Навчальний посібник
5. скельного грунту
5.1. Гірські породи, скельні масиви
5.1.1. Гірські породи
Предметом механіки гірських порід є вивчення перш за все масивно-кристалічних (або, як їх часто називають, скельних) порід. Гірська порода складається з мінералів більш-менш постійного і характерного для даної породи складу. Цей склад, а також характер механічних зв'язків між мінеральними частинками визначають властивості гірських порід [36]. За мінералогічному складу розрізняють мономінеральні і полімінеральні породи.
Розрізняють такі типи гірських порід [37]:
1) текучі - це породи, в яких частинки рухаються разом з насичує їх рідиною (піски-пливуни);
2) пухкі зернисті - породи, в яких частинки не пов'язані один з одним (пісок, гравій);
3) зв'язкові - породи, в яких мінерали з'єднані водно-колоїдними зв'язками (суглинки, глини);
4) скельні і напівскельні - породи, складені мінеральними частинками, які з'єднані один з одним жорсткими зв'язками.
Як правило, породи перших трьох типів відносяться до класу дисперсних грунтів, закономірності їх поведінки під навантаженням від споруд вивчає механіка грунтів. Останній тип порід відноситься
до класу скельних грунтів, вивченням яких займається механіка скельних грунтів. Взагалі термін «грунт» зазвичай застосовується в будівельній справі замість прийнятого в геології терміна «гірська порода». М.Н. Гольдштейн розуміє під терміном «грунт» будь-які гірські породи, коли вони розглядаються з точки зору використання в будівельно-технічних цілях [28].
Скельні ґрунти поділяються на дві групи: скельні - грунти, що мають жорсткі структурні зв'язки кристалічного типу; напівскельні - грунти, які мають зв'язки цементаційна типу.
Механічні властивості скельних грунтів змінюються в широких межах, що вимагає їх класифікації. існує геологічна
(За генезисом) і геомеханическая (за механічними властивостями) класифікація. Відповідно до класифікації за походженням (генезису) все скельні грунти поділяються на три групи:
1) магматичні породи. які утворюються при застиганні магми всередині земної кори або після її виверження на поверхню.
У першому випадку вони називаються інтрузивними (глибинними), у другому - ефузивними (излившимися). Прикладом інтрузивних утворень є габро, граніт, діорит, сиенит; ефузивними походження мають базальт, туф, обсидіан, пемза;
2) осадові породи. формуються в результаті руйнування, перенесення і акумуляції уламків порід; прикладом можуть служити піски, глини, торф, вапняки, кам'яна сіль;
3) метаморфічні породи. утворюються в земній корі при впливі на породи високої температури, тиску і флюїдів (хімічно активних газів і розчинів); прикладом є мармур, різні види сланців, гнейс, кварцит.
Механічні властивості характеризують поведінку скельних грунтів при навантаженнях. До цих властивостей відносяться:
• міцність. характеризують граничний опір грунту різного роду навантажень;
• пружні. які характеризують пружну деформованість грунтів при різних силових впливах;
• акустичні. характеризують поширення в грунтах пружних коливань.
Знання механічних властивостей ґрунтів необхідно інженерам для визначення реакції скельного масиву на зовнішнє силовий вплив, передане від споруди. До основних механічних властивостей відносяться міцності і деформаційні характеристики [37].
5.1.2. характеристики міцності
Межа міцності на одновісний σ cж - напруга, при якому зразок скельного грунту руйнується в поле дії одновісних стискають напруг. Дана характеристика визначається за формулою [38]
σ сж = K e P S 10,
де P - руйнівне стискає навантаження, кН; S - площа поперечного перерізу зразка, см 2. K e - коефіцієнт уста-
новлюють по ГОСТ 21153.2-84 [38].
Межа міцності на розтяг σ пр р має менше значення в інженерній практиці, ніж σ cж. У більшості випадків співвідношення σ cж / σ пр р знаходиться в межі 8-20. Межа міцності на розтяг σ пр р знаходять по формулі
5.1.3. деформаційні характеристики
Модуль деформації Е д. Який визначається при одноосьовому сжа-
тії, розраховується як співвідношення нормального напруги до відносної лінійної деформації зразка в напрямку прикладеного навантаження. Модуль деформації Е д і коефіцієнт поперечної деформації
v в заданому діапазоні напруг (σ н - σ к) визначається по навантажувальних
гілкам залежності σ - ε згідно ГОСТ28985-91 «Породи гірські. Метод определеніядеформаціонниххарактерістікпріодноосномсжатіі »[39].
Модуль деформації Е д. МПа визначається за формулою
E д = σ до - σ н. ε 1к - ε 1 н
Коефіцієнт поперечної деформації
v = ε 2к - ε 2н. ε 1к - ε 1 н
Модуль пружності Е у і коефіцієнт Пуассона μ визначаються
в цьому ж діапазоні напруг по розвантажувальним гілкам залежності σ - ε згідно ГОСТ 28985-91 [39].
