723

5.СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ

5.1.Горные породы, скальные массивы

5.1.1.Горные породы

Предметом механики горных пород является изучение прежде всего массивно-кристаллических (или, как их часто называют, скальных) пород. Горная порода состоит из минералов более или менее постоянного и характерного для данной породы состава. Этот состав, а также характер механических связей между минеральными частицами определяют свойства горных пород [36]. По минералогическому составу различают мономинеральные и полиминеральные породы.

Различают следующие типы горных пород [37]:

1)текучие – это породы, в которых частицы движутся вместе с насыщающей их жидкостью (пески-плывуны);

2)рыхлые зернистые – породы, в которых частицы не связаны друг с другом (песок, гравий);

3)связные – породы, в которых минеральные частицы соединены водно-коллоидными связями (суглинки, глины);

4)скальные и полускальные – породы, сложенные минеральными частицами, которые соединены друг с другом жесткими связями.

Как правило, породы первых трех типов относятся к классу дисперсных грунтов, закономерности их поведения под нагрузкой от сооружений изучает механика грунтов. Последний тип пород относится

кклассу скальных грунтов, изучением которых занимается механика скальных грунтов. Вообще термин «грунт» обычно применяется в строительном деле вместо принятого в геологии термина «горная порода». М.Н. Гольдштейн понимает под термином «грунт» любые горные породы, когда они рассматриваются с точки зрения использования в строительно-технических целях [28].

Скальные грунты подразделяются на две группы: скальные – грунты, имеющие жесткие структурные связи кристаллического типа; полускальные – грунты, имеющие связи цементационного типа.

Механические свойства скальных грунтов изменяются в широких пределах, что требует их классификации. Существует геологическая

151

(по генезису) и геомеханическая (по механическим свойствам) классификация. В соответствии с классификацией по происхождению (генезису) все скальные грунты подразделяются на три группы:

1)магматические породы, которые образуются при застывании магмы внутри земной коры либо после ее извержения на поверхность.

Впервом случае они называются интрузивными (глубинными), во втором – эффузивными (излившимися). Примером интрузивных образований являются габбро, гранит, диорит, сиенит; эффузивное происхождение имеют базальт, туф, обсидиан, пемза;

2)осадочные породы, формирующиеся в результате разрушения, переноса и аккумуляции обломков пород; примером могут служить пески, глины, торф, известняки, каменная соль;

3)метаморфические породы, образующиеся в земной коре при воздействии на породы высокой температуры, давления и флюидов (химически активных газов и растворов); примером являются мрамор, различные виды сланцев, гнейс, кварцит.

Механические свойства характеризуют поведение скальных грунтов при нагрузках. К этим свойствам относятся:

• прочностные, характеризующие предельное сопротивление грунта разного рода нагрузкам;

• упругие, которые характеризуют упругую деформируемость грунтов при различных силовых воздействиях;

• акустические, характеризующие распространение в грунтах упругих колебаний.

Знание механических свойств грунтов необходимо инженерам для определения реакции скального массива на внешнее силовое воздействие, передаваемое от сооружения. К основным механическим свойствам относятся прочностные и деформационные характеристики [37].

5.1.2. Прочностные характеристики

Предел прочности на одноосное сжатие σcж – напряжение, при котором образец скального грунта разрушается в поле действия одноосных сжимающих напряжений. Данная характеристика определяется по формуле [38]

σсж = Ke PS 10,

152

где P – разрушающая сжимающая нагрузка, кН; S – площадь поперечного сечения испытываемого образца, см2, Ke – коэффициент уста-

навливают по ГОСТ 21153.2–84 [38].

Предел прочности на растяжение σпрр имеет меньшее значение в инженерной практике, чем σcж. В большинстве случаев соотношение σcж/ σпрр находится в пределе 8–20. Предел прочности на растяжение σпрр находят по формуле

σпрр = PS 10.

5.1.3. Деформационные характеристики

Модуль деформации Ед, который определяется при одноосном сжа-

тии, рассчитывается как соотношение нормального напряжения к относительной линейной деформации образца в направлении приложенной нагрузки. Модуль деформации Ед и коэффициент поперечной деформации

v в заданном диапазоне напряжений (σн–σк) определяются по нагрузочным

ветвям зависимости σ–ε согласно ГОСТ28985–91 «Породы горные. Метод определениядеформационныххарактеристикприодноосномсжатии» [39].

Модуль деформации Ед, МПа, определяется по формуле

Eд = σк − σн . ε1к − ε1н

Коэффициент поперечной деформации

v = ε2к − ε2н . ε1к − ε1н

Модуль упругости Еу и коэффициент Пуассона μ определяются

в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимости σ–ε согласно ГОСТ 28985–91 [39].

Модуль упругости Еу определяется по формуле

153

где σк, σн – напряжения в конце и начале диапазона при нагружении инагрузке, МПа; ε1к, ε1н – относительные продольные деформации образца в конце и начале диапазона при нагружении; ε2к, ε2н – относительные поперечные деформации образца в конце и начале диапазона при нагру-

ныедеформацииобразцавконцеиначаледиапазонаприразгрузке. Акустические свойства играют большую роль при исследовании

скальных грунтов, поскольку их знание необходимо при решении динамических задач взаимодействия сооружения с породным массивом, атакже при определении его упругих характеристик в полевых условиях. Из всех видов упругих колебаний практический интерес представляютпродольные, поперечныеиповерхностные(релеевские) волны[31].

5.1.4. Деформирование скальных грунтов в условиях сжатия

Как указывалось выше, прочность скальных грунтов в условиях сжатия гораздо выше, чем при растяжении. Именно поэтому все сооружения, взаимодействующие со скальным массивом, стремятся запроектировать так, чтобы скальный массив деформировался в поле сжимающих напряжений. Однако следует иметь в виду, что сам процесс деформирования скальных грунтов протекает по-разному. Это проявляется в первую очередь в том, что модули деформации в условиях сжатия больше, чем при растяжении. При растяжении деформирование скального грунта имеет практически линейный характер, а разрушение происходит в течение очень малого промежутка времени. При сжатии даже у прочных массивных пород отмечается нелинейность деформирования. А модуль деформации определяется наклоном кривой напряжение–деформация и зависит от значения напряжения, а при последовательном нагружении и разгружении образца породы – от цикла испытания [40].

В практических задачах в качестве модуля деформации, как правило, используются касательный и секущий модули. Касательный модуль измеряется при напряжении, соответствующем половине прочности на одноосное сжатие, а секущий модуль – это тангенс угла наклона линии, проведенной из начала координат через точку на кривой, соответствующую необходимому уровню напряжений.

154

Уровень напряжений влияет и на коэффициент поперечной деформации, который у горных пород можно лишь условно принять за постоянную величину. Деформационные характеристики скальных грунтов зависят также от вида напряженного состояния и от скорости нагружения образца.

Деформированиескальныхгрунтовпредставляетсобойсложныйфизический процесс, поэтому в инженерных расчетах принимается ряд допущений и деформированное состояние материала идеализируется. Наиболее простой моделью является модель линейно-упругого тела. Однако положение о линейно-упругом деформировании ведет ксущественным противоречиям. Более предпочтительной является модель, которая воспроизводит нелинейную работу скальных грунтов, но число параметров такой модели значительно увеличивается, аопределение части этих параметровтребуеттрудоемкихэкспериментальныхисследований[40].

Принимая во внимание, что деформирование материалов при сжатии зависит от вида напряженного состояния, при котором испытывался образец, при изучении деформаций по разным направлениям тензор напряжений разделяют на две части: шаровой тензор – нормальные напряжения сжатия, одинаковые по всем направлениям (гидростатическое напряженное состояние), и девиатор напряжений, при котором из каждой компоненты тензора напряжений вычитается компонента гидростатического напряженного состояния (рис. 5.1). Такое разделение вызвано тем, что шаровой тензор отвечает только за изменение объема образца, а девиаторное напряжение вызывает изменение его формы и разрушение [37].

а б

Рис. 5.1. Гидростатическое сжатие (а) и девиаторное сжатие (б)

155

Таким образом, деформирование скальных грунтов в условиях сжатия тесно связано с их разрушением, которое определяется процессом трещинообразования и происходит постепенно.

5.1.5.Критерии прочности и их приложение

кразрушению скальных грунтов

Особенностью запредельного деформирования скальных грунтов является постепенное снижение прочности по мере возрастания деформаций. Рассмотрим полную диаграмму деформирования скального грунта. Видно, что кривая запредельного деформирования состоит из двух участков. Нисходящая ветвь диаграммы начинается в точке, которая носит название пиковой прочности и при условии равенства нулю промежуточного и наименьшего главных напряжений равна прочности на одноосное сжатие. Заканчивается нисходящая ветвь в точке, где порода переходит в состояние, близкое к состоянию разрушенной горной массы (руинное разрушение). После этого при дальнейшем деформировании прочность остается постоянной и называется остаточной (рис. 5.3) [37].

На прочность грунтов, как и деформации, оказывает влияние скорость приложения нагрузки. С ее возрастанием пиковая прочность у всех скальных грунтов возрастает.

156

от горизонтали, и направлением (азимутом) падения – углом, измеренным по часовой стрелке от направления на север. Для отображения местонахождения плоскости трещины наиболее часто используют способ стереографической поверхности. Подробно данный метод описан в учебнике М.Г. Зерцалова [37].

Механические свойства трещин. Деформационные свойства трещин важны с двух точек зрения: перемещения в направлении, нормальном к плоскости трещины (нормальная деформация) и перемещения вдоль плоскости трещины (сдвиговая деформация).

Нормальная деформация. Два фактора определяют процесс нормального деформирования стенок трещин: трещины практически не имеют прочности на растяжение; предельное сжатие ограничивает максимально возможное смыкание стенок трещины, которое не может превышатьрасстояниямеждунаиболееудаленнымиточкамиеестенок[37].

Сдвиговая деформация. В результате испытания трещины на сдвиг, при котором происходит смещение одной стенки относительно другой, устанавливается зависимость между касательными напряжениями и деформациями сдвига.

При испытаниях трещин на сдвиг прочностной характеристикой служит предельное касательное напряжение в плоскости трещины, которое достигается в процессе опыта. При хрупком разрушении таких характеристик две: пиковая τпр и остаточная τост прочности. При пластическом разрушении предельным касательным напряжением считается то, при котором начинается пластическое течение материала заполнителя трещины.

5.1.7. Скальные массивы. Основные понятия

Скальный массив – это геологическое тело, состоящее из скальных грунтов, объединенных происхождением и последующим совместным развитием, взаимодействующее с сооружением. Несмотря на то, что скальные массивы зачастую сложены прочными и массивными породами, они могут быть рассечены различными трещинами и, с точки зрения инженера, могут иметь неудовлетворительные механические свойства. Кроме того, на поведение массива могут существенно влиять гидрогеологический режим, естественное напряженное состояние [37].

158

Скальные массивы характеризуются структурой и состоянием. Структура массива – это форма, условия залегания и взаимного положения скальных пород, образующих те или иные геологические тела (элементы строения массива).

К основным показателям состояния массива относятся: трещиноватость, степень выветрелости пород, закарстованность, водонасыщенность, геотермические условия и др.

Представительный объем – это объем скального массива, дальнейшее уменьшение размеров которого приведет к изменениям его механических свойств.

Трещиноватость, анизотропия и неоднородность скальных массивов.

Трещиноватость массива скальных грунтов служит качественной характеристикой состояния породы, свидетельствующей о наличии трещин в исследуемомобъекте. Трещиныклассифицируютсяпоразличнымпризнакам.

По происхождению различают первичные трещины, возникшие в остывающем и кристаллизующемся расплаве при образовании породы; тектонические трещины, проявляющиеся под воздействием относительного перемещения масс в земной коре; гипергенные трещины, образующиеся на контакте породы с атмосферой и гидросферой [37]. Особое значение имеют тектонические трещины. Среди них выделяют разломы (взбросы, сбросы, сдвиги). В местах пересечения трещин, как правило, образуются участки, где активно и на большую глубину протекают процессы выветривания.

По степени открытия трещины подразделяются на открытые, закрытые и скрытые. Скрытые трещины трудно установить визуальным способом. Закрытые трещины можно видеть невооруженным глазом. Открытые трещины имеют видимые полости раскрытия, которые, как правило, заполнены различным материалом. Степень раскрытия трещин определяет пустотелость скального массива, которая характеризуется коэффициентом трещинной пустотности kтп, определяемым отношением объема пустот

(трещин) к единице объема скального массива. Классификация скальных грунтов по коэффициенту трещинной пустотности kтп (%) согласно

СНиП2.02.02–85 «Основаниягидротехническихсооружений» [41]:

159

Важным показателем является морфология поверхности трещин. Взависимости от особенностей формы стенок различают трещины отрыва и скола. Трещины отрыва имеют неровную поверхность. Размеры бугров зависят от размера зерен минералов в породе: в тонкозернистых породах – это миллиметры, в крупнозернистых – сантиметры. Трещины скола имеют ступенчатый характер. Кроме описанных видов трещин, выделяются еще трещины скольжения. По стенкам этих трещин вдоль направления скольжения есть борозды, нередко отшлифованные до блеска. Такие трещины резко снижают прочность массива и в большой степени влияют на его водопроницаемость. Трещины скольжения могут образовыватьсякакизтрещинскола, такитрещинотрыва.

В инженерной практике нарушения сплошности скального массива классифицируют одновременно как по длине трещины, так и по ее раскрытию согласно СНиП 2.02.02–85 [41] (табл. 5.1).

Таблица 5.1 Классификация по характеру нарушения сплошности массивов