Оперативная оценка качества известняков и мергелей, используемых для устройства упорных призм каменно-земляных плотин

Плотины из грунтовых материалов получили большое развитие и распространение. Это обусловлено максимальной их экономичностью, строительством в относительно короткие сроки, использованием грунтов полезных выемок, возможностью возведения в сложных природных условиях.

В последнее время в гидротехническом строительстве наблюдается устойчивая тенденция возведения плотин большой высоты и длины, создающих водохранилища с колоссальным объемом воды. Каменно-земляные плотины при этом - самый распространенный тип водоподпорного сооружения, так как возведение таких плотин может быть полностью или почти полностью механизировано, требует меньших трудозатрат и менее энергоемко. Вполне понятно, что с увеличением размеров плотин возрастают и нагрузки на эти плотины, их основания и, как следствие, увеличивается вероятность их повреждений.

При значительных достижениях техники и совершенствовании технологии строительства, повышении общего уровня знаний, опыта и технических решений аварии плотин имеют место. Одной из причин неблагоприятных процессов, протекающих в теле упорных призм каменно-земляных плотин, как показывает анализ статистики аварий и повреждений напорных грунтовых сооружений, является несоответствие проектным требованиям качества (марки) каменного материала в горной массе.

Нельзя отрицать, что имеют место ситуации, когда в начале строительства объекта или уже в ходе полномасштабных работ приходится менять даже по объективным причинам участки карьеров каменного материала из-за невозможности отчуждения частного владения, присутствия важных государственных или социальных объектов и т.п. Более неприятно, если в карьере, установленном проектом, качество (марка) камня, оцениваемое сопротивлением породы одноосному сжатию, не соответствует техническим условиям или не соответствуют объемы каменного материала, пригодного к укладке в тело плотины и регламентируемого определенным процентным содержанием в горной массе. Во всех этих случаях приходится приостанавливать работы на время проведения дополнительных изысканий или переаттестации карьеров, но это уже делается по сокращенной программе, что определенно сказывается в дальнейшем при эксплуатации новых карьерных участков. В этой связи экспериментально-расчетные (косвенные) методы оценки строительных свойств грунтов с помощью их индикационных показателей, полученных в результате простейших стандартных испытаний, приобретают особую значимость.

Как известно, прочность на сжатие любой скальной или полускальной породы характеризуется временным сопротивлением сжатию или пределом прочности на сжатие. Это сопротивление представляет собой предельную нагрузку, при которой образец ещё не разрушается

Rc = N/F, (1)

где N - нагрузка, приводящая к разрушению образца породы кН; F - площадь поперечного сечения этого образца, м2.

Параметр Rc служит не только для характеристики и классификации скальных и полускальных грунтов, но и для оценки несущей способности оснований, сложенных из этих грунтов. Так как боковые поверхности образцов остаются при этом открытыми, такое испытание называется одноосным сжатием, порядок и требование к которому регламентируются стандартной методикой ГОСТ 21153.2-84.

Под действием в определенных условиях одноосного сжатия в образце породы происходит либо хрупкое разрушение вследствие растяжения (как в образцах бетона), либо хрупкое разрушение в виде скола. Присутствие в образце естественной поверхности ослабления (например, трещины) обусловливает скалывание образца по этой поверхности.

В отличие от дисперсных грунтов скальные и полускальные породы обладают монолитностью, то есть состоят из минералов, их обломков, химических соединений или органических остатков, находящихся в плотнопрочном состоянии, имеют малую пористость и очень большие силы внутренних связей. Как показывают многочисленные исследования, предел прочности скальной или полускальной породы зависит от её минерального состава, структурно-текстурных особенностей, трещиноватости, а также от размера образцов, характера их поверхности и условий опыта.

Минеральный и химический состав горных пород в значительной степени оказывает влияние на их прочность. Так как породы состоят из смеси минералов различной твердости, то, естественно, прочность породы, хотя и приближенно, но можно оценивать по твердости минералов: известны такие взаимосвязи между прочностью и основными компонентами минерального состава 9;10.

