veststuВестник Сибирского государственного университета путей сообщенияBulletin of Siberian State University of Transport1815-9265Сибирский государственный университет путей сообщения10.52170/1815-9265_2023_67_84veststu-121Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАBUILDING AND ARCHITECTUREЧисленные методы при определении горного давления в скальных и дисперсных грунтахNumerical methods for determining rock pressure in rocky and dispersed soilsСтахнёвЯ. О.StakhnyovYa. O.

Ярослав Олегович Стахнёв – аспирант кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены»

Новосибирск

Yaroslav O. Stakhnyov – Postgraduate student of the Geotechnics, Tunnels and Subways Department

Novosibirsk

yaroslav.staxnyov.95@mail.ruКоролевК. В.KorolevK. V.

Константин Валерьевич Королев – заведующий кафедрой «Геотехника, тоннели и метрополитены», доктор технических наук, профессор

Новосибирск

Konstantin V. Korolev – Head of the Geotechnics, Tunnels and Subways Department, Doctor of Engineering, Professor

Novosibirsk

korolev_kv@mail.ruСибирский государственный университет путей сообщенияРоссияSiberian Transport UniversityRussian Federation202330122023048491Copyright © Стахнёв Я.О., Королев К.В., 20232023Стахнёв Я.О., Королев К.В.Stakhnyov Y.O., Korolev K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikstu.ru/jour/article/view/121

В настоящей статье рассмотрены численные методы решения задачи, посвященной определению горного давления, при помощи аппаратов, базирующихся на методе конечных элементов и на так называемом методе предельного анализа, который в настоящее время получает все большую популярность и реализуется в ряде программных комплексов. Широкое распространение нового метода объясняется тем, что в отличие от метода конечных элементов (в классическом его понимании) в методе предельного анализа реализованы уравнения равновесия и закон прочности грунта напрямую. Важный вопрос при проведении любых численных расчетов, как по методу конечных элементов, так и по методу предельного анализа, заключается в определении модели поведения грунта на предельной стадии работы. Если с поведением дисперсных грунтов все относительно просто: в этом случае применяется идеальная упругопластическая модель с критерием разрушения Кулона – Мора, основными характеристиками которой являются угол внутреннего трения грунта φ и удельное сцепление грунта c, то с поведением скальных грунтов возникают вопросы. В данной работе в качестве критерия разрушения принят критерий Хоука – Брауна, основным параметром которого является Rc – предел прочности грунта на одноосное сжатие. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с методикой расчета горного давления, предложенной авторами в ранее опубликованных статьях. Установлено, что результаты, полученные в ходе конечно-элементного расчета, дают качественно неправдоподобную картину. Кроме того, выполнена проверка равновесия конечно-элементной модели.

This article discusses numerical methods for solving the problem of determining rock pressure using devices based on the finite element method and the so-called limit analysis method, which is currently becoming increasingly popular and is implemented in a number of software systems. Such popularity of the new method is explained by the fact that, unlike the finite element method in its classical sense, the equilibrium equations and the law of soil strength are implemented directly in the method of limit analysis. An important issue in carrying out any numerical calculations, both by the finite element method and by the method of limit analysis, is to determine the behavior model of the soil at the limit stage of work. If everything is relatively simple with the behavior of dispersed soils, in this case an ideal elastic-plastic model with the Mohr-Coulomb destruction criterion is used, the main characteristics of which are φ – the angle of internal friction of the soil and c – the specific adhesion of the soil, then questions arise with the behavior of rocky soils. In this paper, the Hoek-Brown criterion is adopted as the criterion of destruction, the main parameters of which are Rc – the strength limit of the soil for uniaxial compression. In addition, in this work, the results of numerical calculations were compared with the method of calculating rock pressure proposed by the authors in previously published articles. It was found that the results obtained during the finite element calculation give a qualitatively implausible picture. In addition, in this work, the equilibrium of the finite element model was checked.

свод обрушенияподземное сооружениегорная выработкагорное давлениегрунтовый массивметод конечных элементовметод предельного анализаarch collapseunderground structureminingrock pressuresoil massfinite element methodlimit analysis methodReferencesСтахнёв Я. О., Королев К. В. Статическое решение задачи о горном давлении методом характеристик теории предельного равновесия // Известия вузов. Строительство. 2020. № 12. С. 78–85.Stakhnyov Ya. O., Korolev K. V. Static solution of the problem of mountain pressure by the method of characteristics of the theory of limiting equilibrium. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2020;(12):78–85. (In Russ.).Стахнёв Я. О., Королев К. В. Горное давление в полускальных грунтах и экспериментальное его исследование на примере строительства объекта инфраструктуры железнодорожного транспорта // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 61. С. 104–116.Stakhnyov Ya. O., Korolev K. V. Mountain pressure in semi–horizontal soils and its experimental study on the example of the construction of a railway transport infrastructure facility. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(61):104–116. (In Russ.).Стахнёв Я. О., Королев К. В., Жукова Е. Н. К вопросу о горном давлении и сводообразовании // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений : труды VI Международной конференции, 10–11 апреля 2019 г. Екатеринбург : Издательство Уральского государственного горного университета, 2019. С. 209–216.Stakhnyov Ya. O., Korolev K. V., Zhukova E. N. On the question of mountain pressure and arch formation. Design, construction and operation of complexes of underground structures. Proceedings of the International Conference April 10– 11, 2019. Yekaterinburg: Publishing House of Ural State Mining University; 2019. P. 209–216. (In Russ.).Karaulov A. M., Korolev K. V., Stakhnev Ya. O. Determining the Magnitude of Rock Pressure on the Underground Mine Working Support // Lecture Notes in Civil Engineering : Proceeding of the XIII International Scientific Conference on Architecture and Construction 2020 – Commemorating the 90th anniversary of Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering. Novosibirsk, 2020. Р. 174–185.Karaulov A. M., Korolev K. V., Stakhnyov Ya. O. Determining the Magnitude of Rock Pressure on the Underground Mine Working Support. Lecture Notes in Civil Engineering: Proceeding of the XIII International Scientific Conference on Architecture and Construction 2020 – Commemorating the 90th anniversary of Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering. Novosibirsk; 2020. Р. 174–185.Шашкин А. Г. Критический анализ наиболее распространенных нелинейных моделей работы грунта // Инженерная геология. 2010. № 3. С. 29–37.Shashkin A. G. Critical analysis of the most common nonlinear models of soil work. Engineering geology. 2010;(3):29–37. (In Russ.).Шашкин К. Г., Шашкин В. А., Дунаева М. В. Численное моделирование задач предельного равновесия с помощью упругопластической модели // Геотехника. 2011. № 4. С. 10–23.Shashkin K. G., Shashkin V. A., Dunaeva M. V. Numerical modeling of limit equilibrium problems using an elastic-plastic model. Geotechnics. 2011;(4):10–23. (In Russ.).Шашкин К. Г., Васенин В. А. Численный расчет совместной работы основания и конструкций высотного здания // Геотехника. 2010. № 6. С. 38–45.Shashkin K. G., Vasenin V. A. Numerical calculation of the joint work of the foundation and structures of a high-rise building. Geotechnics. 2010;(6):38–45. (In Russ.).Awwad T., Al Kodsi S., Ulitsky V. Numerical analysis using elastic–plastic soil model for a single pile in clay layer to examine the effect surcharge loading on the distribution of skin friction // Transportation Soil Engineering in Cold Regions : Proceedings of TRANSOILCOLD 2019. 2019. Vol. 49. P. 499–506. (Series: Lecture Notes in Civil Engineering).Awwad T., Al Kodsi S., Ulitsky V. Numerical analysis using elastic-plastic soil model for a single pile in clay layer to examine the effect surcharge loading on the distribution of skin friction. Transportation Soil Engineering in Cold Regions: Proceedings of TRANSOILCOLD 2019. 2019;49:499–506. (Series: Lecture Notes in Civil Engineering).Undrained Stability of an Unlined Square Tunnel in Spatially Random Soil / A. Ali, A. V. Lyamin, J. Huang [et al.] // Geo-Risk GSP 2017. Vol. 284. P. 507–517.Ali A., Lyamin A. V., Huang J. [et al.]. Undrained Stability of an Unlined Square Tunnel in Spatially Random Soil. Geo-Risk GSP. 2017;284:507–517.Quantitative risk assessment of landslide by limit analysis and random fields / J. Huang, A. V. Lyamin, D. V. Griffiths [et al.] // Computers and Geotechnics. 2013. Vol. 53. P. 60–67.Huang J., Lyamin A. V., Griffiths D. V. [et al.] Quantitative risk assessment of landslide by limit analysis and random fields. Computers and Geotechnics. 2013;53:60–67.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.