Геомеханическая оценка надежности оснований шахтных копров в системе "Копер–фундамент–ствол-основание"

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ОСНОВАНИЙ ШАХТНЫХ КОПРОВ В СИСТЕМЕ «КОПЕР ФУНДАМЕНТ СТВОЛ (УСТЬЕ) ОСНОВАНИЕ»

Таиров Тимур Наилевич

Екатеринбург 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Половов Борис Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зотеев Олег Вадимович кандидат технических наук Борисов Вячеслав Анатольевич

Ведущая организация - ОАО Институт «Уралгипроруда»

Защита состоится 29 апреля 2009 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного горного университета.

Автореферат диссертации разослан «27» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В. К. Багазеев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Копры, возводимые над шахтными стволами, являются главными горнотехническими сооружениями шахтных комплексов, определяющими эффективность работы строящихся и эксплуатируемых предприятий. «Отказы» шахтных копров могут привести к весьма тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям, поэтому копры по уровню требований к капитальным и эксплуатационным свойствам объекта относятся к сооружениям наивысшего класса ответственности. Тем не менее практика показывает, что существующие методы проектирования шахтных копров не гарантируют их безаварийную эксплуатацию. При этом характерной причиной отказов копров являются деформации их оснований.

Специальные методы оценки надежности сооружений, практикуемые в строительной отрасли, в силу многообразия конструкций копров и особенностей их эксплуатации, не могут без определенной корректировки применяться для геомеханического анализа оснований шахтных копров. Кроме того, следует учесть сложность выполняемых расчетов, необходимость проведения продолжительных экспериментов или наличия достоверной аналоговой документации. Таким образом, разработка методов геомеханической оценки надежности оснований шахтных копров на основе современных достижений в области теории риска и их программная реализация, доступная широкому кругу пользователей, является весьма актуальной проблемой.

В соответствии с изложенным целью диссертации является разработка методов геомеханического анализа оснований шахтных копров, отражающих нестабильность природных условий, нагрузок, воздействий и характеристик конструкционных материалов в системе ««Копер фундамент ствол (устье) основание».

Объект исследований - шахтные копры рудников, шахт, подземных предприятий и сооружений.

Предмет исследований - методы геомеханической оценки оснований шахтных копров.

Основная идея работы имитационный анализ параметров оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» с формированием вариантов для последующего многовариантного проектирования.

Основные задачи исследований:

1) совершенствование методов получения информации, отражающей нестабильность массива, слагающего основание шахтных копров, нагрузок и воздействий на основания, характеристик конструкционных материалов;

2) разработка обобщенных методик оценки надежности оснований по несущей способности и деформациям методом Монте-Карло в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание»;

3) реализация имитационного моделирования надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» с учетом ее отличительных особенностей;

4) доказательство возможности, целесообразности и универсальности имитационного моделирования для оценки надежности оснований шахтных копров.

Методы исследований. В диссертации использован комплекс, включающий обобщение результатов ранее выполненных исследований, методы механики горных пород (грунтов) и вероятностно-статистические методы, имитационное моделирование.

Защищаемые научные положения:

1. Геомеханическая оценка надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» должна выполняться методом Монте-Карло с генерацией:

физико-технических характеристик грунтов оснований, нагрузок и воздействий по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье или Эджворта и экспоненциальному закону;

показателей перегрузки и условий работы сооружения по левому и правому срезанным нормальным распределениям в «трехсигмовом» интервале;

плотности и удельного веса грунтов, характеристик конструкционных материалов и геометрических параметров конструкций по нормальному закону;

2. Надежность системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» следует оценивать дифференцированно по характеру передачи нагрузок от копра, окружающих зданий и сооружений на основание и устье ствола с учетом степени асимметрии нагружения.

3. Для оценки надежности оснований копров в геомеханических ситуациях, когда основание неоднородно, пригрузка основания с разных сторон фундамента шахтного копра неодинакова, сооружение расположено вблизи откоса или котлована, целесообразно использовать совокупность (пучки) криволинейных поверхностей скольжения, ограничивающих призмы выпирания или скольжения, составленных из двух сопряженных круглоцилиндрических поверхностей, имеющих равную производную в точке касания.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается данными вероятностно-статистического анализа, сходимостью полученных результатов исследований с данными практики проектирования шахтных копров.

Научная новизна результатов исследований состоит:

- в обосновании набора рациональных законов распределения случайных входных параметров и области их применения в моделях расчета надежности оснований;

разработке обобщенных методик статистического моделирования надежности оснований по несущей способности и деформациям, отражающих отличительные особенности систем «Копер фундамент ствол (устье) основание» и включающих новые процедуры генерации исходной табличной и графической информации по методу Монте-Карло;

получении вариантных вероятностных оценок надежности или риска в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание», дифференцируемых по фактору передачи нагрузок на устье ствола или ствол.

Практическая значимость работы заключается в формировании моделей, алгоритмов и программ для проведения имитационного геомеханического анализа оснований шахтных копров, в т.ч. исходной табличной и графической информации нормативного характера.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации направлены проектным организациям г. Екатеринбурга: ОАО «Уралгипроруда», ОАО «Уралгипрошахт».

Результаты работы могут предназначены организациям и предприятиям, ведущим проектирование, строительство и эксплуатацию шахт, рудников и подземных сооружений.

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, выполнении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации, разработке программного обеспечения.

Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на Уральской горнопромышленной декаде 3 13 апреля 2006 г., Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» 2007 г., Уральской горнопромышленной декаде 14 23 апреля 2008 г. (г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (2007, 2008, 2009 гг., г. Екатеринбург).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в четырех работах.

Структура и объем работы. Работа включает общую характеристику (введение), четыре главы, выводы и рекомендации, список литературы из 93 наименований. Объем работы составляет 194 страниц машинописного текста, в т. ч. 61 таблицу и 54 рисунка.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Аналитический обзор изученности вопроса

Анализ изученности вопроса выполняется по направлениям: система «Копер - фундамент ствол (устье) - основание»; методы расчета оснований зданий и сооружений; вероятностные подходы в геомеханике.

Мировая и отечественная практика строительства и эксплуатации промышленных и городских сооружений доказала, что комплексный анализ системы «сооружение - фундамент основание» является обязательным условием разработки надежных решений по фактору аварийности оснований. Разумеется, в этом плане система «Копер - фундамент - ствол (устье) основание» не является исключением, причем комплексная оценка системы должна учитывать специфические, технические и геотехнические особенности эксплуатации шахтных копров, наиболее существенными из которых являются:

- разнообразие систем «Копер фундамент ствол(устье) основание» по назначению, конструктивному исполнению, используемым материалам, природным, техническим и экономическим условиям строительства и эксплуатации;

- передача нагрузок непосредственно на крепь шахтного ствола и генерация дополнительных нагрузок на ствол от фундаментов и сооружений, расположенных вблизи устья ствола;

- разнообразие оснований по составу, свойствам горных пород, структуре, характеру залегания, наличие специфических горных выработок и инженерных коммуникаций (вентиляционных каналов, трубно-кабельных коллекторов и др.);

- формирование воронки депрессии с последующими деформациями массива горных пород в зоне коры выветривания.

