На большом числе примеров показаны приемы и методы решения типовых задач оценки устойчивости пород, расчета различных конструкций крепи горных выработок и обделок гидротехнических, транспортных и коммунальных тоннелей на основные виды нагрузок. В начале каждой главы приведен перечень расчетных формул, даны краткие методические указания и примеры расчетов. В конце книги приведены справочные сведения о механических характеристиках пород, о материалах и параметрах крепи. Для студентов горных, строительных и транспортных специальностей вузов.

Рецензенты: кафедра строительства подземных сооружений и шахт Московского горного института и кафедра «Тоннели и метрополитены» Ленинградского института железнодорожного транспорта.

Введение

Раздел первый. Механические модели и напряженное состояние массива пород

1. Упругая модель
1.1. Основные понятия и зависимости механики сплошной среды
1.2. Основные понятия и зависимости упругой модели
1.3. Напряженное состояние нетронутого массива
1.4. Примеры анализа начального поля напряжений в массиве пород
1.4.1. Определение начального поля напряжений применительно к горизонтальной выработке
1.4.2. Определение начального поля напряжений применительно к вертикальной выработке
1.4.3. Определение напряжений в массиве при подработке (малые глубины)
1.4.4. Определение напряжений в массиве при подработке
1.4.5. Метод разгрузки, плоское напряженное состояние
1.4.6. Метод разгрузки, учет объемного напряженного состояния
1.4.7. Транстропная модель массива
1.4.8. Тензор и девиатор начального поля напряжений
1.4.9. Сравнение приближенных формул и строгого решения для транстропной модели
1.4.10. Начальные тектонические напряжения применительно к стволу
1.4.11. Деформации разгрузки
1.4.12. Сейсмические напряжения
1.5. Напряжения и деформации в массиве пород вокруг выработок
1.6. Примеры анализа напряженно-деформированного состояния массива, ослабленного выработкой
1.6.1. Перемещения контура сечения выработки
1.6.2. Зона влияния выработки в гидростатическом поле напряжений
1.6.3. Зона влияния выработки
1.6.4. Радиальные напряжения в массиве вокруг выработки
1.6.5. Прессиометрические испытания
1.6.6. Крупномасштабные натурные эксперименты
1.6.7. Концентрация напряжений на контуре сечения выработки
1.6.8. Напряжения в кровле выработки
1.6.9. Влияние земной поверхности на напорный тоннель
1.6.10. Напряжения на земной поверхности над напорным тоннелем
1.6.11. Влияние земной поверхности на напорный тоннель по критерию перемещений
1.6.12. Допустимый внутренний напор в тоннеле
1.6.13. Влияние нагрузки на земной поверхности
1.6.14. Напряжения в тоннеле под железнодорожной насыпью
1.6.15. Напряжения на контуре выработки эллиптического сечения
1.6.16. Оптимальные размеры эллиптического сечения выработки
1.6.17. Напряжения в целике между выработками
1.6.18. Перемещения контура сечения ствола
1.6.19. Перемещения контура сечения ствола, заполненного жидкостью
1.6.20. Моделирование методом фотоупругости
1.6.21. Сейсмические напряжения на контуре сечения тоннеля

2. Пластические модели
2.1. Основные понятия и зависимости
2.2. Жестко-пластическая модель
2.3. Упруго-пластические модели
2.4. Примеры расчетов с использованием пластических моделей
2.4.1. Построение паспорта прочности породы
2.4.2. Угол внутреннего трения песка
2.4.3. Линии скольжения вокруг выработки
2.4.4. Линии скольжения вокруг напорной шахты
2.4.5. Прочностные характеристики бетона
2.4.6. Прочность наклонно-слоистого массива
2.4.7. Испытания сыпучего материала на боковой распор
2.4.8. Давление опускающегося столба породы, имеющего круглое и квадратное сечения
2.4.9. Сопоставительные расчеты опытов М.М. Протодьяконова
2.4.10. Сопоставительные расчеты натурных измерений давления пород
2.4.11. Сопоставительные расчеты давления песка с данными опытов М.М. Протодьяконова
2.4.12. Сопоставительные расчеты давления на крепь ствола с данными опытов на моделях
2.4.13. Сопоставительные расчеты опытов А.В. Надеждина
2.4.14. Промышленный эксперимент по измерению давления материала засыпки ствола шахты
2.4.15. Сопоставительные расчеты моделирования давления сыпучей среды на крепь ствола
2.4.16. График равновесных состояний для глин
2.4.17. Равновесные состояния массива песка
2.4.18. Определение характеристик пород по результатам испытаний
2.4.19. Устойчивость выработки
2.4.20. График равновесных состояний хрупко разрушающейся среды
2.4.21. Моделирование устойчивости выработки
2.4.22. О моделировании сводообразования и устойчивой форме сечения выработки
2.4.23. Оценка устойчивости выработки в трещиноватом массиве

