КОМПЛЕКСНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ГЕОТЕХНОЛОГИИ
COMPLEX METHOD FOR DETERMINING STRESS-STRAIN STATE OF GEOTECHNOLOGY OBJECTS

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и может быть использовано как деформационный способ комплексного определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) и упругих характеристик участков массива горных пород, в бетонной крепи горных выработок, метрополитенов или дорожных тоннелей, а также в несущих конструкциях мостов, виадуков, высотных, гидротехнических и других ответственных сооружений с актуальной задачей расчета устойчивых параметров исследуемых объектов.
Деформационные способы определения НДС основаны на измерении деформаций разгрузки в массиве пород и других объектах от действующих в них нагрузок. Эффект разгрузки вызывают образованием полостей: горных выработок, шпуров, скважин и т.д. Расчет величин напряжений выполняют по известным зависимостям с применением упругих характеристик объекта: модуля упругости и коэффициента Пуассона, которые получают в основном при лабораторных испытаниях образцов породы или материала объекта.
Известен «Метод частичной разгрузки с наклейкой тензодатчиков», в котором деформации измеряют электротензодатчиками, наклеенными вокруг будущего шпура (аналог) [1]. Недостатками метода являются: малая база измерения - длина датчика 20-30 мм; сложность наклейки и гидроизоляции датчиков во влажной среде; трудности коммутации датчиков с контрольными приборами; неудобства бурения разгрузочного шпура при наличии проводов.
Известен «Метод щелевой разгрузки», сущность которого состоит в измерении деформаций между стенками плоской разгрузочной щели в виде полудиска (прототип) [2]. Деформации разгрузки измеряют датчиком часового типа (точность 0,002 мм) как разницу расстояний между реперами до и после выбуривания щели параллельными шпурами. Метод исключает наклейку датчиков, при этом информацию о напряжениях получают с участка массива порядка 1 м, что уменьшает влияние: разномодульности пород, взаимодействие структурных блоков и остаточных напряжений в них.
Недостатками метода являются: значительная трудоемкость образования сплошной щели для измерения деформаций только в одном направлении: горизонтальном или вертикальном. Для получения базы достоверных и надежных результатов требуется значительное количество разгрузок, т.е. большой объем бурения шпуров. Упругие характеристики пород, требуемые для расчета напряжений на конкретном участке массива, получают чаще всего в ходе отдельного эксперимента в лабораторных условиях.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности натурных исследований напряженно-деформированного состояния объектов  путем разработки комплексного способа определения его параметров, основанного на применении кольцевой разгрузочной щели.
Задачей изобретения является разработка и обеспечение комплекса натурных измерений трех видов деформаций на кольцевую щель: частичной разгрузки массива, полной разгрузки керна и наведенных деформаций в нем от фиксируемой нагрузки для расчета упругих характеристик пород и, в итоге, определения параметров напряженного состояния объекта.
Технический результат изобретения заключается в том, что величины и направления действия главных напряжений в объектах устанавливают поэтапно: 1. Измеряют деформации частичной разгрузки на обуренную кольцевую щель со стороны массива и полной разгрузки в образованном керне. 2. Измеряют наведенные деформации и значения нагрузок, заданных пошагово установленным в центральном шпуре керна прессиометром, по которым рассчитывают упругие характеристики породы в керне. 3. Определяют по известным зависимостям параметры напряженного состояния объекта, используя измеренные деформации разгрузки на этапе 1 и рассчитанные упругие характеристики породы на этапе 2.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На рис. 1а представлены варианты размещения кольцевой разгрузки: в стенках, кровле и забое горной выработки, а также оси координат. На рис. 1б показаны детали выполнения разгрузки: реперы/марки А-А, Б-Б, В-В, Г-Г, установленные в плоскости массива - М и реперы/марки а-а, 6-б, в-в, г-г, установленные в плоскости керна - К, обуренного кольцевой щелью - КЩ; Ш - шпур в центре керна; D - диаметр керна, h - глубина обуривания керна.
Осуществление изобретения достигают следующим образом. На подготовленном участке выработки, допустим в плоскости Z-Y, аккумуляторной дрелью-перфоратором типа DeWALT сверлят центральный шпур и устанавливают шаблон, по которому по внешней и внутренней окружностям сверлят отверстия диаметром 6-8 мм и запрессовывают в них реперы: трубчатые или прутки с кольцевой канавкой под шарик. Затем электронным индикатором типа MarCator 1088 с точностью 0,001 мм измеряют расстояния между реперами по линиям: А-А, Б-Б и т.д., а также по линиям: а-а, б-б и т.д. Далее по шаблону алмазной коронкой диаметром 162 мм или 202 мм и более с помощью бензоагрегата типа STIHL обуривают керн на глубину 1,5-2 его диаметра. На обуренную кольцевую щель происходят деформации: частичной разгрузки со стороны массива, которые фиксируют повторными измерениями по линиям: А-А, Б-Б и т.д., а также полной разгрузки в керне, которые фиксируют по линиям: а-а, б-б и т.д. Затем в центральный шпур устанавливают зонд гидравлического прессиометра, последовательно задают нагрузку в керне, контролируемую манометром, и пошагово измеряют наведенные деформации по линиям: а-а, б-б и т.д. В результате получают тензоры плоской деформации. Таким образом, по измеренным наведенным деформациям и известным нагрузкам в керне рассчитывают упругие характеристики породы, которые на конечном этапе в совокупности с измеренными компонентами тензора деформаций разгрузки используют при расчете по известным зависимостям параметров напряженного состояния объекта: величину и направления действия главных напряжений в плоскости.
Возможен вариант фотофиксации деформаций разгрузки и нагрузки с использованием цифровой камеры с одной установки до и после обуривания щели с последующим определением параметров по программе «Автокад». При этом в качестве реперов можно применить пластиковые дюбели и саморезы с тонкой крестообразной насечкой или маркшейдерские марки.
Новая совокупность существенных признаков и наличие связей между ними, в частности, за счет применения кольцевой разгрузочной щели позволяет получить ощутимый положительный эффект, а именно:
- организационные и финансовые преимущества выполнения натурных исследований параметров напряженно-деформированного состояния объектов способом разгрузки достигают комплексом взаимосвязанных действий и приемов с одной стоянки оборудования и приборов;
- повышение информативности способа разгрузки за счет единовременной ее фиксации в конкретной плоскости по определенным линиям, которые представляют компоненты тензора плоской деформаций;
- снижение трудоемкости эксперимента за счет применения современного автономного бурового оборудования, а также измерительных средств и аппаратуры, что, кстати, исключает использование оборудования заказчика.
Источники информации
1. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. Метод частичной разгрузки с наклейкой тензодатчиков. - М., 1994,  с. 15-19.
2. Совершенствование метода щелевой разгрузки / Влох Н.П., Зубков А.В., Феклистов Ю.Г. // Диагностика состояния породных массивов: Сборник трудов. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980,  с. 30-35.