Механика скальных грунтов и скальных массивов

УДК 624.15 ББК 38.58 3-57

Автор учебника:

ЗЕРЦАЛОВ Михаил Григорьевич,

доктор технических наук, профессор

Зерцалов М.Г.

3-57 Механика скальных грунтов и скальных масивов: Учеб­ ник.- М.: ИД «Юриспруденция», 2003. - 184 с.

ISBN 5-9516-0051-0

В учебнике даны основные сведения о природе скальных грунтов и показателях их физических свойств. Рассмотрены вопросы поведения скальных грунтов под нагрузкой, а также их деформационные характе­ ристики. Подробно исследованы механические свойства скального мас­ сива, его природное напряженное состояние и проблема фильтрации.

Для широкого круга специалистов строительного профиля, а так­ же научных работников и аспирантов, занимающихся проблемами ме­ ханики скальных грунтов.

УДК 624.15 ББК 38.58

ISBN 5-95160051-0

9 78595 600516 >

Посвящаетя моим родителям

От автора

Дисциплина «Механика скальных грунтов» является разделом на­ уки «Механика грунтов», изучающей поведение породного массива при воздействии на него различных факторов (статической и динами­ ческой нагрузок, температуры, внешней среды и др.). Этот раздел име­ ет большое прикладное значение. Исторически он является базовой наукой в горном деле для оценки устойчивости подземных штолен и выработок при добыче полезных ископаемых. Не менее важную роль он играет при освоении нефтяных месторождений, в частности для оценки прочности горных пород при бурении.

Во второй половине прошлого столетия, когда началось строительство крупномасштабных наземных и подземных сооружений в горных райо­ нах, механика скальных грунтов стала необходимой и для инженеровстроителей.

Возведение высоконапорных плотин, а также разработка подзем­ ных выработок больших пролетов для машинных залов ГЭС и АЭС приводят к появлению в породном массиве очень высоких напряже­ ний, что требует развития новых методов расчета его взаимодействия с указанными сооружениями.

Строительство железных дорог, автострад, мостов и напорных водо­ водов в горных условиях связано с проектированием и возведением отко­ сов, с расчетом их устойчивости и необходимостью крепления.

Освоение подземного пространства также требует использования механики скальных грунтов, поскольку только знание поведения скального массива позволяет возводить в нем различные подземные сооружения.

Вместе с тем известно, что механика скальных грунтов для инжене- ров-строителей имеет свою специфику. Подземные и наземные инже­ нерные сооружения вовлекают в работу очень большие объемы пород­ ного массива. В связи с этим при определении его деформационных и прочностных характеристик необходимо учитывать действие мас­ штабного фактора, что связано с большими трудностями. По той же причине значительные проблемы возникают с выбором геомеханической модели, установлением прочностных и деформационных характе­ ристик ее составных элементов, а также с выбором граничных условий.

Изложенное выше свидетельствует о чрезвычайной актуальности издания литературы по данной тематике. Актуальность подтвержда-

ется также тем фактом, что последняя книга по механике горных по­ род вышла в нашей стране 13 лет назад (Виттке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. - М.: Недра, 1990). Аналогичное отечественное изда­ ние (Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в пород­ ных массивах. - М.: Недра, 1986) предназначено для специалистов гор­ ного дела и добычи полезных ископаемых. В то же время монографии и учебники в области механики скальных пород, ориентированные на специфику строительства гражданских сооружений, таких как плоти­ ны, различного назначения туннели, подземные машзалы ГЭС, храни­ лища и т.п., практически отсутствуют.

Все это и побудило автора к написанию данного учебника, который основан на материале лекций, прочитанных в Московском государст­ венном строительном университете студентам факультета гидротех­ нического и специального строительства.

Введение

Исследования физических и механических свойств горных пород начались во второй половине XIX в., но механика скальных пород раз­ вилась в самостоятельную науку недавно. Годом рождения механики скальных грунтов как самостоятельного раздела инженерной науки можно считать 1964 г., когда в Австрии проф. Л. Мюллером было со­ здано Международное общество по механике скальных пород. На кон­ грессе было принято следующее определение этой науки: «Механика скальных пород является теоретической и прикладной наукой о меха­ ническом поведении скальной породы, являясь разделом механики, рассматривающим реакцию скальной породы на силовые воздейст­ вия окружающей ее физической среды». Механика скальных пород, наряду с механикой грунтов, является важнейшей инженерной дис­ циплиной, в ней используются многие положения механики грунтов, например закон Кулона, связывающий прочность грунта на сдвиг с нормальными и касательными напряжениями. В то же время поведе­ ние скальных пород значительно сложнее, чем грунтов, особенно если в работу вовлекаются большие объемы скальных массивов, что харак­ терно для высоконапорных гидросооружений и подземных выработок большого пролета. Это объясняется прежде всего тем, что свойства по­ родного скального массива определяются главным образом дефекта­ ми в его структуре, такими как разломы, поверхности напластования, системы трещин различной ориентации и т.д., и в меньшей степени - дефектами структуры пород, слагающих массив.

Учитывая это, в механике скальных грунтов необходимо разли­ чать два понятия: ненарушенные скальные грунты - кристалличес­ кий материал, прочностные и деформационные характеристики кото­ рого определяются как свойствами составляющих его минералов и жестких связей между ними, так и дефектами его структуры (пусто­ ты, трещины, дислокации, и т.д.); скальный массив - сложнейшее ге­ ологическое образование, представляющее собой совокупность бло­ ков одной или нескольких горных пород, выделяемых в массиве трещинами разных порядков, причем блоки в свою очередь могут раз­ деляться нарушениями сплошности на более мелкие отдельности, об­ разуя иерархическую систему. Инженерные свойства подобной сис­ темы определяются, как правило, наличием в ней структурных

дефектов и их размерами. Это, в свою очередь, обусловливает особен­ ность скального массива: интегральные физико-механические харак­ теристики выделяемых в нем областей разных размеров будут суще­

ственно различаться.

Очень важным фактором при изучении скального массива яв­ ляется также его природное состояние, которое в значительной ме­ ре зависит от структурных особенностей массива и может сущест­ венно повлиять на его взаимодействие с сооружением.

Возникает вопрос: почему только в середине 60-х годов X X в. ме­ ханика скальных грунтов оформилась в отдельную науку? Это можно объяснить тем, что именно тогда в горных районах начали возводить большие плотины и крупные подземные выработки. Кро­ ме того, появились численные методы расчета и методы моделиро­ вания, позволившие исследовать эти сооружения в сложных инже­ нерно-геологических условиях с воспроизведением многообразных граничных условий. Дополнительными толчками, ускорившими развитие механики скальных грунтов, явились авария на плотине Мальпассе во Франции (1959 г.), при которой погибло 450 чел., и еще большая катастрофа на плотине Вайонт в Италии (1963 г.).

Механика скальных грунтов, наряду с изучением поведения по­ родного массива, рассматривает и специальные методы проектиро­ вания и строительства взаимодействующих с ним инженерных со­ оружений. Это объясняется тем, что скальные породы, как и грунты, существенно отличаются от других строительных матери­ алов и требуют особого подхода при проектировании. Так, имея де­ ло с бетонными и железобетонными конструкциями, инженер в первую очередь собирает действующие на сооружение внешние нагрузки, а затем определяет форму и размеры сооружения и под­ бирает соответствующие по прочности строительные материалы. В скальных же грунтах действующая на них нагрузка во многих случаях имеет гораздо меньшее значение, чем силы, возникающие при перераспределении в процессе строительства естественных напряжений, существующих в породном массиве.

При строительстве инженерных сооружений в горных районах знание механики скальных грунтов необходимо для решения очень широкого круга проблем: для оценки сложности геологического стро­ ения массива скальных пород и степени их разрабатываемое™ и буримости, для выбора типа и расположения сооружения, для расчета деформации и устойчивости скальных массивов, для проектирова­ ния мероприятий по укреплению скальных откосов и т.д. К числу со­ оружений, к которым предъявляются наиболее высокие требования с точки зрения механики скальных грунтов, следует отнести высоко-

напорные плотины, нагрузки от которых совместно с давлением воды приводят к развитию в основании высоких напряжений.

Помимо оценки местной прочности скального массива в основа­ нии сооружения необходимо изучать возможность возникновения оползней в бортах водохранилища. Так, громадный оползень на ги­ дроузле Вайонт привел к переливу воды через гребень арочной плотины и вызвал гибель более чем 2 тыс. чел., проживавших в ниж­ нем бьефе. Знание механики скальных массивов может оказаться полезным также при выборе материалов каменной наброски, для защиты откосов плотины от размыва, при использовании в качест­ ве заполнителя для бетона, для устройства различных фильтров и т.п. При проектировании высоконапорных плотин расчеты напря­ женно-деформированного состояния и устойчивости скальных ос­ нований являются обязательными. На основании этих расчетов оп­ ределяются коэффициенты устойчивости системы сооружение - основание, разрабатываются конструктивные мероприятия.

При возведении подземных сооружений механика скальных грунтов играет не менее важную роль. Любое подземное сооружение независимо от его назначения должно отвечать требованиям безопас­ ности, которые во многом определяются напряженным состоянием, структурой и нарушениями сплошности породного массива. Опыт ос­ воения подземного пространства городов в ряде стран, например в Норвегии, показал, что, только имея всестороннее представление о поведении скального массива, можно построить большие подземные концертные и спортивные сооружения, возвести гигантские подзем­ ные хранилища. То же можно сказать и о подземных гидростанциях, которые, имея в горных районах несомненные преимущества, требу­ ют размещения в подземном пространстве обширных машинных за­ лов и других вспомогательных помещений.

В самых разных направлениях используется механика скаль­ ных грунтов и при проходке подземных выработок. Например, на вопрос, поддерживать ли выработку в процессе добычи полезных ископаемых полностью в устойчивом состоянии или давать породе деформироваться, может быть получен ответ только с учетом осо­ бенностей строения и напряженного состояния породного массива. Необходима механика скальных грунтов и при проектировании проходческих машин, которое ведется с учетом реальных механи­ ческих свойств скального массива.

Строительство автострад, железных дорог, каналов, трубрпроводов и напорных водоводов в горных районах связано с проекти­ рованием откосов. Задача об их устойчивости и о необходимости крепления решается на основе методик, разработанных в специ-

альном разделе механики скальных грунтов. Эта наука тесно свя­ зана и с проблемой трассировки указанных выше сооружений. Правильно выбранная трасса позволяет сэкономить средства. Ре­ шение об ее изменении или о переносе части сооружений под зем­ лю в значительной мере зависит от состояния массива горных по­ род. Расположение напорных водоводов, например, под землей может дать существенную экономию средств, так как часть напря­ жений, возникающих в металлической облицовке, можно передать на окружающую породу, однако обоснование такого решения так­ же требует знания механики скальных грунтов.

Особую роль играет механика скальных грунтов при строительст­ ве подземных атомных станций в горных районах. Радиоактивность и высокие температуры обусловливают повышенные требования к ка­ честву горных пород, поэтому строительство подземных атомных станций регламентируется очень жесткими требованиями. Кроме то­ го, выработка электроэнергии на подобных станциях связана с обра­ зованием высокотоксичных отходов, подлежащих хранению в тече­ ние долгого времени в специально пройденных для этих целей камерах, а это требует высокого уровня мер безопасности, гаранти­ рующих защиту окружающей среды от радиационного заражения.

Суммируя все изложенное выше, можно сказать, что механика скальных грунтов является важнейшей частью общей технической механики и широко используется в практической деятельности. Бла­ годаря достижениям механики скальных грунтов стало возможным строительство большого числа уникальных инженерных сооруже­ ний. В то же время в исследованиях скальных массивов остается еще много нерешенных проблем. К ним, в частности, относятся проблемы, связанные с определением строения и структурных особенностей скального массива, с исследованиями его деформационных и прочно­ стных свойств и влиянием на них масштабного фактора, с построени­ ем оптимальной геомеханической и, на ее основе, адекватной расчет­ ной моделей, с выбором наиболее эффективного метода расчета и связанное с этим назначение правильных граничных условий и т.д. Изучение и решение указанных проблем и определяет развитие ме­ ханики скальных пород как науки на ближайшее будущее.

ВОПРОСЫ К ВВЕДЕНИЮ

1.В каком году механика скальных грунтов выделилась в самостоятельный раздел инженерной науки?

2.Какие причины обусловили появление этой дисциплины?

3.Дайте определение понятиям «ненарушенные скальные грунты» и «скальный массив».