 |
Методы определения деформативных характеристик горных пород
|
|
|
|
Процесс подготовки к проведению полевых гидрогеологических и инженерно-геологических исследований.
Студента 4-го курса
Оразова Мердана
Минск, 2017
При инженерно –геологических исследованиях, особенно на последних стадиях, для определения физико-технических свойств пород часто применяют опытные полевые работы.
Основными преимуществами полевых работ являются:
1) Возможность получения данных, характеризующих крупные массивы горных пород (особенно в сопоставлении с размерами проб, используемых для лабораторных определений). Так, в лабораторных условиях определение сопротивления пород сдвигающим усилиям проводят на пробах с площадью сдвига 40 – 50 см2, а в полевых испытывают пробы с площадью сдвига в 200 – 800 раз больше (1 х 1 м; 2 х 2 м). В силу этого при проведении полевых опытов в значительной мере исключается влияние на конечный результат случайных включений, местной неоднородности породы и т.п. Получаются усредненные данные, более близкие к природным условиям, чем полученные при лабораторных определениях.
2. При производстве опытов в поле в большей степени, чем при проведении их в лаборатории, удается сохранить естественные структуру и влажность породы, что приближает условия проведения опыта к природным. В этом отношении показательны опыты, проведенные при инженерно-геологических исследованиях для строительства Волгоградской ГЭС. Здесь показатели прочности бучакских пород, отобранных из скважин большого диаметра (800 мм), оказались выше показателей проб пород, отобранных из скважины малого диаметра (127 мм). Разница объяснялась тем, что с уменьшением диаметра бурения возрастает интенсивность разрушения керна.
|
|
|
Следует отметить, что опытные полевые работы требуют больших затрат средств и времени, применения более дорогостоящей аппаратуры, чем исследования в лабораториях. В силу этого опытные полевые работы обычно проводятся на последних стадиях инженерно-геологических исследований, они не носят массового характера и производятся по специально разработанной программе.
В следующей таблице охарактеризованы основные методы полевых исследований физико-технических свойств пород, применяемых при инженерно-геологическом изучении свойств пород, и указаны породы, для испытания которых они используются.
Таблица
Основные методы полевых исследований физико-технических свойств горных пород, применяемые при инженерно-геологических исследованиях (по Г.К. Бондарику)
| Изучаемые характеристики | Полевые методы | Породы, для исследования которых они применяются |
| Показатели деформативных свойств горных пород | 1, Опытные нагрузки в шурфах и в скважинах. 2. Испытания прессиометром | Песчано-глинистые Песчано-глинистые |
| Показатели прочности горных пород | 1. Опытные сдвиги на полевых приборах и установках. 2. Опытные обрушения и выпирания в шурфах. 3. Испытания крыльчаткой. | Скальные, полускальные и песчано-глинистые Глинистые с твердыми включениями, полускальные и выветрелые скальные Пластичные глинистые |
| Водопроницаемость горных пород | 1. Опытные откачки из скважин. 2. Опытные наливы в шурфы. 3. Опытные нагнетания в скважины. | Трещиноватые скальные и несвязные. Песчано-глинистые. Трещиноватые, галечниковые и др. |
Приведем краткие описания основных наиболее часто применяемых полевых методов изучения физико-технических свойств пород (описание методов определения водопроницаемости пород, излагаемых в курсах гидрогеологических дисциплин, не приводится).
Методы определения деформативных характеристик горных пород
|
|
|
Опытные нагрузки в шурфах и скважинах
Испытания статической нагрузкой проводится в шурфах и скважинах при инженерно-геологических исследованиях на участках предполагаемого строительства ответственных сооружений, а также в строительных котлованах.
Обычно для испытаний используют штампы: круглые (площадью 1000 см2) в скважинах (диаметром 325 мм) и квадратные (площадью 5000 см2) в шурфах (сечением 225 х 225 см). Схема испытаний пород опытными нагрузками в шурфах приведена на следующем рисунке.
