книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

в мерзлом состоянии. Различают три основных вида текстуры мерзлых пород: массивную, ячеистую и слоистую. Первый воз­ никает при быстром промораживании пород, последний — при медленном, с односторонним подтоком воды извне, а второй — является промежуточным. У оттаявших пород с ячеистой и слоистой текстурой сопротивление пород в несколько раз ниже, чем у пород, ие подвергавшихся замораживанию.

4.1.3. Прочностные и деформационные свойства замороженных пород

Прочность мерзлых пород определяется главным образом прочностью его межчастичиых и внутричастичных связей. Для талых пород эти связи (силы сцепления) могут быть условно разделены (Н. Я. Денисов) на молекулярные силы сцепления и структурное сцепление. Последние устраняются при наруше­

нии естественного сложения пород. Для	замороженных пород
выделяют третий вид сцепления (С. С.	Вялов)— цементация

льдом, который зависит от количества льда, площади его кон­ тактов, температуры породы, времени действия нагрузки и др.

Наличие в	мерзлых породах вязких компонентов — льда
и иезамерзшей	воды — обусловливает развитие реологических

процессов: нарастание деформации во времени при неизменной нагрузке (явление ползучести), расслабление во времени на­ пряжений при фиксированной деформации (Явление релакса­ ции) и снижение сопротивления нагрузкам (снижение прочно­ сти) при длительном воздействии. В связи с этим заморожен­ ные породы обычно рассматривают как упруго-пластично-вяз­ кое тело, поскольку в зависимости от величины нагрузки и времени ее действия в ней могут развиваться все присущие таким телам виды деформаций.

На рис. 4.3 показана схема деформации мерзлых пород, соответствующая в общем случае классическим кривым ползу­ чести. Участок ОА соответствует условно мгновенной деформа­ ции, возникающей сразу же после приложения нагрузки. После снятия нагрузки деформация практически восстанавливается полностью.

Рис. 4.3. Кривая ползучести мерзлых пород

Участок	АБ соответствует	деформации ei	с замедленной
скоростью	деформирования (неустановившаяся		стадия ползу­
чести, составляющая примерно		1—5% от общей	деформации).

После снятия нагрузки деформация восстанавливается вовре­ мени лишь частично, так как включает-в себя как структурно

обратимую,		так и	структурно необратимую			и	пластическую
деформации.		При	затухающем		процессе	деформирования
эта	стадия	продолжается		до	достижения	деформаций		не­
которого конечного значения или развивается						непрерывно,		но
со	все замедляющейся			скоростью (вековая			ползучесть).

При незатухающем процессе деформирования процесс перехо­ дит во вторую стадию ползучести, которой соответствует деформация еи установившегося или пластично-вязкого течения (участок БВ, составляющий 65—70% от общей деформации). При дальнейшем развитии деформации стадия неустановившегося" течения переходит в третью стадию деформации еш прогрессирующего течения (участок БД, составляющий 25— 30% от общей деформации), после чего порода разрушается. Продолжительность и удельная роль той или иной стадии ползучести зависит прежде всего от величины нагрузки. Чем выше величина нагрузки, тем меньше продолжительность ста­ дии установившегося течения и тем скорее наступает прогрес­ сирующая стадия. При очень больших нагрузках, соответст­ вующих разрушающим при быстром приложении, прогресси­ рующее течение наступает почти непосредственно после прило­

жения нагрузки. В этой связи при	оценке прочностных мерз­
лых пород различают мгновенную	(близкую к максимальной)
и длительную прочность.
Мгновенную прочность обычно	приравнивают к величине

так называемого предела прочности на одноосное сжатие, ко­ торую определяют при стандартной скорости возрастания дав­ ления (1,5—2,0 МПа в 1 мин). Практическое значение для рас­ четов ледопородных ограждений (см. ниже) имеет длительная прочность, значение которой определяют в зависимости от ве­ личины нагрузки, действующей в заданный период времени, соответствующий сроку службы ледопородного ограждения (время строительства подземного сооружения). Предельно длительная прочность — это сопротивление, при котором дефор­ мации имеют пластично-вязкое течение, но не переходят в ста­ дию прогрессивного разрушения.

