 |
Методы определения прочностных характеристик горных пород
|
|
|
|
Опытные сдвиги, обрушения и выпирания целиков в горных выработках и строительных котлованах выполняются с целью определения прочностных характеристик неоднородных пород в естественных условиях залегания. Эти методы применяются, когда невозможно отобрать пробы ненарушенного сложения (трещиноватые или слабо связанные песчано-глинистые породы) или получить показатели прочности, которые при лабораторных способах их определения будут недостоверны (глинисто-щебнистые или песчано-гравелитовые отложения, плотные трещиноватые породы с ясно выраженной структурой, сильно неоднородные песчано-глинистые отложения).
Сдвиг целиков породы в шурфах. Схема установки для сдвига целика породы в шурфе приведена на рисунке.
После проведения испытаний при разных вертикальных нагрузках строят диаграмму сдвига
S = f(P),
где S – сдвигающее напряжение;
Р – вертикальная нагрузка.
Величину сцепления и угол внутреннего трения находят по диаграмме сдвига.
Обрушение целиков пород. Схема установки для обрушения целиков породы в шурфах приведена на рисунке 48.
После обрушения целика строят кривую обрушения в масштабах 1: 5 или 1: 10. Целик разбивают на блоки (рис. 49) и составляют уравнение равновесия.
Аналогично строят кривую обрушения для второго обрушенного целика породы. В результате двух испытаний находят систему уравнений
где N – нормальное давление;
T – сдвигающее усилие;
f - коэффициент внутреннего трения;
c – сцепление;
А1 и А2 – площади поверхностей скольжения первого и второго целиков.
Решая эту систему уравнений, получают показатели сдвига с и f = tg φ.
Обрушение и сдвиг призм пород. Обрушение и сдвиг призм пород размером 50 х 50 х 70 см в зависимости от целей испытаний производят по плоскости напластования, нормально к ней или под различными углами.
|
|
|
Для проведения испытаний в породе делают прорезь, куда закладывают плоский домкрат. Схема испытаний по сдвигу и обрушению призм приведена на рисунке.
Давление Р, передаваемое домкратом на плоскость среза, определяют по формуле
P = D·S·t + ΔP, кг.
где D – удельное давление жидкости в домкрате при срезе, кГ/см2;
S – рабочая площадь цилиндра домкрата, см2;
t – коэффициент передачи давления, определяемый при тарировке домкрата;
ΔP – поправка за счет веса призмы и домкрата, кг.
Сцепление по плоскости среза (обрушения) призмы с определяется по формуле
где F – площадь среза, см2;
α – угол между плоскостью плиты домкрата и плоскостью среза;
φ – угол внутреннего трения породы по плоскости среза (определяется по пробам в лабораторных условиях).
Обычно в поле проводится два – три испытания, по результатам которых составляется график зависимости сдвигающего усилия от величины нормального давления.
Срез монолитов на полевых приборах. Схема одного из полевых срезных приборов приведена на следующем рисунке. На монолит породы ставят обойму (круглую или прямоугольную в зависимости от конструкции прибора) и монолит осторожно подрезают по ее размерам. Затем надевают обойму, выравнивают и зачищают торцевые поверхности монолита и ставят обойму в прибор.
Испытание породы крыльчаткой применяется для испытания однородных иловатых и пластичных глинистых пород, не содержащих крупных включений, залегающих на глубине до 20 см. схема установки для крыльчатого зондирования приведена на рисунке.
Рабочий орган любого крыльчатого зонда состоит из двух или четырех лопастей, которые вдавливают в забой или стенку скважины и затем поворачивают. При повороте лопастей измеряют крутящий момент. Зная величину момента и размеры лопастей, несложно рассчитать сопротивление сдвигу
|
|
|
где М – крутящий момент;
d – диаметр цилиндра вращения (двойная ширина одной лопасти);
h – высота цилиндра вращения.
Во многих конструкциях высота лопасти принимается равной двум диаметрам цилиндра вращения (h = 2 d). Для таких установок сопротивление сдвигу вычисляют по формуле
Испытание крыльчатыми зондами, в которых конструктивно предусмотрено создание давления, направленного нормально к плоскости среза, ведут при двух его значениях σ1 и σ2. Испытания выполняют в одной скважине, в пределах одного слоя пород, через 0,5 м. в результате получают систему уравнений
решение которой дает показатели сдвига – коэффициент внутреннего трения и сцепления.
Отношение сопротивления сдвигу грунта с ненарушенной структурой τр к сопротивлению сдвигу грунта, перемятого лопастями крыльчатки τн называют коэффициентом структурности, или чувствительностью глин. По величине обратной этому коэффициенту, называемой показателем структурной прочности L глинистые породы подразделяются на четыре группы.
Таблица
Классификация пород по прочности структурных связей.
| Значение показателя структурной прочности | Прочность структурных связей |
| L = 1 | Отсутствует |
| 1 > L > 0,5 | Низкая |
| 0,5 > L >0,2 | Средняя |
| 0,2 > L ≥0,5 | Высокая |
Модуль деформации породы Е определяется по формуле
Где ω – коэффициент, зависящий от соотношения высоты крыльчатки и ширины ее лопасти, при h = d коэффициент ω = 0,92;
μ – коэффициент Пуассона, для глин μ = 0,42;
М0 – крутящий момент в первый момент приложения силы, когда угол поворота лопастей близок к нулю и усилие затрачивается на сжатие грунта, кГ/см2;
τ – удельное сопротивление сдвигу, кГ/см2;
d – диаметр цилиндра, по образующей которого происходит срез (двойная ширина лопасти), см;
h – высота лопасти крыльчатки, см;
l – величина перемещения лопасти, см.
глубина погружения крыльчатки ниже забоя скважины при испытаниях пород различной плотности принимается равной 0,3 + h м для пород, у которых τ = 0,3 кГ/см2, и равной 0,5 + h м для пород, у которых τ = 0,5 кГ/см2. Испытания повторяют дважды. Параллельные опыты проводят в прочных породах через 0,5 м, в слабых – через 1 м.
|
|
|
|
|
|
