книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

несущая способность несвязного кварцевого песка уменьшилась в 3,4 раза (по-видимому, в песке имело место некоторое «зацепле­ ние» частиц, т. е. параметр с ф 0), а его осадка увеличилась почти в два раза. Несущая способность связного глинистого грунта при возрастании ускорения силы тяжести даже в 10 раз изменилась мало; она увеличилась всего примерно на 25% (с 2,4 до 3,0кгс/см2).

Важно также отметить, что угол естественного откоса несвязных пород оказался практически не зависящим от изменения ускоре­ ния силы тяжести, что можно было предположить заранее из тео­ ретических соображений. Однако, при оценке устойчивости пород в неземных условиях следует считать, что первостепенное значение будет иметь параметр сцепление с, кгс/см2 (и в первую очередь мо­ лекулярное), суммарная величина которого просто и с достаточной точностью может быть определена по методу шарового штампа [48, § 11.3].

Атмосферные условия на других небесных телах Солнечной си­ стемы отличны от условий на Земле.

Ничтожно малое или практически полное отсутствие давления атмосферных газов (т. е. вакуум) на поверхности некоторых незем­ ных миров (например, на Луне и Марсе) и сопровождающаяся при этом почти полная сухость космического пространства обусловли­ вают отсутствие на поверхности и в порах горных пород абсорбции паров и газов и пленочной воды, разъединяющей минеральные частицы рыхлых горных пород. Это вызывает прямое непосредст­ венное воздействие на минеральные частицы в точках их контакта электромолекулярных сил Ван-дер-Ваальса —Лондона, что не­ сколько увеличивает истинное сцепление между минеральными частицами и формирует (вместе с другими факторами) ажурнодендритовую структуру сухих покровных отложений, особенно дис­ персных.

Опыты в земных условиях также показывают, что при вакууми­ ровании моделирующих материалов несколько увеличивается трение..

Плотность упаковки минеральных частиц, обусловленная про­ цессом отложения, а на некоторых планетах —огромным атмос­ ферным давлением, играет первостепенную роль в формировании механических свойств пористых грунтовых образований.

Температура верхних слоев горных пород для планет Солнеч­ ной системы (даже группы Земли) весьма различна и характери­ зуется значительной амплитудой колебания. Так, на Луне темпера­ тура меняется от —170 до -ИЗО0С (амплитуда 300°), причем

.73% всего времени Луна подвержена отрицательным темпера­

турам.

На Марсе резкие колебания (хотя не такие значительные, как

—70° С, что чрезвычайно ускоряет температурное выветривание и образование слоев пыли на поверхности планеты.

Если Луна и Марс являются холодными планетами, то Венеру и Меркурий (из земной группы планет) следует считать горячими планетами. Так, 31 декабря 1970 г. на Венере советской автома­ тической станцией «Венера-7» измерена температура на поверхно­

кая высокая температура, причем как на стороне, обращенной к Солнцу, так и на противоположной (например, у Венеры), будет также сказываться на пластичности и текучести верхних слоев гор­ ных пород.

Химизм горных пород и окружающей среды будет существенно сказываться на механических свойствах и механических процессах» протекающих в горных породах в неземных условиях.

Механические воздействия космических тел зависят главным образом от размеров, скорости соударения и состава тел.

Следует различать макроскопические космические тела (типа астероидов и пр.) и микроскопические (микрометеоры с массой от 10-4 до 10-14 г), ионы солнечного ветра и др. Как известно, от попа­ дания движущихся с космической скоростью (10—30 км/с) метео­ ритов и др. тел возникают мощные удары со взрывным эффектом, образованием кратеров и воронок выброса горных пород, оплавле­ нием горных пород (особенно из сыпучих и дисперсных разностей) и пр.

Волновая и корпускулярная радиация несомненно влияют на формирование свойств поверхностных слоев горных пород, особен­ но если породы раздроблены выветриванием и другими процесса­ ми до мельчайших частиц, измеряемых миллиметрами и их долями.

Все изложенное имеет первостепенное значение для формирова­ ния механических свойств поверхностных слоев горных пород, по­ крывающих ту или иную планету, не имеющую мощного слоя ат­ мосферы, что наряду с процессами вулканизма создают своеобраз­ ный «лунный ландшафт» на этих планетах.

