Механика скальных грунтов и скальных массивов

Трещиноватость, анизотропия и неоднородность скальных массивов

6.1. При исследовании взаимодействия инженерных сооружений со скальными массивами проблеме строения скального массива, ис­ следованию его свойств, природного напряженного состояния, гид­ рологического режима и других факторов всегда уделяется особое внимание. Чем это вызвано? Ответ на этот вопрос можно найти в оп­ ределениях скального массива, заимствованных из работ (Ухов, 1975) и (Баклашов, Картозия, 1986).

Скальный массив представляет собой сложнейший объект при­ родного образования, подвергающийся видоизменению как в тече­ ние всей истории существования, так и в результате строительст­ ва наземных и подземных сооружений. Он является сложной физической средой, обладающей рядом специфических особеннос­ тей, которые в значительной степени определяют его механичес­ кое состояние. К причинам, порождающим указанные особенности, относятся трещиноватость массива, неоднородность вещественно­ го состава (слоистость, сланцеватость и т.п.), а также его напряжен­ ное состояние. Все это в совокупности приводит к тому, что в самом общем случае скальный массив является физически дискретной, неоднородной, анизотропной средой, механические процессы де­ формирования которой носят нелинейный, временной характер.

При этом необходимо подчеркнуть, что непосредственно под скальным массивом понимается (Чернышев, 1983) выделяемое из массива горных пород геологическое тело, состоящее из скальных грунтов и взаимодействующее с сооружением. В то же время массивом горных пород называется геологическое тело, состоящее из различных горных пород, объединенных происхождением и по­ следующим совместным развитием.

В отличие от грунтов, закономерности поведения которых хо­ рошо изучены, в механике скальных массивов имеются еще до

конца не изученные проблемы, требующие дальнейших исследо­ ваний. Сложенные зачастую прочными и массивными породами, скальные массивы, рассеченные различными трещинами и содер­ жащие зоны дробления, могут иметь неудовлетворительные, с точки зрения инженера, механические свойства, которые опреде­ ляются условиями залегания скальных грунтов в массиве, степе­ нью их нарушенности, неоднородности, анизотропии. Кроме того, существенно влияют на поведение массива гидрологический ре­ жим и естественное напряженное состояние, формирующееся под воздействием многих факторов и развивающееся в течение дли­ тельного времени.

' Скальные массивы характеризуются структурой и состоянием. Под структурой скального массива понимается (Савич и др., 1992) форма, условия залегания и взаимного положения скальных пород, образующих те или иные геологические тела, т.е. элементы строе­ ния массива.

В то же время скальные массивы отличаются не только сложно­ стью внутреннего строения, но и особенностью состояния. К основ­ ным показателям состояния массива относятся: трещиноватость, степень выветрелости пород, закарстованность, водонасыщенность, геотермические условия и т.д.

Таким образом, рассматривая скальный массив как специфиче­ скую в механическом отношении среду, необходимо выделить фак­ торы, обусловленные его составом, строением и состоянием, кото­ рые оказывают основное влияние на поведение массива при взаимодействии с сооружением. Важнейшими из этих факторов являются трещиноватость и, при наличии трещин разного направ­ ления, блочность скального массива, его неоднородность, анизотро­ пия, а также природные напряжения и масштабный фактор.

6.2. Трещиноватость массива скальных грунтов, являясь основ­ ной причиной нарушений его сплошности, служит качественной характеристикой состояния породы, свидетельствующей о нали­ чии трещин в исследуемом объеме.

С позиций инженерной геологии термин «трещина» имеет очень широкий смысл. Под трещинами подразумеваются и крупные тек­ тонические нарушения, и микротрещины в образце ненарушенно­ го скального грунта. В работе (Чернышев, 1983) трещиной называ­ ется полость сложной формы, занятая газом, жидкостью или твердыми минеральными образованиями. Форма трещины отлича­ ется от формы других полостей в скальных породах значительным преобладанием протяженности во всех направлениях вдоль стенок над расстоянием между стенками. Вместе с тем все трещины - это

Классификация скальных грунтов представлена в табл. 6.2.

КЛАССИФИКАЦИЯ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ТРЕЩИННОЙ ПУСТОТНОСТИ

(СНИП 11-16-76)

Очень важным показателем, влияющим на поведение трещин, как уже отмечалось в главе 5, является морфология поверхности стенок трещин. Трещины в массивах скальных пород представля­ ют собой разрывы сплошности, образующиеся при разрушении, вызванном разными причинами. Неоднородность напряжений вдоль плоскости нарушения сплошности приводят к изменению рельефа ее стенок, определяя характер шероховатости каждой от­ дельной трещины. В зависимости от особенностей формы стенок различают трещины отрыва и скола (Чернышев, 1983).

Трещины отрыва имеют неровную бугристую поверхность. От­ дельные формы рельефа стенки трещины округлы. Размеры неров­ ностей зависят от размера зерен минералов в породе: в тонкозерни­ стых породах - это миллиметры, в крупнозернистых - сантиметры.

Трещины скола характеризуются меньшими отклонениями от плоскости симметрии и имеют типичный ступенчатый характер. Плоские поверхности ступеней наклонены к плоскости симметрии трещины под углом 5-15°. Они отсекаются уступами, почти пер­ пендикулярными к плоскости ступеней.

Однако трещины отрыва и скола не исчерпывают всего многооб­ разия трещин в скальных массивах. Особую форму имеют трещины, отшлифованные в процессе скольжения. По стенкам этих трещин вдоль направления скольжения вытянуты борозды и гряды, нередко отполированные до блеска. Роль этих трещин в формировании проч­ ностных, фильтрационных и других свойств массива значительна и своеобразна. Они резко снижают прочность массива и в большой сте­ пени влияют на его водопроницаемость. Учитывая это, их выделяют

В'работе (Чернышев, 1983) предлагается классификация сетей трещин, основанная на анализе природного напряженного состояния скального массива. В соответствии с этой классификацией, в масси­ ве в зависимости от сочетания главных напряжений выделяют сфе­ роидальные, полигональные осесимметричные, системные равно­ угольные и хаотические асимметричные сети трещин (табл. 6.5).

Ш

Системная равноугольная ст1>а2>аз Анизотропны"

III

Хаотическая

Изменение

напряженного асимметричная Изотропный

IV

состояния во

времени

Опишем подробнее перечисленные типы сетей трещин.

I. Для сфероидальной сети трещин характерно равенство всех главных напряжений (а,=ст2=стз). При таком сочетании напряжений образуются трещины отрыва в форме концентрических (вложен­ ных) сфер и радиально секущих плоскостей. Массив в этом случае может рассматриваться как изотропный.

II. При полигональной осесимметричной сети трещин соотноше­ ние напряжений следующее: два напряжения равны, а третье име­

ет либо большее, либо меньшее значение (а,=а2>а3, ст,>ст2=а3). Вза­ имное расположение трещин зависит от знака напряжений: в слу­ чае растягивающих напряжений трещины располагаются по обра­ зующей цилиндра, осью которого является напряжение. По изменению свойств в разных направлениях такой массив можно рассматривать как трансверсально-изотропный.

III. Системная равноугольная сеть трещин характеризуется тем, все главные напряжения не равны друг другу (а,>а2>ст3). В этом случае массив может быть представлен как анизотропный. Разру­ шение породы при напряженном состоянии такого типа приводит к образованию систем трещин отрыва и скола, которые ограничивают блоки призматической формы. Подобные сети трещин наиболее ча­ сто встречаются в скальных массивах.

IV. При хаотической асимметричной сети трещин напряженное состояние характеризуется изменением во времени, в результате чего форма блоков и отдельностей асимметрична, а весь массив имеет изотропное распределение свойств.

Кроме того, в особую структурную форму выделяется кливаж, представляющий собой совокупность очень частых, примерно па­ раллельных поверхностей, по которым порода делится на тонкие плитки и чешуйки.

Помимо выделения форм сетей трещин в классификации учи­ тывается прерывистость трещин, что дает важную дополнитель­ ную информацию о состоянии массива (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Сводная геометриче­ ская классификация трещино­ ватости для прикладных целей (Чернышев, 1983)