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

скальную среду, при различных комбинациях определя­ ющих параметров, основным из которых являлся угол наклона сплошной системы трещин к направлению при­ ложенной нагрузки. Исследования выполняли на моде­ лях, сложенных из гипсодиатомитовых плотно притер­ тых друг к другу блоков прямоугольной формы со сле­ дующими основными характеристиками:

Деформативность трещиноватого скального основа­ ния. Модуль упругости материала блока, определенный на образцах, еще не характеризует деформативности блочного основания, которая в основном определяется

Рис. 71. Диаграмма зависимости динамических (сплошная линия) и статических (пунктирная линия) модулей уп ругости блочного массива от направления приложенной нагрузки относительно основных блокообразующих систем трещин (статические модули упругости определялись ме­ тодом нагружения модели плоским штампом с использо­ ванием решения Фламана для упругой полуплоскости, а динамические модули определялись ультразвуковым ме-

тодом)

деформативностью имеющихся контактов между блока­ ми и их взаимным расположением.

Максимальные значения модуля упругости, соответ­ ствующие минимальной деформативности среды, наб­ людаются вдоль напластования, в то время как поперек напластования среда обладает наибольшей деформативностью и, следовательно, наименьшими модулями упру­ гости (рис. 71 ).

Это различие в деформативности блочной среды в разных направлениях определяет характер картины де­ формированного состояния основания при приложении

Рис. 72. Нагружение косослоистой блочной среды гибким штампом под углом 45° к напластованию

а — диаграмма вертикальных смещений; б — диаграмма вертикальных напря­

жений, вычисленных по диаграмме смешений

среды при нагружении ее гибким штампом под углом 45° к напластованию.

Изменение жесткости штампа оказывает существен­ ное влияние на деформацию поверхности массива и при­ поверхностной зоны. Однако на глубине, равной двум ширинам штампа, это влияние практически уже не обна­ руживается.

Картина напряженного состояния блочного основа­ ния. При анализе напряжений в слоистой блочной среде необходимо иметь в виду, что может рассматриваться ин­ тегральная картина распределения напряжений в осно­ вании «вообще» как в идеализированной сплошной сре­ де, а также картина распределения напряжений в бло­ ках, составляющих эту среду. Эти две картины напря­

162

Напряженное состояние основания определяется ха­ рактером его деформированного состояния с учетом ани­ зотропии деформативности. Зная модули упругости сре­ ды в заданном направлении и используя полученные диаграммы ее деформаций, можно вычислить осредненные или интегральные напряжения. На рис. 72,6 показа-

Рис. 73. Характер распределения напряжений в фотоупругой модели блочного скального основания левобережного примы­ кания плотины Гранчарево (Югославия)

на диаграмма вертикальных напряжений в трещиноватом блочном основании, вычисленная по диаграмме сме­ щений (см. рис. 72,а). Вполне логично, что эта диаграм­ ма напряжений имеет вытянутую форму вдоль напла­ стования, т. е. в направлении наибольшей жесткости блочной среды.

Картина напряжений в блоках скального основания. Эти напряжения можно замерить розетками тензодатчи­ ков, вклеенными в тело блоков, слагающих скальное ос­ нование.

Распределение напряжений в блоках косослоистого скального основания при различных углах между на­ правлением нагрузки и напластованием характеризует-

ся в общем случае наличием двух расходящихся пото­ ков напряжений в направлении основных блокообразующих систем трещин, причем направление основного потока и глубина проникновения максимальных напря­ жений меняется с изменением величины угла между на­ правлением нагружения и напластованием. Чем меньше

угол, образуемый направлением нагрузки с плоскостью напластования скального массива, тем глубже проника­ ют напряжения, вызванные действием этой нагрузки. Это объясняется незначительной распределяющей спо­ собностью массива в направлении напластования.

Эволюция эпюры максимальных сжимающих напря­ жений в слоистом блочном основании, очевидно, проис­ ходит так, как показано на рис. 74 [40]. При горизон­ тально ориентированных слоях, когда направление на­ грузки нормально к напластованию, эпюра напряжений имеет форму, вытянутую поперек напластования. При

164

повороте слоев и уменьшении угла между направлением нагрузки и напластованием часть усилий начинает пе­ редаваться на «торцы» слоев, которые все больше вовле­ каются в работу на сжатие, чем и объясняется раздвое­ ние картины напряжений. При угле между направлени­ ем нагрузки и напластованием 45°, когда, казалось бы, возможности для распределения нагрузки между обои­ ми направлениями равновероятны, основная часть на­ пряжений отклоняется все же поперек напластования, что объясняется распределяющими свойствами блочном среды (рис. 74,г). С дальнейшим поворотом слоев ве­ личина и глубина проникновения эпюры напряжений по­ перек напластования уменьшаются и соответственно увеличивается часть эпюры, направленной вдоль напла­

правлением нагрузки, все усилия передадутся на торцы пластов, и мы вновь получим весьма вытянутую эпюру напряжений в пластах, работающих как столбы или, вернее, сваи, передающие, в свою очередь, воспринима­ емую ими нагрузку через контактные поверхности на соседние пласты скального массива.

Весьма важным фактом является обнаруженный в исследованиях эффект возрастания напряжений в цент­ ральных блоках, расположенных непосредственно под штампом. Особенно ярко этот эффект проявляется под гибким штампом, где напряжения в центре под штам­ пом могут в 1,5—3 раза превышать приложенные на­ грузки. Наибольшей величины эти напряжения достига­

дет растягивающим. Несмотря на то что блочная среда не может воспринять растягивающих усилий, в отдель­ ных блоках этого основания могут возникнуть значи­ тельные растягивающие напряжения, что объясняется перекосами и защемлениями блоков при деформирова­ нии массива.

Масштабный эффект при определении деформативности дискретной блочной среды. Одним из самых распро­ страненных методов определения деформативных харак-

165

теристик скального массива является метод нагружения штампом. Однако, принимая во внимание, что скальный массив, как правило, не является однородным линейиоупругим континуумом, а чаще представляет собой ани­ зотропную дискретную среду, состоящую из блоков оп­ ределенного размера, есть основания предполагать, что деформируемость такого массива будет зависеть от от­ носительного размера загружаемой площади, или, ины­ ми словами, от соотношения размеров штампа и скаль­ ных блоков, слагающих массив. Это явление получило название масштабного эффекта.

Стремление снизить влияние масштабного эффекта при проведении полевых испытаний штампами для оцен­ ки деформативности скального основания того или ино­ го сооружения привело к увеличению размеров штам­ пов, что, в свою очередь, привело к необходимости приложения к ним огромных усилий и наряду с усложне­ нием и утяжелением оборудования вызвало значитель­ ное удорожание эксперимента. Однако даже увеличение размеров штампов с 1 до 2 или 3 м2 не решает пробле­ мы, так как площадь опорной поверхности пяты соору­ жения в десятки раз превышает те площади, которые практически можно загрузить при проведении полевых исследований.

Наиболее рациональным методом изучения этого яв­ ления следует признать метод моделирования, позво­ ляющий воспроизвести на модели различные соотноше­ ния между шириной штампа и размером блока основа­

Модули деформации блочной среды, вычисленные по зависимостям теории упругости, различны для различ­ ных размеров штампа, что свидетельствует о наличии масштабного эффекта. Наиболее сильно влияние мас­ штабного эффекта сказывается при относительно не­

166

очень высокие значения модулей, которые резко падают с увеличением Ь/а5л. При о/абл = 24-4 наблюдаются ми­ нимальные значения модулей, а при дальнейшем возра­ стании ширины штампа модули несколько увеличивают­ ся, постепенно стабилизируясь по величине.

Уравнения теории упругости, используемые для вы­ вода формул Фламана или Буссинеска, предусматрива­ ют линейную зависимость осадки штампа от приложен­ ной нагрузки. При испытании трещиноватой блочной среды эта линейная зависимость не всегда наблюдается, что и приводит к искажению получаемых результатов, а также появлению так называемого масштабного эф­ фекта. Кроме того, возникает вопрос в правомерности использования уравнений теории упругости для вычис­ ления модуля деформации (упругости) при отсутствии линейной зависимости между осадками и напряжениями.

Следует, однако, иметь в виду, что определенные та­ ким образом модули деформации, хотя и представля­ ются недостаточно обоснованными с теоретической точ­ ки зрения, позволяют оценить реальные смещения, кото­ рые будут происходить в подошве сооружения, что при проектировании таких сооружений, как арочные плоти­ ны, имеет исключительное значение.

5. Примеры изучения напряженно-

деформированного состояния

скальных оснований гидротехнических сооружений

Первые геомеханические модели, воспроизводящие структуру реального скального основания гидротехни­ ческих сооружений, были выполнены для изучения ос­ нований высоких арочных плотин. Это объясняется тем, что, во-первых, высокие арочные плотины передают па скальное основание огромные нагрузки и, во-вторых, их поведение под нагрузкой в значительной степени опре­ деляется податливостью и деформируемостью скальных примыканий.

Основной целью этих исследований было определе­ ние деформаций и смещений блоков скального основа­ ния, а также характера его разрушения при испытани­ ях на предельную нагрузку.

Одно из первых достаточно сложных и интересных исследований было осуществлено М. Панчини в I960 г. в Экспериментальном институте моделей и сооружений

167

ставом, у которого прочность на срез равнялась 25% прочности на срез основного материала блока, а другие имели нулевое сцепление и углы трения 30 и 45°.

Нагружение модели осуществлялось жидкостями различной плотности. Разрушение ее произошло при ис­ пользовании жидкости с объемным весом 1,5 т/м3.

На моделях были воспроизведены системы крупных трещин, пересекавших створ плотины и имевших весьма низкие углы внутреннего трения (около 8—10°).

При изучении деформируемости модели скального основания плотины была воспроизведена гидростатичес­ кая нагрузка на верховую грань плотины и борта водо­ хранилища, а также гидростатическое давление на це­ ментационную завесу и в зоне трещины на нравом бе­

ния плотины и скального основания. Эти смещения в на­

трещин в скальном основании, а лишь с воспроизведением зон с различной деформативностью, было осуществлено под руководством автора в 1962—1963 гг. в институте Гидроэнергопроект в Москве. Изучалось напряженно-

168

деформированное состояние арочной плотины Видрару

ний. Однако модули упругости слагающих створ пород составляли 135 тс/см2 для средней и нижней трети ле­ вого берега и нижней трети правого берега, 200 тс/см2 для средней и верхней трети правого берега и 100 тс/см2 для верхней трети левого берега.

Вначале было осуществлено испытание упругой мо­

В процессе исследования поведения плотины под нагруз­ кой изучались также напряжения в скальном основании на различной глубине под пятой плотины.

Для определения коэффициента запаса прочности и установления характера разрушения плотины нагрузка на модель была доведена до разрушающей. Первые тре­ щины в теле плотины появились на верхних отметках правобережного примыкания, где основание имело наи­ больший модуль упругости, а следовательно, и наиболь­ шую жесткость. Отсюда и началось разрушение пло­ тины.

В 1966 г. в Министерстве гидравлических ресурсов Мексики под руководством автора было проведено ис­ следование поведения скального массива в основании гравитационной бетонной плотины Ля Амистад (Мекси­

в) исследование деформаций и смещений скального ос­ нования; г) определение коэффициента запаса прочно­ сти сооружения и его скального основания.

Модель в геометрическом масштабе ?.= 100 была изготовлена из гипсопесчаной смеси, а прослойки глини­ стого материала выполнялись из специального состава

169