В процессе опытов погружение ведется ступенями до стабилизации осадки от каждой ступени. Считается, что стабилизация достигнута, если приращение осадки за одни сутки не превышает 1 мм. Испытание доводится до нагрузок, несколько превышающих нагрузку на породу от сооружения. В отдельных случаях (по специальному заданию) нагрузку повышают до достижения предельной величины, которая фиксируется: 1) по появлению валика выпирания или трещин вокруг штампа; 2) по деформированию породы с постоянной скоростью, продолжающейся в течение не менее 1 суток; 3) по резкому увеличению осадки при незначительном увеличении нагрузки (в 5 и более раз по сравнению с осадкой от предыдущей ступени).
Разгрузка ведется теми же ступенями. После снятия каждой ступени нагрузки в течение 1 часа наблюдают за разуплотнением грунта.
Схема испытаний пород опытными нагрузками в скважинах показана на следующем рисунке.
По результатам опытных нагрузок строят график S = f(p), вид которого приведен на рисунке 45.
Зависимость осадки от нагрузки в пределах пропорциональности описывается уравнением
S = c(p – p0),
где S – осадка штампа, см;
p – удельное давление на штамп, кГ/см2,
p0 – начальное давление уплотнения (нагрузка, соответствующая отрезку, отсекаемому прямой S = f(p) на оси абсцисс);
т = ctg α (см. Рис. 45).
По графику находят поправочное значение осадки S0, учитывающее осадку от веса незагруженного штампа и первичное обмятие неровностей породы. Величины осадок, полученные по данным наблюдений, исправляют на величину S0.
При испытаниях в скважинах вводится поправка на обмятие труб, определяемое по формуле:
Δ = (L·P)/(F·E),
Где L – длина труб, передающих нагрузку на штамп, см;
|
|
|
Р – нагрузка на погрузочной платформе, кг;
F – площадь поперечного сечения труб, см2;
Е – модуль упругости материала труб, кГ/см2.
Модуль деформации породы определяется по одной из существующих формул, например по формуле Буссинеска
Е = (1 – μ2) (Р/(S·d)),
где Е – модуль деформации, кГ/см2;
Р – полная нагрузка на штамп (берется по прямолинейному участку графика S = f(p), кг;
d – диаметр штампа или круга, равновеликого площади штампа, если испытание велось квадратным или прямоугольным штампом;
S – конечная садка, отвечающая нагрузке Р, см;
μ – коэффициент поперечного расширения, принимаемый для песков и супесей равным 0,30, для суглинков – 0,35, для глин – 0,42.
При наличии на графике S = f(p) участков с разными наклонами модуль деформации вычисляют по формуле
где Рn, Pn+1 – начальная и конечная нагрузки на рассматриваемом участке; Sn, Sn+1 – отвечающие им деформации.
Испытания прессиометром
Метод прессиометрии применяется для определения деформативных свойств песчано-глинистых пород в буровых скважинах. Метод заключается в измерении осадки породы, вскрытой в стенке скважины, под действием давления.
В скважину на нужную глубину опускают на штангах цилиндр с эластичными стенками, разделенный на три камеры давления, как показано на рисунке. Верхняя и нижняя вспомогательные камеры давления соединены с бачком, а средняя – с измерительным цилиндром. Бачок и измерительный цилиндр сообщаются между собой и в первую очередь соединены через редуктор с малогабаритным высоконапорным газовым баллоном, заполненным углекислотой, или сжатым воздухом. Давление газа через воду, заполняющую систему, передается на породу, вскрытую в стенках буровой скважины.
Зонд с камерой давления опускают в скважину на нужную глубину, затем в прибор при помощи редуктора подают нагрузку. Замеры деформаций ведут через 2 мин в течение примерно 20 минут до условной стабилизации осадки. После этого задают следующую ступень нагрузки.
Модуль деформации Е определяется по формуле
|
|
|
где ΔР – приращение давления;
ΔV – приращение объема рабочей камеры, отвечающее приращению давления ΔР;
λ – постоянная прессиометра, устанавливаемая при тарировке прибора, см3;
μ – коэффициент бокового расширения (Пуассона).
|
|
|
