Напряженное состояние массива и конструкций. Класс этих задач наиболее просто решается методом фотоупругости. Исследования подземных сооружений поляризационно-оптическим методом, проводимые в Советском Союзе (МИСИ им. В. В. Куйбышева, институт Оргэнергострой, Институт горного дела им. А. А. Скочинского, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и др.) и в других странах, позволили установить, что применение этого метода наиболее целесообразно для определения напряжений в туннельных крепях от заданных нагрузок, а также в сплошном изотропном или состоящем из изотропных слоев упругом горном массиве от собственного веса пород и от других нагрузок.

Исследования напряженного состояния массива и конструкций методом фотоупругости позволяет решить ряд практических задач. Результаты некоторых из этих исследований, проведенные, например, в институте Оргэнергострой за последние годы для конкретных объектов различного назначения, могут быть проиллюстрированы следующими примерами, поясняющими область применения метода фотоупругости.

Выбор формы сечения туннелей и уточнение условий их работы. Исследования проводили для получения сравнительных данных о напряженном состоянии крепи туннелей круглой и корытообразной формы диаметром 15 м, внутренним напором воды 10 кгс/см2 при толщине железобетона 1 м в породах, имеющих модуль упругости 150 000 кгс/см2.

Вопрос выбора форм поперечного сечения туннелей в конкретных условиях изучался на многочисленных моделях при различных нагрузках и переменном отношении модулей упругости обделки и породы. Часть этих исследований была впоследствии подтверждена на опытном подземном полигоне и отражена в нормах проектирования туннелей. Серия экспериментов (около 100) на моделях методом фотоупругости позволила уточнить величину и распределение упругих реакций породы на контакте с обделкой в зависимости от формы ее поперечного сечения, нагрузки и соотношения модулей упругости конструкции и породы. Результаты исследований были использованы для разработки положений по уточнению расчета обделок с учетом упругого отпора породы.

Исследование конструкции подземных сооружений и очередности раскрытия выработок. Методом фотоупругости было проведено исследование рациональных конструкций опор мостового крана в подземном помещении. Исследовали различные варианты опирания мостового крана. Были установлены условия применения каждого из исследованных вариантов с учетом геологии, пролета, нагрузки и конструкции опоры. В результате была предложена и принята конструкция свода с подвесными подкрановыми опорами.

Для одного из подземных сооружений пролетом 10 м и высотой 35 м эксперименты на оптически активных материалах проводили с целью назначения зоны крепления анкерами вокруг выработки и проверки достаточности принятого расстояния между исследуемой. и смежной выработками. В результате исследований были определены напряжения на контуре выработки и вдоль выбранных сечений в массиве, установлены сечения, подлежащие закреплению анкерами, даны рекомендации по глубине анкеров на различных участках, а также сделан вывод о целесообразности увеличения расстояния между соседней выработкой в 1,5—1,8 раз.

Для оценки условий работы глубоких предварительно-напряженных анкеров в конкретном объекте требовалось экспериментально определить характер действия сжимающих напряжений от предварительного натяжения анкеров в массиве породы. Исследования проводили на двух плоских моделях методом фотоупругости.

На модели № 1 воспроизводили расчетную схему расположения анкеров. Левая грань плитки защемлялась, правая грань (соответствующая стене камеры) оставалась свободной. Модель As 2 представляет собой участок сечения массива по длине камеры, проведенного по оси анкеров. На этой модели исследовали зависимости напряжений в породе от длины анкеров и расстояния между ними.

В результате исследования было установлено, что, хотя напряженпя от предварительного обжатия по стене камеры распределяются неравномерно, экспериментальные напряжения в стене приблизительно равны расчетным. В силу неравномерности обжатия стены между анкерами образуются области, площадью равной 10% общей, напряжения в которых превышают расчетные более чем на 1 тс/м2. Это обстоятельство следует учитывать постановкой дополнительных обычных анкеров между предварительно-напряженными.

Заслуживает внимания использование метода фотоупругости при решении вопросов крепления камерных выработок подземной гидростанции Кисеняма в Японии, построенной несколько лет назад.

Основная камерная выработка (машинный зал) залегает в сланцах на глубине 250 м от поверхности, имеет ширину 25,6 м, высоту 51 м и длину 60,4 м. К ней примыкают кабельная шахта, подземный уравнительный резервуар и ряд туннелей. По данным натурных исследований (метод разгрузки с использованием фотоупругих датчиков) определили следующие сжимающие бытовые напряжения в скальном массиве: вертикальное давления Р3 = 25 кгс/см2, давление вдоль оси машинного зала Р2 = 18 кгс/см2, горизонтальное боковое давление Р1 = 6 кгс/см2. Эти напряжения были приложены к объемной модели в масштабе 1 : 1500 из оптически активного материала, в которой были имитированы все выработки. Из этих эпюр следует, что сжимающие напряжения вокруг выработок (до 65 кгс/см2) представляются в целом сравнительно безопасными, целик же между машинным залом и кабельной шахтой должен быть зацементирован и закреплен анкерами. Также определилась необходимость крепления кровли подземных помещений, поскольку порода в сводчатой части может разрушиться от высоких растягивающих напряжений (до 40 кгс/см2).

Все эти результаты были затем дополнительно проанализированы расчетом, выполненным методом конечных элементов, а также скорректированы измерениями, проведенными в натурных условиях.

Следует отметить, что оценка результатов исследований, выполненных методом фотоупругости при переходе к условиям в натуре, требует известной осторожности. Примером недостаточно критического подхода в использовании результатов модельных исследований методом фотоупругости могут служить исследования, проведенные для подземного машинного зала ГЭС Поатина на о. Тасмании. Основные работы по проектированию и строительству этой гидростанции были выполнены в 1958—1961 гг.

Машинный зал длиной 90 м, шириной 13,5 м и высотой 25,2 м расположен в аргиллитах на глубине 150 м от поверхности. На основании проходки опытной штольни пролетом примерно 2 м было решено, что наиболее целесообразная форма поперечного сечения камеры будет не при полуциркульном, а при трапецеидальном очертании кровли с углом наклона боковых стенок, примерно равным углу внутреннего трения породы.

Облако