Численный расчет бокового давления на внешнюю границу ледопородного ограждения

Строительство вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях выполняют под защитой ледопородного ограждения. Ледопородное ограждение (ЛПО) является важным геоинженерным сооружением, от прочности которого зависит успех горнопроходческих работ. Распространенным методом определения оптимальной толщины ЛПО является использование аналитических формул, позволяющих получить оценку толщины по критериям предельного состояния. Однако вычисленный таким образом результат существенно зависит от величины бокового давления, действующего на внешнюю границу ЛПО. Настоящая работа посвящена теоретическому исследованию бокового давления на внешнюю границу ЛПО со стороны незамороженного грунта на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния грунтового слоя с выработкой, пройденной под защитой ЛПО. Рассматривается как условие жесткого сцепления на границе контакта между замороженным и незамороженным грунтом, так и условие гладкой границы ЛПО. С целью исследования влияния пластической деформации на боковое давление моделирование проводится для упругого и упруго-пластического деформирования грунта. Отдельно исследуется случай воздействия на ЛПО высокого гидростатического давления. Результаты моделирования позволяют заключить, что величина бокового давления на неподкрепленный участок ЛПО зависит от податливости замороженного грунта. Воздействие гидростатического давления приводит к более равномерному распределению бокового давления по внешней границе ЛПО. Сравнение результатов численного моделирования с оценками бокового давления, полученными по применяемым в инженерной практике аналитическим формулам, показало, что формулы относительно моделирования предсказывают во всех случаях более высокое значение бокового давления.

Желнин М. С., Костина А. А., Плехов О. А., Семин М. А., Бровка Г. П. Численный расчет бокового давления на внешнюю границу ледопородного ограждения // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 10. – С. 62–77. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_10_0_62.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проекта № С-26/563.

Желнин Максим Сергеевич¹ — канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, e-mail: zhelnin.m@icmm.ru, ORCID ID: 0000-0003-4498-450X,
Костина Анастасия Андреевна¹ — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, e-mail: kostina@icmm.ru, ORCID ID: 0000-0002-5721-3301,
Плехов Олег Анатольевич¹ — д-р физ.-мат. наук, заместитель директора по науке, e-mail: poa@icmm.ru, ORCID ID: 0000-0002-0378-8249,
Семин Михаил Александрович — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: seminma@inbox.ru, Горный институт УрО РАН, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
Бровка Геннадий Петрович — д-р техн. наук, доцент, зав. лабораторией, e-mail: brovka_gp@rambler.ru, Институт природопользования НАН, Беларусь,
¹ Институт механики сплошных сред УрО РАН.

Семин М.А., e-mail: seminma@inbox.

1. Булычев Н. С., Комаров Д. С., Лукашин С. Б. Расчет необходимых параметров ледопородного ограждения в замковой части // Известия ТулГУ. Естественные науки. — 2012. — № 1-2. — С. 54—60.

2. Вакуленко И. С., Николаев П. В. Анализ и перспективы развития способа искусственного замораживания горных пород в подземном строительстве // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 3. — С. 338—346.

3. Левин Л. Ю., Семин М. А., Паршаков О. С. Совершенствование методов прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов с использованием распределенных измерений температуры в контрольных скважинах // Записки Горного института. — 2019. — Т. 237. — С. 268—274. DOI: 10.31897/pmi.2019.3.274.

4. Каймонов М. В., Киселев В. В. Конструкции, технологии и температурный режим льдопородных сооружений, возводимых в россыпных шахтах севера // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 8. — C. 118—129. DOI: 10.25018/02361493-2020-8-0-118-129.

5. Hu J., Wang X. B., Jiang B. R. Numerical analysis of temperature field of vertical frozen soil wall reinforcement at shield shaft // Advanced Materials Research. 2014, vol. 918, pp. 218—223. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.918.218.

6. Паршаков О. С. Обзор аварийных ситуаций при строительстве шахтных стволов специальным способом искусственного замораживания горных пород // Горное эхо. — 2019. — № 2. — С. 89—92.

7. Lai Y., Xu X., Dong Y., Li S. Present situation and prospect of mechanical research on frozen soils in China // Cold Regions Science and Technology. 2013, vol. 87, pp. 6—18. DOI: 10.1016/j.coldregions.2012.12.001.

8. Qi J., Ma W. A new criterion for strength of frozen sand under quick triaxial compression considering effect of confining pressure // Acta Geotechnica. 2007, vol. 2, no. 3, pp. 221—226. DOI: 10.1007/s11440-007-0034-z.

9. Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil // Cold Regions Science and Technology. 2010, vol. 64, no. 1, pp. 39—45. DOI: 10.1016/j.coldregions.2010.07.003.

10. Li D., Zhang C., Ding G., Zhang H., Chen J., Cui H., Pei W., Wang S., An L., Yuan C. Fractional derivative-based creep constitutive model of deep artificial frozen soil // Cold Regions Science and Technology. 2020, vol. 170, article 102942. DOI: 10.1016/j.coldregions. 2019.102942.

11. Li S., Zhang M., Tian Y., Pei W., Zhong H. Experimental and numerical investigations on frost damage mechanism of a canal in cold regions // Cold Regions Science and Technology. 2015, vol. 116, pp. 1—11. DOI: 10.1016/j.coldregions.2015.03.013.

12. Левин Л. Ю., Семин М. А., Плехов О. А. Сравнительный анализ существующих методов расчета толщины ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. — 2018. — Т. 9. — № 4. — С. 93—103. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.4.09.

13. Kostina A., Zelnin M., Plekhov O., Panteleev I., Levin L., Semin M. Applicability of Vyalov’s equations to ice wall strength estimation // Frattura ed Integrità Strutturale. 2020, vol. 14, no. 53, pp. 394—405. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.53.30.

14. Zhelnin M., Kostina A., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. Numerical analysis of application limits of Vyalov’s formula for an ice-soil thickness // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019, vol. 13, no. 49, pp. 156—166. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.49.17.

15. Семин М. А., Бровка Г. П., Пугин А. В., Бублик С. А., Желнин М. С. Исследование влияния неоднородности поля температур на прочность ледопородных ограждений стволов шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 79—93. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_79.

16. Игнатьев С. А., Судариков А. Е., Имашев А. Ж. Современные математические методы прогноза условий поддержания и крепления горных выработок // Записки Горного института. — 2019. — Т. 238. — С. 371—375. DOI: 10.31897/PMI.2019.4.371.

17. Протосеня А. Г., Семенов В. И. Прогноз напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработки сводчатого поперечного сечения в зоне влияния очистных работ // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2015. — № 3. — С. 31—36.

18. Wang X., Kulatilake P., Song W. Stability investigations around a mine tunnel through three-dimensional discontinuum and continuum stress analyses // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012, vol. 32, pp. 98—112. DOI: 10.1016/j.tust.2012.06.003.

19. Schwamb T., Soga K. Numerical modelling of a deep circular excavation at Abbey Mills in London // Geotechnique. 2015, vol. 65, no. 7, pp. 604—619. DOI: 10.1680/geot.14.P.251.

20. Shao J. F. Hydromechanical modelling of shaft excavation in Meuse/Haute-Marne laboratory // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 2008, vol. 33, pp. S422—S435. DOI: 10.1016/j.pce.2008.10.030.

21. Иголка Д. А., Иголка Е. Ю., Лукша Е. М., Кологривенко А. А. Влияние температуры ледопородного ограждения при расчете крепи шахтных стволов // Горная механика и машиностроение. — 2014. — № 3. — С. 36—41.

22. Сентябов С. В. Анализ современного состояния строительства вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 7. — С. 415—419.

23. Oreste P., Spagnoli G., Bianco L. L. A combined analytical and numerical approach for the evaluation of radial loads on the lining of vertical shafts // Geotechnical and Geological Engineering. 2016, vol. 34, no. 4, pp. 1057—1065. DOI: 10.1007/s10706-016-0026-6.

24. Michalowski R. L. Coefficient of earth pressure at rest // Journal of Geotechnical and Geoenviron-mental Engineering. 2005, vol. 131, no. 11, pp. 1429—1433. DOI: 10.1061/ (ASCE)1090-0241(2005)131:11(1429).

25. Brooker E. W., Ireland H. O. Earth pressures at rest related to stress history // Canadian Geotechnical Journal. 1965, vol. 2, no. 1, pp. 1—15.

26. Ghoreishian Amiri S. A., Grimstad G., Kadivar M., Nordal S. Constitutive model for rateindependent behavior of saturated frozen soils // Canadian Geotechnical Journal. 2016, vol. 53, no. 10, pp. 1646—1657. DOI: 10.1139/cgj-2015-0467.

27. Игошева Л. А., Гришина А. С. Обзор основных методов укрепления грунтов основания // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. — 2016. — Т. 7. — № 2. — С. 5—21.

28. ВСН 189-78 «Инструкция по проектированию и производству работ по искусственному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей». — М.: Минтрансстрой, 1978. — 68 с.