Пористость является одной из основных характеристик физических свойств твердых пород, оказывая влияние на их прочность. Пористость в скальных и полускальных грунтах разделяется на первичную, возникающую в породе с её образованием из магмы, осадка или в процессе диагенеза (как правило, это пустоты между мельчайшими обломками минералов, кристаллов и микротрещины) и вторичную, появляющуюся при перекристаллизации отдельных компонентов, суффозии растворимых минералов, дегидратации и т.д. В скальных породах доля вторичной пористости преобладает. В скальных осадочных породах примерно такое же значение имеет межгранулярная или кавернозная пористость, возникающая в результате неплотного сложения при образовании осадка или при выщелачивании.

В основном поведение скальных и полускальных грунтов практически полностью определяется их трещиноватостью, которую можно характеризовать как дополнительную пористость, возникающую в породах в результате имеющих место геологических процессов. По мнению Гудмана 1 и др., на свойства скальной породы трещиноватость влияет так же, как минералогический состав породы, а часто - значительно больше. ДАльбиссин 2, Кейт и Гильман 3 утверждают, что развитие трещиноватости в скальной породе начинается с микротрещин в масштабе одного кристалла. Мельчайшие перемещения в кристаллической решетке, вызванные внутренними деформациями, приводят к возникновению микротрещин, а дальнейшее распространение последних - к образованию более крупных трещин.

В результате анализа механизма разрушения скальных пород Гриффитс 4 пришел к выводу, что в них имеются пучки трещин; на концах некоторых критически ориентированных трещин при сжатии породы возникают большие растягивающие напряжения. Разрушение наступает при удлинении наиболее напряженных трещин, когда эти напряжения местами превышают начальное сцепление. Имеются доказательства, подтверждающие правильность этой теории, впоследствии несколько модифицированной Мак-Клинтоком и Уолшем 5 - «если границы зерен рассматривать как трещины Гриффитса, то можно сделать вывод, что прочность на сжатие некоторых пород зависит от длины трещин», и Хёком 6 «в породе помимо растягивающих напряжений поверхности трещин могут испытывать и сжатие».

В совокупности трещины, пустоты и поры приводят к снижению прочности скальных пород, к непостоянству и разбросу результатов испытаний и к необходимости учета масштабного эффекта. Известно, например, что прочность бетона уменьшается с увеличением размера испытуемых образцов. Теоретически это объясняется тем, что больший образец можно рассматривать как совокупность нескольких малых образцов, но прочность его не равна в среднем прочности слагающих элементов, а соответствует наименьшей прочности одного из них (теория Вейбулля). Берне 7 при попытке решить некоторые проблемы, связанные с аварией плотины «Мальпассе», подтвердил, что все, сказанное выше, относится и к скальным породам, причем здесь немалое значение приобретает её микротрещиноватость. Вот почему разброс результатов испытаний образцов скальной и полускальной породы больше, чем образцов бетона. Но между степенью трещиноватости и абсолютным значением прочности породы связи нет. Трещиноватая порода с высоким показателем разброса результатов испытаний может быть твердой с большой прочностью на сжатие и наоборот, мягкая, но плотная слабо трещиноватая порода с низким показателем разброса результатов испытаний обладает малой прочностью. С другой стороны, результаты опытов Бартона /1976/ и др. показывают, что по мере увеличения однородности грунта роль масштабного эффекта уменьшается.

Если учесть значение скальных и полускальных пород в современном строительстве, то накопленные знания в механике скальных пород по всему многообразию факторов, определяющих их свойства, все ещё мало что дают инженеру-строителю в его практической работе, в частности, в геотехническом контроле при возведении напорных гидротехнических сооружений. Поэтому попытка количественно выразить результаты и зависимости конкретно прочности известняков и мергелей от известных или искусственных (совокупности известных) показателей породы в виде соответствующих уравнений и графиков не должна рассматриваться как стремление подменить стандартный метод (ГОСТ 21153.2-84) определения прочности каменного материала косвенным, а как естественная необходимость в таком инструменте, который в сочетании с прямым нормативным методом позволит повысить оперативность и расширить объемы информационного поля при необходимости дополнительных обследований или переаттестации каменных карьеров, при оценке качества используемого в насыпи камня проектным требованиям и т.д.

Карбонатные породы, как известно, отличаются чрезвычайным разнообразием литолого-петрографического состава, структуры, условий залегания, трещиноватости и сохранности. Их месторождения могут быть представлены как сплошными массивами, так и сильно расчлененными толщами, состоящими из отдельных слоев, линз и пластов, не выдержанных по толщине, простиранию, а также по составу и качеству 8. Классификация карбонатных пород производится в зависимости от соотношения основных составляющих минералов кальцита СаСО3 и СаМg(СО3)2, а также от содержания глины и терригенного материала. Известняки и мергели, как входящие в группу карбонатных пород, преимущественно состоят из кальцита. Характерным для карбонатных пород является постепенный переход от чистых известняков к мергелям и глине /Вишняков, 1933; Муратов, 1940; Осипова, 1948; Теодорович, 1950/, от известняков к чистым доломитам /Страхов, 1953; Муратов, 1940; Вишняков, 1933; Теодорович, 1935/ или от известняков к алевролитам, песчаникам и гравелитам (Хворова). Поэтому, для установления корреляционного уравнения по определению предела прочности на одноосное сжатие каменного материала необходимо найти хотя бы минимум признаков, свойств или показателей, которые наиболее объективно и полно характеризуют прочность образцов породы при её раздавливании и довольно просто определяются стандартными методами.

В 1990 г. Борткевичем 8 при разработке технологии возведения элементов плотины «Хантуман» (САР) было предложено уравнение связи предела прочности на одноосное сжатие известняков с влажностью породы в водонасыщенном состоянии

Rc = 32 - 105WH, (2)

где Rc - предел прочности на одноосное сжатие породы в водонасыщенном состоянии, МПа; Wн - влажность породы в водонасыщенном состоянии, отн.ед.

Данное уравнение (2) настораживает своим видом - линейной связью параметров Rc и Wн. Если на величину предела прочности породы при сжатии, как сказано выше, оказывает влияние совокупность факторов, то связь показателя Rc с одним из них или группой не может быть линейной хотя бы потому, что характер трещиноватости и степень трещиноватости для всех рассмотренных образцов породы (то, что невозможно оценить количественно сегодня) не могло быть одинаковым. Кроме того, сомнительно, что предел прочности на сжатие всей разности известняков в водонасыщенном состоянии не будет превышать 32Мпа, тем более в абсолютно сухом, при Wн = 0. Поэтому такое решение, если и может использоваться, то только для предварительной оценки прочности породы с точки зрения возможности её применения для строительства плотины, но не в геотехническом контроле. Других косвенных методов определения прочности породы на одноосное сжатие нет.

Для выявления факторов и в итоге показателей наиболее объективно характеризующих прочность породы, нами были проведены многочисленные эксперименты в соответствии с требованиями ГОСТ 21153.2-84 на образцах (кубиках 606060мм) известняка (s = 2.652.77 г/см3; d = 1.902.64 г/см3; СаСО3 = 75.1 98.5%) и мергеля (s = 2.642.68 г/см3; d = 1.792.18 г/см3; СаСО3 = 63.574.5%) за период строительства плотин «Thaw-ra», «Abrache», «Sakhaby» и «Al Houiz» в Сирийской Арабской Республике. Обобщение результатов опробования показало, что для количественной оценки прочности на сжатие этих пород необходимо иметь, как минимум, такие их свойства, которые могут быть отнесены к категории основных:

плотность частиц породы - характеризует твердую фазу породы как показатель средней плотности минералов, слагающих эту породу;

содержание кальцита СаСО3 - характеризует минеральный состав породы: чем выше содержание карбоната кальция, тем больше предел прочности в породе;

пористость породы - отражает структурно-текстурную особенность образца породы: чем выше пористость образца, тем ниже его предел прочности в породе;

плотность скелета образца - характеризует плотность породы в естественных условиях, её минералогический и зерновой состав, чем выше плотность скелета породы, тем выше предел прочности.

