Автореферат диссертации (1141547), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Сделан вывод, что напряженно-деформированное состояние в первуюочередь покровной, а также карстующейся толщи пород зависит от механизма (стадии)формирования провала.Изучение напряженно-деформированного состояния покрывающей толщи несвязных породнад карстовой полостью начинается с обзора существующих методов моделирования карстовыхдеформаций – математических и физических.Наиболее распространенной разновидностью математического моделирования являетсячисленное моделирование, которое в настоящее время, как правило, выполняется с помощьюразличных геотехнических программ, базирующихся на методе конечных элементов (МКЭ).Основным достоинством указанного метода моделирования является его меньшая трудоемкостьпо сравнению с физическим моделированием, основным недостатком – отсутствие возможностимоделирования карста, осложненного суффозионными процессами, поскольку сетка конечныхэлементов характеризуется неразрывностью и сплошностью.Наиболее распространенным видом физического моделирования является лабораторноемоделирование.
В диссертации достаточно подробно рассмотрены следующие его типы:центробежное, фрикционное и стендовое. В автореферате приводятся результаты исследованийтолько по последнему из них.Метод стендового моделирования карстовых деформаций получил наибольшеераспространение благодаря меньшей трудоемкости при подготовке экспериментов и томуобстоятельству, что в них наилучшим образом возможно участь сложные гидрогеологическиеусловия. Несмотря на основной недостаток такого экспериментального моделирования, которыйзаключается в получении качественного напряженного состояния испытываемой модели, егорезультаты неоднократно показывали хорошую сходимость с фактическими размерамикарстопроявлений (Хоменко, 2003, 2009; Аникеев, 2016).
Поэтому исследования, в конечномсчете, было решено выполнить с использованием стендового моделирования.Целью экспериментов являлось подтверждение возможности, касающейся оперативноговыявления и дальнейшего прогноза развития подземных карстовых деформаций с помощьюконструкций глубинных реперов, задачей экспериментов – изучение напряженнодеформированного состояния покровной толщи грунтов при различных параметрах подземныхпроявлений карста.10Описание лабораторного оборудования и подготовка модели к проведениюэкспериментов. Для проведения экспериментов была выбрана установка конструкцииВ.П. Хоменко, Е.П.
Маханько, Е.И. Исаева и др. (Рекомендации, 1984; Хоменко, 2003, 2009). Ееобщий вид показан на рисунке 2. Лабораторная установка состоит из рабочей камеры размером32х20х17 см, которая заполняется материалом модели, имитирующем покровную толщу грунтов.В качестве материала модели выбран песок мелкий, однородный, физические свойства которогоприведены в таблице 1. В первых трех экспериментах пески являются маловлажными (Sr = 0,320,34 < 0,5), в четвертом – их можно считать водонасыщенными (Sr = 0,78 ≈ 0,8).а)б)Рисунок 2. Экспериментальное оборудованиеУсловные обозначения: а) Установка конструкции В.П. Хоменко, Е.П.
Маханько, Е.И. Исаеваи др. (Рекомендации, 1984; Хоменко, 2003, 2009): 1– рабочая камера; 2 – боковые водоприемныекамеры, не имеющие функциональной нагрузки в настоящих экспериментах; 3 –водопроницаемые перегородки; 4 – нижняя камера; 5 – верхние створки; 6 – нижние створки; 7 –выпадающая деревянная вставка; 8 – устройства для перемещения створок. Микрорепернаяустановка М.М.
и М.В. Уткиных: 9 – пластина, выполняющая функцию кондуктора и опоры; 10– микрореперы; 11 – фиксаторы микрореперов; 12 – опорные стойки; 13 – индикаторы часовоготипа ИЧ-10. б) Элементы микрорепера (10): 14 – штанга, в верхней части которой нанесенамерная шкала; 15 – анкер; 16 – обсадная трубка; 17 – оголовок штанги11№эксп.1234Таблица 1. Физические свойства материала модели по каждому из экспериментовПлотностьПлотностьСтепеньПлотностьВлажностьКоэффициентчастицскелетавлажностигрунта, ρ,грунта, W,пористостигрунта,ρ,грунта,ρ,грунта, Sr,sdг/см3%грунта, e, д.е.33г/смг/смд.е.1,659,82,651,500,760,341,629,42,651,480,780,321,639,32,651,490,780,321,9119,42,651,600,660,78Во всех экспериментах было принято, что карстовая полость заданной ширины образуетсяна нижней поверхности зоны аэрации.
В дальнейших исследованиях целесообразно рассмотреть идругие геолого-гидрогеологические условия.Дно рабочей камеры оборудовано двойными раздвижными створками, с помощью которыхсоздается отверстие необходимой ширины. В него помещалась деревянная вставка, последующеевыпадение которой имитирует стадию выхода карстовой полости на контакт с подошвойпокровной толщи грунтов. Ширина вставок в каждом из четырех опытов была подобрана такимобразом, чтобы в первом из них при выпадении вставки образовалась полость шириной (b) 4 см,во втором и четвертом – 8 см, в третьем – 12 см.Для возможности проведения исследований диссертантом была разработана специальнаямикрореперная установка, которая также показана на рисунке 2.
