Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве Советский патент 1993 года по МПК E02D1/00 G01N3/24 

Изобретение относится к области горного дела и строительства, предназначено для определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве в натурных условиях с учетом масштабного фактора в полном обьеме (обратный расчет).

Цель изобретения - повышение точности определения параметров сопротивления сдвигу за счет площадной локализации натурных измерений характеристик элементов поперечного профиля после завершения основной оползневой подвижки, необходимых для получения оптимальных

координат центров вращения и длин радиусов реальной и наиболее опасной расчетной круглоцилиндрческих поверхностей скольжения в уступах, сложенных однородными и квазиизотропными массивами горных пород

На фиг 1 изображен обобщенный расчетный поперечник, построенный по данным многократных измерений в полосе обобщенно отражающий механизм и форму деформиоования ус пупа: на фиг 2 - то же. при оползании по к-pyiлоципиндрической поверхности а отвале, имеющем Форму ко00

гО

N Јw

оо

00

нуса; на фиг.З - графическая зависимость между коэффициентами устойчивости Ку и радиусами круглоцилиндрмческих поверхностей скольжения.

На чертежах даны следующие обозначения: 1 - реальная круглоцилиндрическая поверхность скольжения с центром вращения Oi и радиусом R, 2 - бровка оползня с шириной захвата в, 3 - поверхность верхнего (основного) оползневого уступа с обратным уклоном, 4 - точка пересечения поверхности скольжения с поверхностью откоса в его основании, 5 - основание уступа, 6 - контур уступа до его оползания, 7 - языковая часть оползня, 8 - возможные круглоцилиндрические поверхности скольжения с различным запасом устойчивости уступа при реально зафиксированных проявившихся на дневной поверхности граничных условий деформирования и соответствующие им радиусы и центры вращения (02 (мин), Оз, 04, ОБ и Об (макс), 9 - перпендикуляр к центру линии, соединяющей две точки граничных условий деформи- рования, на которой закономерно располагаются центры вращения всех возможных круглоцилиндрических поверхностей скольжения, рассмотренных предложенных способом. 10 -линил, соединяющая верхнюю и нижнюю точки граничных условий деформирования уступа, 11 - расчетные отсеки (I - XIV), 12 - радиус реальной круглоцилиндрической поверхности скольжения (R), 13 - жесткое основание, 14 - кривая (фиг.З) для случая на фиг.1, 15 -то же, для фиг.2.

Способ осуществляют следующим образом.

Выделяют полосу в центральной части. Эта операция обобщенно отражает реальный механизм и форму деформирования в случае оползания уступов, сложенных однородными и квазиизотропными массивами горных пород и имеет физический смысл - естественное обоснование. Это заключается в том, что именно в центральной части оползней этого типа по данным многочисленных натурных наблюдений в карьерах и выемках сосредоточен основной обьем оползневых масс (до 90%). Краевые части таких оползней вовлекаются в движение инерционными силами и имеют вторичный наложенный характер, не оказывая существенного влияния на основное деформирование. Об этом свидетельствует и четкое проявление в границах указанной полосы головного уступа в виде трещины закола уже на стадии подготовки основного оползневого смещения.

При выделении центральной полосы оползня основное внимание уделяется головному уступу и первому сверху оползневому блоку, так как другие элементы могут не

5 иметь четких границ, а иногда носить следы вторичных изменений.

Критериями для выделения этой полосы служат следующие признаки: в пределах ее границ по стенке головного уступа видны

0 следы вертикального скольжения (борозды, штрихи) и иногда криволинейность профиля; субвертикальность крутизны головного уступа; возможность аппроксимировать головной уступ в плане в виде прямой линии;

5 запрокидывание (обратный уклон) поверхности первого оползневого блока.

В отличие от этого краевые части головного уступа в плане загибаются, а по стенке его отмечаются горизонтальная

0 составляющая направления скольжения, а первый оползневой блок проявляется слабо, быстро выклинивается.

В связи с несимметричным в различной степени строением оползней за счет откло5 нения их от идеальных условий деформирования по различным причинам, выделение центральной (продольной) осевой линии, как оси симметрии центральной части оползня, является более точным в сравнении с

0 формальным ее проведением для всей площади оползня.