В целом теоретический и практический аппарат расчета оснований, созданный на сегодняшний день, позволяет решать широкий круг задач по проектированию оснований зданий и сооружений в различных природных и технических условиях, в т. ч. является исходным материалом для оценки надежности оснований шахтных копров. Нельзя не отметить существенный вклад в теорию расчета оснований, который внесли отечественные ученые: Абелев М. Ю., Белзецкий С. И., Березанцев В. Г., Веселов В. А., Герсеванов Н. М., Горбунов-Посадов М. И., Далматов Б. И., Иванов П. Л., Карлович В. М., Крутов В. И., Лушников В. В., Малышев М. В., Маслов Н. Н., Паукер Г. Е., Смородинов М. И., Соколовский В. В., Сорочан Е. А., Тер-Мартиросян З. Г., Трофименков Ю. Г., Ухов С. Б., Флорин В. А., Швец В. Б., Швецов Г. И., Цытович Н. А., Яропольский И. В. и др.

Вероятностные подходы к геомеханическому анализу оснований отражены в работах Болотина В. В., Бугрова А. К. и Шилина В. Г., Ермолаева Н. Н. и Михеева В. В., Муллера Р. А., Половова Б. Д., Речицкого В. И. и Корябина И. А., Ржаницына Р. А., Синицына А. П., Стрелецкого Н. С., Тимашева С. А., Хрусталева Л. Н., Швеца В. Б., Шейнина В. И. и др. В частности, доказана эффективность имитационного моделирования по методу Монте-Карло, что позволяет принять его в качестве основного инструмента исследований по тематике диссертации. Многовариантность получаемых вероятностных решений, сопровождающаяся оценками надежности, обусловливает возможность их оптимизации, исходя из экономической и социальной безопасности, например, по критериям и моделям, разработанным в УГГУ, включающим составляющие «цена рисков» и «мониторинг». Последний, предусматривая прогноз развития геомеханических ситуаций во времени, может служить ключом к решению проблемы надежности с постепенными отказами системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».

Таким образом, в области геомеханического анализа оснований получены весьма важные теоретические и практические результаты. Вместе с тем непосредственно тематика оценки надежности оснований шахтных копров не изучена. Учитывая эффективность и перспективы имитационного моделирования в связи с бурным развитием ЭВМ, необходимо провести специальные исследования по совершенствованию методов получения исходной информации нестабильного характера, разработать и реализовать имитационные методики оценки надежности оснований, доказать возможность, целесообразность и универсальность применения метода Монте-Карло в специфических условиях системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».

2. Методика оценки надежности оснований шахтных копров

Методика оценки надежности оснований шахтных копров в контексте метода Монте-Карло формируется в два этапа: 1 получение достоверной информации о состоянии и свойствах грунтового массива на основе статистической обработки результатов испытаний; 2 формирование обобщенного комплекса процедур для проведения имитационного анализа системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».

Действующий ГОСТ 20522-96 «Грунты. Методы статистической разработки результатов испытаний» регламентирует методику статистического оценивания грунтов оснований в предположении нормального (логарифмически нормального) закона распределения случайных величин. Такой подход привычен и понятен, однако приемлем далеко не всегда. Более того, в контексте метода Монте-Карло, ставящего повышенные требования к качеству исходной информации, параметрическое оценивание на базе нормального закона распределения может привести к серьезным просчетам.

Отличительные особенности разработанной методики статистического оценивания грунтов оснований, ориентированные на непараметрическое оценивание и поясняемые конкретными примерами (оценка закона распределения случайных величин и однородности выборок), приведены в табл. 1, 2, 3, рис.1. В частности, серия исследований характеристик грунтов по критерию 2 позволила установить преимущества универсальных законов распределения Грамма-Шарлье и Эджворта.

Таблица 1 Методики статистического оценивания грунтов оснований

По ГОСТ 2052296 (параметрические методы)	Принятая (непараметрические методы)
1	2
Используются три статистики: среднее выборочное, стандарт, коэффициент вариации	Используются статистики: среднее выборочное, стандарт, коэффициент вариации, асимметрия, эксцесс, вариационный размах, центральные моменты до 6-го порядка включительно
Критерием, определяющим необходимость разделения грунтового массива на однородные элементы, является допустимый коэффициент вариации, равный 0,15 для физических характеристик, и 0,3 для механических	Используется непараметрический «U-крите-рий Уилкоксона, Манна, Уитни»
Расчетные характеристики грунтов вычисляются по нормативным (средним выборочным) характеристикам, деленным на «коэффициент надежности по грунту». Последний является функцией показателя точности, устанавливаемого в зависимости от коэффициента вариации, t-коэффициента (с числом степеней свободы k n 1 и задаваемой достоверностью ) и числа определений характеристики n	Необходимость разделения характеристик грунтов на нормативные и расчетные при оценках надежности оснований методом Монте-Карло отпадает
Если коэффициент вариации V характеристики превышает 0,4, ее нормативное и расчетное значения рекомендуется вычислять с использованием логарифмически нормального закона распределения. Соответственно для V 0,4 нормальное распределение	Закон распределения устанавливается по критерию 2
Отбраковка грубых погрешностей выполняется по критерию «трех сигм» в предположении нормальности распределения характеристик грунтов	Отбраковка грубых погрешностей выполняется по неравенству Бьенэмэ-Чебышева
Действующим стандартом не предусматривается статистическая оценка характеристик грунтов функций нескольких случайных аргументов	Предусматривается статистическая оценка характеристик грунтов функций нескольких случайных аргументов

Таблица 2 Теоретические и фактические частоты распределений удельного веса грунта. Критерии 2

Фактические частоты	Закон распределения случайных величин
	нормальный	логнормальный	Грамма-Шарлье	уточненный Грамма-Шарлье (по пяти членам ряда)	Эджворта	Вейбулла	экспоненциальный	Релея
3	1,995	8,735	2,122	2,251	2,600	0,546	12,000	36,590
5	6,796	0,934	6,215	6,437	3,912	4,341	9,000	13,160
13	13,170	4,911	12,517	12,011	13,082	10,941	7,000	0,260
17	14,530	12,798	14,868	15,277	13,768	15,086	5,000	17,523
9	9,130	16,578	9,923	9,912	12,210	12,173	4,000	4,041
3	3,270	10,680	3,329	3,092	3,753	5,500	3,000	3,110
2	1,426	44,410	1,040	0,933	1,120	91,176	48,721	71,980

