Способ определения механических характеристик горных пород Советский патент 1980 года по МПК E02D1/02 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД

I

. Изобретение относится к строительству, преимущественно к подземному строительству и может быть использовано для определения характеристик деформируемости горных пород в условиях естественного залегания.

Известен способ для определения коэффициента отпора породы в шуфре или камере, включающий устройство шурфа или камеры, покрытие стенок шурфа или камеры выравнивающим слоем бетона, прнложение к стенкам шурфа или камеры равномерно распределенной нагрузки и замер изменения диаметра шурфа или камеры в процессе приложейия давления {IJ.

Однако такой способ обладает малой точ костью, поскольку надежные характеристики могут быть получены лишь в случае, если диам;етр скважины, шурфа или камеры в точности равен диаметру строящегося сооружения, а учитывая значительные размеры строящихся в настоящее время гидротехнйческих туннелей, диаметры которых дости-. тают десятки и более метров, проведение экспериментов такого масштаба практически нереально. Этому способу также характерна значительная трудоемкость и стой мость.

Наиболее близким техническим решением является способ определения механических характеристик горных пород путем 5 образования щели с поверхности грунта, приложения нагрузки на стенки и замера деформаций горных пород. Одновременно замеряют напряжения в г1ороде в плоскости, перпендикулярной домкрату. Опыт обычно проводят в двух направлениях, с тем бы оценить степень анизотропии массива. По результатам измерений определяют модули деформации породы по взаимно перпендикулярным направлениям }2j.

Недостатки этого способа - малая ность определения характеристик деформируемости, что связано со значительной сложностью и неопределенностью распределения как естественных, так и дополнительных напряжений, возникающих в результате нагружения стенок щели, ввиду неопределенного сти размеров массива, вовлекаемого в работу, и несоответствия его поведения упругой среде, а также невозможность определения коэффициента упругого отпора из-за того, что испытания проводятся при плосТ С1М 1Т&гружении массива, а не в условиях осесимметричного нагружения. Кроме того,

йевозможно учесть изменение характеристик в зависимости от размеров, что является важным фактором для горных пород.

Цель изобретения - повышение точно- . сти определения и обеспечение возможности определения коэффициента упругого,

; отпора. . .

Указанная цель достигается тем, что в способе определения механических характеристик горных пород путем образования поверхности грунта, приложеййй нагрузки на стенки щели и замера деформаций

орных пород в различных направлениях дополнительно образуют не менее двух щелей, причем основную и дополнительные щели п выполняют соосно расположенными и кольцеобразной формы, прикладывают нагрузку на стенки центральной щели,с последующим замером давлений во всех щелях и деформаций горной породы центральной части и между щелями, снимают нагрузки и опреде-ляют деформации восстановления, затем в следующей за центральной щели указанные операции повторяют.

Физический смысл способа заключается в том, что при выполнении кольцеобразных 2S щелей в испытываемом участке массива полНбьтый снимаются естественные напряжения от собственного веса и других факторов и исключается их влияние на получаемые результаты; Нагруженне массива проводится в условиях одномерной задачи, имеющей простое теоретическое описание, не требующее введения целого ряда допущений, как это имеет место в известном способе. Одним из наиболее принципиальных и прак йчёСКИпроизвбльнум допущением являет- jj ся предположение линейной и упругой связи между напряжениями и деформациями исследуемой породы.

При использовании предлагаемого способа отпадает необходимость требования, о чтобы размеры нагружаемого участка породы вдоль центральной оси были не менее трех диаметров выработки, как это имеет место в известных cndco6ax. Эти размеры могут быть доведены до относительно небольщой величины, хотя и изменяющейся в зависимости от конкретных условий размеров блоков пордды, но даже для диаметра 10 и более метров вполне может быть достаточно образование прорези глубиной не более I -1,5 м; что резко упрощает ПрбЫдение ю испытаний.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема описываемого способа, в плане; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Способ заключается в следующем.

