§ 19. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ (ч. 1)

Определение величины горного давления по формулам является грубо приближенным, так как при этом из всех влияющих на нее многообразных факторов учитываются лишь размеры выработки и некоторые характеристики свойств горных пород (f, φ, с).Недостаточная определенность величины коэффициента крепости породы (особенно для скальных пород) делает затруднительной правильную оценку действительных нагрузок, действующих на обделку.

Совершенно не учитываются существующими формулами влияния на величину горного давления продолжительности пребывания выработки на временной крепи, жесткости крепи, а также способа производства работ по сооружению тоннеля.

В связи с этим особое значение приобретают экспериментальные методы определения горного давления, дающие возможность учесть все перечисленные факторы и получить более надежные данные для расчета тоннельной конструкции. Экспериментальные методы позволяют определить усилия в элементах крепей и от них перейти к действующим нагрузкам или измерить непосредственно контактные напряжения по контуру крепи или обделки.

Вначале необходимо задаться распределением горного давления по контуру выработки. Например, в скальных породах (φ ≈ 90°) можно принять, что давление на верхний элемент штольневой крепи изменяется по параболе (рис. 38).

Максимальный момент в пролете верхняка равен

Максимальный момент в пролете верхняка,

где Р — полная нагрузка на 1 пог. м штольни;

а — шаг штольневых рам;

l — пролет верхняка;

W — момент сопротивления верхняка;

σд — максимальное напряжение в верхняке.

Подставляя в эту формулу значения

Полная нагрузка на 1 пог. м штольни и Момент сопротивления верхняка,

получим

Определение коэффициента крепости породы.
(16)

Таким образом, коэффициент крепости породы является функцией напряжения, действующего в элементе крепи. Определить это напряжение можно разными способами. Наиболее совершенным является электроакустический способ, предложенный проф. Н.Н. Давиденковым.

На внутренней поверхности верхняка закрепляют струну (см. рис. 38) длиной l1. С помощью стоечных домкратов можно приподнять доски, опирающиеся на верхняк, освобождая его от нагрузки. Специальным прибором-частотомером измеряют частоты колебаний струны, соответствующие работе верхняка под нагрузкой ν1 и работе разгруженного верхняка ν2.

Электроакустический способ определения напряжения в элементе крепи
Рис. 38. Электроакустический способ определения напряжения в элементе крепи

Напряжение в струне σс и в нижнем волокне верхняка σд можно найти по формулам:

σc = 4ρl2121 – ν22);
(17)
Напряжение в нижнем волокне верхняка,
(18)

где ρ — плотность материала струны;

σд и Ес — модули упругости соответственно дерева и струны.

Величина σд представляет собой среднее значение напряжения на участке, равном длине струны. Поэтому для обеспечения достаточной точности (1—2 кгс/см2) длина струны не должна превышать 4—6 см.

Применение описанного способа предполагает принятие определенного закона распределения горного давления в кровле выработки (в нашем случае параболического).

Непосредственное измерение усилий, действующих в элементах крепи, может быть выполнено путем установки вместо них динамометрических стоек. Динамометрическая стойка представляет собой деревянную или металлическую стойку с устройством для измерения величины действующей в стойке нормальной силы. Например, в конструкцию стойки СТ входит стальной цилиндр, по оси которого натянута струна. Сжатие стойки вызывает ослабление натяжения струны и понижение частоты ее колебаний. Величина усилия в стойке может быть определена по ее тарировочному графику в зависимости от измеренной частоты колебании струны.

Рассмотренные методы измерения величины горного давления основаны на изучении напряженного состояния элементов временной крепи подземной выработки. Они неприменимы при современных индустриальных способах постройки тоннелей с проходкой на полное сечение и возведением обделки из заранее изготовленных элементов, сразу воспринимающих нагрузку.

В этих условиях горное давление можно определять двумя способами, измеряя напряжения и деформации в обделке (с последующим переходом к вызвавшим их нагрузкам) или непосредственно контактные напряжения, возникающие по наружному контуру обделки.

Первый способ косвенного определения горного давления содержит много неопределенностей (характер распределения давления, влияние на напряженное состояние обделки условий монтажа и начальных напряжений в элементах обделки и т.п.).

Второй способ является наиболее удобным и универсальным и получил в настоящее время широкое распространение.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены