П-877-89
-------------------
Гидропроект

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ
СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ В МАССИВЕ С ПОМОЩЬЮ ШТАМПОВ

     
     
     УТВЕРЖДЕНЫ Главным инженером объединения В.Д.Новожениным 31 июля 1989 года
     
     

АННОТАЦИЯ

     
     Изложенная унифицированная методика определения модуля деформации скальных грунтов в массиве с помощью штампов предназначена для практического использования в целях получения на различных объектах исследований сопоставимых данных.
     
     В рекомендациях приведена характеристика деформируемости скальных массивов, перечислены требования к инженерно-геологическим и геофизическим работам, к лабораторным испытаниям образцов пород, которые сопутствуют полевым геомеханическим исследованиям и образуют комплекс работ при изучении деформационных свойств массивов скальных грунтов.
     
     Рекомендации предназначены для специалистов Гидропроекта и других организаций, ведущих полевые определения деформационных характеристик массивов скальных грунтов.
     
     "Рекомендации по методике определения модуля деформации скальных грунтов в массиве с помощью штампа" составлены в отделе скальных оснований Гидропроекта им. С.Я.Жука гл. специалистом Б.Д.Зеленским.
     
     В Рекомендациях учтены замечания и пожелания специалистов Ленинградского отделения и Технического отдела инженерных изысканий Гидропроекта, МИСИ, ВНИИГа, ВНИМИ и других организаций и отдельных ученых.
     
     

ВВЕДЕНИЕ

     
     В области строительства современных гидротехнических сооружений выдвигаются высокие требования к обеспечению надлежащей прочности и устойчивости сооружений, ограниченной деформируемости оснований, высокой надежности системы "сооружение-основание", и вместе с этим, экономичности инженерных решений.
     
     В этой связи повышаются требования к качеству исследований такого сложного объекта, как массив скальных грунтов.
     
     В соответствии со СНиП 2.02.02-85 характеристиками деформируемости скальных грунтов в массиве являются:  - модуль деформации и  - коэффициент поперечного расширения, определяемые полевыми методами статического нагружения, а также
 и  - скорости распространения продольных и поперечных волн, определяемые в полевых условиях динамическими (сейсмоакустическими) методами.
     
     Деформационные испытания необходимы при проектировании оснований гидротехнических сооружений для расчета деформации системы сооружения - основание под действием внешних нагрузок и изменения деформационных свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружений.
     
     Как следствие особенностей строения свойств массивов скальных грунтов деформационные характеристики не являются константами, а зависят от естественного напряженного состояния, последовательности и продолжительности приложения внешних нагрузок. Большое влияние на величину деформационных характеристик оказывают схемы приложения внешних нагрузок в различных типах испытаний (одноосное сжатие и растяжение, равномерное давление по поверхности цилиндрической выработки, нагрузка на поверхности в пределах ограниченной площадки основания штампа).
     
     В силу последнего, в зависимости от задач, полевые статические испытания проводятся следующими основными методами: штампа; гидравлической напорной камеры; гидравлических плоских домкратов; в щели; радиального пресса (цилиндрического нагружения); прессиометрическим.
     
     Указанные методы различаются между собой, в первую очередь, условиями создания напряженного состояния в скальном массиве и, во вторую очередь, техникой выполнения опытов, которые обуславливают методическую (теоретическую) и инструментальную точности получения показателей деформационных свойств, предопределяют трудоемкость выполнения полевых опытов.
     
     Для получения на разных объектах сопоставимых между собой результатов определений механических свойств необходимо иметь: унифицированные методы исследований или принципы корреляции их результатов, выполняемых разными методами.
     
     Настоящая работа связана с развитием первой задачи, т.е. унификацией статических методов деформационных исследований, в частности, метода штампа. По другим статическим методам исследований проводится аналогичная работа. По методу цилиндрического нагружения в Гидропроекте уже изданы "Рекомендации по полевым исследованиям коэффициента отпора" П-781-83 и "Рекомендации по методике прессиометрических исследований" П-847-86.
     
     Рекомендации отвечают на основные вопросы, связанные с теоретическим обоснованием технологии и техники проведения опытов, обработки результатов и получения нормативных показателей характеристик по результатам комплекса выполняемых работ (геомеханических, геофизических и инженерно-геологических).
     
