Механика скальных грунтов и скальных массивов

и методик построения кривой де­ формирования o=f(z) во всем диапазоне прикладываемых нагрузок.

Одним из путей решения указанных проблем является модели­ рование процессов деформирования скальных массивов с помощью адекватного алгоритма вычислений на ЭВМ. Ввиду все возрастаю­ щего использования в исследованиях численных методов такой путь очень перспективен, поскольку позволяет получить ком­ плексное решение проблемы изучения механических свойств скальных грунтов.

В работе (Ухов, Семенов, Щербина, Конвиз, 1986), положившей начало исследованиям в данном направлении, сформулирован под­ ход к изучению свойств масштабно-неоднородных горных масси­ вов, позволяющий получать более объективные и обоснованные ре­ зультаты. Суть его заключается в следующем

1. По данным инженерно-геологических исследований конкрет­ ного массива горных пород выделяют типовые структуры, харак­ терные для различных объемов массива. Они должны отражать особенности строения этих объемов и удовлетворять условию включения типовых структур меньших объемов в качестве состав­

соответственно максимальное и минимальное главные сжимающие напряжения; ртах и Pmin - углы, определяющие сектор, в пределах которого происходит увеличение исходных трещин (т.е. процесс микротрещинообразования); сг|тр - напряжение, при котором начи­ нается микротрещинообразование.

Существенное преимущество приведенного выше подхода за­ ключается в том, что при его использовании можно рассматривать сколь угодно большие расчетные области, которые удовлетворяют требованию квазисплошности и квазиоднородности. Выполнение условия представительности исследуемого объема позволяет из­ бежать влияния масштабного эффекта на достоверность резуль­ татов.

Поскольку механические свойства скального массива являются функциями свойств как ненарушенного скального грунта, так и трещин, то представляется возможным оценить модуль деформа­ ции массива Ем на основе рассмотренных выше классификаций. Разными исследователями были предложены эмпирические зави­ симости, полученные с использованием систем RMR и Q.

В работе (Bieniawski,1989) рекомендуется следующая формула:

Другое выражение на базе системы RMR предложено в работе (Serafim, Pereira, 1983):

На основе системы Q в работе (Barton et al., 1985) рекомендует­ ся выражение

Методика оценки деформационных свойств скального массива, основанная на многолетнем анализе большого количества экспери­ ментальных данных, приведена в работе (Ноек, 1999). В соответст­ вии с этой методикой, сначала обычным путем (в лаборатории или в полевых условиях) определяют прочностные характеристики пород, из которых сложен скальный массив. Далее от полученных значений переходят к значениям, характеризующим массив. Такой переход, являющийся основной операцией в методике, осуществляется с по­ мощью геологического индекса прочности GSI (табл. 8.1). Этот индекс позволяет количественно (в баллах) оценить состояние скального массива. Зная значения GSI и предела прочности ненарушенного скального грунта на одноосное сжатие, по графикам, представлен­ ным на рис. 8.2, можно определить значение модуля деформации скального массива. То же можно сделать с помощью формулы:

( 8.10)

8.2. Разрушение скальных массивов. В главе 4 были рассмотре­ ны теории прочности, используемые при анализе разрушения не­ нарушенных скальных грунтов, однако к оценке прочности и ус­ тойчивости скальных массивов их применить практически невозможно. Это связано прежде всего с тем, что указанные теории можно использовать только при анализе процессов разрушения сплошных тел. Скальный массив представляет собой тело, имею­ щее нарушения сплошности в виде трещин, поверхностей наплас­ тования, различных повреждений и т.д. Эти ослабления, как пра­ вило, определяют место и направление возможного разрыва или

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ИНДЕКС ПРОЧНОСТИ

Указания

Из описания структуры и условий поверхности скального массива вы­ берите соответствующую клетку в таблице и определите значение гео­ логического индекса прочности GSI. Не стремитесь быть слишком точ­ ным Назначение GSI в пределах 36-42 более реалистично, чем при­ нятиеточногозначения, равного38.

Следует также помнить, что кри­ терий прочности Хоека - Брауна мо­ жно применять только к тем скаль­ ным массивам, у которых соотноше­ ние между размером сооружения и характерным размером скальной отдельности или блока удовлетворяеткритерию квазисплошности

Структура

Ненарушенная:

в массиветрещины расположены на большомрасстоянии друготдруга

Блочная: скальный массив, состоящийиз кубическихблоков, образованныхтремя взаимноперпендику­ лярнымисистемами трещин Существенпо­ блочная: скальный массив, состоящийиз

жмногогранныхблоков, образованных че­ тырьмя иболее системамитрещин Блочно-нарушенная: складчатый массив, состоящий из много­ гранныхблоков, обра­ зованныхчетырьмя и болеесистемами трещин

Разъединенная: сильнонарушенный скальныймассив, содержащийблоки угловатойиокруглой формысослабым взаимозацеплением Сланцевато­ слоистая: складчатые итектоническидефор­ мированные сланцева­ тые породы; слои­

стостьпреобладает надлюбым ведом трещиноватости, что полностью исключает наличиеблочного строения

/L=100 МПа

взаимного смещения частей массива и нарушают условия его рабо­ ты как единого целого (основополагающего принципа механики твердого сплошного деформируемого тела). Отсутствие теорий прочности, адекватно описывающих поведение скального массива при разрушении, приводит к тому, что при решении инженерных задач приходится рассматривать его как квазисплошной. Подоб­ ный подход приводит к тому, что оценить точность получаемых ре­ зультатов очень сложно и в описании поведения массива могут быть существенные ошибки.

В настоящее время применяют различные подходы для иссле­ дования прочности скальных массивов.

Один из них - использование традиционных критериев прочно­ сти для описания условий разрушения массивов, содержащих сис­ темы параллельных трещин. Простейшим для исследования в этом случае является массив с единственной трещиной или с рядом па­ раллельных трещин. При такой постановке задачи отклонения от решений теории сплошной среды наблюдается лишь тогда, когда разрушение происходит в плоскости трещины. Разрушение может иметь вид раскрытия трещины или сдвига вдоль нее. В первом слу­ чае очень часто прочность массива на растяжение принимают рав­ ной нулю. Что касается сдвига, то в первом приближении его мож­ но исследовать с помощью критерия Кулона (см. уравнение (5.6)), при этом значения угла трения и сцепления определяют в направ­ лении сдвига в плоскости трещины.

Рис. 8.5. Условия разрушения при наличии двух пересекающихся трещин (Бок, 1983): 1, 2 - направления трещин

1'

Рис. 8.6, Условия разрушения при наличии нескольких трещин (Hudson, Harrison, 1997)

совпадают (см. рис. 8.4). В результате образец имеет ослабления в разных направлениях одновременно, как показано на рис. 8.6. Мате­ риал образца стремится стать изотропным (в отношении прочности).

Очевидно, что с увеличением числа систем трещин прочность об­ разца все в большей степени зависит от условий разрушения по тре­ щинам. На рис 8.7 в координатах Мора схематично показано опреде­ ление верхнего и нижнего пределов прочности сильно трещиноватого скального массива. Одна кривая представляет собой предельную оги­ бающую ненарушенного скального грунта, другая характеризует ус­ ловие сдвига по наиболее неблагоприятно ориентированной трещине. Из анализа графика следует, что при низких нормальных напряже-

Рис. 8.8. Элемент, ослабленный трещиной системы:

а- схема к расчету; б - фигура прочности материала

Вкачестве примера на рис. 8.9 приведены кривые прочности материала, ослабленного систе­ мой параллельных трещин, в ко­ ординатах о, / Rp и о 3 / Rp в за­

в последнее время широкое распространение получил критерии (Hoek, Brown, 1988), применяемый и для ненарушенных скальных грунтов, и для скальных массивов. Использование критерия для ненарушенных скальных грунтов уже обсуждалось в главе 4 (фор­ мула (4.16)). В случае скальных массивов критерий имеет тот же вид, изменяются лишь значения коэффициентов т и s, которые можно определить с помощью табл. 8.2 либо по формулам