Общее понятие.
Скальные откосы являются непременной конструкцией железнодорожного пути в горных странах. От их устойчивости зависит нормальное функционирование железной дороги.
Устойчивостью скальных откосов занимается специальная наука – механика скальных пород, где проблема устойчивости откосов занимает центральное место.
Механика скальных пород получила свое развитие сравнительно в 50-60 годы прошлого столетия. Это обусловлено тем, что одновременно приходится привлекать разнообразный комплекс геологических методов наряду с методами теоретической механики, физики и математики. Кроме того, долго шло накопление знаний и опыта по строительству на скальных породах (плотин, карьеров, тоннелей и дорог).
7.2.2. Физико-механические свойства скальных пород
Для скальных определяют следующие свойства: физические – пористость, плотность и проницаемость; механические – угол трения (внутреннего трения), удельное сцепление, прочность на сжатие.
Пористость: отношение объема пор к общему объему породы (n %). Самую низкую пористость имеют свежие невыветрелые магматические породы (до 1%), в выветрелых породах она возрастает (до 20%). Осадочные и метаморфические породы имеют высокую пористость с колебаниями от 1 до 45%.
Плотность: масса единицы объема р, г/см3. В проектных расчетах обычно используют удельный вес γ, кН/м3. Удельный вес находят через плотность γ=р*10,где 10 ускорения силы тяжести g=9,8 м/сек2. Многие скальные породы имеют γ=25-30 кН/м3. Чем древнее по возрасту осадочные и метаморфические породы, тем они имеют больший удельный вес. Это связано с тем, что древние породы испытали многократные тектонические напряжения, приводящие к высокому уплотнению.
Проницаемость: скорость просачивания воды через породу характеризуется коэффициентом фильтрации кф, см/сек; м/сут. Главной здесь является трещинная водопроницаемость, та поровая – не имеет существенного значения. Водопроницаемость определяется с помощью полевых фильтрационных испытаний. Массивы скальных пород по величине кф, м/сут делятся на сильно водопроницаемые (кф>1), средние при кф=1-0,1 и слабо водопроницаемые при кф<0,1
Угол внутреннего трения φо и удельное сцепление с, кПа: важнейшие сдвиговые показатели пород, вызванные трением и сцеплением на плоскости скольжения φ и с определяют в лаборатории в опыте на прямой сдвиг или в натуральных условиях на замках пород или монолитах. Сдвигающую силу прикладывают параллельно трещине.
Сдвиговые свойства определяют не только вдоль трещин, но и вдоль зон ослабления (выветривания, обводнения пород и слабых прослоев пород).
Для предварительных расчетов значения φ и с берутся из таблицы, составленной по справочнику проектировщика М:, Стройиздат, 1983г.
Таблица 7.1.
| № | Вид скальной породы с учетом сопротивления сжатию Rс, мПа | Условия сдвига | |||
| по монолиту | по монолиту с трещинами | ||||
| tgφ | c, кПа | tgφ | c, кПа | ||
| слаботрещиноватые не выветрелые Rc>50 | 3,0 | 1,00 | |||
| среднетрещиноватые, слабовыветрелые породы Rc>50 | 2,4 | 0,85 | |||
| среднетрещиноватые, слабовыветрелые породы с Rc=50-5 | 2,0 | 0,80 | |||
| сильнотрещиноватые, Rc<5 | 1,5 | 0,75 |
Условия сдвига в зависимости от ширины трещин
По трещинам шириной в мм Таблица 7.2.
| № | <2 | 2-20 | >20 | |||
| tgφ | c, кПа | tgφ | с, кПа | tgφ | с, кПа | |
| 0,85 | 0,75 | 0,60 | ||||
| 0,85 | 0,75 | 0,60 | ||||
| 0,75 | 0,70 | 0,48 | ||||
| 0,70 | 0,53 | 0,48 |
Прочность на сжатие (Rc, мПа) представляет собой отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца. Образцы выбуриваются из породы в виде корна (цилиндра). Отношение высоты корна к его диаметру обычно принимают равным 2-2,5. чаще всего применяют метод одноосного сжатия.
