Механика скальных грунтов и скальных массивов
..pdfгде С - коэффициент Шези, зависящий от типа грунта, шероховатости стенок пор, вязкости воды и турбулент ности потока.
Переход от ламинарно го режима к турбулентно му происходит при скоро стях от 0,3 до 0*5 м/с.
Закон Дарси справед лив, если скорость фильт рации мала, поток движет ся в ламинарном режиме, а
среда, в которой происхо
Рис. 2.15. Кривая фильтрации воды
через скальные грунты |
дит фильтрация, является |
|
пористой, с равномерно рас |
||
|
пределенными по объему соединяющимися порами.
Для всех скальных грунтов характерно нерегулярное распреде ление по объему пустот и пор, поэтому и водопроницаемость рас пределяется в них не однородно. Эта неоднородность может быть обусловлена также сжатием или растяжением пор и пустот. По этой причине опытные значения коэффициента фильтрации име ют большой разброс (табл. 2.1).
Водопроницаемость ненарушенных скальных грунтов опреде ляют в лабораторных условиях путем измерения во времени объе ма жидкости, прошедшей через образец, при постоянном давлении и температуре 15-20°С.
Таблица 2.1
КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ к СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПРИ 15 °С
(Jumikis, 1983)
|
Вид грунта |
Коэффициент фильтрации к, |
|
см/с |
|
|
|
|
|
М а г м а т и ч е с к и е п о р о д ы |
|
Базальт |
|
10-10* |
Диабаз |
|
10-10- |
Габбоо |
|
10*-10* |
Гранит |
|
10'3-1 0 5 |
Сиенит
О с а д о ч н ы е п о р о д ы |
|
Доломит |
4.6-10 - 1.2-10 |
Известняк |
Ю’ -10 |
Песчаник |
ю- -10-; |
Сланец (глинистый) |
10 - 10 |
М е т а м о р ф и ч е с к и е п о р о д ы |
|
Гнейс |
1 0 - 10 |
MD3M0D |
ю ‘- ю ! |
Кваоцит |
1 0 - 10 |
Сланец (кристаллический) |
10-3-10 |
ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 2
1.Как протекает процесс деформирования скальных грунтов при сжатии и растяже нии? Чем это обусловлено? Дайте определение касательного и секущего модулей деформации.
2.Что такое тензор напряжений? Раскройте это понятие.
3.Опишите процессы гидростатического и девиаторного сжатия.
4.Что такое феноменологические и структурные модели деформирования и разру шения скальных грунтов?
5.Опишите деформацию тела, содержащего тонкие эллиптические трещины.
6.Что такое пиковая и остаточная прочность?
7.Опишите процесс запредельного деформирования скальных грунтов.
8.Как влияют на деформационные характеристики вид напряженного состоя ния, скорость нагружения, температура, поровое давление?
9.Что такое реологические свойства скальных грунтов (примеры), кривая пол зучести? Приведите примеры реологических моделей скальных грунтов.
10.Дайте определение и раскройте смысл понятий проницаемости и фильт рации.
11.Что такое ламинарное и турбулентное движение фильтрующейся воды? Дайте определение критического гидравлического градиента.
ГЛАВА 3 Испытания образцов ненарушенных
скальных грунтов
3.1. Испытания в условиях сжатия. Деформационные и прочно стные характеристики ненарушенных скальных грунтов обычно исследуют в лабораторных условиях на образцах с разным напря женным состоянием. Испытания проводят в целях: стандартиза ции механических характеристик скальных грунтов; определения напряженного состояния сооружения и скального массива (по скольку для перехода от деформаций к напряжениям необходимо знать упругие и прочностные свойства материалов); построения моделей поведения ненарушенных скальных грунтов при воздей ствии на них различных факторов.
Самым распространенным в инженерной практике является ис пытание образцов в условиях одноосного сжатия. В исследованиях ненарушенных скальных грунтов оно играет очень важную роль, поскольку, как указывалось выше, скальные массивы при взаимо действии с инженерными сооружениями в основном работают в ус ловиях сжатия и результаты одноосных испытаний дают ценную информацию об особенностях их поведения.
При проведении испытаний на одноосное сжатие надо учиты вать многие факторы, влияющие на получаемые результаты.
Комитетом по стандартизации лабораторных исследований Международного общества по механике скальных пород (ISRM, 1972) разработаны рекомендации по проведению испытаний на од ноосное сжатие. Согласно основным из этих рекомендаций, отно шение высоты к диаметру образца должно быть в пределах 2,5-3,0; форма образца - цилиндрическая, диаметр - не менее диаметра керна колонкового бурения (приблизительно 54 мм); скорость на гружения образца - в пределах 0,5-1,0 МПа/с; образцы перед ис пытанием выдерживаются в воздушной среде при температуре (20±2) °С и влажности 50%.
Диаграммы результатов испытаний образцов на одноосное сжа тие приведены в главе 2.
Ранее было показано, что на деформирование скальных грунтов существенное влияние* оказывает вид напряженного состояния. Учитывая это, большое внимание уделяют испытаниям образцов в условиях двухосного и трехосного сжатия.
Очень часто наземные и подземные сооружения работают в ус ловиях плоского напряженного состояния или плоской деформа ции, поэтому испытания на двухосное сжатие представляют прак тический интерес.
В исследовательской практике указанные испытания проводят путем непосредственного приложения главных напряжений (через загрузочные плиты) к поверхностям образца (рис. 3.1).
Верхняя плита
Рис. 3.1. Схема прибора для двухосных испытаний
на сжатие образца кубической формы
Результаты испытаний на двухосное сжатие в большинстве случаев представляют в виде кривых, при этом по осям координат откладывают наименьшее и наибольшее напряжения, отнесенные к пределу прочности на одноосное сжатие. Диаграммы показыва ют, что приложение к образцу наименьшего главного напряжения увеличивает его прочность. При этом возрастание прочности зави сит от типа скальной породы.
Скальный массив и взаимодействующие с ним сооружения на ходятся, как правило, в условиях объемного напряженного состоя ния, поэтому необходимо проводить испытания образцов на трех осное сжатие.
В настоящее время эти испы тания также выполняют двумя способами. Первый способ, так называемый стабилометрический, заключается в том, что об разец цилиндрической формы помещают в камеру пресса и его боковые поверхности через резиновую или металличес кую водонепроницаемую оболоч ку подвергаются всесторонне му равномерному обжатию, т.е. а2= с3. Независимо, вдоль оси об разца прикладывается давление, равное по значению наибольше му главному напряжению а,.
В испытаниях, проводимых вторым способом, исследуют образец в форме призмы, на каждую грань которой независимо друг от друга с помощью гидроцилинд ров передается давление, равное по значению главным напряже ниям (а,*а2*сг3). Подобным образом можно создать любую комбина цию напряжений.
Оба способа позволяют испытывать образцы в режиме и гидро статического сжатия, и девиаторного нагружения.
Как указывалось выше, на результаты опытов в условиях сжа тия влияют различные факторы, основными из которых являются: размеры образца, его форма, тип загрузочных плит и условия в зо не контакта между ними и поверхностью образца (торцевой эф фект), скорость приложения нагрузки, жесткость испытательного нагрузочного устройства.
Рассмотрим сначала влияние размера образца.
Установлено (рис. 3.3), что в условиях одноосного сжатия с уве личением размера образца (при одном и том же отношении высоты к диаметру) характер его деформирования не изменяется, а проч ность и хрупкость, которыми характеризуется величина падения пиковых значений напряжений при запредельном деформирова нии, уменьшаются.
При изменении формы образца в условиях одноосного сжатия его объем сохраняется (рис. 3.4). В этом случае увеличение отноше ния диаметра образца к его высоте не влияет на кривую деформи рования, однако прочность и пластичность возрастают (хрупкость уменьшается).
|
менением отношения вы |
|||
|
соты образца к диаметру |
|||
|
изменяется его прочность |
|||
|
Влияние торцевого эф |
|||
|
фекта на предельное со |
|||
|
стояние |
образца обычно |
||
|
приводит к тому, что раз |
|||
|
рушение |
начинается |
в |
|
|
крайних |
точках верхней |
||
|
грани образца в зоне кон |
|||
|
такта с плитами, а трещи |
|||
|
ны, распространяющиеся |
|||
Рис. 3.5. Снижение прочности при увеличении отно |
из этих |
точек, образуют |
||
сительных размеров образцов |
конусы или |
клинья, на |
||
(Баклашов, Картозия, 1983): |
правленные |
вершиной |
к |
|
/-мрамор; 2 - ангидрит |
его центру. Следует отме |
|||
|
тить, что в той части образца, на которую не распространяется тор цевой эффект, разрушение вызывают магистральные трещины, параллельные направлению сжатия.
Были разработаны меры по устранению трения на торцевых гранях образца, самыми распространенными из которых являются смазывание контактирующих поверхностей, например графитом, и применение тонких прокладок из резины, тефлона или неопрена. Оба способа имеют недостатки. В первом случае происходит внед рение смазочного материала в породу, после чего эффект его дей ствия в значительной мере снижается. Во втором случае часто на блюдается смятие прокладок, которое вызывает радиальные растягивающие напряжения, в результате чего характер их рас пределения становится неоднородным.
Наиболее эффективным способом оказалось применение ще точных плит, которые состоят из большого числа плотно пригнан ных друг к другу тонких стальных стержней, один конец которых заключен в металлическую обойму, а другой передает давление на образец. Деформации образца в поперечном направлении со провождаются изгибом стержней, практически устраняющим трение на поверхности контакта образца с нагрузочными плита ми. Применение щеточных плит также подтвердило вывод о том, что ни высота /7, ни диаметр d образца не оказывают заметного влияния на его деформационные и прочностные характеристики
(рис. 3.6).
О влиянии скорости приложения нагрузки на эти характеристики'образцов уже говорилось в главе 2.
Рис. 3.7. Деформация двух компонентов системы образца и нагрузочной рамы при приложении нагрузки Р.
а- система образец - домкрат - испытательная рама;
б- образец; в - нагрузочная рама
Из уравнения (3.3) следует, что чем больше жесткость испыта тельной машины, тем меньше в ней аккумулируется энергии де формации. В упругом элементе, каким является машина, энергия высвобождается при снятии нагрузки, что происходит по достиже нии предела прочности образца. Возможность спонтанного разру шения зависит, таким образом, от того, больше или меньше энер гия, необходимая для деформирования образца в запредельной стадии, чем энергия, аккумулируемая в машине. Общим критери ем для управляемого испытания (без внезапного разрушения) слу жит выражение
£за„р>£М- |
(3-4) |
На основании этого соотношения можно сделать вывод: жест кость испытательной машины должна превышать жесткость об разца скального грунта. С учетом этого можно констатировать, что обычная испытательная машина накапливает гораздо больше энергии, чем это требуется для деформирования образца в запре-
Нагрузка Р
Рис. 3.8. Кривые нагрузка - смещение для испытательной машины (слева)
и для образца (справа)
дельной стадии. Избыток накопленной энергии и приводит к спон танному разрушению образца.
В настоящее время существуют два способа, которые позволяют избежать резкого разрушения, что дает возможность построить кривую напряжение - деформация в запредельной стадии. Первый способ заключается в увеличении жесткости испытательной маши ны путем применения очень тяжелых стоек и нагрузочных плит при минимальном количестве жидкости в гидравлической системе. Второй способ состоит в использовании сервоуправляемых испыта тельных машин, которые могут контролировать перемещения на грузочных плит с помощью специального сервоклапана, снижаю щего гидростатическое давление в нагрузочной системе, в случае, если электронное следящее устройство даст сигнал о превышении осевой деформацией запрограммированного значения.
3.2. Испытания в условиях растяжения. Как уже отмечалось, зна ние предела прочности скальных грунтов на растяжение необходимо при анализе прочности и устойчивости сооружений, взаимодейству ющих со скальным массивом. Однако эта характеристика, по сравне нию прочностью скальных грунтов на сжатие, в настоящее время изучена не так подробно. Это связано прежде всего с неустойчивос тью процесса разрушения при растяжении, что обусловливает нали чие больших трудностей при его исследовании. Кроме того, имеются сложности, связанные с подготовкой образцов к испытанию, фикса цией их в захватах испытательной машины и центрированием. Как правило, для опытов на прямое растяжение образцы изготовляют в виде цилиндров, реже - в виде призм. В ряде случаев концы образ цов выполняют расширенными для более надежной их заделки в разрывную машину. Тем не менее по указанным причинам опыты на одноосное (прямое) растяжение трудновыполнимы, вследствие чего на практике чаще пользуются косвенными методами, в частности ме тодом изгиба и так называемым «бразильским» методом.
Метод изгиба заключается в испытании призматических балочек, которые имеют опоры по краям и нагружаются посредине. При нагружении нижние волокна балочки растягиваются, а когда на пряжения в них достигают предела прочности, происходит разру шение. Подсчитанное методом сопротивления материалов напря жение в нижнем волокне и будет пределом прочности на растяжение при изгибе.
В соответствии с «бразильским» методом, изготовленный из скального грунта диск (или положенный на длинную сторону ци линдрический образец) нагружается вдоль диаметра сжимающей силой Р, как показано на рис. 3.9.