Геомеханическая оценка надежности оснований шахтных копров в системе «копер фундамент ствол (устье) основание»
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Интервальный метод оценки надежности подстанций, 115.06kb.
- Секция краеведения и туризма Сочинского отдела Русского географического общества Сочинский, 471.56kb.
- Из опыта работы. Урок – практикум в системе модулього обучения, 103.87kb.
- Фактор надежности инженерно-технической службы, 41.32kb.
- Оптимизация надежности, 190.04kb.
- Программа дисциплины Оценка надежности информационных систем для направления 080500., 381.54kb.
- 4. Артериальный (боталлов) проток: а) функционирует в пренатальном онтогенезе; б) соединяет, 341.31kb.
- Вопросы для подготовки к экзамену по дисциплине «Теория надежности», 8-й семестр, 2011, 20.46kb.
- Использование корреляционных зависимостей при прогнозировании числа вторичных дефектов, 17.41kb.
- Фундаменты гражданских и промышленных зданий, 45.28kb.
На правах рукописи
Таиров Тимур Наилевич
ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ОСНОВАНИЙ ШАХТНЫХ КОПРОВ В СИСТЕМЕ
«КОПЕР ФУНДАМЕНТ СТВОЛ (УСТЬЕ) ОСНОВАНИЕ»
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Половов Борис Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Зотеев Олег Вадимович
кандидат технических наук
Борисов Вячеслав Анатольевич
Ведущая организация – ОАО Институт «Уралгипроруда»
Защита состоится 29 апреля 2009 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Уральского государственного горного университета.
Автореферат диссертации разослан «27» марта 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В. К. Багазеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Копры, возводимые над шахтными стволами, являются главными горнотехническими сооружениями шахтных комплексов, определяющими эффективность работы строящихся и эксплуатируемых предприятий. «Отказы» шахтных копров могут привести к весьма тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям, поэтому копры по уровню требований к капитальным и эксплуатационным свойствам объекта относятся к сооружениям наивысшего класса ответственности. Тем не менее практика показывает, что существующие методы проектирования шахтных копров не гарантируют их безаварийную эксплуатацию. При этом характерной причиной отказов копров являются деформации их оснований.
Специальные методы оценки надежности сооружений, практикуемые в строительной отрасли, в силу многообразия конструкций копров и особенностей их эксплуатации, не могут без определенной корректировки применяться для геомеханического анализа оснований шахтных копров. Кроме того, следует учесть сложность выполняемых расчетов, необходимость проведения продолжительных экспериментов или наличия достоверной аналоговой документации. Таким образом, разработка методов геомеханической оценки надежности оснований шахтных копров на основе современных достижений в области теории риска и их программная реализация, доступная широкому кругу пользователей, является весьма актуальной проблемой.
В соответствии с изложенным целью диссертации является разработка методов геомеханического анализа оснований шахтных копров, отражающих нестабильность природных условий, нагрузок, воздействий и характеристик конструкционных материалов в системе ««Копер фундамент ствол (устье) основание».
Объект исследований – шахтные копры рудников, шахт, подземных предприятий и сооружений.
Предмет исследований – методы геомеханической оценки оснований шахтных копров.
Основная идея работы имитационный анализ параметров оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» с формированием вариантов для последующего многовариантного проектирования.
Основные задачи исследований:
1) совершенствование методов получения информации, отражающей нестабильность массива, слагающего основание шахтных копров, нагрузок и воздействий на основания, характеристик конструкционных материалов;
2) разработка обобщенных методик оценки надежности оснований по несущей способности и деформациям методом Монте-Карло в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание»;
3) реализация имитационного моделирования надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» с учетом ее отличительных особенностей;
4) доказательство возможности, целесообразности и универсальности имитационного моделирования для оценки надежности оснований шахтных копров.
Методы исследований. В диссертации использован комплекс, включающий обобщение результатов ранее выполненных исследований, методы механики горных пород (грунтов) и вероятностно-статистические методы, имитационное моделирование.
Защищаемые научные положения:
1. Геомеханическая оценка надежности оснований шахтных копров в системе «Копер фундамент ствол (устье) основание» должна выполняться методом Монте-Карло с генерацией:
физико-технических характеристик грунтов оснований, нагрузок и воздействий по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье или Эджворта и экспоненциальному закону;
показателей перегрузки и условий работы сооружения по левому и правому срезанным нормальным распределениям в «трехсигмовом» интервале;
плотности и удельного веса грунтов, характеристик конструкционных материалов и геометрических параметров конструкций по нормальному закону;
2. Надежность системы «Копер фундамент ствол (устье) основание» следует оценивать дифференцированно по характеру передачи нагрузок от копра, окружающих зданий и сооружений на основание и устье ствола с учетом степени асимметрии нагружения.
3. Для оценки надежности оснований копров в геомеханических ситуациях, когда основание неоднородно, пригрузка основания с разных сторон фундамента шахтного копра неодинакова, сооружение расположено вблизи откоса или котлована, целесообразно использовать совокупность (пучки) криволинейных поверхностей скольжения, ограничивающих призмы выпирания или скольжения, составленных из двух сопряженных круглоцилиндрических поверхностей, имеющих равную производную в точке касания.
Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается данными вероятностно-статистического анализа, сходимостью полученных результатов исследований с данными практики проектирования шахтных копров.
Научная новизна результатов исследований состоит:
– в обосновании набора рациональных законов распределения случайных входных параметров и области их применения в моделях расчета надежности оснований;
разработке обобщенных методик статистического моделирования надежности оснований по несущей способности и деформациям, отражающих отличительные особенности систем «Копер фундамент ствол (устье) основание» и включающих новые процедуры генерации исходной табличной и графической информации по методу Монте-Карло;
получении вариантных вероятностных оценок надежности или риска в системах «Копер фундамент ствол (устье) основание», дифференцируемых по фактору передачи нагрузок на устье ствола или ствол.
Практическая значимость работы заключается в формировании моделей, алгоритмов и программ для проведения имитационного геомеханического анализа оснований шахтных копров, в т.ч. исходной табличной и графической информации нормативного характера.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации направлены проектным организациям г. Екатеринбурга: ОАО «Уралгипроруда», ОАО «Уралгипрошахт».
Результаты работы могут предназначены организациям и предприятиям, ведущим проектирование, строительство и эксплуатацию шахт, рудников и подземных сооружений.
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, выполнении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации, разработке программного обеспечения.
Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на Уральской горнопромышленной декаде 3 13 апреля 2006 г., Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» 2007 г., Уральской горнопромышленной декаде 14 23 апреля 2008 г. (г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (2007, 2008, 2009 гг., г. Екатеринбург).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в четырех работах.
Структура и объем работы. Работа включает общую характеристику (введение), четыре главы, выводы и рекомендации, список литературы из 93 наименований. Объем работы составляет 194 страниц машинописного текста, в т. ч. 61 таблицу и 54 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Аналитический обзор изученности вопроса
Анализ изученности вопроса выполняется по направлениям: система «Копер – фундамент ствол (устье) – основание»; методы расчета оснований зданий и сооружений; вероятностные подходы в геомеханике.
Мировая и отечественная практика строительства и эксплуатации промышленных и городских сооружений доказала, что комплексный анализ системы «сооружение – фундамент основание» является обязательным условием разработки надежных решений по фактору аварийности оснований. Разумеется, в этом плане система «Копер – фундамент – ствол (устье) основание» не является исключением, причем комплексная оценка системы должна учитывать специфические, технические и геотехнические особенности эксплуатации шахтных копров, наиболее существенными из которых являются:
– разнообразие систем «Копер фундамент ствол(устье) основание» по назначению, конструктивному исполнению, используемым материалам, природным, техническим и экономическим условиям строительства и эксплуатации;
– передача нагрузок непосредственно на крепь шахтного ствола и генерация дополнительных нагрузок на ствол от фундаментов и сооружений, расположенных вблизи устья ствола;
– разнообразие оснований по составу, свойствам горных пород, структуре, характеру залегания, наличие специфических горных выработок и инженерных коммуникаций (вентиляционных каналов, трубно-кабельных коллекторов и др.);
– формирование воронки депрессии с последующими деформациями массива горных пород в зоне коры выветривания.
В целом теоретический и практический аппарат расчета оснований, созданный на сегодняшний день, позволяет решать широкий круг задач по проектированию оснований зданий и сооружений в различных природных и технических условиях, в т. ч. является исходным материалом для оценки надежности оснований шахтных копров. Нельзя не отметить существенный вклад в теорию расчета оснований, который внесли отечественные ученые: Абелев М. Ю., Белзецкий С. И., Березанцев В. Г., Веселов В. А., Герсеванов Н. М., Горбунов-Посадов М. И., Далматов Б. И., Иванов П. Л., Карлович В. М., Крутов В. И., Лушников В. В., Малышев М. В., Маслов Н. Н., Паукер Г. Е., Смородинов М. И., Соколовский В. В., Сорочан Е. А., Тер-Мартиросян З. Г., Трофименков Ю. Г., Ухов С. Б., Флорин В. А., Швец В. Б., Швецов Г. И., Цытович Н. А., Яропольский И. В. и др.
Вероятностные подходы к геомеханическому анализу оснований отражены в работах Болотина В. В., Бугрова А. К. и Шилина В. Г., Ермолаева Н. Н. и Михеева В. В., Муллера Р. А., Половова Б. Д., Речицкого В. И. и Корябина И. А., Ржаницына Р. А., Синицына А. П., Стрелецкого Н. С., Тимашева С. А., Хрусталева Л. Н., Швеца В. Б., Шейнина В. И. и др. В частности, доказана эффективность имитационного моделирования по методу Монте-Карло, что позволяет принять его в качестве основного инструмента исследований по тематике диссертации. Многовариантность получаемых вероятностных решений, сопровождающаяся оценками надежности, обусловливает возможность их оптимизации, исходя из экономической и социальной безопасности, например, по критериям и моделям, разработанным в УГГУ, включающим составляющие «цена рисков» и «мониторинг». Последний, предусматривая прогноз развития геомеханических ситуаций во времени, может служить ключом к решению проблемы надежности с постепенными отказами системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».
Таким образом, в области геомеханического анализа оснований получены весьма важные теоретические и практические результаты. Вместе с тем непосредственно тематика оценки надежности оснований шахтных копров не изучена. Учитывая эффективность и перспективы имитационного моделирования в связи с бурным развитием ЭВМ, необходимо провести специальные исследования по совершенствованию методов получения исходной информации нестабильного характера, разработать и реализовать имитационные методики оценки надежности оснований, доказать возможность, целесообразность и универсальность применения метода Монте-Карло в специфических условиях системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».
2. Методика оценки надежности оснований шахтных копров
Методика оценки надежности оснований шахтных копров в контексте метода Монте-Карло формируется в два этапа: 1 получение достоверной информации о состоянии и свойствах грунтового массива на основе статистической обработки результатов испытаний; 2 формирование обобщенного комплекса процедур для проведения имитационного анализа системы «Копер фундамент ствол (устье) основание».
Действующий ГОСТ 20522-96 «Грунты. Методы статистической разработки результатов испытаний» регламентирует методику статистического оценивания грунтов оснований в предположении нормального (логарифмически нормального) закона распределения случайных величин. Такой подход привычен и понятен, однако приемлем далеко не всегда. Более того, в контексте метода Монте-Карло, ставящего повышенные требования к качеству исходной информации, параметрическое оценивание на базе нормального закона распределения может привести к серьезным просчетам.
Отличительные особенности разработанной методики статистического оценивания грунтов оснований, ориентированные на непараметрическое оценивание и поясняемые конкретными примерами (оценка закона распределения случайных величин и однородности выборок), приведены в табл. 1, 2, 3, рис.1. В частности, серия исследований характеристик грунтов по критерию 2 позволила установить преимущества универсальных законов распределения Грамма-Шарлье и Эджворта.
Таблица 1
Методики статистического оценивания грунтов оснований
| По ГОСТ 2052296 (параметрические методы) | Принятая (непараметрические методы) |
| 1 | 2 |
| Используются три статистики: среднее выборочное, стандарт, коэффициент вариации | Используются статистики: среднее выборочное, стандарт, коэффициент вариации, асимметрия, эксцесс, вариационный размах, центральные моменты до 6-го порядка включительно |
| Критерием, определяющим необходимость разделения грунтового массива на однородные элементы, является допустимый коэффициент вариации, равный 0,15 для физических характеристик, и 0,3 для механических | Используется непараметрический «U-крите-рий Уилкоксона, Манна, Уитни» |
Окончание таблицы 1
| 1 | 2 |
| Расчетные характеристики грунтов вычисляются по нормативным (средним выборочным) характеристикам, деленным на «коэффициент надежности по грунту». Последний является функцией показателя точности, устанавливаемого в зависимости от коэффициента вариации, t-коэффициента (с числом степеней свободы k n 1 и задаваемой достоверностью ) и числа определений характеристики n | Необходимость разделения характеристик грунтов на нормативные и расчетные при оценках надежности оснований методом Монте-Карло отпадает |
| Если коэффициент вариации V характеристики превышает 0,4, ее нормативное и расчетное значения рекомендуется вычислять с использованием логарифмически нормального закона распределения. Соответственно для V 0,4 нормальное распределение | Закон распределения устанавливается по критерию 2 |
| Отбраковка грубых погрешностей выполняется по критерию «трех сигм» в предположении нормальности распределения характеристик грунтов | Отбраковка грубых погрешностей выполняется по неравенству Бьенэмэ-Чебышева |
| Действующим стандартом не предусматривается статистическая оценка характеристик грунтов функций нескольких случайных аргументов | Предусматривается статистическая оценка характеристик грунтов функций нескольких случайных аргументов |
Таблица 2
Теоретические и фактические частоты распределений удельного веса грунта. Критерии 2
| Фактические частоты | Закон распределения случайных величин | |||||||
| нормальный | логнормальный | Грамма-Шарлье | уточненный Грамма-Шарлье (по пяти членам ряда) | Эджворта | Вейбулла | экспоненциальный | Релея | |
| 3 | 1,995 | 8,735 | 2,122 | 2,251 | 2,600 | 0,546 | 12,000 | 36,590 |
| 5 | 6,796 | 0,934 | 6,215 | 6,437 | 3,912 | 4,341 | 9,000 | 13,160 |
| 13 | 13,170 | 4,911 | 12,517 | 12,011 | 13,082 | 10,941 | 7,000 | 0,260 |
| 17 | 14,530 | 12,798 | 14,868 | 15,277 | 13,768 | 15,086 | 5,000 | 17,523 |
| 9 | 9,130 | 16,578 | 9,923 | 9,912 | 12,210 | 12,173 | 4,000 | 4,041 |
| 3 | 3,270 | 10,680 | 3,329 | 3,092 | 3,753 | 5,500 | 3,000 | 3,110 |
| 2 | 1,426 | 44,410 | 1,040 | 0,933 | 1,120 | 91,176 | 48,721 | 71,980 |
Таблица 3
Оценивание однородности двух выборок объемом m 8 и n = 8
| Операция | Результат |
| 1 | 2 |
| Ввод: выборка 1 выборка 2 | 7 14 22 36 40 48 49 52 3 5 6 10 17 18 20 39 |