Величина прочности на сжатие для слюдистого сланца 55-75, алевролита 80-120, гранита 140-230 мПа. Породы прочности на сжатие менее 5 мПа называются полускальными (аргиллиты, алевролиты, глинистые сланцы, мергели, мел, ракушечники, песчаники на глинистом и гипсовом цементе).
Для расчета осадки скальных оснований мостовых опор или железобетонных плотин определяют модуль общей деформации Е: для свежих, нетрещиноватых пород E>10000 мПа; для трещиноватых – Е<5000мПа; для песчаников – Е׀׀=2000 мПа, Е׀=1000мПа, для диабазов Е=3000мПа.
Если предположить, что породы испытывают только вертикальную деформацию, то зависимость между вертикальным напряжением Ϭ и горизонтальным напряжением τ можно записать через коэффициент Пуассона ν:Ϭ=τ*ν/(1-ν), где отношение ξ=ν/(1-ν)- коэффициент бокового давления для гранитов берется равным 0,17, для песков 0,5, для слабой глины 0,82.
Коэффициент размягчаемости в воде Крз: отношение сопротивления сжатию в водонасыщенном состоянии к сопротивлению сжатию в воздушно-сухом состоянии.
Для неразмягчаемых пород Крз≥0,75, а для размягчаемых Крз<0,75.
Степень выветрелости Ксв: отношение удельного веса выветрелой породы к удельному весу невыветрелой породы.
Для слабовыветрелой породы Ксв=1-0,90; для выветрелой породы Ксв=0,9-0,8; для сильно выветрелой породы Ксв<0,8
Степень трещиноватости скальных пород
Оценивается различными способами:
- на одном метре откоса подсчитывается количество трещин, если их больше пяти – порода трещиноватая;
- на одном квадратном метре площади откоса на долю трещин приходится ≥15%, то порода также сильно трещиноватая;
- при бурении скважин чем меньше выход керна, тем больше трещиноватость;
- наиболее точно оценку трещиноватости получают путем опытного нагнетания воды в скважины и вычисления удельного водопоглощения – это количество воды, поглощенной 1м скважины за 1 мин при напоре 1м;
- трещиноватость крупных массивов оценивается с помощью геофизических методов (сейсмо и электроразведки).
По происхождению трещины делятся на две группы: 1- тектонические трещины, связанные с глобальными процессами горообразования; 2- нетектонические трещины.
Нетектонические трещины по генезису делятся на следующие подгруппы:
- трещины отдельности (блочности) – возникают при остывании магматических пород (пластовые или матрацевидные в гранитах и столбчатые в базальтах);
- трещины напластования – возникают либо в процессе метификации рыхлых осадков, либо в процессе метаморфизма осадочных пород. (плитчатые отдельности, сланцеватость).
- трещины нагрузки – возникают при снятии нагрузки за счет разработки и удалении вышележащих масс (субпараллельные поверхности земли)
- гравитационные трещины – возникают за счет уплотнения подстилающих пород (более слабых) и вертикального перемещения пород.
Трещины подробно описываются – положение в пространстве – падение и простирание. Пространственную ориентировку трещин изображают на круговых диаграммах, которые дают полную картину распространения трещин в скальном массиве – устойчивости блоков скальных пород и обрушении их при строительстве откосов.
Ориентировочное заложение откосов. Вопрос о заложении откосов (его крутизне) в СНиП 11-39-76 на проектирование железных дорог решается весьма упрощенно. В слабовыветривающихся породах откос рекомендуется устраивать крутизной 1:0,2, а в легковыветривающихся – 1:0,5-1:1,3. высота скального откоса h регламентируется 6-12м.
Приняв условно h за единицу, крутизну откоса обозначают как отношение 1:d. При крутизне откоса 1:0,5 имеем основание а в два раза меньше, чем высота откоса (рис.) При а=1,5 крутизна откоса 1:1,5
Рис. 7.2. Схема откоса
Отношение h/а – это tgφ. При крутизне 1:0,5 имеем α=64о, при крутизне
1:1,5-α=34о проектировщики считают, что только крутые скальные откосы 1:0,5, 1:0,2 требуют расчета исходя из условий предельного равновесия. Откосы 1:1,5 и 1:1,2 являются заведомо устойчивыми.