книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

Н. М. Герсеванов, В. А. Флорин и др. в 20 — 30-е годы) и, наконец, для трехфазных грунтов, состоящих из твердых минеральных час­ тиц, пбровой воды и газообразных включений, теория объемных сил (В. А. Флорина — М. Био и др., развитая в последнее десяти­ летие Ю. К. Зарецким, 3. Г. Тер-Мартиросяиом, А. Л. Гольдиным и др.) с учетом полного взаимодействия всех фаз грунта между собой.

К многофазным четырехкомпонентным грунтовым системам мы относим мерзлые и вечномерзлые грунты, у которых четвертой фа­ зой являются включения идеально пластичного льда, и органо-ми­ неральные грунты, четвертой компонентой которых являются орга­ нические вещества.

Основные характеристики однокомпонеитных грунтов, определя­

Трехфазные грунты можно охарактеризовать только тремя по­ казателями физических свойств: величиной объемной массы (веса) для данного физического состояния, влажностью и ее изменениями и величиной удельной массы (веса) твердых минеральных частиц в плотном (без пор) теле.

Для четырехкомпонентных систем в случае мерзлых и вечно­ мерзлых грунтов добавочно должна быть известна их льдистостьг а для органо-минеральных — показатели содержания и изменения органических веществ во времени.

Физическое состояние однофазных грунтов характеризуется их плотностью, а механические свойства — контактным сопротивлени­ ем сдвигу, общей и контактной деформируемостью.

Физические свойства двухфазных грунтов характеризуются их. консистенцией (густотой смеси минеральных частиц с водой) и природной уплотненностью, определяющими их деформируемость и прочностные свойства.

Показатели физического состояния трехфазных и многофазных грунтов включают как характеристики однофазных и двухфазных грунтов, так и добавочные к ним показатели общих свойств грун­ тов: сжимаемости, пбровой водопроницаемости, контактного сопро­ тивления сдвигу и структурно-фазовой деформируемости с учетом их изменчивости и вторичных эффектов деформируемости.

В общем виде для многофазных грунтов факторами, определя­ ющими их напряженно-деформированное состояние в пространстве и во времени, являются постепенная передача давления на мине­ ральный скелет грунтов и газосодержащую норовую воду в про­ цессе союимаемости (обусловливающие в водонасыщенных грунтах их фильтрационную консолидацию) и обязательно свойство ползу­ чести скелета грунта при консолидации его и старении, а также геометрические параметры исследуемого массива.

2.4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СООТНОШЕНИЯ В МЕХАНИКЕ СКАЛЬНЫХ ПОРОД*

Скальные породы представляют собой класс массивно-кристал­ лических трещиновато-блочных горных пород, которые в ненару­ шенных блоках и отдельностях спаяны или сцементированы жест­ кими связями между минеральными зернами и их агрегатами, не восстанавливающимися после разрушения связей; часто такие по­ роды осложнены неоднородностью и анизотропией.

Основные положения, которые следует учитывать при решении задач прикладной геомеханики в разделе скальных пород, следу­ ющие ** [45]:

1) деформации скальных пород прежде всего обусловлены их трещиноватостью, разделяющей массив породы на взаимосвязанные друг с другом блоки, которые под действием соответствующих сил испытывают повороты, обжатия и местные контактные разруше­ ния;

2)увеличение трещиноватости значительно повышает дефор­ мируемость скальных пород и уменьшает скорость распростране­ ния в них упругих волн;

3)нагрузка и разгрузка способствуют уплотнению трещинова­

тых скальных пород, особенно при первом цикле -их, которое зави­ сит как от величины силовых воздействий, так и от механических свойств материала, заполняющего трещины;

4) трещиноватые скальные породы при постоянной нагрузке обладают ползучестью, причем при напряжениях, меньших началь­ ного критического, — затухающей и при напряжениях, больших на­ чального критического, — длительно незатухающей;

5) при исследовании механических свойств трещиноватых скальных пород необходимо учитывать влияние масштабного эф­ фекта, заключающегося в том, что с увеличением размеров испыты­ ваемого объема скальной породы показатели механических свойств уменьшаются, приближаясь, однако, к некоторому достаточно по­ стоянному пределу;

6) исследуемый объем трещиновато-скальных пород долженбыть таким, чтобы можно было его считать квазисплошным и квазиоднородным.

Положения, сформулированные в п. 5 и 6, отражают специфи­ ческие особенности трещиновато-блочного строения скальных по­

* Настоящий раздел составлен па основании обобщения результатов обшир­ ных экспериментальных исследований, выполненных за последние 15 лет в Лабо­ ратории скальных пород кафедры МГрОиФ МИСИ в связи с запросами'Крупно­ масштабного гидротехнического строительства (плотин Андижанской, Кировской, Фархадской и др.) под общим научным руководством автора настоящей главы и непосредственным руководством зав. лабораторией проф. С. Б. Уховым с уче­ том литературных источников.

** Ухов С. Б. Экспериментально-теоретические основы механики трещинова­ тых скальных пород и их приложение к задачам гидротехнического строительст­ ва. Докт. диссертация при консультации чл.-кор. АН СССР Н. А. Цытовнча. МИСИ, 1978.

мер, ультразвуковым) ме­ тодами. На рис. 2.8 пока­ зана опытная кривая из­ менения относительных осадок поверхности скаль­ ной породы на разных расстояниях / от штампа,*

* Ухов С. Б., Тер-Мартиросян 3. Г., Терновский И. Н. К определению модуля деформации скальных пород по осадкам поверхности, Нагруженной жестким штампом. — Сб. ВСЕГИНГЕО, ьып. 31. М., 1970; Терновский И. Н. Применение модели слоя ограниченной мощности для оценки деформируемости скальных пород. — В сб.: Основания и фундаменты, вып. 5. Киев, 1972.

причем в заштрихованной области рисунка располагаются все экс­ периментальные точки (при трех ступенях нагрузки: р=10ч-20; 204-30; 30-4-40 кгс/см2), а пунктирная кривая соответствует из­ вестному решению теории линейно деформируемого полупростран­ ства, что наглядно подтверждает высказанное положение.

Формула для определения модуля общей деформации Е0 скаль­ ной породы приведена к каноническому виду

слоя ограниченной мощности, т. е. от Hjb (Я — мощность слоя). Значения wHдля различных а и х (расстояний от края штампа) вы­ числены на ЭВМ и табулированы И. Н. Терновским * (в сокращен­ ном виде см. табл. 2.1); шх,-— осадка поверхности скальной поро­ ды на расстоянии Xi от края штампа; p0 — коэффициент относи­ тельной боковой деформации.

Пользуясь формулой (2.39) и принимая постоянной осадку у края штампа, строят кривые осадок wXi для различных значений Hjb (а следовательно, и toH) и кривую шд-=й, полученную опытом; сопоставляя эти кривые, находят значение ЩЬ, которое ближе всего соответствует опытной кривой. Тогда по табл. 2.1 определяют вновь <0ц и по формуле (2.39) вычисляют модуль общей деформации Е0. Как показывают опыты, расхождения в величине модуля общей деформации, вычисленные по замерам осадок шх в разных точках поверхности возле штампа, не превышают 10%, причем для раз­ личных типов скальных пород Я равняется обычно (1,54-3,0)6 и в весьма редких случаях до 4 b (b — полуширина или радиус штам­ па).

При определении величин модуля общей деформации крупных участков массива скальных пород, значительно превышающих раз­ меры опытных площадок, следует пользоваться сейсмоакустическими исследованиями. Переход от величин динамических модулей упругости Яд, определяемых при сейсмоакустических исследовани­ ях, к величинам модулей общей деформации Е0, как показано в диссертации С. Б. Ухова, с достаточной точностью можно произве­ сти по эмпирической формуле, полученной на основе аппроксима­ ции результатов 56 полевых опытов с различными типами скаль­ ных пород:

где Е0— модуль общей деформации; Яд— динамический модуль уп­ ругости; а, Ь, с. d, ЯД1 — параметры, определяемые опытом. В част-*

* См. сноску на с. 66.

Значения сон для жесткого квадратного штампа

ности, было получено: при £ д1 = 100 тс/см2 а = 11,8 тс/см2, 6=1,06, с=0,0146 тс/см2, d = 4,7.

Первый член этого уравнения с достаточной точностью описы­ вает опытную кривую до £ д= 200 тс/см2, при больших значениях £ д необходима корректировка за счет второго члена.

i

Рис. 2.9. Кривые изменения осадок скальной породы (метамор­ фические сланцы под штампом 100X100 см) во времени при раз­ ной величине ступеней давления:'

1 — 10—20 кгс/см2; 2 — 20—30 кгс/см2; 3 — 30—40 кгс/см2

В масштабе штамповых опытов, в интервале изменения коэф­ фициента трещинной пустотности Кг.п=0,2-т-7,0% можно пользо­ ваться более простой зависимостью;

Е о= А К 1и ’

где Л = 9 7 тс/см2; х = —0,615; 4) ползучесть трещиноватых скальных пород. Опыты также по­

казывают изменение осадок трещиноватых-хкальных пород во вре­ мени при неизменной нагрузке, т. е. их ползучесть, что хорошо ил­ люстрируется рис. 2.9. Так как среднее давление на скальные по­

роды выбирается не более их длительной прочности, то ползучесть будет затухающей.

Для описания затухающей ползучести скальных пород В. Л. Кубецким предложена зависимость, хорошо отвечающая экспери­ ментальным данным:

где wo, Woo— соответственно мгновенная и конечная (стабилизиро­ ванная) деформации поверхности скальной породы; К, 0, Т — пара­

робно исследованных В последние годы как в лаборатории, так и в

поле.

Опыты показали, что следует различать сопротивление сколу тСк скальных пород и сопротивление сдвигу тСдв. Относительно сохран­ ным трещиноватым скальным породам свойственны обе формы разрушения— скол и сдвиг. Разрушение сильно раздробленных по­ род или по трещине происходит обычно в форме сдвига (рис. 2.10).

Следует выделять также критическое сопротивление скальных пород сдвигающему усилию, соответствующее, по В. Н. Бурлакову, концу стадии уплотнения и началу стадии разрушения трещинова­ то-блочной породы при испытаниях пробной нагрузкой на сдвиг.

С. Б. Уховым и В. Н. Бурлаковым разработана методика опре­ деления параметров сопротивления скальных пород сдвигающим нагрузкам по результатам одиночного испытания штампа или це­ лика породы, позволяющая определять*** [45]:

* Кубецкий В. Л. Исследование влияния ползучести скальных пород на на­ пряженное состояние обделок напорных гидротехнических туннелей. Канд. дис­ сертация, МИСИ, 1969; Кубецкий В. Л., Ухов С. Б. Исследование ползучести скальных пород методом пробной статической нагрузки. — Гидротехническое

строительство, 1968, № 8.

** Ухов С. Б., Бурлаков В. Я. Определение показателей прочности скальных пород методом сдвига бетонных штампов. — Гидротехническое строительство, 1970, № 6; Бурлаков В. Н. Определение прочностных параметров трещиноватых скальных пород методом сдвига бетонных штампов. Канд. диссертация. МИСИ, 1975.

сСк — сцепление (сопротивление сколу), практически не зависящее от нормального давления (сжимающего напряжения а ) .

Прочность скальной породы в любой точке массива оценивается обычными коэффициентами запаса прочности:

где Яр— расчетное сопротивление растяжению; стг— минимальное главное растягивающее напряжение; тар — расчетное сопротивление сдвигу; та — касательное (сдвигающее) напряжение для наиболее опасной площадки.

При этом проверка устойчивости опасных поверхностей сколь­ жения производится по суммарному коэффициенту запаса проч­ ности

где Q — площадь соответствующих эпюр сдвигающих напряжений. Интересно отметить, что, по опытам лаборатории скальных по­ род МГрОиФ МИСИ, предельное сопротивление исследованных дрещиновато-блочных скальных пород (преимущественно флишевых напластований — сланцев и песчаников) изменилось почти в 70 раз: Япред~0,1-4-7 кгс/см2, а значение модуля общей деформа­ ции Е0 при растяжении было получено в 8—20 раз меньшим, чем

при его сжатии.

2.5. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СООТНОШЕНИЯ В МЕХАНИКЕ МНОГОФАЗНЫХ ГРУНТОВ

Мы рассмотрим здесь лишь основные положения, определяющие поведение многофазных грунтов под нагрузкой и характернейшие их свойства, на которых базируются главнейшие закономерности механики многофазных грунтов как рыхлых горных пород.

Рассматриваемые при этом положения будут справедливы так­ же для двухфазных и однофазных грунтовых систем, но лишь как частные случаи более общих соотношений, установленных для мно­ гофазных грунтов.