Механика скальных грунтов и скальных массивов

же в том, что она нагляд­ но демонстрирует явление дилатансии, т.е. способнос­ ти трещины расширяться в условиях сдвига при невы­ соких значениях нормаль­ ных напряжений.

В то же время эту модель нельзя в чистом виде ис­ пользовать для определения сдвиговой прочности нару­ шений сплошности скально­ го массива, поскольку в при­

роде шероховатость стенок трещин никогда не бывает регулярной. Как правило, встречается целый спектр неровностей и в широких пределах варьируется эффективная площадь оснований выступов. Поэтому для практического применения указанной модели необхо­ дима методика по обработке данных полевых исследований трещин

иполучению статистически обоснованных параметров, используемых

вней.

Сучетом важности проблемы проводятся многочисленные иссле­ дования, посвященные полевой оценке шероховатости стенок тре­ щин и представлению полученных результатов в виде, удобном для их использования при определении сопротивления трещин сдвигу.

Рассмотрим шероховатость с позиций ее влияния на сопротив­ ление трещины сдвигу.

По данным работы (Методические рекомендации..., 1984), шеро­ ховатость поверхностей при нарушении сплошности характеризу­ ется волнистостью и неровностью. Под волнистостью понимается поверхность с крупномасштабными волнообразными выступами, наличием которых обусловливаются высокое сопротивление сдви­ гу и раскрытие сомкнутых трещин во время сдвигового перемеще­ ния. Неровность - это мелкомасштабная шероховатость, имеющая тенденцию или разрушаться в процессе сдвига, или, если уровни нормальных напряжений малы, также способствовать раскрытию трещин. Иными словами, волнистость определяет дилатансионные свойства трещины, тогда как неровности в первую очередь опреде­ ляют прочность поверхности ее стенок.

Вработе (Методические рекомендации..., 1984) даны разные спо­ собы оценки шероховатости и определения углов наклона неровнос­ тей. Существуют методики (Могилевская, 1993) статистической об­ работки полученных результатов. По этим методикам вычисляют

средневзвешенные значения пикового и остаточного углов трения, прочностные характеристики материала выступов шероховатости, а также угла /, обусловленного крупномасштабной волнистостью.

Зная эти параметры, для расчетов прочности трещины на сдвиг можно использовать приведенные выше формулы.

Так, при небольших нормальных напряжениях и возможности дилатансии прочность трещины на сдвиг определяется по формуле (5.11), при невозможности раскрытия трещины и сдвиге с разруше­ нием неровностей - по формуле (5.6). Для запредельного состояния при полном разрушении выступов шероховатости используется формула (5.7). При этом, поскольку сцепление в плоскости сдвигово­ го разрушения достаточно мало, формулу (5.7) можно преобразо­ вать к виду (Hoek, Bray, 1974)

Во многих случаях, согласно данным'(Гудман, 1987), фост можно заменять на фм, поскольку, как показывают результаты исследова­ ний, их значения близки.

Помимо упомянутых формул многочисленными исследователя­ ми предлагались различные эмпирические зависимости. Наиболее известной из них, нашедшей широкое практическое применение, является следующая формула (Barton et al., 1985):

(5.13)

где JRC - коэффициент шероховатости трещины; JCS - прочность на сжатие материала стенки трещины; ап- действующее нормаль­ ное напряжение; фост - остаточный угол трения.

Прочность на сжатие материала стенки трещины определяют экспериментально, а коэффициент шероховатости трещины - ме­ тодом сравнения профиля трещины, полученного опытным путем, со стандартным (рис. 5.10).

Поскольку в формуле (5.13) первое слагаемое в скобках пред­ ставляет собой угол наклона неровности /, она отличается от фор­ мул, приведенных выше, тем, что в ней учитывается изменение / в зависимости от значений действующих нормальных напряжений, т.е. она позволяет проследить, как зависит форма разрушения вы­ ступов шероховатости от напряженного состоянйя при сдвиге.

Были проведены и другие исследования, отражающие в некото­ рой мере явления, которые происходят в контактирующих стенках трещины в процессе сдвига (Ladanyi, Archambault, 1970; Газиев, 1977; Ухов, Бурлаков, 1990).