     Методика получения расчетных показателей характеристик деформационных свойств является специальным вопросом, связанным с распространением результатов исследований на инженерно-геологические элементы массива скальных грунтов. Ее разработка представляет собой отдельную самостоятельную проблему, которую предстоит решать.
     
     В дополнение к настоящим "Рекомендациям" по плану НИР (проблема 0.55.08, подтема 06.H1.3) отделом скальных оснований "Гидропроекта" в 1988 г. составлено "Пособие по производству подготовительных и вспомогательных работ для полевых геомеханических исследований", номер госрегистрации 01870074005. По тому же плану разработаны "Рекомендации проведения инженерно-геологических работ при полевых исследованиях свойств скальных массивов", в частности, непосредственно относящихся к исследованиям деформационных свойств, номер госрегистрации 02880071710.
     
     В рекомендациях использованы термины, определение которых приведено в справочном приложении 5.
     
     В основу проделанной работы положен опыт, накопленный в отделе скальных оснований Гидропроекта и другими ведущими лабораториями в данной области (ВНИИГом, МИСИ, Ленгидропроектом и др.). Были использованы общесоюзные и ведомственные нормативные документы, фондовые материалы, теоретические источники. В работе использованы "Методические рекомендации по методам исследований скальных пород и массивов" [24], которые разработаны комиссией по стандартизации лабораторных и полевых исследований Международного общества по механике скальных грунтов. В частности, раздел, посвященный штамповому методу определения деформируемости (метод поверхностного нагружения).
     
     Рекомендации предназначены для изыскательских и исследовательских подразделений системы института "Гидропроект", и сторонних организаций, выполняющих геомеханические исследования массивов скальных пород как оснований и среды для гидротехнических сооружений.
     
     Имея методический характер рекомендации допускают в отдельных случаях использование других методик, однако, последние должны быть своевременно подробно разрабатываться исполнителями исследований и утверждаться в установленном порядке.
     
     

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     
     1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на полевые исследования скальных грунтов в массиве статическими нагрузками, передаваемыми через штамп, с целью определения модуля деформации пород в основании и в береговых примыканиях проектируемых гидротехнических сооружений I и II классов капитальности. Полевые исследования проводятся на стадиях проектирования: проект и рабочая документация.
     
     Рекомендации составлены в соответствии с положениями и требованиями стандартов предприятия института "Гидропроект" на геомеханические исследования массивов скальных грунтов: СТП 3000-5.15-86 "Программа работ. Состав и оформление" и СТП 3000-5.16-86 "Технический отчет. Состав и оформление".
     
     1.2. Рекомендации не распространяются на специальные виды исследований, направленные на изучение реологических свойств скальных грунтов при различном состоянии влажности и влияния укрепительной цементации.
     
     Проявление этих факторов в Рекомендациях предусматривается учитывать лишь косвенно, путем фиксирования продолжительности испытаний, естественной влажности или степени обводнения и качества укрепительной цементации скального массива.
     
     Подробному изучению этих вопросов посвящены "Рекомендации по определению характеристик реологических свойств мерзлых и оттаявших скальных и полускальных грунтов в массиве методом кольцевого нагружения", которые составлены МИСИ им. В.В.Куйбышева и ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева в 1988 г.
     
     1.3. Основными задачами деформационных исследований являются:
     
     определение модуля деформации скального массива в условиях максимального приближения к работе системы "основание-сооружение";
     
     выявление закономерностей изменения модуля деформации в зависимости от инженерно-геологического строения массива, его состояния (влажности, естественных напряжений), величины и продолжительности действия нагрузки, количества циклов нагружения и т.д.
     
     1.4. Полевые деформационные испытания скальных пород являются специальным видом геомеханических исследований, который входит в комплекс инженерно-геологических изысканий и исследований. Объем исследований диктуется сложностью инженерно-геологических условий, изученностью района, категорией сооружения, стадией проектирования.
     
     1.5. Исследования начинаются с составления технического задания, на основе которого разрабатывается программа работ, с использованием положений настоящих Рекомендаций. Техническое задание и программа составляются в соответствии с СТП 3000-5.15-86.
     

     Исследования должны проводиться в соответствии с утвержденной программой работ. В исключительных случаях возможно внесение изменений и дополнений, направленных на более полное выявление характера деформируемости скального массива, а также учет конкретных условий, в которых проводятся исследования. Обоснованные изменения вносятся только по согласованию с заказчиком, оформляются документально и отражаются в итоговом отчете.
     
