П 01-73/ВНИИГ. Руководство по полевым исследованиям сопротивления скальных оснований гидросооружений сдвигу
(внесено ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, согласовано Главниипроектом Минэнерго СССР)
Примечание
Документ введен в действие с II квартала 1973 года.
Внесено Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники им. Б. Е. Веденеева
Согласовано ГЛАВНИИПРОЕКТОМ МИНЭНЕРГО СССР
РУКОВОДСТВО ПО ПОЛЕВЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ СОПРОТИВЛЕНИЯ СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЙ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ СДВИГУ
Срок введения II квартал 1973 года
В «Руководстве по полевым исследованиям сопротивления скальных оснований гидросооружений сдвигу» изложены требования по подготовке и проведению исследований сопротивляемости сдвигу скальных массивов. Руководство предназначено для изыскательских, проектных и научно-исследовательских организаций, выполняющих геомеханические исследования скальных оснований гидротехнических сооружений.
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими расчетными характеристиками, определяющими устойчивость бетонных плотин всех типов, возводимых на скальных основаниях, а также устойчивость береговых откосов и примыканий арочных плотин, являются параметры сопротивления пород сдвигу. Эти параметры определяют меру сопротивления скальных массивов сдвигающим нагрузкам, которые являются основным видом силового воздействия подпорных гидротехнических сооружений на их основания.
В зависимости от типа и конструкции бетонной плотины и геологического строения ее скального основания возможными видами нарушения устойчивости плотины и разрушения основания могут быть: сдвиг плотины по контакту с основанием или сдвиг плотины с захватом некоторого объема скального массива основания. Указанные виды нарушения устойчивости бетонных плотин вызывают необходимость проведения следующих видов испытаний сопротивляемости пород сдвигу:
б) скального массива по плоскостям, как совпадающим с ослаблениями (трещинами, разломами и т.д.), так и по другим, кинематически возможным направлениям в массиве.
Определение параметров сопротивления сдвигу контакта бетон — скала производится при различных нормальных напряжениях путем прямого среза — сдвига штампов, прибетонированных к поверхности испытуемой скалы. Традиционным методом исследований сопротивляемости сдвигу (срезу) пород и зон ослаблений является прямой сдвиг скальных целиков также при различных нормальных напряжениях.
Основное влияние на выбор мест и условий проведения опытов, их количество и масштабы опытных штампов и целиков оказывают инженерно-геологические условия, а также тип и размеры плотин. Среди геологических факторов наибольшее значение в этом плане имеет неоднородность основания, определяющая объемы и условия проведения опытов. Тип и размеры сооружения обусловливают интервалы нагрузок при проведении опытов и направление действующих сил.
Для оценки сопротивляемости пород сдвигу необходимо в процессе проведения каждого опыта определять характер и величину смещений исследуемой скалы или прибетонированных к ней штампов при действии нагрузки, а также определять величину предельной касательной нагрузки при заданном нормальном напряжении.
В результате проведения исследований для каждой характерной зоны основания должна быть выявлена закономерность изменения сопротивления пород сдвигу в зависимости от величины нормальных напряжений в плоскости сдвига. В большинстве случаев обобщение результатов и определение численных значений параметров сопротивления пород сдвигу в исследуемом интервале нормальных напряжений при прямом срезе штампов (целиков) выполняется в форме линейной зависимости Кулона.
В настоящем Руководстве изложены требования по подготовке и проведению исследований сопротивляемости сдвигу отдельных квазиоднородных зон оснований бетонных плотин. В нем не рассматриваются методы определения интегральной сопротивляемости сдвигу неоднородных оснований, а также не рассматриваются методы распространения полученных результатов на большие участки скального массива.
Руководство составлено по заданию Главниипроекта Минэнерго СССР в Лаборатории механики скальных оснований Отдела оснований гидросооружений и механики грунтов Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е. Веденеева канд. техн. наук Д.Д. Сапегиным.
При подготовке и составлении Руководства были использованы материалы ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и института Гидропроект им. С.Я. Жука по исследованию сопротивляемости сдвигу скальных оснований плотин Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Наглу (Афганистан), Кырджали (Народная Республика Болгария), Токтогульской, Чиркейской и ряда других ГЭС. Были также привлечены литературные данные о проведении таких исследований за рубежом.
В Руководстве учтены замечания и пожелания Гидропроекта им. С.Я. Жука и его Ленинградского отделения, МИСИ им. В.В. Куйбышева, Московского автодорожного института (МАДИ) и других организаций.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящее Руководство распространяется на полевые статические испытания, выполняемые методом прямого сдвига бетонных штампов и целиков скалы для определения характеристик сопротивляемости сдвигу пород в основаниях и береговых примыканиях подпорных гидротехнических сооружений всех классов капитальности, а также в скальных откосах.
Примечание. Руководство не распространяется на специальные исследования процессов ползучести скальных пород при сдвиге.
1.2 Основными задачами полевых испытаний являются:
определение характера и величин смещений скалы или прибетонированных к скале штампов в зависимости от величины нормальных и касательных напряжений в плоскости сдвига и времени приложения нагрузок;
выявление закономерностей изменения сопротивления естественных и зацементированных пород сдвигу в зависимости от величины нормальных напряжений;
установление параметров сопротивления пород сдвигу.
1.3. В соответствии с нормами и техническими условиями проектирования бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях (СН 123-60), рассматривающими в качестве основного расчетного случай сдвига плотины непосредственно по поверхности сопряжения ее с основанием, для плотин высотой более 25 м, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, и для плотин высотой более 75 м, строящихся в геологических условиях любой сложности, определение численных значений параметров сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала следует выполнять путем проведения специальных полевых исследований методом штампов, прибетонированных к поверхности скалы.
1.4. Параметры сопротивляемости пород сдвигу, в случае слоистости основания или при наличии определенно выраженных трещин и ослабленных плоскостей в скальном массиве, надлежит определять путем проведения специальных исследований методом сдвига скальных блоков (целиков). Аналогично необходимо проводить исследования сопротивляемости сдвигу тектонических зон, а также скальных откосов.
1.5. Сопротивление сдвигу пород по контакту бетон — скала или ослабленных зон в скальном массиве (пропластков, трещин или тектонических зон) надлежит определять путем приложения возрастающей силы к штампу или целику скалы, предварительно загруженному нормальной силой заданной величины. Отношение величины предельных касательных напряжений к нормальным называется коэффициентом сдвига и является мерой сопротивления скальных пород сдвигу при данном нормальном давлении.
1.6. Исследования сопротивляемости скальных оснований гидросооружений сдвигу необходимо проводить на основе технической и рабочей программ.
1.7. В техническую программу полевых опытов следует включать обоснование выбора типичных мест для расположения опытных участков, учитывающее геологические условия и местоположение сооружения, его напор и нагрузки в подошве плотины и кинематически возможные схемы разрушения основания, а также основные положения методики и техники выполнения исследований.
1.8. Опыты необходимо проводить по рабочей программе, в которой определяется объем исследований, методика и техника проведения опытов и обработки их результатов. В зависимости от получаемых результатов в рабочую программу исследований должны вноситься изменения как в объем, так и методику исследований. Эти изменения следует направить на более глубокое и полное выявление характера деформаций и величины сопротивления пород сдвигу при различном соотношении нормальных и касательных напряжений в плоскости сдвига.
1.9. На опытные работы должен составляться проект, включающий рабочие чертежи и сметы на выполнение подготовительных строительно-монтажных работ, а также на монтаж опытной установки и проведение опытов.
1.10. На проведение опытов следует составлять специальные инструкции, учитывающие конкретные условия выполнения исследований и требования настоящего Руководства. В инструкции необходимо определить:
а) приемы подготовки опытных участков и площадок и технические требования к ним;
б) последовательность и приемы монтажа и демонтажа опытной установки;
в) требования и способы установки и поверки измерительных приборов;
г) последовательность операций по изменению нагрузок;
д) способы и последовательность снятия показаний измерительных приборов;
е) форма ведения журналов наблюдения за ходом выполнения опыта;
ж) правила безопасного ведения подготовительных и экспериментальных работ.
1.11. Полевые исследования сопротивляемости скальных пород сдвигу следует сопровождать лабораторными определениями физико-механических свойств породы и заполнителя трещин (грансостав, влажность до и после опытов, параметры сопротивления сдвигу, прочности и деформируемости и т.д.).
2. ВЫБОР И ПОДГОТОВКА ОПЫТНЫХ УЧАСТКОВ
2.1. Исследования сопротивляемости скальных оснований гидросооружений сдвигу следует проводить на специально подготовленных опытных участках: в штольнях, шахтах, камерах, траншеях и на открытых площадках (в котлованах сооружений).
2.2 Местоположение и направление осей опытных участков должно выбираться с учетом следующих основных требований:
а) опытные участки должны располагаться в наиболее характерных по составу и степени сохранности зонах скального массива для данного створа;
б) отметка поверхности скалы на опытных участках должна определяться заложением подошвы плотины в случае исследования сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала или местоположением ослабленной плоскости или зоны в случае исследования сопротивляемости пород сдвигу по такой поверхности;
Примечание. На ранних стадиях проектирования, когда еще отсутствует строительный котлован, опыты можно проводить в разведочных штольнях, расположенных в береговых склонах выше уровня воды при паводках реки.
в) оси опытных участков необходимо располагать таким образом, чтобы направление усилий при проведении опытов соответствовало либо направлению усилий, возникающих в подошве сооружения, либо определялось характером залегания пород (падение и простирание слоев, системы трещин, разломы и т.д.).
2.3. При определении размеров опытных участков следует исходить из габаритов сдвигаемых штампов (целиков) и конструкции опытной установки, условий монтажа, демонтажа и транспортировки ее узлов, требований размещения измерительной аппаратуры, а также требований техники безопасности при выполнении подготовительных и экспериментальных работ.
2.4. Размеры штампов (целиков) следует выбирать с учетом трещиноватости (блочности) испытуемого скального массива. Чем больше размер отдельностей в основании, тем больше должен быть размер штампа (целика). Необходимо, чтобы минимальный размер штампа (целика) превышал не менее чем в два раза соответствующий размер отдельности.
2.5. Количество опытных штампов (целиков) на каждой характерной разности пород надлежит принимать не менее шести, сдвигаемых не менее чем при трех различных нормальных нагрузках. В случае большого разброса экспериментальных точек, обусловленного неоднородностью строения скального массива, рекомендуется проводить дополнительные серии опытов. Общее количество опытов на строительной площадке следует определять в каждом случае, исходя из конкретной инженерно-геологической обстановки в створе и типа сооружения.
2.6. Для устранения взаимного влияния расстояние в свету между соседними штампами (целиками) следует назначать не менее ширины штампа или целика.
2.7. Проходку опытных участков взрывным способом необходимо производить с соблюдением мер, ограничивающих образование новых трещин в массиве. При этом необходимо ограничивать длину шпуров, вес взрывчатых веществ и их бризантность, а также количество одновременно взрываемых шпуров. Часть породы, прилегающую непосредственно к поверхностям, на которых будут располагаться опытные площадки со штампами, или к целикам, следует разбирать без применения взрывов (при помощи отбойных молотков, перфораторов, клиньев и т.д.). Рекомендуется, чтобы этот защитный слой породы составлял не менее 50 см.
2.8. Выбор на опытном участке местоположения конкретных площадок (точек) для проведения опытов надлежит производить комиссией на основе анализа геологической документации как створа в целом, так и опытного участка, и осмотра выработок и площадок на месте. В комиссию должны быть включены главный геолог объекта, представители проектной, строительной и исследовательской организаций.
2.9. На выбранных площадках (точках) необходимо выполнить подготовительные работы, включающие окончательную доборку скалы, составление подробной геологической и микротопографической документации, а также необходимые буровые и строительные работы и т.д.
2.10. При подготовке опытных участков для проведения исследований сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала необходимо руководствоваться следующими требованиями.
а) На месте установки штампа поверхность породы следует сделать горизонтальной или придать ей однообразный уклон. Все отслаивающиеся и расшатанные отдельности, а также продукты выветривания породы (мелкозем, ожелезненные пленки и т.д.) следует удалить. Высота неровностей (шероховатости) должна быть естественной, но не более 10 — 15 см.
б) При подготовке опытных площадок в породах, быстро разрушающихся в результате разгрузки и изменения температурно-влажностного режима, таких как некоторые разновидности сланцев, аргиллиты и т.д., необходимо подготовленную поверхность скалы сразу же покрывать защитным слоем (битумом, асфальтом, песком и т.д.), который удаляется только непосредственно перед бетонированием штампа.
в) Размер стороны бетонного штампа в плоскости среза не следует принимать меньше 50 см. Как правило, опыты рекомендуется проводить со штампами, имеющими площадь подошвы 1 — 4 м2. Высоту штампа следует принимать не менее половины длины его короткой стороны в плоскости сдвига.
г) Бетон необходимо укладывать на очищенную и хорошо промытую рваную поверхность скалы. Марка бетона должна соответствовать марке, предусмотренной проектом в прискальных блоках плотины. Укладку бетона и отбор образцов для определения его прочности надлежит производить на основе соответствующих технических условий и инструкций.
2.11. При подготовке целиков для испытаний сопротивляемости пород сдвигу по трещинам и плоскостям ослаблений в скальном массиве необходимо руководствоваться следующими указаниями.
а) Испытуемый слабый прослоек или трещина должны располагаться в основании целика.
б) Целик рекомендуется обуривать по периметру, а оставшиеся перемычки перепиливать. В случае испытания целиков со сторонами более 2 м для оконтуривания его допускается применение «гладкого откола».
в) Высоту целика рекомендуется принимать размером, равным не менее половины длины его короткой стороны в плоскости сдвига.
г) Целик по боковым граням рекомендуется облицовывать армированным бетоном, обеспечивающим его сохранность от разрушения в процессе опыта. Область сдвига по всему периметру целика не должна бетонироваться. Минимальная ширина этой области 10 см. В пределах небетонированной полосы измерительные приборы следует устанавливать выше и ниже предполагаемой плоскости сдвига.
д) Для предохранения испытуемого прослойка (трещины) от разгрузки рекомендуется применять технологию разработки породы, обеспечивающую сохранение естественного напряженного состояния в плоскости сдвига. В частности, отделение целика от противоположной стенки (потолка) камеры в этом случае должно производиться в последнюю очередь после бетонирования стенок целика и передачи естественного напряжения на его облицовку при помощи домкратов, распорок и т.д.
2.12 Для оценки изменения характеристик деформируемости и сопротивляемости сдвигу пород после их цементации рекомендуется в тех случаях, когда это является целесообразным, выполнять сопоставительные серии опытов на естественных и на зацементированных породах. Цементация исследуемых пород при этом должна выполняться в соответствии с техническими условиями, принятыми в проекте сооружения. Подготовку сопоставительных испытаний сопротивляемости зацементированных пород сдвигу рекомендуется выполнять следующим образом.
а) При изучении влияния цементации на сопротивляемость сдвигу контакта бетон — скала в однотипных инженерно-геологических условиях подготавливаются два опытных участка-близнеца. Подобные подготовительные операции, включая разработку скалы, бетонирование штампов и т.д., на обоих участках должны выполняться одинаково. Затем на участке, предназначенном для цементации, вокруг штампов следует уложить пригрузочную плиту, произвести загружение штампа давлением, на 10 — 15% превышающем инъекционное, и выполнить цементацию основания штампов. По окончании цементационных работ пригрузочную плиту следует разобрать и, после того как инъекционный раствор наберет прочность, приступить к испытаниям сопротивляемости сдвигу зацементированных пород.
б) Аналогично следует выполнять подготовительные работы и для определения влияния цементации на сопротивляемость сдвигу скальных массивов по трещинам. Также должны быть подготовлены два опытных участка-близнеца с вырубленными на них и обетонированными целиками породы. На участке, предназначенном для испытания влияния цементации, на инъектируемое основание необходимо уложить пригрузочную плиту, произвести временное уплотнение необетонированной зоны сдвига целиков против вытекания инъекционного раствора, а также загрузить целики нормальной нагрузкой, на 10 — 15% превышающей инъекционное давление. После этого следует выполнить цементацию основания и целиков породы, а затем разобрать временное уплотнение зоны сдвига. По окончании срока твердения инъекционного раствора можно приступить к испытаниям зацементированных пород. Пригрузочная плита, если она не закрывает зону сдвига, может не разбираться.
Примечание. При соответствующем обосновании проходку одного из опытных участков-близнецов и вырубку на нем скальных целиков допускается производить в заранее заинъектированном массиве. Однако в этом случае по окончании вырубки и обетонирования целиков, вызывающих разуплотнение пород на опытном участке, необходимо выполнить контрольную цементацию целика и его скального основания с предварительным устройством пригрузочной плиты и временным уплотнением зоны сдвига. Испытание сопротивляемости зацементированных пород и в этом случае следует выполнять по окончании срока твердения раствора, инъектируемого в процессе контрольной цементации.
2.13. В процессе выполнения подготовительных работ необходимо составлять исполнительные документы (чертежи, схемы, зарисовки и т.д.) на буровые, строительные, цементационные и другие работы.
3. СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗОК К ШТАМПАМ И ЦЕЛИКАМ ПОРОДЫ. СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК
3.1. Испытание сопротивляемости скальных пород на сдвиг допускается выполнять на основе одной из схем приложения нагрузок (рис. 1).
Рис. 1. Схемы приложения нагрузок к штампам (целикам).
Схема первая (рис. 1, а). Сдвигающая сила T прикладывается к штампу или целику параллельно плоскости сдвига с некоторым эксцентриситетом e. Нормальная сила N, или равнодействующая нормальных сил, прикладывается либо центрально к площади сдвига, либо с эксцентриситетом, компенсирующим опрокидывающий момент от силы T. Эта схема приложения нагрузок получила наибольшее распространение при сдвиге сравнительно небольших штампов с площадью среза до 2 — 4 м2. Недостатком данной схемы является наличие опрокидывающего момента и высокая концентрация напряжений в бетоне в месте приложения сдвигающей нагрузки, которая может привести к преждевременному разрушению бетона.
Схема вторая (рис. 1, б). Нормальная сила N, или равнодействующая нормальных сил, прикладывается к площадке сдвига центрально. Сдвигающая сила T прикладывается к консоли штампа или целика в плоскости сдвига. Приложение нагрузок по второй схеме получило распространение при сдвиге бетонных штампов и целиков с площадью среза также до 2 — 4 м2.
Схема третья (рис. 1, в). Нормальная сила N, или равнодействующая нормальных сил, проходит через центр площадки сдвига. Сдвигающая сила T, или равнодействующая сдвигающих сил, прикладывается к грани штампа или целика под углом \alpha к плоскости сдвига и также проходит через центр площадки сдвига. Третья схема приложения нагрузок наиболее целесообразна при сдвигах крупномасштабных штампов и целиков. Ее следует также рекомендовать и при испытании сопротивляемости пород сдвигу штампами (целиками) любых размеров.
При прочих равных условиях рекомендуется отдавать предпочтение третьей схеме приложения нагрузок.
3.2. Нагрузки рекомендуется создавать как обычными поршневыми, так и плоскими гидравлическими домкратами.
3.3. Для проведения опытов допускается разработка и применение в каждом случае индивидуальных (не стандартных) сдвиговых установок, так как многообразие геологических условий залегания пород и конструктивных решений сооружений обусловливает значительное разнообразие в методике и технике проведения исследований сопротивляемости пород сдвигу. Характер и степень трещиноватости пород в сочетании с видом воздействия и интенсивностью нагрузок от сооружения определяют размеры и ориентировку в пространстве опытных бетонных штампов и целиков пород, плоскости сдвига которых могут занимать любое положение в пространстве, от горизонтального до вертикального. Принципиальные схемы, которыми рекомендуется руководствоваться при проектировании и изготовлении рациональной сдвиговой установки, приведены в п.п. 3.4 - 3.7.
3.4. Рекомендуется, чтобы установки для испытания сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала в подземных выработках включали узлы, приведенные на принципиальной схеме рис. 2. Напорную грань штампа рекомендуется конструктивно оформлять в соответствии с одной из схем, приведенных на рис. 1. Соответственно следует изменять расположение домкратов, создающих сдвигающую нагрузку.
