Механика скальных грунтов и скальных массивов
..pdfже в том, что она нагляд но демонстрирует явление дилатансии, т.е. способнос ти трещины расширяться в условиях сдвига при невы соких значениях нормаль ных напряжений.
В то же время эту модель нельзя в чистом виде ис пользовать для определения сдвиговой прочности нару шений сплошности скально го массива, поскольку в при
роде шероховатость стенок трещин никогда не бывает регулярной. Как правило, встречается целый спектр неровностей и в широких пределах варьируется эффективная площадь оснований выступов. Поэтому для практического применения указанной модели необхо дима методика по обработке данных полевых исследований трещин
иполучению статистически обоснованных параметров, используемых
вней.
Сучетом важности проблемы проводятся многочисленные иссле дования, посвященные полевой оценке шероховатости стенок тре щин и представлению полученных результатов в виде, удобном для их использования при определении сопротивления трещин сдвигу.
Рассмотрим шероховатость с позиций ее влияния на сопротив ление трещины сдвигу.
По данным работы (Методические рекомендации..., 1984), шеро ховатость поверхностей при нарушении сплошности характеризу ется волнистостью и неровностью. Под волнистостью понимается поверхность с крупномасштабными волнообразными выступами, наличием которых обусловливаются высокое сопротивление сдви гу и раскрытие сомкнутых трещин во время сдвигового перемеще ния. Неровность - это мелкомасштабная шероховатость, имеющая тенденцию или разрушаться в процессе сдвига, или, если уровни нормальных напряжений малы, также способствовать раскрытию трещин. Иными словами, волнистость определяет дилатансионные свойства трещины, тогда как неровности в первую очередь опреде ляют прочность поверхности ее стенок.
Вработе (Методические рекомендации..., 1984) даны разные спо собы оценки шероховатости и определения углов наклона неровнос тей. Существуют методики (Могилевская, 1993) статистической об работки полученных результатов. По этим методикам вычисляют
средневзвешенные значения пикового и остаточного углов трения, прочностные характеристики материала выступов шероховатости, а также угла /, обусловленного крупномасштабной волнистостью.
Зная эти параметры, для расчетов прочности трещины на сдвиг можно использовать приведенные выше формулы.
Так, при небольших нормальных напряжениях и возможности дилатансии прочность трещины на сдвиг определяется по формуле (5.11), при невозможности раскрытия трещины и сдвиге с разруше нием неровностей - по формуле (5.6). Для запредельного состояния при полном разрушении выступов шероховатости используется формула (5.7). При этом, поскольку сцепление в плоскости сдвигово го разрушения достаточно мало, формулу (5.7) можно преобразо вать к виду (Hoek, Bray, 1974)
^ост ^п^ёФост* |
(5.12) |
Во многих случаях, согласно данным'(Гудман, 1987), фост можно заменять на фм, поскольку, как показывают результаты исследова ний, их значения близки.
Помимо упомянутых формул многочисленными исследователя ми предлагались различные эмпирические зависимости. Наиболее известной из них, нашедшей широкое практическое применение, является следующая формула (Barton et al., 1985):
(5.13)
где JRC - коэффициент шероховатости трещины; JCS - прочность на сжатие материала стенки трещины; ап- действующее нормаль ное напряжение; фост - остаточный угол трения.
Прочность на сжатие материала стенки трещины определяют экспериментально, а коэффициент шероховатости трещины - ме тодом сравнения профиля трещины, полученного опытным путем, со стандартным (рис. 5.10).
Поскольку в формуле (5.13) первое слагаемое в скобках пред ставляет собой угол наклона неровности /, она отличается от фор мул, приведенных выше, тем, что в ней учитывается изменение / в зависимости от значений действующих нормальных напряжений, т.е. она позволяет проследить, как зависит форма разрушения вы ступов шероховатости от напряженного состоянйя при сдвиге.
Были проведены и другие исследования, отражающие в некото рой мере явления, которые происходят в контактирующих стенках трещины в процессе сдвига (Ladanyi, Archambault, 1970; Газиев, 1977; Ухов, Бурлаков, 1990).
Заполнитель трещины - мате риал, который частично или полно стью заполняет полость между по верхностями стенок трещины. При мощности заполнителя, превышаю щей высоту выступов шероховатос ти, сопротивление трещины сдвигу равно сдвиговой прочности заполни теля. Материал заполнителя может быть самым разнообразным - от глинки трения до продуктов вывет ривания коренных пород.
Значения параметров, приведен ные в табл. 5.1, можно рассматривать как первое приближение и в каждом конкретном случае их необходимо уточнять экспериментально.
Сопротивление сдвигу материала заполнителя можно определить по данным литературы, посвященной сдвиговой прочности грунтов.
Если мощность заполнителя мень ше высоты выступов шероховатости, механизм сопротивления сдвигу усложняется. Первоначально, когда сдвиговые смещения не велики, прочность трещины на сдвиг определяется прочностью за полнителя. В дальнейшем, с увеличением перемещений, вступают в контакт выступы шероховатости, что и начинает определять сопро тивление трещины сдвигу.
Таблица 5.1
ПАРАМЕТРЫ СДВИГОВОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ (Hoek, Bray,1974)
Материал |
Угол трения ф,° |
Сцепление, кПа |
Твердая глина |
10-20 |
100 |
Мягкая глина |
5-7 |
25 |
Плотная глина |
- |
50 |
Глинка трения |
10-20 |
- |
Кальцитовый заполнитель
20-27
тектонических зон
Сланцеватый разломный
14-22
материал
В этом случае, если известны свойства и мощность заполнителя и изучена шероховатость стенок трещины, ее сопротивление сдвигу можно определить расчетным путем, например, по формуле (5.13). Однако результаты расчетов следует рассматривать тоже как пред варительную оценку, которая должна уточняться экспериментально.
Анализ современных методов определения прочности трещин на сдвиг дан в работе (Речицкий, Эрлихман, 1997); там же подроб но рассмотрено влияние на эту прочностную характеристику мас штабного фактора.
Наличие воды в трещине. Сопротивление сдвигу вдоль трещи ны в значительной мере зависит от значения нормального напря жения, действующего на нее. Вода, заполняющая полость трещи ны, воспринимает часть этой нагрузки и таким образом снижает прочность на сдвиг.
Влияние поровой воды в грунтовом массиве на его напряженное состояние впервые был рассмотрено в работе (Terzaghi, 1925) и от ражено в концепции «эффективных» напряжений, в соответствии с которой
т пр = ( ст- / , )1 Е Ф ц . |
( 5 -1 4 ) |
где р - давление поровой воды.
Это уравнение, многократно подтвержденное эксперименталь но для грунтов, распространяется и на трещиноватые скальные массивы. В этом случае р - давление воды в трещине; исключение допускается только тогда, когда шероховатость стенок трещины невелика и площадь их контакта занимает значительную часть по верхности трещины, а также для трещин с водонепроницаемым за полнителем.
Давление воды в трещине вычисляют по формуле |
|
Р = |
(5.15) |
где Yw - объемный вес воды; z - высота столба воды до поверхности. Нормальное напряжение в массиве на глубине z
а = Yz> |
(5.16) |
где Y - объемный вес горной породы. Следовательно, напряжение в трещине
*np= (Y -y w> tg q y |
(5.17) |
Расчеты, выполненные с использованием формулы (5.17), пока зывают, что давление воды в трещинах может существенно сни-
зить прочность скального массива. Например, при значениях объ емного веса породы и воды, равных 2,7 и 1,0 соответственно, проч ность массива может снизиться приблизительно на одну треть.
Влияние давления воды в трещинах в различных случаях про является неодинаково. Так, в процессе строительства плотин его обязательно следует учитывать при сборе нагрузок как противо давление. При проходке подземных выработок давление в трещи нах, как правило, снижается вследствие разгрузки скального мас сива вокруг выработок, поэтому часто отпадает необходимость в разработке специальных мероприятий по его принудительному понижению. Наиболее неблагоприятно давление воды в трещинах проявляется при обеспечении устойчивости откосов скальных массивов. Здесь ситуация осложняется еще и тем, что при выходе поровой воды на поверхность скального массива появляется гид родинамическая составляющая давления, которая может сущест венно понизить устойчивость откоса. В таких случаях практичес ки всегда для снижения давления воды в трещинах требуется проведение специальных работ по дренированию откосов.