Как показывают исследования, прочностные и деформа­ ционные свойства мерзлых пород в наибольшей степени зависят от типа породы, ее температуры, влажности и от времени дей­ ствия нагрузки.

На рис. 4.4 показаны зависимости предела прочности раз­ личных типов мерзлых пород от температуры: песка 1, супе­ си 2, глины 3.

О 10 20 30 40 SOH'c'%

Рис. 4.4. Зависимость предела проч­ ности на одноосное сжатие от ве­ личины отрицательной температуры

Рис. 4.5. Зависимость предела проч­ ности замороженных пород от сум­ марной влажности:

/ —• песок; 2 — супесь; 3 — глина; 4 —*пы­

леватая глина

Приведенные и подобные им кривые хорошо описываются следующими эмпирическими зависимостями:

для среднезернистых песков (МПа)

осж = 0,1 (а -)- b t );

для пылеватых песков и глин (МПа)

стсж= °Л (а+Й>,

где t — абсолютное значение температуры замороженной поро­ ды (в расчетах за эту температуру принимают среднюю тем­

пературу) ледопородного ограждения, °С;	a, b — коэффициен­
ты, принимаемые в зависимости от пористости и		влажности
горной породы согласно данным табл. 4.1.	пород	в основном
Различное значение прочности мерзлых

обусловливается наличием льдистости в этих породах. Изменение влажности W замороженных пород при одной и

той же отрицательной температуре также в значительной сте­ пени влияет на предел прочности замороженных пород. Для примера на рис. 4.5 показан ряд таких зависимостей. При влажности, меньшей полной водонасыщенности, сопротивление сжатию для всех мерзлых пород возрастает, а при перенасы­ щенности влагой, как правило, уменьшается.

Закономерности изменения прочности мерзлых пород в за­ висимости от времени воздействия нагрузки в общем случае

Порода	Пористость,	Влажность,	Коэффициенты
	Я»	%	а	|	b
Песок средней,	38	10	11,2		17,1
крупности		16,7	21,9		21,5
		22,5	37,6		21,6
Песок пылеватый	42	8,1	5,1		2,26
		15	8,6		3,67
		23	11,5		5 ,2
Глина	40	8	5,9		1,96
		14,7	10,2		3,12
		24	15,7		3,5

описываются уравнением (С. С. Вялов), которое хорошо согла­ суется с экспериментами

"«>=—V1

ь т г

где р (кг/см2) и В (ч) — параметры, зависящие от типа породы и ее температуры, значения которых для частного случая при­ ведены в табл. 4.2.

Наибольшее снижение прочности мерзлых пород отмечается для начального сравнительно небольшого промежутка времени.

Далее изменение сопротивления мерзлых					пород		происходит
в значительно меньшей степени, постепенно затухая.
Зависимость длительного			сопротивления			сжатию ид от		ве­
личины	отрицательной	температуры,		как	показали		исследова-
							Т а б л и ц а	4.2
	Келловейская супесь		(КМА)	Глина		бат-байоса (КМА)
и °С	0, МПа	В., мин		р я МПа			В, мин
	О д н о о с н о е с ж а т и е
—5	25,32	2,694	-10-*	34,15			3,145-10-6
— 10	41,84	2,494	10"*	44,8			4,023-10-*
—20	69,8	2,224	-10-*	57,57			1,293-10-»
		С и л ы с ц е п л е н и я
—5	8,67	1,406	-10"»	11,48			4,153-10~4
— 10	18,26	2 ,552 -10-4		15,64			3,052-10-»
— 15	22,11	5,242-Ю"4		37,31			2,119-10-»
—20	25,06	4,419 -Ю"4		27,57			1,017-10"»

		Порода			в Д
Галечник с песчаным заполнителем					0 - 0 ,1	5—7
Песок	(W = 17-Î-23%)				0—0,1	3 ,5 - 6
Супесь	( Г = 204-25%)				0—0,2	2 ,4 - 4 ,5
Суглинок		(№=30-^35%)			0,2— 1	2—3
Глина	(Г = 2 5 ~ 3 5 % )				0,5—1,5	2—9
						Т а б л и ц а	4.4
		Порода		У. %		Œp, МПа
Глина		(содержание	фракции	19,4	- 1 , 2	0,98
0,005 мм — 45%)				19,4	—2,5	1,68
				19,4	—4	2,16
Глина покровная				32	—2	11,5
				32	—5	12,8
				32	— 10	26,5
Суглинок		тяжелый	(содержание	31,8	—3	12
фракции 0,005 мм — 22,5%)				34	—4	17
Супесь тяжелая
Песок кварцевый				17	—2,2	7,3
То же				17	—5	7,9
—*—				17	— 10	16
ния	Института мерзлотоведения			Сибирского		отделения	б.

АН СССР, хорошо описываются уравнением

Я дИ Я дЧ А /0 - 0 ,1 .

Значения параметров ад, Ьл могут приниматься по данным табл. 4.3.

Сопротивление растяжению замороженных пород подчиня­ ется тем же закономерностям, что и сопротивление сжатию, а именно: сопротивление растяжению возрастает с понижением отрицательной температуры и зависит от состава пород, их льдистости, текстуры и пр. По абсолютной величине сопрЬтивление мерзлых грунтов растяжению в 2—6 раз меньше сопро­ тивления сжатию.

В табл. 4.4 приведен ряд значений мгновенного сопротив­ ления растяжению.

4.1.4. Общие принципы расчета процесса замораживания

Расчет процесса замораживания сводится к определению мощности замораживающей станции и времени замораживания для создания ледопородного ограждения необходимой толщи-

ны с заданными тейлофизическими, прочностными и деформа­ ционными характеристиками. Наиболее детально разработаны

методы расчета замораживания горных	пород применительно
к созданию кольцевых ледопородных	ограждений, которые

рассмотрены ниже. Применяемые в настоящее время инженер­ ные методы расчета при проектировании замораживания гор­ ных пород, как правило, базируются на научных основах. Если раньше методы расчета инженерных сооружений исчерпы­ вались сопротивлением материалов и статикой сооружения, то в настоящее время главное место в них принадлежит теориям упругости, пластичности и ползучести. Одним из характерных и наиболее сложных примеров таких расчетов, требующих уче­ та физических, физико-химических и химических свойств мате­ риала, является расчет на прочность ледопородных огражде­ ний.

Учитывая, что прочностные и деформационные свойства мерзлых пород во многом определяются температурой замора­ живания, большое значение в инженерных методах расчета замораживания приобретает расчет температурных полей в массиве горных пород. Для выполнения расчета необходимо знать следующие исходные данные: геологический разрез с ха­ рактеристикой залегания пород в районе строительства выра­ ботки; минералогический и гранулометрический состав пород; плотность, пористость, влажность, угол внутреннего трения пород; предел прочности пород на одноосное сжатие в естест­ венном и замороженном состояниях; коэффициенты теплопро­ водности и теплоемкости пород в естественном и замороженном состояниях, распределение температуры пород по глубине; ко­ эффициенты фильтрации пород, гидравлические уклоны, на­ правление и истинные скорости движения подземных вод, ста­

тические напоры' по каждому водоносному горизонту	и харак­
теристика гидравлической связи между горизонтами;	степень
и состав минерализации подземных вод, температура	замер­
зания естественных минеральных растворов; источники водо­

снабжения, дебит и температура воды, используемой для замо­ раживающей станции.

Зная инженерно-геологические условия залегания пород и их характеристики, назначают режим замораживания, кото­

рый характеризуется	значениями температур хладоносителя
и внешней поверхности	замораживающей колонки, расходом
хладоносителя в колонках и другими параметрами.

Глубину замораживания пород принимают в. зависимости от гидрогеологических условий $алегания горных пород. При строительстве подземных сооружений в неустойчивых водонос­

ных породах вне зависимости от ожидаемых	притоков	воды
породы замораживают на всю мощность неустойчивых		пород
с заглублением в подстилающие водоупорные	породы	не ме­

нее чем на 2 м для обеспечения промерзания контакта пород и предотвращения поступления воды в выработку через дон­ ную часть ледопородного ограждения. При недостаточной мощ­ ности водоупора предусматривают создание ледопородного днища. В этом случае глубину замораживания увеличивают на толщину днища,' которую определяют по формуле

= А „ Л т / (4т<_.р),
где £>Пр — диаметр			ствола	в проходке,		м;	Рст— гидростатиче­
ское давление		в водоносных			породах,	Па;	тСр — допускаемое
напряжение замороженных пород днища на срез, Па.
При строительстве подземных сооружений в устойчивых, но
водоносных породах глубину					замораживания, если			принят та­
кой способ, принимают до горизонта, ниже							которого приток
воды в выработку ожидается не более 8 м3/ч.								расчетом
Толщину	ледопородных			ограждений		определяют
(см. ниже),	исходя		из давления горных пород и гидростатиче­
ского давления		воды с учетом			формы	и размеров		выработки

итехнологии производства горно-строительных работ.

Внеустойчивых породах давление горных пород

Pv~ 2 lihi tg2[(90°—Ф^/2],
»=i
где ^i — удельный вес	пород т-го	слоя	геологического разреза;
hi — мощность пласта	пород t-ro	слоя;	ф<— угол внутреннего
трения породы пласта, в котором определяют давление.

Для водонасыщенных пород, залегающих ниже статическо­ го уровня подземных .:вод, при определении горного давления следует принимать плотность, взвешенную в воде, и отдельно учитывать гидростатическое давление воды, которое определя­ ют до формуле

Р&Г ~ Ув^ст >

где -ув — удельный вес подземных вод; Нст— высота статическо­ го ..уровня воды над отметкой глубины, для которой определя­ ют давление.

Полную нагрузку на ледопородное ограждение принимают как сумму горного и гидростатического давления, т. е.

Р— Рг-\г Рст.

4.1.5.Расчет температурных полей и средней температуры ледопородного ограждения

В процессе создания ледопородного ограждения необходи­ мой толщины с заданными .теплофизическими, прочностными и деформационными свойствами в массиве горных пород непре­ рывно протекает неустаиовмвшийся теплообмен с постоянным

изменением граничных условий, при котором каждому моменту времени соответствует свое температурное поле. При замора­ живании горных пород процесс теплообмена условно разделя­ ют на два: внешний и внутренний.

Внутренний теплообмен происходит внутри замораживаю­ щей колонки между нисходящим и восходящим потоком хладоносителя (см. рис. 4.1,6) и зависит от температуры потоков, скорости движения хладоносителя, теплофизических свойств материала питающих труб, гидравлических характеристик по­ токов и т.д.

Внешний теплообмен протекает в массиве горных пород между замораживающей колонкой и массивом, формируя ледо­ породное ограждение. В принципе внешний теплообмен являет­ ся трехмерным процессом, однако тепловые потоки в вертикаль­ ном направлении от пласта к пласту в силу различия тепло­ проводности пластов горных пород пренебрежимо малы по сравнению с тепловыми потоками в горизонтальной плоскости. Поэтому расчет температурных полей проводят совместным решением задачи неустановившегося теплообмена в горизон­ тальном слое по двухмерной схеме (внешний теплообмен) с за­ дачей конвективного теплообмена внутри замораживающей колонки (внутренний теплообмен).

Имеющиеся аналитические решения распределения темпе­ ратурного поля при замораживании горных пород, предложен­

ные советскими учеными Н.	Г Трупаком, И. А. Парным,
X. Р. Хакимовым и зарубежными авторами		Лебретоном, Дре-
копфом, Штендером, не нашли	применения	в практике проек­
тирования процесса замораживания пород		в силу громоздко­

сти предложенных формул, большой сложности вычисления параметров, а главное, в связи с тем, что аналитическим мето­ дам свойственны существенные недостатки из-за принятых мно­ гих допущений, искажающих реальный характер процесса за­ мораживания.

В связи с этим в практических расчетах распределения температурного поля при замораживании горных пород более широкое применение получили расчетные формулы при моде­ лировании процесса теплообмена на аналоговой вычислитель­ ной технике с использованием для решения уравнений матема­ тической физики конечно-разностного метода.

