В учебнике даны основные сведения о природе скальных грунтов и показателях их физических свойств. Рассмотрены вопросы поведения скальных грунтов под нагрузкой, а также их деформационные характеристики. Подробно исследованы механические свойства скального массива, его природное напряженное состояние и проблема фильтрации. Для широкого круга специалистов строительного профиля, а также научных работников и аспирантов, занимающихся проблемами механики скальных грунтов.

Предисловие
От автора
Введение

Глава 1. Горные породы. Определение ненарушенных скальных грунтов и их геологическая классификация. Физико-механические характеристики. Геомеханическая классификация ненарушенных скальных грунтов
Глава 2. Геомеханические свойства ненарушенных скальных грунтов
Глава 3. Испытания образцов ненарушенных скальных грунтов
Глава 4. Теории прочности и их приложение к разрушению скальных грунтов
Глава 5. Трещины скального массива и их свойства
Глава 6. Скальные массивы. Основные понятия. Трещиноватость, анизотропия и неоднородность скальных массивов
Глава 7. Классификация скальных массивов. Масштабный эффект. Геомеханические модели скальных массивов
Глава 8. Деформирование и разрушение скальных массивов
Глава 9. Экспериментальные исследования скальных массивов
Глава 10 Фильтрация в скальных массивах

Список литературы

Предисловие

Предлагаемая вниманию читателей книга проф. М.Г. Зерцалова является первым отечественным учебником по механике скальных грунтов и скальных массивов, подготовленным специалистом, работающим в области строительства. До сих пор авторами подобных, весьма немногочисленных, учебников были, как правило, специалисты по горному делу. Во многом это связано с особенностями развития раздела науки о взаимодействии горных пород и объектов, создаваемых человеком.

Как отмечал еще в 1977 г. И.А. Турчанинов, начало этого направления в горном деле было положено фундаментальными трудами М.М. Протодьяконова (1907 г.) и П.М. Леонтовича (1913 г.), посвященными определению давления горных пород на рудничную крепь, обрушению и оседанию пород в рудниках и влиянию этих процессов на дневную поверхность земли. Оформление самостоятельного раздела горной науки – механики горных пород – И.А. Турчанинов относит к 1934 г., когда была издана первая работа П.М. Цымбаревича с таким же названием.

Предметом механики горных пород явилось изучение прежде всего массивно-кристаллических («твердых») или, как их часто называют, скальных пород. Методологически исследование свойств и поведения этих пород при проходке горных выработок долгое время основывалось на испытаниях образцов, а переход к скальным массивам осуществлялся с помощью специальных эмпирических коэффициентов, учитывающих строение массивов.

В 1925 г. К. Терцаги публикует фундаментальную работу «Строительная механика грунтов», в 1926-1933 гг. Н.М. Герсеванов издает классический труд «Основы динамики грунтовой массы», в 1934 г. выходит первый в мире курс «Основы механики грунтов» Н.А. Цытовича, в 1934-1936 гг. – серия основополагающих работ Н.Н. Маслова по вопросам геотехнических исследований и В.А. Флорина – о фильтрационной консолидации грунтов. Эти работы знаменовали возникновение новой области науки – механики грунтов, ставшей базой расчетно-теоретического обоснования подготовки оснований, устройства фундаментов зданий и сооружений, возведения земляных насыпей, дамб и плотин.

Предметом механики грунтов явилось изучение физико-механических свойств, закономерностей деформирования и процессов, происходящих в дисперсных («рыхлых») горных породах - грунтах при строительстве зданий и сооружений. Вопросы, относящиеся к скальным массивам, рассматривались в работах по механике грунтов скорее как исключение, нежели правило.

Существенное влияние на дальнейшее развитие этих дисциплин оказало начавшееся в середине XX в. широкомасштабное строительство крупных гидротехнических сооружений в предгорных и горных районах. Исследователи понимали, что имеющихся знаний о массивах скальных пород не достаточно для строительства сооружений повышенной ответственности.

В 1961 г. Л Мюллер, один из крупнейших мировых специалистов, пишет: «Геомеханики (специалисты по механике скальных пород) отстали на 30 лет от специалистов по механике грунтов, на 50 лет – от специалистов по бетону и на 100 лет, если не больше, – от статиков. Настало время изменить это положение». Начинается интенсивное развитие механики скальных пород, иногда называемой механикой скальных грунтов, скальных массивов.

В нашей стране появляются обобщающие работы К.В. Руппенейта и Ю.Н. Либермана «Введение в механику горных пород» (1960 г.), П.Д. Евдокимова и Д.Д. Сапегина «Прочность, сопротивляемость сдвигу и деформируемость сооружений на скальных породах» (1964 г.), Д.П. Прочухана, С.А. Фрида и Л.K Доманского «Скальные основания гидротехнических сооружений» (1971 г.), автора настоящего предисловия – под тем же названием (1975 г.), И.А. Турчанинова, М.А. Иофиса и M.A. Каспарьяна «Основы механики горных пород» (1977 г.) и др. Одновременно публикуются и крупные работы зарубежных авторов (в скобках указан год выхода книги в русском переводе): Ж. Талобр «Механика горных пород» (1960 г.), Л. Мюллер «Механика скальных массивов» (1971 г.), Ч. Джегер «Механика горных пород и инженерные сооружения» (1975 г.) и пр.

Однако все упомянутые и другие, более поздние работы представляют собой научно-технические монографии. Они не дают студентам начальной информации, необходимой для последующего овладения знаниями и решения сложных инженерных задач при строительстве в массивах скальных пород. В этом отношении учебник проф. М.Г. Зерцалова, включивший и основные идеи многочисленных предшественников, и оригинальные разработки автора, полностью предоставляет студентам такую возможность.

Академик Российской инженерной академии, Заслуженный деятель науки и техники РФ, Почетный строитель Москвы, Почетный профессор МГСУ, профессор, доктор технических наук С.Б. Ухов

От автора

Дисциплина «Механика скальных грунтов» является разделом науки «Механика грунтов», изучающей поведение породного массива при воздействии на него различных факторов (статической и динамической нагрузок, температуры, внешней среды и др.). Этот раздел имеет большое прикладное значение. Исторически он является базовой наукой в горном деле для оценки устойчивости подземных штолен и выработок при добыче полезных ископаемых. Не менее важную роль он играет при освоении нефтяных месторождений, в частности для оценки прочности горных пород при бурении.

Во второй половине прошлого столетия, когда началось строительство крупномасштабных наземных и подземных сооружений в горных районах, механика скальных грунтов стала необходимой и для инженеров- строителей.

Возведение высоконапорных плотин, а также разработка подземных выработок больших пролетов для машинных залов ГЭС и АЭС приводят к появлению в породном массиве очень высоких напряжений, что требует развития новых методов расчета его взаимодействия с указанными сооружениями.

Строительство железных дорог, автострад, мостов и напорных водоводов в горных условиях связано с проектированием и возведением откосов, с расчетом их устойчивости и необходимостью крепления.

Освоение подземного пространства также требует использования механики скальных грунтов, поскольку только знание поведения скального массива позволяет возводить в нем различные подземные сооружения.

Вместе с тем известно, что механика скальных грунтов для инженеров-строителей имеет свою специфику. Подземные и наземные инженерные сооружения вовлекают в работу очень большие объемы породного массива. В связи с этим при определении его деформационных и прочностных характеристик необходимо учитывать действие масштабного фактора, что связано с большими трудностями. По той же причине значительные проблемы возникают с выбором геомеханической модели, установлением прочностных и деформационных характеристик ее составных элементов, а также с выбором граничных условий.

Изложенное выше свидетельствует о чрезвычайной актуальности издания литературы по данной тематике Актуальность подтверждается также тем фактом, что последняя книга по механике горных пород вышла в нашей стране 13 лет назад (Виттке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. - М.: Недра, 1990). Аналогичное отечественное издание (Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. - М.: Недра, 1986) предназначено для специалистов горного дела и добычи полезных ископаемых. В то же время монографии и учебники в области механики скальных пород, ориентированные на специфику строительства гражданских сооружений, таких как плотины, различного назначения туннели, подземные машзалы ГЭС, хранилища и т.п., практически отсутствуют.

Все это и побудило автора к написанию данного учебника, который основан на материале лекций, прочитанных в Московском государственном строительном университете студентам факультета гидротехнического и специального строительства.