Первый ряд микрореперов (№1-5)расположен у передней стенки рабочей камеры, второй (№6-10) – у задней стенки. Первый рядмикрореперов погружался в покровную толщу грунтов на глубину равную ½ ее мощности (9 см),второй – на ¾ мощности (13,5 см). Плановое и глубинное их расположение показано на рисунке 3.Диаметр штанги микрореперов составляет 4 мм, самого анкера – 14 мм. Их монтаж в покровнуютолщу производился в пробуренные сверлом скважины.
После этого ранее извлеченным грунтомвыполнялась ликвидация полого пространства, образовавшегося между обсадными трубками истенками скважин, путем послойной его засыпки с уплотнением. Следует отметить, чтовышеприведенная последовательность действий по подготовке экспериментальной моделипрактически полностью соответствует очередности действий по устройству глубинных реперов напрактике. Благодаря этому обстоятельству получаемые результаты экспериментов будут болеедостоверными.Проведение экспериментов в каждом из опытов начинается с момента выпаденияутяжеленной деревянной вставки, в результате чего происходит выход карстовой полостизаданной ширины на контакт с подошвой покровной толщи грунтов (рисунок 4). Регистрациярезультатов экспериментов производилась с помощью индикаторов часового типа (ИЧ-10) имерной шкалы.
На протяжении всех опытов выполнялась видеосъемка.Результаты экспериментов представлены на рисунках 4 и 5. Как видно из рисунка 4 послевыпадения деревянной вставки в эксперименте №2 обрушения материала модели в полость непроисходит, а в экспериментах №3 – наблюдается, в результате чего образуется вывал грунтов, сформированием соответствующего свода. В третьем эксперименте его высота h составила 6,5 см(h3/b3 = 0,54), в четвертом – 3,5 см (h4/b4 = 0,44). По результатам всех экспериментов были сделаныследующие основные выводы:121.
Подземные микрореперы в результате ослабления и обрушения покровной толщи грунтовсработали, т.е. получили осадки. В первых двух опытах незначительные (например, максимальноезначение осадки smax микрорепера №3 в первом эксперименте не превышает 0,2 мм, во втором –1,0 мм), в остальных – намного бо́льшие (smax микрорепера №3 в третьем и четвертомэкспериментах составила 45 мм). При этом бо́льшая часть осадок происходит практически вмомент выпадения деревянной вставки.Рисунок 3.
Плановое и глубинное расположение микрореперова)б)Рисунок 4. Имитация выхода карстовой полости на контакт с подошвой покровной толщигрунтов. Условные обозначения: а) эксперимент №2 – b = 8 см; б) эксперимент №3 – b = 12 см.На всех фотографиях показана передняя стенка рабочей камеры установки13Рисунок 5. Осадки микрореперов по каждому из четырех экспериментов (а-г),зарегистрированные через 30 секунд после выпадения деревянной вставки2. С ростом ширины полости деформации покровной толщи грунтов (при прочих равныхусловиях) возрастают. Принимая во внимание значения осадок по результатам первых трехэкспериментов, можно констатировать, что их увеличение происходит не по линейному закону.3. По мере удаления микрореперов (как в плане, так и по глубине) от полости, их осадки,как правило, уменьшаются.4. Насыщенность песков водой и, следовательно, гидрогеологические условия оказываютзначительное влияние на напряженно-деформированное состояние покровной толщи грунтов.Например, в третьем эксперименте (песок маловлажный) при 30 сек.
осадка микрорепера №8составила 3,53 мм, а в четвертом (песок водонасыщенный) – 4,42 мм. И это несмотря на то, что вчетвертом эксперименте ширина полости меньше на 4 см (-33%), чем в третьем эксперименте.5. В экспериментах №1 и 2 осадок дневной поверхности грунтовой модели незафиксировано, чего нельзя сказать про эксперименты №3 и 4. По результатам анализавидеосъемки высокого разрешения было установлено, что в последних двух экспериментахобрушение грунтов в полость сопровождалось образованием на дневной поверхности моделилокальных оседаний очень малой глубины. Данное обстоятельство еще раз подтверждает тот факт,что карстовые просадки и локальные оседания, как правило, являются своеобразнымпредвестником возникновения в будущем провалов (Толмачев, 2015; Хоменко, 2003).6.
Динамические нагрузки оказывают значительное влияние на напряженнодеформированное состояние покровной толщи грунтов. Поэтому на стадиях строительства иэксплуатации объектов необходимо осуществлять контроль над их длительностью иинтенсивностью воздействия на основание (Хоменко, 2003, 2015).14Результаты экспериментов описаны применительно к материалу модели, физическиесвойства которого указаны в таблице 1. Положения, касающиеся перехода от модели к натуре,детальным образом изложены в диссертации.Проведенные исследования возможно считать достоверными, поскольку они непротиворечат ранее выполненным экспериментальным исследованиям и основным законаммеханики. Следовательно, наблюдения за изменением напряженно-деформированного состоянияпокровной толщи грунтов допускается осуществлять с помощью представленной конструкцииподземных реперов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
