Державний комітет України з нагляду за охороною праці
Державний комітет України з нагляду за охороною праці
Національний науково-дослідний інститут охорони праці
(ННДІОП)
Вовк Оксана Олексіївна
УДК 621.039.9+622.235
Керування станом гірського масиву при захисті
природних і інженерних об'єктів
від сейсмічних впливів
Спеціальність 05.15.11-“Фізичні процеси гірничого виробництва”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ-2004
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Інституті енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ “КПІ”
Науковий керівник- доктор технічних наук, професор
Пирський Олексій Антонович,
Національний технічний університет України “Київсь-
кий політехнічний інститут”, м.Київ.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Бойко Віктор Вікторович,
Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач лабо-
раторії проблем сейсмічної безпеки технологічних ви-
бухів, м.Київ;
кандидат технічних наук, доцент
Фролов Олександр Олександрович,
Національний технічний університет України “Київсь-
кий політехнічний інститут”, м.Київ.
Провідна установа – Інститут геотехнічної механіки НАН України,
відділ механіки вибуху, м.Дніпропетровськ.
Захист відбудеться 09.12. 2004 року о _14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 в Національному науково- дослідному інституті охорони праці за адресою: 04060, Україна, м.Київ, вул.Вавілових, 13
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, Україна, м.Київ, вул.Вавілових, 13
Автореферат розісланий 05.11.2004 р.
Учений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук Ковтун І.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Україна, територія якої займає всього 0,5% суші на Землі, видобуває головним чином відкритим способом близько 5% твердих корисних копалин. Кількість гірничих підприємств перевищує 2000, і найближчим часом будуть введені в експлуатацію понад 4400 нових родовищ з одночасним будівництвом великої кількості виробничих і житлових комплексів. Таке будівництво, як правило, буде здійснюватися в умовах складного рельєфу та сильно просідних лесових грунтів, поширених практично по всій території України. При цьому одним з перспективних методів ліквідації просідних властивостей лесових грунтів є їх обробка за допомогою вибуху. Виконання вибухових робіт на гірничодобувних підприємствах та в процесі підготовки лесових грунтів під фундаменти супроводжується виникненням сейсмічних хвиль, що є небезпечним для навколишніх природних і інженерних об'єктів. Це у ряді випадків вимагає розробки спеціальних захисних засобів для зменшення інтенсивності цих збурень у зв’язку з подальшим збільшенням обсягів гірничих і будівельних робіт сейсмічні навантаження на ці об’єкти будуть суттєво зростати, а вимоги до сейсмозахисних технологій підвищуватися. На сьогодні в Україні має місце суттєва активність зсувних процесів на більшій частині її території. Кількість зсувонебезпечних об’єктів за останні 15 років збільшилась майже вдвічі – з 11 тис. до 19,86 тис. при збереженні тенденції зростання. Оцінка стійкості зсувонебезпечних дільниць схилів до цього часу здійснювалась з урахуванням лише дії гравітаційного силового поля, що формує зсувну компоненту коефіцієнта стійкості, хоч у багатьох випадках, особливо в межах урбанізованих територій, динамічні впливи сейсмічних хвиль і віброколивань можуть сприяти виведенню зсувонебезпечного тіла з рівноважного стану за рахунок прискорення деформаційних дезінтегруючих процесів, значно підвищуючи його чутливість до природних зсувопровокуючих механізмів.
Виходячи з вищенаведеного, прогнозування рівня небезпеки впливу динамічних хвильових процесів на грунти підвалин поверхневих об’єктів і розробка методів зменшення інтенсивності шляхом регулювання параметрів джерела коливань та створення високоефективних протизсувних і сейсмозахисних технологій з урахуванням зони пружно-пластичних деформацій є актуальною науково-практичною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з плановими дослідженнями Інституту гідромеханіки НАН України по темі: “Розробка методів прогнозування пружно-деформованого стану грунтових схилів і склонів під дією природних і техногенних факторів”, затвердженій вченою радою ІГМ НАН України (протокол №12 від 7 листопада 2000 р.), а також по темі №2460 Інституту енергозбереження і енергоменеджменту Національного технічного університету України “КПІ”: “Опрацювання наукових основ та способів прогнозування і запобігання зсувних явищ у схилах на урбанізованих територіях”, № ДР 1004002152. Дисертантка була виконавцем окремих розділів при дослідженнях по цих темах.
Ідея роботи полягає в тому, що при вивченні фізичних процесів взаємодії вибухових речовин з стисливим середевищем, параметрів його стану і руху динамічних збуджень емпіричні коофіцієнти пропорційності заміщуються співвідношеннями на основі фізико-механічних і динамічних характеристик породи.
Мета і задачі дослідження. Мета дослідженнь полягає в розробці науково обґрунтованих методів керування станом гірського масиву при взаємодії з продуктами детонації вибухових речовин та сейсмічними хвилями для визначення параметрів зони пружно-пластичних деформацій та сейсмозахисту поверхневих споруд і природних об'єктів від техногенної небезпеки з урахуванням цих параметрів під час підривних робіт.
Для досягнення цієї мети поставлені наступні задачі:
1.Визначити критерій максимального переходу енергії продуктів детонації (ПД) в механічну роботу ущільнення грунта в залежності від детонаційних характеристик ВР на основі чисельно-аналітичних розв?язків для знаходження параметрів руху системи “ПД-середовище”.
2. Встановити залежності силових, кінематичних і часових параметрів від фізико-механічних характеристик гірських порід на основі досліджень закономірностей збурення і руху сейсмічних хвиль під час вибухів розосереджених свердловинних зарядів.