Рис. 2. Схема установки для испытания сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала в подземных выработках
а — вид в плоскости поперечного сечения штольни; б — вид в плоскости вертикального сечения по оси штольни; 1 — бетонный штамп; 2 — домкрат; 3 — манометр; 4 — шарнирный узел; 4 — прогоны; 6 — рельсы; 7 — катки; 8 — потолочная опорная плита; 9, 11 — распределительные балки; 10 — рама тележки; 12 — стойки; 13 — боковая упорная плита.
3.5. При испытании сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала в траншеях, подготовленных в котлованах плотин, рекомендуется использовать установки типа приведенной на рис. 3. Вместо анкеров и грузовой балки может быть использован способ опирания вертикальных домкратов в железобетонную плиту, перекрывающую траншею и загруженную балластом, как это схематически приведено на рис. 4. Конструктивное оформление напорной грани штампа и расположение домкратов, создающих сдвигающую нагрузку, рекомендуется выполнять в соответствии с указаниями, приведенными в п. 3.4.
Рис. 3. Схема установки для испытания сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала в траншеях с передачей реакции от нормальной нагрузки на анкера
1 — катковое устройство; 2 — распределительные балки; 3 — шарнирное устройство; 4 — домкраты; 5 — бетонный штамп; 6 — толкатель; 7 — выравнивающий бетон; 8 — анкера; 9 — грузовая балка; 10 — тележка; 11 — раствор.
Рис. 4. Схема установки для испытания сопротивляемости сдвигу контакта бетон — скала в траншеях с передачей реакции от нормальной нагрузки на упорную плиту, загруженную балластом
1 — распределительная балка и катковое устройство; 2 — домкраты; 3 — бетонный штамп; 4 — толкатель; 5 — шарнирное устройство; 6 — упорная плита; 7 — балласт; 8 — выравнивающий бетон.
3.6. Испытания сопротивляемости скалы сдвигу по трещинам и ослабленным прослойкам в подземных выработках рекомендуется выполнять при помощи установок, схемы которых приведены на рис. 5.
Рис. 5. Схемы установок для испытания сопротивляемости пород сдвигу по трещинам и слабым прослойкам в подземных выработках
а — целик с бетонной обоймой, выполненной с консолью; б — целик с бетонной обоймой, имеющей уклон со стороны приложения сдвигающей силы; 1 — зона сдвига; 2 — измерительные репера; 3 — бетонная обойма скального целика; 4 — стойки реперной рамы; 5 — домкраты; 6 — боковой упорный блок; 7 — гидравлические плоские домкраты; 8, 9 — распределительные плиты; 10 — потолочная упорная плита; 11 — катки; 12 — прогоны реперной рамы.
3.7. При проведении испытаний сопротивляемости скалы сдвигу по трещинам в открытых котлованах рекомендуется использовать установки, конструктивные схемы которых аналогичны приведенным в п. 3.5.
4. УСТАНОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРЕНИЯМ В ПРОЦЕССЕ ОПЫТА
4.1. Измерения перемещений как штампа (целика), так и его скального основания, необходимо производить по трем взаимно перпендикулярным направлениям:
а) по направлению приложения сдвигающей силы (продольные смещения);
б) по направлению приложения сил, нормальных к плоскости сдвига (осадки, подъемы);
в) по направлению, перпендикулярному двум предыдущим (поперечные смещения).
4.2. Смещения штампа (целика) и его основания в процессе опыта следует измерять относительно неподвижной реперной рамы по смещениям реперов (марок), устанавливаемых как на штампе (целике), так и на поверхности основания.
4.3. Минимальное количество и расположение реперов на штампе (целике) и его основании рекомендуется принимать в соответствии со схемой, приведенной на рис. 6. Указанные репера на штампе (целике) и его основании необходимо располагать в непосредственной близости к зоне сдвига, не далее 5 — 10 см. На скале рекомендуется устанавливать репера также и на некотором удалении от грани штампа или целика (на расстоянии не более ширины штампа или целика), что позволит оценить размер активной зоны деформаций породы на опытной площадке.
Рис. 6. Схема установки измерительных реперов (марок) на бетонном штампе (целике) и скальном основании
1, 3 — марки соответственно на штампе (целике) и основании; 2, 4 — направления измерения смещений в плоскости чертежа соответственно для штампа (целика) и скального основания.
4.4. Количество измерительных приборов устанавливается в зависимости от размеров штампа (целика) и инженерно-геологических условий на опытной площадке и указывается в рабочей программе испытаний. Оно должно обеспечить получение данных, достаточных для определения характера и величины перемещений штампа (целика) и его основания в пространстве в процессе всего опыта.
4.5. Измерение перемещений штампа (целика) и его основания в процессе опыта рекомендуется производить измерительными приборами с ценой деления, обеспечивающей точность измерения 1 — 1,5% при нагрузках, составляющих 50% от максимальных. Этим требованиям в большинстве случаев удовлетворяют индикаторы (мессуры) с ценой деления 0,01 мм и интервалом измерения 10 мм.
4.6. Крепление измерительных приборов к реперной раме должно быть жестким. Опирание измерительной ножки индикатора в головку репера надлежит предусмотреть таким, чтобы обеспечить их взаимное соприкосновение с постоянным усилием, без проскальзывания и заедания.
4.7. Необходимо, чтобы реперная рама (нулевая база), относительно которой производятся измерения смещений штампов (целиков) и их оснований, представляла собой достаточно жесткую конструкцию, неподвижно закрепленную в течение всего опыта. Точки опоры реперной рамы должны быть расположены за пределами активной зоны деформаций; рекомендуемое расстояние до точек опирания в плоскости сдвига не менее 1,5 ширины штампа (целика) от его грани. При ограниченных размерах опытной площадки опоры реперной рамы рекомендовать заглублять от поверхности скалы, как это указано на рис. 5, на расстояние h, равное или превышающее ширину штампа (целика).
4.8. Перед началом опыта надлежит произвести проверку правильности работы измерительных приборов и надежности установки реперной рамы. Для этого достаточно приложить к реперной раме небольшое усилие и быстро его снять или произвести несколько легких ударов небольшим металлическим стержнем по реперной раме и сопоставить показания приборов до и после проверки. Свободное колебание стрелок приборов и возвращение их к первоначальному положению является показателем правильности установки реперной рамы и приборов.
4.9. В процессе опыта необходимо производить контроль неподвижности реперной рамы. Вертикальные перемещения реперной рамы могут определяться при помощи гидростатических микрометрических нивелиров, горизонтальные — при помощи прогибомеров соответствующей точности, закрепляемых на достаточном удалении от места опыта (5 — 10 м).
4.10. На опытном участке, вне активной зоны опытной площадки, рекомендуется устанавливать контрольные приборы, регистрирующие деформации и перемещения прилегающего к опытной площадке скального массива в зависимости от случайных факторов (температуры, вибрации и т.п.).
4.11. Во время испытания опытную площадку, в особенности реперную раму и приборы, необходимо защитить от сотрясения и вибрации, а также необходимо принять меры против резкого изменения температуры. Для контроля температуры на опытной площадке рекомендуется устанавливать термограф.
4.12. Определение величин нагрузок следует производить с точностью 1 — 2%, для чего домкраты вместе с приписанными к ним манометрами надлежит протарировать.
5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ
5.1 Опыты по исследованию сопротивляемости пород сдвигу должны включать:
а) создание в плоскости сдвига нормальных напряжений заданной величины, которые при последующем сдвиге штампа или целика поддерживаются постоянными;
б) создание в плоскости сдвига касательных напряжений, величина которых в ходе опыта увеличивается вплоть до наступления предельного состояния.
5.2. Величины нормальных напряжений в плоскости сдвига штампа или целика должны соответствовать напряжениям в подошве плотины. Сдвиги опытных бетонных штампов и целиков скалы следует производить не менее чем при трех отличающихся по величине нормальных напряжениях в их подошве от \sigma = 0 до \sigma = \sigma_{\text{макс}} , где \sigma_{\text{макс}} — максимальное нормальное напряжение в подошве проектируемой плотины.
Примечание. По возможности рекомендуется испытания выполнять при 4 — 5 различных значениях \sigma .
5.3. В том случае, когда при выполнении исследований сопротивляемости пород сдвигу рабочей программой предусмотрено параллельное изучение деформативных свойств скальных пород, загружение штампов (целиков) нормальными силами следует проводить в два этапа (рис. 7). В процессе проведения каждого этапа нагрузки должны увеличиваться ступенями до заданной интенсивности.
Рис. 7. Диаграмма изменения нормальных напряжений в плоскости сдвига при проведении первого этапа сдвигового опыта (исследование деформируемости пород), а также нормальных и касательных напряжений при срезе штампа.
5.4. Изменение интенсивности нагрузки при проведении I этапа загружения штампа (целика) нормальными силами для каждой серии опытов рекомендуется производить по диаграмме, представленной на рис. 7 и составленной с учетом следующих основных требований:
а) максимальное нормальное напряжение не должно превышать принятое для данной серии опытов;
б) весь интервал изменения напряжений при проведении испытаний рекомендуется разбивать на 5 — 7 ступеней ( \sigma_{1,2,3} и т.д.);
в) цикл нагрузка — разгрузка, представленный на диаграмме в I этапе последним, для определения полной величины остаточного смещения рекомендуется повторить многократно;
г) изменение интенсивности давления между ступенями при отсутствии специальных требований допускается производить со скоростью не более 5 ати в 1 мин.
5.5. Для определения величины полного смещения и остаточной (пластической) ее части в процессе выполнения I этапа опыта рекомендуется производить 2 — 3 сброса нагрузки до нуля или до другого сравнительно низкого давления (2 — 3 ати). При каждом изменении нагрузки должна производиться регистрация перемещений.
5.6. Разгрузку рекомендуется производить также ступенями, величины которых можно допускать в 2 раза большими, чем при нагрузке.
5.7. По данным, полученным при проведении I этапа загружения штампа (целика), рекомендуется вычислять значения модулей деформации при нагрузке и разгрузке скального массива в месте проведения опыта.
5.8. Второй этап приложения нормальных нагрузок должен быть аналогичен последнему полуциклу нагрузки, приведенному на диаграмме (рис. 7) с той лишь разницей, что после достижения установленной программой величины нормального напряжения следует приступать непосредственно к сдвигу штампа (целика).
5.9. Сдвиг штампов (целиков) должен осуществляться путем приложения сдвигающего усилия, которое следует увеличивать ступенями, составляющими 5 — 20% от нормальной нагрузки.
Примечание. По мере приближения к предельному состоянию величину ступеней рекомендуется уменьшать.
5.10. Наблюдения за перемещениями измерительных реперов на каждой ступени изменения нормальных и касательных напряжений в допредельном состоянии должны производиться, как правило, до затухания перемещения, характеризуемого разницей перемещений не более 0,02 мм за последние полчаса наблюдений. Первый отсчет по измерительным приборам должен браться сразу же после достижения назначенного уровня давления ступени, второй и последующие — через 15 — 30 мин, в зависимости от скорости стабилизации деформаций до тех пор, пока 2 — 3 последних отсчета не станут отличаться друг от друга на 0,02 мм или будут равны друг другу. В этом случае считается, что имеет место затухание или стабилизация деформаций на данной ступени нагрузки. После этого можно создавать следующую ступень нагрузки.
Примечание. Контроль стабилизации деформаций рекомендуется осуществлять путем оперативного построения графика по 1 — 2 наиболее активным приборам при постоянной нагрузке. Это позволит определить как скорость затухания деформаций, так и момент наступления предельного состояния. Затухание смещений происходит тем медленнее, чем ближе сдвигающая нагрузка к предельному сопротивлению сдвигу.
5.11. Следует различать (рис. 8) предельное сопротивление срезу (точка 1), при котором происходит нарушение прочности материала с образованием сплошной зоны разрушения в плоскости сдвига, и сопротивление сдвигу зоны разрушения (остаточное сопротивление сдвигу или просто сопротивление сдвигу, точка 2).
Примечание. Наличие пика предельного сопротивления сдвигу при срезе и остаточного сопротивления сдвигу наиболее характерно выражено для малотрещиноватых прочных пород (кривая I). В этом случае максимальное предельное сопротивление срезу имеет место при сравнительно небольших смещениях штампа (целика) — в пределах 1 — 2 мм. Сдвиг сильнотрещиноватых пород, как правило, характеризуется сравнительно большими смещениями в допредельном состоянии и отсутствием резко выраженной разницы в величинах сопротивления срезу и сдвигу (кривая II).
Рис. 8. Характерные графики продольных смещений штампов (целиков) при испытании на сдвиг малотрещиноватых прочных (кривая I) и сильнотрещиноватых пород (кривая II)
1 — предельное сопротивление пород сдвигу; 2 — предельное остаточное сопротивление сдвигу по образовавшейся трещине.
5.12. Момент предельного сопротивления сдвигу (срезу) рекомендуется определять по прекращению подъема давления в домкратах, создающих сдвигающее усилие при непрерывной работе насоса, и по непрерывному прогрессирующему смещению штампа (целика). В этот момент необходимо зарегистрировать максимальную величину сдвигающего усилия, которое и будет являться предельным сопротивлением сдвигу. Нормальное напряжение при этом необходимо поддерживать постоянным, так как в момент, предшествующий срезу, обычно происходит подъем штампа (целика), вызывающий увеличение давления в домкратах, создающих нормальное давление.
5.13. После достижения предельного сопротивления сдвигу (срезу) опыт необходимо продолжить для определения величины сдвигающего усилия, которое характеризует остаточное сопротивление сдвигу. Момент достижения остаточного сопротивления породы сдвигу рекомендуется определять по графику смещений штампа (целика).
5.14. Первый цикл испытаний сопротивления скальных пород сдвигу рекомендуется завершать сбросом ступенями до нуля вначале сдвигающей нагрузки и определением при этом обратных смещений штампа (целика). После этого производится сброс нормальной нагрузки.
5.15. Рекомендуется на каждом штампе (целике) выполнить повторные испытания сопротивляемости сдвигу пород по образовавшейся в результате первого опыта зоне разрушения (трещине). Испытания рекомендуется выполнить при нескольких различных значениях нормальных напряжений (\sigma^{I,II...}) . Примерная диаграмма изменения нормальных и касательных напряжений при сдвиге приведена на рис. 9. По окончании каждого опыта по сдвигу допускается возвращать штамп (целик) в исходное положение.
Рис. 9. Диаграмма изменения нормальных и касательных напряжений при повторных опытах по сдвигу штампа (целика) по образовавшейся после среза трещине.
5.16. Рекомендуется, чтобы различные штампы (целики) срезались при различном нормальном напряжении, а сопротивление сдвигу по образовавшейся трещине определялось при проведении повторных опытов на каждом штампе (целике) при нескольких совпадающих по величине нормальных напряжениях.
5.17. При использовании третьей схемы приложения нагрузок (рис. 1, в) нужно иметь в виду, что при увеличении наклонной силы T за счет роста нормальной к плоскости сдвига проекции этой силы увеличиваются и нормальные напряжения. Поэтому при увеличении силы T необходимо для поддержания нормальных напряжений постоянными соответственно уменьшать силу N.
5.18. Испытуемые породы в зоне сдвига рекомендуется подвергать в течение 3 — 6 суток предварительному замачиванию водой. Во время проведения опыта вся зона сдвига должна быть залита водой.
5.19. Сдвиг штампов должен производиться после набора бетоном проектной прочности.
