Файл: Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2024
Просмотров: 65
Скачиваний: 0
деформативность не только скального материала, но и массива в целом. Выполнить сразу оба условия практи чески не представляется возможным, так как не может быть смоделирован в соответствии с геометрическим масштабом размер трещин в натуре и модели и одновре-
Рис. 67. Подобие диаграмм деформирования натурного
имодельного материалов
/— натура; 2 —модель
менно выдержана интенсивность трещиноватостп в пре делах отдельных скальных блоков. В каждом конкрет ном случае необходимо выявить, какой из факторов яв ляется определяющим, и стремиться к его более точному воспроизведению. При изучении поведения скального ос нования под пятой сооружения обычно приходится жертвовать подобием деформативности материала скальных блоков с целью достижения подобия деформа тивности основания в целом. При этом определение деформативности основания на модели должно осуществ ляться методом, аналогичным использованному в натур ных условиях для определения деформативности реаль ного скального массива. Например, если модуль дефор мации и упругости определялся в натуре нагружением массива гибкими штампами, то и на модели определе ние этих параметров следует осуществлять аналогичным методом. Ультразвуковые измерения на модели могут
152
быть сопоставлены с геофизическими исследованиями в натуре.
Складывая модель из блоков различного размера, изготовленных из одного и того же материала, можно получить различную деформативность модельного осно вания в зависимости от размеров и ориентации блоков. Сточки зрения наибольшего приближения к натуре пред ставляется целесообразным иметь блоки возможно мень шего размера, однако это весьма усложняет работу, так
как количество блоков |
растет в кубической |
пропорцио |
|
нальности |
(например, |
при уменьшении размера блоков |
|
в два раза |
их количество возрастает в восемь |
раз) и за |
трудняет установку контрольно-измерительной аппарату ры в самих блоках и между ними.
С другой стороны, укрупнение блоков может, во-пер вых, привести к искажению общей картины деформативности и, во-вторых, увеличить влияние масштабного эф фекта в зависимости от соотношения размеров блока и опорной поверхности сооружения. Как показывают ис следования, для снижения влияния масштабного эффек
та размер блока в основании |
не |
должен |
превосходить |
||
0,1 ширины пяты сооружения. |
|
|
|
||
Если объектом исследования |
является |
напряженное |
|||
состояние сооружения на |
скальном основании, а не са |
||||
мого скального |
основания, |
модель скального основания |
|||
целесообразно |
выполнять |
из |
сплошных материалов со |
ответствующей деформативности, так как воспроизведе ние в этом случае блочного строения основания вызовет неоправданное усложнение модели.
Ползучесть реальных скальных пород под нагрузкой может быть воспроизведена ползучестью модельного ма териала, причем определяющими параметрами в этом случае являются начальная и конечная величины дефор маций [8], а масштаб времени выбирается таким обра зом, чтобы выполнялось условие равенства конечных де формаций. Однако практически наиболее простым спо собом учета ползучести реального скального материала является назначение соответствующих значений модулей деформации или упругости, или, иными словами, соот ветствующее снижение расчетных значений модулей. Та ким образом, исследование ведется с расчетом на ко нечную величину деформации материала под нагрузкой.
При моделировании трещиноватых скальных осно ваний всегда необходимо иметь в виду возможные под-
153
шіжки по трещинам, а также локальные разрушения и обмятая материала вследствие концентрации напряже ний. Это требует учета прочностных параметров при мо делировании. Если при испытании сплошных и однород ных моделей моделирование прочностных параметров
Рис. 68. Подобие диаграмм прочности натурного и модельного материалов
/ — натура; 2 — модель
необходимо лишь при доведении модели до разрушения за пределами упругости, то при исследовании слоистых или блочных моделей даже в пределах так называемой «упругой стадии», как правило, необходимо моделиро вать те или иные прочностные характеристики на сдвиг по контактам между блоками.
Рассмотрим огибающую кругов Мора для натурного материала, представленную на рис. 68. Поскольку как касательные, так и нормальные напряжения должны подчиняться одному и тому же масштабу подобия на пряжений, огибающая кругов Мора для модельного ма териала может быть получена пропорциональным умень шением в £ раз абсцисс и ординат огибающей для натур ного материала. Другими словами, необходимо как бы осуществить сжатие этой огибающей по радиусам, про веденным из начала координат (рис. 68), причем отно шение радиуса OA к радиусу OA' должно быть равно масштабу напряжений £.
При моделировании динамических воздействий на сооружение или его скальное основание необходимо за давать периоды колебаний или продолжительность воз-
154
действия импульса таким образом, чтобы был соблюден масштаб времени, который при моделировании статиче ских условий работы практически не рассматривается.