     1.6. Полевые деформационные испытания следует сопровождать лабораторными определениями физико-механических свойств пород и заполнителя трещин (грансостав, естественная влажность до опытов и после опытов, прочность, модули деформации и упругости в монолите, компрессионные характеристики и другие) и наблюдениями за деформациями разгрузки в опытных камерах.
     
     Полевым испытаниям должны сопутствовать специальные инженерно-геологические работы. Требования к инженерно-геологическим работам изложены в разделе 6.
     
     Кроме инженерно-геологических работ для уточнения сведений о строении и состоянии скального массива и распространения результатов точечных испытаний на скальное основание необходимо проведение геофизических работ в пределах опытных участков и площадок.
     
     1.7. По результатам полевых и камеральных работ составляется технический отчет с рекомендацией нормативных значений модуля деформации.
     
     

2. ХАРАКТЕРИСТИКА МАССИВОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД,
ОПИСАНИЕ ИХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

     2.1. По классификации СНИП 2.02.02-85 к скальным относятся изверженные, метаморфические и осадочные грунты с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.
     
     2.2. Деформационные свойства массивов скальных грунтов обусловлены литологическим составом, структурой, текстурой, степенью выветрелости и естественным напряженным состоянием. При определении деформационных характеристик массивов скальных грунтов должен учитываться каждый из перечисленных факторов.
     
     2.3. Массивы скальных грунтов обладают дискретностью, которая является следствием наличия систем трещин, расчленяющих породу на отдельные блоки.
     
     Сочетание систем трещин, отличающихся генетическими признаками, ориентировкой, размерами приводит к различным уровням неоднородности и анизотропии строения и свойств, а также к проявлению масштабного фактора.
     
     2.4. Модуль деформации следует определять либо для всего массива в целом (если его можно считать однородным), либо для инженерно-геологических элементов, определенных в результате районирования. Инженерно-геологический элемент массива скальных грунтов, является частью массива, выделенной по стратиграфическим, фациальным и петрографическим признакам (пачка, слой, линза, контактная зона и т.п.), в пределах которого порода обладает одинаковыми (в условленных интервалах значений) инженерно-геологическими показателями свойств, трещиноватости, выветрелости и другими особенностями и состоянием.
     
     2.5. Поскольку реальным массивам скальных грунтов не присуща идеальная упругость, для описания их деформационных свойств вводятся условия, регламентирующие режим испытания. Эти условия должны учитывать работу реальных оснований сооружений. Принятые предпосылки о линейной зависимости между напряжениями и деформациями в массивах скальных грунтов позволяют использовать аппарат теории упругости - линейно-деформируемого тела.
     
     2.6. Среди статических показателей деформационных свойств массивов скальных грунтов наиболее употребительными в практике инженерных расчетов являются модуль деформации  и коэффициент поперечного расширения .
     
     2.7. В зависимости от инженерных задач используются различные статические показатели деформируемости, полученные при разной величине, продолжительности и повторяемости нагрузок.
     
     Диаграммы возможных режимов испытаний и соответствующие им графики зависимости перемещений  и от напряжений  приведены на рис.2.1. График нагрузка-перемещение, где показаны основные виды перемещений, развивающихся в массиве скальной породы, помещен на рис.2.2.
     

     
     
     Ступени нагрузок:
     
      - начальная,
     
      - максимальная,
     
     ,  - основные,
     
     ,  - промежуточные.
     
     Интервалы времени выдерживания нагрузки:
     
      - условий стабилизации при максимальной нагрузке в цикле,
     
      - промежуточные,
     
      - между циклами,
     
      - в конце опыта.
     

Рис.2.1. Диаграммы испытаний и графики зависимостей перемещений  от нагрузки  
для различных режимов:

а) нагружения с многократной продолжительной выдержкой нагрузки
на основных ступенях, на  и на ; б) последовательное нагружение;
в) нагружение с продолжительной выдержкой нагрузки на  и на  
с многократными одинаковыми циклами.

     
     Экспериментальные ветви:
     
     нагрузки,
     
      разгрузки,
     
     Осредненные ветви:
     
      нагрузки,
     
      разгрузки,
     
     Индексы:
     
      упругой части перемещений,
     
      остаточной части перемещений,
     
      общих перемещений,
     
      порядкового номера цикла,
     
      суммарного перемещения.
     