5.20. После проведения испытаний штампы рекомендуется опрокидывать для анализа характера разрушения контакта и определения в процентах площади скола бетона и скалы, а также площади сдвига, совпадающей с контактом. При этом рекомендуется производить микротопографическую съемку рельефа поверхности сдвига (подошвы штампа и скалы). Целики скалы также рекомендуется опрокидывать или разбирать для анализа характера поверхности сдвига (трещины или ослабленного прослойка), состава заполнителя и его физико-механических свойств.
5.21. При вычислении средних значений нормальных и касательных напряжений в плоскости сдвига необходимо учитывать уклон опытной площадки по отношению к действующим силам.
5.22. Результаты испытаний сопротивляемости сдвигу каждой разности породы необходимо обобщить в виде графической зависимости величины предельных касательных напряжений от нормальных напряжений.
Примечание. Наиболее простой аппроксимацией такой зависимости является уравнение прямой линии, так как разброс экспериментальных точек, как правило, исключает получение тесных нелинейных связей (рис. 10, а).
5.23. Для некоторых пород сопротивление сдвигу существенно изменяется в зависимости от интенсивности нормальных напряжений. В этом случае рекомендуется устанавливать общую зависимость сопротивления сдвигу от нормальных напряжений в виде нелинейной функции, с целью последующей кусочно-линейной аппроксимации ее для отдельных интервалов нормальных напряжений (рис. 10, б).
Рис. 10. Графики предельных сопротивлений сдвигу при линейной (а) и нелинейной (б) зависимости от величины нормальных напряжений
1 — график \tau_{\text{пр}} = f(\sigma) ; 2 — кусочно-линейная аппроксимация зависимости \tau_{\text{пр}} = f(\sigma) в заданных интервалах нормальных напряжений; c и \phi — параметры линии предельных сопротивлений сдвигу.
5.24. Численные значения параметров сопротивления исследуемой разности пород сдвигу в зависимости от нормальных напряжений рекомендуется определять путем статистической обработки результатов испытаний.
6. ОТЧЕТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
6.1 При выполнении экспериментов необходимо вести журналы, куда должны заноситься следующие основные данные:
б) номер выработки, опытного участка, опытной площадки;
в) схемы геологического строения и трещиноватости опытных участков с нанесением мест расположения штампов (целиков);
г) геологическая характеристика и зарисовка каждой опытной площадки с нанесением местоположения штампа (целика) и измерительных реперов (марок);
д) маркшейдерская съемка опытных участков с указанием мест установки штампов (целиков) и реперов;
е) обводненность опытного участка;
ж) ведомости нагрузок, команд и отсчетов со схемой расположения реперов на поверхности основания и на штампе (целике), измерительных приборов с указанием направления измерительной ножки и привязкой приборов к штампу (целику) и с записью времени каждого отсчета нагрузок и перемещений по показаниям каждого прибора, с данными по характеристике измерительных приборов и по температуре воздуха в выработке и скалы во время опытов.
6.2. Результаты исследований должны представляться в виде технического отчета, включающего материалы экспериментальных исследований (таблицы, графики и эпюры), пояснительный текст, анализ полученных при испытании данных, а также выводы и рекомендации.
В отчете должны быть представлены:
а) краткое описание установки для проведения испытания сопротивляемости пород сдвигу, схема и фотоснимки оборудования и приборов;
б) масштабная схема расположения измерительных реперов на штампе (целике) и на скале;
в) краткое описание методики проведения опытов;
г) графики смещений наиболее характерных точек на опытной площадке (штампа, целика и основания) в зависимости от величины нормальных и касательных напряжений по трем взаимноперпендикулярным направлениям;
д) таблицы или ведомости перемещений всех марок по ступеням давлений;
е) графики зависимости предельных значений касательных напряжений от величины нормальных напряжений;
ж) графики связи нормальных и касательных напряжений для различных смещений штампа (целика) в допредельном состоянии.
6.3. Для последующего обоснованного распространения опытных данных на характерные участки основания гидротехнического сооружения помимо указанного в п. 6.2 технический отчет должен содержать:
а) краткое инженерно-геологическое описание створа, включающее продольный и поперечный разрезы, а в случае необходимости геологическую карту и фотографию створа;
б) план расположения сооружения и опытных участков;
в) краткое описание основных параметров и конструкции сооружения;
г) геологическую зарисовку опытных площадок (участков) с нанесением местоположения приборов, контуров загружаемой площадки, данных по трещиноватости исследуемых пород;
д) характерные геологические разрезы по осям опытных площадок;
е) результаты лабораторных определений физико-механических свойств характерных разностей скальных пород и заполнителя трещин;
ж) данные микротопографической съемки опытной площадки на месте укладки бетона в штамп до и после проведения опытов, а также фотоснимки нижней поверхности штампа и его скального основания;
з) данные микротопографической съемки поверхности сдвига в скале при испытании сопротивляемости сдвигу скального массива после разборки целика;
и) кинематические схемы смещений штампов (целиков) в плане и профиле;
к) схему расположения цементационных скважин, данные по поглощению цемента и удельному водопоглощению на каждой опытной площадке;
л) выводы, характеризующие сопротивляемость сдвигу характерных для створа разностей пород до и после цементации.