Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов определения прочностных свойств горных пород и постановка задач исследования 10
1.1 Общие сведения 10
1.2 Анализ полевых методов 12
1.3 Анализ лабораторных методов 17
1.4 Специфика применения существующих методов определения прочностных свойств пород при строительстве транспортных тоннелей 23
1.5 Анализ современных исследований в области определения прочностных свойств горных пород в массиве 25
1.6 Цели и задачи исследования 28
ГЛАВА 2. Натурные исследования массивов горных пород в условиях реконструкции рокского автодорожного тоннеля 29
2.1 Общие положения 29
2.2 Натурное описание горных пород и определение элементов залегания 31
2.3 Исследование трещиноватости массива горных пород, определение модуля трещиноватости 34
2.4 Определение прочностных характеристик пород в массиве 39
2.5 Гидрогеологические наблюдения, определение водопритоков в тоннель 54
2.6 Натурное определение устойчивости массива горных пород 56
Выводы. 58
ГЛАВА 3. Лабораторные исследования горных пород, вмещающих рокский тоннель 60
3.1 Общие положения 60
3.2 Состав лабораторных исследований 61
3.3 Испытания образцов горных пород на прочность 62
3.4 Минералого-петрографические исследования горных пород 71
Выводы 73
ГЛАВА 4. Исследование факторов, влияющих на вариацию прочности пород в массиве, и оценка сходимости натурных и лабораторных испытаний 74
4.1 Определение зависимости показателей вариации прочности от выборочной средней прочности в серии опытов 74
4.2 Определение зависимости показателей вариации прочности от модуля трещиноватости пород 78
4.3 Оценка влияния обводненности пород на вариацию их прочности в массиве 82
4.4 Определение взаимосвязи пределов прочности пород на одноосное сжатие в массиве и «в куске» по результатам натурных и лабораторных испытаний 84
4.5 Оценка сходимости результатов натурных и лабораторных испытаний 90
Выводы 95
ГЛАВА 5. Разработка экспресс-метода контроля прочности горных пород в массиве 98
5.1 Определение необходимого количества измерений прочности для различных пород при заданной доверительной вероятности и максимально допускаемой ошибке 98
5.2 Алгоритм экспресс-метода контроля прочности горных пород 102
5.3 Программа PROGER-1 для обработки результатов определения прочности экспресс-методом 106
Выводы 108
Заключение 109
Список использованных источников
- Специфика применения существующих методов определения прочностных свойств пород при строительстве транспортных тоннелей
- Исследование трещиноватости массива горных пород, определение модуля трещиноватости
- Минералого-петрографические исследования горных пород
- Определение зависимости показателей вариации прочности от модуля трещиноватости пород
Введение к работе
Актуальность работы. Транспортные тоннели и другие подземные сооружения относятся к объектам повышенного уровня ответственности, их строительство было и остается одной из сложнейших задач, стоящих перед инженерами и строителями в настоящее время.
Одной из проблем строительства и реконструкции горных транспортных тоннелей является сложность инженерно-геологических условий, которая обусловливает необходимость мониторинга геомеханического состояния массива горных пород непосредственно в процессе строительства на предмет изучения геомеханических процессов, а также прогноза их активизации, оценки гидрогеологических условий, физико-механических, прочностных и деформационных свойств горных пород, наличия и количественной характеристики трещинова-тости массива горных пород.
От оперативного контроля прочностных свойств пород во многом зависит своевременность и эффективность принятия решений по корректировке параметров временной и постоянной крепи, необходимости опережающего упрочнения массива, изменения технологии, механизации и организации горнопроходческих работ и др.
Существующие лабораторные и полевые методы исследования прочностных свойств массива горных пород, эффективные при геологоразведке, в условиях сооружения тоннелей и других подземных выработок обладают существенными недостатками, поэтому разработка экспресс-метода контроля прочности пород непосредственно в забое является актуальной задачей.
Целью работы является уточнение закономерностей изменения предела прочности пород на одноосное сжатие при переходе «от куска» к массиву и зависимостей показателей вариации прочности от свойств массива на основе разработанного экспресс-метода контроля прочности горных пород в массиве.
Идея работы заключается в том, что контроль прочности горных пород в массиве экспресс-методом с использованием склерометра «молоток Шмидта» производится на основе выявленных закономерностей изменения предела прочности пород на одноосное сжатие при переходе «от куска» к массиву и зависимостей показателей вариации прочности от свойств массива горных пород.
Задачи исследований:
– анализ современных методов определения прочностных свойств горных пород;
– натурные исследования массива горных пород в условиях реконструкции Рокского автодорожного тоннеля;
– лабораторные исследования горных пород, вмещающих Рокский тоннель;
– определение критериев, влияющих на показатели вариации при определении средних значений прочности массива;
– разработка экспресс-метода контроля прочности пород в массиве;
– определение сходимости экспериментальных и теоретических результатов и оценка точности разработанного экспресс-метода;
– разработка программного обеспечения для автоматизации обработки результатов контроля прочности пород в массиве полученных экспресс-методом.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используется комплексный метод исследований, включающий полевые исследования физико-механических, прочностных и геомеханических свойств массива горных пород в условиях реконструкции Рок-ского тоннеля; лабораторные исследования физико-механических и прочностных свойств горных пород; статистический анализ результатов инженерно-геологического мониторинга в рамках реконструкции Рокского тоннеля и сходимости результатов полевых и лабораторных исследований; корреляционный анализ, методы теории вероятностей.
Научные положения, выносимые на защиту:
– при контроле прочностных характеристик породного массива экспресс-методом коэффициент вариации предела прочности пород на одноосное сжатие нелинейно зависит от выборочного среднего значения прочности и модуля трещиноватости пород и не зависит от обводненности массива;
– используемый для оценки точности экспресс-метода коэффициент перехода от предела прочности горных пород на одноосное сжатие «в куске» к пределу прочности в массиве зависит от модуля тре-щиноватости и прочности пород «в куске» и описывается уравнением поверхности 2-го порядка общего вида;
– необходимое для заданной доверительной вероятности количество измерений прочностных свойств породного массива экспресс-методом с применением склерометра «молоток Шмидта» прямо пропорционально квадрату коэффициента вариации прочности и обратно пропорционально квадрату максимально допускаемой относительной ошибки измерения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обеспечивается представительным объемом измерений физико-механических и прочностных свойств породного массива (более 23 тыс. частных значений, полученных на 820 эталонных площадках) в условиях реконструкции Рокского тоннеля; высокой сходимостью результатов полевых и лабораторных исследований прочностных характеристик (отклонения не превышают 15 %); высокими значениями коэффициентов парной и множественной корреляции найденных зависимостей (соответственно R > 0,874 и R > 0,969); использованием апробированных программных средств и методов теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– исследован характер распределения предела прочности на одноосное сжатие в породном массиве для типических выборок пород в соответствии с их классификацией по прочности;
– выявлена нелинейная зависимость коэффициент вариации предела прочности пород на одноосное сжатие от выборочного среднего значения прочности и модуля трещиноватости пород в независимости от обводненности массива;
– для условий применения разработанного экспресс-метода уточнена зависимость коэффициента перехода от предела прочности горных пород на одноосное сжатие «в куске» к пределу прочности в массиве от модуля трещиноватости и прочности пород «в куске» в виде уравнения поверхности второго порядка общего вида;
– установлена зависимость необходимого количества измерений прочности породного массива экспресс-методом от модуля трещино-ватости, выборочного среднего значения прочности на одноосное сжатие измерений пробной выборки, коэффициента вариации прочности, максимально допустимой ошибки и доверительной вероятности.
Практическая значимость работы состоит в разработке экспресс-метода определения прочности массива горных пород в полевых условиях и прикладной программы для оперативного выполнения и обработки результатов измерений.
Личный вклад автора состоит в планировании, организации и проведении научных экспериментов, в разработке новой методики исследования горных пород, обработке и интерпретации экспериментальных данных, апробации результатов исследований, формулировании научных положений и выводов.
Реализация работы. Разработанный метод контроля прочности горных пород использован ООО «ГЕО-ПРОЕКТ» и ООО «БТС-
Гидрострой» при геологическом мониторинге и корректировке проектно-сметной документации по временной и постоянной обделке Рокского тоннеля, результаты работы внедрены в учебный процесс Ростовского государственного строительного университета при подготовке студентов специальности «Мосты и транспортные тоннели».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, г. Донецк, 2014 г.) международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (РУДН, Москва – ГТУ, Тбилиси, Грузия, 2014 г.), научной конференции «17-е Сергеевские чтения. Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы городских агломераций» (ИГЭ РАН, г. Москва, 2015 г.), 10-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (ТулГУ, г. Тула, 2014 г); на международных научно-практических конференциях «Современные проблемы промышленного и гражданского строительства» и «Строительство-2014» (г. Ростов-на-Дону, РГСУ, 2013–2015 гг.), научных семинарах кафедры геотехнологии и строительства подземных сооружений Тул-ГУ (г. Тула, 2014-15 гг.), кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2013–2015 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, при этом 4 – без соавторов, 2 – в зарубежной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 20 таблиц, список источников из 114 наименований, 5 приложений.
Специфика применения существующих методов определения прочностных свойств пород при строительстве транспортных тоннелей
При исследовании прочностных свойств горных пород в процессе инженерно-геологических изысканий, а также в период строительства при осуществлении контроля свойств массива горных пород полевым испытаниям уделяется большое внимание.
Полевые испытания позволяют получить необходимые данные о свойствах массива горных пород с учетом масштабного эффекта и зачастую подобного рода испытания являются наиболее информативными и актуальными в тех случаях, когда необходимо получить данные о прочности массива горных пород непосредственно на забое выработки в короткие сроки. Такая необходимость возникает при проведении инженерно-геологического мониторинга транспортных тоннелей, в процессе которого ведется оценка геомеханического состояния массива горных пород.
Необходимость подобного рода исследований делает актуальным развитие различных методов определения прочности горных пород в полевых условиях, об этом свидетельствует достаточно большое количество патентов на способы и приборы определения прочности горных пород, в том числе и в массиве.
Наиболее информативными для осуществления контроля прочности являются методы, позволяющие определить прочность породы непосредственно в массиве, один из таких методов был разработан и запатентован Максимовым А. Б. и Петровым Д.Н. – патент № 2303251 Устройство для определения прочности горных пород в массиве. Устройство, разработанное авторами, позволяет определять прочность (твердость) пород в массиве путем приложения к ним механических усилий. Устройство для определения прочности горных пород в массиве включает винтовую буровую штангу с резцом, механизм вращения и подачи на забой шпура, содержащий патрон, вращение которого передается упорной втулкой ходовой гайке, перемещающейся по центральному винту и создающей усилие подачи на резец, регистрируемое измерительным узлом. Измерительный узел включает динамометр высокой чувствительности, установленный в обойме с направляющими, причем обойма с направляющими крепится хомутом к опорной балке. Для закрепления устройства с массивом применяются две параллельные тяги, прикрепленные к анкерам стопорными болтами, регулирующими расстояние от опорной балки до массива [64].
Прочности горных пород были посвящены и другие работы и патенты, позволяющие определить эту величину путем приложения механических усилий, такие как патент № 2380539 Устройство для полевых испытаний горных пород. Устройство содержит цилиндрический корпус, пуансон с датчиком усилия, установленный в корпусе перпендикулярно его оси, шарнирный двухзвенник, центральный шарнир которого соединен с пуансоном, два ползуна, на которых установлены крайние шарниры двухзвенника, штангу с двумя ограничителями, между которыми установлены ползуны, направляющую для перемещения штанги и подпружиненный инерционный груз 66 . К методам, основанным на приложении механической усилий, или ударной нагрузки так же относятся методы описанные в патентах №2473069 «Измеритель прочности твердого тела» 61 ; №2379512 Устройство для полевых испытаний горных пород 67 ; № 97765 E21C «Устройство для измерения крепости горных пород» [65]; №2433266 «Погружной измеритель крепости пород» 62 ; № 2034147 E21C39/00 «Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве» [63].
Помимо этого, существуют так же методы определения прочности путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок, например, патент № 2435955 Способ определения предела прочности при одноосном растяжении горных пород, который заключается в нагружении образца стальными встречно направленными сферическими инденторами и определении разрушающей силы и площади поверхности разрыва. При этом дополнительно определяют площади поверхностей зон разрушенной породы в областях контакта с инденто-рами. Предложена формула для вычисления предела прочности при одноосном растяжении, учитывающая разрушающую силу, площади поверхности разрыва и большей из зон разрушенной породы [68]. Так же, к подобного рода методам относятся патенты № 2521116 Способ определения механических свойств горных пород 69 и №276344 Способ определения предела длительной прочности горных пород 70 .
Помимо полевых исследований, основанных на применении механических усилий, растягивающих и сжимающих нагрузок, существует также ряд геофизических методов.
Геофизические методы исследования свойств горных пород применяются, в большинстве случаев в комплексе, так как особенностью данного вида работ является то, что для обеспечения высокой точности получаемой информации необходимо применение нескольких методов разной физической природы.
Сейсморазведка и сейсмоакустические исследования являются наиболее информативными и распространенными геофизическими методами получения информации о прочностных и деформационных свойствах, о которых и идет речь в данной работе.
Суть данного исследования заключается в получении информации о скоро стях продольных и поперечных упругих волн по результатам интерпретирования данных сейсморазведки (МПВ, МОВ) и сейсмоакустических исследований, при помощи которых определяются динамические дефоpмационно-пpочностные свойства горных пород, позволяющих, в свою очередь, оценить статические де формационно-прочностные свойства грунтов 86 . При помощи сейсмо аккустических исследований можно определить динамический коэффициент по перечных деформаций (коэффициент Пуассона).
Исследование трещиноватости массива горных пород, определение модуля трещиноватости
При помощи данного прибора на основании неразрушающего метода определения прочности горных пород была разработана методика контроля прочностных свойств горных пород. Значения полученные в результате испытания горных пород при помощи склерометра позволяли определить к какому интервалу значений прочности относятся и исследованные породы и соотнести полученные данные с местной классификацией, разработанной в соответствии с рекомендациями ВСН-190-78 [12].
На основании этого метода и сравнительного анализа его результатов со стандартизированными методами определения прочности горных пород был выполнен анализ геомеханического состояния массива горных пород, вмещающих тело Рокского тоннеля.
Определение прочности горных пород, слагающих массив, в соответствии с правилами производства инженерно-геологического мониторинга в условиях строительства транспортного тоннеля осуществляется посредством испытания грунта на одноосное сжатие и выражение этих результатов в соответствии со шкалой М.М. Протодьяконова 12 . Описанный ниже метод в процессе инженерно-геологического мониторинга, позволил повысить детализацию данных о прочности горных пород в массиве.
Контроль прочности производилось на каждом забое с интервалом от 1 до 5 м, с применением следующего алгоритма действий: Прежде всего выбиралась эталонная площадка горных пород на забое или в своде тоннеля.
Выбор эталонной площадки (площадок) для проведения испытаний производился исходя из следующих условий: -породы должны быть максимально приближены к природному состоянию, то есть в наименьшей степени затронуты горнопроходческими работами; -породы в пределах эталонной площадки должны наиболее полно характеризовать весь забой или свод тоннеля в плане геолого-литологического строения и степени трещиноватости; - эталонная площадка должна быть расположена вне зон неустойчивых и совершенно неустойчивых пород с наличием осыпей и "висячих глыб"
В пределах эталонной площадки осуществлялся выбор небольшой поверхности для осуществления измерения прочности при помощи склерометра «Молоток Шмидта».
Поверхность, выбранная для испытания, очищалась от посторонних загрязнений и, в случае наличия шероховатости и мелких неровностей, зачищалась абразивным материалом. Измерение производилось перпендикулярно плоскости испытуемой поверхности 114 .
Испытания (удары), при исследовании горных пород, обладавших слоистостью, производилось в равном количестве вдоль и поперек слоистости, так как слоистые породы зачастую проявляют анизотропные свойства. В том случае, по результату испытаний были прибор выдавал ошибку, это означало, что прочность пород испытание которых производилось в данной точке была ниже 5 МПа 114 .
Причиной таких низких показателей прочности для горных пород может служить замачивание, развитие трещинноватости и многие другие факторы к за счет которых осуществляется проявление масштабного эффекта, важность которого подробно описана Ю.М.Карташовым 41 и Ю.Л. Ребецким [83].
Поэтому в случае, когда Молоток Шмидта выдавал описанную выше ошибку, полученный результат фиксировался в линейке испытаний как значение равное "0" и учитывался при производстве статистической обработки результатов испытаний массива горных пород.
В том случае, когда в забое или своде тоннеля присутствовало несколько литологических разностей, испытания производились в отдельности для каждой из них, что позволило учесть их прочность в процентном соотношении при камеральной обработке результатов испытаний.
В процессе производства испытаний пород на прочность при помощи Молотка Шмидта, как уже было сказано выше учитывалось наличие литологических разностей горных пород, при наличии двух и более литологических разностей фиксировалось их процентное соотношение пород и, в дальнейшем это соотношение учитывалось при статистической обработке данных.
Каждая литологическая разность была опробована отдельным рядом испытаний. Количество испытаний (ударов) для каждой литологической разности должно составило не менее шести 28 , общее количество испытаний для двух ли-тологических разностей горных пород составляет не менее 20 определений на одной эталонной площадке, выбранной на забое, либо в своде транспортного тоннеля.
Частные значения прочности по Молотку Шмидта для каждой геолого-литологической разности (слоя), полученные в результате испытаний в параллельном и перпендикулярном направлении по отношению к слоистости заносятся в геологоразведочный журнал отдельно.
При оценке геомеханического состояния Рокского тоннеля на объекте «Реконструкция автомобильной дороги Алагир (автомобильная дорога «Кавказ») – Нижний Зарамаг до границы с Республикой Грузия, тоннель на км 93+300 в Республике Северная Осетия – Алания (3-й этап)» 96 , при контроле прочностных свойств горных пород вмещающих тело тоннеля при помощи прибора Молоток Шмидта на более чем восьми сотнях эталонных площадок было получено более двадцати трех тысяч частных значений прочности грунтов в массиве.
По результатам статистической обработки частных значений прочности горных пород с учетом процентного соотношения двух и более литологических разностей исследуемых пород было выведено восемьсот семьдесят семь нормативных значений прочности массива горных пород. В таблице 2.4 приведены обобщенные результаты полевых исследований массива горных пород по пикетам.
Минералого-петрографические исследования горных пород
В состав работ по производству инженерно-геологического мониторинга входил отбор и упаковка проб горных пород ненарушенной структуры, который производился с интервалом 100 м, а в зонах крупных тектонических нарушений с интервалом 20 м. Образцы, отобранные из массива горных пород, были транспортированы в аккредитованную лабораторию.
В состав лабораторных исследований, выполненных на образцах горных пород ненарушенной структуры, входили испытания по следующим показателям: плотность горной породы , кг/м3; прочность ненарушенных пород на одноосное сжатие в сухом и водонасыщенном состоянии Rсж, МПа; прочность ненарушенных пород на одноосное растяжение в сухом и водонасыщенном состоянии R, МПа; крепость пород по шкале Протодьяконова (в куске); модуль упругости (статический) Ест, МПа; коэффициент Пуассона; удельное сцепление; кажущийся угол внутреннего трения горных пород.
При производстве инженерно-геологического мониторинга крепость пород следует определять по шкале М.М. Протодьяконова 12 . Из комплекса характеристик, полученных при лабораторных испытаниях горных пород в процессе производства инженерно-геологического мониторинга наиболее информативными для характеристики прочности грунтов по шкале М.М. Протодьяконова являются показатели прочности грунта на одноосное сжатие.
Результаты определения прочности горных пород, посредством методики, разработанной на основе применения склерометра молоток «Шмидта», при исследовании геомеханического состояния массива горных пород коррелировались с результатами лабораторных испытаний грунтов на одноосное сжатие, что послужило основой анализа правильности разработанной методики.
Для исследования в лабораторных условиях было отобрано сорок образцов горных пород слагающих массив являющийся средой для тела строящегося транспортного тоннеля. Образцы горных пород отбирались и упаковывались в соответствии с требованиями государственных стандартов 32 ; 33 . Отбор проб горных пород ненарушенной структуры производился с интервалом 100м, в зонах крупных тектонических нарушений с интервалом 20м.
В лабораторных условиях образцы горных пород, доставленные для выполнения комплексных исследований, были подготовлены к испытанию и разделены на пробы примеры которых представлены на рисунке 3.1(а,б)
Подготовка образцов горных пород для производства исследований их химических, физико-механических, прочностных и деформационных свойств осуществлялась в соответствии с требованиями стандартных методик испытаний [23, 25, 27, 29, 30, 34].
Образцы для минерало-петрографических исследований подготавливались в соответствии с методиками и принципами разработанными такими учеными, как Логвиненко Н.В. Князевым В.С., Белоусовой О.Н., Михиной В.В. 51, 46, 8].
Образцы для испытания на прочность при одноосном сжатии изготавливались призматической формы (с квадратным поперечным сечением), посредством выпиливания на камнерезной машине, их торцевые поверхности шлифовались на шлифовальном станке. Из проб слоистых горных пород или пород с направленной трещиноватостью горных пород изготавливались образцы, одинаково ориентированные относительно направления слоистости (трещиноватости).
Размеры образцов изготовленных при подготовке к испытанию на одноосное сжатие соответствовали требованиям ГОСТ 21153.2-84 [23]: Таблица 3.1– Размеры образцов горных пород для испытания на одноосное сжатие Параметр образца Размеры, мм, при испытаниях массовых сравнительных предпочтительные допускаемые Диаметр (сторона квадрата) 42±2 От 30 до 80 включ. 42х2 Отношение высоты образца к его диаметру От 1,0 до 2,0 От 0,7 до 2,0 2х0,05
Измерения на соответствие размеров образцов требованиям нормативной документации 23 производились штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм, образцы изготовленные из одной пробы имели одинаковые размеры, пример осуществления измерений приведен на рисунке 3.2. Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, соответствовали требованиям ГОСТ 21153.2-84 [23].
Отклонение от плоскостности (выпуклость, вогнутость) и параллельности измерялись индикатором, установленным на стойке. В первом случае - по спирали с шагом 5-6 мм от края торца к его центру, во втором случае - по двум взаимно-перпендикулярным диаметрам.
Отклонение от перпендикулярности торцевых поверхностей к образующей контролировалось угольником в четырех точках каждой торцевой поверхности, смещенных относительно друг друга на 90 градусов. Рисунок 3.2 – Измерения на соответствие размеров образцов требованиям нормативной документации
Испытания горных пород на прочность при одноосном сжатии выполнялись в соответствии с методикой регламентированной государственными стандартами ГОСТ 21153.2-84. [23]
В данном случае при испытании образцов горных пород на прочность при одноосном сжатии был использован метод одноосного сжатия образцов правильной формы плоскими плитами.
Метод предназначен для определения характеристик горных пород применительно к расчетам и проектированию горных работ, оборудования, проведения исследовательских и сравнительных испытаний.
Сущность метода заключается в измерении максимального значения разрушающего давления, приложенного к плоским торцам правильного цилиндрического образца через плоские стальные плиты.
Лабораторные исследования выполнялись посредством применения поверенного и аттестованного оборудования. Для исследования прочностных свойств горных пород на одноосное сжатие был использован испытательный пресс П-50 приведенный на рисунке 3.3, процесс испытания и результаты приведены на рисунке 3.4, а, б.
Определение зависимости показателей вариации прочности от модуля трещиноватости пород
Среднее отклонение между результатами полевыми и лабораторных испытаний для прочных пород составляет – 13,1 %, а для пород средней прочности – 15,6 %.
Выявить сходимость лабораторных и полевых испытаний для прочных горных пород, находящихся в замоченном состоянии не представилось возможным, так как все образцы, находящиеся в замоченном состоянии, представлены породами средней прочности.
Массив горных пород, вмещающий Рокский тоннель, представлен двумя основными литологическими разностями: известняками и мергелями. Помимо указанных выше видов анализа также осуществлялся анализ сходимости для грунтов различных литологических разностей, находящихся в сухом и замоченном состоянии, также подтвердивший высокую сходимость результатов.
Результаты анализа сходимости, проведенного для показателей прочности идентичных образцов горных пород, полученных двумя различными методиками, указывают на то, что методика, разработанная на основе применения склерометра, имеет высокие показатели сходимости со стандартизированным методом. Этот факт позволяет утверждать, что применение экспресс-метода контроля прочностных свойств горных пород в условиях строительства или реконструкции транспортных тоннелей обеспечивает достаточно высокую точность значений прочности массива горных пород. Применение данной методики позволяет облегчить задачу инженеров при осуществлении инженерно-геологического мониторинга и оценке геомеханического состояния массива горных пород.
1. Результаты натурных измерений предела прочности пород в массиве, показали, что в породах различной прочности наблюдается различная степень разброса результатов в серии измерений. Для исследования корреляционной связи между показателями вариации и выборочным средним значением предела прочности пород на одноосное сжатие R были объединены выборки, составленные для пород различной прочности. Исследование показало, что, связь между R и дисперсией D отсутствует, и так как среднее квадратическое отклонение а связано с дисперсией соотношением D = а1, то зависимости сг = f(K), как и D = /(к) не существует.
Однако между коэффициентом вариации V, и выборочным средним значением предела прочности пород на одноосное сжатие существует нелинейная корреляционная связь, которая может быть описана 4 различными функциями, каждая из которых с высокой теснотой (коэффициенты корреляции от 0,803 до 0,894) могут описывать искомую корреляционную связь.
2. В период проведения натурных измерений прочности пород в массиве было обнаружено влияние степени модуля трещиноватости массива Птр на рассея ние значений прочности в серии измерений. Для функций а = f(nтр), D = f(nтр) вид зависимостей установить невозможно, из-за низкой тесноты корреляционной связи, тогда как между параметрами V и птр существует нелинейная корреляционная связь, которая может быть описана 4 различными функциями, анализ данных свидетельствует о том, что все 4 вида уравнения регрессии с достаточно высокой теснотой (коэффициенты корреляции от 0,739 до 0,874) могут описывать искомую корреляционную связь.
3. Для установления всех основных факторов, влияющих на показатели ва риации прочности пород, была произведена оценка влияния водопритока Q на по казатели вариации их прочности в каждой серии измерений для функций u = f(Q), D = f(Q) и V = f(Q), в результате исследований было выявлено, что показатели вариации никак не коррелируют с величиной водопритока.
4. На основании выполненных натурных и лабораторных исследований бы ло установлено, что пределы прочности пород на одноосное сжатие в массиве Rм и «в куске» Rк связаны между собой переходным коэффициентом k, Rм = kRк, при этом коэффициент Ьзависит от предела прочности пород на одноосное сжатие «в куске» Rк, МПа и модуля трещиноватости породного массива птр, м"1. Для множе ственной корреляции и установления вида зависимости к = f (Rк, птр) были по 97 строены поля корреляции в виде семейства кривых и поверхности из которых виден нелинейный вид указанной зависимости.
С помощью метода наименьших квадратов было найдено уравнение регрессии множественной корреляции в виде поверхности общего вида 2-го порядка, описывающее зависимость переводного коэффициента k от предела прочности пород на сжатие «в куске» Rк и модуля трещиноватости массива пород nтр. Так же произведена оценка точности и надежности полученного результата, для этого определена сходимость экспериментальных данных kэ и значений переводного коэффициента k, рассчитанных по полученному уравнению. По результатам анализа данных среднее линейное отклонение теоретических данных (определенных по найденному корреляционному уравнению 4.4) от соответствующих экспериментальных данных (усредненных замеров радиальных отклонений в стволах) составляет 0,07, т.е. около 8 %, а максимальное не превышает 13-15 %. Полученные характеристики свидетельствует о высокой сходимости результатов. Корреляционное отношение, характеризующее тесноту найденной корреляционной связи равно 0,969, следственно найденную корреляционную связь можно считать очень тесной.
5. Для оценки точности неразрушающего экспресс-метода контроля прочности горных пород непосредственно в массиве, с учетом масштабного эффекта, был осуществлен анализ сходимости значений между показателями прочности массива, полученных по разработанной и стандартной методикам, который указывает на то, что методика, разработанная на основе применения склерометра, имеет высокие показатели сходимости со стандартизированным методом. Анализ сходимости осуществлялся для грунтов, находящихся в различных состояниях по влажности и прочности на основе вычисления отклонений (в %) между значениями, полученными при помощи склерометра и лабораторными методами. Среднее отклонение между полевыми и лабораторными данными для горных пород, находящихся в замоченном состоянии составляет 16,4 %, а для пород в сухом состоянии – 15,7 %. Для пород различных по прочности среднее отклонение между результатами полевыми и лабораторных испытаний для прочных пород составляет – 13,1 %, а для пород средней прочности – 15,6 %.