Для иллюстрации этих задач можно использовать модули упругости (elasticity coefficients) песчаников и аргиллитов из всех областей Японии (рис. 7.2). Механические свойства этих пород изучались с помощью лабораторных испытаний на образцах, полученных из керна скважин или из подземных выработок. Изучение свойств самих скальных оснований проводилось в натуре, например, с помощью прессиометра или других испытаний в скважинах. Чем тверже изучаемые породы, тем больше сказывается влияние трещин, поэтому очевидно, что возникнут существенные различия между значениями, полученными для маленьких образцов пород и для скального основания в целом. Даже сделав поправку на различия за счет методов испытаний, в предельных случаях можно обнаружить десятикратную разницу модулей упругости. Такие же отклонения присущи и сопротивлению сдвигу. Чем больше отклонение прочности самой породы от прочности плоскости трещины, тем больше будет разница между результатами лабораторных испытаний керна скважин и натурных испытаний. В любом случае эта тенденция выражается сильнее в относительно твердых породах.
Однако, эту взаимосвязь необходимо изучить для каждой отдельной дискретной поверхности, потому что общая картина складывается не единственно вышеприведенными результатами. Если произвести испытание, когда сила приложена перпендикулярно к плоскости раздела, так что порода по обе стороны от нее будет вынуждена двигаться в противоположных направлениях, степень смещения и напряжение сдвига покажут зависимость, особую для каждой трещины. Если трещина заполнена глиной и др., два смещающихся тела горных пород дадут пологую кривую зависимости смещения от напряжения с относительно небольшим сдвиговым напряжением (рис. 7.3). Однако, для так называемых неровных поверхностей трещин, без глинистого заполнителя сдвиговое напряжение возрастает по мере того, как смещение развивается до максимума. Пройдя через это значение, т. е. пиковое сопротивление сдвигу, сдвиговое напряжение внезапно падает, и впоследствии остается почти постоянным, даже если смещение продолжается. Такое состояние сдвигового напряжения называется остаточным сопротивлением сдвигу (residual shear strength).
Величина сопротивления сдвигу также контролируется величиной нормального напряжения, приложенного перпендикулярно к плоскости нарушения. Эта зависимость показана на рис. 7.4. Другими словами, результаты испытаний на сдвиг показывают на диаграмме сдвиговое напряжение — нормальное напряжение, что между сопротивлением сдвигу самой породы, которая не имеет трещин, и пиковым сопротивлением сдвигу «неровных» поверхностей с остаточным сопротивлением сдвигу, существует значительная разница. В то же время мы можем прийти к выводу, что чем больше нормальное напряжение, тем меньше влияние трещин, и, если его величина соответствует сопротивлению одноосному сжатию самой породы, влияние тре-щин фактически будет исключено. Однако, по трещине, испытавшей действие напряжения, равное пиковому сопротивлению сдвигу, в дальнейшем будет продолжаться смещение под действием сдвиговых напряжений, эквивалентных остаточному сопротивлению сдвигу. Таким образом, прочность породы с реальной плоскостью трещины будет намного меньше, чем прочность самой породы в целом. Вряд ли необходимо упоминать, что там, где есть заполнение трещины глинистым веществом и др., прочность уменьшается еще более. Степень этого уменьшения прочности будет зависеть от содержания глины в материале, заполняющем трещину, и от разновидностей присутствующих в заполнении глинистых минералов.
Например, изменяя нормальное напряжение и получая угол внутреннего трения (angle of internal friction) φ относительно остаточного сопротивления на рис. 7.4, мы можем продемонстрировать на рис. 7.5 пример зависимости tg φ от содержаний различных типов глинистых минералов. Чем выше содержание глины, тем меньше tg φ, и мы можем видеть, что степень уменьшения значительно изменяется в зависимости от разновидности глинистого минерала. Если трещины, разломы или плоскости сланцеватости ориентированы в одном преобладающем направлении, поведение горной породы, в которой они развиты, вероятно будет значительно изменяться в зависимости от направления приложенной внешней силы. Пример эксперимента, проведенного для определения влияния такой ориентации плоскости нарушения, показан на рис. 7.6. Сначала были изготовлены образцы из затвердевшей смеси диатомита и алебастра. В них были искусственно сделаны трещины и выполнены простые испытания на сдвиг (рис. 7.6, а). Были сделаны десять трещин в направлении, составляющем угол θ со сдвиговой силой, и выполнены опыты с изменением этого угла и вертикальной нагрузки. Результаты выражаются в полярных координатах (рис. 7.6, б). Сопротивление сдвигу в образцах породы без трещин составляло почти 2 490 кг при вертикальной нагрузке в 452 кг и на диаграмме выражено полукругом. Вместе с тем, сопротивление сдвигу уменьшалось в образцах с трещинами, и анизотропия прочности, связанная с их направлением, также была значительной. Подобная механическая анизотропия, обусловленная тем, что скальное основание имело дискретные поверхности, ориентированные в разных направлениях, часто наблюдалась при натурных испытаниях [27 и др.].
Насколько механически неупорядоченным будет скальное основание из-за различий в прочности и модулях упругости, обусловленных дискретными поверхностями, или из-за механической анизотропии, вызываемой ориентацией этих поверхностей? Рассмотрим пример, приняв модуль упругости за параметр, выражающий физические свойства скального основания. Как показано на рис. 7.7, на практике модули упругости могут разниться в 1000 раз, даже в гранитах, которые, как полагают, из всех горных пород земной коры относительно однородны, или в массивах горных пород, обнаруженных на небольших территориях, где выполняются инженерные работы. В соответствии с прочностью, определенной на образцах керна, отобранных в натуре, скальное основание подразделяется на зоны А—F. (Мы дадим более детальное описание выделения зон, расположенных по абсциссе на рис. 7.7 в разделе 7.4.) Даже если на первый взгляд кажется, что трещины распространяются на одно и го же расстояние, практически модули упругости могут по-прежнему изменяться в десять раз, что можно видеть по разбросу значений для каждой зоны скального основания.
Следует помнить, что степень «однородности» всегда будет содержать, но крайней мере, эту величину разброса. Порядок дискретных поверхностей, наблюдаемых в скальных основаниях, изменяется о| локализованных или даже скрытых структур до зон разломов Результаты, полученные по измерениям при крупномасштабных изысканиях, можно рассматривать как свойства скального основания в целом, в котором развиты дискретные поверхности разных порядков. Как мы отметили ранее, они не будут совпадать с результатами, полученными при лабораторных испытаниях образцов. Такие различия свойств горных пород в маленьких образцах и в крупномасштабных скальных основаниях были названы «масштабным эффектом» (size effect). Это подтверждается тем, что чем крупнее изучаемая масса, тем более Vi ногочисленные и разнообразные дискретные поверхности разницы в ней и тем больше понижаются ее прочность и модуль упругости. Напротив, можно представить себе, что неоднородность, обусловленная мелкими плоскостями нарушений, усредняется по всему массиву; основание в целом, по-видимому, явно более однородно, и разброс измеренных значений, уменьшается. По масштабным эффектам существует очень мало данных, и многие вопросы остаются неясными. Например, на рис. 7.8, который иллюстрирует влияние размера изучаемого объекта на прочность, мы обнаруживаем, что в пределах от образца керна до области натурных испытаний для каждого типа горных пород чем больше размеры объекта, тем меньше его прочность.
Теперь рассмотрим деформацию скального основания на несколько более широком конкретном примере. На рис. 7.9 представлен пример испытания и наблюденных результатов на участке расположения плотины. На рисунке показана регистрация данных, полученных методом обратного отвеса1, выполненная, чтобы установить характер деформационного поведения тела плотины и окружающего скального основания в целях безопасного управления после его возведения. Можно использовать эти данные для определения возникающего вида деформации в скальном основании в радиусе около 100 м от плотины в результате увеличения нагрузки, вызванного подъемом воды. В этом случае модуль упругости скального основания был получен при натурном испытании целика диаметром 1 м в процессе изысканий на стадии проектирования плотины. Модуль упругости, полученный по смещению линии отвеса, хорошо соответствует полученному при испытании скального основания, когда к нему многократно прикладывалась нагрузка, очень сходная с увеличивающейся нагрузкой от сооружения плотины, т. е. с нагрузками, обусловленными подъемом и падением уровня воды (Е2 на рис. 7.9). В рамках этого примера наблюдалось, что разница, обусловленная размерами двух объектов испытания, довольно незначительна.
Связность скального основания также не следует игнорировать при изучении механических свойств приповерхностных формаций горных пород. Например, отсутствие связности представляет собой одну из наиболее важных проблем, особенно при изучении устойчивости склонов или проектировании проходки туннелей. Для определения этого свойства применяют различные методы изысканий. Поскольку необходимо исследовать свойство сцепления скального основания при натурных испытаниях, то в процессе такого испытания полностью удаляют все свободные частицы и образец уплотняется многократным нагружением. Степени связности бесконечно изменчивы, поэтому, в общем, нельзя говорить о том, насколько она сильна или о ее распространении. Рассмотрим интерпретацию результатов испытаний, приведенных на рис. 7.10.
На этой диаграмме сравниваются реальные и теоретические значения, полученные при допущении, что скальное основание является упругим телом. Деформация скального основания, сложенного диоритом, измерялась непосредственно под центральной линией диафрагмы прессиометра. Испытания проводились в разведочной шахте вблизи поверхности. Сравнивая увеличение деформации под действием троекратного и многократного нагружения, было установлено, что при увеличении нагрузки на глубине менее 40—50 см от поверхности рост деформации замедлялся. Если бы горная порода была упругим телом, то увеличение деформации должно было бы быть равномерным, т. е. так как это тело у поверхности несвязно, его поведение отличается от поведения упругого тела. Однако, когда прилагались многократные нагрузки, расстояния между трещинами сокращались, происходило уплотнение, и порода в целом становилась более похожей на упругое тело. Вместе с тем, если скальное основание хорошего качества, с относительно незначительным развитием трещин, то на больших глубинах оно ведет себя как упругое тело; в этом случае наблюдаемые увеличения деформации соответствуют тем значениям, которые получены по модулям упругости, измеренным на образцах керна с этой глубины. Свойства горных пород, в которых развиты такие трещины, чрезвычайно сложны и изменчивы в зависимости от действующих напряжений и давлений, обусловленных нагружением; следует также учитывать степень несвязности. В общем, если есть трещины, то свойства данного скального основания как упругого тела ослаблены. По мере увеличения нагрузки порода уплотняется, несвязность уменьшается и все больше будут проявляться свойства упругого тела. Следовательно, как и в приведенном примере, свойства связного скального основания все более будут напоминать свойства образцов керна.
Примечания
1. В скальном основании бурится скважина и в нее опускается груз, прикрепленный к стальной проволоке. Относительное смещение в основании на заданной площади измеряется по его движению.