Механика скальных грунтов и скальных массивов

Преимущество приведенной классификации заключается в том, что, обобщая геологические представления о трещиноватости и отражая в абстрактной форме природные особенности трещин, она может служить основой для составления расчетных моделей и схем скального массива.

Очень важным показателем является степень трещиноватости массива, для оценки которой в качестве одного из самых распрост­ раненных критериев используется модуль трещиноватости Д/представляющий собой число трещин на 1 м погонной длины. В работе (Чернышев, 1983) классификации трещиноватости разных авторов сведены в одну таблицу, в которой число трещин на 1 м погонной длины пересчитано в расстояние между трещинами (табл. 6.6).

Существует также множество классификаций трещиноватости за рубежом (Бок, 1983), которые основаны на различных показате­ лях: расстоянии между трещинами, числе систем трещин, шерохо­ ватости стенок трещин, мощности заполнителя трещин. Среди них можно отметить один метод количественного учета структурного ослабления скального массива, получивший широкое распростра­ нение в практике инженерно-геологических изысканий - метод определения показателя качества породы RQD (rock quality desig­ nation). Этот показатель (Deere, 1963) определяется по выходу кер­ на при колонковом бурении с помощью формулы

( 6.2)

где Z/, - суммарная длина кусков керна длинной более 0,1 м; L - глубина скважины, м.

6.3. Неоднородность, анизотропия. Неоднородность массива скальных грунтов также оказывает значительное влияние на его по­ ведение. Она обусловливается рядом причин (Рац, 1968; Ухов, 1975):

- неоднородностью состава и физического состояния, вызывае­ мой литологической изменчивостью пород в массиве, характером напластования, складчатостью, трещиноватостью, включая от­ дельные крупные нарушения и зоны дробления, а также процес­ сами выветривания, гидрологическим режимом и др.;

-неоднородностью напряженного состояния массива, связан­ ной с действием природных и техногенных факторов;

-масштабной неоднородностью вследствие качественных и ко­ личественных различий свойств горных пород в вычленяемых из массива объемах разной величины.

Взаимодействие указанных факторов приводит к неоднородно­ сти механических свойств скального массива.

Существуют различные классификации неоднородности скаль­ ных массивов. Однако наиболее полно удовлетворяет требованиям, возникающим при решении инженерных задач, классификация, приведенная в работе (Ухов, 1975), которая выделяет неоднороднос­ ти четырех уровней:

а) неоднородность 4-го порядка - неоднородность кристаллов, к которой относятся: дефекты кристаллической решетки, дислока­ ции (размеры элемента неоднородности 10'6 - 10'3 см);

б) неоднородность 3-го порядка - неоднородность состава и структуры скального грунта, под которой понимаются различие в химическом и минеральном составе, форме и размере зерен, в ха­ рактере распределения цемента и пор, наличие микротрещин и т.д. (размеры элемента неоднородности 10° - 10 см);

в) неоднородность 2-го порядка - неоднородность структуры и состава скального массива в пределах одной пачки, слоя: пересла­ ивание пород, наличие макротрещиноватости и т.п. (размеры эле­ мента неоднородности 10 —103 см);

г) неоднородность 1-го порядка - неоднородность скального масси­ ва в пределах одной формации: наличие литологических разностей, зон выветривания, разгрузки, тектонических разрывов (размеры эле­ ментов неоднородности 103 см и более). Данные неоднородности опре­ деляют геологическое строение массива.

В практической деятельности с неоднородностями 3-го порядка обычно имеют дело при лабораторных исследованиях образцов. Натурные исследования свойств массива проводят, как правило, на неоднородностях 2-го порядка.

Скальные массивы относят к категории неоднородных, если в пределах одной литологической разности коэффициент вариации их свойств превышает 25%. При этом массивы могут быть однород­ ными в отношении одних свойств и неоднородными в отношении других.

Приведенная выше классификация позволяет достаточно обос­ нованно выполнять схематизацию строения массива и рассматри­ вать влияние неоднородности разных порядков при решении инже­ нерных задач. Так, одна и та же структура, в зависимости от соотношения размеров исследуемой области и элемента неоднород­ ности, может считаться либо однородной, либо неоднородной. В то же время неоднородность какого-то порядка при определенных ус­ ловиях можно принять статистически средней в объеме породы, ко­ торый в этом случае будет рассматриваться как квазиоднородный. Например, при назначении механических свойств пород крупной пачки допустимо пренебречь неоднородностью 4-го порядка, а ино-

гда и неоднородностью 3-го порядка и считать породы пачки отно­ сительно элементов этих неоднородностей квазиоднородными.

Таким образом, понятие неоднородности скальных массивов приобретает двойной смысл (Ухов, 1975): физический, определяе­ мый строением и состоянием породы, и технический, диктуемый характером решаемой инженерной задачи.

Неоднородность скальных массивов является причиной анизот­ ропии его свойств, которая также оказывает существенное влия­ ние и на поведение самого массива, и на работу сооружения, с кото­ рым он взаимодействует. По аналогии с неоднородностью выделяют также четыре порядка анизотропии (Баклашов, Картозия, 1986):

-анизотропия 4-го порядка, обусловленная анизотропией кри­ сталлов;

-анизотропия 3-го порядка, которая определяется расположе­ нием зерен минералов, слагающих породу, а также ее мелкой вну­ тренней слоистостью;

-анизотропия 2-го порядка, связана с макротрещиноватостью

ивнешней слоистостью;

-анизотропия 1-го порядка, обусловлена упорядоченным зале­ ганием пород в виде серии блоков, разделенных тектоническими разрывами.

Рассмотренная анизотропия носит название геометрической, в отличие от физической, вызываемой неодинаковостью механичес­ ких характеристик при различных силовых воздействиях. Выше уже говорилось о том, что у скальных грунтов существенно разли­ чаются значения модулей деформации и прочности при растяже­ нии и сжатии.

Наиболее часто встречающимися типами анизотропии скальных массивов являются трансверсально-изотропная и ортогонально­ изотропная Трансверсально-изотропными называют такие масси­ вы, у которых деформационные свойства в двух взаимно перпенди­ кулярных направлениях различны. Если деформационные свойства различаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то породы считают ортогонально-изотропными (ортотропными).

6.4. На поведение скального массива, а следовательно, и на вза­ имодействующее с ним инженерное сооружение значительное влияние оказывает структура скального массива, т.е. залегание слагающих его пород как геологических тел (неоднородность 1-го порядка). При этом существенную роль играют такие факторы, как мощность, характер и форма залегания, слоистость, напластова­ ние, чередуемость; характер пород, окружающих рассматривае-

Рис. 6.5. Размещение туннелей в скальном массиве при разной ориентации слоев: а —горизонтальное напластование; б — падение слоев

при вертикальном и наклонном расположении относительный сдвиг слоев породы по контактам может повлиять на устойчивость как свода выработки, так и ее стенок (рис. 6.5, б).

При складчатом строении следует учитывать, что туннель, про­ ложенный через синклиналь, будет работать в совершенно иных условиях, чем туннель, проложенный через антиклиналь, посколь­ ку различные его участки в одном и другом случае будут восприни­ мать разное горное давление (рис. 6.6). Так, горное давление, пере­ даваемое на туннель в синклинали, может значительно увеличить его стоимость и усложнить конструкцию. Кроме того, при наличии грунтовых вод возможно увеличение притока воды, что потребует устройства дренажной системы.

Породы верхних слоев массива обычно в большей степени под­ вержены воздействиям внешней среды, в результате чего значи­ тельно нарушается монолитность породы, повышается степень ее трещиноватости, вдоль трещин часто образуются продукты вы-

Рис. 6.6. Влияние формы напластования на горное давление: а — синклиналь; б — антиклиналь

ветривания в виде глинистых заполните­ лей, что существенно снижает прочность и устойчивость горных пород в при поверхно­ стной зоне. По рис. 6.7 видно, что устойчивость бортов открытой выем­ ки в большой степени

определяется скольжением слоев породы по глинистым прослоям. Поведение скального массива очень сильно зависит от влажнос­

ти. Обводненность может привести к снижению прочности пород в массиве и их устойчивости в обнажениях. Помимо этого наличие грунтовых вод существенно усложняет проходку подземных выра­ боток, требуя специальных противофильтрационных мер.

Изменчивость формы залегания и чередование пород с разными механическими и плотностными свойствами обусловливают нерав­ номерность природного напряженного состояния в массиве, что требует проведения дополнительных исследований и может в зна­ чительной мере усложнить конструкцию возводимого инженерно­ го сооружения и повысить стоимость.

ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6

1.Раскройте суть понятий скального массива и массива горных пород. Пере­ числите факторы, оказывающие основное влияние на поведение массива при взаимодействии с сооружением.

2.Приведите известные классификации трещин.

3.Что такое неоднородность, анизотропия (основные понятия, классифика­ ции)?

4.Опишите влияние характера залегания пород.

ГЛАВА 7 Классификация скальных массивов.

Масштабный эффект.

Геомеханические модели скальных массивов

7.1. Классификация скальных массивов. Как указывалось вы­ ше, различные классификации трещин очень важны для описания скального массива. Однако для инженеров важно знать, его реак­ цию на силовые воздействия, которая зависит не только от нару­ шений сплошности, но и от свойств горных пород, слагающих мас­ сив. С учетом этого классификация скального массива должна основываться, по крайней мере, на двух параметрах: один должен характеризовать нарушение сплошности, другой - сохранную по­ роду.

Для учета влияния трещиноватости на прочностные свойства пород в отечественной практике часто используют коэффициенты структурного ослабления, характеризующие соотношения прочно­ стных показателей трещиноватой и ненарушенной скальной поро­ ды. В качестве прочностных показателей принимается либо сцеп­ ление по трещине и сцепление породы, либо предел прочности на сжатие трещиноватой и монолитной пород.

Втабл. 7.1 приведены значения коэффициентов структурного ослабления, которые используют для расчета прочностных харак­ теристик трещиноватого массива на основании результатов испы­ таний прочности монолитных образцов в лабораторных условиях.

Водной из первых классификаций скального массива, предло­ женной в работе (Мюллер, 1963), в качестве параметров использо­ вались прочность на одноосное сжатие породы и расстояние между трещинами. Согласно этой классификации массивы делятся на че­ тыре категории.

Подобные классификации предлагались разными авторами, Однако, как показали исследования, кроме указанных выше пара­ метров на качество массива в значительной мере влияют и другие его характеристики. С учетом этого были предложены (Bieniawski,

1973; Barton et el., 1977) многопараметрические классификацион­ ные системы. Поскольку в настоящее время в инженерной практи­ ке широко используются обе эти классификации, рассмотрим их подробнее.

Таблица 71

КЛАССИФИКАЦИЯ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ НА ОСНОВЕ КОЭФФИЦИЕНТА СТРУКТУРНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ

(Баклашов, Картозия, 1986)

Система оценки скального массива Rock Mass Rating (RMR) ос­ нована на шести параметрах (Bieniawski, 1973):

1)прочность на одноосное сжатие ненарушенной горной породы;

2)показатель качества скального грунта {RQD)\

3)расстояние между трещинами;

4)степень шероховатости стенок трещин;

5)состояние грунтовых вод;

6)расположение трещин по отношению к инженерному соору­

жению.

По указанным параметрам (табл. 7.2) можно оценить качество массива. В секции А табл. 7.2 представлены первые пять параметров и пределы их изменения. Параметры объединены в пять групп, каждая из которых включает диапазон значений, соответствующий этому параметру. После анализа параметров массива определяют, к какой группе он принадлежит, и суммируют баллы по всем параме­ трам этой группы. В секции также по балльной системе, оценива­ ются характеристики нарушений сплошности, в секциях В и Г - расположение трещин по отношению к сооружению. В соответствии с суммарной оценкой по всем параметрам в секции Д устанавлива­ ется класс массива и дается его описательная оценка. В секции Е для этого класса массива указывается время стояния выработки, а также сцепление и угол внутреннего трения.