Н.А.Цытовин 3. Г. Тер-Мартиросян

основы

прикладной

ГЕОМЕХАНИКИ

в строительстве

Под ред. чл.-кор. АН СССР,

проф. Н. А. Цытовича

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов строительных специальностей вузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»

1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время возводятся грандиозные сооружения (напри­ мер, Рогунская плотина высотой 350 м), перекрываются глубокие долины и каньоны для создания огромных водохранилищ (иногда занимающих сотни и тысячи квадратных километров), проклады­ ваются подземные коммуникации на тысячи километров и на боль­ ших глубинах, строятся подземные города и т. д. Вопрос о влия­ нии этих сооружений на природную среду, а также об изменении действия массовых сил на сами сооружения приобретает первосте­ пенное значение.

Учебное пособие по прикладной геомеханике в строительстве посвящено проблеме количественного исследования механических процессов в верхних слоях земной коры, возникающих преимущест­ венно в результате крупномасштабной строительной деятельности людей (антропогенные факторы) и под действием массовых, гра­ витационных, сейсмических и других процессов (природные фак­ торы).

Основы данной работы были доложены Н. А. Цытовичем на VIII Международном конгрессе по механике грунтов ифундаментостроению (Москва, 1973).

В этой книге освещаются лишь основные положения отдельных разделов прикладной геомеханики (общие и дополнительные к ним физические зависимости), характеризующие природу различных горных пород земной коры и используемые при исследовании на­ пряженно-деформированного состояния пород.

Мы полагаем, что излагаемые здесь методы исследования и ре­ шения задач прикладной геомеханики могут быть полезны в изве­ стной мере и для общей глобальной геомеханики (в вопросах тек­ тоники, стратиграфии и т. п.), а также для палеогеологии и осо­ бенно для инженерной геологии.

Механические свойства горных пород, слагающих верхние слои земной коры (литосферы), изучены сравнительно мало, к тому же многообразие видов горных пород литосферы затрудняет создание единой теории для описания поведения их в допредельном и пре­ дельном состояниях. Достоверное определение этих свойств горных пород также является одной из важных задач прикладной геоме­ ханики.

На основе сформулированных зависимостей и соответствующих аналитических (теоретических) разработок рассматриваются кон­ кретные инженерные решения ряда задач (крупномасштабного гид­ ротехнического, промышленного и высотного, а также подземного

строительства, устойчивости природных склонов и т. п.), которые уже теперь с успехом могут быть использованы в строительной прак­ тике.

В настоящей работе сделана попытка обобщения материалов, полученных по рассматриваемой проблеме примерно за предшеству­ ющие 50 лет. Это оказалось тем более возможным, что в послед­ ние десятилетия отечественными специалистами (и в том числе со­ трудниками кафедры «Механика грунтов, основания и фундаменты» МИСИ) получены важные результаты по ряду разделов механи­ ки многофазных грунтов, трещиновато-блочных скальных пород и

слабых органо-минеральных масс. Естественно, что при обобщении обширных материалов иногда приходилось ограничиваться крат­ ким изложением только главнейших зависимостей и результатов (а также и некоторыми данными, известными из других курсов строительной механики: теории упругости, теории пластичности и др.), использовав их при решении задач прикладной геомеханики в строительстве, поэтому неизбежны и некоторые повторения.

Следует отметить, что при изложении вопросов геомеханики ав­ торы основывались на анализе и некотором обобщении большого количества специальной литературы и источников; В ряде случаев роль авторов сводилась к тому, чтобы объединить такие источни­ ки и соображения в единую систему и подчеркнуть в них новые и основополагающие моменты, необходимые для решения прикладных задач геомеханики в строительстве. В связи с этим авторы сочли целесообразным дать ссылки на источники как в тексте, так и в списке литературы.

Учебное -пособие предназначено для студентов инженерно-стро­ ительных вузов, а также может быть полезно для инженеров-про- ектировщиков.

Книга написана чл.-кор. АН СССР, проф. Н. А. Цытовичем (введение, гл. 2 и 6) и проф. 3. Г. Тер-Мартиросяном (гл. 1 и 3), гл. 4 и 5 написаны совместно.

Так как настоящая работа по прикладной геомеханике в пред­ лагаемом аспекте является первой как в отечественной, так и в за­ рубежной технической и инженерно-геологической литературе, то, естественно, она не лишена некоторых недостатков. Все замечания и пожелания по совершенствованию тех или иных частей книги ав­ торы примут с искренней благодарностью.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Геомеханика как наука представляет собой весьма обширную специальную область общей механики, фундаментальные положе­ ния которой сформулированы лишь в последнее десятилетие*. Ее содержание составляет количественное исследование механических процессов, протекающих в земной коре, т. е. в поверхностных слоях Земли (мощностью от нескольких десятков до сотен метров), ви­ доизмененных механическими, физическими и биологическими воз­ действиями в течение длительного времени (измеряемого иногда тысячами и миллионами лет).

Механические процессы оказывают значительное влияние на строение земной коры (что рассматривается в геологических нау­ ках: тектонике, стратиграфии, литологии и пр.) и на возводимые на ней сооружения, особенно в связи с использованием все более глубоких горизонтов земной коры для оснований крупномасштаб­ ных сооружений и среды для возведения подземных сооружений. Значение геомеханики огромно как для геологических наук, где ис­ пользуются главным образом теоретические построения и решения (в том или ином приближении) глобальных и общих региональ­ ных задач, так и особенно в прикладных задачах по строительству крупномасштабных сооружений, возведение которых весьма суще­ ственно влияет на состояние, свойства и механические процессы в слоях земной коры, находящихся под их воздействием.

При малой величине строений, небольшой нагрузке, передавае­ мой на слои земной коры, и незначительных заглублениях фунда­ ментов и самих сооружений (порядка 1—3 м) вопрос о механиче­ ских процессах, возникающих в слоях земной коры под воздействи­ ем оснований или самих сооружений, так остро не ставится и возни­ кает лишь в отдельных случаях. Когда же возводятся грандиозные сооружения (например, Рогунская плотина высотой 350 м), пере­ крываются глубокие долины и природные каньоны для создания ог­ ромных водохранилищ (иногда занимающих сотни и тысячи квад­ ратных километров), прокладываются подземные коммуникации протяженностью в тысячи километров и на больших глубинах, стро­ ятся целые подземные города и пр., вопрос о влиянии этих соору­ жений на природную среду, в данном случае на свойства и состоя­

* Цытович Н. А. Проблемы механики грунтов и скальных пород в геомехаиике. — Специальная лекция на VIII Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроению. М., 1973; Тер-Мартиросян 3 . Г. Напряженно-де­ формированное состояние массивов многофазных грунтов в прикладных задачах геомеханики в строительстве. Докт. диссертация. МИСИ, 1977.

ние слоев земной коры, а также на изменение действия массовых сил (гравитационных, сейсмических, приливно-отливных в жидкой и твердой оболочках Земли и др.) на сооружения приобретает пер­ востепенное значение.

Приведем здесь несколько примеров задач прикладной геоме­ ханики в строительстве.

П р и м е р 1. В ы с о к и е п л о т и н ы . При строительстве, на­ пример, Нурекской ГЭС (СССР) возводится каменно-земляная пло­ тина высотой 300 м, шириной по основанию 1600 м и перегоражива­ ется глубокое Пулисангинское ущелье, причем образуется огром­ ное водохранилище длиной 75 000 м, которое соберет 11 млрд, м3 воды. Полный объем каменно-грунтовой плотины составляет 56 млн. м3, а давление от нее на основание — порядка 80 кгс/см2 ( ~8М П а).

Сооружение таких высоких плотин несомненно существенно ска­ жется на напряженно-деформированном состоянии верхних слоев земной коры, а устройство огромного водохранилища — на устой­ чивости его бортов.

Примером катастрофического нарушения устойчивости бортов водохранилища может служить происшедший в 1963 г. грандиоз­ ный оползень-обвал объемом 360 млн. м3 породы в водохранилище арочной плотины Вайонт (Италия) высотой 265 м. Образовавшая­ ся в результате этого волна достигла огромной высоты над греб­ нем плотины. Перелившаяся вода смыла служебные помещения гидроузла и ряд населенных пунктов, расположенных в долине ре­ ки ниже плотины. Погибло более 3 тыс. человек и был причинен большой материальный ущерб.

Возведение высоких плотин вызывает необходимость при их проектировании делать прогнозы напряженно-деформированного состояния как телаплотины, так и его основания и устойчивости всего сооружения и бортов водохранилища, т. е. окружающей гео­ логической среды, используя современные достижения прикладной геомеханики в строительстве.

Следует также отметить, что заполнение таких крупных водо­ хранилищ, -как правило, сопровождается сейсмической активностью района строительства, что, по-видимому, связано с изменением на­ пряженного состояния верхних слоев земной коры, т. е. заполнение водохранилищ действует как своеобразный «спусковой» меха­ низм.

П р и м е р 2. Д о б ы ч а п о л е з н ы х и с к о п а е м ы х . При современной технике работ часто возводятся грандиозные по масш­ табам объекты горной промышленности, не говоря уже о шахтном строительстве, что требует значительных исследований по приклад­ ной геомеханике и разработки соответствующих технических прог­ нозов напряженно-деформированного состояния сооружений и непосредственно окружающей их земной толщи. Так, по данным ВНИМИ, при разработке Белозерского железорудного месторож­ дения (г. Запорожье) значительное снижение напоров подзем­ ных вод привело к мощному сжатию песчано-глинистых и мергель­ но-меловых толщ, что вызвало недопустимые деформации крепей

м; объем оползшего грунта составил 1.8 млн. м3. По мнению обсле­ дующей организации, основной причиной в этом случае было не­ соответствие темпа намыва гидроотвала скорости консолидации на­ мываемых суглинков и основания гидроотвала, сложенного торфя­ нистыми грунтами. Следует отметить, что такая потеря устойчиво­ сти и необходимые меры по усилению устойчивости могли быть заранее предусмотрены на основании решений прикладной геомеха­ ники.

П р и м е р 5. П о д з е м н о е с т р о и т е л ь с т в о . Поданным ГлавАПУ Госстроя СССР, в Москве проектируется построить еди­ ную общегородскую систему подземных сооружений и коммуника­ ций в несколько ярусов с устройством транспортных развязок, сто­ янок автомашин, вспомогательных служб и пр. (Правда, 1973, 23 авг.), что несомненно скажется на напряженно-деформированном состоянии верхних сло$в земной коры.

Из приведенных примеров (число которых можно было бы зна­ чительно пополнить) совершенно ясны актуальность проблем при­ кладной геомеханики в строительстве и огромное практическое зна­ чение их решений. Однако в настоящей работе на основе впервые предлагаемой систематизации обширных материалов геомехаиических исследований под углом их практического применения для различного рода крупномасштабного строительства рассматрива­ ется только ряд наиболее важных задач, решения которых уже в настоящее время можно с успехом использовать на практике.

Переходя к заключительной части введения, отметим здесь еще раз, что мы рассматриваем геомеханику более широко (чем это при­ нято некоторыми авторами), как новую, весьма обширную отрасль механики: нельзя, например, рбъединение механики горных пород только с механикой грунтов считать геомехаиикой (Австралийское общество гражданских инженеров) .или механику горных (-массив­ но-кристаллических) пород отождествлять с геомеханикой (проф. Л. Мюллер — ФРГ, Австрия).

Мы -придерживаемся более общего определения геомеханики, данного нами в начале введения, как специальной области общей механики, посвященной количественной оценке механических про­ цессов в верхних слоях земной коры и включающей: механику сплошных массивно-кристаллических горных пород, механику скаль­ ных (трещиновато-блочных) пород, механику многофазных грун­ тов, механику органо-минеральных и органических масс, которые все в механическом смысле подчиняются единым общим фундамен­ тальным аналитическим зависимостям, но для любого отдельного класса пород обязательно еще в каждом конкретном случае экспе­ риментально устанавливать вид добавочных физических уравнений, характеризующих их деформативно-напряженное состояние. Толь­ ко присоединяя к общим уравнениям механики сплошных сред

специфические добавочные физические зависимости (соотношения между напряжениями и относительными деформациями и скоростя­ ми деформаций, т .е. уравнения состояния), характеризующие из­ менения под действием внешних сил физического состояния и меха­

нических свойств каждого рассматриваемого класса пород (напри­ мер, для рыхлых горных пород — грунтов: уравнения сжимаемости, пбровой водопроницаемости, контактного сопротивления сдвигу, структурно-фазовой деформируемости и метастабильности структу­ ры), можно получить систему уравнений, вполне достаточную для конкретных решений практических задач прикладной геомеханики рассматриваемого класса пород не только в качественном, но и в количественном отношении.

Совокупность перечисленных выше разделов общих и специаль­ ных механик, посвященных решению общей проблемы количествен­ ного исследования механических процессов, возникающих в верхних слоях земной коры в результате гравитационных, сейсмических и других процессов, а также под влиянием возведения сооружений (крупномасштабных), и составляет предмет геомеханики.

Конечно, для постановки и (решения конкретных задач общей и прикладной геомеханики кроме перечисленных отдельных частей (разделов) геомеханики необходимо учитывать: 1) геологическое строение земной коры на достаточную глубину от поверхности, под­ вергающейся воздействию возводимых в ней и на ней сооружений; 2) физические уравнения состояния; 3) физико-механические свой­ ства отдельных видов пород, подвергающихся воздействиям, и 4) граничные условия поставленных на разрешение задач.

Формирование геомеханики как науки исторически происходило по следующим этапам: в 20-х годах экспериментально определялись лишь показатели механических свойств отдельных массивно-кри­ сталлических пород и отдельных видов грунтов как сплошных тел для использования их в задачах, решаемых механикой сплошных деформируемых сред; в 30-х годах появилось учение о консоли­ дации двухфазных (или двухкомпонентных, а не сплошных) систем (работы К. Терцаги, Н. М. Герсеваиова, В. А. Флорина и др.); в по­ следующие годы (1941—1971) были разработаны основы механики трехфазных грунтовых и органо-минеральных систем (работы М. Био, Ю. К- Зарецкого, 3. Г. Тер-Мартиросяна и др.) и, наконец, в последнее десятилетие начали разрабатываться механика трещино­ вато-блочных скальных пород (П. Д. Евдокимов, С. Б. Ухов и др.) и механика слабых органических масс (Н. Н. Морарескул, Л. С. Амарян, М. Ю. Абелев и др.).

Построение геомеханики. На основании изложенного дисципли­ нами, составляющими отдельные ведущие части геомеханики, бу­ дут: а) механика сплошных сред; б) механика массивно-кристалли­ ческих ненарушенных (сплошных) и скальных (трещиновато-блоч­ ных) пород; в) механика однофазных, двухфазных и много­ фазных грунтов (рыхлых горных пород); г) механика органо-ми­ неральных и органических масс.

Перечисленные разделы геомеханики могут быть с успехом ис­ пользованы (с учетом особых условий) и в космомеханике горных пород.

Ниже мы охарактеризуем перечисленные выше составные части геомехалики (как дисциплины), кратко отметив их особенности и

общие закономерности, используемые в конкретных задачах при­ кладной геомеханики. Отличительными особенностями их являются методы исследования и составления уравнений состояния, от до­ стоверности которых зависит точность инженерного прогнозирова­ ния.

Геомеханика строится на фундаментальных положениях и об­ щих уравнениях механики сплошных сред. Однако для решения стоящих перед геомеханикой конкретных задач общие уравнения механики будут необходимыми, но недостаточными, так как дефор­ мации пород, которые очень важны при оценке механических про­ цессов, происходящих в земной коре, не могут быть определены без необходимых добавочных экспериментальных данных — соот­ ношений между внешними силами и вызываемыми ими деформаци­ ями. Следует к уравнениям механики сплошных сред (условия рав­ новесия и геометрические соотношения) добавить физические урав­ нения (уравнения состояния), экспериментально устанавливающие зависимость между напряжениями и деформациями или между напряжениями и скоростями деформаций для различного вида по­ род, соответствующие данному состоянию пород и данному уров­ ню напряжений.

Таким образом, геомеханика базируется на хорошо обоснован­ ных закономерностях механики сплошных сред, которые являются фундаментальными теоретическими ее основами. Но для не­ сплошных тел — трещиновато-блочных скальных, рыхлых горных пород и им подобных — требуется особое рассмотрение, учитываю­ щее их раздробленность.

Для сплошных массивно-кристаллических пород при решении задач геомеханики могут быть полностью и непосредственно ис­ пользованы уравнения механики сплошных сред. Скальные породы, если они залегают достаточно большим массивом, в объеме, влияю­ щем на сооружение, с незначительной трещиноватостью, влиянием которой можно пренебречь, также можно рассматривать как квазисплошные тела и непосредственно применять к ним уравнения механики сплошных сред.

Для конкретизации же решений необходимо в обоих случаях экспериментально устанавливать величины механических коэффи­ циентов, входящих в уравнения механики сплошных деформируе­ мых сред (модули деформируемости, параметры ползучести, коэф­ фициенты вязкости и пр.). При решении задач для типичных скаль­ ных (трещиновато-блочных) горных пород следует -в первую оче­ редь учитывать, что они разбиты трещинами различного происхож­ дения (первичными, тектоническими, гравитационными, разгрузоч­ ными, выветривания и др.) на более или менее связанные между собой блоки различной формы и размеров. Если эти блоки нахо­ дятся в плотной упаковке, взаимодействуя друг с другом, то такую скальную породу при определенных условиях можно рассматри­ вать как квазисплошную. Во всех же остальных случаях необходи­ мо полностью учитывать трещиноватость и блочность, их особен­ ности и влияние на сопротивление и деформации скальных пород,