Геотехнический анализ и разведка дополняют собой геологические и гидрогеологические изыскания.
Целью их проведения является установление основных характеристик почвы, которые будут влиять на механические свойства грунта или горных пород; установление исходного состояния равновесия естественного механического напряжения, а также определение изменения нагрузок и воздействий на сооружение в ходе его постройки и последующей эксплуатации.
С этой целью геотехнические изыскания стремятся дать количественную оценку геомеханических свойств почвы посредством различных параметров, зависящих как от микро-, так и макроскопической структуры.
Например, механические свойства породной массы будут зависеть не только от состава и минералогической структуры самого скелета горной породы, но также от наличия и свойств различных сдвигов породы, трещин и слоистости, которые появятся в скальном массиве, ослабляя общий уровень его прочности и изменяя его характеристики по отношению к подземному сооружению.
По этой причине геотехнический анализ стремится получить значения различных параметров, касающихся неповрежденной породы или скелета горной породы, а также способ количественной оценки общего состояния скального массива в макроскопическом масштабе.
С другой стороны, целью геотехнических исследований является изучение с механической точки зрения характеристик места строительства будущего подземного сооружения: естественного механического напряжения почвы на объекте, гидравлического давления (при его наличии), степени уплотнения грунта и т.д.
Характеристики, касающиеся неповрежденной породы или скелета горной породы
В нижеследующей таблице приведены различные геотехнические характеристики, касающиеся неповрежденной породы или скелета горной породы, а также информация, которую несет каждый параметр, и методы, с помощью которых эти параметры обычно получают. Все это также применимо в отношении грунта. Список параметров не является исчерпывающим, он включает в себя основные наиболее используемые параметры.
| Параметр | Информация | Метод получения |
|---|---|---|
| Модуль упругости (E) | Упругая деформация | Компрессионные испытания |
| Коэффициент Пуассона (ν) | Упругая деформация | Компрессионные испытания |
| Связность (C) | Прочность | Трехосное сжатие |
| Угол трения (φ) | Прочность | Трехосное сжатие |
| Прочность на одноосное сжатие (UCS) | Прочность | Трехосное сжатие по отношению к C и φ |
| Дилатанция (ψ) | Пластическая деформация | Компрессионные испытания |
| Водопроницаемость (K) | Водопроницаемость грунта или горной породы | Испытание по методу Люжона, колодцы, лабораторные испытания и т.д. |
Характеристики, связанные со скальным массивом в масштабе проекта
При строительстве подземных сооружений в нескальном грунте возможно применять в масштабе всего сооружения параметры, полученные на основании образцов грунта. Считается также, что они полностью представляют характеристики грунтового массива.
Таким образом, считается, что грунт является вполне однородным по своим характеристикам вне зависимости от масштаба. Однако, горные породы вследствие наличия нарушений сплошности, трещин, разломов, слоистости крайне зависимы от масштаба. Таким образом, механические характеристики испытанного в лаборатории образца горной породы будут сильно отличаться от характеристик всего горного массива, где был взят образец.
По этой причине были разработаны такие системы геомеханической классификации как RQD (классификация по показателю прочности пород), RMR (по характеристикам породной толщи) и Q-система инженерной классификации скальных массивов. Эти системы классификации служат для количественного определения того, как преобразовать характеристики материнской породы применительно ко всему скальному массиву на месте строительства подземного сооружения.
Эти системы классификации позволяют присвоить количественную оценку скальному массиву в зависимости от количества и вида трещин, состояния поверхностей, присутствия или отсутствия воды, направления раздела пород и, в некоторых случаях, состояния напряжения почвы.
Ниже приведено краткое описание трех основных геомеханических классификаций, с указанием основных параметров или понятий, принимаемых в расчет в рамках каждой из них:
Классификации скального массива
RQD - Д.У. Диер разработал показатель прочности пород, который сегодня лежит в основе геомеханических классификаций скальных массивов. В основе метода лежит значение выноса керна в процентах, учитывающее осколки размером более 100 мм.
RMR (метод Бенявского) - Классификация по характеристикам породной толщи разработана З.Т. Бенявским. Осуществляется оценка определенных параметров с помощью таблицы, составленной Бенявским, в соответствии с которой, в зависимости от значений параметров, присваивается определенное количество баллов. Общая сумма баллов и обозначает категорию скального массива.
| Оцениваемые параметры |
|---|
| Предел прочности при одноосном сжатии неповрежденной породы |
| Показатель прочности пород (RQD) |
| Расстояние между неоднородностями |
| Состояние неоднородностей |
| Гидрогеологические условия |
| Поправка в отношении неблагоприятной ориентации раздела пород |
Q (метод Бартона) - В результате анализа большого количества реальных примеров подземной выработки Бартон предложил использовать индекс качества тоннельной проходки Q, который выражается следующим образом: Q = (RQD/Jn) x (Jr/Ja) x (Jw/SRF)
Эти параметры связаны со следующей информацией о скальном массиве:
| Параметр Q-системы | Состояние скального массива |
|---|---|
| RQD | RQD |
| Jn | Количество серий трещин |
| Jr | Неровность трещин |
| Ja | Деформация трещин |
| Jw | Наличие воды в трещинах |
| SRF | Коэффициент уменьшения допустимого напряжения |
В соответствии с таблицей каждому параметру присваивается значение, а затем, посредством решения математического уравнения, получается числовой индекс Q.
Параметры, касающиеся состояния скального массива или краевые условия
Немаловажно, кроме того, знать состояние естественного напряжения почвы на месте строительства подземного сооружения.
Приблизительную оценку данного параметра можно получить с помощью карт естественного напряжения грунта; уже реализованных в данной местности проектов или путем проведения испытаний на месте.
Другими важными аспектами являются пьезометрическое давление воды в грунте, риск возможной сейсмической активности в зоне и т.д.
Ссылки:
- Геомеханические классификации (Adobe Pdf)
- Tunnels and Shafts in Rock by US Army CE : Geotechnical investigations (Сооружение тоннелей и шахт в горных массивах, инженерный корпус сухопутных войск США) (Adobe Pdf)
- AFTES (необходима бесплатная регистрация) Characterization of rock masses useful for the design and the construction of underground structures (Характеристики скальных массивов, применимые при проектировании и строительстве подземных сооружений)
- AFTES (необходима бесплатная регистрация) The choice of geotechnical parameters and tests useful to the design, dimensioning and construction of underground structures (Выбор инженерно-геологических параметров и испытаний для проектирования, расчета габаритов и строительства подземных сооружений)