冻土中矿井作业稳定性研究外文翻译资料

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冻土中矿井作业稳定性研究

摘要：研究了冻土流变过程(蠕变和长期强度)的规律,并建立了初始方程。描述了测定强度和变形特性的方法;给出了这些特性的值。

考虑了人工冻结法建立的冰围护结构墙体厚度的优化计算方法,以及各种矿山巷道冻结土的蠕变和长期强度设计方法。给出了相应的计算公式;附图以便于使用这些方程。通过实例阐释了计算手法。

引言:在矿山巷道中,经常要处理冻土.首先,这种情况发生在使用人工冻结的软弱土中,当在工作周围形成一个冻结的土壤的固定结构,其次是将工作打入冻土层。在任一情况下,工作的墙壁必须设计为稳定状态,即强度和应变。考虑到冻土的流变特性,即它们发展蠕变变形和减少其强度的趋势,强度设计必须包括确定冻结土壤的连续性不受侵入、碎屑,以及给定时间内的的荷载(岩石压力)等的影响。“给定时间”意味着结构的寿命或冰土壤保持结构的使用寿命。应变设计必须包括确定工作中墙的变形{位移)不能达到最大允许值的工作或冰土固定结构的这些尺寸,由操作要求或工程技术确定,并在给定时间内给定荷载。

基本规律：关于冻土形变的规律,详见参考文献[ 1 ]和[ 2]，由一族蠕变曲线反映。

(图1a )和一族同步曲线,即在不同时间点的应力-应变关系曲线.（图1b ) .在超过极限强度的荷载,徐变转变为结束于破坏的渐进流动-越早发生的荷载越大。因此,可以将同步曲线中的两个部分分开-分别为预限制和极限状态,后者发生在达到与极限强度(流动)相应的应力。每一瞬间对应着自己的的变化规律反映在长期强度的曲线上,这种曲线关系到应力与时间的应力(图1C)。

我们用以下方法表示切向应力的强度:

剪切应变强度：

平均（静水）应力其中以及都是主要的应力和应变

图1 .冻土形变曲线,a蠕变曲线;b同步曲线;c长期强度曲线.

对于冻土，的作用表现在极限状态和预极限状态。另一方面,假设可以忽略蠕变条件下的体积变形。然后,在预极限状态下的变形方程,即可以用以下通式书写:

至于极限状态方程,它将是

参考文献[ 1 ]和[ 2 ]表明可以这样写：

当

是变形系数,它取决于土壤温度,表征初始变形及其随时间的变化(。如果我们忽略初始变形则3将变为

根据实验数据,参考[ 1 ]和[ 2 ]可以写出以下极限应力状态

其中为纯剪切的应力阻，在时间上的变化,如图所示。用长期强度方程描述:

3 - 6方程式中的温度参数依赖于以下表达式：

5中的参数gamma;通常可以假定等于统一。然后在和间的粘着和摩擦。

在初始( t = 0 )和最终( t = oo )时间瞬间的冻土角.考虑到前述,我们重写了4—5:

所有出现在方程式3 - 7的参数都是建立在复杂应力条件下冻土蠕变试验的基础上三轴压缩试验的。

在某些情况下,人们可以从单轴压缩条件下的变形规律出发忽略所有状态对预极限状态的变形过程的影响,

然后3变换如下:

其中可以通过由方程进行的单轴压缩试验来确定。这里, 是在单轴压缩的应力与应变之间关系中出现的变形参数:

如果忽略瞬时形变，9可以写成这样;

注意方程式4和11,在我们希望确定工作时墙的变形时,必须使用显式形式的时间t。如果我们只对给定时间ti有限变形的值感兴趣,我们必须使用3和9 ,用的值代替这个特殊的瞬间。

应力和应变特性的测定

用三种不同的土壤:尘土飞扬的壤土、novomikhailovskaya粘土和高位粘土进行了试验。自然的尘土飞扬的壤土的湿度约为26% , novomikhailovskaya粘土的湿度为43%,蝙蝠粘土的湿度为24%。体积重量分别为1.82、2.15 :,具体重量2.7 ,2.71和2.753 克每立方厘米

在人工标本上进行了尘土飞扬的壤土和novomikhailovskaya粘土的试验,并用天然标本上高密度的粘土进行了试验。所有的标本都有大量的纹理。采用三种不同的实验温度: - 5、- 10和- 20摄氏度 ,制备了高h = 100m和直径d =45.1毫米的圆柱体。

在万能液压试验机上进行了单轴压缩试验,加载装置位于冰箱内,自动保持预先指定的温度。

在这些图中给出了变形在时间上的发展曲线(蠕变曲线) ,每个曲线对应着它自己的值,=常量。

对冻土蠕变曲线的检验表明,它们具有明显的非平稳蠕变特征断面,变形速率降低,粘塑性流动具有实际恒定的速率和渐近流动,且速率增大,最终失效。在高密度粘土的试验中,破坏是脆性的,碎屑表面的形成是一个规律,它使试样的角度为45。在尘土飞扬的壤土和novomikhailovskaya粘土中,进步的流动阶段导致在所有负温度下塑性变形的无限发展。试件变形相当大。

增加截面而不影响连续性,即使是在变形达到30%的初始试样高度时。临界变形在其中的渐进流量从4%( 0到6度)尘土飞扬的壤土的22% ( at0 c ) , novomikhailovskaya粘土达到28-30%，而高密度粘土的破坏性达到28

变形量不超过4-7%。高密度粘土的这种低变形值是由于其自然属性,即极高的自然密度结构。

让我们考虑一下应力-应变-时间关系.在图中给出了灰尘壤土的实验曲线图2 b .在这些图中,给定系列的每个曲线对应一个确定时间t,而每个曲线系列对应不同的温度。

对曲线的分析表明,它们与变形方程( 9和10)对应,参数值与出现的参数值一致。结合这些方程中给出了数据表1。

对一个特殊的装置进行了三轴压缩试验,使我们在大范围的恒定载荷下进行长时间的试验。应力(轴向向上至350kg/m2静水压力上至60kg/m)并测量轴向应力径向应力和形变。在主应力的不同比值下进行了试验,结果表明,在每个试件中,平均正常而切向应力的强度，每个标本不同,但在一个过程中保持不变，给定实验。总共有三个样本在在t = 24h测试=15,30和60kg/cm2 ,,以蠕变曲线( 图3a)的形式给出了试验结果,反映了不同试样剪切应变的发展变化。获得了类似的蠕变曲线系。

数据表1

参数m和A(kg/cm2)用来表征冻土的流变特性

的其他数值。对这些曲线的分析表明,在每个家庭中,以其自身的数值为特征的曲线可以近似假定。因此,在复杂应力条件下,冻结软的变形方程可以写成函数的乘积,其中函数反映应力-应变关系,函数表征了平均正应力的作用, 是时间函数。还发现近似为幂定律。幂定律。因此, 1被还原为4. ,在-10度的温度下,4参数具有以下值:

在图3b和c中给出c的长期强度柔韧曲线和莫尔应力包络,一般情况下,失效应力与平均正应力之间的关系为线性关系。这些曲线可以假设相似,即极限状态方程的方程。2可作为两个函数的乘积:函数表征了平均正应力对矿石的作用,时间函数,从实验结果看出,函数可以由（见图3c )描述,函数由对数型函数来描述(见图3b)。总体上,实验数据表明,5和6对冻土极限状态的规律的描述是有效的,考虑到时间因素的影响。同时,在一定程度上,图3c上的曲线可以用直线逼近,这将使5减少到8。方程8的参数。和将是时间变量,从在然而，假设常量可以忽略。但是,c的时间依赖性相当强,这应该始终牢记在心。这种依赖服从6.定律。

冰土结构的稳定性设计

软弱土立井凿井的冰挡土结构示意图见图4

当井筒下沉时,冻结缸的内表面在岩石压力p的作用下暴露和变形。

汽缸通常用管子加固,所以只有h轴的沉没没有加强。隔离墙必须如此准尺寸,以保证它不会发生故障或破裂,以及地下水或流沙进入工作。同时,模拟冰土挡土结构的运行试验表明,即使墙体不失效,围护结构的变形也可以随时实现。

不允许的值,这可能导致蠕变,最终会破坏冻结柱。

从上述出发,作者提出了冻土极限蠕变变形[ 1 , 3 ]冻结的静力计算方法[ 1 , 3]。根据这种方法,冰土挡结构墙的厚度和下沉深度h必须由冻结柱相对垂度不能超过限值的条件:

这里, A是冻结柱在轴的工作部分端截面的径向位移的差值,除以该部分的长度, H从施加的条件出发,这种限制可以称为冰土圆筒内部轮廓的平均径向位移:

其中c = ( a b ) /2是与冻结柱的轴轴线的距离,以及a和b的内部和外部半径。

考虑到12的条件基本上限制了墙变形的4/值,保留结构的冻土将在预极限阶段工作。因此,可以根据使用3的变形设计确定墙体的安全厚度。由于实际变形规律是非线性的,问题本身是空间的,只有通过数值方法才能得到问题的精确解。

然而,根据文件.3.给出的设计布置,有一种工程估算冰土圆筒的最佳厚度的方法,我们将采用最简单的变形方程9。此公式的参数确定为气缸区段的温度的平均值:

使用变形方程l l 和条件13 ,省略了所有中间计算,这些都是参考文献中给出的。[ 1 ]和[ 3 ] ,我们编写了最终方程,确定了冰土挡结构墙的安全厚度：

对于理想的塑料冻结软是压缩流限制;是剪切流极限。15为本案采取的形式:

由于岩石压力和土壤性质可能随深度变化(见图4 ),计算的壁厚也是深度-变量。在这种情况下,似乎应该期望最不利的条件,并采用最大的汽缸壁厚度。

但是,如果我们采用预先指定的冻结技术(专栏的单一、双或三排排列),则可能有一个更经济的解决方案。至于岩石压力和土壤性质随深度的变化,必须通过改变下沉深度(在允许的限度内)来抵消。安全下沉深度由方程式13和16后的表达式来计算：

因此,从冻结柱相对松弛的容许值确定安全下沉深度h ;给定层位p的预先指定的压力;通过规定的冰圆筒的尺寸.冻结技术;冻土的计算参数 ;设计时间TP,等于下沉H深度需要的时间,直到完成管道安装和水泥溶液的设置。

矿井作业稳定性设计

现在让我们谈谈第二个应用工程问题,即在水平的非钢筋工程附近的塑性冻土的应力应变状态和破坏。

对于以前被考虑的设计冰土固定结构的问题,根据冻结柱的服务条件设计有限时间和不允许相当大变形的问题,在设计冻结土壤中的非加强矿时,必须考虑大量塑性变形的可能出现。因此,在水平无加强矿附近的冻土的应力应变状态设计必须包括在工作附近形成一个极限状态区域的可能性。这样一个区域最初将形成一定深度的下沉z一个极限状态区域的形式,在工作附近,周围半径的等高线周围。r = a ;在这个区域,蠕变变形的分数是微不足道的。

塑性变形。尽管冻土的破坏是粘性的,但应力超过长期强度的变形比预极限状态下的变形快得多。因此,在区域,可以忽略蠕变变形。另一方面,在区域,在低于极限的应力下,由条件8确定c和的极限：

土壤经历了流变过程,表现为严重延迟变形。在考虑到在深度z处的冻土中工作的矿井的变形能力和稳定性问题时,我们将像以前一样使用预极限状态的上述方程1.

然后,设计布局如下:

( 1 )直径2a的工作( 图5 )的深度;岩体处于自身重力作用下,因此,如，，在无钢筋工作的轮廓不存在径向压力, 在r = a

( 2 )工作面围岩处于平面轴对称变形状态, 。

( 3 )在极限状态区域,应力服从条件。在预极限状态区域。只发生蠕变变形;土壤蠕变服从方程11.

( 4)在冻结土壤中的工作沉没的稳定性,从工作或同等地从孔图尔的径向位移的允许值。此外,我们在这里采用了稳定性参数的极限值,因为与软蠕变过程的持续时间相比,强度特性的变化周期可以忽略(在预极限地区)。

上述问题的解决等于确定极限状态和预极限状态的应力和应变分量

图5 设计布局

区域和满足边界条件和表面的共轭条件。

从边界的分量的连续性和满足的强度准则的条件出发,我们可以

找到基于“增大化现实”技术和的值,然后求出工作的径向位移。省略必要的重排,我们最后写道:

其中。在这里,限制状态区域的外观由条件决定。

随着内摩擦角、附着力和应力-应变图的非线性指数,塑性区发展的深度开始增加。在相等的情况下,塑性区的大小随和的增加而减小。

,随着工作深度的增加而增加。例如,计算的内部轮廓的相对位移, 并计算了状态方程参数的一些变化。由方程11: 。

图6显示了显示工作深度、土壤蠕变持续时间和强度特性的影响的图表。

工作的“充填”值受冻土的强度和应变特性的影响。但最重要的因素是工作的深度。它的效果非常好,如果在(年， )相对位移为3.5%,工作深度加倍,相对位移增加10倍,等于33%。

图6 矿井轮廓相对位移对其深度的依赖性

其中。

参考文献

1. .Vyalov, S.S., Gorodetsky, S.E. and Zaretsky Yu.K. et al., 1962. Strength and Creep of Frozen Soils and Design of Ice--Soil Retaining Structures. U.S.S.R. Acad. Press, Moscow.
2. .Gorodetsky, S.E. 1975. Creep and strength of frozen soils in complex stress condition. Osn. Fundam. Mekh. Gruntov, No.3, Moscow.
3. .

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