На поверхности горной породы при по- мощи специальной пилы образуют соосно рас11оложенные кольцеобраз1 ые щели 1, 2 и 3 в количестве не менее трех, что необходимо для исследования масштабного фактора, т. е. учета размеров области исследуемого массива. При этом должны соблюдаться следующие соотнощения; hVD,; ha/DrD,; hyOj-DzH т.д. 1,5-2, где hi.- глубина щели; а Di - диаметр кольца породы, полученный в результате образования щелей (i 1, 2, 3 и т. д).

При этих соотношениях обеспечиваются практически одномерные условия нагрун е ния породы. В щели помещают домкраты и обеспечивают их плотный контакт со стенками щелей, например закачивается в домкраты жидкость. , .

Устанавливают измерительные приборы 5 для замера деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью.

Осуществляют приложение нагрузки на стенки центральной щели до заданной величины Р I, закачивая жидкость под давлением в домкрат, расположенный в центральной щели.

Производят замер деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью до различным направлениям, например по четырем взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет- определить изменение диаметра центрального породного цилиндра и каждого породного кольца в раз. личных направлениях.

Замеряют давление Ра в домкратах, расположенных в других щелях, возникающее от действия нагрузки приложенной к стенкам центральной щели.

Снимают нагрузку Р i и измеряют деформаций восстановления между соседними щеЛями, что позволяет определить упругую деформацию, и. по ней изменение диаметра центрального породного цилиндра и каждого породного кольца ADi tv.

Осуществляют приложение нагрузки на. стенки второй от центра щели до заданной величины Р 2Производят замер деформаций горной породы между соседними щелями и в области, образованной центральной щелью по различным направляемым, что позволяет определить измерение диаметра центрального переднего цилиндра и каждого переднего кольца ADiji B различных направлениях.

Замеряют давление в домкратах, расположенных в других щелях, возникающее от действия нагрузки приложенной к. стенкам второй от центра щели.

Снимают нагрузку Р2 и замеряют деформации восстановления между соседними щелями, что позволяет определить упругую деформацию, а по ней изменение диаметра центрального переднего цилиндра, и каждо- . го переднего кольца - .

Затем все операции повторяют, прикладывая нагрузку к стенкам каждой из ледующих щелей. По полученным данным Pj.; I,; ADu; дои у определяется модуль упругости Е и модуль деформации ЕО в зависимости от размера испытания, либо коэффициент отпора К и коэффициент отпора К и их изменение в зависимости от размера испытания по следующей формуле Ki (i I, 2, 3 и т. д.), где Kj -коэффициент отпора в зависимости от размера испытания; Pi - заданное давление на стенки кольР . цевой прорези; -перемещение внешней стенки кольцевой прорези при заданной величине давления Pi. Для однородных пород ЕО; ЕЗ ; К и К определяются по осредненным данным 4/ ; и Dli; 1 и осу определенным в результате измерений по различным направлениям, например по четырем взаимно перпендикулярным радиусам. Для анизотропных пород ЕО; Ej, К и Kj определяются по результатам измерений по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Препендикулярно слоистости EOI; Ej, К i; К и параллельно слоистости Еу ; К . Для неодородных пород при произвольном изменении свойств по радиусу от центра для определения механических характеристик может быть использовано известное рещение.теории упругости. Согласно предложенному способу повыщается точность определения характеристик деформируемости горной породы; появляется возможность определения коэффициента отпора Ki; появляется возможно ть в процессе проведения одного испытания уЬтановить изменение характеристик деформируемости породы таких, как Е и К от размера испытания в сопоставимых условиях. Формула изобретения Огособ определения механических ха рактеристик горных пород путем образования щели с поверхности грунта, приложения нагрузки на стенки щели и замера деформаций горных пород в различных направлениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определений, обеспечения определения коэффициента упругого отпора, дополнительно образуют не менее двух щелей, причем основную и дололиительные щели выпрлйяют соосно расположенными и кольцеобразной формы, прикладывают нагрузку на стенки центральной щели с последующим замером давле- НИИ во всех щелях и деформаций горной породы центральной части и между щелями, снимают нагрузку и определяют деформации восстановления, затем в следующей за. центральной щели указанные операции повторяют. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Зубаров Г. Г. и др. Гидротехнические туннели гидроэлектрических станцй МгЛ., 1962, с. 153-154. 2.Джегер. Механика горных пород и инженерные сооружения. М., 1975, с. 82 (прототип).