Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты
Проведено комп’ютерне моделювання деформування нафтосховища у результаті підняття рівня ґрунтових вод. Numerical modeling of deformation oil tank has been carried out due to rise of the underground water level....
Saved in:
| Published in: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57103 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты / И.В. Назимко, С.В. Педченко, Васютина В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 11. — С. 12-22. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859706086268862464 |
|---|---|
| author | Назимко, И.В. Педченко, С.В. Васютина, В.В. |
| author_facet | Назимко, И.В. Педченко, С.В. Васютина, В.В. |
| citation_txt | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты / И.В. Назимко, С.В. Педченко, Васютина В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 11. — С. 12-22. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | Проведено комп’ютерне моделювання деформування нафтосховища у результаті підняття рівня ґрунтових вод.
Numerical modeling of deformation oil tank has been carried out due to rise of the underground water level.
|
| first_indexed | 2025-12-01T03:03:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
12
УДК 622.831
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ СДВИЖЕНИЯ ПОДТОПЛЯЕМОГО
ГРУНТА И РАЗРУШЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ В
РЕЗУЛЬТАТЕ МОКРОГО ПОГАШЕНИЯ ШАХТЫ
Назимко И. В., Педченко С. В., Васютина В. В.
(УкрНИМИ, г. Донецк, Украина)
Проведено комп’ютерне моделювання деформування наф-
тосховища у результаті підняття рівня ґрунтових вод.
Numerical modeling of deformation oil tank has been carried
out due to rise of the underground water level.
Устойчивость наземных сооружений существенно зависит
от активизации подвижек грунта, вероятность которой резко уве-
личивается при поднятии уровня грунтовых вод. Особенно это
опасно в случаях, когда объекты сооружаются над выходами тек-
тонических нарушений. При мокром погашении угольной шахты
происходит поднятие уровня грунтовых вод, в результате чего
свойства наносов изменяются. Как показывает практика, это при-
водит к неизбежной активизации сдвижений земной поверхности
и часто разрушению наземных сооружений [1].
Вероятность разрушений неземных объектов существенно
возрастает в том случае, когда они сооружены над или в непо-
средственной близости к выходам на земную поверхность дизъ-
юнктивных нарушений [2]. В данной статье рассмотрен случай
разрушения нефтехранилища, в виде цилиндрической металличе-
ской емкости, которое сооружено над разрывным нарушением,
причем активизация сдвижений грунта и коренных пород по
плоскости сместителя происходит в результате повышения уров-
ня грунтовых вод и подтопления грунта в основании емкости.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
13
Исследования напряженно-деформированного состояния
грунта и емкости в окрестности тектонического нарушения осу-
ществлялось путем численного решения системы дифференци-
альных уравнений движения (второго закона Ньютона) и зависи-
мостей, связывающих напряжения и деформации в твердом теле
[3 - 5]. Родоначальником данного алгоритма является проф.
П. Кундалл, который впервые предложил использовать второй
закон Ньютона для прямого описания процессов сдвижения мас-
сива горных пород.
Согласно этому алгоритму дифференциальные уравнения
движения массива горных пород записываются в следующем ви-
де:
dt
dv
b
x
i
i
i
ji ρ=ρ+
∂
σ∂ , ,
где σi,j – нормальные и касательные напряжения, действую-
щие в массиве горных пород, Па;
xi – координаты декартовой системы, м;
ρ – плотность горных пород, кг/м3;
bi – удельные силы, развивающиеся в массиве горных пород,
и приводимые к единице его массы Н/кг;
vi – скорость движения элементарных объемов массива гор-
ных пород, м/с;
t – время, с.
В общем случае решается система дифференциальных урав-
нений, которая состоит из уравнения второго закона Ньютона в
дифференцированной форме и уравнений, описывающих проч-
ностные модели массива горных пород. Таких моделей на сего-
дня насчитывается большое количество, а на практике применя-
ется чаще всего около десятка моделей. Расчеты производились с
помощью модели, описывающей условие предельного состояния
Кулона-Мора, которая наиболее адекватно описывает прочность
осадочных горных пород.
Предполагается, что порода теряет прочность либо от пре-
дельных касательных напряжений, либо от растягивающих. Пре-
дельное состояние пород описывается следующими уравнениями
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
14
ФФ1
S N f с2 +Ν σ− σ= 3 ,
а при разрыве сплошности массива под действием растягиваю-
щих напряжений
t3
t f σ− σ= ,
где f (σ1, σ3) = 0 представляет собой уравнение поверхности
текучести;
σ1 и σ3 главные минимальное и максимальное нормальные
напряжения, причем σ3 ≤σ2 ≤σ1;
NΦ = (1 + sin Φ)/ (1 - sin Φ);
Φ – угол внутреннего трения;
C – сцепление.
Численное дифференцирование уравнений осуществляется
шагами по трем пространственным переменным и одной времен-
нόй переменной. Таким образом, осуществляется решение задачи
необратимых сдвижений массива горных пород в окрестности
нефтехранилища, фундамента и наносов в зоне нарушения.
В связи с тем, что в качестве емкости нефтехранилища ис-
пользуется металлическая конструкция, дополнительно исполь-
зованы средства метода конечных элементов, который подходит
к описанию напряжено-деформированного состояния металличе-
ских оболочек. Такой гибридный метод обеспечил возможности
детального исследования напряженно-деформированного состоя-
ния системы. Наглядное преимущество такого метода заключает-
ся в том, что моделирование дает возможность адекватно отра-
зить величины смещений грунта, основания нефтехранилища, а
также деформации стенок емкости, которая наполнена нефтепро-
дуктами.
Участок наносов земной поверхности представлен прямо-
угольной призмой размерами 60×60×15 м (рис. 1). Цилиндриче-
ская емкость имеет радиус 10 м и высоту 20 м. Емкость установ-
лена на бетонный фундамент. Модуль деформации для наносов
принимался 4,5 ГПа, модуль сдвига 2,8 ГПа, угол внутреннего
трения 27 °, сцепление 1 МПа, предел прочности на растяжение
1 МПа, на сжатие – 6 МПа. Плотность наносов составляет
2200 кг/м3, угол дилатансии 8 °. Модуль упругости стали прини-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
15
мался в 25 ГПа, предел текучести 250 МПа, плотность 7700 кг/м3.
Модуль деформации для бетона составлял 10 ГПа, модуль сдвига
6 ГПа, угол внутреннего трения 32 °, сцепление 2 МПа. Плот-
ность бетона – 3000 кг/м3, угол дилатансии 10 °.
Рис. 1. Расчетная схема
Задача о распределении напряжений и деформаций в систе-
ме емкость-основание – грунт решалась в несколько этапов, для
удовлетворения начального состояния системы и соблюдения
граничных условий. Так перед активизацией подвижек грунта во-
круг тектонического нарушения осуществлялся расчет напря-
женного состояния системы сразу после ее строительства. На ри-
сунках 1а и 1б видно, что сжимающие нормальные напряжения
сосредоточены под цистерной и увеличиваются с ростом глуби-
ны. Характерно, что под емкостью в глубине грунта присутствует
повышенное давление, вызванное дополнительным весом нефте-
емкости. Такой предрасчет гарантирует правильность дальней-
шего анализа и дает возможность проверять надежность модели
на всех этапах моделирования.
Моделируемое время от начала обводнения до разрушения
основания и емкости составляло 280000 циклов, что соответство-
вало 8,5 неделям или 60 дням.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
16
Рис. 1а. Распределение вертикальной компоненты нормаль-
ных напряжений
В связи с тем, что толщина стенки цистерны и размеры эле-
ментов грунта существенно отличаются, цистерну принимали эк-
вивалентной реальной таким образом, чтобы толщина стенок бы-
ла больше (соизмеримая с примыкающими элементами основа-
ния и наносов), а прочность материала стенок пропорционально
уменьшалась.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
17
Рис. 1б. Распределение нормальных горизонтальных напря-
жений
Под емкостью в грунте расположено тектоническое нару-
шение. Сместитель нарушения показан на рисунке 1 пунктиром, а
сплошная линия (смещенная на 5 м вправо) указывает границу
висячего крыла нарушения, которое распространяется вправо от
оси симметрии на рисунке 1 (вдоль оси Х).
В результате обводнения сместителя нарушения происходит
оседание висячего бока вдоль плоскости сместителя, что смоде-
лировано в виде просадки грунта справа от сплошной линии со
скоростью порядка 5-10 мм/нед. В результате такой просадки
возникает активизация сдвижений наносов, распределение кото-
рых приведено на рисунке 2.
Вначале происходили оседания – консолидация грунта и ос-
нования при наполнении цистерны, а затем после затопления
шахты – активизации подвижек вдоль сместителя. Эти сдвижения
сопровождаются переходом грунта, основания хранилища в за-
предельное состояние. Области предельного состояния, обуслов-
ленного растяжением, указаны позицией 1.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
18
Рис. 2. Контурная карта полных сдвижений грунта и нефте-
хранилища
Постепенно в запредельное состояние переходит нижняя
часть цистерны от растягивающих напряжений. В таких случаях
внизу цистерны будут возникать течи, вызванные трещинами от-
рыва и сдвига в стали. Однако даже если эти трещины завари-
вать, процесс запредельного состояния развивается вверх по бо-
ковой стенке цистерны со стороны висячего крыла нарушения.
На рисунке 3 показан процесс разрушения системы на по-
следнем этапе моделирования. На этом этапе наиболее активные
разрушения происходят на контакте грунта и бетонного основа-
ния. Проседание и разрушение грунта, после коллапса фундамен-
та, сопровождается опусканием стенки цистерны со стороны
нарушения и некоторым поднятием противоположной стенки с
противоположной стороны (рис. 4).
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
19
Рис. 3. Развитие зон запредельного состояния вокруг нефте-
хранилища
Рис. 4. Поле смещений корпуса нефтехранилища после ак-
тивизации сдвижений грунтового основания (макси-
мум смещений равен 1,7 мм)
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
20
Со стороны висячего крыла нарушения в стенке цистерны
генерируются вертикальные растягивающие напряжения, кото-
рые и вызывают переход стальной оболочки в запредельное со-
стояние (область 1 на рис. 5).
Характерно, что именно у основания цистерны растяжение
наблюдается и в боковом направлении (параллельном поверхно-
сти грунта – рис. 6). Именно такое сочетание растяжений в двух
плоскостях обусловило первоочередное зарождение трещин в
нижней части хранилища, что привело к разрушению емкости и
основания (рис. 7).
Рис. 5. Распределение вертикальной компоненты напряже-
ний в хранилище после активизации сдвижений
грунтового основания
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
21
Рис. 6. Распределение горизонтальных напряжений вдоль
оси, параллельной плоскости сместителя дизъюнк-
тива
Рис. 7. Области разрушения грунтового основания и цистер-
ны (показаны стрелками)
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 11, 2012
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 11, 2012
22
ВЫВОДЫ
Таким образом, предоставлена и исследована модель для ис-
следования деформирования нефтехранилища, сооруженного на
основании, возведенного в наносах, которые претерпевают акти-
визацию сдвижений в окрестности сместителя нарушения после
затопления шахты. Это позволит в дальнейшем прогнозировать
динамику разрушения объектов в результате действий техноген-
ного характера.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Гавриленко Ю.Н. Техногенные последствия закрытия уголь-
ных шахт Украины / Ю.Н. Гавриленко, В.Н. Ермаков,
Ю.Ф. Кренида и др. – Донецк: "Норд-Пресс", 2004. – 631 с.
2. Гавриленко Ю.Н. Исследование особенностей образования и
развития оползня / Ю.Н. Гавриленко, Петрушин А.Г. // Про-
блеми гірського тиску. Збірник наукових праць ДонНТУ. До-
нецьк, № 10, 2003. – С. 5 – 21.
3. Cundall, P., and M. Board. (1988) "A Microcomputer Program for
Modeling Large-Strain Plasticity Problems," in Numerical Meth-
ods in Geomechanics. // Proceedings of the 6th International Con-
ference, Innsbruck, Austria, April 1988, pp. 2101-2108,
G. Swoboda, Ed. Rotterdam: Balkema, 1988.
4. Метод конечных элементов в механике твердых тел. – К.:
Вища школа, 1982. – 480 с.
5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенке-
вич. – М.: Мир, 1975. – 511 с.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57103 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T03:03:13Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Назимко, И.В. Педченко, С.В. Васютина, В.В. 2014-03-03T18:28:50Z 2014-03-03T18:28:50Z 2012 Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты / И.В. Назимко, С.В. Педченко, Васютина В.В. Васютина // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2012. — № 11. — С. 12-22. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57103 622.831 Проведено комп’ютерне моделювання деформування нафтосховища у результаті підняття рівня ґрунтових вод. Numerical modeling of deformation oil tank has been carried out due to rise of the underground water level. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты Назимко, И.В. Педченко, С.В. Васютина, В.В. |
| title | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| title_full | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| title_fullStr | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| title_full_unstemmed | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| title_short | Анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| title_sort | анализ динамики сдвижения подтопляемого грунта и разрушения наземных объектов в результате мокрого погашения шахты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57103 |
| work_keys_str_mv | AT nazimkoiv analizdinamikisdviženiâpodtoplâemogogruntairazrušeniânazemnyhobʺektovvrezulʹtatemokrogopogašeniâšahty AT pedčenkosv analizdinamikisdviženiâpodtoplâemogogruntairazrušeniânazemnyhobʺektovvrezulʹtatemokrogopogašeniâšahty AT vasûtinavv analizdinamikisdviženiâpodtoplâemogogruntairazrušeniânazemnyhobʺektovvrezulʹtatemokrogopogašeniâšahty |