Таблица 3 Оценивание однородности двух выборок объемом m 8 и n = 8

Операция	Результат
1	2
Ввод: выборка 1 выборка 2	7 14 22 36 40 48 49 52 3 5 6 10 17 18 20 39
Формирование вариационного ряда H(i)	H(1) = 3 H(2) = 5 H(3) 6 H(4) 7 H(5) = 10 H(6) = 14 H(7) 17 H(8) = 18 H(9) = 20 H(10) = 22 H(11) = 36 H(12) = 39 H(13) = 40 H(14) = 48 H(15) = 49 H(16) = 52
Ранжирование вариационного ряда	R(1) = 1 R(2) = 2 R(3) = 3 R(4) = 4 R(5) = 5 R(6) = 6 R(7) = 7 R(8) = 8 R(9) = 9 R(10) = 10 R(11) = 11 R(12) = 12 R(13) = 13 R(14) = 14 R(15) = 15 R(16) = 16
Метка второй выборки	3,0001 5,0001 6,0001 10,0001 17,0001 18,0001 20,0001 39,0001
Формирование вариационного ряда E(i) с метками второй выборки	E(1) = 3,0001 E(2) = 5,0001 E(3) = 6,0001 E(4) = 7 E(5) = 10,0001 E(6) = 14 E(7) = 17,0001 E(8) = 18,0001 E(9) = 20,0001 E(10) = 22 E(11) = 36 E(12) = 39,0001 E(13) = 40 E(14) = 48 E(15) = 49 E(16) = 52
Определение суммы рангов первой выборки по условию: E(i) - H(i) 0	m R1(i1) = 89 i1=1
Определение суммы рангов второй выборки по условию: E(i) - H(i) > 0	n R2(i2) = 43 i2=1
U-cтатистики	U1mn0,5m(m1)-R1= 11, U 2=mn0,5n(n1)-R153
U-крит.13 при 0,025 N, так как 11 < 13, гипотеза отвергается

На рис. 2 представлена укрупненная блок-схема УГГУ, характеризующая порядок и процедуры имитационного моделирования. Три дополнительные процедуры генерация табличной информации, генерация графической информации, генерация случайных чисел Rу, распределенных по законам Грамма-Шарлье и Эджворта, усовершенствованные в диссертации, существенно расширяют область применения метода Монте-Карло в плане оценки надежности оснований шахтных копров.

Генерация табличной и графической информации позволяет использовать таблицы и графики действующих нормативных документов, при этом «локальные» подпрограммы, обеспечивающие генерацию, вводятся в основную программу оценки надежности основания.

Генерация случайных чисел, распределенных по универсальным законам Грамма-Шарлье и Эджворта, выполняется численным методом по пяти и семи членам соответствующих рядов с учетом соотношения Rу Rнs :

Rу генерируемое случайное число; Rн значение, устанавливаемое численным методом; среднее выборочное; s стандарт; ri равномерно распределенное число, задаваемое датчиком ЭВМ; (Rн) интеграл вероятности; 3, 4, 5, 6 центральные моменты порядка с третьего по шестой; 0(Rн) (2 )-0,5exp(- 0,5 Rн 2); 0(2)(Rн) (Rн2 - 1) 0(Rн); 0(3)( Rн) - (Rн3-3 Rн)0(Rн); 0(4)( Rн) (Rн4-6 Rн23)0(Rн); 0(5)( Rн) - (Rн5-10 Rн315 Rн)0(Rн); 0(6)( Rн) (Rн6-15 Rн445 Rн2-15)0(Rн); 0(7)( Rн) -( Rн7-21 Rн5105Rн 3-105Rн)0(Rн); 0(8)(Rн) (Rн8 - 28 Rн6 210Rн4 - 420 Rн2 105) 0(Rн); 0(9)( Rн) - (Rн9-36 Rн7378 Rн5-1260 Rн3945 Rн)0(Rн).

Скорость генерации составляет около 200 чисел Rу в секунду ЭВМ «Fujitsu Siemens AMILO XI» (Intel Core (TM) 2Duo CPU 2,1 GHz RAM 2046 Mb)..

3. Оценка надежности оснований в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание»

В главе рассмотрены наиболее типичные задачи классического характера: оценка расчетного сопротивления грунта основания; определение несущей способности основания; оценка предельного давления на основание от фундамента глубокого заложения «колодец-оболочка»; расчет осадок оснований методами послойного суммирования и линейно деформируемого слоя; комплексная оценка надежности основания башенного копра. Проведенные исследования построены по единой логической схеме: «постановка задачи особенности моделирования детерминированное решение собственно имитационное моделирование фиксация уровней надежности анализ результатов». В силу ограничений на объем автореферата в краткой форме рассматриваются три задачи, позволяющие получить достаточно полное представление о существе и универсальности разработанной методики оценки надежности оснований, а также об эффективности новых процедур имитационного моделирования.

3.1. Несущая способность основания

Несущая способность основания оценивается согласно СНиП 2.02.01-83* по формулам:

nз Fv (c Nu / n) 1; Nu bl(Nb1 Nqq1d Nccc1);

b b 2 eb; l l 2 el; 1 0,25 / ; q 1 1,5 / ; c 1 0,3 / , l / b,

где Fv - расчетная нагрузка на основание; Uu - сила предельного сопротивления основания; с - коэффициент условий работы; n коэффициент надежности по назначению сооружения; b и l соответственно приведенные ширина и длина фундамента; eb и el - соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента; 1 и 1 расчетные значения удельного веса грунтов, находящихся в пределах возможной призмы выпирания соответственно ниже и выше подошвы фундамента; d глубина заложения фундамента; c1 расчетное значение удельного сцепления грунта.

Особенности моделирования:

в программу имитационного моделирования введена таблица «коэффициентов несущей способности N, Nq, Nc», включенная в СНиП 2.02.01-83*;

случайные величины: текучесть, плотность грунта, плотность материала фундамента распределены по нормальному закону; пористость и равнодействующая всех вертикальных нагрузок по закону Грамма-Шарлье; значения частных коэффициентов запаса вводятся в вероятностную модель двумя параметрами одностороннего нормального распределения (среднее значение приравнивается единице, стандарт составляет (kз - 1)/3).

Результаты детерминированных расчетов:

0,3277196 рад., с 18,67 кПа (с учетом коэффициента надежности по грунту); N 0,448311, Nq 2,636337, Nc 4,823395; Nu 278,5719 кН (с учетом коэффициентов с, n); Fv 262,12 кН; Коэффициент запаса 1,062765.

Результаты имитационного моделирования приводятся в табл. 4, 5.

