WSTĘPNE BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA PARCIA BOCZNEGO W OSADACH ZBIORNIKA ODPADÓW POFLOTACYJNYCH ŻELAZNY MOST

Transkrypt

1 Górnictwo i Geoinżynieria Rok 32 Zeszyt Janusz Kaczmarek* WSTĘPNE BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA PARCIA BOCZNEGO W OSADACH ZBIORNIKA ODPADÓW POFLOTACYJNYCH ŻELAZNY MOST 1. Wstęp Istotną częścią zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most, należącego do KGHM SA, jest układ ciągów odwadniających, w których skład wchodzą wieże lewarowe, tunele hydrotechniczne oraz galerie. Najstarsze z ciągów odwadniających projektowano na przełomie lat 60. i 70. ubiegłego wieku, stosując dostępne wówczas metody obliczeniowe. Większość obiektów tych ciągów dawno już osiągnęła pierwotną nośność projektową. Z eksploatowanych obecnie najlepiej swą rolę pełnią najstarsze ciągi odwadniające, ponieważ ich wieże lewarowe usytuowane są centralnie, daleko od plaż, co ma istotny wpływ na klarowność odprowadzanej wody nadosadowej. Z tego powodu niezmiernie istotne jest precyzyjne ustalenie, kiedy zostanie osiągnięty rzeczywisty kres pracy poszczególnych fragmentów tych ciągów do jakiej rzędnej mogą być one ostatecznie eksploatowane? Aby odpowiedzieć na postawione wyżej pytanie, należy przeprowadzić obliczenia kontrolne, w których użyty zostanie odpowiedni model geometryczny, adekwatny model materiału konstrukcji ciągów oraz schemat statyczny z poprawnie określonymi wielkościami obciążeń. Rozpatrzmy dalej problem wielkości obciążeń konstrukcji podziemnych zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most. Masyw zbiornika zbudowany jest ze szczególnego rodzaju gruntu, który na składowisku deponowany był w sposób w pełni kontrolowany, tak że rozpoznanie tego masywu pod względem jego budowy wewnętrznej uznać można za pewne. Obciążenia pionowe konstrukcji, wynikające z ciężaru praktycznie jednorodnego nadkładu, w tym wypadku uznać można za określone w sposób wzorcowy. Duży problem stanowi natomiast poprawne określenie rzeczywistych obciążeń poziomych konstrukcji podziemnych zbiornika. * Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska, Wrocław 169

2 W obliczeniach projektowych konsekwentnie przyjmowano współczynnik parcia bocznego K 0 obliczany z równania: K 0 = 1 sin φ, (1) gdzie φ jest kątem tarcia wewnętrznego osadów poflotacyjnych. Taki sposób definiowania współczynnika parcia bocznego przy aktualnie występujących wysokościach nadkładu nad budowlami podziemnymi zbiornika rodzi szereg wątpliwości. Współczynnik K 0 obliczany z zależności (1) zależny jest od parametru stanu granicznego, a przecież stan graniczny w otoczeniu konstrukcji wcale nie musi wystąpić. W obliczeniu współczynnika K 0 nie uwzględnia się własności mechanicznych materiału gruntowego, a nawet, co istotne w gruntach, wielkości obciążenia pionowego oraz czasu jego działania. W celu zweryfikowania przyjętego w obliczeniach konstrukcji podziemnych zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most współczynnika parcia bocznego osadów poflotacyjnych postanowiono wykonać wstępnie dwa badania laboratoryjne. 2. Aparat do laboratoryjnego wyznaczania współczynnika parcia bocznego w gruntach Do laboratoryjnego sposobu oznaczenia współczynnika parcia bocznego osadów poflotacyjnych zbiornika Żelazny Most wykorzystano koncepcję przedstawioną w [2]. Prototyp aparatu wykonano w Zakładzie Hydrotechnicznym KGHM SA według projektu autora koncepcji metody pomiaru. Na rysunku 1 przedstawiono schemat montażowy wykorzystanego do badań aparatu. Składa się on z podstawy (1), tłoka oporowego (2), tłoka napierającego (3) oraz grubościennego cylindra (4). Próbka (5) o średnicy 80 mm umieszczona jest między tłokiem oporowym i tłokiem napierającym. Obciążenie pionowe tłoka napierającego odbywa się przez koronkę (6) i stalową kulkę (7). Kulka ta zapewnia minimalne opory podczas obrotu tłoka napierającego wokół jego pionowej osi. Aparat wykonano z bardzo twardej stali kwasoodpornej. Tłok oporowy, napierający oraz grubościenny cylinder wykonano w sposób ciasno suwliwy. Tłok napierający spuszczony z góry w kierunku tłoka oporowego przemieszczał się powoli w dół pod wpływem ciężaru własnego w ciągu kilkunastu sekund na sucho oraz kilkudziesięciu sekund, gdy aparat był zanurzony w wodzie. Badanie w tak skonstruowanym aparacie polega na pomiarze granicznego momentu obrotu tłoka napierającego M 1 względem zanurzonej w wodzie, a następnie obciążonej próbki osadów poflotacyjnych, przy zablokowanej możliwości obrotu cylindra i tłoka oporowego. W drugiej kolejności mierzony był graniczny moment obrotu cylindra M 2 przy zablokowanej możliwości obrotu tłoka napierającego i oporowego ([2]). 170

3 Rys. 1. Rysunek montażowy aparatu wykorzystanego do laboratoryjnego badania współczynnika parcia bocznego w osadach zbiornika Żelazny Most 3. Interpretacja wyników pomiarów współczynnika parcia bocznego w osadach poflotacyjnych zbiornika Żelazny Most Wartość współczynnika parcia bocznego K 0 obliczano według równań przedstawionych w [3]. Dla podstawowego schematu obciążeń współczynnik parcia bocznego K 0 obliczany jest tam z równania: K M = (2) π μσ * 2 rh p Dla rozszerzonego schematu obciążeń: K 2r M = ln 1 μh 4 πr σp * (3) Przez μ oznaczono współczynnik tarcia próbki o ścianki aparatu i jest on obliczany z zależności: μ = M 2 πr * σ p (4) 171

4 W przedstawionych równaniach r jest promieniem próbki, h jej wysokością, a σ * p naprężeniem wynikającym z przyłożonego do tej próbki obciążenia. 4. Warunki wstępnego badania współczynnika parcia bocznego w osadach poflotacyjnych Przed przystąpieniem do badania stanowisko badawcze poddano kalibracji. Do obciążania aparatu wykorzystano układ dźwigniowy (prasę mechaniczną) o przełożeniu 1:10 (rys. 2). Rys. 2. Pomiar oporów obracania cylindra aparatu bez próbki Ustalono obciążenie aparatu badawczego wynikające z ciężaru dźwigni i całości mechanizmu obciążającego. Zmierzono opory obrotu cylindra (bez próbki) opierającego się na podstawie aparatu oraz opory obrotu tłoka napierającego i oporowego na kontakcie kulek z prasą (rys. 3). Pomimo znacznego przekroczenia przewidywanego zakresu pomiarowego obciążeń próbek osadów poflotacyjnych oba mierzone opory obrotu były tak małe, że swobodnie można było je pokonywać ręką. Badania współczynnika K 0 wykonano dla dwóch próbek osadów poflotacyjnych preparowanych z osadów o objętości około 4 litrów, pobranych z jednego miejsca korony zapory zbiornika. Próbki preparowano tak, by możliwie wiernie naśladować historię powstawania masywu zbiornika. Umieszczone w wodzie próbki obciążono tak, by odpowiadało to obciążeniu osadami ciągu odwadniającego C pod koroną zapory przy rzędnej równej 167,5 m n.p.m. przy wysokości nadkładu nad ciągiem C w tym miejscu równej 38,8 m. Daje to naprężenie pionowe w próbce równe 877,32 kpa. 172

5 Rys. 3. Pomiar oporów obrotu na kontakcie kulek z prasą Pierwszą próbkę, o wysokości 21 mm, badano po dłuższym okresie obciążania wynoszącym ponad 10 tygodni. Próbkę drugą, o wysokości 14 mm, obciążano przed badaniem zdecydowanie krócej, bo tylko przez 10 dni. Ponieważ badane próbki były zanurzone w naczyniu z wodą, dla kontroli stabilności podstawy aparatu w czasie badania zamontowano odpowiedni wskaźnik widoczny na rysunku 4. Ogólny widok stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 5. Sposób wykonywania pomiaru współczynnika parcia bocznego ilustruje z kolei rysunek 6. Rys. 4. Aparat do badania współczynnika parcia bocznego umieszczony w pojemniku z wodą 173

6 Rys. 5. Ogólny widok stanowiska badawczego przygotowanego do wykonania pomiaru współczynnika parcia bocznego Rys. 6. Pomiar współczynnika parcia bocznego w próbce osadów zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most 5. Wyniki wstępnego badania współczynnika parcia bocznego w osadach poflotacyjnych W interpretacji wyników badania pominięto ciężar własny aparatu i ciężar próbki. Parametry badania, rezultaty pomiarów i interpretację wyników badania dwóch próbek osadów poflotacyjnych zbiornika Żelazny Most przedstawiono w postaci tabeli (tab. 1). 174

7 Naprężenie pionowe w poziomej płaszczyźnie środkowej próbki obliczono według [3]: z k * r pe μ σ ( z) =σ dla z = 0,5 h. (5) p TABELA 1 Parametry badania, rezultaty pomiarów i interpretacja wyników badania dwóch próbek osadów poflotacyjnych zbiornika Żelazny Most Parametry badania, rezultaty pomiarów i interpretacja wyników badania Próbka 1 Próbka 2 Promień próbki [m] 0,04 0,04 Wysokość próbki [m] 0,021 0,014 Siła obciążająca aparat [kn] 4,408 4,408 Moment obrotu tłoka napierającego M 1 [knm] 0, ,0525 Moment obrotu cylindra M 2 [knm] 0,0625 0, Współczynnik tarcia próbki o ścianki aparatu obliczony z równania (4) 0,457 0,447 Kąt tarcia między próbką a ściankami aparatu [ o ] 24,560 24,085 Współczynnik K 0 obliczony dla warunków schematu podstawowego z równania (2) Współczynnik K 0 obliczony dla warunków schematu rozszerzonego z równania (3) 0, , , ,78312 Naprężenie na górnej powierzchni próbki [kpa] 876,94 876,94 Naprężenie pionowe na poziomej płaszczyźnie środkowej obliczone z równania (5) [kpa] Widok wysuszonej próbki 1 przedstawia rysunek ,23 824,88 Rys. 7. Obraz wysuszonej próbki po badaniu 175

8 Widać wyraźne sine smugi na powierzchniach próbki, na których występował poślizg względem ścianek aparatu. Smug takich nie stwierdzono na dolnej powierzchni próbki nad tłokiem oporowym. 6. Wnioski końcowe W wykonanych wcześniej obliczeniach projektowych obiektów podziemnych składowiska odpadów poflotacyjnych Żelazny Most przyjmowano, że współczynnik parcia bocznego osadów obliczany jest z równania (1). W analizach przyjmowano kąt tarcia wewnętrznego osadów φ równy 34, co daje współczynnik parcia bocznego osadów poflotacyjnych K 0 równy 0, Obliczany według (1) współczynnik zależy wyłącznie od jednego parametru stanu granicznego, nie jest zależny od własności sprężystych cząstek gruntu, ich własności lepkich, wielkości naprężenia pionowego oraz czasu jego działania. Zbadana doświadczalnie wartość współczynnika parcia bocznego osadów poflotacyjnych zbiornika Żelazny Most ustalona dla określonej wielkości obciążenia pionowego próbki i ustalonym czasie jego działania jest znacznie większa od wielkości przyjmowanej w dotychczasowych obliczeniach projektowych. Oznaczona doświadczalnie jest większa od 0,7. Z wykonanych badań wynika, że decyzje o zamykaniu lub dalszej eksploatacji starych ciągów zbiornika odpadów poflotacyjnych Żelazny Most bez wcześniejszej realizacji kompleksowych badań osadów pozwalających na ustalenie rzeczywistych wartości tego współczynnika mogą być podjęte zbyt pochopnie. Wykonane badania wstępne nie są badaniami, na podstawie których można jednoznacznie określić, jaką wartość współczynnika parcia bocznego dla osadów zbiornika należy przyjąć. Dla podjęcia odpowiedzialnej decyzji o losach ciągów odwadniających należy opracować i wykonać program badań, który pozwoli na obiektywne i statystycznie reprezentatywne określenie właściwej wartości współczynnika parcia bocznego w osadach poflotacyjnych. Znajomość rzeczywistej wartości współczynnika parcia bocznego osadów poflotacyjnych wpływa nie tylko na właściwą ocenę wytężenia konstrukcji, ale powinna być brana pod uwagę podczas podejmowania decyzji o kształtowaniu całego zbiornika. LITERATURA [1] Gergowicz Z.: Geotechnika górnicza. Wrocław, Politechnika Wrocławska 1968 [2] Kaczmarek J.: Koncepcja sposobu laboratoryjnego pomiaru współczynnika parcia bocznego w gruntach. XXIX Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii, Geotechnika i Budownictwo Specjalne, Kraków, KGBiG AGH 2006 [3] Kaczmarek J.: Interpretacja wyników badania współczynnika parcia bocznego w gruntach metodą opartą na pomiarze momentów od sił tarcia. Zamieszczono w tym Zeszycie [4] Wiłun Z.: Zarys geotechniki. Warszawa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności