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 к_ф, 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 к_ф, м/сут делятся на сильно водопроницаемые (к_ф>1), средние при к_ф=1-0,1 и слабо водопроницаемые при к_ф<0,1

Угол внутреннего трения φ^о 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.

Условия сдвига в зависимости от ширины трещин

По трещинам шириной в мм Таблица 7.2.

Прочность на сжатие (R_c, 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 К_рз: отношение сопротивления сжатию в водонасыщенном состоянии к сопротивлению сжатию в воздушно-сухом состоянии.

Для неразмягчаемых пород К_рз≥0,75, а для размягчаемых К_рз<0,75.

Степень выветрелости К_св: отношение удельного веса выветрелой породы к удельному весу невыветрелой породы.

Для слабовыветрелой породы К_св=1-0,90; для выветрелой породы К_св=0,9-0,8; для сильно выветрелой породы К_св<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=64^о, при крутизне

1:1,5-α=34^о 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.