3. Реологические модели
3.1. Основные понятия и зависимости
3.2. Линейная наследственная среда
3.3. Вязко-упруго-пластические модели
3.4. Примеры расчетов с использованием реологических моделей
3.4.1. Определение коэффициента вязкости по результатам испытаний пород
3.4.2. Определение характеристик линейной наследственной ползучести
3.4.3. Определение реологических характеристик пород по экспериментальным кривым релаксации напряжений
3.4.4. Выбор механической модели каменной соли
3.4.5. Расчет ледопородного ограждения
3.4.6. Определение размеров ледопородного ограждения

Раздел второй. Расчет крепи

4. Взаимодействие крепи с массивом пород
4.1. Крепь (обделка) горных выработок и подземных сооружений
4.2. Анализ взаимодействия крепи с массивом с использованием механических моделей
4.3. Анализ взаимодействия крепи с массивом как составная часть метода расчета крепи
4.4. Примеры анализа взаимодействия крепи с массивом пород
4.4.1. Определение нагрузок на крепь при наличии зазора между крепью и породой
4.4.2. Определение давления на крепь при известных начальных смещениях пород
4.4.3. Определение коэффициента α* по результатам натурных измерений
4.4.4. Определение средних нагрузок на крепь при упруго-пластической модели массива
4.4.5. Анализ взаимодействия крепи с массивом хрупко разрушающихся пород
4.4.6. Анализ взаимодействия крепи с массивом пород, обладающим ползучестью
4.4.7. Определение давления пород на крепь в массиве, описываемом моделью Кельвина — Фойгта
4.4.8. Определение толщины битумного слоя между крепью и породой при установившейся ползучести пород

5. Общий метод расчета крепи выработок круглого сечения
5.1. Общие положения и основные расчетные зависимости
5.2. Оценка прочности крепи

6. Расчет крепи (обделок) вертикальных выработок
6.1. Расчет крепи на различные виды нагрузок и воздействий
6.2. Расчет чугунной тюбинговой крепи
6.3. Расчет крепи стволов, сооружаемых бурением
6.4. Расчет анкерной крепи
6.5. Расчет набрызгбетонной крепи
6.6. Примеры расчета крепи стволов
6.6.1. Расчет монолитной бетонной крепи ствола
6.6.2. Расчет обделки шахты уравнительного резервуара на горное давление, внутренний напор и сейсмические, воздействия землетрясений
6.6.3. Расчет крепи ствола в тектоническом поле начальных напряжений
6.6.4. Расчет крепи ствола с учетом твердения бетона в раннем возрасте и ползучести пород
6.6.5. Расчет сталебетонной обделки вертикальной емкости сжиженного газа
6.6.6. Определение критического значения внешнего гидростатического давления
6.6.7. Расчет крепи ствола, сооружаемого бурением
6.6.8. Расчет трехслойной сталебетонной крепи стволов, сооружаемых бурением
6.6.9. Расчет бетонной крепи ствола, сооружаемого бурением
6.6.10. Расчет трехслойной сталебетонной крепи ствола в водоносных породах
6.6.11. Расчет бетонной крепи в водоносных породах
6.6.12. Расчет сооружения, возводимого способом «стена в грунте»
6.6.13. Расчет тюбинговой крепи ствола, пройденного способом бурения
6.6.14. Определение несущей способности чугунной тюбинговой крепи
6.6.15. Расчет чугунной тюбинговой крепи на устойчивость
6.6.16. Сопоставительный расчет стендовых испытаний трехслойной сталебетонной крепи ствола
6.6.17. Сопоставительный расчет результатов модельных испытаний трехслойной сталебетонной крепи
6.6.18. Сопоставительный расчет модельных испытаний бетонной крепи ствола
6.6.19. Расчет анкерной крепи
6.6.20. Расчет набрызгбетонной крепи

7. Расчет крепи (обделок) горизонтальных выработок и тоннелей круглого сечения
7.1. Общие положения и основные расчетные зависимости
7.2. Примеры расчета крепи горизонтальных выработок и обделок тоннелей
7.2.1. Расчет монолитной бетонной крепи на собственный вес пород (горное давление)
7.2.2. Расчет рамной крепи горизонтальной выработки
7.2.3. Сопоставление результатов расчета с данными испытания объемной модели методом фотоупругости
7.2.4. Расчет чугунной тюбинговой обделки на гидростатическое давление подземных вод
7.2.5. Сопоставительный расчет монолитно-прессованной бетонной обделки перегонного тоннеля метрополитена методом механики подземных сооружений и методом «активных» нагрузок
7.2.6. Определение модуля деформации бетона по результатам натурных испытаний обделок
7.2.7. Расчет сталебетонной обделки высоконапорного тоннеля

Список литературы
Приложения
1. Механические характеристики пород
2. Механические характеристики материалов крепи
3. Крепь вертикальных стволов
4. Крепь горизонтальных выработок. Обделки тоннелей круглого сечения

Введение

Механика подземных сооружений — это прикладная дисциплина, изучающая прочность и устойчивость, надежность и долговечность подземных сооружений и возводимых в них конструкций, контактирующих с окружающим массивом. Это достигается применением разрабатываемых механикой подземных сооружений методов расчета подземных конструкций на различные виды нагрузок и воздействий.

В механике подземных сооружений крепь (обделка) горных выработок и подземных сооружений и окружающий массив представлены как находящиеся в контакте элементы единой деформируемой системы «крепь (обделка) — массив», взаимодействующие друг с другом под влиянием внешних нагрузок и воздействий. Отсюда следует основополагающий принцип механики подземных сооружений — принцип взаимодействия крепи (обделки) с окружающим массивом.

Принцип взаимодействия позволяет учитывать роль массива пород в обеспечении прочности и устойчивости подземных сооружений и максимально использовать собственную несущую способность массива, соответственно облегчая и удешевляя подземные конструкции. Таким образом, применение методов механики подземных сооружений открывает широкие творческие возможности для реализации постановлений партии и правительства по снижению материалоемкости, и в первую очередь — металлоемкости, и стоимости строительства.

Достижения современной механики подземных сооружений представляют достаточные возможности для возведения экономичных подземных конструкций при одновременном обеспечении их прочности, устойчивости и надежности.

Следует подчеркнуть, что современная механика подземных сооружений говорит на языке математики, причем математика выступает как способ получения основных научных результатов.

Современная механика подземных сооружений объясняет все известные науке факты; позволяет предсказывать вид и характер возможных разрушений; подсказывает, как и что следует наблюдать, какие величины следует измерять, при каких условиях следует осуществлять наблюдения.

Принятые в настоящее время уровень идеализации и степень упрощений и абстракций позволяют осуществлять точные вычисления в соответствии с информацией о реальных объектах.

Методы механики подземных сооружений прошли всестороннюю проверку практикой научных исследований и практикой проектирования и строительства таких подземных сооружений, как тоннели Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, подземные сооружения Рогунской и Байпазинской ГЭС, автодорожные тоннели на магистрали Ялта—Симферополь и на подъездной дороге к Ирганайскому гидроузлу, тоннели Днестровской ГЭС—ГАЭС, комплекс подземных сооружений гидроузла Мрича на, р. Сераю (Центральная Ява), ирригационные тоннели водохранилищ Хантуман и Северный Кебир в Сирийской Арабской Республике, железнодорожные тоннели Мале Леднице и Полом в Чехословакии, вертикальные стволы шахт, пройденные бурением, коммунальные тоннели в городах Таллине, Сочи, Саратове и ряд других. Вместе с тем применение методов механики подземных сооружений пока еще нельзя признать достаточным. Эти методы не нашли достаточного отражения и в учебной литературе.

Цель данной книги — помочь студентам углубить понимание законов механики подземных сооружений, освоить прогрессивные методы расчета подземных конструкций и приобрести навыки практических расчетов.

Учебное пособие содержит 95 примеров решения задач механики подземных сооружений различной сложности, необходимые теоретические сведения, методические указания и приложение со справочным материалом. Примеры, взятые из практики проектирования и строительства горных выработок угольных и рудных шахт, транспортных, гидротехнических и коммунальных тоннелей, а также из практики научных исследований, имеют не только иллюстративное, но и познавательное значение.

Учебное пособие может быть использовано для самостоятельной работы студентов.