Рис.2.2. Основные виды перемещений  при циклическом нагружении  массивов скальных грунтов

     
     
     
     2.8. Полное перемещение , происходящее в массиве при одном цикле "нагрузка-разгрузка" за период времени  действия нагрузки , состоит из двух основных частей: упругой и остаточной ,
     

                                                       (2.1)

     
для любого -ого цикла формула 2.1 примет вид: .

     
     2.9. При многоциклическом нагружении полное перемещение за ''" циклов равняется сумме остаточных перемещений всех предшествующих циклов, включая последний ""-ый цикл, и упругое перемещение последнего цикла:
     

,                                                 (2.2)

     
где:  - полное (суммарное) перемещение за "" циклов нагружения;

     
      - остаточное перемещение в -ом цикле;
     
      - упругая часть перемещения в ""-ом последнем цикле .
     
     2.10. В соответствии с выделенными видами перемещений в массивах скальных грунтов в геомеханике используются следующие основные показатели деформационных свойств:
     
     модуль общей или суммарной деформации , соответствующий полным перемещениям  за "'' циклов испытаний и определяемой по ветке нагрузок в интервале от нуля до  в ""-ом цикле ;
     
     модуль частной деформации  в ""-ом цикле испытаний, соответствующий перемещениям  в ""-ом цикле испытаний по ветве нагрузки от нуля до , ;
     
     модуль упругости  в ""-том цикле испытаний, соответствующий упругим перемещениям  в ""-том цикле испытаний по ветви нагрузки в интервале от  до 0 .
     
     В выражениях для модулей деформации величина "" учитывает коэффициент поперечного расширения массива скальных грунтов и схему приложения к нему нагрузки и вычисляется по ниже приведенной формуле (3.2) в таблице 3.3.
     
     Если зависимость осадок от напряжений, полученная в опыте, не является линейной, определяют интервальные значения величин модулей деформации для отдельных участков этой зависимости. При каждом модуле деформации в этом случае необходимо указывать для каких интервалов напряжений рассчитан каждый модуль деформации.
     
     Коэффициент поперечного расширения для массива скальных грунтов по СНИП 2.02.02-85 допускается определять по аналогам. Коэффициент обычно принимают равным 0,25-0,30.
     
     

3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

     
     3.1. Сущность метода штампа состоит в приложении к поверхности скального массива, представляющего собой деформируемое полупространство, нагрузки, соответствующей назначенному уровню средних напряжений в контакте "штамп-порода", и замера перемещений отдельных точек массива, которые расположены в области сжатия.
     
     Примечание. В Рекомендациях принята исходная теоретическая предпосылка, по которой основание штампа рассматривается как линейно-деформируемое, сплошное, однородное, изотропное полупространство. До настоящего времени она является наиболее распространенной в нашей стране и за рубежом. Вследствие того, что модель сплошной линейно-деформируемой среды не учитывает фактор трещиноватости (расчлененности) наиболее приемлемым является способ вычисления модуля деформации по перемещениям точек, расположенных в скальном массиве непосредственно под штампом в зоне максимального действия внешних нагрузок. В приложении 1 для сведения приведен другой способ интерпретации результатов штамповых опытов по схеме сжимаемого слоя ограниченной мощности (по методу МИСИ) и пример, поясняющий этот способ. Численное значение модуля деформации, рассчитанного по схеме слоя ограниченной мощности, ниже полученного в расчетах по схеме полупространства. Достоверность результатов этих методов в равной мере приближена, т.к. для блочной (дискретной) скальной среды условно принимается теория сплошного линейно-деформируемого тела. Использование схемы полупространства предпочтительно в случае отсутствия в основании на небольшой глубине несжимаемого грунта.
     
     
     3.2. Размер штампов должен соответствовать порядку неоднородности строения породы испытываемого участка массива. При этом желательно, чтобы все структурные особенности инженерно-геологического элемента (трещины, сланцеватость и т.п.) были достаточно представлены в испытываемом объеме.
     
     Рекомендуется, при выполнении прочих условий, размер основания штампа принимать наибольшим, при этом учитывая технико-экономические соображения. Площадь основания применяемых на практике штампов изменяется от 3000 до 22500 см, а объем деформируемой породы при этом составляет от 0,5 до 12 м.
     