Заполнитель трещины - мате­ риал, который частично или полно­ стью заполняет полость между по­ верхностями стенок трещины. При мощности заполнителя, превышаю­ щей высоту выступов шероховатос­ ти, сопротивление трещины сдвигу равно сдвиговой прочности заполни­ теля. Материал заполнителя может быть самым разнообразным - от глинки трения до продуктов вывет­ ривания коренных пород.

Значения параметров, приведен­ ные в табл. 5.1, можно рассматривать как первое приближение и в каждом конкретном случае их необходимо уточнять экспериментально.

Сопротивление сдвигу материала заполнителя можно определить по данным литературы, посвященной сдвиговой прочности грунтов.

Если мощность заполнителя мень­ ше высоты выступов шероховатости, механизм сопротивления сдвигу усложняется. Первоначально, когда сдвиговые смещения не­ велики, прочность трещины на сдвиг определяется прочностью за­ полнителя. В дальнейшем, с увеличением перемещений, вступают в контакт выступы шероховатости, что и начинает определять сопро­ тивление трещины сдвигу.

Таблица 5.1

ПАРАМЕТРЫ СДВИГОВОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ (Hoek, Bray,1974)

Кальцитовый заполнитель

20-27

тектонических зон

Сланцеватый разломный

14-22

материал

В этом случае, если известны свойства и мощность заполнителя и изучена шероховатость стенок трещины, ее сопротивление сдвигу можно определить расчетным путем, например, по формуле (5.13). Однако результаты расчетов следует рассматривать тоже как пред­ варительную оценку, которая должна уточняться экспериментально.

Анализ современных методов определения прочности трещин на сдвиг дан в работе (Речицкий, Эрлихман, 1997); там же подроб­ но рассмотрено влияние на эту прочностную характеристику мас­ штабного фактора.

Наличие воды в трещине. Сопротивление сдвигу вдоль трещи­ ны в значительной мере зависит от значения нормального напря­ жения, действующего на нее. Вода, заполняющая полость трещи­ ны, воспринимает часть этой нагрузки и таким образом снижает прочность на сдвиг.

Влияние поровой воды в грунтовом массиве на его напряженное состояние впервые был рассмотрено в работе (Terzaghi, 1925) и от­ ражено в концепции «эффективных» напряжений, в соответствии с которой

где р - давление поровой воды.

Это уравнение, многократно подтвержденное эксперименталь­ но для грунтов, распространяется и на трещиноватые скальные массивы. В этом случае р - давление воды в трещине; исключение допускается только тогда, когда шероховатость стенок трещины невелика и площадь их контакта занимает значительную часть по­ верхности трещины, а также для трещин с водонепроницаемым за­ полнителем.

где Yw - объемный вес воды; z - высота столба воды до поверхности. Нормальное напряжение в массиве на глубине z

где Y - объемный вес горной породы. Следовательно, напряжение в трещине

Расчеты, выполненные с использованием формулы (5.17), пока­ зывают, что давление воды в трещинах может существенно сни-

зить прочность скального массива. Например, при значениях объ­ емного веса породы и воды, равных 2,7 и 1,0 соответственно, проч­ ность массива может снизиться приблизительно на одну треть.

Влияние давления воды в трещинах в различных случаях про­ является неодинаково. Так, в процессе строительства плотин его обязательно следует учитывать при сборе нагрузок как противо­ давление. При проходке подземных выработок давление в трещи­ нах, как правило, снижается вследствие разгрузки скального мас­ сива вокруг выработок, поэтому часто отпадает необходимость в разработке специальных мероприятий по его принудительному понижению. Наиболее неблагоприятно давление воды в трещинах проявляется при обеспечении устойчивости откосов скальных массивов. Здесь ситуация осложняется еще и тем, что при выходе поровой воды на поверхность скального массива появляется гид­ родинамическая составляющая давления, которая может сущест­ венно понизить устойчивость откоса. В таких случаях практичес­ ки всегда для снижения давления воды в трещинах требуется проведение специальных работ по дренированию откосов.

Дилатансия. Как уже указывалось выше, под дилатансией по­ нимается способность трещины расширяться при сдвиге. Однако эта способность зависит от нескольких факторов: действующего в плоскости трещины нормального напряжения, формы и размеров выступов шероховатости и условий на границе исследуемой облас­ ти скального массива. При рассмотрении влияния шероховатости стенок трещины на ее способность сопротивляться сдвигу было по­ казано, что при ограничении дилатансии прочность трещины на

сдвиг существенно повы­ шается. На рис. 5.11 схема­ тично показана выработка, в своде которой имеется скальный блок, выделен­ ный двумя крутопадающи­ ми трещинами (Зерцалов и др., 1989). Рассматривались два случая: в первом - стенки трещин абсолютно гладкие, во втором - по­ верхность стенок трещин шероховатая. В обоих слу­ чаях численным модели­ рованием исследовалась возможность вывала блока

в своде выработки. На основании расчетов было установлено, что устойчивость блока во втором случае увеличилась на 25%.

Этот пример наглядно показывает, что инженеры, не имеющие возможности влиять на форму трещин, должны, используя знание поведения трещин под нагрузкой, научиться проектировать соору­ жения, которые наилучшим образом взаимодействуют со скаль­ ным массивом.

5.3. Испытание трещин. При изменении природного напряжен­ ного состояния скального массива, вызванном строительством на­ земных или подземных сооружений, трещины могут подвергаться деформации сжатия, растяжения или сдвига. Для количественной оценки этих деформаций, а также для оценки их влияния на сопро­ тивление трещин действующим нагрузкам необходимо знать рас­ четные механические характеристики, определяющие эти дефор­ мации. Частично составить представление о характеристиках трещин можно, основываясь на их детальном описании, выполнен­ ном изыскателями на основании исследований скальных обнаже­ ний или кернов, выбуренных из породных массивов. Однако полное представление о механических характеристиках трещин можно получить только на основании их экспериментального определе­ ния в натурных условиях или в лаборатории. I

В предыдущем параграфе отмечалось, что при испытании тре­ щин основное внимание уделяется изучению их сопротивления сдвигу, поскольку эта характеристика оказывает значительное влияние на прочность скального массива.

Опыты в натурных условиях проводят на целиках породы мето­ дами прямого сдвига, т.е. когда плоскость трещины ориентируется параллельно направлению сдвигающей силы. При этом приклады­ ваемая к целику сила, нормальная к плоскости сдвига, остается в течение опыта постоянной, а сдвигающая сила возрастает.

Следует отметить, что целик необходимо вырубать в массиве таким образом, чтобы плоскость трещины являлась плоскостью контакта между целиком и основанием, что, как правило, сущест­ венно усложняет исследования и делает их более дорогостоящими.

С учетом этого, если имеется возможность отбора подходящих образцов, проводят лабораторные исследования, принимая в,о вни­ мание и масштабный эффект.

Как показано в работе (Гудман, 1987), образцы для лаборатор­ ных испытаний можно изготовить, выбуривая керны большого диа­ метра вдоль плоскости трещины, след которой выходит на поверх­ ность скального массива (рис. 5.12, а). Используя этот способ, особое внимание следует уделять сохранности кернов, которые могут раз-

Рис. 5.15. Испытание на трехосное сжатие образца породы с трещиной (Гудман, 1987): а - расположение трещины; б - напряженное состояние; 1 - критерий разрушения; 2 - направление действия ст на трещину

Рис. 5.16. Результаты трехосных многоступенчатых испытаний залеченной в начальной стадии трещины, параллельной слоистости в графитовых сланцах (Гудман, 1987)

Следует отметить, что выбор метода исследований в каждом конкретном случае определяется как его стоимостью, так и нали­ чием испытательного оборудования.

1.Как определить местоположение трещины в пространстве?

2.Выделите основные положения, характеризующие нормальную деформа­ цию трещины.

3.Выделите основные положения, характеризующие сдвиговую деформацию трещины.

4.Перечислите факторы, влияющие на предельное касательное напряжение в плоскости трещины. Опишите влияние каждого фактора.

5.Что такое дилатансия и как она влияет на деформирование породного мас­ сива и его прочность?

6.Укажите основные методы испытания трещин.