В книге представлен аналитический аппарат, описывающий процессы деформирования и разрушения скальных пород — оснований гидротехнических сооружений, приводятся методики опытного определения характеристик механических свойств трещиноватых скальных пород в натурных условиях. Определяется необходимый комплекс инженерно-геологических, геофизических и геомеханических методов исследований для расчетов взаимодействия Сооружений и оснований, а также сообщаются основные положения таких расчетов методом конечных элементов. Рекомендуются способы оценки влияния инженерных мероприятий на изменение механических свойств скальных пород. Книга рассчитана на научных работников и инженеров, занимающихся изысканиями, исследованиями и проектированием гидротехнических сооружений на скальных основаниях.

Введение

Глава первая. Массив скальных пород как механическая среда
1-1. Инженерно-геологические особенности массивов скальных пород
1-2. Представления о массиве скальных пород с позиций механики деформируемого тела
1-3. Квазисплошность и квазиоднородность трещиноватых скальных пород
1-4. Масштабный эффект в трещиноватых скальных породах
1-5. Принципы определения показателей механических свойств массивов скальных пород и построения геомеханических моделей оснований

Глава вторая. Напряженно-деформированное состояние, прочность и устойчивость скальных оснований
2-1. Основные положения расчета методом конечных элементов
2-2. Расчет неоднородных изотропных сред
2-3. Расчет неоднородных, трансверсально-изотропных сред
2-4. Расчет сред, рассеченных трещинами
2-5. Практические рекомендации и некоторые приемы расчетов

Глава третья. Деформационные свойства скальных оснований
3-1. Задачи и методы исследований
3-2. Особенности деформирования трещиноватых скальных пород при нагружении жестким штампом
3-3. Аналитическое описание процесса деформирования
3-4. Сейсмоакустические исследования деформационных свойств скальных пород
3-5. Определение деформационных показателей участков геомеханических моделей

Глава четвертая. Прочностные свойства скальных оснований
4-1. Задачи и методы исследований
4-2. Критерии прочности трещиноватых скальных пород по результатам штамповых опытов
4-3. Анализ результатов экспериментальных исследований
4-4. Определение расчетных показателей прочностных свойств скальных пород и анализ прочности оснований

Глава пятая. Примеры исследований скальных оснований
5-1. Определение зоны нарушения пород при разработке их взрывами
5-2. Оценка влияния укрепительной цементации на механические свойства скальных пород
5-3. Оценка несущей способности анкеров в скальных породах
5-4. Исследование взаимодействия бетонной плотины со скальным основанием
5-5. Исследование напряженного состояния и устойчивости склона сложного геологического строения

Список литературы

Введение

Для современной гидротехники характерно строительство гидроузлов с высокими бетонными плотинами облегченных конструкций на скальных основаниях, крупногабаритными подземными выработками, высоко-напорными туннелями. Давления, передаваемые плотинами на скальные основания, на площадях, измеряемых многими тысячами квадратных метров, достигают 60—90 кгс/см², пролеты выработок — ста метров и более, напоры в туннелях — десятков килограммов на квадратный сантиметр. Это выдвигает жесткие требования к обеспечению надлежащей прочности и устойчивости оснований, малой и по возможности равномерной их деформируемости, высокой степени надежности системы «сооружение — основание» и вместе с этим экономичности решения инженерных задач.

В комплексе работ по созданию гидроузла инженерные исследования и расчеты скальных оснований занимают одно из важнейших мест. Современная тенденция проектирования, рассматривающая сооружение и основание как единое целое, где составные части взаимно влияют друг на друга, требует значительного повышения уровня информации о строении, состоянии и свойствах основания, совершенствования методов анализа системы «сооружение — основание».

Массив скальных пород представляет собой сложнейший объект природного образования, подвергающийся видоизменению как в течение всей истории существования, так и в результате строительства гидроузла и заполнения водохранилища. При решении инженерных задач неизбежно приходится упрощать и схематизировать строение скальных оснований, выделяя те признаки, которые окажутся Существенными для поставленной задачи. Это возможно лишь на базе детальных инженерно-геологических исследований, включающих изучение геоструктурных, геоморфологических, гидрогеологических условий, современных геологических процессов, изменений в результате строительства и эксплуатации сооружений.

По сравнению с основаниями из рыхлых горных пород (грунтов), для которых геологией и механикой грунтов достаточно хорошо изучена взаимосвязь между составом, строением, состоянием и механическими свойствами, массивы скальных пород являются качественно иными телами. Прочные и весьма монолитные в образце, скальные породы в массиве рассечены трещинами, формирующими более или менее связанные между собой блоки, содержат различные по размерам зоны дробления, включения материалов, отличающихся своими свойствами и т. п. Не столько литолого-структурные особенности, сколько именно расчлененность скального массива вызывает неоднородность его свойств. Природные напряжения в таких средах формируются в течение длительных периодов времени и являются реакцией массива скальных пород на сложнейшую историю его происхождения и существования.

Проблема инженерных исследований столь сложного объекта должна решаться в соответствии со средствами ее реализации, т. е. принципиально важной является оценка возможностей инженера по учету тех или иных особенностей строения, состояния и свойств массива скальных пород в рамках решения конкретных задач.

В конечном счете инженер стремится использовать количественные методы исследования: опыты на моделях, аналитические расчеты, натурные эксперименты. Для этого он должен базироваться на соответствующих теоретических положениях механики деформируемого тела и принимать во внимание ограничения, налагаемые этой отраслью знания. В отличие от геолога объектом исследования инженера является уже не реальный массив скальных пород, а некоторая его модель, расчетная схема, более или менее адекватная действительности. При разработке такой модели приходится сталкиваться с двумя весьма противоречивыми условиями: во-первых — стремлением отразить все существенные особенности реального массива, что ведет к усложнению модели, во-вторых — необходимостью создания достаточно простой схемы, позволяющей применять для ее анализа экспериментальные или расчетные методы механики деформируемого тела. От того, насколько успешно удается сочетать противоречия, определяемые этими условиями, во многом зависит качество решения задачи и соответствие полученных результатов действительности.

В последние годы понятие моделей широко используется при изучении физико-механических свойств грунтов, процессов и явлений, происходящих в грунтовых и скальных основаниях. По М.Н. Гольдштейну «моделью обычно называют систему, которая обладает свойствами, подобными свойствам моделируемого объекта (оригинала или прообраза). Модель предназначена для изучения поведения оригинала в тех или иных условиях, в которых проявляются указанные свойства». Л.Б. Розовский следующим образом определяет требования к моделям инженерно-геологических объектов:

а) модель должна быть достаточно простой и удобной для использования;
б) модель должна отражать все существенные черты строения и свойств массива пород;
в) модель должна быть пригодна для инженерных расчетов методами механики деформируемого тела и гидромеханики;
г) входящие в модель параметры должны определяться применяемыми в практике методами инженерно-геологических изысканий.

Различают следующие типы моделей:

• «понятийные» — схематически выражающие основные качества объекта, например модель грунтовой массы Терцаги — Герсеванова, реологические модели в виде наборов пружин, поршней и т. п.;
• физические — представляющие некоторую реальную среду, моделирующую изучаемые явления на основе общности физических процессов (электрогидродинамические и тепловые аналогии, модели из оптически активных, эквивалентных и других материалов и т. п.);
• математические — изображающие поведение оригинала в терминах математических символов и операций. В них объекты, силы, события и т. п. заменяются математическими переменными, параметрами, константами. Формулировка математической модели в виде системы уравнений открывает возможность количественного анализа моделируемого объекта или явления.

«Понятийные» модели являются качественными и служат для более четкого выделения основных признаков объекта. В большинстве случаев они используются для последующего построения математических моделей. Физические и математические модели являются основными для решения инженерных задач. Их разработка для реального объекта, например массива скальных пород, сопряжена со значительными трудностями и требует схематизации его строения и состояния и идеализации свойств, т. е. замены реального объекта некоторыми идеализированными представлениями о нем. Как отмечает М.Н. Гольдштейн, идеализация допустима лишь до тех пор, пока результаты исследований, основанных на принятых допущениях, оправдываются опытом и имеют практически приемлемую точность. Однако в процессе разработки моделей обычно не удается воспользоваться количественными критериями для проверки справедливости элементов схематизации и идеализации, вводимых на различных этапах. Поэтому приходится основывать анализ допущений на их непротиворечивости физическим представлениям о работе материалов и подмеченным в процессе исследования закономерностям.

Одновременно со схематизацией строения и идеализацией свойств материала прибегают к упрощениям в самой постановке задачи, т. е. пренебрежению второстепенными для рассматриваемых вопросов свойствами, процессами и явлениями. Это неизбежно связано с ограниченными возможностями аппарата физического и математического методов исследования.

Исходя из сказанного, общую постановку комплекса инженерных исследований скальных оснований гидротехнических сооружений можно разделить на следующие составляющие:

• изучение массивов скальных пород как объектов природного образования, выделение их специфических особенностей, которые могут оказаться существенными для решаемой инженерной задачи, представление реальных массивов в виде схем, отражающих особенности их строения и состояния;
• изучение закономерностей деформируемости и прочности трещиноватых скальных пород, исследование механических свойств реальных массивов и разработка расчетных схем (геомеханических моделей) скальных оснований применительно к решаемой задаче и в соответствии с особенностями их строения и состояния. При этом необходимо принимать во внимание возможности предполагаемых методов анализа;
• решение задачи — т. е. определение напряжений, перемещений, деформаций, оценка прочности и устойчивости массива скальных пород — в рамках принятой расчетной схемы теми или иными методами механики деформируемого тела.

Отметим, что иногда геомеханическими моделями называют физические модели, используемые в экспериментальных исследованиях системы «сооружение — основание». В настоящей работе понятие геомеханической модели массива скальных пород соответствует представлениям, сформулированным Н.А. Цытовичем и автором.

Перечисленные вопросы тесно связаны между собой, пути и методы их решения взаимозависимы и взаимообусловлены. Оптимальное решение может быть достигнуто только при четкой постановке общей задачи, согласовании требований к каждому этапу исследований, взаимодействии в работе инженеров-геологов, специалистов в области механики грунтов и скальных пород (геомехаников) и инженеров-гидротехников. Для этого инженер-геолог должен знать, как и какие исследования будет проводить геомеханик для построения геомеханической модели, какие принципы положены в их основу, отдавать себе отчет в том, как инженер-гидротехник будет реализовывать при расчете и проектировании данные, представленные ему геологом и геомехаником. Геомеханик в свою очередь должен хорошо понимать особенности строения и состояния массива пород, уметь учитывать их при проведении геомеханических исследований и отражать при разработке расчетной схемы, четко представлять себе возможности инженера-гидротехника для решения поставленных задач. Гидротехник также не может ограничиваться лишь реализацией данных, представленных ему геомехаником и геологом. Он должен ясно представлять себе весь путь исследований, предшествующих разработке расчетной схемы, условности, предпосылки и допущения, принятые на разных этапах этого пути, и т. д. Основной фигурой триумвирата «геолог — геомеханик — гидротехник» является именно гидротехник, в частности главный инженер проекта, и от того, насколько он сумеет с помощью остальных специалистов охватить всю картину в целом, зависит общий успех решения проблемы.

В настоящей работе автор предпринял попытку рас смотреть во взаимосвязи составляющие указанного выше комплекса инженерных исследований скальных оснований гидротехнических сооружений. Основное внимание уделяется геомеханическим (деформационным и прочностным) исследованиям оснований. Вопросы фильтрации не рассматриваются. Поскольку требования к геомеханическим исследованиям скальных оснований в значительной степени определяются тем, как результаты этих исследований будут реализованы для оценки взаимодействия сооружения и основания, в работе приводятся основные положения современных расчетов сложных неоднородных систем с использованием электронных вычислительных машин.

Автор стремился обобщить опыт отечественных и зарубежных исследований скальных оснований, опубликованных в монографиях, журнальных статьях, трудах конгрессов и совещаний и осуществленных в проектных разработках. В значительной мере автор основывался на результатах более чем десятилетних исследований руководимой им лаборатории механики скальных пород кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ имени В.В. Куйбышева.

Работа выполнена под общим научным руководством заведующего кафедрой чл.-корр, АН СССР Н.А. Цытовича, которому автор выражает искреннюю благодарность.

Автор считает своим долгом отметить, что в исследованиях отдельных вопросов общей проблемы, рассмотренной в настоящей работе, принимали творческое участие научные сотрудники лаборатории: А.М. Корнилов, В.H. Бурлаков, П.Б. Котов, В.Л. Кубецкий, А.С. Паненков, В.В. Семенов, И.Н. Терновский.

Автор признателен Ю.Б. Мгалобелову и И.В. Дудлеру за полезные советы, сделанные ими в процессе подготовки рукописи к печати.