Stability assessment of the slopes and side-hills with account of the excess pressure in the pore liquid

Abstract

Purpose. The strength criteria substantiation of water-saturated soils and mine rocks, which make it possible to obtain the analytical solutions necessary for determining the stability of water-flooded soil slopes and side-hills. Methods. The methods are applied of analysis and generalization of the theoretical and numerical experimental studies results. The rocks and soils characteristics are taken into account: specific cohesion c, internal friction angle φ, compressive strength Rc and tensile strength Rp of the rock, as well as the bulk density. The load q was imposed to the water-saturated seam roof from the overlying mine rock or soil seams, the weight of equipment or structures located on the surface. It was accepted that the seam is saturated with water (gas) with the excess pressure Р. A point on the mine working surface (or vertical slope surface), located at a depth z is considered. It is determined at which ratio of q, P and z parameters the soil or rock seam will be destroyed. The problem solution is based on the Mohr-Coulomb strength criterion. Findings. The strengths of water-saturated rock and water-free rock are compared. The ratios have been obtained that make possible to determine the critical load on the daylight surface of water-saturated and water-free vertical slopes, side-hills, trenches and foundation pits, as well as various mine workings in soil bases and mine rocks. The analytical solution has been obtained, which makes it possible to determine a value of the critical pressure on the water-flooded vertical surfaces and soil slopes. The generalization has been made of a certain one-dimensional Mohr-Coulomb strength condition for a water-saturated base characterized by the strength characteristics с and φ for the dimensional case. Originality. It has been theoretically proved that for any pore pressure value in the water-saturated mine rock (or soil) their strength will be less than in their water-free state. New solutions have been formulated for determining the critical height of a water-saturated vertical soil slope or the wall in the vertical mine working. Practical implications. The obtained results make it possible to solve the practical engineering problems on determining the stability of water-saturated slopes and side-hills with a load-free daylight surface, therewith, taking into account the weight of the equipment, stored material and the stability of vertical walls of water-saturated seams of open-cut mine workings.

Мета. Обґрунтування критеріїв міцності водонасичених ґрунтів і гірських порід, що дозволяють отримувати аналітичні рішення, необхідні для визначення стійкості обводнених ґрунтових укосів та схилів. Методика. Застосовано методи аналізу та узагальнення результатів теоретичних і чисельних експериментальних досліджень. Враховано характеристики порід і ґрунтів: питоме зчеплення c, кут внутрішнього тертя φ, міцність породи на стиск Rc і розтяг Rp, питому вагу. До покрівлі водонасиченого шару прикладалася навантаження q від верхніх шарів порід (ґрунту), ваги розташованого на поверхні обладнання або конструкцій. Прийнято, що шар насичений водою (газом) з надлишковим тиском Р. Розглядається точка на поверхні виробки (або вертикального укосу), розташована на глибині z. Визначається, при якому співвідношенні параметрів q, P і z відбудеться руйнування ґрунтового або породного шару. Рішення завдання здійснюється на підставі критерію міцності Мора-Кулона. Результати. Проведено зіставлення міцності водо- і неводонасиченої породи. Отримані співвідношення дозволяють визначити критичне навантаження на денну поверхню водонасичених і неводонасищенних вертикальних укосів, схилів, траншей та котлованів, а також інших виробок у ґрунтових основах і гірських породах. Отримано аналітичний розв’язок, що дозволяє визначати величину критичного тиску на обводнені вертикальні поверхні та ґрунтові відкоси. Виконано узагальнення відомої одновимірної умови міцності Мора-Кулона для водонасиченої основи, що характеризується міцністю с і φ на просторовий випадок. Наукова новизна. Теоретично доведено, що при будь-якому значенні порового тиску у водонасиченій гірській породі (або ґрунті) їх міцність буде менше, ніж у неводонасиченному стані. Сформульовано нові рішення задач із визначення критичної висоти водонасиченого вертикального ґрунтового укосу або стінки вертикальної гірничої виробки. Практичне значення. Отримані результати дозволяють вирішувати практичні інженерні завдання з визначення стійкості водонасичених укосів і схилів з вільною від навантаження денною поверхнею і з урахуванням ваги обладнання, складованих матеріалів і стійкості вертикальних стінок водонасичених шарів відкритих виробок.

Цель. Обоснование критериев прочности водонасыщенных грунтов и горных пород, позволяющие получать аналитические решения, необходимые для определения устойчивости обводненных грунтовых откосов и склонов. Методика. Применены методы анализа и обобщения результатов теоретических и численных экспериментальных исследований. Учтены характеристики пород и грунтов: удельное сцепление c, угол внутреннего трения φ, прочность породы на сжатие Rc и растяжение Rp, удельный вес. К кровле водонасыщенного слоя прикладывалась нагрузка q от вышележащих слоев пород или грунта, веса расположенного на поверхности оборудования или конструкций. Принято, что слой насыщен водой (газом) с избыточным давлением Р. Рассматривается точка на поверхности выработки (или вертикального откоса), расположенная на глубине z. Определяется, при каком соотношении параметров q, P и z произойдет разрушение грунтового или породного слоя. Решение задачи осуществляется на основании критерия прочности Мора-Кулона. Результаты. Проведено сопоставление прочности водо- и неводонасыщенной породы. Получены соотношения позволяющие определить критическую нагрузку на дневную поверхность водонасыщенных и неводонасыщенных вертикальных откосов, склонов, траншей и котлованов, а также прочих выработок в грунтовых основаниях и горных породах. Получено аналитическое решение, позволяющее определять величину критического давления на обводненные вертикальные поверхности и грунтовые откосы. Выполнено обобщение известного одномерного условия прочности Мора-Кулона для водонасыщенного основания, характеризующегося прочностными характеристиками с и φ на пространственный случай. Научная новизна. Теоретически доказано, что при любом значении порового давления в водонасыщенной горной породе (или грунте) их прочность будет меньше, чем в неводонасыщенном состоянии. Сформулированы новые решения задач по определению критической высоты водонасыщенного вертикального грунтового откоса или стенки вертикальной горной выработки. Практическое значение. Полученные результаты позволяют решать практические инженерные задачи по определению устойчивости водонасыщенных откосов и склонов со свободной от нагрузки дневной поверхностью и с учетом веса оборудования, складированных материалов и устойчивости вертикальных стенок водонасыщенных слоев открытых выработок.