книги / Механика скальных грунтов и скальных массивов
..pdf
|
"З.м 1а |
|
|
|
гидравлических домкратов они нагружа |
||||||
|
|
|
|
|
|
г |
ются вертикальной и горизонтальной на |
||||
|
|
|
И |
|
|
/ |
грузками (рис. 9.7). В подземных выработ |
||||
|
|
|
+ |
□ 4 |
ках домкраты имеют упоры в свод и в |
||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
°/ |
+ |
стены выработки. На открытых местах для |
|||||
60 |
|
|
□ |
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
этих целей сооружают специальные опор |
||||
50 |
|
|
9 |
|
|
|
ные конструкции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Через вертикальный |
домкрат переда |
|||||
|
|
+ |
» % 9 |
|
|
|
|||||
|
|
(Ш |
|
|
|
ется нормальная к йлоскости сдвига сила |
|||||
40 |
|
|
|
|
|
||||||
|
7 |
■ |
|
|
|
N, которая поддерживается постоянной в |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
течение всего опыта, в то время какгори- |
|||||
|
. |
/ |
|
|
|
|
|||||
30 |
|
|
|
|
зонтальная |
сила |
Г, сдвигающая блок, |
||||
|
|
/ |
|
|
|
|
возрастает ступенями до тех пор, пока не |
||||
|
/ |
|
|
|
|
|
|||||
20 |
|
|
|
|
|
достигнет предельного разрушающего зна |
|||||
10 I |
|
|
|
|
|
чения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В процессе испытаний при нагрузке и |
||||||
|
0 |
|
10 |
|
£ст1сг3,мпа |
разгрузке выполняют измерения горизон- |
|||||
|
|
|
хальных перемещений блока. По результа |
||||||||
Рис. 9.6. Зависимость |
там опытов строят графики горизонталь |
||||||||||
междуЕди£ст, построенная |
ных перемещений |
и в |
зависимости |
от |
|||||||
по результатам полевых опы |
изменения |
касательных |
напряжений |
т |
|||||||
|
|
тов (Ухов, 1975) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(рис. 9.8, а). Значения нормальных а и каса тельных т напряжений, действующих в плоскости сдвига, вычис ляют по формулам
СТ= N /F - X : T/F , |
(9.4) |
где F - площадь сдвига.
Проводят по крайней мере три опыта при разных нормальных на пряжениях ст, после чего строят кривые изменения предельных сдви
|
гающих напряжений тпр в зависимо |
|
Скальный массив |
сти от нормальных напряжений ст, |
|
|
характеризующие зависимость Ку |
|
|
лона (рис. 9.8, б). Параметры с и (р оп |
|
|
ределяют либо из этого графика, ли |
|
|
бо вычисляют. |
|
|
Существует также альтернатив |
|
|
ный способ определения указанных |
|
|
параметров с помощью метода по |
|
|
левых трехосных испытаний скаль |
|
Скальный блок Скальный массив |
ного целика (рис. 9.9). Боковое на |
|
Рис. 9.7. Схема полевых испытаний |
гружение при этом осуществляется |
|
плоскими домкратами, упирающи |
||
на сдвиг в подземной камере |
||
|
а) |
б) |
^пр, МПа |
|
|
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 1 2 3 ст, МПа
Рис. 9.8. Результаты испытаний по сдвигу штампа (Ухов, 1975):
а - зависимость касательных напряжений т от горизонтальных перемещений и для прочных ненарушенных (/, II) и сильно трещиноватых (III) пород;
б - зависимость т=/(а)
мися в специально сооружаемую металлическую раму. Вертикаль ная нагрузка к целику прикладывается так же, как и в случае испы таний на сдвиг. Выполняют несколько опытов при разных постоян ных значениях боковой нагрузки и по разрушающим нагрузкам строят в осях а и т круги Мора, после чего проводят предельную огибающую кривую (рис. 9.10). Как и в предыдущем случае, параме тры, определяющие сдвиговое разрушение, находят либо графиче ски, либо устанавливают аналитическим путем.
При исследованиях скальных массивов и их классификации необ ходимо уметь определять механические характеристики скальных грунтов в полевых условиях, проводя опыты непосредственно на по верхности массива либо используя получаемые при бурении керны.
В практике инженерных изыс Скальный массив каний для этих целей использу ют два метода: первый базиру ется на применении молотка
.Стальная
конструкция
Плоский
домкрат
Боковые плоские Скальный домкраты массив
Рис. 9.9. Схема испытания скального
целика на трехосное сжатие (Джегер, 1975)
Шмидта, второй предусматри вает точечное приложение на грузки. На основе этих методов скальный грунт характеризу ется определенным индексом, который позволяет, применяя специальные таблицы (номо граммы), установить механи ческие свойства исследуемого грунта.
IS = P / D \ |
(9.5) |
где P - прикладываемая сила; D - диаметр керна.
Схема проведения опыта и график, с помощью которого можно определить прочность на одноосное сжатие по полученному индек су /у, приведены на рис. 9.12.
9.3. Исследование природного напряженного состояния скаль ных массивов. Напряженное состояние, характерное для скально го массива до возведения надземного сооружения или до наруше ния его выработками, является естественным, развившимся в течение всей истории формирования массива.
Результаты наблюдений состояния скального массива вокруг туннелей, приведенные в работе (Heim, 1878), позволили впервые установить, что выработки в массиве со всех сторон подвержены воздействию высоких напряжений. В этой же работе было выска зано мнение, что во всех точках скального массива реализуется ги дростатическое распределение напряжений, при этом вертикаль ная компонента тензора напряжений (о=УН) определяется весом вышележащих пород.
Задача о распределении напряжений в породном массиве в по ле гравитационных сил была рассмотрена и решена в работе (Динник, 1925). Считая скальный массив однородной, изотропной, сплошной средой и используя закономерности теории упругости, автор показал, что в рассматриваемом случае вертикальная со ставляющая природных напряжений связана с горизонтальной со ставляющей следующим выражением:
Рис. 9.12. График корреляции между индексом точечного приложения нагрузки и прочностью на одноосное сжатие (Hudson, Harrison, 1997)
(9.6)
где член v /(l-v ), являясь функцией коэффициента Пуассона, называётся коэффициентом бокового давления (бокового отпора) и обозначается как X.
Указанной теорией в течение многих лет для решения задач пользовались как механики дисперсных (нескальных) грунтов, так и механики скальных грунтов. Однако исследования, выполненные при возведении высоконапорных плотин и крупных подземных со оружений, показали, что во многих случаях горизонтальные состав ляющие природных напряжений превышают вертикальные. Это означает, что естественное напряженное состояние точек массива во многом зависит не только от собственного веса вышележащих слоев, но и от других факторов: рельефа местности, тектонических процессов, общих литологических и структурно-геологических ха рактеристик (Виттке, 1990). В работе (Ranalli, Chandler, 1975) были обобщены материалы по определению естественного напряженного состояния массивов и, несмотря на большой разброс опытных дан ных, сделаны два важных вывода. Было установлено, что породы кристаллического фундамента древних платформ и деформиро ванные породы складчатых поясов обычно обнаруживают горизон тальные напряжения (обусловленные весом вышележащих отло жений), которые превышают теоретические значения, а в породах осадочного чехла, наоборот, наблюдаются горизонтальные напря жения, значения которых меньше значений вертикальных.
Необходимость знания природного напряженного состояния скальных массивов для решения инженерных задач потребовала проведения многочисленных полевых исследований, которые про водили по различным программам. В одних измеряли лишь отдель ные компоненты тензора напряжений, в других определяли пол ный тензор напряжений. В работе (Hoek, Brown, 1980) были проанализированы результаты этих исследований (рис. 9.13)
На рис. 9.13, а представлен график изменения вертикальных напряжений о г = УН, определенных по гипотезе Гейма, в зависимо сти от глубины, на которой проводили измерения. При этом в каче стве объемного веса принимали усредненное значение, равное 0,0027 М Н /м3. Анализ графика показывает, что в некоторых случа ях измеренные напряжения достаточно хорошо согласуются со спрогнозированными в соответствии с теорией, но в большинстве случаев, особенно при глубинах менее 1000 м, напряжения, полу ченные экспериментальным путем, могут значительно отличаться
Глубина заложения,
Рис. 9.13. Природные вертикальные (а) и горизонтальные (б) напряжения (Brown, 1980)
от теоретических. В частности, можно отметить, что вблизи по верхности отмечаются экспериментальные значения, в 5 раз пре вышающие подсчитанные на основе теории. Также на глубинах между 500 и 1500 м имеются точки, в которых значения напряже ний в 5 раз меньше теоретических. На основании изложенного можно сделать вывод о том, что гипотеза Гейма позволяет полу чить предварительные значения вертикальных составляющих на пряжений, которые в каждом конкретном случае должны быть скорректированы и уточнены.
На рис. 9.13, б показан график изменения горизонтальных на пряжений в зависимости от глубины, на которой были измерены их значения. По оси X откладывалось отношение среднего арифмети ческого двух компонент горизонтальных напряжений к значению вертикального напряжения, т.е. значение коэффициента бокового давления X. Авторы предложили формулу для построения двух кривых, которые ограничили область изменения коэффициента бокобого давления при увеличении глубины z :
100 |
Л, , |
1500 |
Л, |
(9.7) |
------Z |
н 0,3 < X < |
-------2 |
+ 0,5. |
|
|
|
|
Отметим, что затемненная область на рис. 9.13, б характеризует границы изменения коэффициента бокового давления: 0,33<Х<1,00, Т.е. в пределах, предсказанных теорией упругости. Вместе с тем, в соответствии с формулой (9.7), коэффициент бокового давления при увеличении глубины стремится к интервалу 0,3<Х<0,5, а это свидетельствует о том, что на значительных глубинах для опреде ления коэффициента X нельзя использовать закономерности тео рии упругости.
По графику на рис. 9.13, а хорошо видно, что в подавляющем большинстве случаев горизонтальные напряжения превышают вертикальные. Например, при глубинах, наиболее характерных для строительства инженерных сооружений (0-500 м), в 92% рас смотренных случаев средние значения горизонтальных напряже ний превышали значения вертикальных компонент. Такая же тен денция наблюдается и на больших глубинах. Естественно, коэффициент бокового давления имеет самые высокие значения в непосредственной близости от дневной поверхности или на самой поверхности, где вертикальные напряжения отсутствуют.
В настоящее время имеются карты различных регионов Земли, на которых показано распределение природных напряжений лито сферы. В качестве примера на рис. 9.14 представлена карта ориен-
тирования максимальных горизонтальных главных напряжений на территории Северо-Восточной Европы, на которой видно, что в данном регионе упомянутые напряжения имеют преимуществен ное направление с юго-востока на северо-запад.
Естественно, такие карты более важны для геологов, чем для ин женеров, которых интересует природное напряженное состояние зон, расположенных в верхней части земной коры. Однако, несмотря на глобальный масштаб, они весьма полезны и для инженеров, по скольку дают предварительную информацию об ориентации напря жений и позволяют получить общее представление об их значениях.
В инженерной практике для оценки горизонтальных природных напряжений целесообразно использовать модель, предложенную в работе (Sheorey, 1994). Учитывая особенности тектонического строе ния скального массива и изменение по толщине земной коры упру гих постоянных, плотности и коэффициента температурного расши рения скальных грунтов, эта модель позволяет оценить отношение горизонтальных напряжений к вертикальным в зависимости от из менения модулей деформации в горизонтальном направлении.
