495
ав -0,000678 0,000147 0,00013 -5,15275
а7 -0,255585 0,296774 0,23583 -1,08378
аз 0,000031 0,998141 0,01326 0,00237
ад 0,001318 0,336713 0,00132 0,99481
модуля упругости бетона оказывает подвижность смеси и в меньшей мере время нагружения образцов и продолжительность действия нагрузки.
Меру ползучести бетона находили по формуле:
С(11,7) = , МПа-1
(О
где -({, 7) - пластическая деформация от нагрузки, приложенной в момент ^ и действующей на протяжении периода Тх; аь({) - нагрузка, приложенная в момент времени tl.
Учитывая специфику проведения эксперимента в данной формуле необходимо учесть ступенчатое приложение нагрузки в момент времени t. Считая характер зависимости ползучести от нагрузки на допредельном уровне (0,3Яь) близким к линейному приведенную выше формулу для определения меры ползучести представили в виде:
С(11,71) = £ "-Щ7) , МПа-1
1=0,5 (Ч )
где -(^, 7) - пластическая деформация образца от приложенной в мо-
мент и нагрузки величиной аь(^);
/=0,5; 0,8; 1; 1,3; 1,5, 3, 5, 7, 10, 14, 28 сут.
После отсеивания факторов со статистической значимостью менее а=0,05, было получено уравнение регрессии для меры ползучести в виде:
С(7) = а + а1 • ^ + а2 • ОК + а3 • 7 + а4 • 7¡2, МПа
Найденные регрессионные коэффициенты приведены в табл. 3.
Полученные зависимости учитывают специфические условия возведения крепи в вертикальных стволах и позволяют определить деформационные характеристики бетонной составляющей комбинированной крепи значительно ближе к реальным значениям.
К настоящему моменту накоплено много данных о несоответствии характера работы комбинированной крепи при критических нагрузках расчетным прогнозам. Так неоднократно отмечалось явление разрушения внутреннего слоя комбинированных крепей (чугунные тюбинги) при сохранении внешнего слоя - бетона
[3, 4], также известны случаи, когда монолитная бетонная крепь успешно эксплуатировалась в условиях, при которых по расчетным данным должно было произойти разрушение [5]. Анализируя опыт проектирования, авторы пришли к выводу, что такие случаи могут быть объяснены допущенными ошибками в определении деформационных характеристик материалов крепи.
В крепи однородной конструкции неверное определение деформационных характеристик материала, особенно в сторону их завышения, не влечет серьезных последствий. В этом случае крепь под нагрузкой реализует большие деформации, соответственно напряжения в материале будут меньше расчетных [6]. В многослойных же конструкциях деформационные характеристики материала ниже проектных значений приведут к перераспределению напряжений. В результате внешние слои будут пассивно передавать нагрузку, их несущая способность будет использоваться не в полной мере, в то время как внутренние слои будут воспринимать долю нагрузки больше проектной, это может привести к их разрушению, что и наблюдалось на практике.
Рассмотрим более подробно один из наиболее характерных случаев, разрушение чугунно-бетонной крепи вертикального ствола рудника «Пий-ло». Исходные данные возьмем из
[3]. Расчет произведем по методике, рекомендованной приложением к СНиП [7], основанной на точном аналитическом решении Н.И. Мус-хелишвили первой основной задачи теории упругости для кольца при произвольных нагрузках. Данная методика получила наиболее глубокую разработку в трудах Н.С. Булычёва
Как показал расчет, при достижении чугуном тюбингов предельного состояния значения напряжений в бетоне в 2,3 раза превышают предел прочности на одноосное сжатие и в 1,17 раза предел прочности в условиях объемного напряженного состояния. Автором работы [3] выполнен расчет в предположении превышения напряжениями предела прочности чугуна на изгиб (450 МПа) и далее, исходя из условия непрерывности деформаций на границе слоев, величина напряжений в бетоне определена как ое1п(4)=90 МПа. Это в 4 раза выше предела прочности бетона на одноосное сжатие и почти в два раза выше предела прочности в условиях объемного напряженного состояния.
Автором выполнен расчет значения модуля упругости бетона с учетом найденных зависимостей. При этом напряжения в бетоне оказываются существенно меньше не только предела прочности на объемное сжатие, но и на одноосное. В то время как напряжения в чугуне тюбингах на 3% больше предельно допустимых. Что полностью соответствует результатам фактических наблюдений.
Применение результатов проведенных экспериментальных исследований позволяет проектировать комбинированные крепи с обеспечением большей надежности работы конструкции. Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием наблюдаемым фактам и возможностью математически описать явление, до настоящего времени, не имевшее объяснения. В качестве дальнейшего направления исследований определено изучение нескольких составов бетона, выделение и учет в разрабатываемых зависимостях наиболее значимых свойств компонентов смеси.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Weber R., Riechers H-J. Kies und Sand fbr Beton. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, 2003. - 140 S.
2. Масленников С. А. Особенности работы бетона в комбинированной чу-гунно-бетонной крепи/ Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. научн. трудов. Вып. 15. - Донецк: «Норд-Пресс», 2009. - С. 16-18.
3. Сергеев С.С. Разработка методов диагностики и прогноза напряжённого состояния крепи вертикальных шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях. Дисс. На соискание учёной степени д. т. н. Тула. - 1997 г. - 321 с.
4. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учеб-
ное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.
5. Блох Н.П., Зубков A.B., Боликов В.Е. Формирование напряжений в крепи вертикальных стволов / Шахтное и подземное строительство. - 1986. - №1, с. 21-22.
6. Плешко М.С., Крошнев Ä.B. Особенности совместной работы системы «арми-ровка - крепь - породный массив» в глубоких вертикальных стволах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 8. С. 168-171.
7. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчёту кре-пи/ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР.-М.: Стройиздат. - 1983. - 272 с. ГГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Шинкарь Денис Игоревич - аспирант, Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» (Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ(НПИ)), телефон: (8636)222036.
А
ГОРНАЯ КНИГА
Горный информационно-аналитический бюллетень.
Отдельный выпуск № 6.
Институт угля Сибирского отделения РАН
2013 532 с
ISSN 0236-1493 (в пер.) УДК 622
В сборник вошли статьи по проблемам создания эффективных технологий разработки угольных месторождений, обеспечения безопасности ведения горных работ, угольного машиностроения, мониторингу экологической и сейсмической обстановки в угледобывающих регионах на основе современных информационных технологий. Для специалистов горнодобывающих отраслей.