Процесс теплообмена в горизонтальном слое определяется Двумя уравнениями Фурье для охлажденной и мерзлой зон и уравнением Стефана, учитывающим отдачу скрытой теплоты льдообразования и выражающим закон продвижения границы зон:

[с А	дЧт	дНт
	-К(-	ду*
	дха

[(*» ^ Г ~ к

где iM, tr — соответственно температуры пород в замороженной зоне и вне ее, °С; х * , у* — координаты точек границы е промер­

зания, м; — ---- производная по направлению нормали к грани­ це промерзания, °С/м; а— скрытая теплота льдообразования, кДж/кг; — ----- скорость продвижения границы промерзания,

м/ч; л — индекс характерного слоя горной породы.

Теплообмен внутри замораживающей колонки определяется уравнениями:

f —	( t - k ) —	— fe -/i) = -0CpTp 4 й-;
Г 71—2		Ï 1—2		d z
- J — ((,— ( ,) = «Vy„
Г		Q Z
где	гь г2 — термическое		сопротивление стенок			питающей
и замораживающей труб			колонки,	отнесенное	к 1	м длины,
кДж/(м-ч-°С);		индексы" — 2 и 1—2		означают	соответственно

тепловое взаимодействие породы (п) с межтрубным простран­

ством	(2) и питающей трубы		(1) с межтрубным пространством;
tu h — температура		хладоносителя в питающей		трубе		и меж­
трубном пространстве, °С; t — температура породы					на	контак­
те с	поверхностью	колонки,	°G; G— расход	хладоносителя,
м3/ч;	СР — удельная теплоемкость хладоносителя, кДж/(кг*°С);
"fp — плотность хладоносителя, кг/см3.					выше урав­
Единственность		решения	системы приведенных
нений достигается		заданием	краевых условий:	начальных —

естественная температура породы в начальный момент време­ ни, граничных — температура замораживания на суммарной поверхности замораживающих колонок, через которую происхо­ дит теплообмен между породой и циркулирующим в колонках хладоносителем, и нулевая изотерма на границе мерзлых и та­ лых пород.

Следовательно, граничные условия для решения уравнений при определенном числе замораживающих колонок будут за­ висеть от конструкции последних и прежде всего от режима движения хладоносителя в колонках, т. е. от условной внутрен­ него теплообмена.

Пространственная задача решается методом последова­ тельной смены стационарных режимов, ступенями, с разбивкой времени замораживания на достаточно малые интервалы и с

Рис. 4.6. Схема к определению сред­ ней температуры ледопородного ог­ раждения:

7?в — внутренний радиус ледопородного

ограждения;	Ru — наружный радиус ле-
донородного	ограждения

использованием приема последовательных приближений. Наи­ более сложно решается задача распределения температурного поля при создании распределения температурного поля замкну­ тых кольцевых ледопородных ограждениях.

Использование вычислительной техники позволяет прогнози­ ровать развитие ледопородного ограждения в плоскости пласта на определенный промежуток времени замораживания не толь­ ко с учетом режима замораживания, но и реального положе­ ния замораживающих скважин в плане на рассматриваемом горизонте, а также рассчитать среднюю температуру ледопо­ родного ограждения, значения которой необходимы при опре­ делении толщины ограждения.

Для определения средней температуры ледопородного ог­ раждения необходимо знать распределение температуры в трех характерных плоскостях (рис. 4.6): осевой I, главной И, зам­ ковой III.

При однорядном расположении замораживающих колонок наибольший практический интерес представляет значение тем­ пературы в точке К пересечения осевой и замковой плоскостей' tK, так как она фактически определяет все температурное поле замковой плоскости, по которой ведется прочностной расчет толщины ледопородного ограждения, имеющей наиболее высо­ кую температуру и наименьшую прочность материала среды.

Средняя температура в замковой плоскости.

,	_ 1	f	я £ / (2/) -	In 2
vsP. э	л	*СТ	,	т.
			2яг0	21
Средняя			температура всего ледопородного ограждения

/ср=М0;32+0,8<Д—0,21/Е) .

Вэтих формулах Го--радиус замораживающей колонки, м;

tP— температура хладоносителя, поступающего в замораживаю­ щие колонки, °С; tCT— температура внешней поверхности замо­ раживающей колонки, °С; I — расстояние между колонками, м; d — диаметр колонки, м.

Величина 4Стзависит от температуры и режима движения