Имеющаяся дисперсия результатов испытаний объясняется влиянием степени и характера трещиноватости, её пространственной ориентации в образце, то есть тем, что пока не поддается количественному учету. В любой горной породе существуют дефекты строения разных размеров - от дефектов строения атомов до микро-, макро- и тектонических трещин. С увеличением размера трещин или степени трещиноватости прочностные свойства породы ухудшаются, то есть прочность кубика горной породы будет меньше прочности слагающих её минералов. Тем не менее, можно сказать, что предел прочности при одноосном сжатии известняков и мергелей предполагает способность материала породы связать между собой её составные части или свойства в единый модуль - квалификационный показатель породы. Следовательно, существует такой показатель, представляющий собой определенное сочетание известных свойств породы, который в значительной мере достоверно отражает физический смысл и характеризует параметр Rc, а главное может иметь с ним функциональную связь.

Исследование корреляции между квалификационным показателем, представляющим собой сочетание известных свойств известняков и мергелей с пределом их прочности на одноосное сжатие, «модуль» (nPCaCOз) показывает с параметром Rc (см. рис.) тесную связь с коэффициентом корреляции 0.811; средней ошибкой корреляции 0.0185; теснотой связи 0.756, аппроксимирующаяся выражением

Rc = 4587(nPCaCO3)-0.781, (3)

где Rc - предел прочности породы на одноосное сжатие, кПа; n = (s-d)/s - пористость породы, отн.ед.; d - плотность скелета образца, т/м3; s - плотность частиц породы, т/м3; РСаСОз - содержание СаСОз, отн.ед.

Установленный квалификационный показатель (nPCaCOз) можно считать многофакторным критерием состояния породы, что делает его информативным и удобным для текущего контроля. Инженерно-геологические характеристики, входящие в состав этих показателей, определяются стандартными методами.

Полученная эмпирическая зависимость (3) для известняков и мергелей в изученном интервале их свойств, позволяет с достаточной для практических целей в геотехническом контроле точностью оценивать качество каменного материала, используемого в строительстве плотины, а при переаттестации или дообследовании карьеров в сочетании с прямым методом (по ГОСТ 21153.-84) - увеличить информационный объем выполняемой работы и повысить её оперативность.

Библиографический список

1. Гудман Р. Механика скальных пород. /Перевод с англ. Нгалобелова Ю.Б., Тизделя Р.Р.; Под ред. Ухова С.Б.. М.: Стройиздат, 1987.

2. D'Albissin M. Donnees de la luminescence dans l'analyse de la deformation desroches, Revue de l'Industrie Minerale, special issue 15 May, 29-37, 1968.

3. Keith R.E., Gilmann J.J. Dislocation etch-pits and plastic deformation in calcite, Acta Metallur. USA, 8, №1, 1960.

4. Griffith A.A. Theory of rupture, Proc. ist. Intern. Congr. Applied Mechanics, Delft., 55-63, 1924.

5. McClintock F.A., Walsh J.B. Friction on Griffith cracks in rocks under pressure, Proc. 5-th Nat. Congress on Applied Mechanics, Berkeley, 1015-1021, 1962.

6. Hock E. Brittle failure of rock, in: Stagg K.G., Zienklewicz O.C., eds. Rock Mechanics in Engineering Practice, New York, 1968.

7. Berneix J. Contribution a l'etude de la stabilite' des appuis de barrages, Etude geotechnique de la roche de Malpasset, Ph. D. thesis, Paris, 1966.

8. Борткевич С.В. Разработка технологии возведения элементов плотины водохранилища Хантуман из известняков и мела. /Отчет по НИР. М.: НИС Гидропроекта, 1990.

9. Приклонский В.А. Грунтоведение. М.: Государственное изд-во геологической литературы, 1952-1955. Ч.1, 2.

10. Каган А.А. Расчетные характеристики грунтов. М.: Стройиздат, 1985.

Размещено на Allbest.ru