книги из ГПНТБ / Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве

рые используют так называемое явление разгрузки (ме­ тод разгрузки).

Самый примитивный из этих методов — замер дефор­ маций диаметра пробуренной в массиве скважины [61].

Более совершенным является метод, при котором в пробуренную скважину вклеивается эпоксидной смолой

Рис. 46. Главные напряжения в вертикальной плос­ кости по оси двух штолен, идущих в глубь склонов в районе арочной плотины Ингури ГЭС

90

изготовленный из такой же эпоксидной смолы цилиндр с вмонтированными в него электротензодатчиками [69]. После полимеризации клея снимаются показания элект ротензодатчиков, а затем скважина обуривается второй коаксиальной скважиной большего диаметра, в резуль­ тате чего происходит разгрузка цилиндра. По разности начальных и конечных показаний электротензодатчиков определяется тензор напряжений, существовавший в данной точке массива до вмешательства человека.

Ввиду сложности и значительной стоимости этот ме­ тод не нашел широкого распространения. Более часто используется метод наклейки розетки тензодатчиков на торец скважины. Этим методом был проведен большой комплекс исследований напряжений в скальном основа­ нии арочной плотины Ингури ГЭС [5] (рис. 46). Были предложения наклеивать на торец скважины вместо ро­ зетки тензодатчиков фотоупругие датчики, работающие в отраженном свете. Иногда фотоупругие датчики, изго­ товленные в виде цилиндров, вклеивают в скважину и определяют возникающее в них поле изохром как в про­ ходящем, так и в отраженном свете [61]. Исследования работы таких фотоупругих датчиков и разработка спе­ циального поляриметра производятся также и в нашей стране.

Недостатком этих методов является то, что вклеивае­ мые в скважину измерительные цилиндры имеют, как

а это может привести к существенному искажению кар­ тины напряженного состояния. Кроме того, все эти мето­ ды определения напряжений требуют знания упругих характеристик скалы, т. е. знания модуля упругости и ко­ эффициента Пуассона. Но, во-первых, эти характеристи­ ки не всегда известны, а, во-вторых, если они и извест­ ны, то носят весьма ориентировочный характер, что, ко­ нечно, приводит к существенной погрешности при опре­ делении величин напряжений.

Метод определения напряжений в скальном массиве, не требующий знания упругих характеристик скалы, был предложен в 1949 г. А. Коутино [80]. Проведенные им исследования показали, что если модуль упругости вклю­ чения, которому в данном случае соответствует измери­ тельный тензометр, превосходит модуль упругости окру­ жающей горной породы более чем в два раза, то воспри-

91

нимаемые им (т. е. замеренные тензометром) напряже­ ния практически не зависят от модуля упругости горной породы.

Используя этот эффект, А. Вильсон [80] разработал тензометр, представляющий собой разъемный латунный цилиндр ( £ = 9 6 0 000 кгс/см2), на обеих половинках ко­ торого наклеены электротензодатчики. После соедине­ ния обеих половинок тензометр вставляют в скважину, плотно вклеивая эпоксидной смолой. Экстензометр фик­ сирует напряжения

где ах и Oy — напряжения в скальном массиве.

Другой тип прибора был использован Н. Хастом при упомянутых выше исследованиях [79]. Этот тензометр состоит из измерительной катушки, распорного клино­ вого устройства и опорных ножек. При опускании при­ бора в скважину диаметром 26 мм на необходимую глу­ бину (до 20 м) высвобождается клиновое устройство, которое распирает и закрепляет тензометр в намеченном месте. После этого снимается показание измерительной катушки, а затем скважина с тензометром обуривается второй коаксиальной скважиной диаметром 87 мм для обеспечения полной разгрузки скалы в месте установки тензометра. Вслед за этим вновь снимаются показания и их разность с первоначальными определяет напряже­ ние в точке измерения.

числить величину вертикальных сжимающих напря­ жений.

Сопоставление результатов расчета и эксперимента

состояния трещиноватого скального массива. Более пер­ спективным в этих условиях следует считать метод ком-

92

пенсации напряжений [68, 69], описанный в начале п. 4 главы I I I .

9. Подверженность скальных пород разрушению

под воздействием атмосферных факторов

Все скальные породы в большей или меньшей степе­ ни подвержены разрушению или эрозии под воздействи­ ем атмосферных факторов. Достаточно сказать, что три четверти скальных массивов, служащих в настоящее время основаниями инженерных сооружений, находятся в процессе непрерывного медленного разрушения.

Эти выводы могут показаться абсурдными. Обычно считают, что если и есть что-либо постоянное на нашей планете, так это скальные породы. Ведь достаточно по­ смотреть на горные хребты, чтобы согласиться с этим Утверждением.

