Взаимосвязь структурно-текстурных особенностей горных пород и их прочности

Технология и техника геологоразведочных работ

УДК 624.131

ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ПРОЧНОСТИ

Л.А. Строкова, Е.Г. Шигорина

Томский политехнический университет E-mail: geyer@tpu.ru

На образцах горных пород из местечка Кютай Северного Тироля при одноосном и трехосном сжатии оценены прочностные и упругие параметры (сопротивление пород сдвигу при различных боковых давлениях, угол внутреннего трения и сцепления, модули Юнга и коэффициенты Пуассона), а также изменение этих параметров в зависимости от ориентировки образцов к слоистости. Испытания сопровождались определением влажности, плотности и структурно-текстурных особенностей под поляризационным микроскопом. Установлено, что параметры механических свойств горных пород, определенные вдоль и поперек слоистости, отличаются друг от друга в зависимости от строения пород и особенно сил связей между зернами. Модуль Юнга больше параллельно слоистости, а предел прочности на сжатие, сцепление - нормально к слоистости.

Ключевые слова:

Анизотропия, горные породы, лабораторные испытания, механические свойства. Key words:

Anisotropy, rocks, laboratory tests, mechanical properties.

В современном представлении структура горных пород определяет важнейшие их качества, которые отражают условия их формирования и определяют физические, механические и другие свойства. Большой вклад в исследование структур горных пород внесли А. Казагранде, М.М. Филатов, В.В. Охотин, И.В. Попов, Е.М. Сергеев, А.К. Ларионов, В.Н. Соколов, Дж. Митчелл, А.Н. Зава-рицкий, П.И. Фадеев и многие другие. Без учета структурных особенностей невозможно объективно рассматривать вопросы формирования и природы прочностных и деформационных свойств различных типов горных пород.

Эмпирическим фундаментом представления о напряженно-деформированном состоянии грунтового массива, являющимся отражением его строения, истории геологического развития является наблюдение и анализ различных признаков анизотропного состояния земной коры. Существуют две физические причины, вызывающие анизотропное состояние грунтового массива. Первая - геометрическая анизотропия - анизотропия самой среды, обусловленная структурой ее конституэнтов (атомов, молекул, зерен, трещин, слоев и т. д.), имеющая сравнительно большое число рангов. Вторая -физическая анизотропия, под которой понимается

неодинаковость свойств среды свойств по различным направлениям внутри этой среды [1].

Многие исследователи предлагают различать также анизотропию первичную (присущую, inherent), обусловленную природным строением грунта, и вторичную (наведенную, induced), связанную с переориентацией частиц (агрегатов) грунта в процессе развития в нем напряженно-деформированного состояния от внешних нагрузок. Поскольку первичная (природная) анизотропия находится в соответствии с природными напряжениями, возникающими в процессе формирования грунтового массива, то превышение этих напряжений в опыте приводит к реорганизации текстуры грунта. В этом случае, как считает Г. Гудеус [2], первичная текстура сохраняется частично и преобладают черты вторичной (наведенной) текстуры, которая в основном и определяет анизотропию грунтов деформируемых оснований. Для расчетов анизотропных грунтовых оснований важным является сам факт наличия анизотропии и ее количественная оценка, характеризующая суммарную (комбинированную) анизотропию.

Поведение анизотропного грунтового массива изучалось нами в связи с проектированием второй очереди гидроаккумулирующей электростанции

(ГАЭС) в населенном пункте Кютай (Австрия). Строительство ГАЭС «Кютай-1» проводилось в период 1977-1981 гг. С декабря 2006 г. начались инженерные изыскания под расширение существующей сети гидростанций Зелрайн-Зильц. Проектом предусматривается строительство каменно-земляной плотины с ядром из мореных суглинков высотой 120 м для создания водохранилища годичного регулирования стока, двух подземных гидроаккумули-рующих электростанций Кютай-2 и Кютай-3, двух трубопроводов между новым водохранилищем и существующими водохранилищами Финстерталь и Лэнгенталь, а также туннельного водовода длиной 25,5 км диаметром 4,2 м для сбора воды с прилегающей территории Зулцталь-Оецталь и Штюбай-таль площадью 61 км2[3].

Строительство ГАЭС «Кютай-2» проектной мощностью 180 МВт планируется на глубине 175 м внутри гранитного массива, т. е. снаружи будет заметен только портал штольни. Грунтовый материал из штолен ГАЭС и туннельного водовода будет использоваться для строительства дамбы. Ввод ее в эксплуатацию ожидается в 2017 г. Для возведения элементов плотины - упорной призмы, переходных слоев и обратных фильтров планируется использовать местные материалы. Планируемый объем насыпного грунта составляет 6,5 млн м3, из них объем ядра - 0,7 млн м3. Полезный объем водохранилища - 31 млн м3.

В ходе проведения буровых работ была установлена ярко выраженная анизотропия пород, связанная со слоистостью породообразующих минералов. Поэтому для изучения механических свойств потребовалось оценить значения продольных и поперечных деформаций образцов при приложении нагрузки параллельно, перпендикулярно и под углом 45° к слоистости. Для решения этой задачи было решено использовать металлофольговые тензорезисторы. Оценка механических свойств производилась в Центре Геотехники Технического университета Мюнхена (май-август 2008 г.) по стандартной методике трехосного сжатия в камере конструкции проф. Е. Ноек [4, 5]. Камера состоит из полого стального цилиндра с резьбой на обоих концах (рис. 1, 2). В камере имеются два боковых отверстия для нагнетания во внутреннюю полость масла и создания бокового давления <г3. Кожух из полиуретана герметизирует внутреннюю полость камеры.

Для регистрации величины поперечных и продольных деформаций использовались четыре тен-зорезистора (рис. 3), наклеенные попарно на противоположных поверхностях образца. Дополнительно для измерения действующих вертикальных усилий и вертикальных перемещений пресса использовались датчик силы и потенциометрический датчик перемещений. Регистрация и запись шести измерений (2 продольных и 2 поперечных дефор-

Рис. 2. Частичный разрез камеры для трехосного испытания скальных пород - слева [5]; вид сверху и резиновый изоляционный кожух - фото справа

маций образца породы, вертикального давления на образец, перемещения пресса) проходила 4 раза в секунду и обеспечивалась программным комплексом «Catman easy».

трехосного сжатия, датчики подключались к измерительному комплексу. Испытания проводились по схеме «консолидированный-дренированный сдвиг», т. е. вначале проводилось гидростатическое обжатие образца при давлениях 3, 6, 12 МН/м2 для каждой тройки образцов, затем непрерывно с постоянной скоростью подавалась вертикальная нагрузка. Нагружение продолжалось от 40 мин до 2 ч до разрушения образца. После раздавливания образца породы делались фотографии, при возможности трехкратные замеры высоты, диаметра, определялась влажность [6].

Таблица. Усредненные характеристики упругих и прочностных свойств грунтов

Рис. 3. Образец ленточного гнейса (с ориентировкой 45° к слоистости) с наклеенными металлофольговыми тензорезисторами

Из керна было выбурено 7 серий образцов: 1 серия гранодиоритовых гнейсов со скрытой слоистостью и по 3 серии (с ориентировкой образцов: параллельно, перпендикулярно и под углом 45° к слоистости) для ленточных гнейсов и парагнейсов. В каждой серии было 9 образцов строго цилиндрической формы длиной (И) 70 мм, диаметром (В) 35 мм. После выбуривания образцов, выполнялись замеры высоты, диаметра, веса, наклеивались тен-зорезисторы. После установки образца в камеру

CD _Q а П о а

? ^ ¡s¿ S X П нт

A3 СХ § £ CD > S о ra w ±га^ CD~ н и ^ и оо еа ^ о s и -ft. u ^ га

1 * га CP ле С е лр р ^ о

х 2 О * и О 1>

Гранодиорит Нет 18,8 63,7 50 0,30

Ленточный гнейс Параллельно 32,2 59,6 55 0,13

Нормально 15,6 61,9 50 0,23

45° 22,1 45,8 60 0,30

Парагнейс Параллельно 15,7 35,9 51 0,24

Нормально 9,5 36,3 28 0,21

45° 10,3 44,4 27 0,20

X

щ

в а

к а

с

«

а

о о а

а

и

И «

§

350

300

250

200

150

100

50

+

♦

♦ ; ;

1

4 6 8 10

Боковое напряжение, МН/м2

12

14

О Парагнейс - параллельно  Парагнейс - нормально

ДПарагнейс - 45 град ОЛенточный гнейс - параллельно

Ленточный гнейс - нормально Ленточный гнейс - 45 град + Гранодиорит

Рис. 4. Усредненные результаты трехосных испытаний образцов, ориентированных параллельно, нормально и под 45° к слоистости

Установлено, что параметры механических свойств горных пород, определенные вдоль и поперек слоистости, отличаются друг от друга в зависимости от строения пород и особенно сил связей между зернами. При этом модуль Юнга больше параллельно слоистости, а предел прочности на сжатие и сцепление - нормально к слоистости (табл., рис. 4).

Ярче проявляется анизотропия прочности пород по результатам трехосных испытаний. Наибольшей прочностью обладают гранодиориты, меньшей - ленточные гнейсы, минимальной - парагнейсы. Ориентировка образцов под 45° к слоистости имеет большее значение в анизотропии прочности, чем ориентировка образца параллельно или нормально слоистости.

Для определения минералогического состава и структурно-текстурных особенностей пород (декабрь 2009 г., Томский политехнический университет) использовались образцы из каждой серии горных пород, выбуренных из керна, а также шлифы, соответствующие каждому из образцов. Таким образом, эти пробы исследовались на макро- и микроуровнях. Их характеристики:

• гранодиориты (рис. 5, а, б) - магматическая горная порода, состоит из кварца, роговой обманки, полевого шпата, среднего плагиоклаза, биотита, преобладают светло-окрашенные минералы; структура гипидиоморфнозернистая, гранитовая; плотность 2,72 г/см3, влажность 0,05 %, сопротивление одноосному сжатию 80 МН/м2;

• парагнейсы (рис. 5, в, г) - метаморфическая горная порода, образовавшаяся из осадочных

грунтов, характеризуется более или менее отчётливо выраженной параллельно-сланцеватой, часто тонкополосчатой текстурой с преобладающими гранобластовыми и порфиробла-стовыми структурами и состоящая из кварца, калиевого полевого шпата, плагиоклазов, биотита, мусковита и роговой обманки, плотность 2,76 г/см3, влажность 0,03 %, сопротивление пород одноосному сжатию - 45...48 МН/м2; • ленточные гнейсы (рис. 5, д, е) - по составу не отличаются от парагнейсов, разница лишь в том, что ленточные гнейсы образовались при метаморфизме магматических горных пород, это проявляется в характерной ленточной текстуре. Плотность пород 2,75 г/см3, влажность 0,04 %, сопротивление пород одноосному сжатию 93,2...120,7 МН/м2 в зависимости от ориентировки образцов к слоистости. Исследования показали, что породы обладают ярко выраженной анизотропией по упругим и прочностным свойствам. Параметры механических свойств в направлениях: перпендикулярно напластованию, параллельно напластованию и под углом 45° к слоистости различаются. Практическое значение полученных результатов состоит в возможности планирования проходки горных выработок с учетом структурной и физической анизотропии пород. Предвидение осложнений, связанных с прочностной анизотропностью массивов горных пород является одним из основных резервов надежности проектируемых сооружений.

0

0

2

Рис. 5. Шлифы гранодиоритов (а, б), парагнейсов (в, г) и ленточных гнейсов (д, е) под поляризационным микроскопом МП-201. На а, в, д: включен поляризатор, николи параллельны. На б, г, е: включен поляризатор и анализатор, николи скрещены. На масштабной сетке расстояние между цифрами 1 мм

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бугров А.К., Голубев А.И. Анизотропные грунты и основания сооружений. - СПб.: Недра, 1993. - 245 с.

2. Gudehus G. Finite elements in geomechanics. - London-Toronto, 1977. - 573 p.

3. Hofer B. Wasserkraftausbau in Tirol: Die Speicherkraftwerksprojekte der TIWAG // Zusammenfassung der Beitrage von der Informationsveranstaltung. - Innsbruck, 2006. - 116 р.

4. Hoek E., Franklin J.A. A simple triaxial cell for field and laboratory testing of rock // Trans. Instn Min. Metall. - 1968. - V 77. - Р. 22-26.

5. Hoek E. Rock Engineering. Course Notes by Evert Hoek. 2000. URL: www.rocscience.com/hoek/references/Published-Papers.htm (дата обращения: 01.06.2010).

6. Строкова Л.А. Оценка механических свойств скальных пород при помощи трехосных испытаний // Инженерные изыскания. - 2008. - № 5. - С. 36-38.

Поступила 27.05.2010 г.