Механика подземных сооружений — прикладная научная дисциплина, изучающая прочность и устойчивость, надежность и долговечность подземных сооружений и возводимых в них инженерных конструкций (крепи, обделок), находящихся во взаимодействии с окружающим массивом горных пород.
Является разделом геомеханики и опирается на достижения смежных дисциплин, таких как стротельная геотехнология, строительная механика и механика деформируемого твёрдого тела. Методы механики подземных сооружений используются при проектировании и строительстве тоннелей, метрополитенов, стволов шахт и рудников, подземных хранилищ и других объектов промышленного и гражданского назначения.
История развития Формирование механики подземных сооружений как самостоятельной науки началось в конце XIX — начале XX века в связи с бурным развитием шахтного строительства и прокладкой первых линий метрополитеновБулычев Н.С., Фотиева Н.Н. Современные проблемы расчета инженерных конструкций подземных сооружений. - ГИАБ. Отдельный выпуск № 9, 2009. Строительная геотехнология. - 408 с. .
Первоначально расчеты базировались на эмпирических методах и гипотезах сводообразования (наиболее известна теория М. М. Протодьяконова). В 1920—1930-х годах началось применение методов теории упругости (работы А.Н. Динника, Г. В. Колосова, Н. И. Мусхелишвили). Большой вклад в создание строгих математических методов расчета крепи горных выработок и подземных сооружений внесли советские ученые И. Г. Араманович, Б. З. Амусин, Н. С. Булычев, Б. А. Картозия, И. В. РодинРодин И.В. Некоторые основные вопросы теории горного давления диссертация ... доктора технических наук: 05.00.00 - Москва, 1951 - 405 с., Г. Н. СавинСавин Г. Н. Влияние крепления на распределение напряжений возле узких подземных выработок // Записки Института горной механики АН УССР. — 1947. — № 5. — С. 17–32, Н. Н. Фотиева и др., которые разработали теорию расчета, основанную на представлениях о совместной деформации крепи и массива.
Объект, предмет, цель и основные задачи изучения Объект изучения: подземные сооружения различного назначения, возводимые закрытым (горным, щитовым) способом, а также окружающий их грунтовый или породный массив. Предмет изучения: закономерности распределения напряжений и деформаций в элементах системы «крепь — массив»: условия прочности и устойчивости конструкций, а также процессы деформирования горных пород в течение срока службы сооружения. Целью изучения является разработка методов расчета конструкций подземных сооружений, обеспечивающих достоверные данные об их прочности, устойчивости и долговечности. Основные задачи дисциплины: разработка и совершенствование моделей взаимодействия крепи (обделки) с массивом, учет специфики видов крепи (обделок) при использовании различных моделей взаимодействия с массивом, учет особенностей технологии возведения крепи горных выработок и обделок подземных сооружений в расчетных методах.
Основные принципы и понятия Принцип взаимодействия крепи с массивом является основополагающим принципом механики подземных сооружений и заключается в том, что крепь и массив рассматриваются как единая деформируемая система, находящаяся в поле внешних сил и воздействий. Система "крепь-массив", позволяющая учитывать контактное взаимодействие крепи и массива горных пород. Нагрузка на крепь в общем случае не является заданной, как в расчетных методах строительной механики, а определяется в процессе расчета как величина действующх радиальных нормальных напряжений на контакте крепи и массива.
Методы исследований Современная механика подземных сооружений опирается на комплексный подход, включающий три основные группы методов: Аналитические методы — точные математические решения уравнений теории упругости, пластичности и ползучести для выработок как правильной (круг, эллипс), так и произволной геометрической формыв однородной среде. Численные методы — компьютерное моделирование с использованием метода конечных элементов (МКЭ), метода граничных элементов (МГЭ) и метода дискретных элементов (МДЭ). Позволяют учитывать сложную геометрию, многослойность грунтов и поэтапность (технологию) возведения сооружения. Экспериментальные, натурные и экспериментально-аналитические методы — проведение испытаний на моделях (в том числе методом центробежного моделирования), геотехнический мониторинг (натурные измерения напряжений и смещений) в процессе строительства, а также определение напряжений в крепи в результате решения обратных задач.
Ключевые особенности дисциплины В отличие от расчетов конструкций наземных зданий и сооружеий классической строительной механики, механика подземных сооружений учитывает специфику подземного строительства, заключающуюся в том, что горные выработки проводятся в массиве, где действует начальное поле напряжений - гравитационные и тектонические напряжения.
После возведения крепи, она вступает во взаимодействие с массивом, вследствие чего обособленный расчет крепи возможен только на заданные нагрузки в случае отслоения контурной части массива (сводообразования). Поэтому, расчет крепи горных выработок и обделок подземных сооружений, как правило, производится в рамках системы «крепь — массив», учитывающей несущую способность самого массива. Это дает значительный выигрыш в материалоемкости крепи по сравнению с расчетом на заданнеы нагрузки.
Для расчетов крепи с учетом взаимодействия с массивом решается соотвествующая контактная задача механики в рамках выбранной математической модели, позволяющей учитывать свойства как самой конструкции крепи (жесткость и податливость матерала, толщина, форма поперечного сечения, количество слоев и др.), так и массива горных пород (неоднородность, анизотропию, трещиноватость, обводненность и др.).
Примечания
Литература Н. С. Булычев Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов. — 2-е изд.— : Недра, 1994. — 382 с. - ISBN 5-247-01963-6 Н. С. Булычев Механика подземных сооружений в примерах и задачах.— : Недра, 1989.— 270 с.: ил. — ISBN 5-247-00294-6 Н. С. Булычев, Н. Н. Фотиева, Е. В. Стрельцов Проектирование и расчет крепи капитальных горных выработок.— : Недра, 1986.— 288 с. Н. С. Булычев Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. — 1-е изд.— : Недра, 1982.— 270 с. И. В. Баклашов, Б. А. Картозия Механика подземных сооружений и конструкции крепей: учебник для вузов. – 1-е изд. - : Недра, 1984. Н. С. Булычев , Х. И. Абрамсон Крепь вертикальных стволов шахт. — : Недра, 1978.— 301 с. Н. С. Булычев , Б. З. Амусин , А. Г. Оловянный Расчет крепи капитальных горных выработок. — : Недра. — 1974. — 320 с. Н. Н. Фотиева Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. — : Недра, 1974. — 240 с. Н. Н. Фотиева Расчет крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах. — : Недра, 1980. — 222 с. Н. Н. Фотиева, Козлов А. Н. Расчет крепи параллельных выработок в сейсмических районах. — : Недра, 1992. — 230 с. — ISBN 5-247-01443-X
Ссылки "Механика подземных сооружений" на Портале Геокнига.
См. также Геомеханика Геотехнология Механика грунтов
Категория:Науки о Земле *