Таблица 4 Значения i и ci с учетом коэффициентов надежности по грунту, с1, i

Угол внутреннего трения, град.	Удельное сцепление, кПа
21,85 20,71 19,25 19,37 20,87 22,15 18,19 21,25 18,73 20,21 21,50 21,01 18,77 21,16 21,04 21,03 21,40 20,03 20,07 20,69 22,62 18,54 21,18 20,10 21,77 20,46 22,50 20,33 21,12 20,92 21,17 19,18 21,62 22,92 21,06 21,92 20,74 20,32 19,43 20,74 20,63 21,02 21,04 20,54 21,49 21,46 20,18 19,69 19,83 20,20 19,77 21,86 19,49 20,40 22,14 21,08 20,48 19,77 20,75 19,32 21,50 20,44 21,08 21,51 19,72 20,57 21,31 19,94 20,31 20,57 21,61 22,34 21,24 18,44 20,35 21,01 22,59 21,46 21,01 22,78 20,83 20,05 21,21 19,71 20,81 21,15 21,56 21,29 21,83 20,74 20,73 21,30 21,74 19,82 21,06 21,85 20,96 20,72 20,42 21,29 19,92 19,89 20,73 21,42 20,95 18,33 18,13 20,16 22,26 20,78 21,94 20,18 22,07 20,41 20,19 19,67 20,67 21,27 20,39 21,05 22,17 20,13 20,62 19,10 20,77 19,44 21,78 20,21 19,60 18,13 19,24 21,48 21,89 21,57 22,11	22,20 28,59 28,11 17,07 28,50 27,67 20,75 25,69 23,56 25,88 28,46 25,13 16,66 22,36 17,06 26,26 19,60 26,37 21,34 24,66 24,22 21,92 21,01 24,95 28,83 18,17 28,40 21,99 20,72 21,39 24,96 28,25 27,88 31,64 29,94 28,41 20,47 18,63 21,61 18,82 29,59 20,87 21,06 25,43 23,31 28,41 20,75 19,33 19,84 25,82 22,38 24,28 22,27 18,27 29,99 18,02 25,33 21,04 23,19 21,49 21,57 23,58 32,90 26,59 18,33 20,40 30,01 22,74 22,33 22,97 28,87 29,73 23,30 25,55 26,99 28,13 32,96 21,97 22,53 29,87 18,22 23,74 28,83 20,76 22,77 18,79 28,40 22,04 23,39 20,86 25,39 23,92 25,71 26,85 28,42 18,43 24,27 24,04 21,82 21,63 22,71 31,61 25,37 27,56 16,70 22,89 17,44 22,39 33,63 21,68 27,88 21,03 25,82 20,70 17,71 25,25 24,54 26,30 21,65 19,16 21,51 20,12 21,50 21,38 20,37 20,63 32,83 28,24 21,96 19,23 17,26 24,57 18,74 21,13 22,96

Таблица 5 Вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания и коэффициент запаса

Nu,i , кН	nз
536,64 483,85 467,00 322,88 428,30 709,21 316,70 491,87 333,30 462,94 555,56 502,29 309,66 524,31 392,10 469,98 463,71 453,51 411,68 448,53 566,70 279,71 477,65 431,21 554,06 431,56 609,21 372,79 475,11 480,07 514,50 347,33 541,02 663,22 547,69 628,07 441,52 426,12 391,63 431,56 548,04 476,34 481,75 435,19 536,55 532,32 466,03 353,33 374,00 485,02 405,05 595,87 424,58 374,63 691,54 417,80 493,52 383,18 499,58 362,16 563,40 496,10 635,32 601,07 337,57 495,38 601,34 384,21 454,04 484,44 593,55 661,31 561,12 313,89 497,86 595,67 678,02 472,19 487,56 786,70 394,53 419,78 599,19 371,40 494,27 521,77 560,71 499,83 572,23 451,52 508,84 554,10 564,60 401,82 567,42 441,87 540,96 507,57 459,54 504,71 409,45 486,62 488,29 580,44 366,42 317,88 241,68 427,60 625,67 475,09 654,23 486,58 549,35 440,19 347,67 407,22 484,48 578,39 408,23 473,01 510,99 432,75 444,96 364,23 420,80 391,91 705,64 509,77 359,53 302,12 333,01 544,47 480,58 478,74 559,20	0,92 1,07 1,15 1,18 1,20 1,21 1,21 1,23 1,27 1,27 1,29 1,32 1,33 1,35 1,37 1,38 1,39 1,40 1,42 1,42 1,43 1,43 1,46 1,46 1,49 1,49 1,49 1,50 1,53 1,54 1,55 1,56 1,56 1,57 1,59 1,60 1,60 1,62 1,62 1,63 1,63 1,64 1,65 1,65 1,65 1,66 1,68 1,68 1,68 1,70 1,71 1,72 1,73 1,73 1,75 1,76 1,77 1,78 1,78 1,79 1,80 1,80 1,81 1,81 1,82 1,82 1,82 1,83 1,83 1,84 1,84 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,86 1,86 1,87 1,88 1,88 1,89 1,89 1,90 1,90 1,91 1,91 1,92 1,93 1,94 1,94 1,95 1,96 1,99 2,00 2,03 2,05 2,05 2,06 2,06 2,08 2,09 2,09 2,09 2,11 2,11 2,12 2,13 2,14 2,14 2,15 2,15 2,16 2,16 2,18 2,20 2,21 2,26 2,27 2,27 2,28 2,29 2,29 2,32 2,38 2,39 2,42 2,49 2,52 2,53 2,58 2,64 2,69 2,70 3,00

Уровень надежности по условию P(nз>1) составляет 0,992.

3.2. Предельное (критическое) давление на основание фундамента глубокого заложения «колодец-оболочка»

На рис. 3, 4 приведены теоретическая эпюра распределения предельных напряжений по поверхности конического уплотненного ядра под фундаментом глубокого заложения «колодец-оболочка» (В. Г. Березанцев) и график для определения коэффициента Bк в формуле для расчета средней интенсивности критической нагрузки к Bк d, здесь Bк функция угла внутреннего трения и относительного заглубления фундамента h / d; удельный вес грунта; d внешний диаметр «колодца-оболочки».

Кривые h/d аппроксимируются с запасом 1,03 ч 1,07 кубичными сплайнами: массив шахтный копер конструкционный

Bк, h/d=4 40,85859 8,076771( 26) 0,208422( 26)2 0,041562( 26)3; Bк, h/d=8 89,44445 5,828514( 26) 0,452743( 26)2 0,0589225( 26)3; Bк, h/d=12 120,9594 15,67901( 26) 0,649832( 26)2 0,136269( 26)3; Bк, h/d=16 159,8483 18,36599( 26) 0,031084( 26)2 0,137312( 26)3; Bк, h/d=20 194,0406 41,53954( 26) 3,802266( 26)2 0,341959( 26)3; Bк, h/d=24 245,2526 31,35218( 26) 0,842346( 26)2 0,234638( 26)3;

Bк, h/d=28 276,2122 44,76545( 26) 2,729969( 26)2 0,3630048( 26)3; Bк, h/d=32 318,6865 32,41802( 26) 0,532496( 26)2 0,2467407( 26)3.

В табл. 6 приведены исходные данные и результаты генерации коэффициентов Bк и выходной случайный массив предельных давлений на основание.



Рис. 3. Теоретическая эпюра распределения предельных напряжений по поверхности конического уплотненного ядра под фундаментом Рис. 4. График для определения коэффициента Bк

Таблица 6 Исходные данные. Отсортированные демонстрационные результаты

Исходные данные: h 7 м; d 3 м; ср 30; S 2; A 0,256; E 0,1; ср 25 кН/м3; S 3 кН/м3
Bкi
77,3 77,3 77,4 78,1 78,9 82,3 82,3 83,2 83,5 83,5 84,0 85,2 85,8 85,9 87,2 87,3 87,6 87,7 87,8 87,9 89,3 90,6 90,9 91,0 91,2 91,4 92,6 92,9 93,7 93,9 94,7 95,5 95,5 96,1 96,3 96,5 96,7 97,1 7,2 97,4 97,6 97,6 97,9 98,0 98,1 98,2 99,2 99,5 100,4 100,6 100,9 100,9 101,3 101,5 101,7 102,0 102,0 102,5 102,6 102,9 103,0 103,0 103,6 103,7 104,7 104,9 105,0 105,1 105,4 105,6 106,1 106,1 106,1 106,1 107,8 108,2 108,2 108,3 108,5 108,6 108,6 109,4 110,0 110,2 110,4 110,7 110,8 111,0 112,2 112,5 112,5 112,7 112,7 113,4 113,5 113,8 113,9 114,9 115,0 115,0 115,9 115,9 116,5 116,7 116,9 119,3 119,8 120,2 120,7 121,3 121,4 121,8 122,4 123,6 124,4 124,6 124,8 125,1 125,2 127,8 128,7 132,9 133,6 134,0 134,4 134,9 138,3 140,5 140,7 144,1 150,9 151,3 151,4 155,4 184,6
кi, кПа
4562,6 4666,1 4935,8 5014,4 5043,5 5149,0 5220,5 5303,4 5549,2 5566,6 5656,5 5677,7 5831,7 5977,1 5983,2 5988,5 5996,8 6001,6 6048,6 6086,8 6141,1 6152,3 6167,9 6185,2 6209,4 6285,4 6417,8 6449,5 6463,9 6525,3 6542,5 6641,5 6660,1 6674,8 6688,5 6695,0 6696,9 6733,7 6795,1 6835,5 6843,9 6875,6 6886,9 6897,2 6930,8 6951,9 6961,4 7004,7 7032,9 7081,8 7132,7 7167,9 7251,4 7262,5 7271,3 7291,2 7344,6 7347,4 7366,2 7433,9 7499,1 7505,6 7518,8 7524,8 7566,9 7576,6 7687,9 7705,6 7801,6 7856,6 7875,0 7909,9 7932,2 7958,7 7965,8 8014,0 8044,5 8045,1 8103,2 8115,9 8127,1 8127,5 8186,8 8230,2 8235,9 8285,5 8358,9 8389,0 8473,1 8485,6 8552,0 8594,8 8610,5 8632,8 8659,7 8769,7 8786,7 8872,3 8908,4 9090,1 9125,4 9171,4 9247,6 9281,9 9315,8 9341,2 9432,9 9448,7 9480,5 9509,4 9813,9 9817,3 9884,5 9980,0 10044,3 10086,7 10392,5 10663,1 10677,5 10699,9 10773,4 10855,4 10952,6 11348,4 11514,6 11653,4 11944,9 12128,3 12136,1 12169,5 12184,9 12186,3 13333,9 13593,1 13979,1

С надежностью 0,95 i-е значение критического давления i INT(0,95135) 1 129, соответственно критическое давление к 129 12136,1 кПа (в табл. 6 выделено полужирным шрифтом).

3.3. Осадка основания башенного копра с фундаментом кольцевой формы

Оценка осадки является обязательным компонентом комплексного расчета оснований башенного копра. Осадка основания копра S устанавливается по формулам:

S = SG + Sм + Sи; SG(12)Wr(12)E1; Sмrt; Sиr2(12)(32R)1,

где SG - осадка центра фундамента сооружения от вертикальных нагрузок на основание; Sм - осадка центра фундамента сооружения от моментных нагрузок; Sи - осадка фундамента от искривления основания; - коэффициент Пуассона грунта; -давление на основание, равное частному от деления вертикальных нагрузок на площадь подошвы фундамента F; W - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от ; - отношения внутреннего радиуса кольца фундамента r1 к наружному r; Е - модуль общей деформации грунта; t - безразмерный коэффициент, определяемый по номограмме (см. рис. 5) в зависимости от выреза фундамента и отношения модуля упругости Еу к модулю общей деформации грунта Е, обозначенному К; - крен копра; R радиус искривления основания; - расчетная осадка поверхности под центром фундамента от горных выработок.

Оценка надежности основания копра по осадке определяется по массиву случайных значений коэффициент запаса nз,i Sн / Si, здесь Sн - предельно допустимая осадка башенного копра, составляющая 30 см согласно Руководству по расчету башенных копров угольных и рудных шахт, имеющему силу нормативного документа.

Особенности имитационного моделирования генерация данных из номограммы, приведенной на рис. 5; распределение модулей деформации, упругости, крена по закону Грамма-Шарлье, коэффициента Пуассона по нормальному закону.

Рис. 5. Номограмма для определения безразмерных коэффициентов A,t

В условиях G 0,1 МН, r1 5, м r 9,5 м получены следующие детерминированные показатели: SG 0,2447763 м; Sм 6,031837E-03 м; Sи 0,1002604 м; S 0,3510685 м; nз 0,855. Поскольку осадка основания S превышает допустимую S > Sн, а nз < 1, следует увеличить размеры фундамента (радиус до 12,5 м) или произвести подготовку грунта (уплотнение грунта до модуля деформации Е 3000 т/м2). Детерминированные значения осадок и коэффициентов запаса в этих случаях составят S 0,2953661 м, nз 1,016 и S 0,2657927 м, nз 1,129. Соответственно, надежность вариантов, установленная имитационным методом, составит 0,97 и 1,00.

Реализация задач различного содержания в разнообразных геомеханических ситуациях по оценке надежности оснований в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание», в т. ч. задач, рассмотренных в автореферате, подтверждает широкие возможности, целесообразность и универсальность метода Монте-Карло. На основании выполненных исследований в совокупности с материалами, полученными во второй главе, сформулировано первое научное положение, фиксирующее отличительные особенности общего подхода к имитационному моделированию оснований шахтных копров.

4. Оценка надежности оснований шахтных копров в сложных геомеханических ситуациях

4.1. Оценка асимметричного воздействия нагрузок на горную крепь от копра, окружающих зданий и сооружений. Расчет крепи в условиях неравнокомпонентного поля напряжений

Расчет крепи вертикальных стволов глубиной до 50 м или устьев стволов регламентируется действующим СНиП II-94-80 «Подземные горные выработки», предусматривающим определение нормативных и расчетных нагрузок на крепь с учетом пригрузки от зданий и сооружений, расположенных вблизи ствола, а также выбор материала и установление размеров крепи. Существующая методика дополняется имитационным анализом надежности системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» по фактору прочности крепи устья ствола.

В результате имитационного моделирования по схемам рис. 6, а, б, в установлены границы зоны влияния от копра, сооружений и зданий, размещаемых вблизи ствола (устья) с заданной надежностью, определена надежность осесимметричных нагрузок на горную крепь от вмещающего массива и асимметричных нагрузок, передаваемых смежными фундаментами. Полученные результаты свидетельствуют об универсальности метода Монте-Карло, как средства полноценной оценки надежности системы «Копер фундамент ствол (устье) основание». Вместе с тем действующая методика оценки воздействий на крепь, предусматривающая замену односторонней нагрузки (схема рис. 6, б) осесимметричной (схема рис. 6, в), нуждается в корректировке. Дело в том, что асимметричное нагружение ствола или устья ствола в зоне влияния шахтного копра, смежных зданий и сооружений сопровождается формированием неравнокомпонентного поля напряжений во вмещающем массиве.

Рис. 6. Расчетные схемы нагрузок на ствол (устье) в зоне влияния rc:

а осесимметричное нагружение от вмещающего массива (В. Г. Березанцев); б одностороннее нагружение PП от сооружений в зоне влияния (от фундаментов 1, 3 укосин копра и 2 здания подъемной машины); в осесимметричное нагружение односторонней нагрузкой PП; г асимметричное нагружение

В этой ситуации для оценки надежности крепи стволов глубиной до 50 м и устьев вертикальных стволов целесообразно реализовать известную методику, разработанную проф. Н. С. Булычевым. Расчет выполняется следующим образом: 1 находятся компоненты напряженного состояния по направлению максимальной и минимальной нагрузки; 2 устанавливаются коэффициенты передачи внешних нагрузок от грунтового массива на горную крепь; 3 определяются напряжения на контактах крепи; 4 вычисляются нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем и внешнем контурах сечения крепи; 5 находятся изгибающие моменты, возникающие в крепи; 6 определяются продольные силы; 7 устанавливаются предельные значения продольных сил; 8 вычисляются коэффициенты запаса.

Особенности имитационного моделирования: исходные компоненты поля напряжения устанавливаются по нагрузкам, воздействующим на горную на крепь, в соответствии с указаниями СНиП II-94-80; пять случайных характеристик модули упругости и коэффициенты Пуассона грунта и крепи, удельный вес грунта генерируются по нормальному распределению, угол внутреннего трения по распределению Грамма-Шарлье; вычисляются 20 массивов случайных чисел, 19-й и 20-й массивы коэффициентов запаса по направлениям максимальных и минимальных напряжений; надежность оценивается по массивам случайных значений коэффициентов запаса как вероятность P(nз < 1).

Итоги детерминированного расчета для устья на глубине 20 м с толщиной крепи 0, 5 м:

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ НАГРУЗКА ОТ ЗДАНИЙ НА КРЕПЬ УСТЬЯ СТВОЛА, КПА, P = 10.47796; РАСЧЕТНАЯ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ НАГРУЗКА 1, MПА, N1= .228352; РАСЧЕТНАЯ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ НАГРУЗКА 2, MПА, N2= .2051957; КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ НАГРУЗОК: KZ0= 1.331025 KZ11=-.6288911 KZ21=-2.346916; НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ КРЕПИ С МАССИВОМ: P0= .206094 P2=-4.680897E-03 Q2=-1.746832E-02; НОРМАЛЬНЫЕ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВНУТРЕННЕМ И ВНЕШНЕМ КОНТУРЕ КРЕПИ: SGVN(I)= 2.060702 SGNA(I)= 2.564198 SGVN(I)= 3.045578 SGNA(I)= 2.006238; ИЗГИБАЮЩИЕ МОМЕНТЫ, ПРОДОЛЬНЫЕ СИЛЫ, ЭКСЦЕНТРИСИТЕТЫ, ПРЕДЕЛЬНЫЕ (ДОПУСТИМЫЕ) ПРОДОЛЬНЫЕ СИЛЫ: MM( 1 )=-1.363636E-02 NM( 1 )= 1.503093 E0( 1 )=-9.072202E-03 NU( 1 )= 3.51617 MM( 2 )= 2.814881E-02 NM( 2 )= 1.64184 E0( 2 )= 1.714467E-02 NU( 2 )= 3.160351; КОЭФФИЦИЕНТЫ ЗАПАСА: NZ1= 2.33929 NZ2= 1.924883.

В табл. 7 в качестве примера приведены завершающие результаты имитационного моделирования массивы коэффициентов запаса в направлениях действия главных напряжений.

Таблица 7 Демонстрационные результаты моделирования крепи устья ствола

nз по направлению максимального напряжения	nз по направлению минимального напряжения
0,943 1,215 1,230 1,233 1,386 1,396 1,408 1,410 1,415 1,428 1,543 1,544 1,557 1,568 1,575 1,629 1,644 1,686 1,689 1,692 1,698 1,703 1,739 1,742 1,789 1,804 1,807 1,809 1,815 1,817 1,844 1,861 1,874 1,878 1,888 1,888 1,899 1,905 1,906 1,909 1,911 1,919 1,962 1,978 1,989 2,008 2,033 2,057 2,060 2,079 2,098 2,110 2,110 2,127 2,135 2,178 2,187 2,206 2,213 2,234 2,250 2,254 2,313 2,330 2,388 2,400 2,410 2,416 2,431 2,447 2,450 2,473 2,496 2,502 2,531 2,557 2,585 2,586 2,595 2,619 2,647 2,651 2,657 2,666 2,673 2,678 2,690 2,692 2,698 2,699 2,699 2,747 2,755 2,769 2,775 2,795 2,796 2,801 2,830 2,954 2,973 2,980 2,997 3,021 3,124 3,136 3,225 3,250 3,330 3,358 3,362 3,367 3,430 3,462 3,584 3,594 3,639 3,652 3,684 3,709 3,740 3,963 4,020 4,023 4,351 4,484 4,539 4,635 4,792 4,803 4,893 4,944 5,389 5,543 5,586	0,672 0,906 0,957 0,982 1,032 1,052 1,058 1,071 1,098 1,140 1,141 1,142 1,162 1,206 1,206 1,254 1,258 1,274 1,282 1,310 1,315 1,329 1,347 1,353 1,374 1,385 1,388 1,396 1,431 1,457 1,461 1,464 1,475 1,485 1,506 1,509 1,523 1,524 1,524 1,548 1,567 1,570 1,577 1,591 1,599 1,606 1,626 1,637 1,643 1,691 1,700 1,704 1,710 1,711 1,743 1,760 1,802 1,820 1,820 1,825 1,832 1,878 1,894 1,898 1,907 1,915 1,925 1,935 1,936 1,948 1,956 2,020 2,063 2,085 2,093 2,107 2,107 2,112 2,119 2,141 2,142 2,160 2,161 2,201 2,202 2,206 2,210 2,220 2,224 2,247 2,286 2,292 2,301 2,312 2,325 2,363 2,384 2,387 2,398 2,414 2,419 2,462 2,476 2,502 2,523 2,542 2,580 2,643 2,748 2,769 2,829 2,872 2,904 2,909 3,037 3,055 3,093 3,104 3,120 3,167 3,170 3,245 3,407 3,484 3,792 3,871 3,982 4,130 4,260 4,261 4,309 4,598 4,717 4,970 5,075
Надежность 0,9925926	Надежность 0,9703704

4.2. Оценка надежности несущей способности основания по фактору устойчивости

Методика оценки надежности несущей способности основания по фактору устойчивости, включая основания, расположенные вблизи откосов и неоднородные основания, в сравнении с известными графо-аналитическими методами, рекомендуемыми СНиП 2.02.01-83*, характеризуется тремя отличительными особенностями.

Первое отличие состоит в аналитическом задании поверхности скольжения двумя круглоцилиндрическими поверхностями биарками, имеющими общую производную в точке касания (рис. 7). Такой прием позволяет аналитически задавать сколь угодно большое семейство поверхностей скольжения, обеспечив постоянство углов входа и выхода в точках A и D криволинейного участка поверхности, равных, по В. В. Соколовскому, 45 /2, здесь угол внутреннего трения грунта.

Параметры «биарков» (радиусы сопряженных дуг R1 и R2, координаты центров вращения xO1, yO1, xO2, yO2, координаты xS, yS точки S B сопряжения двух дуг) в ситуациях, показанных на рис. 3.3, устанавливаются по формулам:

;

где 1 A - 45 /2; 2 D 45 /2; xA, yA, xD, yD - координаты начальной и конечной точек криволинейного участка поверхности скольжения; - угол наклона откоса; 0 - угол наклона радиуса-сопряжения в точке касания двух дуг 0 (2 - 1) n-1; n - задаваемое число «биарков» в «пучке» поверхностей скольжения.

Второе отличие предлагаемого решения предусматривает замену традиционной графической процедуры разделения призмы выпирания (или скольжения) на отсеки вычислением определенных интегралов по характерным участкам поверхности скольжения. Коэффициенты запаса устойчивости основания в этом случае устанавливаются по формуле

m1 m2 m1

nз ( tg i Ni Cj Lj G) ( Ti K)-1,

i1 j1 i1

где nз - коэффициент запаса устойчивости; Ni - интеграл нормальной составляющей нагрузки по поверхности скольжения; Cj - сцепление; Lj - интеграл длины поверхности скольжения; Ti - интеграл касательной составляющей нагрузки по поверхности скольжения; m1, m2 - величины, характеризующие особенности расположения поверхностей скольжения и условия залегания грунтов; G удерживающая составляющая нагрузки от копра и фундамента; K сдвигающая составляющая нагрузки от копра и фундамента;

m1

tg i Ni

i1

где удельный вес грунта; H глубина заложения фундамента; d ширина фундамента; ф удельный вес материала фундамента; Q1 нагрузка от шахтного копра и др., передаваемая через фундамент на основание; Q2 нагрузка от собственного веса фундамента, за вычетом веса грунта, замещенного фундаментом.

Третья отличительная особенность собственно расчет надежности основания по фактору устойчивости, реализующий метод Монте-Карло: 1 положение пучка из пяти биарков задается варьируемой координатой xC; 2 для каждого биарка вычисляются коэффициент запаса устойчивости и записывается в память ЭВМ; 3 последовательно с принятым шагом xC задаются положения других пучков семейства поверхностей скольжения с выполнением операций п. 2; 4 по завершении цикла операций пп. 1, 2, 3 находится минимальный коэффициент запаса устойчивости и фиксируются параметр xC min, определяющий положение наиболее опасной призмы выпирания; 5 при фиксированном значении xC min выполняется имитационное моделирование; 6 если полученные показатели не устраивают пользователя, изменяются глубина заложения или размеры фундамента и расчет надежности повторяется.

Особенность моделирования многократное обращение к подпрограмме численного вычисления определенных интегралов. В табл. 8 приведены результаты детерминированных расчетов

Таблица 8 К оценке несущей способности системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» по фактору устойчивости

xC, м	Номер биарка	Параметры биарка	nз
		R1, м	x01, м	y01, м	R2, м	x02, м	y02, м
1	2	3	4	5	6	7	8	9
30	1	117,7	66,8	96,9	12,5	21,3	2,00	2,880
	2	69,2	39,3	57,0	10,9	22,6	1,1	2,836
	3	52,9	30,1	43,6	9,0	24,2	0,0	2,760
	4	44,7	25,4	36,8	6,5	26,2	1,4	2,658
	5	39,7	22,5	32,7	3,0	29,0	3,4	2,551
25	6	106,2	60,3	87,4	9,7	18,6	0,4	2,377
	7	61,8	35,1	50,8	8,3	19,7	0,4	2,338
25	8	46,8	26,6	38,5	6,5	21,2	1,4	2,279
	9	39,3	22,3	32,3	4,2	23,1	2,7	2,206
	10	34,7	19,7	28,5	1,1	25,6	4,5	2,153
20	11	94,7	53,6	78,0	7,0	15,8	1,2	1,929
	12	54,3	30,8	44,7	5,7	16,9	1,9	1,892
	13	40,7	23,1	33,5	4,0	18,2	2,8	1,851
	14	30,8	19,2	27,8	2,0	19,9	4,0	1,812
15	15	83,2	47,2	68,5	4,2	13,1	2,7	1,520
	16	46,8	26,6	38,5	3,0	14,0	3,4	1,499
	17	34,6	19,6	28,5	1,6	15,2	4,2	1,484
12,5	18	77,4	44,0	63,7	2,8	11,7	3,5	1,338
	19	43,1	24,5	35,5	1,7	12,6	4,15	1,328
	20	31,5	17,9	25,9	0,3	13,7	4,9	1,333
10	21	71,7	40,7	10,3	1,4	59,0	4,3	1,177
	22	39,3	22,5	11,2	0,4	32,4	4,9	1,187
7,5	23	65,9	37,4	54,3	0,07	8,9	5,1	1,049

Демонстрационные результаты имитационного моделирования призмы выпирания с фиксированным значением xC min приведены в табл. 9.