Принимая во внимание, что гравитационное ускоре ние g, определяющее вес и массу, как в натуре, так и на модели является одним и тем же, масштаб ускорений должен быть равен единице, откуда следует, что мас штаб времени должен быть равен:
ѳ = уя. |
(196) |
Определение коэффициента запаса прочности соору жения или его скального основания на модели. В общем виде коэффициент запаса прочности определяется сопо ставлением максимального главного напряжения о п в опасной точке с прочностью материала в этой точке в за данных условиях объемного напряженного состояния /?„:
(197)
Для установления положения этой опасной точки, ве личины и площадки действия максимального главного напряжения, а также прочности материала в этих неиз вестных пока условиях нагружения могут быть исполь зованы два способа.
1. Пропорционально снижая прочность всех состав ляющих модель материалов, ее доводят до разрушения. В момент разрушения прочность материала будет равна величине максимального главного напряжения в опас ной точке, где и начнется разрушение. Практическая трудность осуществления постепенного, пропорциональ ного и контролируемого снижения прочности составляю щих модель материалов исключает возможность исполь зования этого способа на практике.
2. Путем искусственного увеличения всех действую щих на модель сил увеличивают величину максимально го главного напряжения без искажения его направления и площадки действия. Это увеличение всех действующих сил (как внешних, так и внутренних) осуществляется вплоть до разрушения модели, когда величина макси мального главного напряжения становится равной проч ности материала в этих условиях напряженного состоя ния:
а' = R . |
(198) |
155
Предполагая, что увеличение напряжений в модели пропорционально увеличению нагрузок, можно записать:
K-Rnon |
= o'nan = P'!P, |
(199) |
где Р — эксплуатационная или расчетная нагрузка на модели;
Р' — максимальная нагрузка на модели в момент ее разрушения.
Этот метод нашел очень широкое применение на практике.
Следует еще раз подчеркнуть, что для увеличения главных напряжений без изменения их направлений и точек приложения должны увеличиваться пропорцио нально все действующие на модели силы, включая и си лы собственного веса, которые в действительности не могут увеличиваться.
3. Выбор материалов для моделирования
Применяемые для изготовления моделей материалы должны отвечать следующим требованиям:
1)быть однородными и изотропными;
2)иметь деформативные и прочностные характерис тики, соответствующие требуемым по законам подобия;
3)иметь величину коэффициента Пуассона, пример но равную величине коэффициента Пуассона для натур ного материала;
4)иметь достаточно низкий модуль упругости, обес печивающий возможность замера деформаций имеющей ся измерительной аппаратурой;
5)не обладать ползучестью под нагрузкой, принятой для испытания;
6)иметь постоянные во времени физические и меха нические характеристики;
7)быть простыми в изготовлении и легко формуе
мыми;
8)допускать наклейку на свою поверхность после со ответствующей подготовки ее электротензодатчиков;
9)не обладать большой усадкой при твердении;
10)иметь соответствующий объемный вес при иссле довании влияния собственного веса сооружения или скального массива;
11)иметь аналогичную структуру и подобный натур-
156
ным материалам характер разрушения при изучении по ведения модели за пределами упругости вплоть до раз рушения;
12) быть дешевыми и легкодоступными.
Практически не существует ни одного материала, ко торый отвечал бы всем этим требованиям, однако в каж дом конкретном случае можно подобрать тот или иной материал, отвечающий основным требованиям постав ленного исследования.
Для воспроизведения бетонных сооружений и скаль ных оснований обычно используют составы на основе гипсового или цементного вяжущего. Предпочтение ча ще всего отдается гипсовым материалам благодаря, во-
первых, их быстрому схватыванию и «созреванию» |
и, |
||
во-вторых, их легкой обработке. Основным |
недостатком |
||
этих материалов является их разрушение |
под |
действи |
|
ем воды и сильная зависимость их прочностных |
и |
де- |
формативных характеристик от влажности окружающей среды. Для исключения этого воздействия необходимо либо поддерживать постоянные температурно-влажност- ные условия в лаборатории, либо после достижения ма териалом модели стабильной влажности покрывать ее тонкой пленкой шеллачного лака или другого водонепро ницаемого материала.
На основе гипсового вяжущего могут быть получены составы в довольно широком диапазоне модулей дефор
маций (упругости): практически |
от £ м „ н = 7 0 0 0 |
кгс/см2 |
|||||
и до £.макс= ЮОООО кгс/см2 |
(рис. 69). В особых |
случаях |
|||||
удается выходить и за эти рамки. |
|
|
|
|
|
||
Водогипсовое отношение (по весу) практически |
из |
||||||
меняется в пределах от 0,6 до 4. |
При меньших |
количест |
|||||
вах воды (В/Г<0,6) |
смесь |
получается |
очень |
жесткой, |
|||
плохо перемешиваемой и трудно укладываемой |
(плохо |
||||||
формуемой); при больших количествах воды |
|
(В/Г>4) |
|||||
материал получается |
слишком |
слабым |
и рыхлым, |
так |
что на нем становится очень сложно производить изме рения.
При водогипсовых отношениях, равных или больших 0,8, необходимо, как правило, добавлять в состав диато мит, который связывает лишнюю воду, не давая гипсу осаждаться на дно, и уменьшает усадку модели после высыхания. Прочностные и деформативные характери стики от содержания диатомита практически не за висят.
157
Диатомит состоит из чистого аморфного кремнезема Si02 и представляет собой ископаемые остатки так на зываемых диатомитовых водорослей (пористые образо вания из кремнезема, служившие жилищем микроорга-
0 |
1 |
2 |
з в/г |
Рис. 70. Зависимость прочно- |
|
|
|
|
|
||
Рис. 69. |
Зависимость |
модуля |
сти и модуля упругости |
гипсо- |
|
упругости гипса от содержания |
песчаного материала от содер- |
||||
|
в нем воды |
|
жания в нем песка при |
В/Г=\ |
низмам — диатомам). В 1 см3 |
диатомита около 1,5 млн. |
||
индивидуальных ячеек. |
|
|
|
Продукт, получаемый при мелком |
помоле |
диатомита |
|
и используемый как добавка |
к бетонным и |
гипсовым |
|
растворам, называется целитом. Он имеет |
следующие |
||
основные характеристики: |
|
|
|
Крупность помола — процент (по весу) |
час |
|
|
тиц, проходящих через сито с отверстиями раз |
|
||
мером 0,074 мм |
|
92 |
|
Объемный вес в г/см3 |
|
0,15—0,18 |
|
Влажность в % |
|
1—6 |
|
Удельный вес в г/см3 |
|
2,1—2,3 |
Обладая колоссальной поверхностью и практически нулевой химической активностью, диатомит (целит) спо собен связать большое количество воды, не оказывая практического влияния на прочностные и деформативные характеристики получаемого состава. По мере схва тывания гипса диатомит отдает ему свою воду, обеспе чивая таким образом необходимое водогипсовое отно-
158
шение. Без использования диатомита или другого анало гичного материала было бы невозможно получать соста вы с £ / Г>1,5, так как при таком количестве воды гипс не может быть распределен по всему ее объему, в резуль тате чего происходит сегрегация смеси с осаждением гипса и выделением воды на поверхности модели.
Количество диатомита (целита) выбирается из усло вия получения необходимой пастообразной консистен ции раствора [66].
Для увеличения модуля упругости материала в него часто добавляют песок, который увеличивает как проч ность материала, так и в еще большей степени модуль его упругости. Если прочность материала увеличивается в линейной зависимости от увеличения содержания песка, то модуль упругости увеличивается по параболе (рис. 70). Увеличение прочности, вероятно, связано с тем, что, отбирая у гипса часть влаги на обволакивание пленкой
своих частиц, песок снижает водогипсовое |
отношение. |
|
В связи с этим следует |
вносить в состав соответствую |
|
щие коррективы [34]. |
|
|
Для придания материалу повышенной деформативно |
||
сти в него добавляют |
поливинилацетатную |
эмульсию, |
шарики полистирола, резиновую крошку и т. п. или вво дят газообразователь.
В исследованиях, в которых необходимо соблюдение равенства объемных весов натуры и модели, для увели чения объемного веса модельного материала в него обыч но добавляют молотый барит (сульфат бария), имеющий удельный вес 4,5 г/см3. Являясь практически нераствори мым в воде материалом, молотый барит может полно стью или частично заменить в этом случае диатомит. Например, в одном исследовании, проведенном под ру ководством автора, при моделировании базальтов объ емным весом 2—2,4 т/м3 был использован состав, содер жащий на 1 весовую часть гипса 1 часть песка, 15 частей барита и 4 части воды.
Для воспроизведения на модели мягких и пластич ных глинистых материалов и прослоек обычно использу ют составы на основе парафина, воска или желатина. Иногда используют также смеси песка или молотой гли ны с вазелином, солидолом или другим густым техниче ским маслом.
159