Условные обозначения:
\ Направлениегоризонтальныхнапряжений (результатыполевыхисследований)
О Горизонтальныенапряжения, равныевовсехнаправлениях
\Направлениемаксимальныхгоризонтальных
напряжений(анализземлетрясений)
ЕЭ Альпийскийскладчатыйпояс
ЧНаправлениемаксимальных
горизонтальныхнапряжений (анализ разломов)
ЧНаправление
максимальных
горизонтальных
напряжений
(эксперемент)
Рис. 9.14. Направления максимальных горизонтальных напряжений в Северо-Восточной Европе (Hudson, Cooling, 1988)
Автором приводится график этой зависимости (рис. 9.15), который аналогичен графику, построенному по результатам эксперимен тальных исследований природных напряжений в разных районах мира (см. рис. 9.13). Естественно, на основании подобного совпадения нельзя делать какие-либо выводы о справедливости предложенной модели, учитывая глобальный масштаб рассматриваемой проблемы. Тем не менее очень хорошо просматривается корреляция между те орией и результатами экспериментальных исследований.
В отечественной практике на предварительных стадиях проек тирования высоконапорных плотин, крупных туннелей и камер ных выработок больших пролетов компоненты природных напря жений массива пород можно определить по формулам
а=УНР; ox=oy=Xoz, |
(9.8) |
где а,, ох и су - соответственно компоненты вертикальных и горизон тальных главных напряжений; у - объемный вес породы; Нр = кН\ к - коэффициент, учитывающий влияние тектонических и струк турно-геологических факторов на напряженное состояние скально го массива; Я - расстояние от поверхности до точки, в которой опре деляются напряжения; X - расчетное значение коэффициента бокового давления (см. табл. 9.2).
Коэффициент бокового давления X
Рис. 9.15. Кривые изменения отношений природных горизонтальных напряжений
квертикальным в зависимости от глубины заложения и модуля деформации Ед
вгоризонтальном направлении
Таблица 9.2
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ к И Я (Мостков и др„ 1993)
Тектонические |
к |
X |
|
и структурно-геологические факторы |
|||
|
|
||
Районы, не осложненные тектонической деятель |
|
|
|
ностью с горизонтальным рельефом |
|
|
|
в крепких грунтах (коэффициент крепости f > 8) |
1 |
0,25-0,3 |
|
в трещиноватых грунтах средней и ниже |
|
|
|
средней крепости (f £ 8) |
1 |
1 |
|
Районы современной тектонической активности |
|
|
|
вне зоны влияния крупных разломов и крутых |
|
|
|
склонов |
1 |
1,5 |
|
в зонах влияния крупных разломов и под |
|
|
|
крутыми склонами |
1,5 |
2 |
|
В нижней части крутых склонов в горных районах |
|
|
|
на расстоянии от поверхности склона: |
|
|
|
не более 100 м |
2,5 |
0.8 |
|
100-500 м |
1,5 |
~ 1,3 |
|
более 500 м |
1 |
2 |
На окончательных стадиях проектирования необходимо пользо ваться результатами экспериментальных исследований природно го напряженного состояния скального массива, проведенных по специально разработанным программам.
При натурных экспериментальных исследованиях напряжен ного состояния скального массива используют следующие методы.
1. Статические методы, которые подразделяются на методы разгрузки и методы восстановления (компенсационные методы).
Методы разгрузки заключаются в измерении упругих дефор маций элемента (керна) скального массива, который выбуривают в скважине из породы, разгружая таким образом массив от природ ных напряжений. По измеренным упругим деформациям разгруз ки с помощью установленных заранее упругих характеристик кер на определяют напряжения, действующие в скальном массиве.
Существуют разные варианты методов разгрузки:
-измерение деформаций торца керна при его выбуривании, ко торые выполняются в трех взаимно перпендикулярных скважи нах, что дает возможность вычислить полный тензор напряжений для рассматриваемой точки массива (рис. 9.16, а);
-измерение изменений диаметра опережающей центральной скважины малого диаметра в выбуриваемом керне либо измерение деформаций ее стенок. В первом случае изменение диаметра фик сируется с помощью специальных деформометров, во втором - де-