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

ля степени п прямо пропорционально степени трещпноватости скалы и в этом смысле может служить своеоб­ разным критерием для оценки трещиноватостн скально­ го массива.

В сильно трещиноватых квазиоднородных породах масштабный эффект может сказываться очень слабо, не­ пропорционально п.

IgR, кгс/см'

Рис. 3. Зависимость прочности различных скальных пород от характерного размера поперечного сечения испытывае­

хрупкая глина по Дженкинсу (л=-0,475); 10 — бетон (л—0,1); //—мра­ мор (л-0,07); 1 2 — гипс по Хайаши (я-0,12)

На рис. 3 приведены результаты исследований мас­ штабного эффекта на различных скальных породах.

Дисперсия результатов. Испытав большое количество одинаковых образцов одной и той же скальной породы, можно получить весьма большой разброс величин проч­ ности. Типичная гистограмма дисперсии результатов ис­ пытаний представлена на рис. 4.

Для статистической обработки этих результатов обычно пользуются следующими характеристиками:

среднеарифметическим значением прочности

1

10

На основании результатов испытаний большого ко­ личества образцов одной и той же скальной породы мож­

полученные результаты составили практически одну кри­ вую распределения прочности, причем среднеарифмети­ ческое значение прочности соответствует примерно 55%- ной обеспеченности.

Аналогичный график можно построить и по результа­ там определения прочности на растяжение (рис. 6). Оче-

11

Рис. 5. График распределения (обеспеченности) прочности на сжа­ тие скальных пород в створе арочной плотины Мальпассе [23]

12

видно, что в этом случае коэффициент вариации будет больше.

Для правильного назначения величины расчетной прочности необходимо исходить из требуемой степени надежности сооружения, определяемой соответствующим процентом обеспеченности прочности.

Обеспечить 100%-ную надежность невозможно. Прак­ тически достижима надежность 99,9%, но ее обеспечение

Рис. 6. График распределения (обеспеченности) прочности на растяжение гнейса МІП-2 в створе плотины Мальпассе

80 %

весьма дорого и поэтому она назначается редко. Для каждого конкретного сооружения надо выбирать опти­ мальную надежность; для ответственных сооружений она, вероятно, должна составлять 85—95%.

Прочность скалы в массиве. Все, что говорилось вы­ ше о прочности скальных пород на сжатие, относилось к прочности отдельного образца, подвергнутого одноос­ ному сжатию при возможности его бокового расширения.

Однако в реальных условиях скальная порода, выпол­ няющая роль основания сооружения, работает как по­ лупространство, загруженное на какой-то ограниченной площади. Какова в этом случае несущая способность

13

скалы? Возможно ли ее разрушение и каков его харак­ тер? Какими должны быть расчетные предпосылки?

Это весьма актуальные и интересные вопросы, осо­ бенно при расчете и проектировании таких сооружений,

К, п — экспериментальные параметры.

На рис. 7 приведены результаты исследований, про­ веденных в штольнях на различных породах. Нагрузка на скалу создавалась гидравлическими домкратами че­ рез штампы различного диаметра и увеличивалась до разрушения породы. Обратная пропорциональность проч­ ности скалы диаметру штампа свидетельствует о влия­ нии масштабного эффекта [см. зависимость (6)].

Следует отметить, что все проведенные до настояще­ го времени испытания несущей способности (прочности) скалы в массиве выполнялись при использовании штам­ пов весьма ограниченного размера. Это обстоятельство

14

влиянии масштабного эффекта на прочность скалы в массиве при большой площади опирания сооружений. Очевидно, что снижение прочности с увеличением диа­ метра штампа будет наблюдаться лишь до определенной величины этого диаметра, зависящей от линейного раз­ мера блоков скального массива. При дальнейшем увели­ чении диаметра штампа (когда он превысит размер бло­ ков в несколько раз) прочность скалы в массиве, веро­ ятно, будет увеличиваться.

3. Прочность на растяжение

Всегда очень сложно говорить о прочности скалы на растяжение. Наличие в скальной породе, как правило, множества поверхностей нарушения, трещин и микро­ трещин часто не позволяет произвести испытание скаль­ ного образца на осевое растяжение. Почти половина об­ разцов разрушается при их подготовке к эксперименту, а у испытанных образцов влияние имеющихся микрона­ рушений обычно настолько велико, что иногда трудно оценить ту часть поперечного сечения образца, которая фактически воспринимала растягивающие напряжения.

Ниже описаны существующие методы определения прочности скальных образцов на растяжение.

Простое осевое растяжение. Это наиболее старый и наименее точный метод, поскольку очень сложно закре­ пить образец в разрывной машине так, чтобы не создать концентрации напряжений в местах закрепления, кроме того, практически трудно обеспечить осевое приложение растягивающего усилия, предотвращающее появление изгибающего момента в исследуемом сечении образца.

Как правило, исследования проводят на цилиндриче­ ских образцах, закрепленных (серой или гипсом) в ме­ таллических обоймах. Нагрузку прикладывают через тяги, имеющие карданные шарниры, либо через тяги в виде обыкновенных цепей. Для исключения влияния ве­ са образца, который передается на его поперечное сече­ ние, обоймы скрепляют пружинными устройствами.

На рис. 8 показана установка для испытания образ­ цов на растяжение с приспособлением для замера про­ дольных и поперечных деформаций, применяемая в ла­ боратории материалов Министерства гидравлических ресурсов Мексики.

15

Прочность образца на растяжение определяется в этом случае по зависимости

мать цилиндрический образец по двум взаимно противо­ положным образующим, то в диаметральной его плос-

\Р

1

——

3

вое растяжение

кости, проходящей через эти образующие, возникнет почти равномерное поле растягивающих напряжений (рис. 9).

Средняя величина этих напряжений может быть опре­ делена по формуле [23]:

ной рассмотренной, возникнут сжимающие напряжения,

Как видно, сжимающие напряжения в цилиндре пре­ восходят растягивающие в 3 раза. У скальных пород прочность на сжатие всегда превышает прочность на растяжение в 8—10 раз и более. Это и позволяет исполь­ зовать метод раздавливания цилиндра по диаметру для определения прочности на растяжение поликристалличе­ ских материалов.

Значение прочности этих материалов на растяжение подсчитывают по формуле (11), подставляя в нее вели­ чину раздавливающей нагрузки.

Благодаря простоте этого метода его широко приме­ няют на практике, причем всегда предполагают, что он дает величины прочности на растяжение, идентичные ве­ личинам прочности при осевом растяжении.

В 1967 г. группой инженеров компании КАРСА в Мек­ сике были опубликованы результаты исследований по сопоставлению величин прочности на растяжение, полу­ ченных при осевом растяжении, при раздавливании ци­ линдров по диаметру и при изгибе призматических об­ разцов [42]. Исследованиями установлено, что разные методы испытания дают различные величины прочности. Для примера на рис. 10 приведены результаты испыта­ ний 47 цилиндрических образцов бетона на осевое рас­ тяжение, 636 цилиндрических образцов из тех же заме­ сов бетона на раздавливание по диаметру и 48 призма­ тических образцов на изгиб. Как видно, лишь для образ­

сжатие 400 кгс/см2 раздавливание по диаметру дает ве­ личины прочности на растяжение, в 1,5 раза превышаю­ щие величины прочности, полученные при осевом растя­ жении. При испытаниях на изгиб получают, как

распределения напряжений в диске, кольце и пластинке при раздавливании их по одной из осей симметрии приш­ ли к выводу о возможности рекомендовать для опреде­ ления прочности на растяжение одно общее выражение:

18