699

Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуас-

сона) представляет собой коэффициент пропорциональности между относительными поперечными деформациями (расширение) и относительными продольными деформациями (сжатие). Этот коэффициент у скальных грунтов изменяется от 0,10 до 0,40. Чем больше его значение, тем большей податливостью обладает грунт (см. табл. 2.4).

Для дисперсных песчаныхи глинистых грунтов коэффициент Пуассона изменяется от 0,2 до 0,5. Среднее его значение для различных грунтов по СНиП равно: для крупнообломочных грунтов — 0,27; песков, супесей — 0,30; суглинков — 0,35;

глин — 0,42.

Коэффициент Пуассона можно вычислить по формуле

, 1

где — коэффициент бокового давления, показывающий, какая часть вертикального давления передается через грунт встороны.

Численно он равен отношению бокового давления грунта Рб к вызвавшему его вертикальному давлению Р.

Pб .

P

Коэффициент бокового давления изменяется от 0 до 1: для песков — от 0,35 до 0,41; для суглинков — от 0,50 до 0,70 и для глин — от 0,20 до 0,74 [8].

Коэффициент удельногоупругогоотпорахарактеризуетспо-

собностьгрунтовоказывать упругий отпорвподземнойвыработке радиусом 1 м.

Ориентировочно коэффициент удельного отпора, кН/см3, можно определитьпокоэффициентукрепостиfкр поПротодьяконову по формуле

Куд.отп = 50Кwrfкр,

где Кwr — коэффициент выветрелости (отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта) [5]. В зависимости от величины коэффициента выветрелости различают грунты невыветрелые (Кwr = 1), слабовыветрелые (1–0,9); выветрелые (0,9–0,8) и сильновыветрелые (менее 0,8). Значения коэффициента удельного отпора К различных грунтов

2 1

показаны в табл. 2.9. Для получения коэффициента упругого отпора грунта Котп следует значение коэффициента удельного отпора Куд.отп разделить на радиус подземной выработки, м.

Выветривание существенно влияет на прочностные свойства скальных грунтов (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Влияние выветривания на физико-механические свойства гранитов Украинского кристаллического массива (по В.Д. Ломтадзе)

Выветривание ведет кснижению прочностных свойств, поэтому при инженерно-геологических изысканиях необходимо выделять зону выветрелых пород и оценивать их свойства по глубине массива.

2.6. Выветривание грунтов

Вы вет ривани е — разрушение грунтов верхней части грунтового массива под воздействием колебаний температуры воздуха, химически активных соединений и жизнедеятельности организмов.

Врезультате выветривания формируется коравыветривания, состоящаяиз«продуктоввыветривания», мощность корывыветривания изменяется от 5 до 30 м, по зонам тектонического дробления может достигать ста и более метров.

Втолщекорывыветриваниявыделяюттризоны:дисперсную, обломочную и трещиноватую (рис. 2.1) [10].

I. Дисперсная зона представляет собой полное преобразование химического состава, структуры исходного грунта. Она состоит из тонкодисперсных грунтов (песчаных, пылевато-гли- нистых), легко разрабатывается лопатой.

2 2

II. Обломочная зона состоит из обломков различной крупности с частичной степенью химического разложения. По степени раздробления,химическогоразложенияифизико-механическим свойствам обломочная зона подразделяется на горизонты А, Б, В, Г. Горизонты В, Г, состоящие из крупных обломков, крупных глыб, часто называют «разборной скалой».

III. Трещинная зона представляет собой монолитную часть грунтового массива, разбитого тектоническими разломами и трещинами на крупные блоки. По тектоническим трещинам происходит проникновение агентов выветривания на большую глубину и под их воздействием происходит интенсивное разложение, изменение обломков пород тектонического дробления (тектонитов).

В результате выветривания происходит существенное усложнение инженерно-геологических условий грунтового массива. В процессе накопления продуктов выветривания формируются дисперсные грунты.

2 3

2.7. Механические свойства дисперсных грунтов

Механические свойства дисперсных (песчаных и глинистых грунтов) характеризуются их деформируемостью и прочностью.

Количественными характеристиками деформируемости дисперсных грунтов являются модуль общей деформации Ео и коэффициентпоперечнойдеформацииµ(коэффициентПуассона).

Модуль общей деформации выражается в мегапаскалях. Он определяется в процессе полевых и лабораторных исследований грунтов. Средние значения модуля деформации представлены в табл. 2.6.

Прочность дисперсныхгрунтов характеризуетсяих способностью сопротивляться разрушению (сопротивление сдвигу).

Количественными показателями прочности грунтов являются угол внутреннего трения — ° и удельное сцепление — c, кПа.

Средние значения показателей прочности представлены в табл. 2.7 и 2.8.

Таблица 2.6

Модуль деформации дисперсных грунтов

2 4

Таблица 2.7

Сопротивление сдвигу песков

2.8. Крепость грунтов (коэффициент крепости)

Крепость грунтов характеризует их по степени устойчивости при проходке подземных транспортных сооружений. За меру крепостигрунтовМ.М.Протодьяконовымприняткоэффициент крепости fкр, Коэффициент крепости — условный показатель, характеризующий грунт по степени устойчивости его в подзем-

2 5

нойвыработке:степенисопротивлениясжатию,разрабатываемости и давлению на крепь.

По величине коэффициента крепости все грунты подразделяются на 10 категорий (табл. 2.9). Измеряется коэффициент крепости в безразмерных единицах.

Таблица 2.9

Классификация грунтов по коэффициенту крепости М.М. Протодьяконова

2 6

На практике коэффициент крепости для скальных грунтов определяется по величине предела прочности на одноосное сжатие по формуле fкр = 0,1Rсж и более точно по формуле

Л.И. Барона fкр Rсж Rсж . 30 3

На величину влияют минералогический состав грунта, структура, текстура, трещиноватость, выветрелость. Поэтому один и тот же грунт может характеризоваться различными значениями коэффициента крепости и относиться к различным категориям.

