Определение параметров модели физически нелинейного тела для моделирования геомеханических процессов в слабых аргелитоподобных протерозойских глинах

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Санкт-Петербургский горный университет

Кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений

Определение параметров модели физически нелинейного тела для моделирования геомеханических процессов в слабых аргелитоподобных протерозойских глинах

Иовлев Г.А., аспирант

г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Целью работы является определение параметров наиболее используемых моделей физически нелинейного тела, для последующей разработки метода прогноза напряженного состояния подземных сооружений города Санкт-Петербурга. Приведены экспериментальные исследования деформирования на прессовом оборудовании образцов протерозойских глин в условиях объемных напряженных состояний. Предложено использование обобщенных экспериментальных зависимостей связи максимального касательного напряжения и наибольшего сдвига для глин вне зависимости от направления приложения нагрузки и величины бокового давления. Найдены значения коэффициентов для их учёта при компьютерном моделировании.

Ключевые слова: грунтовый массив, напряжение, деформация, физическая нелинейность, подземные сооружения of the direction of application of the load and the magnitude of the lateral pressure. The values of the coefficients a, r were found to account for them in computer simulation

Iovlev G. Determination of physically nonlinear body parameters for modeling of geomechanical processes in weak argelite-like proterozoic clays

Abstract. The aim of the work is to determine the parameters of the most used models of a physically nonlinear body, for the subsequent development of a method for forecasting the stress state of underground structures in the city of St. Petersburg. Experimental studies of the deformation of samples of Proterozoic clays in conditions of volumetric stress states on the press equipment are presented. The use of generalized experimental dependences of the connection of the maximum tangential stress and the greatest shift for clays is proposed, regardless

Keywords: Soil massif, stress, deformation, physical nonlinearity, underground structures.

При проектировании подземных сооружений, одной из ключевых задач является комплексное геомеханическое обоснование строительства подземных сооружений в заданных инженерно-геологических условиях. При ведении строительных работ необходим достоверный прогноз геомеханических процессов. Данный прогноз в большинстве случаев должен включать следующие моменты: представления о инженерно-геологических и гидрогеологических условиях строительства, о механическом поведении породного массива и пород, а также принятой технологии ведения проходческих работ, момента ввода обделки в работу и т.д. При чём детальность изучения данных процессов разнообразна. Например, для прогноза нагрузок, действующих на обделку подземного сооружения, в основном используется хорошо себя зарекомендовавший в практике метод Протодьяконова и его развитие, для выполнения расчетов по данному методу достаточно обладать базовыми показателями, получаемые на основании стандартных инженерно-геологических изысканиях, а технология строительства в целом не учитывается. В то же время данный метод имеет и ряд ограничений. Для учёта этих ограничений, и создания достоверного прогноза основных геомеханических процессов в механики подземных сооружений, сформировалось несколько научных направлений.

Первое из них связано с детальным изучением прочностных, деформационных и структурных свойств неоднородных грунтов и горных пород на прессовом оборудовании при различных условиях и режимах нагружения, целью которых является получение новых физических уравнений их состояния, как нелинейных гетерогенных сред.

Второе научное направление развития механики связано с крупномасштабными натурными экспериментами и мониторингом подземных сооружений, обделок, геомеханических процессов в массивах и осадок земной поверхности.

Третье направление развития механики подземных сооружений связано с созданием новых методов расчета конструкций подземных сооружений и прогноза геомеханических процессов в окружающем массиве с учетом результатов лабораторных и натурных исследований.

Анализ результатов многочисленных исследований показывает, что в условиях объемных напряженных состояний все горные породы склонны к проявлению пластических свойств. Аналогичные результаты экспериментальных исследований горных пород получены в зарубежных исследованиях [3, 4].

При этом, в настоящее время на практике при геомеханических расчетах в основном используется модель упруго-пластического тела. Причём данную модель разумно применять, когда между напряжениями и деформациями, до предела прочности имеется линейная зависимость. Данная модель может быть использована для описания процессов деформирования прочных пород с высокими пределами прочности на одноосное сжатие. При меньших значениях предела прочности зависимость между напряжениями и деформациями в допредельной области будет нелинейной.

Протерозойские глины относятся к материалам, которые по своему характеру механической работы находятся между горными породами и грунтами, и многие особенности их поведения до сих пор слабо изучены.

Комплексное изучение механического поведения протерозойских глин в лабораторных условиях позволило изучить деформирование протерозойской глины в широком диапазоне достигнутых величин деформаций и напряжений. Так, в диапазоне малых деформаций прослеживается нелинейных характер деформирования глин. Нелинейное деформирование отмечено как в направлении перпендикулярно, так и параллельно слоистости.

Исследователи отмечают, что слоистая структура протерозойской глины оказывает влияние на все ее механические свойства. Наибольшее анизотропия как прочностных, так и деформационных свойств проявляется при малых значениях минимальных главных напряжений и по мере их роста влияния структуры заметно снижается.

Определение стандартных показателей механических свойств протерозойской глины в направлении перпендикулярно (таблица 1) и параллельно (таблица 2) слоистости сведены в таблицы.

Таблица 1

Механические свойства протерозойской глины в направлении перпендикулярно слоистости

Примечание: - начальное значение модуля деформации; - значение модуля деформации соответствующего напряжениям равным 0.5 от предела прочности; - модуль упругости; - коэффициент поперечной деформации; - предельное значение нормальных сжимающих напряжений; - предельное значение девиатора напряжений; - величина средних напряжений при достижении предела прочности.

