Диссертация (1141548), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В этомзаключается второй недостаток МКЭ. Именно поэтому в настоящее времяизучениекарстовыхдеформаций,которыеосложненысуффозионными36процессами, преимущественно продолжает выполняться с применением методовфизического моделирования [5, 65, 112].Физическоемоделирование.Наиболеераспространеннойегоразновидностью является лабораторное моделирование механизма формированиякарстовых деформаций. В настоящей работе рассматриваются только три егометода: центробежное, фрикционное и стендовое (лотковое).Одним из самых перспективных методов лабораторного моделированиякарстовых деформаций является центробежное моделирование, поскольку спомощьюнего,возможно,получитьнетолькокачественную,ноиколичественную информацию об испытываемой модели. Данное обстоятельстводостигается за счет помещения модели, выполненной из натурного материала, вполе сил, подобное гравитационному полю, но имеющее намного бо́льшуюинтенсивность.
В качестве силового поля используется поле центробежных сил,создаваемое центробежной машиной. В этом и заключается основная идея такогомоделирования.Сущность(основанноеправило)методацентробежногомоделирования состоит в том, чтобы на исследуемую модель действовалиобъемные силы, которые превосходили бы силу тяжести во столько раз, восколько модель меньше действительного объекта. Необходимо отметить, что привыполнениирассматриваемогомоделированияобеспечиваетсясохранениефизической природы многих процессов.Центробежное моделирование получило широкое распространение вгорном деле [57] и в строительстве [58], в особенности при оценке устойчивостисклонов и откосов насыпей и выемок [121].
Кроме того, такое моделированиеиспользуется при оценке влияния добычи газа на напряженно-деформированноесостояние вышележащих слоев грунта [124]. Применительно к карстовымпроцессам в нашей стране, до настоящего момента времени, центробежноемоделирование не выполнялось, несмотря на то обстоятельство, что онодостаточно широко распространено за рубежом, в частности в Китае. Поэтомунами была предпринята попытка такого моделирования карста с использованиемгеотехнической центробежной машины (центрифуги), находящейся в Российском37университете транспорта (МИИТ). Основные аспекты моделирования изложены вподразделе 2.2.2.Другим методом лабораторного моделирования карстовых деформацийявляется фрикционное моделирование.
Основная идея такого моделированиязаключается в том, что на испытываемую модель, которая расположенагоризонтально, передается соответствующая сила, возникающая за счет движенияленты. В результате этого обстоятельства наиболее точно имитируетсянапряженное состояние грунтового массива, по сравнению со стендовыммоделированием. Общий вид установки с фрикционной базой показан нарисунке 2.9 [130].Рисунок 2.9.
Общий вид установки моделирования с фрикционной базой [130]Фрикционное моделирование достаточно широко распространено зарубежом. Оно преимущественно используется для решения разнообразных задачустойчивости, таких как оценка устойчивости горных выработок [125] и откосов[125, 130]. Также решаются задачи, которые связанны с оценкой влиянияразрушений или нарушений горных пород на наклонные выработки и подземныесооружения [125], а также тоннели [125, 133]. Кроме того, в работе [125]приведены основные результаты по изучению механизмов возникновениялокальных оседаний и обрушений в нескольких африканских шахтах.
Какие-либосведения о том, что аналогичные исследования выполнялись в нашей стране сиспользованием установки с фрикционной базой, диссертанту найти не удалось.38Первая сложность, возникающая при планировании экспериментов наустановках с фрикционной базой, заключается в выборе материала конвейернойленты и определении необходимой скорости ее движения, которая зависит оточень многих факторов.
Причем, некоторые из них расчетным путем определитькрайне затруднительно. Вторая сложность выявилась в процессе тестированияопытной фрикционной установки. Она заключается в том, что для несвязныхпород такое моделирование приводит к образованию валов грунта вблизирасположения упора установки. Поэтому в настоящей работе было решеноотказаться от проведения таких экспериментов.Методстендовогомоделированиякарстовых деформацийполучилнаибольшее распространение благодаря меньшей трудоемкости при подготовкеэкспериментов и тому обстоятельству, что в них наилучшим образом возможносмоделировать сложные гидрогеологические условия. Несмотря на основнойнедостаток такого экспериментального моделирования, который заключается вполучении качественного напряженного состояния испытываемой модели, егорезультаты неоднократно показывали хорошую корреляцию (сходимость) сфактическимиразмерамикарстопроявлений[5,112,115].Аналогичноеобстоятельство отмечалось и при решении задач горного дела [23, 56].
Поэтомудиссертационные исследования, в конечном счете, было решено выполнить сиспользованием стендового моделирования. Необходимо отметить, что в нашейстранесуществуютРекомендации«полабораторномуфизическомумоделированию карстовых процессов» [65]. В них достаточно подробноизложены теоретические и практические положения по такому методумоделирования.В России наибольшее распространение, по мнению диссертанта, получилистендовые установки двух конструкций, а именно установка конструкцииВ.П. Хоменко, Е.П. Маханько, Е.И.
Исаева [65, 112, 115] и установка конструкцииА.В. Аникеева, В.М. Кутепова [5]. В настоящей работе все экспериментывыполнены с помощью первой установки. Они подробно изложены вподразделе 2.2.3.392.2.2. Моделирование карстовых процессов с использованиемгеотехнической центробежной машиныЦели и задачи эксперимента не отличаются от тех, которые изложены вподразделе 2.2.3.Описание лабораторного оборудования и подготовка модели кпроведениюэкспериментов.Проведениенастоящихэкспериментовпредусматривалось с использованием геотехнической центрифуги, котораянаходится на кафедре «Путь и путевое хозяйство» Российского университетатранспорта (МИИТ).
Ее общий вид [121], а также общий вид кареток, показан нарисунке 2.10. Конструктивная схема центрифуги приведена на рисунке 2.11 [121].а)б)Рисунок 2.10. Общий вид геотехнической центробежной машины МИИТа (а)[121] и ее кареток (б)Основная проблема, которая возникает при проведении экспериментов сиспользованием любых геотехнических центрифуг, заключается в том, чтоисследователь, по правилам техники безопасности, не имеет какого-либо доступак кареткам, поскольку в центробежной камере они вращаются с высокойскоростью.
Указанная проблема нами была полностью решена в ходе подготовкирассматриваемых экспериментов.40Рисунок 2.11. Конструктивная схема геотехнической центрифуги МИИТа [121].Условные обозначения: 1 – центробежная камера; 2 и 11 – каретки (см.рисунок 2.10, б); 3 – нижняя опора; 4 – коромысло; 5 – вертикальный вал; 6 –редуктор; 7 – токосъемное устройство; 8 – гидравлическая система; 9 –горизонтальный вал; 10 – тяговый двигательДля возможности моделирования карстовых процессов на геотехническойцентрифугеМИИТадиссертантомбылразработанспециальныйстенд(рисунок 2.12), который устанавливается на дно каретки (см.
рисунок 2.10, б). Онсостоит из рабочей поверхности (1), на которую соответствующим образомукладывается материал испытываемой модели. Снизу, по всему периметрурабочей поверхности, установлены деревянные бруски (2), имитирующие высотукарстовой полости. В процессе проведения экспериментов образование полостипроисходит в момент выпадения соответствующего вкладыша (3), котороеобеспечивается за счет работы линейных электроприводов (4).Поскольку в процессе проведения экспериментов доступ к кареткам невозможен, то основная проблема при конструировании стенда заключалась в том,чтобы возникновение карстовой полости заданного размера происходило толькопосле получения на геотехнической центрифуге проектного (заданного) масштабамоделирования.
Данная проблема была решена с помощью установки на дно41стенда трех линейных электроприводов, каждый из которых характеризуетсябольшой тяговой силой (90 кг). Выбор меньшей тяговой силы мог привести кзаклиниваниюштокаэлектроприводов,посколькуприцентробежноммоделировании сила тяжести (вес) исследуемой модели увеличивается налинейный масштаб моделирования, который, в нашем случае, принят равным 100.а)б)341232Рисунок 2.12. Конструкция специального стенда, устанавливаемого на днокаретки. Условные обозначения: а) – вид сверху; б) – вид снизу. 1 – рабочаяповерхность; 2 – деревянные бруски; 3 – выпадающий вкладыш; 4 – линейныеэлектроприводыИз вышеприведенного обстоятельства следует, что при проведенииэкспериментов важно не только фиксировать его результаты, но и передавать их врежиме реального времени на соответствующее устройство (компьютер, планшетили телефон) для правильного определения момента образования полости ивремени окончания испытаний.
В этом заключается основная проблема припроведении экспериментов. Она также была решена за счет крепления к каждойкаретке центрифуги Action-камеры высокого разрешения с функцией передачивидео по Wi-Fi.Ксожалению,из-завозникшегофорс-мажорногообстоятельства,вызванного аварией при тестировании центробежной машины, в настоящее иближайшеевремявыполнитьданныеэкспериментынепредставляется42возможным. Однако автор надеется, что их все же удастся произвести несколькопозднее.2.2.3. Моделирование карстовых процессов с использованием установкиконструкции В.П.
Хоменко, Е.П. Маханько, Е.И. ИсаеваЦелью экспериментов являлось подтверждение возможности, касающейсяоперативного выявления и дальнейшего прогноза развития подземных карстовыхдеформаций с помощью конструкций глубинных реперов.Задачей экспериментов являлось изучение напряженно-деформированногосостояния покровной толщи грунтов при различных параметрах подземныхпроявлений карста.Описание лабораторного оборудования и подготовка модели кпроведению экспериментов. Для проведения экспериментов была выбранаустановка конструкции В.П.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
