Способ определения механических и фильтрационных характеристик скального массива

 

Использование: для исследований свойств скальных оснований при проектировании гидротехнических сооружений на скальных основаниях. Сущность изобретения: способ определения механических и фильтрационных характеристик скального массива включает проходку камеры 1, бетонирование штампов 2 на ее основании, бетонирование упоров 8 и 9 на боковых стенках и своде камеры, приложение к штампам нормальной и сдвигающей нагрузок с измерением величины деформации и перемещений основания. В основании штампа 2 до его бетонирования выполняют скважину 3, соосно с которой в процессе бетонирования штампа устанавливают в нем трубу 4 с оголовком для подачи напорного потока, затем производят замачивание основания с измерением расхода воды, при этом после проведения деформационных испытаний к штампу прикладывают заданную нормальную нагрузку, после стабилизации деформации основания - сдвигающую нагрузку, а после стабилизации смещения штампа от приложенной сдвигающей нагрузки в основании создают фильтрационное давление ступенями с наибольшей величиной давления, соответствующей интенсивности сдвигающей нагрузки с измерением его расхода и напора, причем переход на следующую ступень сдвигающей нагрузки осуществляют после достижения стабилизации деформации и фильтрации от действия фильтрационного давления на предыдущей ступени. 2 ил.

Изобретение относится к исследованиям свойств скальных оснований и может быть использовано при проектировании гидротехнических сооружений на скальных основаниях.

Известен способ определения сдвиговых и деформационных характеристик скального массива, включающий проходку камеры, бетонирование штампов на основании камеры, бетонирование упоров на боковых стенках и своде камеры, приложение к штампам с помощью домкратов нормальных и сдвигающих нагрузок, замер их величины и замер перемещения основания. По замеренным осадкам определяют модуль деформации, а по показаниям манометров при срыве штампов параметры сопротивления сдвигу [1] Известен также способ определения сдвиговых и деформационных характеристик скального массива на одном и том же штампе, повышающий его информативность и заключающийся в проходке камеры, бетонировании штампов и упоров на ее поверхности, приложении к штампам нормальных и сдвигающих нагрузок с увеличением последних до срыва штампа, измерении сдвигающих нагрузок и замере перемещений основания под штампами и упорами, при этом боковые упоры бетонируют с зазором относительно основания камеры [2] Недостатком указанных способов является то, что в них не учитывается силовое воздействие воды по образующимся в процессе увеличения сдвигающих нагрузок трещинам в скальном массиве основания. Как показывает опыт эксплуатации гидротехнических сооружений (преимущественно высоких бетонных плотин), неучитывание этого обстоятельства влияет на величину сдвиговых и деформационных показателей скального массива и может явиться причиной аварии плотины.

Наиболее близким к изобретению является способ определения механических и фильтрационных характеристик скального массива, включающий бурение центральной скважины в исследуемом основании, установку соосно ей штампа, нагнетание в основание через скважину воды в естественных условиях и при приложении через штамп сжимающих нагрузок с замером расхода и деформаций и расчет по измеренным данным искомых характеристик [3] Недостатком этого способа является то, что он не позволяет определять сдвиговые характеристики с учетом силового воздействия воды в скальном массиве.

Задача изобретения расширение информативности путем дополнительного определения сдвиговых характеристик скального массива с учетом давления воды по трещинам, образующимся в скальном основании в процессе приложения сдвигающей и соответствующей ей фильтрационной нагрузок в основании штампа.

Задача решается тем, что в способе определения механических и фильтрационных характеристик скального массива, включающем бурение центральной скважины в исследуемом основании, установку соосно ей штампа, нагнетание в основание через скважину воды в естественных условиях и при приложении через штамп сжимающих нагрузок с замером расхода и деформаций и расчет по измеренным данным искомых характеристик, согласно изобретению при установке штампа его бетонируют, после проведения испытания при приложении сжимающих нагрузок и нагнетания при этом воды в основание к штампу прикладывают заданную нормальную нагрузку, а после стабилизации деформации под этой нагрузкой сдвигающую ступенчатую нагрузку с измерением ее величины и величины смещения штампа, причем после стабилизации смещения штампа от каждой ступени сдвигающей нагрузки в основании создают фильтрационное давление ступенями, наибольшее значение которого соответствует величине сдвигающей нагрузки с измерением его расхода и напора, при этом приложение следующей ступени сдвигающей нагрузки производят после достижения стабилизации деформации и фильтрации от действия фильтрационного давления на предыдущей ступени, а по измеренным данным рассчитывают деформационные, сдвиговые и фильтрационные характеристики скального массива в зависимости от приложенных внешних нагрузок.

На фиг.1 и 2 дана схема испытания в выемке, образованной в скальном массиве, виды сбоку и сверху соответственно.

На основании камеры 1, выполненной в скальном массиве, установлен штамп 2, перед бетонированием которого по его центру выбурена скважина 3. Соосно со скважиной в штампе 2 установлена трубка 4 с оголовком для подачи напорного потока воды и пьезометрические трубки 5 с манометрами 6, оголовки трубок 5 закреплены на трещинах, выходящих на поверхности испытываемого массива. Для измерения деформаций и смещений штампа служат забетонированные в нем реперы 7, а для передачи сдвигающего и нормального усилий боковые упоры 8 на уровне штампа и упоры 9 на своде камеры соответственно. Нормальную и сдвигающую нагрузки создают при помощи систем 10 и 11, а вода в скважину подается при помощи напорной системы (не показана), через соединительную трубу 12.

Способ осуществляют следующим образом.

До начала нагружения штампа статической нагрузкой производится замачивание испытываемого основания через скважину 3 с измерением расхода воды в напорной трубе 4, а также напора по показаниям манометров, установленных на оголовках пьезометров 5.

Далее заданными ступенями, соответствующими этапам возведения плотины, при помощи системы 10, включающей гидравлические домкраты и распорные стойки с винтами (не показаны), задают необходимую нормальную нагрузку на основании под штампом, которая поддерживается постоянной в процессе приложения сдвигающей нагрузки. На каждой ступени нагружения по реперам 7 измеряют деформации основания. По достижении заданной величины нормальной нагрузки в основании штампа в скважину 3 по трубе 4 через соединительную трубу 12 напорной системы (не показана) подается под заданным напором вода, с измерением ее расхода, а давление в области контакта штамп-основание измеряется при помощи пьезометрических трубок 5, оголовки которых закреплены на выбранных участках основания. На основании полученных данных рассчитывают модуль деформации основания, оценивают проницаемость основания.

После этого при помощи системы 11 заданными ступенями, например 20-25 от созданной нормальной нагрузки, задают сдвигающую нагрузку на штамп с измерением смещений штампа при помощи реперов 7. По достижении стабилизации смещений штампа при заданной величине сдвигающей нагрузки в основании через трубку 4 в скважину 3 подают напорный фильтрационный поток, при этом величина создаваемого напора в скважине 3 не должна превышать уровень сдвигающей нагрузки. Затем производят измерение деформации по реперам 7, расходов фильтрации и напоров, а переход на следующую ступень сдвигающей нагрузки в системе 11 производят после стабилизации деформации, фильтрации на данной ступени. Аналогичные измерения производят на всех ступенях приложения сдвигающей нагрузки, вплоть до срыва штампа от действия приложенных статической и фильтрационной нагрузок.

В процессе испытания будет происходить перераспределение фильтрации между скважиной 3 и трещинами, образующимися в результате сдвига, в момент нарушения сплошности в области контакта штампа с основанием фильтрация сосредоточится в области трещины.

По результатам испытаний определяют деформационные, фильтрационные и сдвиговые показатели основания в зависимости от величин приложенных внешних нагрузок.

Преимуществом данного способа по сравнению с известным является то, что он позволяет расширить объем получаемой информации за счет определения сдвиговых характеристик с учетом давления фильтрационного потока по образующимся в процессе испытания трещинам в основании.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СКАЛЬНОГО МАССИВА, включающий бурение центральной скважины в исследуемом основании, установку соосно с ней штампа, нагнетание в основание через скважину воды в естественных услових и при приложении через штамп сжимающих нагрузок с замером расхода и деформаций и расчет по измеренным данным искомых характеристик, отличающийся тем, что при установке штампа его бетонируют, после проведения испытания при приложении сжимающих нагрузок и нагнетания при этом воды в основание к штампу прикладывают заданную нормальную нагрузку, а после стабилизации деформаций под этой нагрузкой сдвигающую ступенчатую нагрузку с измерением ее величины и величины смещения штампа, причем после стабилизации смещения штампа от каждой ступени сдвигающей нагрузки в основании создают фильтрационное давление ступенями, наибольшее значение которого соответствует величине сдвигающей нагрузки с измерением его расхода и напора, при этом приложение следующей ступени сдвигающей нагрузки производят после достижения стабилизации деформации и фильтрации от действия фильтрационного давления на предыдущей ступени, а по измеренным данным рассчитывают деформационные, сдвиговые и фильтрационные характеристики скального массива в зависимости от приложенных внешних нагрузок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2