Механика скальных грунтов и скальных массивов

где С - коэффициент Шези, зависящий от типа грунта, шероховатости стенок пор, вязкости воды и турбулент­ ности потока.

Переход от ламинарно­ го режима к турбулентно­ му происходит при скоро­ стях от 0,3 до 0*5 м/с.

Закон Дарси справед­ лив, если скорость фильт­ рации мала, поток движет­ ся в ламинарном режиме, а

среда, в которой происхо­

Рис. 2.15. Кривая фильтрации воды

пределенными по объему соединяющимися порами.

Для всех скальных грунтов характерно нерегулярное распреде­ ление по объему пустот и пор, поэтому и водопроницаемость рас­ пределяется в них не однородно. Эта неоднородность может быть обусловлена также сжатием или растяжением пор и пустот. По этой причине опытные значения коэффициента фильтрации име­ ют большой разброс (табл. 2.1).

Водопроницаемость ненарушенных скальных грунтов опреде­ ляют в лабораторных условиях путем измерения во времени объе­ ма жидкости, прошедшей через образец, при постоянном давлении и температуре 15-20°С.

Таблица 2.1

КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ к СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПРИ 15 °С

(Jumikis, 1983)

Сиенит

ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 2

1.Как протекает процесс деформирования скальных грунтов при сжатии и растяже­ нии? Чем это обусловлено? Дайте определение касательного и секущего модулей деформации.

2.Что такое тензор напряжений? Раскройте это понятие.

3.Опишите процессы гидростатического и девиаторного сжатия.

4.Что такое феноменологические и структурные модели деформирования и разру­ шения скальных грунтов?

5.Опишите деформацию тела, содержащего тонкие эллиптические трещины.

6.Что такое пиковая и остаточная прочность?

7.Опишите процесс запредельного деформирования скальных грунтов.

8.Как влияют на деформационные характеристики вид напряженного состоя­ ния, скорость нагружения, температура, поровое давление?

9.Что такое реологические свойства скальных грунтов (примеры), кривая пол­ зучести? Приведите примеры реологических моделей скальных грунтов.

10.Дайте определение и раскройте смысл понятий проницаемости и фильт­ рации.

11.Что такое ламинарное и турбулентное движение фильтрующейся воды? Дайте определение критического гидравлического градиента.

ГЛАВА 3 Испытания образцов ненарушенных

скальных грунтов

3.1. Испытания в условиях сжатия. Деформационные и прочно­ стные характеристики ненарушенных скальных грунтов обычно исследуют в лабораторных условиях на образцах с разным напря­ женным состоянием. Испытания проводят в целях: стандартиза­ ции механических характеристик скальных грунтов; определения напряженного состояния сооружения и скального массива (по­ скольку для перехода от деформаций к напряжениям необходимо знать упругие и прочностные свойства материалов); построения моделей поведения ненарушенных скальных грунтов при воздей­ ствии на них различных факторов.

Самым распространенным в инженерной практике является ис­ пытание образцов в условиях одноосного сжатия. В исследованиях ненарушенных скальных грунтов оно играет очень важную роль, поскольку, как указывалось выше, скальные массивы при взаимо­ действии с инженерными сооружениями в основном работают в ус­ ловиях сжатия и результаты одноосных испытаний дают ценную информацию об особенностях их поведения.

При проведении испытаний на одноосное сжатие надо учиты­ вать многие факторы, влияющие на получаемые результаты.

Комитетом по стандартизации лабораторных исследований Международного общества по механике скальных пород (ISRM, 1972) разработаны рекомендации по проведению испытаний на од­ ноосное сжатие. Согласно основным из этих рекомендаций, отно­ шение высоты к диаметру образца должно быть в пределах 2,5-3,0; форма образца - цилиндрическая, диаметр - не менее диаметра керна колонкового бурения (приблизительно 54 мм); скорость на­ гружения образца - в пределах 0,5-1,0 МПа/с; образцы перед ис­ пытанием выдерживаются в воздушной среде при температуре (20±2) °С и влажности 50%.

Диаграммы результатов испытаний образцов на одноосное сжа­ тие приведены в главе 2.

Ранее было показано, что на деформирование скальных грунтов существенное влияние* оказывает вид напряженного состояния. Учитывая это, большое внимание уделяют испытаниям образцов в условиях двухосного и трехосного сжатия.

Очень часто наземные и подземные сооружения работают в ус­ ловиях плоского напряженного состояния или плоской деформа­ ции, поэтому испытания на двухосное сжатие представляют прак­ тический интерес.

В исследовательской практике указанные испытания проводят путем непосредственного приложения главных напряжений (через загрузочные плиты) к поверхностям образца (рис. 3.1).

Верхняя плита

Рис. 3.1. Схема прибора для двухосных испытаний

на сжатие образца кубической формы

Результаты испытаний на двухосное сжатие в большинстве случаев представляют в виде кривых, при этом по осям координат откладывают наименьшее и наибольшее напряжения, отнесенные к пределу прочности на одноосное сжатие. Диаграммы показыва­ ют, что приложение к образцу наименьшего главного напряжения увеличивает его прочность. При этом возрастание прочности зави­ сит от типа скальной породы.

Скальный массив и взаимодействующие с ним сооружения на­ ходятся, как правило, в условиях объемного напряженного состоя­ ния, поэтому необходимо проводить испытания образцов на трех­ осное сжатие.

В настоящее время эти испы­ тания также выполняют двумя способами. Первый способ, так называемый стабилометрический, заключается в том, что об­ разец цилиндрической формы помещают в камеру пресса и его боковые поверхности через резиновую или металличес­ кую водонепроницаемую оболоч­ ку подвергаются всесторонне­ му равномерному обжатию, т.е. а2= с3. Независимо, вдоль оси об­ разца прикладывается давление, равное по значению наибольше­ му главному напряжению а,.

В испытаниях, проводимых вторым способом, исследуют образец в форме призмы, на каждую грань которой независимо друг от друга с помощью гидроцилинд­ ров передается давление, равное по значению главным напряже­ ниям (а,*а2*сг3). Подобным образом можно создать любую комбина­ цию напряжений.

Оба способа позволяют испытывать образцы в режиме и гидро­ статического сжатия, и девиаторного нагружения.

Как указывалось выше, на результаты опытов в условиях сжа­ тия влияют различные факторы, основными из которых являются: размеры образца, его форма, тип загрузочных плит и условия в зо­ не контакта между ними и поверхностью образца (торцевой эф ­ фект), скорость приложения нагрузки, жесткость испытательного нагрузочного устройства.

Рассмотрим сначала влияние размера образца.

Установлено (рис. 3.3), что в условиях одноосного сжатия с уве­ личением размера образца (при одном и том же отношении высоты к диаметру) характер его деформирования не изменяется, а проч­ ность и хрупкость, которыми характеризуется величина падения пиковых значений напряжений при запредельном деформирова­ нии, уменьшаются.

При изменении формы образца в условиях одноосного сжатия его объем сохраняется (рис. 3.4). В этом случае увеличение отноше­ ния диаметра образца к его высоте не влияет на кривую деформи­ рования, однако прочность и пластичность возрастают (хрупкость уменьшается).

тить, что в той части образца, на которую не распространяется тор­ цевой эффект, разрушение вызывают магистральные трещины, параллельные направлению сжатия.

Были разработаны меры по устранению трения на торцевых гранях образца, самыми распространенными из которых являются смазывание контактирующих поверхностей, например графитом, и применение тонких прокладок из резины, тефлона или неопрена. Оба способа имеют недостатки. В первом случае происходит внед­ рение смазочного материала в породу, после чего эффект его дей­ ствия в значительной мере снижается. Во втором случае часто на­ блюдается смятие прокладок, которое вызывает радиальные растягивающие напряжения, в результате чего характер их рас­ пределения становится неоднородным.

Наиболее эффективным способом оказалось применение ще­ точных плит, которые состоят из большого числа плотно пригнан­ ных друг к другу тонких стальных стержней, один конец которых заключен в металлическую обойму, а другой передает давление на образец. Деформации образца в поперечном направлении со­ провождаются изгибом стержней, практически устраняющим трение на поверхности контакта образца с нагрузочными плита­ ми. Применение щеточных плит также подтвердило вывод о том, что ни высота /7, ни диаметр d образца не оказывают заметного влияния на его деформационные и прочностные характеристики

(рис. 3.6).

О влиянии скорости приложения нагрузки на эти характеристики'образцов уже говорилось в главе 2.

дельной стадии. Избыток накопленной энергии и приводит к спон­ танному разрушению образца.

В настоящее время существуют два способа, которые позволяют избежать резкого разрушения, что дает возможность построить кривую напряжение - деформация в запредельной стадии. Первый способ заключается в увеличении жесткости испытательной маши­ ны путем применения очень тяжелых стоек и нагрузочных плит при минимальном количестве жидкости в гидравлической системе. Второй способ состоит в использовании сервоуправляемых испыта­ тельных машин, которые могут контролировать перемещения на­ грузочных плит с помощью специального сервоклапана, снижаю­ щего гидростатическое давление в нагрузочной системе, в случае, если электронное следящее устройство даст сигнал о превышении осевой деформацией запрограммированного значения.

3.2. Испытания в условиях растяжения. Как уже отмечалось, зна­ ние предела прочности скальных грунтов на растяжение необходимо при анализе прочности и устойчивости сооружений, взаимодейству­ ющих со скальным массивом. Однако эта характеристика, по сравне­ нию прочностью скальных грунтов на сжатие, в настоящее время изучена не так подробно. Это связано прежде всего с неустойчивос­ тью процесса разрушения при растяжении, что обусловливает нали­ чие больших трудностей при его исследовании. Кроме того, имеются сложности, связанные с подготовкой образцов к испытанию, фикса­ цией их в захватах испытательной машины и центрированием. Как правило, для опытов на прямое растяжение образцы изготовляют в виде цилиндров, реже - в виде призм. В ряде случаев концы образ­ цов выполняют расширенными для более надежной их заделки в разрывную машину. Тем не менее по указанным причинам опыты на одноосное (прямое) растяжение трудновыполнимы, вследствие чего на практике чаще пользуются косвенными методами, в частности ме­ тодом изгиба и так называемым «бразильским» методом.

Метод изгиба заключается в испытании призматических балочек, которые имеют опоры по краям и нагружаются посредине. При нагружении нижние волокна балочки растягиваются, а когда на­ пряжения в них достигают предела прочности, происходит разру­ шение. Подсчитанное методом сопротивления материалов напря­ жение в нижнем волокне и будет пределом прочности на растяжение при изгибе.

В соответствии с «бразильским» методом, изготовленный из скального грунта диск (или положенный на длинную сторону ци­ линдрический образец) нагружается вдоль диаметра сжимающей силой Р, как показано на рис. 3.9.