2.9. Абразивность, буримость и морозоустойчивость скальных грунтов

Абразивностью называют способность скальных грунтов истирать при трении инструменты, разрушающие горные породы. Абразивность грунтов оценивается потерей массы, мг, тупого цилиндрического стержня (диаметром 8 мм) из углеродистой стали в процессе истирания его о грунт при вращении со скоростью 400 об./мин под осевой нагрузкой 1,5 МПа в течение 10 мин. Все грунты по абразивности разделяются на восемь классов: от весьма малоабразивных до высшей степени абразив-

ных (табл. 2.10).

Таблица 2.10

Шкала абразивности скальных грунтов (по Л.И. Барону и А.В. Кузнецову)

2 7

Буримость характеризует степень сопротивляемости скального грунта разрушению буровым инструментом. Показателем буримости принято считать либо длину шпура (мм, см), пробуренного за 1 мин чистого времени бурения, либо число минут чистого времени бурения 1 м шпура при стандартных условиях. Показатели буримости грунтов служат для нормирования процессов бурения и классификации грунтов по буримости.

Морозоустойчивость скальных грунтов характеризует их способность сохранять физическое состояние (не разрушаться)

ипрочность при воздействии отрицательных температур. Морозоустойчивостьгрунтовопределяетсяметодомиспытаниявморозильных камерах путем 15или 25-кратного их замораживания

иоттаивания. Грунт считается морозостойким,если послемногократного замораживания не имеет внешних признаков разрушения и его прочность снижается не более чем на 25 %.

3. ТРЕЩИНОВАТОСТЬ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

Трещиноватость скальных грунтов является решающим фактором при их инженерно-геологической оценке. С появлением трещин в массиве горных пород их прочность существенно снижается, на крутых склонах рельефа возникают обвалы, в подземных транспортных сооружениях происходит обрушение кровли, образуются вывалы, усложняется производство работ. Различают пе рви чные тр ещи ны, возникающие в процессе формирования горных пород. В осадочных породах различают трещины по слоистости, в магматических — трещины отдельности (при остывании магмы), в метаморфических — по сланцеватости, трещины «кливажа».

К вт ори чны м т рещ инам относятся: тектонические, трещины выветривания, отпора и техногенные.

Тектоническиетрещиныразвиваютсявмагматических,метаморфических и осадочных сцементированных породах под действием тектонических сжимающих и растягивающих усилий, превышающих предел прочности пород. Характерной особенностью этих трещин является выдержанность по простиранию и большаяглубинаих распространения (додесятков километров).

2 8

В тектонических трещинах скалывания наблюдаются притертые стенки с зеркалами скольжения, свидетельствующие о перемещении по ним блоков пород.

Тектонические трещины отрыва обычно открытые (зияющие), часто заполнены продуктами дробления материнских пород(тектонитом) и привнесенным песчано-глинистымматери- алом. Как правило, эти трещины содержат воду, и они обуславливают большие притоки подземных вод в транспортные выработки.

Трещины бортового отпора образуются наобрывистых склонах гор, речных долин. Они ориентированы параллельно склонам и нередко способствуют возникновению обвалов и вывалов.

Трещины выветривания образуются в породах любого состава и происхождения и обусловлены процессами выветривания. Наиболее широко они распространены в приповерхностной зоне горных пород на глубинах до 30 м. Вдоль тектонических разломов глубина развития трещин выветривания увеличивается.

Техногенные трещины возникают при взрывных работах или подработке горных пород подземными выработками.

Перечисленные генетические (по происхождению) типы трещиноватости горных пород составляют системы трещин, разбивающие массив скальных грунтов на отдельные блоки.

Приинженерно-геологических исследованияхгрунтовыхмассивов и изучении трещиноватости скальных грунтов используется метод колонкового бурения. О степени трещиноватости грунтов можно судить на основании следующих данных:

1. Учета выхода керна, определяемого по отношению, %, суммы кусков керна длиной 10 см и более (полученных при бурении) к длине исследуемого интервала в скважине (метод RQD).ВзависимостиотвеличиныRQDвыделяются5состояний грунтов (табл. 3.1).

2 9

2.Подсчета числа трещин на каждый погонный метр керна, т.е. по определению модуля трещиноватости.

3.Наблюдений за «проскоками» бурового снаряда при пересечении пустот и трещин.

4.Наблюдений за расходом промывочного раствора, по которому можно выделить зоны различной трещиноватости.

5.Проведения опытных наливов воды в скважины (или опытных откачек из водонасыщенных грунтов). При нагнетании воды в скважины происходит водопоглощение, по величине которого косвенно можно судить о трещиноватости грунтов. По величиневодопоглощенияи водопроницаемости(коэффициенту фильтрации) грунты классифицируются по степени трещиноватости (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Степень трещиноватости грунтов по величине водопоглощения в скважине

6. Осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью телевизионных приборов (фотокаротаж).

При проходе подземных выработок (штолен, тоннелей) и обследовании естественных обнажений скальных грунтов исследуются следующие вопросы трещиноватости:

1)пространственное расположение каждой системы трещин: азимуты направления падения и угол падения трещин;

2)морфология отдельных трещин и их систем: длина, ширина, степень раскрытости, характер поверхности стенок трещин, степень заполнения трещин и состав заполнителя;

3)количественную оценку степени трещиноватости грунтов проводят по модулю трещиноватости М, размерам блоков, отделяемых трещинами (табл. 3.3) и коэффициенту трещинной

3 0