Однако не следует забывать, что видимые на поверх­ ности скальные породы не характеризуют горных пород, находящихся на глубине и защищенных от воздействия атмосферных факторов. На протяжении многих тысяче­ летий все, что могло быть разрушено, было разрушено и разнесено по всей поверхности земли в результате ко­ лебаний температуры, выпадения дождей, течения рек, воздействия выветривания и т. п. Те горы, которые мы еще можем видеть вокруг себя, это результат неумоли­ мого геологического исторического процесса.

ческих эпох, и было бы весьма странным, если бы. попав в новые условия непосредственного контакта с атмосфе­ рой, эта скальная порода не претерпела бы определенно­ го изменения своих характеристик.

93

Наиболее активными атмосферными агентами явля­ ются температура и вода. Изменения температурного ре­ жима скальной породы приводят к ее растрескиванию, после чего вода и воздух довершают разрушение.

Вода является составной частью кристаллов боль­ шинства минералов и поэтому может служить хорошим растворителем. Не следует думать, что для разрушения скальной породы необходимо растворить или вымыть из нее большие количества минералов или солей. Для этого достаточно нарушить или разрушить связи между ком­ понентами различных минералов, составляющих скалу, что достигается перемещением небольшого числа ионов кальция, магния или калия.

Следовательно, подверженность скальных пород раз­ рушению в первую очередь определяется их петрографи­ ческим и химическим составом. Другой важной характе­ ристикой скального массива является степень его тре-

становятся более доступными для воды и воздуха, а сам массив становится все более слабым и хрупким. Для то­ го чтобы какой-либо минерал начал видоизменяться в присутствии воды или воздуха, надо, чтобы «агрессив­ ный» поток смог к нему проникнуть.

Примером этого явления может служить часто наб­ людаемое разрушение первоначально весьма прочных пород после проходки в них туннеля. Буквально через несколько дней после проходки выработки скала на стенках и своде начинает разрушаться, и отделяющиеся куски породы вываливаются внутрь туннеля. Однако до­ статочно защитить такую породу слоем шприц-бетока. чтобы процесс ее разрушения прекратился.

Принимая во внимание, что возводимые человеком сооружения должны служить много лет, необходимо в каждом конкретном случае определять подверженность скальных пород, слагающих основание, разрушению, что­ бы принять соответствующие меры защиты.

Практически любая скальная порода, подверженная разрушению под воздействием атмосферных факторов, может служить надежным основанием сооружения, еслі' приняты необходимые меры ее защиты.

94

Г Л А В А II

У С Т О Й Ч И В О С Т Ь С К А Л Ь Н Ы Х О Т К О С О В

1. Основные представления

Обеспечение устойчивости скальных откосов являет­ ся основной проблемой при строительстве сооружений на скале и при выполнении в ней выемок, срезов и котло­ ванов.

Наличие ослабленных поверхностей и трещин в скальном массиве обусловливает оползание вышераспо­ ложенных блоков или массивов под действием сил собст­ венного веса и приложенных к скальному массиву внеш­ них нагрузок.

Как правило, это довольно долгий и нередко весьма сложный процесс. На рис. 47 приведена диаграмма сме­ щений при оползании скального массива при строитель­ стве плотины «Мохамед Реза Шах Пехлеви» (ДезПроект) в Иране [28], свидетельствующая, что процесс сме­ щения скального массива является скачкообразным.

Рассмотрим последовательные этапы процесса сме­ щения скального массива по подсекающей его трещине, служащей контактной поверхностью между смещающей­

тактной поверхности нормальную и касательную состав­ ляющие. Если величина касательной составляющей пре­

риала, то равновесие будет нарушено и начнется смеще­ ние массива;

2) поверхность бортов трещины состоит из множест­ ва неровностей (бугорков). В результате, потеряв равно­ весие, массив из своего первоначального положения сме­ щается в новое устойчивое положение, передвигаясь де тех пор, пока не придут в зацепление бугорки или высту-

95

пы на контактной поверхности. Однако если в предыду­ щем положении массива величина касательной состав­ ляющей от его собственного веса (и внешних сил) ока­ залась больше прочности на сдвиг по трещине, то, очевидно, при новом устойчивом положении массива ее величина будет несколько меньше или равна прочности нового контакта на сдвиг.

Оц, мм

Рис. 47. Диаграмма смещений при оползании скального массива в районе строительства плотины «Мохамед Реза Шах Пехлеви» (ДезПроект) в Иране

В местах контакта отдельных выступов и бугорков происходит концентрация напряжений. С течением вре­ мени вследствие ползучести скалы и срыва более мел­ ких второстепенных выступов концентрация напряжений в местах контакта более крупных выступов увеличива­ ется, пока не начнется процесс растрескивания выступа (рис. 48), что в итоге приводит к его разрушению;

3)в момент разрушения последней группы крупных бугорков, обеспечивающих устойчивость массива, проис­ ходит скачкообразное его смещение до занятия нового устойчивого положения;

4)весь процесс повторяется снова и снова;

5)в момент, когда после очередного смещения в свя­ зи с постепенным разрушением выступов на контактной поверхности скальный массив уже не находит себе устойчивого положения, происходит полное разрушение

96

ния чревато большой опасностью провоцирования сдви­ га массива, а, во-вторых, цементация трещин лишь в ред­ ких случаях приводит к значительному увеличению проч­ ности на сдвиг. При преобладании глинистого заполни­ теля цементационный раствор часто вообще не проникает в трещину, а если и проникает, то образует отдельные местные вкрапления в заполнителе трещин.

2. Общие положения расчета устойчивости

Главным фактором, определяющим несущую способ­ ность и устойчивость скального массива, является его трещиноватость. Как уже указывалось, в скальном мас­ сиве всегда существует неколько систем трещин с раз­ личными азимутами и углами падения, определяющими основные плоскости ослабления или потенциальные по­ верхности скольжения. В этом смысле для оценки устой­ чивости скальных откосов не применимы классические методы расчета, используемые в механике грунтов. За­ дача осложняется еще и тем, что часто мы не распола­ гаем достаточно достоверными данными о величине прочности на сдвиг по трещинам. Дело в том, что эта прочность зависит от многих факторов: ширины и фор­ мы трещины, характера зацепления жестких выступов в трещине, наличия заполнителя, его природы, характе­ ристик и его распределения по площади трещины, нали­ чия включений в заполнителе, их размера относительно ширины трещины и т. д. Таким образом, чаще всего при­ ходится иметь дело с комплексом различных сочетаний величин параметров с и f для разных условий заполне­ ния трещин, когда расчет сводится к определению наи­ меньшего коэффициента запаса устойчивости по крити­ ческой поверхности (или сочетанию поверхностей) сколь­ жения при наиболее неблагоприятном для данного слу­ чая сочетании параметров с и f, где с и f— параметры линейной зависимости т— о.

Если вычисленный коэффициент запаса оказывается меньше допустимого, необходимо рассмотреть возмож­ ные мероприятия по обеспечению требуемой устойчиво­ сти откоса (уположение, анкеровка, цементация трещин и т. п.).

Анкеровка скальных массивов предварительно-нап­ ряженными глубокими анкерами получила в последние годы наиболее широкое распространение. Она позволя-

98

ет значительно снизить деформативность и водопрони­ цаемость скального массива и существенно повысить прочность на сдвиг но рассматриваемым поверхностям скольжения как вследствие увеличения нормальной со­ ставляющей силы, так и благодаря предотвращению рас­ крытия трещин.

При расчете устойчивости скального откоса решают следующие задачи:

а) определяют коэффициент запаса устойчивости от­ коса в целом или какой-либо его части;

в) намечают мероприятия (уположение откоса, анкеровка и т. п.), обеспечивающие необходимый коэффици­ ент запаса устойчивости.

Расчетную схему назначают в соответствии с конк­ ретными геологическими условиями и параметрами от­ коса. При этом возможен расчет по схеме плоского сдви­ га по одной или двум опасным поверхностям и по схеме пространственного сдвига по двум и более поверхностям скольжения. Этими опасными поверхностями скольжения могут быть как плоскости трещин основных систем, так и произвольные поверхности нарушения сплошности мас­ сива '(случайные трещины).

При рассмотрении плоской задачи расчетные сечения выбирают на основе анализа диаграммы трещиноватости.

В расчетах устойчивости скального откоса учитыва­ ют следующие нагрузки: 1) собственный вес рассматри­ ваемого скального массива; 2) внешние силы или нагруз­ ки, приложенные к откосу; 3) гидростатическое давление фильтрующейся по трещинам воды; 4) объемную инер­ ционную силу, вызванную сейсмическим ускорением, Действующим в наиболее неблагоприятном для устойчи­ вости массива направлении; 5) силу натяжения анкеров или реакцию от других поддерживающих откос конст­ рукций.

Величины коэффициентов запаса назначают в каж­ дом случае особо, основываясь на анализе исходных дан­ ных, расчетных схем, состояния откоса в натуре и воз­ можных последствий его обрушения. Однако исходя из- Имеющегося в этом вопросе опыта можно указать сле­ дующие обычно принимаемые в расчетах величины ко-