Механика скальных грунтов и скальных массивов
..pdfМ.Г. Зерцалов
Механика скальных грунтов
и скальных массивов
УЧЕБНИК
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ
по образованию в области строительства, в качестве учебника для студентов, обучающихся по направлению 653500 «Строительство»
МОСКВА Юриспруденция
2003
УДК 624.15 ББК 38.58 3-57
Автор учебника:
ЗЕРЦАЛОВ Михаил Григорьевич,
доктор технических наук, профессор
Зерцалов М.Г.
3-57 Механика скальных грунтов и скальных масивов: Учеб ник.- М.: ИД «Юриспруденция», 2003. - 184 с.
ISBN 5-9516-0051-0
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 характе ристики. Подробно исследованы механические свойства скального мас сива, его природное напряженное состояние и проблема фильтрации.
Для широкого круга специалистов строительного профиля, а так же научных работников и аспирантов, занимающихся проблемами ме ханики скальных грунтов.
УДК 624.15 ББК 38.58
ISBN 5-95160051-0
9 78595 600516 >
|
© М.Г. Зерцалов, 2003 |
ISBN 5-9516-0051-0 |
© ИД «Юриспруденция» (оформление, |
оригинал-макет), 2003 |
Предисловие
Предлагаемая вниманию читателей книга проф. М.Г. Зерцалова является первым отечественным учебником по механике скальных грун тов и скальных массивов, подготовленным специалистом, работающим в области строительства. До сих пор авторами подобных, весьма немно гочисленных, 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 направ ления в горном деле было положено фундаментальными трудами М.М. Протодьяконова (1907 г.) и П.М. Леонтовича (1913 г.), посвящен ными определению давления горных пород на рудничную крепь, об рушению 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 та ким 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 осуще ствлялся с помощью специальных эмпирических коэффициентов, учи тывающих строение массивов.
В 1925 г. К. Терцаги публикует фундаментальную работу «Строи тельная механика грунтов», в 1926-1933 гг. Н.М. Герсеванов издает классический труд «Основы динамики грунтовой массы», в 1934 г. вы ходит первый в мире курс «Основы механики грунтов» Н.А. Цытовича, в 1934-1936 гг. - серия основополагающих работ Н.Н. Маслова по во просам геотехнических исследований и В.А. Флорина - о фильтраци онной консолидации грунтов. Эти работы знаменовали возникновение новой области науки - механики грунтов, ставшей базой расчетно теоретического обоснования подготовки оснований, устройства фунда ментов зданий и сооружений, возведения земляных насыпей, дамб и плотин.
Предметом механики грунтов явилось изучение физико-механи ческих свойств, закономерностей деформирования и процессов, про-
з
исходящих в дисперсных («рыхлых») горных породах - грунтах при строительстве зданий и сооружений. Вопросы, относящиеся к скаль ным массивам, рассматривались в работах по механике грунтов ско рее как исключение, нежели правило.
Существенное влияние на дальнейшее развитие этих дисциплин оказало начавшееся в середине XX в. широкомасштабное строительст во крупных гидротехнических сооружений в предгорных и горных рай онах. Исследователи понимали, что имеющихся знаний о массивах скальных пород не достаточно для строительства сооружений повы шенной ответственности.
В 1961 г. Л. Мюллер, один из крупнейших мировых специалистов, пишет: «Геомеханики (специалисты по механике скальных пород) от стали 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 настоя щего предисловия - под тем же названием (1975 г.), И.А. Турчанино ва, М.А. Иофиса и М.А. Каспарьяна «Основы механики горных по род» (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 гор ных пород и инженерные сооружения» (1975 г.) и пр.
Однако все упомянутые и другие, более поздние работы представ ляют 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 студен там 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
Посвящаетя моим родителям
От автора
Дисциплина «Механика скальных грунтов» является разделом на уки «Механика грунтов», изучающей поведение породного массива при воздействии на него различных факторов (статической и динами ческой нагрузок, температуры, внешней среды и др.). Этот раздел име ет 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 райо нах, механика скальных грунтов стала необходимой и для инженеровстроителей.
Возведение высоконапорных плотин, а также разработка подзем ных выработок больших пролетов для машинных залов ГЭС и АЭС приводят к появлению в породном массиве очень высоких напряже ний, что требует развития новых методов расчета его взаимодействия с указанными сооружениями.
Строительство железных дорог, автострад, мостов и напорных водо водов в горных условиях связано с проектированием и возведением отко сов, 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 инжене- ров-строителей имеет свою специфику. Подземные и наземные инже нерные сооружения вовлекают в работу очень большие объемы пород ного массива. В связи с этим при определении его деформационных и прочностных характеристик необходимо учитывать действие мас штабного фактора, что связано с большими трудностями. По той же причине значительные проблемы возникают с выбором геомеханической модели, установлением прочностных и деформационных характе ристик ее составных элементов, а также с выбором граничных условий.
Изложенное выше свидетельствует о чрезвычайной актуальности издания литературы по данной тематике. Актуальность подтвержда-
ется также тем фактом, что последняя книга по механике горных по род вышла в нашей стране 13 лет назад (Виттке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. - М.: Недра, 1990). Аналогичное отечественное изда ние (Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в пород ных массивах. - М.: Недра, 1986) предназначено для специалистов гор ного 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 плоти ны, различного назначения туннели, подземные машзалы ГЭС, храни лища и т.п., практически отсутствуют.
Все это и побудило автора к написанию данного учебника, который основан на материале лекций, прочитанных в Московском государст венном строительном университете студентам факультета гидротех нического и специального строительства.
Введение
Исследования физических и механических свойств горных пород начались во второй половине XIX в., но механика скальных пород раз вилась в самостоятельную науку недавно. Годом рождения механики скальных грунтов как самостоятельного раздела инженерной науки можно считать 1964 г., когда в Австрии проф. Л. Мюллером было со здано Международное общество по механике скальных пород. На кон грессе было принято следующее определение этой науки: «Механика скальных пород является теоретической и прикладной наукой о меха ническом поведении скальной породы, являясь разделом механики, рассматривающим реакцию скальной породы на силовые воздейст вия окружающей ее физической среды». Механика скальных пород, наряду с механикой грунтов, является важнейшей инженерной дис циплиной, в ней используются многие положения механики грунтов, например закон Кулона, связывающий прочность грунта на сдвиг с нормальными и касательными напряжениями. В то же время поведе ние скальных пород значительно сложнее, чем грунтов, особенно если в работу вовлекаются большие объемы скальных массивов, что харак терно для высоконапорных гидросооружений и подземных выработок большого пролета. Это объясняется прежде всего тем, что свойства по родного скального массива определяются главным образом дефекта ми в его структуре, такими как разломы, поверхности напластования, системы трещин различной ориентации и т.д., и в меньшей степени - дефектами структуры пород, слагающих массив.
Учитывая это, в механике скальных грунтов необходимо разли чать два понятия: ненарушенные скальные грунты - кристалличес кий материал, прочностные и деформационные характеристики кото рого определяются как свойствами составляющих его минералов и жестких связей между ними, так и дефектами его структуры (пусто ты, трещины, дислокации, и т.д.); скальный массив - сложнейшее ге ологическое образование, представляющее собой совокупность бло ков одной или нескольких горных пород, выделяемых в массиве трещинами разных порядков, причем блоки в свою очередь могут раз деляться нарушениями сплошности на более мелкие отдельности, об разуя иерархическую систему. Инженерные свойства подобной сис темы определяются, как правило, наличием в ней структурных
дефектов и их размерами. Это, в свою очередь, обусловливает особен ность скального массива: интегральные физико-механические харак теристики выделяемых в нем областей разных размеров будут суще
ственно различаться.
Очень важным фактором при изучении скального массива яв ляется также его природное состояние, которое в значительной ме ре зависит от структурных особенностей массива и может сущест венно повлиять на его взаимодействие с сооружением.
Возникает вопрос: почему только в середине 60-х годов X X в. ме ханика скальных грунтов оформилась в отдельную науку? Это можно объяснить тем, что именно тогда в горных районах начали возводить большие плотины и крупные подземные выработки. Кро ме того, появились численные методы расчета и методы моделиро вания, позволившие исследовать эти сооружения в сложных инже нерно-геологических условиях с воспроизведением многообразных граничных условий. Дополнительными толчками, ускорившими развитие механики скальных грунтов, явились авария на плотине Мальпассе во Франции (1959 г.), при которой погибло 450 чел., и еще большая катастрофа на плотине Вайонт в Италии (1963 г.).
Механика скальных грунтов, наряду с изучением поведения по родного массива, рассматривает и специальные методы проектиро вания и строительства взаимодействующих с ним инженерных со оружений. Это объясняется тем, что скальные породы, как и грунты, существенно отличаются от других строительных матери алов и требуют особого подхода при проектировании. Так, имея де ло с бетонными и железобетонными конструкциями, инженер в первую очередь собирает действующие на сооружение внешние нагрузки, а затем определяет форму и размеры сооружения и под бирает соответствующие по прочности строительные материалы. В скальных же грунтах действующая на них нагрузка во многих случаях имеет гораздо меньшее значение, чем силы, возникающие при перераспределении в процессе строительства естественных напряжений, существующих в породном массиве.
При строительстве инженерных сооружений в горных районах знание механики скальных грунтов необходимо для решения очень широкого круга проблем: для оценки сложности геологического стро ения массива скальных пород и степени их разрабатываемое™ и буримости, для выбора типа и расположения сооружения, для расчета деформации и устойчивости скальных массивов, для проектирова ния мероприятий по укреплению скальных откосов и т.д. К числу со оружений, к которым предъявляются наиболее высокие требования с точки зрения механики скальных грунтов, следует отнести высоко-
напорные плотины, нагрузки от которых совместно с давлением воды приводят к развитию в основании высоких напряжений.
Помимо оценки местной прочности скального массива в основа нии сооружения необходимо изучать возможность возникновения оползней в бортах водохранилища. Так, громадный оползень на ги дроузле Вайонт привел к переливу воды через гребень арочной плотины и вызвал гибель более чем 2 тыс. чел., проживавших в ниж нем бьефе. Знание механики скальных массивов может оказаться полезным также при выборе материалов каменной наброски, для защиты откосов плотины от размыва, при использовании в качест ве заполнителя для бетона, для устройства различных фильтров и т.п. При проектировании высоконапорных плотин расчеты напря женно-деформированного состояния и устойчивости скальных ос нований являются обязательными. На основании этих расчетов оп ределяются коэффициенты устойчивости системы сооружение - основание, разрабатываются конструктивные мероприятия.
При возведении подземных сооружений механика скальных грунтов играет не менее важную роль. Любое подземное сооружение независимо от его назначения должно отвечать требованиям безопас ности, которые во многом определяются напряженным состоянием, структурой и нарушениями сплошности породного массива. Опыт ос воения 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, возвести гигантские подзем ные хранилища. То же можно сказать и о подземных гидростанциях, которые, имея в горных районах несомненные преимущества, требу ют размещения в подземном пространстве обширных машинных за лов и других вспомогательных помещений.
В самых разных направлениях используется механика скаль ных грунтов и при проходке подземных выработок. Например, на вопрос, поддерживать ли выработку в процессе добычи полезных ископаемых полностью в устойчивом состоянии или давать породе деформироваться, может быть получен ответ только с учетом осо бенностей строения и напряженного состояния породного массива. Необходима механика скальных грунтов и при проектировании проходческих машин, которое ведется с учетом реальных механи ческих свойств скального массива.
Строительство автострад, железных дорог, каналов, трубрпроводов и напорных водоводов в горных районах связано с проекти рованием откосов. Задача об их устойчивости и о необходимости крепления решается на основе методик, разработанных в специ-
альном разделе механики скальных грунтов. Эта наука тесно свя зана и с проблемой трассировки указанных выше сооружений. Правильно выбранная трасса позволяет сэкономить средства. Ре шение об ее изменении или о переносе части сооружений под зем лю в значительной мере зависит от состояния массива горных по род. Расположение напорных водоводов, например, под землей может дать существенную экономию средств, так как часть напря жений, возникающих в металлической облицовке, можно передать на окружающую породу, однако обоснование такого решения так же требует знания механики скальных грунтов.
Особую роль играет механика скальных грунтов при строительст ве подземных атомных станций в горных районах. Радиоактивность и высокие температуры обусловливают повышенные требования к ка честву горных пород, поэтому строительство подземных атомных станций регламентируется очень жесткими требованиями. Кроме то го, выработка электроэнергии на подобных станциях связана с обра зованием высокотоксичных отходов, подлежащих хранению в тече ние долгого времени в специально пройденных для этих целей камерах, а это требует высокого уровня мер безопасности, гаранти рующих защиту окружающей среды от радиационного заражения.
Суммируя все изложенное выше, можно сказать, что механика скальных грунтов является важнейшей частью общей технической механики и широко используется в практической деятельности. Бла годаря достижениям механики скальных грунтов стало возможным строительство большого числа уникальных инженерных сооруже ний. В то же время в исследованиях скальных массивов остается еще много нерешенных проблем. К ним, в частности, относятся проблемы, связанные с определением строения и структурных особенностей скального массива, с исследованиями его деформационных и прочно стных свойств и влиянием на них масштабного фактора, с построени ем оптимальной геомеханической и, на ее основе, адекватной расчет ной моделей, с выбором наиболее эффективного метода расчета и связанное с этим назначение правильных граничных условий и т.д. Изучение и решение указанных проблем и определяет развитие ме ханики скальных пород как науки на ближайшее будущее.
ВОПРОСЫ К ВВЕДЕНИЮ
1.В каком году механика скальных грунтов выделилась в самостоятельный раздел инженерной науки?
2.Какие причины обусловили появление этой дисциплины?
3.Дайте определение понятиям «ненарушенные скальные грунты» и «скальный массив».