Угол устойчивого откоса уступа
Серия «Строительство и архитектура»
- in English
- Отправить статью
Содержимое доступно под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
- Главная
- О нас
- Вход
- Регистрация
- Поиск
- Текущий выпуск
- Архивы
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТКОСОВ И УСТУПОВ ГРУНТОВЫХ ВЫЕМОК НА ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
Аннотация
В работе представлены результаты исследования влияния углов наклона уступов и от-
косов на их взаимную устойчивость. Определяются величины коэффициентов устойчивости
откосов в зависимости от угла наклона уступов, а также величины коэффициентов устойчи-
вости каждого уступа в зависимости от угла наклона откоса и местоположения уступа на
нѐм. Оценка напряженно-деформированного состояния рассматриваемых грунтовых масси-
вов и определение коэффициентов устойчивости (с определением форм и положений наибо-
лее вероятных поверхностей скольжения) проведены посредством компьютерного моделиро-
вания с применением метода конечных элементов и учѐтом величины коэффициента боково-
го давления грунта. Рассмотрены различные сочетания высот уступов и их углов наклона,
при этом установлено, что максимальная разница между коэффициентами устойчивости пря-
молинейного и двухступенчатого откосов наблюдается в случае, когда нижний уступ имеет
наибольшую высоту и угол наклона. Верхний уступ при этом можно считать изолированным.
Устойчивость нижнего уступа для каждого из рассмотренных вариантов имеет зависимость
от его угла наклона и угла наклона верхнего уступа. Таким образом, обнаружено, что пред-
ставляется возможность подобрать такие сочетания значений углов наклона их уступов и вы-
сот при проектировании откосов, при которых их устойчивость будет максимальной. Подбор
этих геометрических параметров в свою очередь позволяет при проектировании на откосах
различных сооружений правильно спланировать работы по выравниванию формы естест-
венных откосов или созданию насыпей таким образом, что это окажет существенное влияние
на повышение их эксплуатационной надѐжности.
Ключевые слова
Полный текст:
Литература
Туманов, С.Л. К расчету устойчивости
уступов и откосов грунтовых выемок и учетe их
взаимного влияния / С.Л. Туманов // Ежегод. науч.-
техн. конф. проф.-препод. состава и студентов
ВолгГАСУ: матер. конф., Волгоград, 29–30 апр.
г.: в 2 ч. – Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ,
Туманов, С.Л. Исследование системы
«откос – уступ» с учетом их взаимного влияния /
С.Л. Туманов, Л.С. Туманов // Инженерные про-
блемы современного материаловедения и дорож-
ного строительства: материалы науч.-практ.
конф., г. Волгоград, 16–17 мая 2007 г. – Волгоград:
Изд-во ВолгГАСУ, 2007. – С. 142–143.
Туманов, С.Л. Исследование устойчиво-
сти двухступенчатых откосов / С.Л. Туманов,
А.Ю. Рагозин // Градостроительство: тез. докл.
по итогам науч.-техн. конф. ВолгГАСА. – Волго-
град: Изд-во ВолгГАСА, 1996. – С. 37–39.
Цветков, В.К. Взаимное влияние уступов и
бортов карьеров на их устойчивость /
В.К. Цветков, С.Л. Туманов // ФТПРПИ. – 1988. –
Цветков, В.К. Расчет устойчивости от-
косов и склонов / В.К. Цветков. – Волгоград: Ниж-
не-Волжское кн. изд-во, 1979. – С. 238.
Влияние коэффициента бокового давления
грунта на степень устойчивости однородного
откоса / О.А. Богомолова, Б.С. Бабаханов,
С.Ю. Калашников и др. // Вестник Волгогр. гос.
архит.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и
архит. – 2013. – Вып. 30(49). – С. 39–49;
Оценка величины коэффициента запаса ус-
тойчивости однородного нагруженного откоса на
основе анализа напряженного состояния грунтового
массива при различных значениях коэффициента
бокового давления грунта / А.Н. Богомолов, С.А. Ка-
линовский, О.А. Богомолова и др. // Вестник Волгогр.
гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и
архит. – 2013. – Вып. 30(49). – С. 7–12.
