Можно видеть различия в их направлениях, размерах, плотности распределения. Относительно масштаба тела плотины системой трещин наименьшего порядка можно пренебречь, поскольку влияние таких трещин определяется непосредственно при натурных испытаниях скального основания, когда определяются усредненные свойства скальных оснований в целом, включая эти трещины. Однако, этот вид испытаний нельзя использовать для оценки влияния ослабленных прослоев и разломов большего масштаба, типа b. Было бы слишком сложно изучать их свойства и ориентировку по отдельности. Для изучения систем дискретных поверхностей такого порядка в геологическом теле следует подготовить упрощенные модели и рассмотреть влияние этих систем, используя модельные эксперименты или математический анализ с применением метода конечных элементов, что будет рассмотрено далее. Вместе с тем, мы сможем непосредственно изучить механические свойства приразломных зон дробления и ослабленных зон при натурных испытаниях. Результаты измерения, полученные таким образом, служат основой для оценки скального основания.
Однако, в действительности существуют ограничения, связанные со стоимостью работ и доступностью мест для натурных испытаний, и распределение механических свойств в рассматриваемых горных породах в целом изучить очень трудно. Следовательно, можно лишь описать обнажения и разведочные выработки, изучить образцы керна разведочных скважин, классифицировать качество скального основания и применить методы сравнения результатов с результатами, полученными по немногочисленным натурным испытаниям. Эта форма классификации скальных оснований играет существенную роль при установлении распространения механических свойств на изучаемой территории. На практике физические величины, такие, как скорость распределения упругих волн, обычно измеряемая на первой стадии изысканий, объединяются с результатами оценки скальных оснований, чтобы можно было получить общее описание скального основания.
Классификация горных пород
Классификация горных пород, по существу, основывается на факторах, которые уменьшают прочность или модуль упругости скального основания (факторы ухудшения). Изучив эти факторы в натуре, их сводят воедино и результаты выражают настолько объективно, насколько это возможно, чтобы можно было коррелировать их с физическими свойствами изучаемого скального основания. Однако, упор классификации горных пород изменяется в зависимости от типа рассматриваемого проекта, и методы классификации также различны, особенно в зависимости от того, проектируются ли плотины, туннели или выемки. Пример классификации представлен в табл. 7.2. В этом случае мы находим факторы, вызывающие ухудшение, и классифицируем их на несколько уровней в соответствии с эффективностью. Затем они группируются, и результаты применяются на изучаемой территории, чтобы оценить скальное основание по зонам и в целом. Преобладающий упор делается на такие факторы как твердость образцов, степень выветривания, распространение трещин и их природа. Классификации основываются на типах горных пород или скорости распространения сейсмических волн, часто используются и другие принципы. Объем рассматриваемых категорий и критерии оценки при классификации определяются разными способами, но особенно, характером предполагаемых работ. В современных методах классификации горных пород наблюдается тенденция избегать выделение уровней каждого фактора и попытаться оценить горную породу на основании суммы данных или произведения полученных таким образом множеств. Кроме того, есть несколько примеров, когда особое значение придается свойствам трещин, которые используются в качестве множителей. Например, метод Бартона [6] использует множества для выделения уровня каждого фактора, показанного в табл. 7.3 и рассчитывает оценочное значение Q как
где RQD — показатель качества горной породы (rock quality designation).
В керне скважины длиной 1 м, относительная общая длина столбиков крепкого керна составляет в целом 10 см или более. Если скальное основание твердое, этот показатель характеризует интервал по трещиноватости (см. табл. 7.3), SRF — фактор уменьшения напряжения (stress reduction factor) (см. табл. 7.3).
Бартон предположил, что как критерий оценки горного давления и работы по укреплению туннелей (например, крепей стенок шахт и др.) значение Q лежит в пределах от 0,001 для ослабленного скального основания с выраженной тенденцией к вспучиванию до 1000 для блоков горных пород хорошего качества, без трещин. Первый член в уравнении (7.1) выражает средние размеры блока скального основания, второй характеризует трение между блоками, а третий — действующее напряжение. Чем больше свойств горной породы количественно выражаегся этим методом, или чем большее значение мы придаем природе трещин, тем больше времени потребуется для изучения и описания горных пород. Поэтому многие методы неприменимы на практике из-за ограниченных возможностей изысканий и отведенного для них времени. Однако, практически широко используются упрощенные методы, подобные предложенному Танака (1974), когда геологические факторы разных уровней, например, степень выветривания и твердость сведены вместе.
На рис. 7.12 показано соотношение значений модуля упругости скального основания, сложенного песчаником и аргиллитом, полученных по корреляции между зонами, выделенными на основании классификации пород по образцам керна с помощью метода оценки множеств и реально измеренных при деформационных испытаниях в шахте в том месте, где были отобраны образцы керна. Расчленение скального массива на зоны проведено по порядковой шкале, начинающейся с группы А, в которую входят самые сохранные и наименее трещиноватые породы, и ступенчато продолжающейся по мере качественного «ухудшения». Однако, рассматривая эту правильно разделенную систему с равными интервалами между зонами, можно видеть, что она сохраняет почти линейное соотношение с логарифмом модуля упругости. Аналогичное соотношение можно выявить по результатам испытания на сдвиг блоков, проведенного в разведочных выработках в скальном основании (рис. 7.13). Рассматривая значения, полученные при испытаниях для пород каждой отдельной категории, мы получаем прямую линию, выражаемую τ = C + σ tg φ, т. е. взаимосвязью сдвигового напряжения τ и нормального напряжения а как и на рис. 7.13. Следовательно, между классификацией пород и их физическими свойствами, несмотря на определенный разброс значений, существует тесная связь. Если, кроме того, представить себе, что даже при «числовых оценках» скального основания по результатам действительных испытаний в разведочной шахте также будет наблюдаться довольно значительный разброс, то можно считать, что оценка физических значений на основании классификации пород является приемлемой для практической работы.
Распределение механических свойств трещиноватых горных пород можно установить по довольно ограниченному числу значений, полученных при испытаниях скального основания с помощью системы выделения зон в тех местах, где его можно не-посредственно наблюдать в разведочных выработках, на буровых скважинах или в поверхностных обнажениях. Кроме того, эти результаты можно использовать в качестве опорных данных при оценке областей, недоступных для непосредственного-наблюдения, с использованием результатов сейсмических исследований. Все эти данные можно затем нанести на чертеж. На рис. 7.14 показан пример инженерно-геологического разреза участка русла реки в месте проектируемой плотины (сложенного, в основном, зелеными туфами), построенного описанным способом. В табл. 7.4 приведены значения каждого свойства, соответствующего выделенным зонам.
Модели скального основания
На рис. 7.15, а показан профиль рисунка 7.14 с распределением горных пород по зонам и предпринята попытка разработать его модель, с тем, чтобы можно было применить математический анализ с использованием метода конечных элементов. Существование дискретных поверхностей в скальном основании, размером в несколько метров, таких как трещины отдельности, •было предварительно учтено при выделении зон горных пород, и в целом оно рассматривалось как непрерывное тело. Следовательно, практические задачи с плоскостями нарушений относились к более крупным разломам. Так как при разработке модели для применения метода конечных элементов существуют пределы числа элементов, геологические структуры должны быть упрощены или представлены в сильно увеличенном масштабе. Кроме того, существует значительный ряд свойств, которые соответствуют любому частному расположению по зонам. Следовательно, бессмысленно предпринимать рассмотрение слишком детальных структур.
Например, на рис. 7.15 ширина разломов F — 3 и F — 5 рис. 7.14 сильно преувеличена. В то же время разломы Fd, Fe м Ff настолько мелкомасштабны, что они, как было решено, едва ли будут оказывать большое влияние на безопасность плотины, поэтому на рис. 7.15 они отсутствуют. На модели разлом F — 5 выражается зоной дробления шириной 10 м, включающей в себя разломы F — 6 и Fc, которая обрабатывается подразделением на группы элементов с низкими модулями упругости. Если бы разлом F — 3 с присущей ему зоной дробления шириной в 1 м обрабатывать тем же способом, то число элементов стало бы избыточным, поэтому его ширина была увеличена в 3 раза. Для компенсации этого были приняты меры, обеспечивающие увеличение модуля упругости зоны дробления в 2,5 раза с тем, чтобы общая деформация зоны разлома в целом осталась прежней. При реальном сооружении плотины зона CL на поверхности (см. рис. 7.14) лежит выше выемки и будет удалена. В конечном счете, рассматриваемое скальное основание опустится до зоны Cm слева от разлома F — 3 и до зоны Cl — Cm справа от него.
Механические свойства, необходимые для анализа каждой зоны, были в основном получены при испытаниях горных пород и приведены в табл. 7.4. При анализе этой модели получены смещения каждого элемента, распределение главных напряжений и уровень безопасности для каждого элемента относительно образования сдвиговых трещин. Пример расчетов, выполненных на ранней стадии проектирования, показан на рис. 7.15, б. Стрелки показывают направления скольжения, а цифры — уровень безопасности в отношении трещин скольжения (однако, они отличаются от среднего коэффициента безопасности, приведенного в разделе 7.1).
Устойчивость склонов
При выемке скального основания и образовании огромного откоса задачи о его устойчивости и возможности укрепления часто возникают в процессе проектирования. Если в скальном основании есть трещины, для анализов устойчивости по отдельным доминирующим группам трещин иногда используется один из типов векторного исчисления. На рис. 7.16 продемонстрирован простейший случай, представляющий явление скольжения вдоль плоскости разрыва. Если принимается, что наклон плоскости разрыва θ, угол сопротивления сдвигу φ, вес блока, действующий на плоскость разрыва W и коэффициент безопасности Fs, тогда из рисунка ясно, что
Если сцепление С плоскости разрыва мало, им можно пренебречь. Тогда условие для предотвращения скольжения, согласно уравнению 7.2, дает
следовательно θ≥φ (7.3).
Состояние будет устойчивым, если наклон 0 плоскости разрыва будет меньше, чем угол сопротивления сдвигу φ. Конус трения (friction cone) на рисунке показывает область, которая удовлетворяет этому условию. На рис. 7.17 показано, как она выражается на стереографической сетке. Другими словами, склон устойчив, если действующая сила W, показанная на рис. 7.16, б, заключается в малом круге на стереографической сетке. Однако, если присутствует вода, то давление трещинной воды и будет действовать на породы, расположенные над этим склоном, как показано на рис. 7.16, в. В результате направление силы, приложенной к породам над склоном, будет слегка смещаться и выйдет за пределы малого круга, выражающего устойчивую область (см. рис. 7.17). Итак, можно заключить, что этот склон будет неустойчивым из-за давления трещинной воды. Однако, в любом случае мы принимаем, что сцепление плоскости разрыва мало, трещиноватость в блоке скального основания отсутствует и скольжение будет происходить в направлении максимального склона. В скальных основаниях Японии почти нет примеров, где бы можно было использовать все эти допущения, однако, довольно легко расширить метод группировки трещин нескольких ориентировок и применить трехмерный анализ. Таким образом, этот метод широко используется при практическом изучении устойчивости склонов.
