В учебнике даны основные сведения о природе скальных грунтов и показателях их физических свойств. Рассмотрены вопросы, связанные с определением механических характеристик скальных грунтов, их деформированием и разрушением. Дано понятие скального массива и рассмотрены факторы, приводящие к его трещиноватости, неоднородности и анизотропии. Особое внимание уделяется масштабному фактору и построению геомеханической модели. Рассмотрены механические свойства скального массива и способы их определения, формирование природного напряженного состояния и проблемы фильтрации. Отдельно рассматривается использование механики скальных грунтов при проектировании подземных сооружений, расчете устойчивости скальных склонов и откосов, а также оснований наземных сооружений. Книга предназначена для студентов строительных вузов, а также представляет интерес для широкого круга специалистов строительного профиля, научных работников и аспирантов, занимающихся проблемами механики скальных грунтов.

Предисловие к первому изданию
Предисловие ко второму изданию
От автора
Введение
Механика скальных грунтов и области ее применения

Глава 1. Горные породы. Определение ненарушенных скальных грунтов и их геологическая классификация. Физико-механические характеристики. Геомеханическая классификация ненарушенных скальных грунтов
Глава 2. Деформирование скальных грунтов в условиях сжатия и их реологические свойства. Фильтрация в скальных грунтах
Глава 3. Испытания образцов ненарушенных скальных грунтов
Глава 4. Критерии 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
Глава 11. Механика скальных фунтов при проектировании подземных сооружений
Глава 12. Механика скальных грунтов при расчетах устойчивости склонов и откосов
Глава 13. Механика скальных фунтов при проектировании оснований сооружений

Список литературы

Предисловие к первому изданию

Предлагаемая вниманию читателей книга проф. М.Г. Зерцапова 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» H.A. Цытовича, в 1934-1936 гг. – серия основополагающих работ H.H. 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, 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 недостаточно 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.К. Доманского «Скальные основания гидротехнических сооружений» (1971 г.), автора настоящего предисловия – под тем же названием (1975 г.), И.А. Турчанинова, М.А. Иофиса и М.А. 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

Предисловие ко второму изданию

Второе издание учебника профессора доктора технических наук М.Г. Зерцалова «Механика грунтов (введение в механику скальных грунтов)» (первое издание называлось «Механика скальных грунтов и скальных массивов, Москва, 2003 г.) представляет несомненный интерес, так как восполняет пробел, который имел место в гидротехническом строительстве в частности и строительстве вообще в области возможной оценки и определении основных деформационных и прочностных характеристик скальных грунтов как оснований сооружений. Именно гидротехническое строительство является основным потребителем знаний о скальных грунтах в силу обширности площади основания, величин действующих напряжений (их знакопеременности) и вызываемых этими напряжениями деформаций. Транспортное строительство также является очень важным потребителем этой тематики. Трудно представить строительство транспортного туннеля под Ла-Маншем или транспортного Северо-Муйского туннеля без глубоких и всесторонних знаний механики скальных пород.

Обычно в учебной литературе по гидротехническим сооружениям давались краткие сведения о скальных основаниях. Первое издание этого учебника во многом изменило положение дел, так как появился собранный воедино обширный материал по свойствам скальных пород, их отечественная и существующие зарубежные классификации, что позволяет более полно понимать зарубежные публикации.

Первые четыре главы расширяют и систематизируют знания об основных свойствах скальных грунтов.

В четвертой главе уже начинают рассматриваться специальные свойства скальных массивов, связанные с трещиноватостью. Это исключительно важная глава, требующая внимательного изучения, дана достаточно полно.

Критерий разрушения трещиноватого скального массива важнейший элемент построения модели скального грунта. В главе рассматриваются различные условия прочности, включая условие, следующее из теории разрушения (начало теории положений Гриффитса). К сожалению, эти критерии не дают уверенного описания прочности. В выводах надо было бы рекомендовать критерий прочности для использования. Думаю, что лучше Мора-Кулона ничего не придумано.

В главе 5 дано описание принципов оценки трещиноватости. Эта глава обогащает инженера систематизацией описания трещиноватости массива, включая положение трещин в пространстве и их свойства, то есть поведение скальных блоков при взаимодействии друг с другом через трещину; то есть через шероховатые поверхности, которые представляют из себя берега трещин. Особое внимание уделено дилатансии.

Большое значение имеет классификация скальных массивов для понимания и упорядочивания знаний, для количественного перехода от качественных представлений. Различные классификации приводятся в учебнике.

Восьмая глава посвящена прочности скального массива. В ней рассмотрены различные подходы к решению поставленной задачи. Но сколько не рассматривается подходов, лучшим оказывается условие прочности Кулона и Хоска-Брауна, в котором меняются коэффициенты, определяемые в зависимости от характера описания трещиноватости по таблицам.

Все рассуждения и теории деформируемости и прочности безжизненны, если нет эксперимента («Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо», Гете «Фауст»). Именно этому посвящена девятая глава – эксперименты в тоннельной выработке и сдвиг бетонного массива по скале в основании бетонной плотины. Все это необходимо при оценке работоспособности скального массива. Аварии, которые имели место в гидротехнической области, чаще всего связаны с недочетом несущей способности основания. Именно поэтому эта глава становится одной из самых ответственных. В ней студент (будущий инженер) знакомится с тем многообразием возможных испытаний скалы и для целей проходки туннелей и при проектировании и строительстве бетонных плотин. Методы углубленные, требующие много времени и денег или ускоренные методы.

Изучение фильтрации в скальном массиве исключительно важный элемент проектирования и он требует очень тщательного анализа фильтрационных свойств скалы. В настоящее время наметился двойной подход к этой проблеме: движение воды по трещинам и движение воды между расчетными трещинами. Все это нашло отражение во втором издании учебника.

Думаю, что и студент и инженер найдут много интересного в этом учебнике по изучению фильтрационных свойств скального массива. Автор связывает фильтрационный поток и НДС массива, что совершенно верно. К сожалению, даже инженеры, считающиеся грамотными, этой связи часто не понимают.

Очень полезно сопоставление оценок водопоглощения, принятое за рубежом в люжонах и у нас. Главы 11, 12 и 13 — новые для данного учебника – практическое приложение изложенного ранее материала к конкретным условиям проектирования и строительства: подземных выработок, склонам и откосам, основаниям. Главы содержат конкретные рекомендации для проектирования.

Думаю, что книга профессора М.Г.Зерцалова «Механика грунтов (введение в механику скальных грунтов)» очень полезна и будет широко использоваться в учебном процессе не только на кафедрах механики грунтов, но и на специальных кафедрах.

Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук профессор Л.Н.Рассказов

От автора

Учебная дисциплина «Механика грунтов (введение в механику скальных грунтов)» посвящена разделу наук о земле, имеющему очень большое прикладное значение. Исторически этот раздел является базовой наукой в горном деле для оценки устойчивости подземных штолен и выработок при разработке полезных ископаемых. Не менее важную роль он играет при освоении нефтяных месторождений, в частности для оценки прочности горных пород при бурении.

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

Возведение высоконапорных плотин различных типов приводит к появлению в породном массиве значительных деформаций и 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, расчетом их устойчивости и необходимостью крепления.

Освоение подземного пространства (разработка выработок больших пролетов для машинных залов ГЭС и АЭС, строительство подземных сооружений различного назначения) также требует использования механики скальных грунтов, поскольку, только хорошее знание поведения скального массива позволяет обеспечить надежность работы и безопасность возведенных в подземном пространстве сооружений.

Вместе с тем известно, что механика скальных грунтов для инженеров-строителей имеет свою специфику, заключающуюся в том, что подземные и наземные инженерные сооружения вовлекают в работу очень большие объемы породного массива, в результате чего при определении его деформационных и прочностных характеристик появляется масштабный фактор, учет которого связан с большими трудностями. По той же причине значительные проблемы возникают с выбором геомеханической модели, установлением прочностных и деформационных характеристик ее составных элементов, а также выбором граничных условий.

Все изложенное выше свидетельствует о том, что издание литературы по данной тематике чрезвычайно актуально. Эта актуальность подтверждается также тем фактом, что последняя книга по механике горных пород вышла в нашей стране из печати шестнадцать лет назад (Виттке В. Механика скальных пород. Пер. с нем. «Недра». - М. 1990). Отечественные же издания, рассматривающие различные аспекты механики горных пород, например: (Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах, «Недра». М. 1986; Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений, «Недра». М. 1994 и др.) предназначены, главным образом, для специалистов горного дела и добычи полезных ископаемых.

Немногочисленная литература в области механики скальных пород, ориентированная на специфику строительства гражданских сооружений, представлена монографиями, посвященными рассмотрению отдельных разделов механики скальных грунтов и проблем взаимодействия сооружений со скальным массивом. В качестве примера можно привести следующие издания: Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве, «Стройиздат». - М. 1973; Газиев Э.Г. Устойчивость скальных массивов и методы их закрепления, «Стройиздат». - М. 1977; Мгалобелов Ю.Б. Прочность и устойчивость скальных оснований бетонных плотин, «Энерия» М. 1979; Газиев Э.Г., Речицкий В.И. Вероятностная оценка надёжности скальных массивов, «Стройиздат» М. 1985; Савич И.А., Куюнжич Б.Д., Коптев В.И. и др. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений, «Недра». - М. 1990; Газиев Э.Г. Скальные основания бетонных плотин. - М. «АСВ» 2005.

Подобные монографии, несомненно, обогащая наши знания в области механики скальных грунтов, рассчитаны в первую очередь на специалистов, занимающихся исследованиями, расчетами и проектированием сооружений, взаимодействующих со скальными массивами. Они не дают систематического изложения разделов механики скальных грунтов как науки и поэтому могут использоваться в учебном процессе только в качестве дополнительной литературы.

Все это и побудило автора к написанию и изданию в 2003 году учебника «Механика скальных грунтов и скальных массивов», основанного на материале лекций, прочитанных в Московском государственном строительном университете студентам факультета Гидротехнического и специального строительства.

Второе, предлагаемое вниманию читателей, издание учебника, отличается от первого тем, что некоторые его главы расширены и дополнены новым материалом. Помимо этого написаны три новые главы, посвященные использованию механики скальных грунтов при проектировании подземных сооружений, устойчивости откосов, а также при проектировании скальных оснований наземных сооружений. Кроме того, изменено название книги как более соответствующее названию учебной дисциплины.

Автор выражает глубокую благодарность профессорам: д.т.н. Газиеву Э.Г. и д.т.н. Меркину В.Е. за внимательное прочтение рукописи и те ценные замечания, которые позволили сделать изложение учебника в последней редакции более полным, точным и логичным. Автор также искренне благодарит Никишкина М.В. и Чернова Р.И. за большую помощь, оказанную при оформлении книги.

М.Г. Зерцалов 

Введение. Механика скальных грунтов и области ее применения

Исследования физических и механических свойств горных пород начались во второй половине XIX века, но как прикладная дисциплина, используемая при проектировании и строительстве ответственных наземных и подземных сооружений, механика скальных грунтов развилась в самостоятельную науку только недавно. Годом рождения механики скальных грунтов как самостоятельного раздела инженерной науки можно считать 1964 год, когда в Австрии профессором Л. Мюллером было образовано Международное общество по механике скальных пород. На конгрессе было принято следующее определение этой науки: "Механика скальных пород является теоретической и прикладной наукой о механическом поведении скальной породы, составляя раздел механики, рассматривающий реакцию скальной породы на силовые воздействия окружающей ее физической среды". Механика скальных грунтов, является важнейшей инженерной дисциплиной, в ней используются многие положения механики грунтов, например закон Кулона, связывающий прочность грунта на сдвиг с нормальными и касательными напряжениями. В то же время поведение скальных грунтов в ряде случаев значительно сложнее, чем у нескальных, особенно, если в работу вовлекаются большие объемы породных массивов, что характерно для высоконапорных гидросооружений и подземных выработок большого пролета. Это объясняется прежде всего тем, что свойства скального массива определяются главным образом особенностями его структуры, такими, как – разломы, поверхности напластования, системы трещин различной ориентации и т.д., и, в меньшей степени, особенностями структуры пород, слагающих массив. Учитывая это, в механике скальных грунтов необходимо различать два понятия: ненарушенные скальные грунты – кристаллический материал, прочностные и деформационные характеристики которого определяются, как свойствами составляющих его минералов и жёстких связей между ними, так и дефектами его структуры (пустоты, микротрещины, дислокации, и т.д.); скальный массив – сложнейшее геологическое образование, представляющее собой совокупность блоков одной или нескольких горных пород, выделяемых в массиве трещинами различных порядков, причём блоки в свою очередь могут разделяться нарушениями сплошности на более мелкие отдельности, образуя иерархическую систему. В этом случае, как правило, инженерные свойства подобной системы определяются в значительной мере наличием в ней структурных дефектов и их размерами. Это, в свою очередь, определяет одну важную особенность скального массива – интегральные физико-механические характеристики выделяемых в нём областей различных размеров будут существенно различаться.

Очень важным фактором при изучении скального массива является также его природное состояние, которое в значительной мере зависит от структурных особенностей массива и может существенно повлиять на его взаимодействие с сооружением.

Возникает вопрос: почему только в середине 60-х годов XX века механика скальных грунтов оформилась в отдельную ветвь науки. Чтобы ответить на него, нужно вспомнить что именно в это время в горных районах начали возводить большие плотины и сооружать крупные подземные выработки. Кроме того, в это же время появились численные методы расчета и различные методы моделирования, позволившие исследовать эти сооружения в сложных инженерно-геологических условиях с воспроизведением многообразных граничных условий. Дополнительным толчком, ускорившим развитие механики скальных грунтов, явилась авария на плотине Мальпассе (1959г), при которой погибло 450 человек и еще большая катастрофа на плотине Вайонт (1963 г.).

Механика скальных грунтов, наряду с изучением поведения породного массива, рассматривает и специальные методы проектирования и строительства взаимодействующих с ним инженерных сооружений. Это объясняется тем, что скальные породы, как и грунты, существенно отличаются от других строительных материалов и требуют особого подхода при проектировании. Так, имея дело с бетонными и железобетонными конструкциями, инженер в первую очередь собирает действующие на сооружение внешние нагрузки, а затем определяет форму и размеры сооружения и подбирает соответствующие по прочности строительные материалы. В скальных же грунтах действующая на них нагрузка имеет во многих случаях гораздо меньшее значение, чем силы, возникающие при перераспределении в процессе строительства существующих в породном массиве естественных напряжений. При строительстве инженерных сооружений в горных районах знание механики скальных грунтов необходимо при решении очень широкого круга проблем. В первую очередь к ним относятся: определение сложности геологического строения массива скальных пород, оценка степени их разрабатываемости и буримости, выбор типа и месторасположения сооружения, расчет напряжённо-деформированного состояния и устойчивости скальных массивов, разработка мероприятий по укреплению скальных откосов и т.д. К числу сооружений, к которым предъявляются наиболее жёсткие требования с точки зрения безопасности их оснований, следует отнести высоконапорные плотины, передающие высокие нагрузки на скальные массивы. Помимо оценки местной прочности основания в этом случае необходимо также изучать возможность возникновения оползней в бортах водохранилища. Так, громадный оползень, случившийся на гидроузле Вайонт, привел к переливу воды через гребень арочной плотины и вызвал гибель более чем 2000 человек, проживавших в нижнем бьефе. Знание механики скальных массивов может оказаться полезным также при выборе материалов каменной наброски, для защиты откосов плотины от размыва, при использовании в качестве заполнителя для бетона, для устройства различных фильтров и т.д. При проектировании высоконапорных плотин расчеты напряженно-деформированного состояния и устойчивости скальных оснований являются обязательными. На основании этих расчетов определяются коэффициенты устойчивости системы сооружение-основание, а также различные конструктивные мероприятия.

При возведении подземных сооружений механика скальных грунтов играет не менее важную роль. Любое подземное сооружение независимо от его назначения должно отвечать требованиям безопасности, которые во многом определяются напряженным состоянием, структурой и нарушениями сплошности породного массива. Опыт освоения подземного пространства городов в ряде стран, например в Норвегии, показал, что, только имея всестороннее представление о поведении скального массива, можно построить большие подземные концертные и спортивные сооружения, возводить для хранения различных веществ гигантские подземные хранилища. Те же требования предъявляются и к подземным гидростанциям, которые, имея в горных районах несомненные преимущества, требуют размещения в подземном пространстве обширных машинных залов и других вспомогательных помещений. Их проектирование также невозможно без знаний механики скальных грунтов.

Используется в самых разных направлениях механика скальных грунтов и при проходке подземных выработок. Например, вопрос – поддерживать ли выработку в процессе добычи полезных ископаемых полностью в устойчивом состоянии или давать породе деформироваться – может быть решен только с учетом особенностей строения и напряженного состояния породного массива. Необходима механика скальных грунтов и при проектировании проходческих машин, поскольку проходка тоннелей и разработка подземных выработок ведется с учетом реальных механических характеристик скального массива.

Строительство автострад, железных дорог, каналов, трубопроводов и напорных водоводов в горных районах связано с проектированием откосов. Задача определения их устойчивости и необходимости крепления решается на основе методик, разработанных в специальном разделе механики скальных грунтов. Тесно связана эта наука и с вопросом трассировки указанных выше сооружений. Правильно выбранная трасса позволяет сэкономить значительные средства. Решение об ее изменении или переносе части сооружений под землю в значительной мере зависит от состояния массива горных пород. Расположение напорных водоводов под землей, например, может дать существенную экономию средств, т.к. часть напряжений, возникающих в металлической облицовке можно передать на окружающую породу, однако, обоснование такого решения также требует знания механики скальных грунтов.

Особую роль играет механика скальных грунтов при строительстве подземных атомных станций в горных районах. Радиоактивность и высокие температуры предъявляют повышенные требования к качеству горных пород, поэтому строительство подземных атомных станций регламентируется очень жесткими требованиями. Кроме того, выработка электроэнергии на подобных станциях связана с производством высокотоксичных отходов, подлежащих хранению в течение долгого времени в специально пройденных для этих целей камерах, что требует высокого уровня мер безопасности, гарантирующих защиту, вмещающего камеру скального массива, от радиационного загрязнения.

Суммируя всё изложенное выше, можно сказать, что механика скальных грунтов является важнейшей частью общей технической механики и широко используется в практической деятельности. Благодаря достижениям механики скальных грунтов стало возможным строительство большого числа уникальных инженерных сооружений. В то же время в исследованиях скальных массивов остаётся ещё много нерешённых проблем. К ним, в частности, относятся вопросы, связанные с определением строения и структурных особенностей скального массива, с исследованиями его деформационных и прочностных свойств и влиянием на них масштабного фактора. Особое внимание следует уделять построению геомеханических моделей и назначению правильных граничных условий, без чего невозможен выбор адекватной расчетной модели и соответствующего метода расчёта.

Указанные проблемы, а также исследование механизмов деформирования и разрушения скальных грунтов и массивов, оставаясь предметом изучения механики скальных пород, определяют её развитие как науки на ближайшее будущее.