Богомолов, А.Н. Расчет устойчивости от-
косов с учетом величины коэффициента бокового
давления грунта / А.Н. Богомолов, С.А. Калиновский //
Международная научно-практическая конференция,
посвященная 55-летию кафедры строительного про-
изводства и геотехники ПНИПУ и 60-летию кафед-
ры гидротехнических и земляных сооружений Волг-
ГАСУ: матер. конф., 10–13 фев. 2015 г., Волгоград. –
Волгоград: ВолгГАСУ, 2015. – C. 80–97.
Калиновский, С.А. Оценка влияния величи-
ны коэффициента бокового давления грунта на
результаты расчетов грунтовых массивов по пер-
вому предельному состоянию: автореф. дис. .
канд. техн. наук: (05.23.02) / С.А. Калиновский. –
Волгоград, 2013. – 28 с.
Богомолов, А.Н. Анализ методов опреде-
ления коэффициента бокового давления грунта (экс-
периментальные методы) / А.Н. Богомолов и др. //
Инженерные проблемы строительного материало-
ведения, геотехнического и дорожного строитель-
ства: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. –
Волгоград, ВолгГАСУ, 2012. – С. 33–57.
Богомолов, А.Н. Анализ методов опреде-
ления коэффициента бокового давления грунта
(аналитические методы) / А.Н. Богомолов и др. //
Инженерные проблемы строительного материа-
ловедения, геотехнического и дорожного строи-
тельства: материалы III Междунар. науч.-техн.
конф. – Волгоград, ВолгГАСУ, 2012. – С. 58–85.
рованное состояние): Свидетельство о государ-
ственной регистрации программы для ЭВМ /
А.Н. Богомолов и др. – № 2009613499 от 30 июня
УСТУП И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ
Приведем поперечный разрез карьера, на котором обозначены основные его элементы (рис. 1)
Рисунок 1 — Поперечный разрез карьера
На рис. 1.1 приведены следующие элементы карьера:
1-2 — верхний контур карьера, соответствует ширине карьера по верху;
3-4 – нижний контур карьера, соответствует ширине карьера по дну;
5-6 – рабочий борт карьера;
1-5 и 2-11 – нерабочий борт карьера;
7 – нерабочий уступ карьера;
8 – рабочий уступ карьера;
9 – верхняя и нижняя площади уступа (рабочие площадки);
10 – транспортная берма;
12 – предохранительная берма или берма очистки;
φр – угол рабочего борта карьера;
φнр– угол нерабочего борта карьера.
Верхним контуром карьера называется линия пересечения бортов с поверхностью.
Нижним контуром карьера называется линия пересечения бортов с плоскостью дна карьера.
Бортами карьера называются боковые поверхности, ограничивающие карьер и его выработанное пространство.
Если на борту карьера производятся горные работы, то он называется рабочим бортом.
Откосом борта карьера называется поверхность, проходящая через верхний и нижний его контур.
Углом откоса борта карьера называется угол, образованный линией откоса борта карьера и проекцией этой линии на горизонтальной плоскости. Угол откоса рабочего борта обычно составляет 7°÷15°, не рабочего 35°÷45°.
В результате горных работ рабочий борт карьера перемещается, приближается к конечным контурам карьера. Борт карьера или его отдельные участки, контуры которых совпадают с конечными контурами карьера, называются нерабочими. На нерабочем борту карьера горных работ не производятся, но могут располагаться транспортные съезды.
Уступы, составляющие нерабочий борт карьера называются нерабочими. Они разделяются площадками: транспортными, предохранительными, а также площадками очистки.
Транспортные бермы служат для расположения транспортных путей, по которым осуществляется грузотранспортная связь, между рабочими площадками в карьере и поверхностью. Ширина их составляет от10 до 30 м в зависимости от вида и типа транспорта.
Предохранительные бермы предназначены для повышения устойчивости борта и для задержки кусков породы обрушающихся при выветривании уступов. Их ширина составляет 3÷10 м и как правило принимается равной 1/3hу.
Бермы очистки – это расширенные до 10÷15 м предохранительные бермы, которые останавливают через 3÷4 уступа. Очистка оставшейся породы осуществляется бульдозерами, небольшими экскаваторами или погрузчиками.
По мере отработки уступов рабочий борт становится нерабочим, а рабочие площадки становятся предохранительными или площадками очистки.
Глубина карьера – это вертикальное расстояние между отметкой земной поверхности и длиной карьера. Они изменяются от нескольких десятков метров до 300÷500 м.
Форма карьера в плане бывает обычно близкой к овальной. Длина карьера изменяется от 500 м до 5 км.
Уступ и его элементы. Правила вычерчивания уступов при оформлении горных чертежей
Уступом называется часть массива горных пород в карьере, имеющая рабочую поверхность в форме ступени и разрабатываемая самостоятельными средствами выемки, погрузки и транспорта.
Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производится выемка пустых пород или добыча полезного ископаемого. Уступ имеет нижнюю и верхнюю площадки, откос и бровки.
Приведем схему, на которой покажем уступ в разрезе и в плане (рис. 2)
Рисунок 2 – Уступ и его элементы
а – поперечный разрез уступа; б – вычерчивание уступа в плане
Ну – высота уступа; αу — угол откоса уступа; х – горизонтальное проложение откоса уступа; 1 и 2- верхняя и нижняя площади уступа соответственно; 3 и 4 – верхняя и нижняя бровки уступа соответственно; 5 – откос уступа; 6 – линии наибольшего ската; 7 – берг-штрихи.
Откосом уступа – называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со сторон выработанного пространства.
Углом откоса уступа – называется угол наклона откоса уступа к горизонтальной плоскости.
Линии пересечения откоса уступа с его верхней и нижней площадками называется соответственно верхней и нижней бровками.
Высота уступа обычно ограничивается по условиям безопасности работы выемочно-погрузочного оборудования и составляет 10÷15 м, реже 20÷40 м.
Угол откоса рабочих уступов обычно составляет 65°÷80°, нерабочих 45°÷60°, т.к. должна обеспечиваться долговременная устойчивость уступа.
Горизонтальные поверхности рабочего уступа, являющиеся объектом разработки, т.е. на которых расположены буровые станки или экскаваторы, называются рабочими площадками. Ширина рабочей площадей изменяется от 40 м до 110 м. Если площадка остается свободной, то ее называют нерабочей.
Вычерчивание горных чертежей, в частности вычерчивание уступов карьера в плане, имеет некоторые особенности. Рассмотрим их на примере рис. 1.2 б.
На поверхности откоса уступа перпендикулярно к горизонтам проводят линии наибольшего ската и берг-штрихи. Выполняются линии наибольшего ската сплошной тонкой линией. Минимальное расстояние между соседними линиями ската принимаются равным 2÷3 мм, максимальное до 0,5 горизонтального проложения откоса уступа.
Массив вскрышных горных пород на плане откоса уступа условно обозначается берг-штрихами – отрезками основной толщины, длиной равной 1/3÷1/4 от горизонтального проложения откоса, проставляемыми у контуров верхней бровки между линиями наибольшего ската. Массив полезного ископаемого на откосе уступа обозначается сдвоенным берг-штрихами.
Для закрепления материала студентам необходимо выполнить расчетно-графическую работу.
Задание для расчетно-графической работы: вычертить в разрезе и в плане участок рабочей зоны карьера, состоящий из двух уступов. Чертеж выполнить в масштабе 1:100, 1:200, 1:500 или 1:1000. По результатам построения определить угол рабочего борта участка карьера. Задание по вариантам представлено в приложении 1.
Исходные данные для выполнения практической работы представлены в приложении 1.
Высота и устойчивость уступов
Уступ является одним из важнейших элементов открытой разработки. Рациональной является такая высота уступа, при которой в данных условиях обеспечиваются: безопасность горных работ, высокая производительность оборудования, минимальные объемы вспомогательных работ, установленные годовые объемы добычных и вскрышных работ и минимальные затраты на них.
Высота уступа непосредственно влияет на ряд общекарьерных показателей: качество добываемого полезного ископаемого; скорость подвигания фронта; темп углубления горных работ и, следовательно, производственную мощность карьера; срок строительства карьера; объем горно-капитальных работ; общую протяженность фронта работ, внутрикарьерных путей и дорог; угол откоса рабочих и нерабочих бортов.
Рациональная высота уступов не может быть установлена по какому-либо одному фактору; она должна выбираться на основе определения совокупного влияния всех перечисленных выше факторов в конкретных природных условиях и с обязательным учетом возможностей вскрытия рабочих горизонтов. Аналитические методы определения высоты уступа не могут учитывать всей совокупности этих факторов. Безопасность ведения горных работ является основным требованием.
При разработке горизонтальных и пологих залежей мощность залежей и покрывающих пород обычно предопределяет высоту и число уступов. При чередовании горизонтальных и пологих пластов высоту уступа определяют в зависимости от мощности отдельных пластов и залегающих между ними слоев пустых пород с учетом обеспечения необходимого качества полезного ископаемого.
Устойчивость откосов в мягких породах имеет решающее значение. В таких породах, согласно Правилам безопасности, высота уступа не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора; в противном случае в верхней части уступа остаются «козырьки», «нависи» и возможно обрушение пород.
При разработке наклонных и крутопадающих залежей, представленных преимущественно скальными и полускальными породами, высота уступа определяется в основном показателями технологических процессов, потерь и разубоживания полезного ископаемого, требуемой производственной мощностью карьера и условиями вскрытия рабочих горизонтов. Затраты на подготовку скальных пород к выемке и на транспортирование взорванных пород снижаются с увеличением высоты уступа. Минималыше затраты на экскавацию взорванных пород соответствуют высоте уступа 15-20 м.
В то же время, согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ), высота уступа в скальных и полускальных породах не должна превышать максимальной высоты черпания экскаватора более чем в 1,5 раза (табл. 6) при условии, что высота развала не будет превышать: при одно- и двухрядном взрывании – максимальной высоты черпания экскаватора, а при многорядном взрывании — полуторной максимальной высоты черпания. При экскавации взорванных пород из таких развалов должны приниматься дополнительные меры по предотвращению образования «козырьков» и «нависей». Лишь в породах I и II категорий трещиноватости при нормальном и увеличенном расходе ВВ и наклонном бурении скважин, когда взорванные породы будут находиться в сыпучем состоянии, с разрешения органов Госгортехнадзора СССР допускается высота уступа НУ>1,5·НЧ.MAX.
В тех случаях, когда выемка производится экскаваторами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой, высота уступа должна соответствовать параметрам проходческого оборудования (табл. 7).
При разработке сложных месторождений потери и разубоживание полезного ископаемого практически прямо пропорциональны высоте добычного уступа. Поэтому целесообразно по экономическим условиям при раздельной выемке полезного ископаемого, особенно при пологих залежах, принимать высоту добычных уступов не более 10-12 м и применять экскаваторы карьерного типа с емкостью ковша 3-5 м 3 .
Скорость проведения траншей примерно обратно пропорциональна высоте уступа. От этой скорости зависит темп углубления горных работ. Чем больше высота уступа, тем меньше возможная производственная мощность карьера по полезному ископаемому. Это положение особенно важно в первый период работы карьера.
Максимальная высота уступов в скальных и полускальных породах при выемке мехлопатами карьерного типа
Экскаватор | Максимальная высота черпания экскаватора, м | Максимальная высота уступа |
ЭКГ-2 | 8,5 | 12,5 |
ЭКГ-3,2 | 14,5 | |
ЭКГ-5 | 16,5 | |
ЭКГ-8 | 12,5 | |
ЭКГ-12,5 | 15,6 | 23,5 |
ЭКГ-20 |
Максимальная высота уступа при выемке мехлопатами с удлиненным рабочим оборудованием с верхней погрузкой
Экскаватор | Высота уступа (м) в породах | |
мягких * | полускальных ** | скальных *** |
ЭКГ-2у | ||
ЭКГ-3,2у | 5,5 | |
ЭКГ-4у | ||
ЭКГ-3,6у |
* — угол устойчивости откоса 34 0
Вместе с тем необходимые объемы вскрышных работ уменьшаются с увеличением высоты уступа в результате сокращения числа рабочих уступов и увеличения угла откоса рабочего борта карьера. При этом уменьшаются также требуемая скорость подвигания и длина добычного фронта. Поэтому при разработке залежей простого строения в средней зоне карьера (по глубине) иногда целесообразно увеличение высоты уступа.
Из опыта ведения открытых работ при разработке наклонных и крутых залежей простого строения установлено, что оптимальная высота уступа при использовании экскаваторов с Е= 3-5 м 3 составляет 12-15 м и 17-20 м для экскаваторов с Е=8-12,5 м 3 . При многорядном взрывании вертикальных скважинных зарядов в породах III-V категорий трещиноватости часто по условиям безопасности НУ=НЧ max+h (h = 1-3 м).
При открытой разработке месторождений полезных ископаемых очень важно обеспечить устойчивость уступов и не допускать их деформаций в течение всего периода строительства и эксплуатации карьера.
Из многих факторов, от которых зависит устойчивость откосов, определяющей является группа геологических факторов (состав, состояние, строение и свойства горных пород). Они определяют условия деформации массива и выбор расчетных схем устойчивости откосов, характер противодеформационных мероприятий и величины расчетных показателей.
Из группы гидрогеологических факторов основным является влияние подземных вод, изменяющих свойства массива (вследствие выщелачивания трещиноватых карбонатных пород, набухания глинистых пород и др.) и его напряженное состояние; под действием гидростатических и гидродинамических сил может происходить фильтрационное разрушение откосов (оплывание и суффозия). Обводненность контактных зон и структурных нарушений приводит к деформациям откосов (в результате снижения прочности пород па контактах) и внезапному прорыву вод.
Третью группу составляют технологические факторы.
Необходимо учитывать, что параметры вскрывающих выработок, положение их относительно контура карьера и срок службы определяют интенсивность развития в массиве реологических процессов и выветривания пород, развитие в массиве деформационных процессов (подрезка контактов слоев или нарушений и др.). При высокой скорости подвигаиия фронта горных работ в массиве не успевают развиваться деформационные и реологические процессы, что позволяет придавать откосам рабочих уступов более крутые углы наклона. Размещение отвалов в выработанном пространстве увеличивает сопротивление сдвигающим усилиям прибортового массива пород.
Борта карьеров могут иметь участки вогнутой, выпуклой и прямолинейной формы в плане. Установлено, что, при прочих равных условиях, откосы, имеющие в плане вогнутую форму, более устойчивы, чем плоские.
Взрывные работы обусловливают сейсмический эффект, образование и развитие в приоткосном массиве уступа трещиноватости и зон пониженной прочности, а также неустойчивой поверхности самого откоса уступа. Для снижения вредного воздействия взрывов при постановке уступов в конечное положение необходимо: изменять параметры буровзрывных работ; применять (с учетом конкретной обстановки) короткозамедленное взрывание скважинных зарядов необходимого диаметра и контурное взрывание, заряды с инертными сердечниками; располагать ряды скважин под углом 60-90° к контуру борта; применять экранирующие врубы; использовать искусственное укрепление уступов; вводить в расчеты повышенный коэффициент запаса устойчивости.
Различают краткосрочную и долгосрочную устойчивость откосов, которыми должны обладать соответственно рабочие и нерабочие уступы. Коэффициент запаса устойчивости рабочих уступов ηу=1,15-1,2, а нерабочих в глинистых и трещиноватых скальных и полускальных породах ηу =1,5-2.
При предварительном выборе углов откосов рабочих и нерабочих уступов целесообразно пользоваться данными, приведенными в табл. 8. Для уточнения значений углов, особенно при неустойчивых породах или неблагоприятном залегании поверхностей ослабления, необходимо проводить натурные исследования и расчеты устойчивости откосов.
Ширина призмы (м) возможного обрушения уступа при отсутствии поверхностей ослабления может быть определена в зависимости от угла откоса и прочности пород по формуле
где а -угол откоса уступа, градус; ρ — угол внутреннего трения.