6.3. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НЕКОТОРЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛ

Из изложенного в предыдущем пункте видно, какое влияние оказывают некоторые факторы на формирование механических свойств горных пород в неземных условиях. Эти факторы на от­ дельных космических объектах (нас интересуют в первую очередь планеты земной группы) могут быть чрезвычайно разнообразны, и исследование механических свойств горных пород в неземных ус­ ловиях представляет сложную проблему космомеханики горных пород. В настоящее время могут быть использованы довольно мно­ гочисленные данные непосредственных испытаний грунтов Луны, мягких посадок космических аппаратов на Луну, Венеру, а также

облетов Марса. Мы здесь ограничимся рассмотрением только ос­ новных примеров.

При изучении механических свойств горных пород в неземных условиях можно выделить по крайней мере два основных условия: 1) практическое отсутствие атмосферы (вакуум) й 2) наличие вы­ сокого атмосферного давления.

В условиях глубокого вакуума (например, на Луне) обнаруже­ ны чрезвычайно рыхлые сильнопористые структуры покровных об­ разований горных пород, главнейшей особенностью которых явля­ ется их неуплотненность (рыхлая упаковка частиц) и наличие в со­ вершенно сухих разностях сил молекулярного сцепления, обуслов-

Рис. 6.1. Деформации хрупко-пористых пород (по опытам И. И. Черка­ сова) :

а — при компрессии; 6 — при вдавливании штампа

ливающих их своеобразные свойства. Такие сильнопористые поро­ ды необходимо отнести к структурно-неустойчивым грунтам; как показали опыты И. И. Черкасова, проведенные с моделирующими материалами, а также на кафедре МГрОиФ МИСИ (1966—1967), они отличаются особым поведением при действии на них уплотня­ ющей нагрузки.

Так, при компрессионном сжатии (рис. 6.1, а) следует разли­ чать три стадии деформаций этих грунтов: I стадия — при нена­ рушенных жестких структурных связях, когда зависимость между напряжениями и деформациями линейна, т. е. имеет место прямая пропорциональность между деформациями и напряжениями; II ста­ дия — стадия просадки, т. е. быстрое и полное разрушение струк­ турных связей при достижении критического давления, сопровож­ дающееся необратимыми деформациями значительной величины, причем величина изменения пористости во много раз превосходит изменение в первой стадии и в этом случае в процессе скачкооб­ разного изменения структуры практически может приниматься ли­

нейно зависящей от величины действующего давления (но не пря-. мо пропорционально); III стадия — нелинейное уплотнение почти совершенно структурно разрушенной породы (порошка).

Для описания / стадии деформаций будут полностью действи­ тельны уравнения теории линейно деформируемых сред, для II — уравнения деформаций просадочных грунтов, для III — нелинейная теория консолидации дисперсных грунтов.

При действии местной нагрузки, как показали также опыты (рис. 6.1, б), особо рыхлопористые пески (например, аглопоритовые и др.) отличаются локальным характером деформаций и при некоторой нагрузке наблюдается как бы провал штампа на порис­ том материале при полном разрушении исходной структуры рых­ лого материала и отсутствии сдвигов и выпирания в стороны. Та­ ким образом, характер деформаций рассмотренного вида рыхлых образований совершенно иной, чем у плотных песков или связных (глинистых) пород. Изложенные свойства рыхлых структурно-не­ устойчивых материалов с жесткими связями незначительной вели­ чины и обусловили небольшую несущую способность некоторых покровных пылеватых грунтов, например Луны, которая, по дан­ ным непосредственных испытаний с помощью специального дис­ танционного грунтомера — пенетрометра советской автоматической станции «Луна-13», оказалась равной пред /7=0,68 кгс/см2 при среднем значении угла внутреннего трения ср=32° и сцеплении с = = 0,009 кгс/см2.

Важно также отметить, что, исследуя механические свойства горных пород холодных планет земной группы (Луны и Марса) как в условиях вакуума Луны, так и пылевой атмосферы Марса, по-ви­ димому, можно предполагать наличие на некоторой глубине от по­ верхности этих планет (иногда и весьма незначительной — порядка 0,5—1 м) породы с отрицательной температурой, а возможно, и в вечномерзлом состоянии, т. е. не только с отрицательной темпера­ турой, но и сцементированные тем или иным льдом (водным, угле­ кислотным и пр.), которые обладают особыми свойствами (см. [49]).

В условиях высокого атмосферного давления, например на Ве­ нере, о механических свойствах горных пород пока почти ничего не известно, и мы можем лишь предполагать, что механические

бомбардировкам метеоритами, могут значительно изменить грун­ ты, особенно при соответствующем их минералогическом составе и строении. Если учесть и влияние высоких температур (порядка нескольких сотен градусов), то следует ожидать особой пластич­ ности, вязкости и текучести рассматриваемых пород под нагрузкой.

Однако конкретные свойства горных пород в рассматриваемых условиях должны быть определены в результате непосредственных измерений, в первую очередь с помощью автоматических станций с мягкой посадкой, что должно явиться одной из ближайших не­

отложных задач космомеханики горных пород с использованием? специальных пенетрометров, лопастных приборов, шарового штам­ па (что автор особо рекомендует) и др., а также и тонких мето­ дов физического эксперимента (радиоактивных излучений, электро­ акустики и пр.).

6.4. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО КОСМОМЕХАНИКЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Задача исследований. В вводных положениях настоящей главы были кратко отмечены наиболее важные приложения космических Исследований для освоения человеком космических объектов, в- первую очередь планет Солнечной системы. Здесь мы остановимся лишь на изложении полученных за последние 10—20 лет материа­ лов по вопросу космомеханики горных пород отдельных объектовкосмоса. Эти данные являются совершенно необходимыми для дальнейшего освоения планет земной группы Солнечной системы — Луны, Марса, Венеры, а также в известной степени и планет-гиган­ тов— Сатурна, Юпитера и др.

Перед космонавтикой стоят огромные задачи, при изложении: которых мы разделим их на общенаучные задачи исследований, освещающие строение планет Солнечной системы, и на прикладные задачи исследований, используемые уже в настоящее время в прак­ тике освоения (главным образом технического) космоса.

К общенаучным задачам отнесем: общие условия формирования горных пород и их физико-механических свойств; установлениегеологической истории эволюции планет Солнечной системы; гло­ бальные морфологические, а также -геоморфологические исследо­ вания, освещающие глубинное строение планет (в том числе и Зем­ ли); исследования глобальных и региональных изменений на Зем­ ле под действием антропогенных факторов (деятельности людей); геофизические исследования — составление магнитной карты Зем­ ли, картографирование труднодоступных районов, прогнозирова­ ние землетрясений, атмосферных бурь и пр.; географические ис­ следования— прогноз развития ледовой обстановки в Арктике и. Антарктике, оценка лесов, развитие пустынь, оценка сельскохозяй­ ственных угодий и пр.

Несомненно, что результаты их в известной мере могут быть ис­

главным образом данные по физическим и механическим свойствам горных пород космоса. К ним отнесем: физико-механические свой­ ства неземных горных пород и их изменение под влиянием внеш­ них физических и механических воздействий, т. е. установление физических уравнений их напряженно-деформированного состоя­ ния; свойства горных пород исследуемых космических тел, которые необходимо учитывать при посадке на космические объекты авто­ матических станций и управляемых межпланетных кораблей (аб­

разивность, прилипание, пылимисть и пр.); мощность рыхлых гор­ ных пород, залегающих на поверхности исследуемого космическо­ го объекта, и другие данные о строении пород, необходимые для успешного их освоения.

Перечисленные задачи чрезвычайно сложны, многодельны и требуют комплексных исследований: дистанционных (как визу­ альных, так и по косвенным геофизическим измерениям); местных непосредственно на космических объектах (полевых) и подроб­ ных лабораторных испытаний горных пород, а также опытов с мо­ делирующими материалами и в моделирующих условиях на Земле (например, на центрифуге, на специальных самолетах и пр.).

На основании детальных исследований должны быть получены в первую очередь следующие данные: условия залегания горных пород (рыхлых и массивно-кристаллических); вещественный со­ став, физические свойства — объемный и удельный веса (массы) пород, плотность, связность (контактно-сухая или водно-пленоч­ ная), структура, прочность, прилипание и пр.; механические свой­ ства— характеристики деформируемости (модуль упругости Е, модуль общей деформации Е0, коэффициент постели к, коэффици­ ент относительной сжимаемости mvo) и параметры сопротивления сдвигу (параметры прочности) — угол внутреннего трения <р и сцеп­ ление с; твердость и абразивность горных пород.

В настоящее время более других исследованы горные породы (главным образом рыхлые породы-грунты) естественного спутника Земли Луны и значительно в меньшей мере — планеты Марс.

В заключение приведем основные сведения о планетах Солнеч­ ной системы (табл. 6.1).

Исследования физико-механических свойств грунтов Луны *. Данные о структуре и механических свойствах лунных грунтов бы­ ли получены четырьмя методами: прямыми определениями на по­ верхности Луны, исследованием образцов лунных грунтов в лабо­ раториях Земли, моделированием грунтов Луны в лабораторных условиях различными материалами земного происхождения и поле­ выми иследованиями земных грунтов, лучше других соответствую­ щих лунным.

Прямые определения проводились автоматическими лунными станциями «Луна-9 и 13» и «Сервейер-1, 3, 5, 6 и 7», которые ис­ следовали грунт в местах посадки. Автоматические лаборатории «Луноход-1 и 2» проводили исследования по протяженным трас­ сам; экипажи лунных экспедиций «Аполлон» выполняли исследова­ ния в районах посадок кораблей и совершали разведочные поезд­

касов И. И., Шварев В. В. Начало грунтоведения Луны/Под ред. акад. А. Ю. Ишлинского. М., 1971; 4) Черкасов И. И., Шварев В. В. Грунт Луны. М., 1975.

Раздел написан при консультации докт. техн. наук, проф. И. И. Черкасова — одного из создателей основ лунного грунтоведения в СССР.

Т а б л и ц а 6.1

Основные данные о больших планетах Солнечной системы *

станциями «Луиа-20 и 24». Пробы грунта — реголита, взятые ими, были исследованы на Земле. Ряд образцов, добытых экспедициями «Аполлон», также проходил испытания в земных лабораториях.

Реголитом называется зернистый малосвязный рыхлый с по­ верхности и уплотняющийся по глубине грунт, образовавшийся в специфических лунных условиях в результате дробления коренных скальных пород метеоритами и воздействия волновой и корпуску­ лярной радиации солнечного и космического происхождения.

В качестве моделирующих материалов использовались различ­ ные минеральные порошки и высокопористые строительные мате­ риалы,. а также вулканические пеплы, пемза, шлак и лавы. Из них ближе всего к лунному реголиту оказались минеральный порошок из молотого базальта пылевато-песчаного состава и вулканические пеплы. В полевых условиях широко исследовались современные рыхлые вулканические отложения в виде пеплов, пемз и шлаков,, а также сложные по своему составу отложения взрывов и пироклас­

Радиационный гамма-плотномер осуществлял просвечивание самого верхнего слоя грунта рассеянным потоком гамма-квантов от радиоактивного изотопа цезия-137. Его показания позволяли определять плотность просвечиваемого слоя.

Прибор для оценки проходимости был оборудован комбиниро­ ванным иидентором в виде конуса с углом при вершине 30°, диа­ метром основания 50 мм и пересекающих его под углом 90° двух вертикальных лопастей шириной 70 мм и высотой 44 мм. С по­ мощью автоматического механизма индентор опускался на грунт и затем вдавливался в него с максимальным усилием 20 кгс. Пос­ ле достижения этого усилия или после погружения на глубину 5 см при меньшем усилии конус начинал поворачиваться вокруг верти­ кальной оси и крыльчатка производила срез по боковой поверхно­ сти и нижнему основанию описываемого ею цилиндра. В ходе опыта измеряли глубину вдавливания конуса, угол поворота крыльчатки в пределах до 90° и крутящий момент. По результатам работы при­ бора определяли несущую способность и предельное сопротивление сдвигу.

На «Луноходах-1 и 2» была установлена также аппаратура для определения химического состава лунных грунтов по их рентгенов­ скому излучению.

Радиационно-химический анализ грунта производился при по­ мощи альфа-радиометров на аппаратах «Сервейер-5, 6, 7». На ап­ паратах «Сервейер-3 и 7» были установлены управляемые с Зем­ ли манипуляторы (рис. 6.3)— приборы многоцелевого назначения с многошарнирным механизмом, позволяющим перемещать неболь­ шой ковш с подвижной крышкой в любом направлении и произво­ дить с его помощью рытье траншей, отбор образцов и перемеще­ ние их, а также наносить удары по поверхности с измерением уси­ лий и перемещений, что дало возможность вычислить прочностные показатели.

На всех станциях «Луна» и «Сервейер» имелись телевизионные установки, работа которых имела первостепенное значение. Они передавали на Землю детальные панорамы лунной поверхности (рис. 6.4), на которых были видны зерна грунта крупностью 0,5— 1,0 мм, показывали следы соударений опор аппаратов с грунтом

иколеи луноходов.

Вэкспедициях «Аполлон» использовались пенетрометры для

оценки механических свойств грунта, а также сейсмическая аппа­ ратура и заряды взрывчатки для глубокого сейсмозондирования.

Первые образцы грунта были доставлены на Землю автомати­ ческой лунной станцией СССР «Луна-16». Она была оборудована виброударным трубчатым буром, способным отбирать пробы как твердых пород, так и сыпучих грунтов с глубины до 35 см, после чего бур с взятым грунтом помещался в герметичный контейнер и с помощью обратной ракеты «Луна-Земля» направлялся на Землю.

Станция «Луна-24» имела более совершенную буровую установ­ ку, позволявшую проводить вращательное бурение и отбирать про­ бы с большей глубины. Эта станция пробурила наклонную скважн-