3.Розробити більш економічні і ефективні методи ліквідації просідних властивостей лесових грунтів з одночасним зниженням інтенсивності сейсмічних хвиль за рахунок оптимізації параметрів підривних робіт.
4. Розробити методику визначення коефіцієнта стійкості в умовах комплексної статико-динамічної дії на зсувне тіло гравітаційного силового поля та сейсмічних коливань для підвищення достовірності і надійності прогнозів стійкості зсувонебезпечних схилів на урбанізованих територіях.
5.Розробити з використанням енергії вибуху інженерні методи захисту фундаментів будівель, споруд і підвалин гірських схилів від шкідливого впливу сейсмовібраційних хвильових збурень з урахуванням властивостей ущільненої зони.
Об'єктом досліджень є фізичні і динамічні процеси і явища техногенного походження, що впливають на сейсмостійкість природних і інженерних об'єктів.
Предметом досліджень є фізичні процеси при взаємодії вибуху ВР і навколишнього стисливого середовища, грунтами підвалин поверхневих об'єктів та сейсмовибухових хвиль з елементами сейсмозахисних екранів.
Методи дослідженнь. Вирішення поставлених задач здійснено шляхом аналізу та узагальнення літературних джерел щодо шкідливого впливу динамічних збурень техногенного характеру на природні та інженерні об'єкти, комплексних аналітичних, графоаналітичних розв?язків задач з динаміки гірських порід для одержання параметрів руху ударних та сейсмічних хвиль і зсувонебезпечних тіл з використанням чисельних методів, лабораторних і дослідно-промислових досліджень грунтів, розрахункових методів визначення сейсмонебезпечних відстаней, коефіцієнтів стійкості схилів та екранізації; техніко-економічного аналізу.
Основні наукові положення, які виносяться на захист:
1.Встановлення механізму взаємодії вибухових речовин з навколишнім середовищем з урахуванням їх детонаційних характеристик і фізико-механічних та динамічних властивостей стисливих грунтів (щільність скелета, вологість, швидкість подовжніх і поперечних хвиль).
2.Розробка критеріїв оптимального співвідношення складників енергії ПД для збільшення параметрів ближньої зони (діаметра порожнини і сейсмовипромінювача), відстані між роззосередженими зарядами, та зменшенням інтенсивності сейсмовибухових хвиль.
3.Встановлення механізму взаємодії динамічних збурень зі зсувонебезпечними тілами гірських схилів, а також багатошаровими сейсмозахисними конструкціями, одержаними вибуховим способом.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в дисертації уперше:
1. В результаті чисельного моделювання експериментально-аналітичних рішень по вивченню параметрів руху динамічних збурень осьової симетрії в стисливому середовищі отримано умову максимального переходу енергії продуктів детонації в середовище в залежності від показника політропи (n). Показано, що зі зменшенням цього показника кількість енергії, що переходить у навколишнє середовище, зростає, отже зона пружно-пластичних деформацій збільшується, підвищуючи ефективність ліквідації просідних властивостей за рахунок зменшення питомих витрат ВР.
2. Розроблено метод визначення параметрів підривних робіт з застосуванням кореляційних співвідношень Кригерна і функцій Мосінця, що враховують основні фізико-механічні та динамічні характеристики грунтів (щільність скелета, вологість, швидкість подовжніх і поперечних хвиль) замість загально прийнятих емпіричних коефіцієнтів пропорційності.
3. Запропонована технологія вибухового ущільнення лесових грунтів зустрічно-похилими і комбінованими свердловинними зарядами із забезпеченням багаторазової дії сейсмічних хвиль на кожний елемент масиву і кумулятивний ефект у місцях перетину похилих свердловин.
4. На основі дослідження фізичних процесів при взаємодії сейсмічних хвиль з елементами сейсмозахистних та зсувозахистних споруд розроблено методи їх розрахунку з урахуванням особливостей руху сейсмічних хвиль в ущільнених зонах, та запропоновано технологію будівництва в одно-двохрядному варіанті.
5. Розроблено методику визначення коєфіцієнта стійкості зсувонебезпечних схилів під дією комплексних гравітаційного та динамічних силових полів антропогенного чи природнього походження, що значно підвищує достовірність прогнозних оцінок фактичного стану рівноваги зсувних тіл, та дає можливість вжити своєчасні заходи по запобіганню або локалізації зсувних явищ на урбанізованих територіях.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі розв?язку комплексної задачі про взаємодію ВР з навколишнім середовищем, формуванню зони пружно-пластичних деформацій (сейсмічного джерела) з урахуванням детонаційних характеристик ВР, по зародженню і руху сейсмічних хвиль при вибусі розосереджених зарядів з осьовою симетрією і їх взаємодії з багатошаровим захисним екраном вперше:
1. Розроблені більш досконалі методи розрахунку параметрів підривних робіт при підготовці підвалин фундаментів і запропоновані нові технологічні схеми ущільнення лесових грунтів зустрічно-похилими свердловинними зарядами з урахуванням конкретних фізико-механічних властивостей і детонаційних характеристик ВР і використанням кумулятивного міжзарядного ефекту в місцях перетину зарядів, зі зниженням питомих витрат ВР і інтенсивності сейсмічних хвиль, що дає можливість зменшення радіуса сейсмонебезпечної зони в районі будівельного майданчика.
2. Розроблена технологія будівництва сейсмозахисних екранів з застосуванням енергії вибуху і запропонована програма розрахунку їх параметрів з застосуванням розрахункової багатошарової моделі екрана.
3. Запропонований метод розрахунку коефіцієнта стійкості зсувонебезпечних гірських схилів з урахуванням динамічної компоненти від дії сейсмічних хвиль та параметрів протизсувних конструкцій, створених з використанням енергії вибуху.
Одержані в роботі результати дають можливість значно підвищити ефективність вибухової обробки лесоподібних грунтів, сейсмозахисних і протизсувних заходів на гірничо-будівельних роботах за рахунок перерозподілу балансу енергії продуктів детонації ВР зі збільшенням її частки, витраченої на формування пружно-пластичної зони, а також урахування фізико-механічних властивостей середовища з підвищенням сейсмічної безпеки поверхневих об'єктів завдяки зменшенню витрат ВР та реалізації нових технологічних рекомендацій.
Особистий внесок здобувача. Теоретичні та методичні розробки, технологічні схеми вибухових робіт, аналітичні та графоаналітичні співвідношення при визначенні параметрів сейсмічних коливань і сейсмозахисних екранів належать здобувачці особисто, що відображено у шістьох самостійно написаних статтях [1,4,5,7,8,14]. В працях, опублікованих у співавторстві:
- виконан аналіз впливу пружних збурень на середовище різної макроструктури [15], запропоновані формули для визначення максимальної масової швидкості, ефективної маси заряду при групових вибухах, періода коливань, досліджені спектральні характеристики зарядів різної конструкції, одержані формули для визначення сейсмонебезпечних відстаней [6], дисертантка брала участь у плануванні експериментів, їх проведенні і обробці результатів [11];
- розроблено схему розрахунку стійкості схилів [3] в природних умовах, методи стабілізації і попередження зсувів з застосуванням підривних робіт при закріпленні схилів анкерними конструкціями [3,13], дисертантка брала участь у розробці і реалізації системи моніторингу та діагностики зсувонебезпечної ситуації та в статистичній обробці інформації [12], запропоновано метод підвищення надійності анкерних схем стабілізації зсувонебезпечних тіл з урахуванням дилатантних ефектів, що виникають при переміщенні кореня [10], розроблено методику проведення лабораторних експериментів по дослідженню вібростійкості глинистих грунтів, дисертантка проводила експерименти і їх обробку [9], отримано формули для розрахунку параметрів сейсмозахисних екранів [3] та розроблено схему протифільтраційного захисту водоймища [2], здійснено організацію і проведення дослідно–промислового експерименту по впровадженню метода ущільнення грунта зустрічно-похилими свердловинами [16].
Апробація результатів дисертації. Результати дисертації як частково, так і в цілому доповідались на семінарах і науково-технічних нарадах кафедри інженерної екології і кафедри геобудівництва та гірничих технологій Інституту енергозбереження і енергоменеджменту НТУУ “КПІ”( Київ, 2002,2003 рр.), кафедри геомеханіки, підземного будівництва та охорони поверхні Сілезського політехнічного інституту (Глівіце, 2001,2002рр.), на I і II міжнародних конференціях “Інженерний захист територій і об'єктів у зв'язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” (Ялта, 1999,2000рр.), на міжнародних конференціях IV,V і VI Школи геомеханіки (Устронь, Глівіце, 1999,2001,2003 рр.), “Геомеханіка-98”, “Геомеханіка-2002” (Устронь, 1998,2002 рр.), “Гірничо видобувна промисловість 2001”( Краків,2001р.), у повному обсязі результати дисертації доповідались на об'єднанному науково-технічному семінарі лабораторій ННДІОП (Київ,2004 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 наукових праць, з них 9 статей і 7 матеріалів конференцій. 6 праць [1,4,5,7,8,14] опубліковано без співавторів, 9 статей опубліковано у наукових фахових виданнях [1-9].
Об'єм і структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань на 10 сторінках, містить 27 рисунків і 37 таблиць, а також 3 додатки на 8 сторінках. Загальний обсяг роботи складає 196 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі виконано обґрунтування актуальності теми роботи; висвітлені сутність і стан науково-прикладної задачі, мета та основні задачі досліджень; новизна, значення і практична цінність дисертації; сформульовані положення, що виносяться на захист і спрямовані на вивчення шкідливої дії динамічних техногенних чинників на підвалини фундаментів поверхневих споруд і зсувонебезпечних схилів та на розробку методів їх захисту, показано зв'язок досліджень з науковими програмами планами і темами.
У першому розділі розглянуто і проаналізовано сучасний стан теоретичних та експериментальних досліджень дії сейсмовибухових хвиль на навколишнє середовище, механізму силових гравітаційних процесів на зсувонебезпечних дільницях з позиції забезпечення стійкості та збереження інженерних об'єктів на схилах, інженерного захисту територій, які зазнають дію цих процесів.
Чисельним розв?язкам динамічних задач присвячена велика кількість наукових праць Григоряна С.С., Ляхова Г.М., Лучка І.А., Ремез Н.С., Коваленка В.А., Євтерева Л.С. та інших вчених. Вони відрізняються головним чином методичними підходами до визначення рівнянь стану (РС) ґрунтового середовища. Математична структура і функціональні властивості цих рівнянь разом з початковими і граничними умовами визначають закономірності розвитку вибухового процесу. Для дослідження процесу в конкретних умовах важливою умовою є те, що РС повинно бути адекватним, тобто максимально достовірним простим і доступним для практичного використання в обчислювальних алгоритмах при постановці як мінімум двомірних задач. Константи, що входять в РС, повинні мати фізичну сутність, а саме: РС- бути стійким, тобто коли невеликі зміни його констант призводять до невеликих змін результатів розрахунку процесу поширення хвиль. Другим важливим фактором є вибір схеми детонації , що впливає на визначення початкових параметрів детонаційної хвилі. Для цього слід провести порівняльні обрахунки параметрів руху при миттєвій і реальній детонації та дослідити вплив цих показників на розподіл загальної енергії ПД на головні складові.
Дослідження закономірностей руху сейсмічних хвиль відображені у багатьох працях Садовського М.О., Родіонова В.М., Ромашова О.М., Бойка В.В., Медведєва С.В., Лугового П.З., Лучка І.А., Крівцова М.В., Кузьменка А.О., Воробйова В.Д., Рульова Б.Г., Мосінця В.М., Костюченка В.М., Кострова Б.В. та інш. учених; методи вибухової обробки лесових грунтів викладені в роботах Литвинова І.М., Кравця В.Г., Оскарова Х.А., Меца Ю.С., Федоренко П.Й., Єфремова Е.І., Крисіна Р.С., Вороб'йова В.В, Вовка О.О., Рижова А.М., Немирова Ю.І., Крутова В.І., Ткачука К.Н., Клепикова С.М., Іванова П.Л., Демещука Л.І. та інших авторів. Завдяки дослідженням вищезгаданих авторів визначені: основні закономірності деформування грунтів під дією вибухових хвиль, механізм зародження і поширення сейсмічних хвиль, розрахунки їх параметрів, взаємодії з грунтами під фундаментами споруд, критерії оцінки небезпеки їх руйнування або пошкодження. Вивчення сейсмічної дії вибуху спрямовувалося у першу чергу на висвітлення механізму розподілу енергії між хвилями різних типів і визначення взаємозв'язку динамічних характеристик сейсмовибухових хвиль з параметрами сейсмонебезпечних відстаней до наземних будівель і споруд в залежності від їх категорій згідно з класифікацією за фактором сейсмостійкості. Незважаючи на це, розрахунки параметрів підривних робіт і розмірів сейсмонебезпечних зон навкруги будівельного майданчика потребують подальшого уточнення результатів з урахуванням вивчення механізму взаємодії ВР з стисливим середовищем і впливу фізико-механічних властивостей грунтів, детонаційних характеристик ВР, а також симетрії джерела сейсмовибухових хвиль, його орієнтації по відношенню до будинку чи споруди та послідовності ініціювання зарядів у часі.
Питання силових рухів, зокрема виділення осередків та зон концентрації напружень, що прискорюють дезінтеграційні процеси, розглянуті в роботах Мушкетова І.В., Соколовського В.В., Маслова М.М., Трофімова А.М., Демчишина М.Г., Федорова І.В., Калюха Ю.І., Гінзбурга Л.К., Пирського О.А., Кугеля М., Самедова А.М., Шахуняна Г.М., Худека М. та інших вчених. Елементи подій, що розглянуті в цих роботах, тобто місце, розміри, характер прояву обвально-зсувних руйнувань виникають у вигляді раптової відповіді системи на поступову зміну зовнішніх умов. Час руйнівного або катастрофічного з'явлення обвально-зсувних процесів часто корелюється з аномальним ходом гідрометеорологічних та сейсмологічних чинників, прогноз яких є складною проблемою і потребує спеціального розгляду при визначенні коефіцієнта стійкості зсуву з урахуванням динамічної складової гравітаційних силових полів. У зв'язку з вищенаведеним актуальним є питання розробки заходів по зменшенню інтенсивності динамічних коливань та підвищенню стійкості зсувонебезпечних схилів. Вони розглянуті в ряді робіт Кузьменка А.О., Кравця В.Г., Закірова А., Барановського З., Зиха Я. та інших вчених. Конструктивно протисейсмічні засоби являють собою екрани, що розміщуються на шляху поширення сейсмічної хвилі у вигляді щілин, заповнених звугопоглинаючим матеріалом, а протизсувні складаються з необхідної кількості паль у підніжжі зсувонебезпечного схилу. Вищезгадані конструкції найбільш доцільно будувати за допомогою енергії вибуху свердловинних зарядів.
Під дією вибуху грунт ущільнюється і цей фактор повинен бути врахований при звизначенні коефіцієнта екранізації сейсмозахисних екранів та умов стабілізації зсувів.
Спираючись на виконаний огляд сучасного стану впливу техногенних динамічних процесів на навколишнє середовище та методів захисту поверхневих об'єктів, сформульовані зазначені вище мета та задачі досліджень.
У другому розділі наведено результати чисельного моделювання динаміки розповсюдження хвиль у стисливому середовищі, поведінка якого описується відносно простою лінійною в'язко-пластичною моделлю, придатною для опису процесу переходу ударної хвилі в безперервну хвилю стиснення. Прийнято також припущення про те, що рух відбувається у баротропному середовищі, детонаційна хвиля від осі симетрії поширюється до поверхні поділу „ВР-середовище” з постійною швидкістю, а параметри течії продуктів детонації на цьому відрізку визначаються з урахуванням автомодельності руху. При зіткненні нормально падаючої хвилі з середовищем виникає розпад довільного розриву: хвиля продовжує рух по середовищу, а в ПД відбивається ударна хвиля або хвиля розрідження. При виборі схеми детонації для обрахунку технологічно корисної частки енергії (механічної), що переходить у навколишнє середовище, були взяті до уваги наступні положення:
- розрахунки за схемами миттєвої і реальної хвильової детонації циліндричного заряду з тротилу показали, що параметри тиску в першому варіанті значно менші, але вже на відстані 5 радіусів заряду ці дані однакові; у зарядів із амоніту відповідні параметри тиску і швидкості частинок однакові на відстані, вдвічі більшій, ніж у тротила;
- на трансформацію енергії ПД в механічну складову енергії вирішальним чином впливає стисливість грунта.
Виходячи з вищенаведеного, доцільно прийняти більш просту миттєву схему детонації, що суттєво не впливає на кінцеві результати розрахунків. Процес розширення ПД описується відомим двочленним рівнянням, коефіцієнти якого отримуємо виходячи з конкретних характеристик ВР. Внаслідок інтегрування системи рівнянь, доповнену для замикання рівняннями стану та зв'язку між головними напругами, були отримані параметри руху контакту „ПД-середовище” для ВР з різними властивостями з одержанням координати зупинки руху (тобто радіуса порожнини).
Параметри зони пружно-пластичних деформацій (сейсмо-випромінювача) визначались розв?язком канонічної системи рівнянь в координатах Ейлера, для замикання якої РС прийнято у вигляді умови пластичності Мізеса-Шлейхера-Боткіна при прийнятих відповідних початкових та граничних умовах: розподіл параметрів потоку за фронтом детонаційної хвилі; нульова швидкість частинок на осі симетрії та неперервність тиску і швидкості на контакті ПД-середовище.
Ударна адіабата, що описує стан стисливого середовища, має вигляд:
p=m ; (1)
, (2)
де m, о, K0 i м0 – емпіричні коефіцієнти.
Кинетична Ек і потенціальна енергія стискання Ест вирахувались за формулами:
, (3)
а питома енергія стискання ? дорівнює
(4)
де - маса частинокк обрахункового інтервала; - кількість інтервалів; ui – масова швидкість на i-му інтервалі.
Одним із результатів інтегрування системи рівнянь є оцінка розподілу загальної енергії Е0 по головних складових: механічної ЕМ = Ек,+Ест , внутрішньої (Евн+Едис) та кінетичної Ек енергії в залежності від відносної відстані для різних ВР.
Характер розподілу складових енергії вибуху для різних ВР в залежності від відносної відстані ілюструється графіками на рис.1,2. Виходячи з наведених результатів визначено критерій максимального переходу енергії ПД в механічну роботу ущільнення грунту
, (4)
де с0 , с – щільність грунту незбурена і в стисливому стані; n- показник політропи розширення ПД.
В табл.1 наведено результати цих розрахунків.
Таким чином внаслідок чисельного моделювання динаміки системи “ПД-середовище” отримані вихідні дані для оптимізації параметрів вибухових робіт по ущільненню лесових грунтів.
Таблиця 1-
Залежність ущільнення грунту від показника політропи для різних ВР
Вибухова речовина | Показник політропи n | Коефіцієнт передачі енергії | Збільшення щільності грунту
Щільність скелету незбуреного грунту, г/см3 | Щільність скелету після вибуху, г/см3 | Збільшення щільності після вибуху, %
Тротил
(с =1,59) | 3,3 | 0,876 | 1,34-1,5 | 1,53-1,71 | 14
Тротил
(с =0,8) | 3,13 | 0,871 | 1,34-1,5 | 1,54-1,72 | 15
Амоніт ск. №1 | 1,88 | 0,808 | 1,34-1,5 | 1,66-1,86 | 24
Зернограну-
літ 80/20 | 1,9 | 0,809 | 1,34-1,5 | 1,66-1,85 | 23
Ігданіт | 1,56 | 0,78 | 1,34-1,5 | 1,72-1,92 | 28
В розділі 3 викладено результати досліджень механізму формування пружно-пластичної зони при взаємодії ВР з різними властивостями в залежності від густини скелета грунту (гск) і вологості (W), параметрів руху сейсмовибухових хвиль та методів зменшення інтенсивності при вибухах розосереджених зарядів. Розрахунок сітки вибухових свердловин здійснювався за методом авторки в залежності від розмірів цієї зони за наступними формулами з урахуванням даних табл.1.
(5)
де rп – радіус порожнини;rз.д – радіус деформацій;W – вологість грунту; гск - щільність скелета грунту;а, в, с,d - коефіцієнти, для лесових грунтів невеликої вологості мають такі значення:
а | b | с | d
1.19 | 475?10-6 | 30 | 0,027
Таким чином для обчислення параметрів дії циліндричних зарядів і питомих витрат ВР, враховуючи (4) і (5) були отримані наступні формули [5]:
; (6)
, (7)
, (8)
де Км - коефіцієнт масштабу вибуху.
Результати розрахунків наведені в табл. 2. Виходячи з того, що ефективність ущільнення грунту залежить від інтенсивності розвитку дотичних напруг, що сприяють руйнуванню структури грунту, дисертанткою розроблена нова технологія ущільнення зустрічно-похилими свердловинними зарядами. Вона забезпечує краще ущільнення масиву за рахунок неодноразової дії вибухових імпульсів на кожний елемент масиву та використання кумулятивного ефекту в місцях перетину зустрічно-похилих свердловин з утворенням зони кумуляції з підвищеною підсумковою напругою. З табл. 2 випливає, що питомі витрати ВР для ущільнення грунту при розрахунках з застосуванням методики авторки в 1.3...1.9 рази менші порівняно з діючими нормами. З урахуванням запропонованих нових схем підривання зустрічно-похилими свердловинами, що дає можливість зменшення ще до 30%, загальні витрати ВР за рахунок рекомендацій авторки будуть знижені більш ніж у два рази з відповідним послабленням інтенсивності сейсмовибухових хвиль, і їх шкідливої дії на навколишнє середовище та зменшенням собівартості робіт.