Дилатансия. Как уже указывалось выше, под дилатансией по нимается способность трещины расширяться при сдвиге. Однако эта способность зависит от нескольких факторов: действующего в плоскости трещины нормального напряжения, формы и размеров выступов шероховатости и условий на границе исследуемой облас ти скального массива. При рассмотрении влияния шероховатости стенок трещины на ее способность сопротивляться сдвигу было по казано, что при ограничении дилатансии прочность трещины на
сдвиг существенно повы шается. На рис. 5.11 схема тично показана выработка, в своде которой имеется скальный блок, выделен ный двумя крутопадающи ми трещинами (Зерцалов и др., 1989). Рассматривались два случая: в первом - стенки трещин абсолютно гладкие, во втором - по верхность стенок трещин шероховатая. В обоих слу чаях численным модели рованием исследовалась возможность вывала блока
в своде выработки. На основании расчетов было установлено, что устойчивость блока во втором случае увеличилась на 25%.
Этот пример наглядно показывает, что инженеры, не имеющие возможности влиять на форму трещин, должны, используя знание поведения трещин под нагрузкой, научиться проектировать соору жения, которые наилучшим образом взаимодействуют со скаль ным массивом.
5.3. Испытание трещин. При изменении природного напряжен ного состояния скального массива, вызванном строительством на земных или подземных сооружений, трещины могут подвергаться деформации сжатия, растяжения или сдвига. Для количественной оценки этих деформаций, а также для оценки их влияния на сопро тивление трещин действующим нагрузкам необходимо знать рас четные механические характеристики, определяющие эти дефор мации. Частично составить представление о характеристиках трещин можно, основываясь на их детальном описании, выполнен ном изыскателями на основании исследований скальных обнаже ний или кернов, выбуренных из породных массивов. Однако полное представление о механических характеристиках трещин можно получить только на основании их экспериментального определе ния в натурных условиях или в лаборатории. I
В предыдущем параграфе отмечалось, что при испытании тре щин основное внимание уделяется изучению их сопротивления сдвигу, поскольку эта характеристика оказывает значительное влияние на прочность скального массива.
Опыты в натурных условиях проводят на целиках породы мето дами прямого сдвига, т.е. когда плоскость трещины ориентируется параллельно направлению сдвигающей силы. При этом приклады ваемая к целику сила, нормальная к плоскости сдвига, остается в течение опыта постоянной, а сдвигающая сила возрастает.
Следует отметить, что целик необходимо вырубать в массиве таким образом, чтобы плоскость трещины являлась плоскостью контакта между целиком и основанием, что, как правило, сущест венно усложняет исследования и делает их более дорогостоящими.
С учетом этого, если имеется возможность отбора подходящих образцов, проводят лабораторные исследования, принимая в,о вни мание и масштабный эффект.
Как показано в работе (Гудман, 1987), образцы для лаборатор ных испытаний можно изготовить, выбуривая керны большого диа метра вдоль плоскости трещины, след которой выходит на поверх ность скального массива (рис. 5.12, а). Используя этот способ, особое внимание следует уделять сохранности кернов, которые могут раз-
Рис. 5.15. Испытание на трехосное сжатие образца породы с трещиной (Гудман, 1987): а - расположение трещины; б - напряженное состояние; 1 - критерий разрушения; 2 - направление действия ст на трещину
Рис. 5.16. Результаты трехосных многоступенчатых испытаний залеченной в начальной стадии трещины, параллельной слоистости в графитовых сланцах (Гудман, 1987)
Следует отметить, что выбор метода исследований в каждом конкретном случае определяется как его стоимостью, так и нали чием испытательного оборудования.
1.Как определить местоположение трещины в пространстве?
2.Выделите основные положения, характеризующие нормальную деформа цию трещины.
3.Выделите основные положения, характеризующие сдвиговую деформацию трещины.
4.Перечислите факторы, влияющие на предельное касательное напряжение в плоскости трещины. Опишите влияние каждого фактора.
5.Что такое дилатансия и как она влияет на деформирование породного мас сива и его прочность?
6.Укажите основные методы испытания трещин.