В первом приближении оценку несущей способности подземного сооружения можно произвести на основе анализа моделей, выполненных методом фотоупругости (сравнение прочностных характеристик породы с выявленными напряжениями сжатия, растяжения и среза). Однако, как уже отмечалось выше, такая оценка не является достаточно объективной в силу того, что фактическое распределение напряжений и усилий в трещиноватой породе может существенно отличаться от идеализированной упругой схемы. Поэтому для оценки несущей способности сооружения, а также для получения уточненных данных по напряженному состоянию горного массива целесообразно использовать другой метод моделирования, в частности на эквивалентных материалах. Работы по применению этого метода для исследования подземных сооружений особенно широкое развитие получили в Советском Союзе. (ВНИМИ, ЛИИЖТ, институт Оргэнергострой, МИИТ, ЦНИИС Минтрансстроя и другие организации).

При испытаниях стендовых моделей из эквивалентных материалов можно контролировать и корректировать получаемые результаты с максимальным приближением к натуре и с доведением модели до разрушения. Модельные исследования на крупномасштабных стендах из эквивалентных материалов позволяют, в частности, оценить эффективность анкерной и другого типа крепи, т. е. сравнить картину

напряженного состояния в массиве породы и на контуре выработки как незакрепленной, так и с временной крепью, проследить процесс деформации и подвижки массива, возникновение и развитие трещин в породе, изучить картину перераспределения напряжений при установке крепи.

Исследования на моделях из эквивалентных материалов, в институте Оргэнергострой проводились с учетом особенностей трещиноватых скальных пород. Это обусловило некоторое отличие экспериментальной техники от практикуемой в лабораториях, изучающих выработки угольных шахт и другие, расположенные преимущественно в слабых породах.

Условия подобия соблюдаются подбором материала-эквивалента при широком варьировании соотношений между основными компонентами его (гипс, вода, песок) и введением специальных химических добавок (поливинилацетатная эмульсия и др.), изменяющих упругость материала, а также специальной «тренировкой» модели путем ее загрузки и разгрузки. Наиболее подходящим материалом оказался гипсобетон, имеющий структурное сходство как со скальной породой, так и с бетоном. Огибающие кругов Мора для гипсобетонов и скалы имеют сходную конфигурацию, величины прочности на сжатие, растяжение, срез и изгиб также имеют удовлетворительную коррелятивную связь, величины прочности и упругие характеристики могут быть выдержаны в нужном масштабе, так как соотношение для гипсобетона и скалы одинаково. Коэффициент Пуассона гипсобетона равен 0,15—0,3, т. е. близок к значению этого коэффициента для скальных пород.

Таким образом, появляется возможность на моделях исследовать подземные сооружения, возводимые в прочных скальных породах с пределом прочности на сжатие до 2600 кгс/см2 и модулем упругости до 800 000 кгс/см2.

Поскольку модуль деформации горного массива, сниженный за счет его трещиноватости, составляет обычно 50 000—100 000 кгс/см2, на модели приходится воссоздавать несколько основных систем трещин: тектонические, трещины напластования и др. В большинстве проведенных исследований моделировали 2—4 системы трещин, расстояние между которыми в масштабе модели составляло от 10 до 1 см при различных углах наклона.

Заполнение трещин напластования моделируют клеем БФ-4 или № 88, более открытые трещины (тектоничеркие), заполненные глинкой или брекчией трения, имитируют слоем парафина или смеси парафина с солидолом и песком. Для швов модели сохраняют соотношение величин прочности на сжатие и на разрыв, имеющие место в натуре. Моделирование трещин приводит к снижению модуля деформации массива по сравнению с модулем деформации образца в 5—10 раз. На модели, как и в натуре, модуль деформации «массива определяют путем ультразвуковых измерений по всей площади модели.

В зависимости от задач исследования и имеющихся натурных данных на модели выдерживают все или некоторые из следующих прочностных характеристик: Rcж, тср, с в абсолютных значениях с учетом масштаба напряжений.

Облако