Сейсмобезпечну відстань rбез пропонується визначати за формулою [6]
rбез= , (9)
де – коефіцієнт, що враховує властивості грунту під фундаментом об?єкта: для пісщаних і глинистих неводонасичених грунтів =2,6; для насипних пісщаних =5,0 і для водонасичених – 7,0; Uдоп – допустима швидкість, береться з нормативних джерел; Q – маса заряду в кг.
Таким чином на основі виконаних досліджень запропоновані методи розрахунку параметрів вибухових робіт зі зменшенням питомих витрат ВР, запропоновані фомули для визначення ефективної маси заряду, параметрів сейсмічних хвиль і сейсмобезпечних відстаней.
В розділі 4 наведено результати дослідження впливу сейсмічних збурень на зсувонебезпечні схили. Співвідношення Ландау–Ліфшиця для визначення напруги на фронті сейсмічної хвилі в нашому випадку запишется в такому вигляді:
, (10)
де Umax- максимальна масова швидкість.
Тоді горизонтальна динамічна складова від дії сейсмічних хвиль буде мати вигляд:
,
а вертикальна відповідно:
, (11)
де ?с – кут падіння сейсмічного імпульсу по відношенню до горизонту.
Виходячи з рівняння Нав’є та (11), кінцевий вираз для визначення коефіцієнта стійкості (Кс) зсувонебезпечного тіла з урахуванням фізико-механічних властивостей ґрунтів схилу і динамічної силової компоненти запишеться наступним чином:
, (12)
де С – зчеплення грунту;tg ц – коефіцієнт внутрішнього тертя грунту; – опір грунту зрушенню; у – нормальна напруга.
Оцінка динамічної компоненти при розгляді задачі стійкості схилу при можливій дії землетрусу здійснюється шляхом підстановки в (12) значення U згідно з бальністю конкретної місцевості за шкалою Ріхтера. При цьому zкомпонента зменшує утримуючі, а xкомпонента збільшує зсувні зусилля по поверхні ковзання. В розділі також наведені результати лабораторних досліджень по впливу віброколивань на зменшення вібростійкості глинистих грунтів, що згідно з (12) може призвести до зменшення стійкості схилу. Дослідження проводились при інтервалах амплітуд віброколивань 2а від 0,005 до 0,2 мм, ущільнюючому тиску 0,1-0,3 МПа, а також прискоренні 4-10g і частотах 10-60 Гц. Ці дослідження показали, що основними чинниками, які впливають на величину опору зрушення ?зс є амплітуда коливань (при збільшенні амплітуди з 2а=0,01 до 0,08 ?зс зменшується в 1,3-1,9 рази), та ущільнюючий тиск (при збільшенні у 3 рази ?зс зменшується в 1,35-2 рази). Коефіцієнт впливу вібрації зростав зі збільшенням амплітуди в діапазоні 2а>0,04?0,08 в межах 0,23-0,58 МПа після чого наступала його стабілізація. Максимальна об’ємна деформація зразків лесового грунту мала місце при частоті віброколивань 15-20 Гц та 60Гц і зростала зі збільшенням прискорення з 4 до 10g. встановлено також вплив на віброопір грунту кількості циклів навантажень. За рахунок накопичення деформацій в грунті віброопір його знижується навіть при незначній інтенсивності коливань, якщо кількість їх перевищить другий режим (2?106 циклів). В роботі висвітлені методи локалізації зсувних процесів за допомогою анкерних та палевих зсувозахисних конструкцій, отриманих підривним способом.
У п'ятому розділі викладено результати досліджень з розробки сейсмозсувозахистних споруд із застосуванням енергії вибуху для отримання їх елементів (камуфлетних порожнин).
У тих випадках, коли інтенсивність дії сейсмічних хвиль перевищує передбачені нормативами рівні масових швидкостей, поміж джерелом сейсмічного імпульсу і спорудою облаштовується штучний екран, який повністю або частково поглинає енергію цих хвиль. В роботі розглянуто метод їх будівництва за допомогою вибуху. Ефективність дії сейсмозахисної споруди оцінюється коефіцієнтом екранізації Ке, величина його являє собою відношення параметрів падаючої хвилі перед екраном і після проходження через нього. Сейсмозахисна споруда складається з одного або кількох рядів вертикальних циліндричних порожнин, заповнених звукопоглинаючим пористим матеріалом. Радіус окремої порожнини обчислюється згідно з (6).
Відстань між зарядними свердловинами (а) обчислюється за формулою
, (13)
де Сп– питома лінійна маса заряду в одній свердловині, кг/м; В - ширина щілини в проміжках між порожнинами; Кст - коефіцієнт стисливості грунту, приймається в межах від 0,303 для глин до 0,263 - для глинистого піску.
Одним із головних факторів, що впливають на ефективність екрана, є його геометричні розміри та їх співвідношення з довжиною падаючої хвилі. Зокрема, при зміні відношення ширини екрана de до ? від 0,05 до 0,8 відношення енергій за екраном Епер і перед екраном Епод зменшується майже вдвічі (з 0,65 до 0,33).
Закон зміни напруги на фронті сейсмічної хвилі з відстанню при її русі в різних ділянках (непорушений грунт, ущільнена дільниця перед екраном, заповнювач екрана, ущільнена дільниця за екраном непорушений грунт до об’єкта) може бути записаний у вигляді[8]
, (14)
де k=k1?k2?k3?k4 - коефіцієнти переходу на межі і-х ділянок з відмінними властивостями; бі – коефіцієнт поглинання на і-му інтервалі;уп – напруга на фронті хвилі.
Радіус ущільненої зони ry знаходиться по (6)-(8). Максимальну масову швидкість на фронті сейсмічної хвилі знаходимо із співвідношення Ландау-Ліфшиця, замінивши показник частоти коливань f виразом для максимуму спектра Fmax в припущенні, що радіус випромінювача еквівалентний радіусу ущільненої зони ry . Тоді
, (15)
де А – амплітуда коливань.
Еквівалентна ширина щілини складається з двох або трьох однакових ущільнених зон шириною кожна і порожнини, заповненої пористим матеріалом розміром 2rп , тобто при однорядній конструкції екрана
, (16)
або для двохрядної конструкції
, (17)
де L – повна ширина ущільненої зони; Lр – розрахункова ширина ущільненої зони.
З урахуванням глибини екрана hе і довжини хвилі ? значення коефіцієнта екранізації для однорядної та дворядної конструкції екрана
;
. ( 18)
При розробці протизсувних заходів в вигляді палевих конструкцій авторка виходила з необхідності виконання умови забезпечення міцності палі, спроможної протидіяти силам, що являють собою різницю між зсувними зусиллями по поверхні ковзання та утримуючими силами. Ця умова з урахуванням (12) і деяких формальних перетворень являє собою нерівність , (19)
де - гранична міцність матеріалу палі на зрушення;Lп - відстань між палями ;- поперечний переріз палі ; Кущ – коефіцієнт, що враховує, як і в сейсмозахисних конструкціях, вплив ущільненої зони навкруги палі при будівництві її підривним способом.
З урахуванням цього коефіцієнту приведений поперечний переріз палі буде дорівнювати
, (20)
де rn – радіус палі.
Результатами досліджень встановлено критерій стійкості зсувонебезпечних схилів при дії на них динамічних збурень, визначені параметри сейсмозахисних і протизсувних конструкцій з урахуванням ущільненої зони по обидва боки екрану та техніко-екологічні переваги рекомендацій дисертаційної роботи.
Висновки
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій вирішено актуальну науково-практичну задачу, що полягає в розробці наукових основ керування станом гірського масиву при взаємодії із продуктами детонації ВР та сейсмічними хвилями для визначення параметрів зони пружно-пластичних деформацій, регулювання динамічних параметрів сейсмічних коливань техногенного походження, взаємодії їх з багатошаровими сейсмозахисними екранами з метою зменшення їх шкідливого впливу на навколишнє середовище, природні і інженерні споруди.
Аналіз відомих теоретичних і експериментальних досліджень фізико-механічних процесів при дії вибуху хімічних речовин на стисливе середовище та русі в ньому сейсмовібраційних хвиль показав:
- при визначенні параметрів зони пружно-пластичних деформацій не враховуються належним чином детонаційні характеристики ВР та фізико-механічні властивості грунтів;
- недостатньо висвітлені методи обчислення балансу енергії ПД, та її частки, що переходить у технологічно корисну механічну роботу по ущільненню грунту;
- при вивченні зсувонебезпечних явищ на схилах коефіцієнт їх стійкості визначається в межах гравітаційного силового поля без врахування динамічних додаткових складових, викликаних дією сейсмовібраційних коливань, які спроможні за певних умов прискорити дезінтеграційні процеси формування зсувних тіл;
- розробка методів розрахунку параметрів сейсмозахисних екранів і їх будівництва з застосуванням енергії вибуху здійснюється без урахування динамічних властивостей грунтів ущільненої вибухом зони навколо елементів конструкцій.
При виконанні дисертаційної роботи отримано такі основні наукові та практичні результати:
1. Встановлено критерій максимального переходу енергії ПД в механічну роботу ущільнення грунту на основі чисельних рішень по визначенню параметрів руху системи „ПД-середовище”. При застосуванні ВР з меншим показником політропи коефіцієнт передачі механічної складової енергії середовищу зростає (табл.1), що призводить до збільшення розмірів ущільненої зони і підвищення ефективності технологій ліквідації просідливості грунтів.
2. Розроблені нові методи розрахунку параметрів вибухових робіт для ущільнення лесових грунтів на основі кореляційних співвідношень головних фізико-механічних і динамічних характеристик грунтів із значною економією вибухових матеріалів (до 1,5 і більше разів) і зменшенням динамічних параметрів сейсмовибухових хвиль. Виходячи з аналізу цих досліджень запропонована більш економічна і безпечна технологія вибухової обробки лесових масивів зустрічно-похилими свердловинними зарядами, що забезпечило багаторазову дію динамічних збурень на кожний елемент масиву і використання кумулятивного міжзарядного ефекту в місцях перетину похилих свердловин.
3. На основі досліджень закономірностей зародження і руху сейсмічних хвиль при вибухах розосереджених зарядів запропонований метод визначення їх ефективної маси, що бере участь у формуванні і впливає на інтенсивність цих хвиль у подовжньому чи перпендикулярному напрямку відносно ряду свердловин.
4. На основі досліджень фізичних процесів при взаємодії сейсмічних хвиль з елементами сейсмозахисних конструкцій розроблені методи розрахунку їх параметрів з урахуванням особливостей руху сейсмічних хвиль в ущільнених вибухом зонах і геометричних параметрів екранів та запропонована технологія їх будівництва з застосуванням енергії вибуху.
5. На основі досліджень вібростійкості глинистих грунтів одержані залежності зсувних напруг від амплітуди і частоти віброколивань, ущільнюючого тиску та коефіцієнта повторності. Показано, що при збільшенні амплітуди коливань з 0,005 мм до 0,04 мм зменшується в 1,3-1,9 раза, а в умовах збільшення ущільнюючого тиску від 0,1 до 0,3 МПа, що моделює глибину знаходження дзеркала ковзання, віброопір зростає у 1,35-2 рази.
6. Розроблені методики визначення коефіцієнта стійкості зсувонебезпечних схилів та розрахунку параметрів стабілізуючих протизсувних конструкцій, які враховують динамічну складову силового поля та ущільнені вибухом зони.
7.Очікуваний техніко-економічний ефект може бути досягнутий за рахунок зниження питомих витрат ВР до 70% (на 0,246-0,5 кг/м3) зі зменшенням собівартості робіт по ущільненню грунта на 0,8-1,64 грн/м3. При впровадженні схеми зустрічно –похилих свердловин на одному з будівельних майданчиків економічний ефект склав 20 тис.грн. При застосуванні рекомендацій дисертаційної роботи інтенсивність сейсмовибухових хвиль зменшується в 1,5 раза, а площа сейсмонебезпечної зони на 16-27%. Відстань між протизсувними палями збільшується на 9-10% з відповідним зменшенням вартості робіт.
Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:
1. Вовк О.А. Метод прогнозування деформацій зсувонебезпечних масивів для попередження аварійних ситуацій // Проблеми охорони праці в Україні: Збірник наукових праць.-К.:ННДІОП.-1999.- Вип.2 .- С.160-165.
2. Chudek M., Wowk O.A., Kugiel M. Metoda geotechniczna stabilizacji zboczy i brzeznych obszarow niecek osiadania //Budownictwo gornicze i tunelowe .- 2000.-№3.- С.34-37.
3. Пирський О.А., Сидоренко Н.А., Вовк О.О. Розробка пластових родовищ корисних копалин під водоймищами // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія: Гірництво:Збірник наукових праць.-К.:НТУУ “КПІ”:ЗАТ “Техновибух”.- 2000.-Вип. 4.- С.65-71.
4. Вовк О.А. Изменение физико-механических свойств породного массива под влиянием упругих возмущений // Вісник НТУУ”КПІ” Серія : Гірництво:Збірник наукових праць.-К.:НТУУ “КПІ”:ЗАТ “Техновибух”.- 2001.-Вип. 5.-С.24-29.
5. Вовк О.А. Исследование параметров зоны действия взрыва заряда в лессовых грунтах // Прикладная гидромеханика. - 2002.- Том 4 (76).- №1.- С.12-17.
6. Вовк О.А. , Кугель М. Исследование влияния симметрии источника на параметры сейсмических волн // Прикладная гидромеханика.- 2002.-Том 4 (76).- №2.- С.14-22.
7. Вовк О.А. Применение энергии взрыва для создания противооползневых инженерных объектов // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту.-2002.- Вип. 4.- С.48-54.
8. Вовк О.А. Взрывные методы устройства сейсмозащитных экранов.// Вісник НУТУ”КПІ” Серія: Гірництво.-2002.-Вип.7 .-С.99-107.
9. Чанг Юн Бок, Вовк О.А., Самедов Р.А. Влияние температуры и влажности на прочностные характеристики глинистих грунтов при статических и вибрационных нагрузках // Прикладная гидромеханика.-2003.-Том 5(77).-№2.-С.57-72.
10. Калюх Ю.И., Вовк О.А., Рижий М.Н. Експериментально-аналитический метод определения несущей способности анкеров // Материалы VIII международного симпозиума„Geotechnika-98”.-Gliwice – Ustron(Poland).-1998.- S. 47-55.
11. Плужник В.И., Демещук В.Л., Вовк А.О. Выбор оптимальных параметров ВВ при взрывном уплотнении грунтов // Материалы международной конференции“Geotechnika’98”.-Gliwice– Ustron(Poland).- 1998.-S.-119-124.
12. Калюх Ю.И. , Вовк О.А. Практический моноторинг оползневых массивов (на примере центральной Ливадийской системы Крыма) // Материалы международной конференции “IV Szkola geomechaniki”.-Gliwice – Ustron(Poland).-1999.- S. 41-48.
13. Вовк О.А. , Худек М. Разработка инженерных методов предупреждения оползней // Тезисы международной конференции “Інженерний захист території і об’єктів у зв’язку з розвитком небезпечних геологічних процесів”.- К.: Знання.- 1999.- С.30-32.
14. Вовк О.А. Взрывные методы уплотнения лессовых грунтов под основания // Материалы международной конференции “Przemysl wydobywczy 2001”. – Krakow (Poland).- 2001. – S.415-425
15. Чанг Юн Бок, Вовк О.А. Влияние упругих возмущений на физико-механические свойства породного массива // Материалы международной конференции “V jubileuszowa szkola geomechaniki”.- Gliwice – Ustron, 2001.- S. 23-34.
16. Вовк О.А., Хлевнюк Т.В., Брагин Ю.В. Опыт уплотнения лессовых просадочных грунтов энергией взрыва под основание производственного корпуса // Материалы международной конференции „IV Школа геомеханики”.-Устронь (Польша).-2003.-С.55-64.
Анотація
Вовк О.О. “ Керування станом гірничого масиву при захисті природних і інженерних об'єктів від сейсмічних впливів.” – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11–“Фізичні процеси гірничого виробництва”.- Національний науково-дослідний інститут охорони праці.- Київ, 2004 .
Викладені результати наукових досліджень та практичні рекомендації з розробки методів керування станом гірського масиву при взаємодії з продуктами детонації ВВ та сейсмічними хвилями для визначення зон дії циліндричних зарядів, регулювання динамічних параметрів сейсмічних коливань техногенного походження з метою зменшення шкідливого впливу на навколишнє середовище, природні об'єкти і інженерні споруди. Розглянута задача руху циліндричних вибухових хвиль в стисливому середовищі з одержанням параметрів полів напруг, деформацій і швидкостей в залежності від
