Исследования на моделях из эквивалентных материалов выполняли с целью сравнения несущей способности двух видов крепления туннеля в слабых скальных породах: арочной крепи и анкеров в сочетании с покрытием из на- брызгбетона. Туннель имел корытообразное поперечное сечение пролетом 10,3 м и высоту (верхняя часть сечения) 7,8 м.

Исследования проводили на трех индентичных моделях, в каждой из которых моделировался определенный вид крепи. В ходе эксперимента модели были доведены до разрушения и определены предельные нагрузки, а также деформации (осадки) свода выработки и уточнен характер разрушения модели. Геометрический масштаб моделирования был принят 1 : 50, толщина модели 14 см соответствует 7 м длины туннеля. Прочность моделируемого массива породы (алевролиты) в натуре составляет 100 кгс/см2, что соответствует IV категории породы по СНиП.

Выбранный материал, эквивалентный породе, представлял собой песчано-парафиновую смесь из песка люберецкого (90%) и парафина (10%). Смесь укладывали в стенд в разогретом состоянии при температуре t° = 70° С и уплотняли трамбованием. Материал-эквивалент указанного состава имеел предел прочности на сжатие ДСЖ(М) = 20 кгс/см2, что соответствовало масштабу напряжений 1 : 5.

Арочную крепь моделировали с соблюдением условия и исследовали в двух вариантах, соответствующих крайним возможным случаям. В первом варианте моделировали арки со сплошной затяжкой и расклинкой по всему контуру, обеспечивающей равномерную передачу нагрузки от породы. Этот вариант отвечает в натуре обетонированным аркам. Во втором варианте моделировали арки, воспринимающие усилия от горного давления в отдельных (8— 10) точках расклинки, что соответствует характерным условиям в натуре. Замоделированная в обоих вариантах арочная крепь отвечает в натуре расчетным металлическим аркам из двутавра № 30 при расстоянии между арками по осям 75 см. В первом варианте арки для модели изготовляли из органического стекла. Арки в этом случае обладают высокой деформативностью, что отражает способность ме-таллической арки к пластическим деформациям при надлежащим образом вьтолненных соединениях. Во втором варианте арки изготовляли из гипсобетона. Материал арки на моделях при этом характеризуется хрупким разрушением, что соответствует в натуре металлической арке с торцовыми накладками на болтах.

Анкерную крепь в своде моделировали проволочными стержнями длиной по 5,6 см, установленными радиально к своду выработки с шагом в 2 см, в натуре анкера имеют длину 2,8 м шаг 1 м. Покрытие из набрызгбетона в своде моделировали гипсопесчаной обмазкой толщиной 3 мм с предельной прочностью на сжатие йсж (м) = = 80 кгс/см2, что соответствует в натуре покрытию толщиной 15 см с пределом прочности материала на сжатие НСжт = ^00 кгс/см2.

В моделях измеряли абсолютную величину осадки свода выработки в замке под крепью с помощью индикаторов часового типа. Точность измерения 0,01 мм в модели, или 0,5 мм в пересчете на натуру. Целесообразно сопоставить нагрузки, отвечающие предельно допустимому прогибу. Если принять за единицу соответствующую нагрузку для анкеров с набрызгбетоном, то несущая способность равномерно загруженной арочной крепи составляет 1,24, а при узловом загружении арок — 0,45. Эти величины, а также характер нарастания деформаций и разрушение моделей указывают на то, что в данных условиях основное назначение крепи состоит в предотвращении развития деформаций контура выработки. С этой точки зрения анкерная крепь с набрызгбетоном не намного уступает арочной крепи в наивыгоднейшем варианте (типа обетонированных арок), в то время как арки с узловой загрузкой практически не препятствуют развитию горного давления и ломаются в точках приложения сил. Таким образом, несущая способность арочной крепи существенно зависит от плотности прилегания арки к породе.

Чтобы оценить абсолютные характеристики несущей способности рассмотренных крепей, найденные экспериментально предельные нагрузки были сравнены с величиной расчетной нагрузки, которую можно ожидать в натуре (рн = 30 кгс/см2).

По отношению же к нормативному коэффициенту запаса устойчивое и (1,4—1,5) анкерная крепь с набрызгбетоном в данном случае обеспечивает превышение в размере 50—60%, арочная крепь в наивыгоднейшем варианте 80—90%, а в невыгоднейшем варианте коэффициент запаса снижается по отношению к нормативному на 35— 30%.

Таким образом, на основании результатов данного модельного исследования можно заключить, что анкерная крепь в сочетании с набрызгбетоном обладает достаточным запасом прочности в рассматриваемых условиях и с этой точки зрения незначительно отличается от арочной крепи в наивыгоднейшем варианте (типа обетонироваиных арок). В то же время устойчивость арочной крепи меняется в широких пределах в зависимости от конструкции арок и способа их расклинки, причем коэффициент запаса устойчивости арочной крепи практически может оказаться меньше расчетного. Поэтому применение анкерной крепи и набрызгбетона в данных условиях наиболее целесообразно.

Эти рекомендации были использованы при решении вопроса о способе проходки и типе временной крепи на участке слабых пород строительного туннеля III яруса Нурекской ГЭС.

Облако