Таблица 2

Механические свойства протерозойской глины в направлении параллельно слоистости

Исследования деформирования протерозойской глины в условиях одноосного и объемного сжатия, проведенные по методике, приведенной в работе [2] позволили установить влияния минимальных главных напряжений на ее деформационные свойства. Так увеличение минимальных главных напряжений приводит к увеличению значения модуля деформации и модуля упругости протерозойской глины. При этом данный эффект отмечен как на начальной стадии деформирования протерозойской глины, так и с ростом величины достигнутой деформации.

Авторы исследований [1] отметили, что в процессе испытания образцов протерозойской глины, их разрушение зачастую происходило в виде раскалывания образца за счет формирования продольных поверхностей разрыва. Однако, формирование продольных поверхностей разрыва не приводило к достижению предела прочности породы и дальнейшее рост напряжений внутри образца продолжался. Это эффект хорошо виден по росту поперечных деформаций, скорость которых начиная с определенного момента резко возрастала и увеличивался объем образца. Такое резкое увеличение объема нельзя объяснить только дилатансионными процессами, а в основном это связано с формированием трещин отрыва и разделения образца на части.

На рисунке 1 приведена экспериментальная зависимость для протерозойской глины параллельно и перпендикулярно слоистости. Для других испытанных типов характер деформирования аналогичный.

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости между наибольшим сдвигом и наибольшим касательным напряжением, представленные на рисунке 2.

Рис. 1 Экспериментальная зависимость между напряжениями и деформациями протерозойской глины

деформирование протерозойский глина напряженный подземный

Рассмотрены образцы парралельно и перпендикуллярно слоистости при разных величинах бокового давления. Представления выборка демонстрирует наиболее характерную форму зависимости. Следует отметить, что при одноосном режиме нагружения, при котором отсуствуют минимальные напряжения и величина нелинейности в зоне малых деформаций максимальна - зависимость будет обладать совершенно иной формой. Данную зависимость автор предполагает рассмотреть в последующих работах.

Рис. 1.1 Экспериментальные зависимости между наибольшим сдвигом и наибольшим касательным напряжением. 1 - образец 13, 2 - образец 16, 3 - образец 10, 4 - образец 2, 5 - образец 3

Рассмотрим получившую широкое распространение модель поведения среды, которая позволяет описать поведение грунта в диапазоне от весьма малых до малых деформаций. Это модель Рамберга-Осгуда, которая предлагает описывать зависимость межу сдвигом и касательными напряжениями используя три переменные, получаемые экспериментально.

Где Go - начальный модуль сдвига породы,

г - сдвиговая деформация,

ф - максимальные касательные напряжения,

фy - задаваемые касательные напряжения,

а, r - постоянные определяемые из экспериментальных данных, в зависимости от материала.

Данная модель и обратная ей модель Хардина и Дреневича [5], отражающая зависимость от, нашли широкое практическое применение в программных комплексах для численного моделирования геомеханических процессов и дают намного более достоверный прогноз напряженно деформируемого состояния, чем билинейная модель, которая в основном используется при проектировании (рисунок 3).

Рисунок 3. Виды моделей: а - билинейная, б - Рамберга-Осгуда, с - Хардина-Дреневича

Для рассмотренных образцов были получены коэффициенты a, r, сведенные в таблицу 3.

Таблица 3

Механические свойства протерозойской глины в направлении параллельно слоистости

Выводы

Сейчас все чаще в практике проектирования подземных сооружений используются численные методы анализа, они позволяют не только выполнять расчеты с учетом пространственного расположения подземных сооружений и учетом последовательности их строительства, но и учитывать различные особенности механического поведения пород, которые до этого невозможно было учесть. В данной статье, по результатам проведенных лабораторных испытаний, были получены коэффициенты a, r для слабых аргилитоподобных протерозойских глин города Санкт-Петербурга. Данные коэффициенты применимы для описания поведения глин при численном моделировании.

Список литературы

1. Протосеня А.Г., Карасев М.А., Петров Д.Н., Поспехов Г.Б. Результаты определения физико-механических свойств протерозойских глин для выполнения геотехнических расчетов при разработке рабочей документации по объекту: «Строительство Фрунзенского радиуса за станцию «Международная» до станции «Южная», включая проектирование (стадия РД). «Горный» Университет 2015 г.

2. Atkinson J.H., Sallfors G. Experemental determination of soil properties. In Proc. 10th ECSMFE, volume 3, pages 915-956, Florence, 1991. General report to Session 1.

3. Tshibangu J.-P., Descamps F. The GPMs (UMons-Belgium) device for investigating the mechanical behavior pf meterials subjected to true triaxial compression. Geomechanics Research Series. Volume

4. True triaxial testing of rocks. Editors: CRC Press/Balkema, Taylor&Francis Group. 2012, р.51-60. 4. Mogi K. Haw I developed a true triaxial rock testing mashine. Geomechanics Research Series Volume 4. True triaxial testing of rocks. Editors: CRC Press/Balkema, Taylor&Francis Group. 2012, р.139-157.

5. Hardin B.O., Drnevich V.P. Shear modulus and damping in soils: Design equations and curves. Proc. ASCE: Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, 98 (SM7): 667-692, 1972.

Размещено на allbest.ru