Модуль пружності Е у визначається за формулою
ниедеформацііобразцавконцеіначаледіапазонапріразгрузке. Акустичні властивості відіграють велику роль при дослідженні
скельних грунтів, оскільки їх знання необхідне при вирішенні динамічних завдань взаємодії споруди з породним масивом, атакож при визначенні його пружних характеристик в польових умовах. З усіх видів пружних коливань практичний інтерес представляютпродольние, поперечниеіповерхностние (релеевскому) хвилі [31].
5.1.4. Деформування скельних ґрунтів в умовах стиснення
Як зазначалося вище, міцність скельних грунтів в умовах стиснення набагато вище, ніж при розтягуванні. Саме тому всі споруди, які взаємодіють зі скельним масивом, прагнуть запроектувати так, щоб скельний масив деформувався в поле стискають напруг. Однак слід мати на увазі, що сам процес деформування скельних ґрунтів протікає по-різному. Це проявляється в першу чергу в тому, що модулі деформації в умовах стиснення більше, ніж при розтягуванні. При розтягуванні деформування скельного грунту має практично лінійний характер, а руйнування відбувається протягом дуже малого проміжку часу. При стисненні навіть у міцних масивних порід відзначається нелінійність деформування. А модуль деформації визначається нахилом кривої напруга-деформація і залежить від значення напруги, а при послідовному навантаженні та розвантаженні зразка породи - від циклу випробування [40].
У практичних завданнях як модуль деформації, як правило, використовуються дотичний і січний модулі. Дотичний модуль вимірюється при напрузі, відповідному половині міцності на одновісний, а січний модуль - це тангенс кута нахилу лінії, проведеної з початку координат через точку на кривій, що відповідає необхідному рівню напружень.
Рівень напружень впливає і на коефіцієнт поперечної деформації, який у гірських порід можна лише умовно прийняти за постійну величину. Деформаційні характеристики скельних грунтів залежать також від виду напруженого стану і від швидкості навантаження зразка.
Деформірованіескальнихгрунтовпредставляетсобойсложнийфізіческій процес, тому в інженерних розрахунках приймається ряд припущень і деформований стан матеріалу ідеалізується. Найбільш простою моделлю є модель лінійно-пружного тіла. Однак положення про лінійно-пружній деформації веде ксущественним суперечностей. Більш кращою є модель, яка відтворює нелінійну роботу скельних грунтів, але число параметрів такої моделі значно збільшується, аопределеніе частини цих параметровтребуеттрудоемкіхексперіментальнихісследованій [40].
Беручи до уваги, що деформування матеріалів при стисненні залежить від виду напруженого стану, при якому випробовувався зразок, при вивченні деформацій за різними напрямками тензор напружень поділяють на дві частини: кульовий тензор - нормальні напруження стиску, однакові в усіх напрямках (гідростатичний напружений стан), і девіатор напружень. при якому з кожної компоненти тензора напружень віднімається компонента гідростатичного напруженого стану (рис. 5.1). Такий поділ викликано тим, що кульовий тензор відповідає тільки за зміну обсягу зразка, а девіаторное напруга викликає зміна його форми і руйнування [37].
Мал. 5.1. Гідростатичний стиснення (а) і девіаторное стиснення (б)
5.1.5. Критерії міцності і їх застосування
до руйнування скельних грунтів
Особливістю позамежного деформування скельних ґрунтів є поступове зниження міцності в міру зростання деформацій. Розглянемо повну діаграму деформування скельного грунту. Видно, що крива позамежного деформування складається з двох ділянок. Низхідна гілка діаграми починається в точці, яка носить назву пікової міцності і за умови рівності нулю проміжного і найменшого головних напружень дорівнює міцності на одновісний. Закінчується спадна гілка в точці, де порода переходить в стан, близький до стану зруйнованої гірської маси (руїни руйнування). Після цього при подальшому деформуванні міцність залишається постійною і називається залишкової (рис. 5.3) [37].
На міцність грунтів, як і деформації, впливає швидкість програми навантаження. З її зростанням пікова міцність у всіх скельних грунтів зростає.
Мал. 5.3. Діаграма σ 1 = f (ε 1) при різних значеннях бокового тиску: а - піщаник; б - норит
Температура також може впливати на міцність грунтів: зі збільшенням температури відбувається перехід від крихкості до пластичності. Однак набагато більший інтерес з точки зору впливу на пікову міцність скельних грунтів являє поровое тиск. Це вплив описується законом «ефективного напруги» [40].
5.1.6. Тріщини скельного масиву і їх властивості
Тріщиною. з точки зору механіки, є порушення суцільності скельного масиву, поверхні розділу, на яких є розрив поля деформацій. Наявність тріщин в більшості випадків служить єдиним фактором, від якого залежать деформаційні і міцнісні властивості скельного масиву, а також його водопроникність. З огляду на це, необхідно мати чітке уявлення
про фізичних, механічних і гідрогеологічних властивості тріщин,
а також про те, як вони вплинуть на взаємодію інженерних споруд зі скельним масивом.
Визначення положення тріщини в просторі і її розмірів є однією з основних проблем при дослідженні тріщин. Вирішення цієї проблеми необхідно для встановлення розмірів блоків, що формують скельний масив [37].
Приймається, що тріщина представлена в просторі площиною. Тоді її положення визначається двома параметрами: кутом падіння (максимальним кутом нахилу площини), виміряним
від горизонталі, і напрямом (азимутом) падіння - кутом, виміряним за годинниковою стрілкою від напряму на північ. Для відображення місцезнаходження площині тріщини найбільш часто використовують спосіб стереографической поверхні. Детально даний метод описаний в підручнику М.Г. Зерцалова [37].
Механічні властивості тріщин. Деформаційні властивості тріщин важливі з двох точок зору: переміщення в напрямку, нормальному до площини тріщини (нормальна деформація) і переміщення уздовж площини тріщини (зсувна деформація).
Нормальна деформація. Два фактори визначають процес нормального деформування стінок тріщин: тріщини практично не мають міцності на розтягнення; граничне стиснення обмежує максимально можливе змикання стінок тріщини, яке не може превишатьрасстояніямеждунаіболееудаленниміточкаміеестенок [37].
Сдвиговая деформація. В результаті випробування тріщини на зрушення, при якому відбувається зміщення однієї стінки щодо іншої, встановлюється залежність між дотичними напруженнями і деформаціями зсуву.
При випробуваннях тріщин на зрушення прочностной характеристикою служить граничне дотичне напруження в площині тріщини, яке досягається в процесі досвіду. При крихкому руйнуванні таких характеристик дві: пікова τ пр і залишкова τ ост міцності. При пластичному руйнуванні граничним дотичним напруженням вважається те, при якому починається пластичне протягом матеріалу заповнювача тріщини.
5.1.7. Скельні масиви. Основні поняття
Скельний масив - це геологічне тіло, що складається з скельних грунтів, об'єднаних походженням і подальшим спільним розвитком, що взаємодіє зі спорудженням. Незважаючи на те, що скельні масиви часто складені міцними і масивними породами, вони можуть бути розсічені різними тріщинами і, з точки зору інженера, можуть мати незадовільні механічні властивості. Крім того, на поведінку масиву можуть істотно впливати гідрогеологічний режим, природне напружений стан [37].
Скельні масиви характеризуються структурою і станом. Структура масиву - це форма, умови залягання і взаємного положення скельних порід, що утворюють ті чи інші геологічні тіла (елементи будови масиву).
До основних показників стану масиву відносяться: тріщинуватість, ступінь виветрелості порід, закарстованість, водонасиченому, геотермічні умови та ін.
Представницький обсяг - це обсяг скельного масиву, подальше зменшення розмірів якого призведе до змін його механічних властивостей.
Тріщинуватість, анізотропія і неоднорідність скельних масивів.
Тріщинуватість масиву скельних ґрунтів служить якісною характеристикою стану породи, що свідчить про наявність тріщин в ісследуемомоб'екте. Трещіниклассіфіціруютсяпоразлічнимпрізнакам.
За походженням розрізняють первинні тріщини, що виникли в захололому і кристалізується розплаві при утворенні породи; тектонічні тріщини, які проявляються під впливом відносного переміщення мас в земній корі; гіпергенні тріщини, що утворюються на контакті породи з атмосферою і гідросферою [37]. Особливе значення мають тектонічні тріщини. Серед них виділяють розломи (взброси, скиди, зсуви). У місцях перетину тріщин, як правило, утворюються ділянки, де активно і на велику глибину протікають процеси вивітрювання.
За ступенем відкриття тріщини поділяються на відкриті, закриті і приховані. Приховані тріщини важко встановити візуальним способом. Закриті тріщини можна бачити неозброєним оком. Відкриті тріщини мають видимі порожнини розкриття, які, як правило, заповнені різним матеріалом. Ступінь розкриття тріщин визначає Пустотілості скельного масиву, яка характеризується коефіцієнтом тріщиною пустотности k тп. визначеним ставленням обсягу пустот
(Тріщин) до одиниці об'єму скельного масиву. Класифікація скельних грунтів за коефіцієнтом тріщиною пустотности k тп (%) згідно
СНіП2.02.02-85 «Основаніягідротехніческіхсооруженій» [41]: