искать
Оборудование и технологии 

Испытания скальных грунтов на срез и срез по трещине

Мирный Анатолий Юрьевич и др.
26 июля 2021 года

Испытания скальных грунтов на прямой срез во многих случаях могут оказаться более информативными, чем одноосное сжатие так как позволяют учитывать зоны ослабления и ориентацию имеющихся трещин. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие камеры трехосного сжатия (камеры Хука). Тем не менее, в случае испытаний скальных грунтов возникает ряд дополнительных требований к оборудованию.

В новой статье из цикла о лабораторных методах испытаний рассматривается данный метод испытаний, его особенности и преимущества.

Мирный Анатолий ЮрьевичСтарший научный сотрудник Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, руководитель проекта «Независимая геотехника»
Идрисов Илья ХамитовичГенеральный директор ООО НПП« Геотек»

Устойчивость скального массива во многом обусловлена не прочностью материала, а наличием и ориентацией систем трещин. В зависимости от их состояния и заполнения мелкодисперсным материалом будет меняться сопротивление сдвигу по ним. Глинистая масса, образующаяся вдоль плоскости разрыва при дроблении и перетирании исходной горной породы - глинка трения - может приводить к значительному снижению трения, особенно при замачивании. Данное явление не раз становилось причиной крупных аварий, в первую очередь на объектах гидротехнического строительства. В связи с этим оценка сопротивления сдвигу и, в частности, сдвигу по трещине для скальных грунтов зачастую оказывается важнее, чем прочность на одноосное сжатие. Результаты опыта могут использоваться при расчете устойчивости откосов и склонов, искусственных сооружений.

Еще одним важным явлением, которое может оцениваться в ходе таких испытаний, является зависимость дилатансии от нормального усилия. Поверхность трещины всегда имеет шероховатость, которая будет приводить к раскрытию трещины при сдвиге. Но по мере увеличения давления, препятствующего раскрытию трещины, проявление дилатансии будет снижаться: шероховатость начнет сглаживаться при сдвиге. Данное явление учитывается специализированными моделями для скальных грунтов. Например, в модели Hoek-Brown представлен параметр σψ - нормальное напряжение, при котором дилатансия не проявляется. Соответственно, текущий угол дилатансии ψm будет меняться от своего исходного значения (при отсутствии нормальных напряжений) до 0 при напряжении σψ.

 

Рис. 1. Изменение угла дилатансии в зависимости от сжимающих напряжений
Рис. 1. Изменение угла дилатансии в зависимости от сжимающих напряжений

 

Проведение испытаний одноплоскостного среза на образцах скального грунта сопряжено с существенными трудностями. Во-первых, сопротивление сдвигу таких образцов на порядки превышает сопротивление дисперсных грунтов, в связи с чем стандартные сдвиговые каретки и нагрузочные устройства применяться не могут - необходимо специализированное оборудование повышенной нагрузочной способности. Во-вторых, в силу очень высокой жесткости образцов, вертикальные и горизонтальные перемещения в ходе опыта могут составлять доли миллиметра, что требует применения измерительных устройств с высокой дискретностью. Помимо этого, требуется система обработки данных с высоким быстродействием, иначе система обратной связи не сможет поддерживать заданные параметры испытания, такие как скорость среза и вертикальное напряжение с необходимой точностью.

Высокая жесткость образцов может приводить к выраженной концентрации напряжений в отдельных точках, в результате чего могут возникать существенные отклонения от предполагаемого напряженного состояния. Этого можно избежать с использованием фиксации образца методом капсулирования. Для этого образец произвольной формы ориентируется в камере прибора необходимым образом и фиксируется с помощью твердеющего вяжущего (цементного раствора, эпоксидной смолы или подобных материалов). Фактическая площадь сечения измеряется после завершения испытания. Такой метод позволяет обеспечить плотное прилегание образца к стенкам камеры до начала опыта и сократить расходы на изготовление образцов правильной геометрической формы с высокой точностью.

 

Рис. 2. Процесс фиксации образца методом капсулирования (ASTM D 5607-16)
Рис. 2. Процесс фиксации образца методом капсулирования (ASTM D 5607-16)

 

Данный метод испытаний не регламентирован отечественной системой нормативных документов, но на него могут быть распространены требования ГОСТ 21153.5-88. Исчерпывающие рекомендации по проведению данного испытания приведены в ASTM D 5607-16. Помимо процедуры проведения испытания, документ так же описывает возможные способы косвенно охарактеризовать массив на основании описания полученной трещины.

 

 

В составе комплекса АСИС Про ООО НПП «Геотек» предлагает комплект оборудования для проведения испытаний на срез по зоне ослабления скальных грунтов. В состав оборудования входит силовое устройство мощностью 100 кН, для создания осевой нагрузки и срезное устройство мощностью 100 кН, для создания срезной нагрузки соответственно. Устройства оснащены электромеханическими приводами обеспечивающие статическое и кинематическое силовое воздействие. Оборудование

позволяет проводить испытания образцов произвольной формы. Максимальное пространство под образец размером 100 х 100 мм с фиксацией методом капсулирования. В состав комплекса входит необходимая измерительная аппаратура, обеспечивающая измерение с большой разрешающей способностью. Испытания проводятся в автоматизированном режиме с контролем всех параметров испытания в реальном времени.

Более подробную техническую информацию можно получить у специалистов компании или на сайте www.npp-geotek.ru.


Список литературы

  1. ГОСТ 21153.5-88 Метод определения предела прочности при срезе со сжатием
  2. Механика горных пород. Учебное пособие под ред. Гребёнкина С.С. Донецк, ДонНТУ, 2004.
  3. ASTM D 5607-16. Standard Test Method for Performing Laboratory Direct Shear Strength Tests of Rock Specimens Under Constant Normal Force.

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению