2007

−с верхней части прибора снимают направляющий цилиндр

страверсой и поршнем, для этого требуется отвинтить четыре гайки по углам прибора. Горизонтальные упорные винты, находящиеся у основания прибора и фиксирующие неподвижность каретки, завинчиваются до отказа;

−гильзу с исследуемым образом устанавливают в верхней части разрезной гильзы прибора в специальную предусмотренную расточку. На режущую заостренную часть гильзы надевают направляющий цилиндр приспособления для перемещения образцов и при помощи поршня-выталкивателя образец осторожно перемещают в прибор;

−освобожденную от грунта гильзу снимают, устанавливают на место верхнюю часть прибора, плотно прижимают к поверхности грунта дренажный поршень и закрепляют его винтом;

−в соответствующих гнездах закрепляют два индикатора: один для замера деформаций сжатия, другой для деформаций сдвига. Индикаторы закрепляют в таком положении, чтобы подвижные части ножек были вдвинуты на 70−80 % свободного хода, после чего поворотные шкалы индикаторов устанавливают на нулевые деления;

−укрепляют телескопический рычаг для вертикальной нагрузки и рычаг для горизонтальной нагрузки. Уравновешивают телескопический рычаг и отпускают зажимной винт поршня. К образцу прикладывают сначала вертикальную, сжимающую нагрузку, а потом горизонтальную − сдвигающую.

Если вертикальная нагрузка прикладывается вся в один прием, она выдерживается до условной стабилизации деформации.

После условий стабилизации вертикальной деформации образца, отвинчивают горизонтальные упорные винты каретки и приступают к горизонтальному нагружению образца. Горизонтальную нагрузку прикладывают ступенями. Величину ступени в 1 стадии, пока общая величина нагрузки не превысит 0,5−0,6 от

ожидаемой, предельной нагрузки сдвига, принимают равной 0,05−0,1 кг/см2, в зависимости от величины предельной нагрузки.

Каждую ступень горизонтальной нагрузки выдерживают, до условной стабилизации деформации сдвига. За условную деформацию принимают скорость сдвига, не превышающую 0,01 мм в мин. За сдвигающую принимают нагрузку, при которой показания индикатора отмечают резкое нарастание нестабилизирую-

81

щейся деформации сдвига. Вес рычага с подвеской для горизонтальной нагрузки в процессе испытания грунта на сдвиг, создает дополнительное сдвигающее усилие, равное 0,11 кг/см2. Эту величину следует прибавлять при подсчете величины сдвигающей нагрузки образца грунта при разных вертикальных нагрузках (например, при 1,0; 2,0 и 3,0 кг/см2).

На основании проведенных испытаний производится вычисление основных параметров сдвига: углов внутреннего трения ϕ, коэффициентов внутреннего трения f =tgϕ и сцепления

C =τ0 .

Данные этих испытаний удобно представлять в графической форме, в виде графика зависимости между давлением и сопротивлением сдвигу (рисунок 15.1).

На рисунке приведен такой график. На горизонтальной оси откладываются вертикальные нагрузки (Р ) на вертикальной оси соответствующие им величины сдвигающих усилий τ. Прямая АСВ, проведенная через точки, соответствующие результатам параллельно испытанных образцов грунта, представляет собой линию сдвигающих напряжений. Угол наклона этой прямой к горизонтальной оси образует угол внутреннего трения ϕ, величина

тангенса угла: f = tgϕ – коэффициент внутреннего трения, а от-

резок, отсекаемый прямой сдвига на вертикальной оси графика – величина сцепления С.

Вычисление этих характеристик производится по следую-

Контрольные вопросы

1. Пояснить уравнение зависимости сцепления С =τn и угла внутреннего трения.

2.Что характеризует сцепление?

3.Что характеризует угол внутреннего трения?

82

4.В чем заключается методика проведения эксперимента:

−приборы и оборудование

−подготовка образцов

−последовательность выполнения эксперимента

−результаты (построение графика)?

5.Как производится расчет коэффициента внутреннего трения, величины сцепления?

6.Какие выводы можно сделать при проведении экспери-

мента?

Т, кг / см2

16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА РАЗРЫХЛЕННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ

16.1 Определение угла естественного откоса песка

Углом естественного откоса (α) называется максимальный угол между горизонтом и поверхностью свободного песчаного грунта, при котором песок еще сохраняет равновесие.

83

Значение угла естественного откоса для сухих песков в рыхлом состоянии практически совпадает с углом внутреннего трения. При проектировании многих земляных сооружений угол естественного откоса сыпучего грунта является одной из основных расчетных характеристик.

Необходимое оборудование и материал:

−сухой сыпучий грунт (песок);

−прибор для определения угла естественного откоса.

Ход работы.

1.В прибор насыпается сухой песок (в малый отсек) до отметки (рисунок 16.1).

2.Поднять перегородку, грунт при этом осыпается (рисунок 16.1), образуя угол естественного откоса, который определяется с помощью транспортира или по тангенсу угла наклона:

tgα=h/ℓ,

где h− высота откоса, см;

ℓ – ширина основание откоса, см.

3.Опыт повторяется не менее трех раз. Расхождение между повторными определениями не должно превышать двух.

4. За угол естественного откоса принимается среднее арифметическое значение результатов отдельных определений, выраженное в целых градусах (таблица).

Таблица 16.1− Результаты определения угла естественного откоса песка

84

Трещиноватость горных пород может быть оценена различными коэффициентами трещиноватости.

Общую трещиноватость удобнее описывать объемным модулем трещиноватости, равным отношению одного кубического метра массива к среднему объему структурного блока, отделенного трещинами.

Измерение параметров систем трещин ведут непосредственно на обнажениях массива. По всем трещинам измеряют элементы залегания, расстояния между ними, величину раскрытия, характер трещин, протяженность, искривленность и т. д.

По результатам измерений строят различные диаграммы, наглядно отображающие пространственную ориентировку трещин, например, розы трещин, на которых отмечают азимут их простирания или азимут падения.

Строят также диаграммы трещиноватости массива пород в изолиниях и карты трещиноватости по всему изучаемому массиву пород.

Кроме визуальных измерений параметров трещиноватости массива производят также оценку его нарушенности различными физическими методами, в частности по скорости распространения упругих колебаний.

Измерив скорость распространения упругих воли в горной породе в массиве (vм)и в образце(vобр) можно рассчитать акустический показатель трещнноватости:

Для практически монолитных пород Аi = 1 – 0,9; для весьма трещиноватых мелкоблочных – около 0,1.

Определение параметров строения и состава массивов горных пород – гидрогеологических условий, элементов залегания, тектонического строения, размеров, формы, чередуемости породных тел – осуществляют в настоящее время геофизическими методами – непосредственно с поверхности (так называемыми методами полевой геофизики) и скважинными методами.

86

17.1 Методы полевой геофизики

Поверхностные (полевые) методы исследования массивов основаны на различии плотностных, электрических и других свойств горных пород разного минерального состава и строения. В этих методах используют либо аномалии естественных физических полей, вызванные различными свойствами пород, либо закономерности распространения искусственно возбуждаемых в массиве физических полей.

В зависимости от используемых свойств пород и физических полей все эти методы исследования подразделяют на гравитационные, магнитные, радиометрические, сейсмические, электрические, термические и радиоволновые.

Гравитационные методы. Очевидно, что изменение плотности в какой-то точке земной коры должно приводить к изменению силы тяжести и соответственно величины ускорения свободного падения в данной точке.

Действительно, над более плотными рудными телами возникают так называемые гравитационные аномалии. В результате интерпретации измеренной аномалии находят глубину залегания аномального породного тела, устанавливают его форму и размеры.

Гравитационным методом можно оценить рельеф и состав кристаллического фундамента, наличие тектонических нарушений, зон пониженной плотности, уступов и сдвигов в пластах, геосинклиналей.

В процессе эксплуатации месторождения этим методом можно отыскивать слепые рудные тела, засекать карстовые полости, включения плотных пород, раздробленные и рыхлые зоны и т. д.

Магнитные методы. Как и в случае гравитационного поля, напряженность магнитного поля в каждой точке поверхности Земли зависит от намагниченности (I) или магнитного момента (М), находящихся под этой точкой геологических объектов.

Величина магнитной аномалии обусловлена магнитной восприимчивостью пород. Если магниторазведкой установлен вид аномалии, то, зная величину магнитной восприимчивости пород, можно рассчитать объем рудного тела и глубину его залегания.

87

Пользуясь магнитными методами, изучают не только месторождения ферромагнитных руд, но и нерудные полезные ископаемые.

По результатам магнитной съемки можно судить о геологопетрографических особенностях массива, трещиноватости пород, наличии карстовых полостей, контактах различных пород, разломах и т. д.

Радиометрические методы. При этом виде исследований массивов используют естественные радиационные поля. Метод позволяет изучать и обнаруживать не только радиоактивные руды, но и многие другие геологические тела, гранитные массивы, области нефтегазоносиостн и т. л. Радиометрической съемкой устанавливают также строение массивов – выявляют плоскости разлома и трещиноватости, интрузии и дайки.

Сейсмические методы. Эти методы основаны на использовании закономерностей распространения упругих колебаний в массивах пород. На практике применяют два метода сейсморазведки – метод отраженных волн (МОВ) и корреляционный метод преломленных волн (КМПВ).

Упругие колебания в породах можно возбуждать взрывом, ударом, механическими вибраторами, пьезоэлектрическими или магнитострикционными датчиками. Вдоль изучаемого направления (сейсмопрофиля) располагают серию (до 60) сейсмоприемников, которые регистрируют моменты прихода упругих колебаний к соответствующей точке профиля.

График зависимости времени прихода упругих волн (t) к изучаемым пунктам профиля от их расстояния (х) до пункта возбуждения колебаний называется годографом упругих волн.

Волна, приходящая к изучаемой точке непосредственно от пункта возбуждения, называется прямой. Годограф такой волны – прямая линия, выходящая из начала координат. По уравнению годографа и графическому его изображению вычисляют глубину залегания отражающего слоя; угол его падения и скорость упругих колебаний.

Сейсмические наблюдения позволяют оценить физические свойства массивов горных пород – параметры упругости и прочности, а следовательно, прогнозировать возможные технику и технологию разработки месторождения.

88

Электрические методы. Наиболее распространены следующие электрические методы исследования массивов пород:

1. Метод естественного электрического поля – собственных потенциалов (ПС) заключается в последовательном замере потенциалов точек, расположенных по профилю относительно одной центральной точки . Выявленные аномалии потенциала обычно указывают на наличие какого-либо источника естественных локальных токов.

2..Метод вызванной поляризации (ВП), основанный на измерении потенциалов, возникающих при поляризации горных пород после пропускания через них постоянного электрического тока. По результатам измерений вычисляют поляризуемость пород, позволяющую судить о характере и состоянии породных массивов.

3.Метод кажущихся электрических сопротивлений основан на определении кажущегося усредненного электрического сопротивления массивов пород. Электрометрия методом электрических сопротивлений чаще всего выполняется с помощью четырехэлектродной установки. При помощи этого метода исследуют погребенные структуры, выявляют разрывные нарушения (сбросы, сдвиги, разломы, зоны дробления), картируют мерзлые породы, трещиноватые и карстовые зоны , осуществляют поиски обводненных зон и т. д.

4.Пьезоэлектрический метод, применяющийся при поисках

иисследовании кварцевых жил и пегматитовых рудных тел. Сущность его заключается в том, что упругие волны, возбужденные в массиве взрывом, встретив на своем пути, например, кварцевую жилу, преобразуются последней в электромагнитные. Электрическая составляющая электромагнитной волны принимается заземленными электродами. По электросейсмограммам судят о наличии и глубине залегания кварцевой жилы (или других горных пород – пьезоэлектриков).

Магнитотеллургические методы изучения массивов пород используют естественные переменные электромагнитные поля в земной коре.

Среди радиоволновых методов исследования массивов выделяют методы индуктивные, радиоволновых просвечиваний, интерференционные и др.

89

В индуктивных методах электромагнитное поле в массиве создается индуктивным способорм при помощи незаземленных рамок и петель, по которым пропускается ток разной частоты. Наличие хорошо проводящих тел в массивах приводит к индуцированию в них вторичных полей. Такими методами кроме хорошо проводящих рудных тел обнаруживают угли, графит, выявляют тектонические нарушения и обводненные зоны.

Метод радиоволнового просвечивания заключается в про-

свечивании радиоволнами массива породы между двумя или несколькими выработками. Рудные тела, хорошо проводящие ток, являются практически непроницаемыми для электромагнитных волн. Так, методом просвечивания на многих месторождениях обнаруживают дополнительные рудные тела, а на соляных месторождениях определяют положения полостей, заполненных соляным, хорошо проводящим раствором. Этим методом возможно обнаружение талых областей в зонах многолетней мерзлоты, плывунов в песках и т. п.

Интерференционный метод основан на приеме радиоволн, излученных с земной поверхности и отраженных от границы раздела между двумя горными породами, обладающими разными показателями величин электрического сопротивления. В приемнике интерферируют два вида волн – отраженные и прямые. Результат интерференции зависит от глубины отражающей поверхности.

17.2 Скважинные методы исследования

Геофизические методы исследования скважин (каротаж) основаны на изучении пород непосредственно в скважинах, пробуренных без отбора кернов.

В скважину опускают скважинный снаряд (зонд-датчик), включающий в себя источник какого-либо поля (в случае применения метода искусственного поля) и приемные устройства. Снаряд соединен посредством кабеля с каротажной станцией, расположенной на поверхности и фиксирующей измеряемые величины по глубине скважины.

По данным скважинных исследований строят геологические разрезы, оценивают структуру месторождений, расчленяют поро-

90