Учет упругого отпора породы

Тоннельная обделка, находясь под воздействием сил верти­кального горного давления, стремится изменить свою первона­чальную форму, т. е. уменьшиться по высоте и увеличиться в ширину (рис.). В рыхлых и неустойчивых породах ее дефор­мации   вызовут  только   уплотнение прилегающего к обделке грунта, и она беспрепятственно займет новое положение, ука­занное сиреневым цветом. Если при этом размеры сечения обделки окажутся недостаточными, она может подвергнуться разрушению, т. к. окружающие породы не будут в состоянии оказать должного противодействия ее перемещениям.

Скальные и полускальные породы, обладающие упругими свойствами, будут препятствовать  перемещениям  обделки,  в результате чего на поверхностях их контакта возникнет реак­тивное давление или упругий отпор породы, направленный в сторону обделки (рис, на контуры аб).

Часть контура обделки аа, свободная от воздействия реак­тивных сил породы и прогибающаяся вниз, носит название «зо­ны отлипания».

Одновременное действие сил горного давления, собственно­го веса и упругого отпора породы приводит к увеличению сжи­мающих напряжений в конструкции вследствие ограничения ее перемещений в пространстве выработки. Благодаря этому происходит перераспределение внутренних усилий в опасных сече­ниях свода, способствующее значительному облегчению усло­вий статической работы конструкции. В конечном счете это по­зволяет уменьшить размеры сечений, объемы выработки и рас­ход материала на сооружение обделки.

Как правило, в процессе разработки скальные породы подвергаются значительно большему разрушению в пределах сво­да, нежели по контуру стен. Возникающее при этом вертикаль­ное горное давление воспринимается  конструкцией обделки и реактивными силами пород, прилегающих к стенам выработки. Упругий отпор играет особо важную роль при заложе­нии тоннелей в резко различных по своим физико-механиче­ским свойствам породах. Чрезвычайно высокое горное давле­ние слабых пород, расположенных в верхней части обделки, может быть воспринято силами отпора прочной скальной поро­ды, залегающей в пределах стен.

Однако учет совместной работы обделки и породы возмо­жен только при условии обеспечения их плотного примыкания друг к другу. Наличие неплотностей или зазоров между наруж­ной поверхностью обделки и породой повлечет за собой несоот­ветствие статического расчета действительным условиям рабо­ты сооружения. Последнее обстоятельство может вызвать неприятные последствия в процессе сооружения или эксплуата­ции тоннеля.

Для определения величины упругого отпора используют метод местных деформаций, основанный на гипотезе прямой пропорциональности Фусса—Винклера. При этом предполагается, что деформации и перемеще­ния пород ограничиваются только местом приложения силы или группы сил, за пределами которых деформации отсутству­ют. Так, например, при сжатии грунта силой Р его осадка  и напряжения будут возникать только в пределах опорной пло­щадки F под жестким штампом.

Коэффициент k характеризует способность пород оказы­вать сопротивление действующим силам и определяется коли­чеством килограммов нагрузки, которую необходимо прило­жить к площадке в один квадратный сантиметр, чтобы вызвать ее перемещение или осадку по направлению действия силы на один сантиметр.

Величина коэффициента упругого отпора зависит от физи­ко-механических свойств горных пород, условий их залегания, размеров поперечного сечения выработки, величины давления и от размеров площади, воспринимающей нагрузку. Экспери­ментами установлено, что коэффициент отпора приобретает большее значение при нагружении пород вдоль напластования, чем при действии сил перпендикулярно напластованию.

С увеличением размеров поперечного сечения выработки коэффициент отпора уменьшается, что также подтверждается данными опытов.