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

4. Прочность на сдвиг (срез)

Общие положения. Прочность скальной породы на сдвиг является одной из наиболее важных ее характе­ ристик, нередко представляющей больший интерес, чем прочность на сжатие и растяжение.

Обычно прочность скальной породы на сдвиг задает­ ся двумя параметрами: с и f, не несущими определенно­ го физического смысла, а являющимися лишь математи­ ческими параметрами прямой линии, заменяющей кри­ волинейную зависимость т—а на каком-то определенном интервале напряжений.

Кроме указанных параметров с и f, определяющих прочность на сдвиг по «монолитной» породе или по тре­ щине с зацеплениями, следует упомянуть угол внутрен­ него трения ф или коэффициент трения tgcp по уже об­ разовавшейся поверхности скольжения; последний не следует отождествлять с вышеупомянутым параметром /. Это различные характеристики (хотя бы потому, что они соответствуют различным состояниям породы в зоне сдвига) и их отождествление может привести к серьез­ ным ошибкам.

Как будет показано далее, кривая прочности, полу­ чаемая при испытаниях на прямой сдвиг, в принципе отличается от огибающей кругов Мора, так как при ис­ пытаниях на прямой сдвиг одно из главных напряжений всегда растягивающее, а при построении огибающей кругов Мора по результатам трехосного сжатия все три главных напряжения могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Кроме того, при испытаниях на трехосное сжатие разрушение образца происходит не по заранее заданной поверхности, а по одной из главных площадок.

Следует также учесть, что при трехосном испытании определяется интегральная прочность материала в усло­ виях неоднородного поля напряжений, в то время как при прямом сдвиге определяется прочность элементарно­ го объема при однородном поле напряжений.

Таким образом, в качестве основных параметров, оп­ ределяющих сопротивляемость скальной породы сдвигу,

уровне нормальных напряжений и прочность на сдвиг по образовавшейся поверхности скольжения, характеризу­ емая коэффициентом трения.

21

ющей нагрузки Т, которая возрастает от нуля до макси­ мального значения. В процессе испытания образца заме­ ряют его вертикальные и горизонтальные дефор­ мации или, точнее, смеще­ ния его верхней части от­ носительно нижней. Во всех случаях для выявле­ ния величины остаточного напряжения при сдвиге то необходимо продолжать испытание до получения больших величин смеще­

поворота площадок главных напряжений. Заданная по­ верхность среза никогда не совпадает с главной площад­ кой, за исключением случая Т=0, и с увеличением Т все больше отклоняется от нее. Графически это может быть проиллюстрировано кругом Мора, который, не изменяя своего центра, увеличивает свой радиус (вследствие уве­ личения т) до тех пор, пока не коснется предельной оги­ бающей кругов Мора (рис. 13).

В этот момент в зоне сдвига появляются трещины растяжения, наклоненные к заданной поверхности среза под углом Ѳ. Учитывая, что при испытании на прямой сдвиг главное напряжение о\ всегда растягивающее, по­ лучим:

где аа— нормальное напряжение в образце; т а — касательное напряжение в образце.

22

Принимая, что предельная огибающая кругов Мора, согласно теории прочности Гриффитса (см. п. 5 данной главы), описывается уравнением

легко установить, что при — oa^2Rp образующийся круг Мора будет касаться огибающей в одной и той же точке

где Тр—касательное напряжение, соответствующее мо менту начала трещинообразования.

Таким образом, трещины растяжения появляются в образце при достижении касательным напряжением ве­ личины

Однако начало трещинообразования по указанным наклонным площадкам еще не означает разрушения по заданной поверхности среза. Это разрушение, произой­ дет, когда будет исчерпана ее прочность на сдвиг, т.е. когда действующее по ней касательное напряжение до­ стигнет максимальной величины.

23

Таким образом, после достижения касательным на­ пряжением по заданной (нормальной к напряжению а а ) поверхности величины т р и образования наклонных тре­ щин оно продолжает расти, развивая процесс разруше-

ния материала в зоне сдвига. Графически это может быть представлено серией предельных кругов Мора, скользя­ щих по огибающей до достижения касательным напря­ жением максимального значения т п р (рис. 14). В этот момент происходит разрушение (скол) материала по за­ данной площадке. Исходя из предпосылки, что огибаю­ щая кругов Мора описывается уравнением Гриффитса (17), можно записать выражение для величины предель­ ной прочности на сдвиг:

При — ü a ^ R p

Мора приведены кривая прочности на сдвиг по пределу

Рассмотрим поведение скального материала при ис­ пытании его на прямой сдвиг в заданном направлении

24

при величине нормального напряжения аа=о'а. С воз­ растанием касательного напряжения вначале происхо­ дят упругие или квазиупругие деформации сдвига, в свя­ зи с чем диаграмма т—Ô имеет прямолинейное или близ-

Рис. 15. Диаграмма прочности скального материала на сдвиг (срез)

кое к прямолинейному очертание. При достижении каса­ тельным напряжением величины т р начинается процесс трещинообразования в образце, вследствие чего диа­ грамма т—Ô приобретает криволинейный характер. Воз­ никающие в этот момент трещины растяжения ориенти­ рованы под углом Ѳ к будущей поверхности скола.

При дальнейшем возрастании сдвигающей нагрузки происходит раскрытие этих трещин и появляются вторич­ ные трещины. При достижении сдвигающей нагрузкой максимального значения происходит скол образца по за­ данной поверхности сдвига.

Этот момент характеризуется достижением касатель­ ным напряжением максимума т / р , что видно из диаграм­ мы т—о, представленной на рис. 15. Однако следует иметь в виду, что образование сквозной поверхности сдвига происходит по уже разрушенной зоне с множест­ вом ранее возникших трещин растяжения и изгиба. Это как бы завершающий аккорд процесса разрушения, фак­ тически начавшегося в момент появления первых тре­ щин.

О том, что процесс разрушения в зоне сдвига начина­ ется еще до достижения касательным напряжением мак­ симальной величины тП р, свидетельствует также характер

25

вертикальных деформаций исследуемого целика. Рас­ сматривая изолированно деформации на верховой, низо­ вой и боковых гранях сдвигаемого целика, можно кон­ статировать следующее:

1) вертикальные деформации на верховой грани при возрастании сдвигающего усилия вначале равны нулю,

а затем постепенно начинают возрастать, свидетельствуя

орасширении исследуемой зоны сдвига;

2)вертикальные деформации на низовой грани вна­ чале указывают на сжатие зоны сдвига, а затем при оп­ ределенной величине сдвигающего усилия, близкого к

разрушающему скалывающему усилию т п р , также начи­ нают возрастать, свидетельствуя о начавшемся процессе расширения;

3)вертикальные деформации на боковых гранях со­ ответствуют некоторым средним значениям между опи­ санными величинами деформаций на верховой и низовой гранях.

Для примера на рис. 16 представлены два графика вертикальных смещений, замеренных при проведении полевых испытаний на сдвиг целиков в створе плотины Альто Рабагао [48]. Как видно из этих графиков, при определенной величине сдвигающего усилия вертикаль-

26

ные деформации на «низовой» грани сдвигаемого целика меняют знак, переходя в область отрицательных значе­ ний, т.е. указывая на начавшееся увеличение объема материала в зоне сдвига. Аналогичные результаты были получены при проведении уникальных испытаний на сдвиг скального целика размером 8X12X7 м (высота) при строительстве Красноярской ГЭС [32]. Это же яв­ ление было отмечено Мюллером при проведении иссле­ дований в Японии [48].

Увеличение объема скального материала в зоне сдви­

расширения скального массива в зоне сдвига с помощью преднапряженных анкеров может существенно повысить его прочность на сдвиг.

После образования сплошной поверхности скольже­ ния верхняя часть образца, отделенная от нижней, полу­ чает большую свободу в своих смещениях, вследствие чего горизонтальные деформации растут значительно быстрее. Касательное напряжение резко падает до вели­ чины to, характеризующей трение на контакте и сохра­ няющей постоянное значение при данной нормальной на­ грузке. В это время горизонтальные деформации начи­ нают интенсивно расти, а осредненные вертикальные де­ формации, возраставшие с начала испытания, практиче­ ски становятся постоянными (см. рис. 12).

Аналогичный характер поведения материала перед

После образования сплошной поверхности скольже­ ния, т. е. после скола материала по заданной площадке, его прочность на сдвиг определяется величиной

Коэффициент трения t g у является характеристикой образующего контакт материала и не зависит от формы и шероховатости контактной поверхности, а ткже от ве­ личины нормальных напряжений. Для скальных пород величина коэффициента трения, по-видимому, колеблет­ ся в довольно узких пределах, как правило, от 0,5 до 0,8. Это — наиболее стабильная характеристика, не подвер­ женная заметному влиянию масштабного эффекта.

27