Файл: Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве.pdf

Ал = (у12ц) Шу + elQ;

А, = (Ѵ.12|і)(вХ + 4Л)-

Пренебрегая изменением плотности воды с изменени­ ем координат точки, левую часть уравнения (123) можно представить в таком виде:

д (уѵх);дх + д (уѵу);ду + д (уѵг);дг = kx д*р дх* + куд*~р,ду* -|-

ет знать «уравнение состояния», определяющее поведение жидкости и газа в трещинах, или, иными словами, уста­ новить термодинамический режим течения. Если пред­ положить, что режим фильтрационного потока будет изо­

или сжимаемости воды; р — величина избыточного давления.

Изменение плотности воды во времени будет равно:

Объем воздуха, находящегося в пустотах скального массива, будет изменяться с изменением давления, вопервых, вследствие растворения воздуха в воде, и вовторых, вследствие его сжимаемости.

Согласно закону Генри — Дальтона, количество рас­ творяющегося в воде воздуха может быть определено по зависимости

82

+ Po (І + ßp) foo + rvPo (1 — flo)] [Mn0 - a1 ) dp;dt —

-(1 + ßp) [Po (1 - a0) + P\ [Po + P (1 - ^Po)l dol№\. (135)

Приравнивая правые части уравнений (125) и (135), получим

Это и есть общее дифференциальное уравнение движе­ ния фильтрующейся воды через трещиноватый скальный массив. Оно показывает, что при резком изменении внешних условий или общего напряженного состояния массива внутри него произойдет возрастание давления в трещинах, что может привести к резкому снижению не­ сущей способности массива и его устойчивости.

Как показали исследования и наблюдения, фильтра­ ционный поток часто движется не по всему поперечному сечению трещины, а лишь по образованным им в трещи­ не или ее заполнителе каналам. В результате вместо сплошного фильтрационного потока образуется разветв­ ленная сеть «ручейков», пронизывающая весь скальный массив. Это явление было зафиксировано при исследо­ ваниях водопроницаемости основания арочной плотины Рапель ( # = 1 0 7 ж) в Чили [65].

В этом случае весьма сложно рассчитать фильтраци­ онный поток и, что еще более важно, весьма трудно его дренировать. Сеть дренажных скважин в этих условиях может оказаться практически неэффективной.

8. Естественное напряженное состояние

скального массива

При строительстве на скальном основании и особен­ но при строительстве подземных сооружений в скале не­ обходимо учитывать естественное напряженное состоя­ ние скального массива, так как поведение породы на глу-

84

бине, а также ее прочность и деформативность в значи­ тельной степени определяются величиной и направлени­ ем существующего тензора напряжений. Достаточно от­ метить, что скальные породы, характеризующиеся в обычных условиях хрупким поведением, при напряже­ ниях около 1000 кгс/см2 становятся пластичными.

Естественное сжатие горных пород увеличивается с глубиной и придает скальным массивам такие механиче­ ские свойства, которые являются решающими для прак­ тического их использования.

Первая гипотеза о распределении напряжений по глубине скального массива была выдвинута швейцарс­ ким геологом Альбертом Геймом в 1878 г. Он предполо­

где ц—коэффициент Пуассона для горной породы. Многочисленные исследования, проведенные в раз­

личных скальных породах, дают основание заключить, что и эта гипотеза не подтверждается на практике, не говоря уже о том, что всегда довольно трудно оценить коэффициент Пуассона для трещиноватого скального массива.

Не выдвигая никаких гипотез, можно в общем виде записать

где k — коэффициент бокового давления, величина кото­ рого может изменяться в весьма широких пределах в за­ висимости от локальных условий. Она может быть как меньше единицы, так и значительно превосходить ее [5, 70, 79].

85

Интересные исследования по выявлению влияния ис­ тории загружения на формирование напряженного со­ стояния и, в частности, на величину коэффициента k для

женного состояния в массиве горной породы связано не только с его собственным весом и историей загружения, но и с историей тектонических подвижек, происходивших в прошлом.

Весьма показательными в этом отношении являются результаты замеров естественных напряжений в скаль­ ном массиве по обе стороны от крупного тектонического сброса в районе расположения подземного машинного зала ГЭС Пикотэ в Португалии [71] (рис. 44). С обеих сторон замеренные величины вертикальных напряжений превысили величину, рассчитанную по глубине заложе­ ния (19,6 кгс/см2), причем если с низовой стороны сбро-

86