Поскольку надежность недостаточна, проведено дополнительное моделирование системы с увеличением глубины заложения фундамента до 3,5 и 4,0 м. Соответствующие уровни надежности составляют 0,933 и 1,00.

По аналогичной схеме проведено имитационное моделирование оснований шахтных копров, расположенных вблизи откосов, и оснований с поверхностями ослабления (рис. 8).

Таблица 9 Коэффициенты запаса устойчивости

0,820 0,838 0,839 0,840 0,850 0,859 0,860 0,865 0,876 0,877 0,886 0,889 0,893 0,900 0,904 0,909 0,911 0,919 0,922 0,932 0,935 0,942 0,943 0,948 0,957 0,961 0,966 0,969 0,970 0,972 0,973 0,980 0,980 0,984 0,988 0,992 0,994 0,999 0,999 1,000 1,002 1,010 1,010 1,016 1,019 1,019 1,024 1,025 1,030 1,035 1,036 1,038 1,039 1,047 1,048 1,049 1,050 1,053 1,056 1,058 1,060 1,062 1,062 1,064 1,067 1,073 1,078 1,081 1,083 1,086 1,093 1,095 1,097 1,100 1,100 1,105 1,110 1,110 1,113 1,114 1,115 1,115 1,116 1,117 1,118 1,118 1,120 1,121 1,123 1,130 1,130 1,130 1,133 1,139 1,142 1,145 1,147 1,155 1,155 1,158 1,160 1,164 1,165 1,166 1,167 1,170 1,178 1,186 1,191 1,197 1,197 1,210 1,234 1,244 1,247 1,247 1,250 1,252 1,254 1,255 1,261 1,271 1,274 1,294 1,297 1,299 1,302 1,303 1,310 1,318 1,333 1,350 1,357 1,378 1,457
Надежность 0,711

Рис. 8. Построение линий скольжения в откосе с поверхностью ослабления: минимальный коэффициент запаса устойчивости 1,04; надежность 0,59

4.3. Оценка оседаний системы «Копер фундамент ствол (устье) основание», сопровождающих формирование мульды сдвижения вследствие дренирования грунтовых вод

Методика расчета максимальных оседаний мульды сдвижения при понижении уровня грунтовых вод (мульды депрессии) применительно к строящимся и эксплуатируемым подземным объектам разработана проф. Ю. И. Яровым. Для определения надежности оседания системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» вследствие формирования воронки депрессии использована откорректированная программа УГГУ «MULDER». Особенность коррекции состоит в цикличной имитации исходной модели, учитывающей развитие воронки депрессии во времени. О целесообразности такого подхода свидетельствуют следующие данные об оседаниях и надежности (нормативное предельно допустимое оседание составляет 0,08 м): Rd 25 м, S0 0,023 м, надежность 1,0; Rd 50 м, S0 0,046 м, надежность 1,0; Rd 100 м, S0 0,088 м, надежность 0,997; Rd 500 м, S0 0,101 м, надежность 0,997.

Исследования, выполненные в рамках четвертой главы с реализацией имитационного моделирования надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» с учетом ее отличительных особенностей, позволили сформулировать второе и третье защищаемые научные положения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена задача оценки надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание», имеющая существенное значение при проектировании и строительстве надшахтных сооружений и зданий.

Основные результаты диссертации состоят в следующем.

1. Доказана возможность, целесообразность и универсальность имитационного моделирования для оценки надежности оснований шахтных копров.

2. Установлены пути совершенствования методов получения информации, отражающей нестабильность массива, слагающего основание шахтных копров, нагрузок и воздействий на основания, характеристик конструкционных материалов.

3. Разработаны обобщенные методики оценки надежности оснований по несущей способности и деформациям по методу Монте-Карло в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание», предусматривающие генерацию физико-технических характеристик грунтов оснований, нагрузок и воздействий по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье или Эджворта и экспоненциальному закону; показателей перегрузки и условий работы сооружения по левому и правому срезанным нормальным распределениям в «трех-сигмовом» интервале; плотности и удельного веса грунтов, характеристик конструкционных материалов и геометрических параметров конструкций по нормальному закону.

4. Установлено, что геомеханическая надежность системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» должна проверяться дифференцированно по характеру передачи нагрузок от копра, окружающих зданий и сооружений на основание и устье ствола с учетом степени асимметрии нагружения.

5. Разработана методика оценки несущей способности оснований шахтных копров по фактору устойчивости по системам (пучкам) криволинейных поверхностей скольжения (ограничивающих призмы выпирания или скольжения), составленных из двух сопряженных круглоцилиндрических поверхностей, имеющих равную производную в точке касания.

6. Реализованы имитационные модели оценки надежности оснований шахтных копров в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание», в т. ч. в геомеханических ситуациях, отражающих отличительные особенности систем «Копер фундамент ствол (устье ствола) основание».

7. Разработаны модели, алгоритмы и программы для проведения имитационного геомеханического анализа оснований шахтных копров, в т. ч. исходной табличной и графической информации нормативного характера.

8. Результаты выполненных исследований предназначены для организаций и предприятий, ведущих проектирование, строительство и эксплуатацию шахтных копров на подземных рудниках, шахтах и подземных сооружениях различного назначения.

9. Результаты диссертации направлены проектным организациям г. Екатеринбурга: ОАО «Уралгипроруда», ОАО «Уралгипрошахт».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Таиров, Т. Н. Оценка надежности оснований шахтных копров по методу Монте-Карло [Текст] / Таиров Т. Н., Половов Б. Д. // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 3. С. 73 81;

2. Таиров, Т. Н. Оценка надежности оснований подземных частей высотных зданий и городских подземных сооружений, возводимых открытым способом [Текст] / Т. Н. Таиров // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 3 13 апреля 2006 г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. С. 20, 21.

3. Половов, Б. Д. Оценка надежности оснований шахтных копров [Текст] / Б. Д. Половов, Т. Н. Таиров // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: труды II Международной конференции, г. Екатеринбург, 22 24 мая 2007 г. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. - С. 58 60.

4. Таиров, Т. Н. Имитационное моделирование оснований шахтных копров [Текст] / Т. Н. Таиров // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 14 23 апреля 2008 г., г. Екатеринбург. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. С. 104, 105.

Размещено на Allbest.ru