Выделение осевой линии предлагаемым способом отсекает краевые несимметричные части оползня, не оказывающие

5 существенного влияния на точность анализа устойчивости.

Для проведения границ центральной полосы на остальной части оползня опускают перпендикуляры от границ по головному

0 уступу вниз.

Осевую продольную линию и боковые границы центральной полосы закрепляют в натуре (провешивают) и все дальнейшие из-, мерения характеристик элементов попереч5 ного профиля производят в пределах этой площади.

После выделения полосы осуществляют многократные измерения характеристик элементов поперечного профиля по их про0 стиранию с заданным постоянным интервалом по обе стороны от осевой линии в направлении от центра к его краевым частям с последующим осреднением измеренных характеристик по каждому элементу

55 раздельно.

Сначала измеряют ширину оползня по верхней берме уступа. Для этого инструментально определяют координаты линейных элементов головного уступа до оползания и

после. Измерения ширины захвата производят на топоплане масштабной линейкой с заданным интервалом. При назначении величины интервала учитыоается интенсивность измерений и необходимое для осреднения количество измерений.

Далее в натурных условиях в этих же точках производят измерения крутизны уступа наклономером, его криволинейность (кривизну)и высоту. Аналогично производят измерения других, нижерасположенных по склону элементов профиля: оползневых блоков и разделяющих их трещин со смещением плеч, в том числе величину запрокидывания оползневых блоков (обратный уклон их поверхности).

Такой порядок измерения характеристик позволяет зафиксировать закономерности их изменчивости, отражающие механизм деформирования. Отклонения частных значений объясняются отклонением реальных условий деформирования от идеальных, которые в природе не встречаются. Например, установлено что высота оползневых блоков и их ширина закономерно уменьшаются сверху вниз, а в пределах отдельных блоков - в направлении от центральной осевой линии к краевым частям. Углы наклона изменяются хаотически (крутизна уступов и запрокидывание). При этом максимальное запрокидывание фиксируется по первому блоку.

По полученным средним показателям всех измерений характеристик элементов поперечного профиля строят обобщенный расчетный поперечник (фиг,1 и 2). Его построение завершает анализ натурных измерений в графической форме. При этом отмечается, что поперечник, построенный другим способом, может привести к ошибке оценки объема смещений до +10%. Если построить поперечник только по измерениям вдоль осевой центральной линии (как лто делается известными способами), то мы получим завышенные характеристики по всем измеренным элементами до 20-30% (табл.1).

На основе геометрического анализ обобщенного расчетного профиля определяют координаты центров вращения длин и радиусов реальной и наиболее опасной расчетной поверхностей скольжения. При этом возможны два случая: деформирование карьерного уступа с выраженной достаточно широкой верхней бермой (фиг, 1) и деформирование отвала, образующего конус (фиг.2).

В первом случае центр Oi и соответствующий ему радиус 12 определяются графически на основе приложения теоремы Эйлера (XYIII век): ... любое перемещение

тела на сфере может быть описано в виде вращения вокруг оси, проходящей через центр этой сферы . Применительно к плоскому случаю, когда рассматривается ок- 5 ружность(в нашем случае

круглоцилиндрическая поверхность скольжения) , эта теорема позволяет найти центр Oi сначала приближенно какточку на линии, продолжающей направление верхнего за0 прокинутого оползневого блока, и перпендикулярной стенке срыва, отстоящую от последней на расстоянии, равном 2 в, что составляет две ширины захвата оползня. Местоположение это уточняется методом

5 подбора радиуса, который должен одинаково отстоять как от верхней бровки стенки срыва оползня, так и от точки пересечения линии скольжения с дневной поверхностью уступа. Окончательный контроль правиль0 ности определения центра Oi проводится после опускания из этой точки вертикальной линии и проведения окружности с радиусом 12, При правильном определении центра Oi и вертикальная линия должна ог5 раничивать сдвигающие активные и удерживающие (пассивные) расчетные блоки, т.е. слепа от этой линии должны располагаться блоки с отрпцз тельными значениями углов наклона поверхностей скольжения, а

0 справа - с положительными. /Далее проводим линию 9 - перпендикулярно к линии 10, соединяющую верхнюю бровку 2 и нижнюю точку А. Полученные данные при круглоцилиндриче5 ской поверхности с центром вращения Oi и радиусом 12 используются путем подстановки их ц уравнения предельного равновесия для вычисления угла внутреннего трения yni сцепления С.

0Откладывая на линии 9 последовательно точки Оз. 0.1, Оз, Оо и проводя соответствующие им окружности при полученных ранее значениях Си р определяют значения соответствующих им коэффициентов устойчивости Ку и R (радиусов окружностей) на

5 кривой 14, определяют их на фиг.З, где кривые 14 и 15 отражают сияоь между Ку и радиусом. Соответствующие им минимальные значения Ку получают при минимальном радиусе. Физический смысл Ку (мин)

0 заключается в том, что теоретически обрушение принято считать возможным Ку 1. Однако о действительности нужна какая-то малая величина отклонения от 1, чтобы это обрушение реализовалось. Нами впервые

5 такая величина количественно оценена. То что круглоцилиндрическая поверхность реализуется при Oi а не при 02 (мин), объясняется тем, что если начало деформации

связывается с центром 02 (мин) и соответствующим ему радиусом, то дальнейшее его развитие и стабилизация происходит при центре СИ и радиусе 12. Это подтверждено натурными наблюдениями, когда фиксиро- велась стадия подготовки оползневого смещения. Другими словами: подготовка оползневого смешения и первые микропод- зижки соответствуют центру Оа, а основная подвижка реализуется при центре Oi и ра- диусе 12. При этом величина параметров С и р при Oz (мин) имеет практическое значение, так как характеризует наиболее опаснее условия деформирования, после проявления которых в виде трещин закола на аерхней бровке основная подвижка становится неизбежной. Для учета этого обстоятельства предлагается получать уточненное (уменьшенное) значение величины сцепления подстановкой tg p, пол- ученного при центре Oi в уравнение равновесия при центре 02 (мин).

П р и м е р 1. Анализ деформированного уступа высотой 12,6 м крутизной 33°, ело- женного мелкотрещиноватыми слоистыми глинами с субгоризонтальным залеганием слоев с плотностью 2,0 т/м - до смещения и 1,86-воползневых накоплениях. Нафиг.1 приведен обобщенный расчетный попереч- ник, описанный ранее.

Осредненные данные измерений характеристик элементов поперечного профиля, использованные при построении обобщенного поперечника, приведены в табл.1.

Значения С и уз предложенным способом определены при центре вращения Oi и радиусе равном 12,6 м.

Для сравнения на фиг.1 нанесены центры вращения, полученные другими способа- ми: H.H. Маслову и Ое-по графикам Ямбу. Эти точки не ложатся на линию 9 и не могут быть использованы предлагаемым способом, как не отражающие условия деформирования.

Исходные данные для расчета С и р приведены в таблицах 2 и 3, где сц - угол наклона расчетной линии скольжения по расчетным отсекам, град., V| - объем рас четного отсека шириной 1 м, м3, PI - вес расчетного отсека шириной 1 м, м3, li - дли- ка расчетной линии скольжения в расчетном отсеке.

Значение р получают приравниванием значения С нулю в момент завершения подвижки

2, Р|п sin CQ

(pп

2 Pi cos о

1ж о.212; (1)

340.9

п 1

2) Pi sin а - Ј Pi cos oj tg p

к 323.93 -0.212 +1,4788 .99

11б.оз 10034

115.99 (в пределах точн.).

Коэффициенты Куз, Ку Кув и Куе вычислялись аналогично с сохранением значения tg f постоянным. При этом получены, соответственно следующие значения их: 0,963 (мин) 1,308 (макс). 0,9719,1,006 и 1.064. При смещении по прямой 10 Ку - 1,819 (при R ).

С(мин)-102 0 57-39 1.469 т/м2.™

на 0,75% ниже, чем при центре Oi. когда С -1.4788 т/м2.

П р и м е р 2. Анализ деформированного оползнем Отвала глинистых пород высотой 12,0 м и крутизной 35° с плотностью пород в отвале 1,70 т/м3 - до оползания и 1,53 т/м - в оползневых накоплениях.

На фиг.З - приведен расчетный обобщенный поперечник, детально описанный ранее. Здесь значения Сир предлагаемым способом при Oi с радиусом 12 определялись аналогично примеру 1, после разбиения поперечника массива на 10 расчетных отсеков (1-Х).

Вспомогательные табл.4 и 5 позволяют вычислять средние значения показателей, входящих в формулы, характеризующие предельное равновесие как до обрушения (табл.4), так и после его реализации (табл.5).

Значения р получают также, приравнивая значение С нулю в момент завершения подвижки (2)

г- ИтГ0 3481

0)

С-44 8 и267 0 348-°-795т/м2 W Проверка:

v77.27 -0.348 +0,795 -22.6

КУ -44

0.9992 (в пределах тонн.)

Коэффициенты Ка (mln) Ky з, Ку4, вычислялись аналогично примеру 1 с сохранением постоянного значения tg tp.

Ку(мин)- 0.975; ,04.

Прямая 10 здесь совпадает с поверхностью откоса

С (мин)73 0.348 - 43 22

0.79 т/м. т.е.

на 0,63% ниже.чем при Oi. где С 0.795т/м С (мин) определялось также по графику на фиг.З (по кривой 15).

Формула изобретения Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве, включающий измерение элементов поперечного профиля до и после оползневой подвижки, определение параметров поверхности скольжения, плотности породы и составление с учетом полученных данных уравнений предельного равновесия, по которым рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление, отличающийся тем. что, с целью повышения точности определения параметров сопротивления сдвигу за счет площадной локализации натурных из0

5

0

5

мерений характеристик элементов поперечного профиля после завершения основной оползневой подвижки, необходимых для получения оптимальных координат центров вращения и длин радиусов реальной и наиболее опасной расчетной круглоцилинд- рических поверхностей скольжения в уступах сложенных однородными и квазиизотропными массивами горных пород, в центральной характерной части оползня выделяют полосу, ширина которой обобщенно отражает реальный механизм и форму деформирования, в границах этой полосы в натурных условиях производят многократные измерения по простиранию характеристик элементов поперечного профиля, средние значения полученных измерений характеристик по каждому элементу поперечного профиля используют при построении обобщенного расчетного поперечника, на основе которого выполняют геометрический анализ, определяют координаты центров вращения и длины радиусов реальной и наиболее опасной круглоцилиндрических поверхностей скольжения, вычисляют действующие в момент оползания напряжения, значения которых подставляют з уравнения предельного равновесия.

Использование: в области горного дела и строительства. Сущность: способ заключается в выделении в центральной характерной части оползня полосы, ширина которой обобщенно отражает реальный механизм и форму деформирования, в произведении многократных измерений характеристик элементов поперечного профиля по их простиранию с заданным постоянным интервалом по обе стороны от центральной линии, с использованием средних значений полученных измерений характеристик по каждому элементу поперечного профиля при построении обобщенного расчетного поперечника, на осноое которого выполняют геометрический анализ, определяют координаты центров вращения и длины радиусов реальной и наиболее опасной расчетнойкруглоцилиндрических поверхностей и вычисляют действующие на момент смещения напряжения, значения которых подставляют в уравнения предельного равновесия, Изобретение позволяет повысить точность определения параметров сопротивления сдвигу в уступах, сложенных однородными и квазиизотропными массивами горных пород, когда в них формируется круглоцилиндрическая поверхность скольжения. 3 ил., 5 табл. сл С

Т а в л

Peiynneiu натурных измерений характеристик элементов поперечного пггфитт с „мтерэапом из, }м при ыирине полосы измерений 36 («parмент)

.-Таблица 2

Таблица 4

w

e И и a g e j

и

BSHrZQt

ei

4j

/Т

Of 0,9

от

W V V V P is %

0,975

Фиа.з