     По условиям обеспечения квазиоднородности массива скального грунта минимальный размер стороны основания штампа  следует принимать в 5-7 раз больше среднего линейного размера блока породы.
     
     3.3. При испытаниях используют штампы, которые конструктивно оформляются как жесткие или гибкие.
     
     3.4. В качестве жестких используются бетонные штампы с прямоугольным или круглым основанием. Бетон штампа укладывается непосредственно на грунт основания.
     
     Для обеспечения жесткости штампа его высота должна быть достаточной, чтобы удовлетворить условию (П13-83):
     

,                                          (3.1)

     
где  - высота штампа, м;

     
      - площадь подошвы штампа, м;
     
      - ширина (или диаметр) подошвы штампа при прямоугольной (круглой) форме, м;
     
      - длина (или диаметр) подошвы при прямоугольной (круглой) форме (или круглой или квадратной подошве) ;
     
     ,  - модуль деформации и коэффициент поперечного расширения материала штампа (определяются лабораторными испытаниями образцов бетона);
     
     ,  - модуль деформации и коэффициент поперечного расширения испытываемого основания (значения  и  при проверке условия (3.1) до проведения испытаний назначаются максимально возможными по данным аналогов).
     
     В таблице 3.1 приведены округленные минимальные значения высот бетонных штампов , полученные для разных размеров подошвы основания и формы штампов и  основания (в расчетах принято  МПа).
     
     

Таблица 3.1

     
     
Таблица 3.2

     
     
     3.5. Гибкие штампы преимущественно имеют круглое основание. Усилие на грунт передается через толстую (5-10 см) резиновую прокладку, укладываемую на цементную или алебастровую стяжку, выравнивающую поверхность основания. При этом обеспечивается равномерное распределение нагрузки по площади основания штампа.
     
     3.6. Наибольшая нагрузка на штамп должна обеспечивать максимальное значение среднего напряжения в его основании - , превышающее максимальное расчетное напряжение , под сооружением в 1,2-1,5 раза. В то же время  должно быть меньше допускаемого напряжения на грунт  в 1,5-2,0 раза.
     
     3.7. Значения модуля деформации скальных массивов вычисляют по формуле
     

, [МПа]                                         (3.2)

     
где  - приращение средней нагрузки в основании штампа, МПа;

     
      - усилие на штамп, МН;
     
      - площадь основания штампа, м;
     
      - приращение перемещений (учитывается путем измерения осадок по реперам, установленным в основании под штампом), м;
     
      и  имеют размерности МПа;
     
      - ширина прямоугольного (или диаметр круглого) штампа, м;
     
      - коэффициент поперечного расширения (коэффициент Пуассона);
     
      - коэффициент, учитывающий форму и жесткость штампа, а также места расположения группы реперов (определяется по таблице 3.3).
     
     

Таблица 3.3*

     
Значение коэффициента , учитывающего форму основания, жесткость штампа и места расположения реперов

_________________

     *  Таблица составлена по [20], (стр.467).
     
     
     3.8. Значения величин  получают после осреднения перемещений по группам реперов под штампом, корректировки средних величин с учетом анализа совместной работы реперов и внесения поправок на температуру и прочие факторы.
     
     В случае значительного изменения температуры вблизи места проведения опыта поправка, исключающая ее влияние, вносится по показателям контрольных реперов, устанавливаемых вне зоны влияния нагрузки. Если показания перемещений по какому-либо индикатору дефектны или отсутствуют из-за порчи индикатора или заделки репера, то показания индикатора по симметрично расположенному реперу в осреднениях не учитывают во избежание принятия возможного перекоса основания штампа за его осадку.
     
     3.9. Нагрузка на массив скальных грунтов от штампов прикладывается в направлении равнодействующей от сооружения и по главным осям анизотропии структуры скального массива.
     
     3.10. Передача нагрузки на массив в опытах может осуществляться на дно (почву) и стены камер, ниш, траншей (рис.3.1).
     

Рис.3.1. Схемы передачи нагрузки  на основания штампов:
в камере: а) и б) - на подошву; в) - на стены;
в котловане: г) - на подошву; д) - на стены.

4. ВЫБОР УЧАСТКА ИСПЫТАНИЙ И ПЛОЩАДОК НАГРУЖЕНИЯ

     
     4.1. Для каждого инженерно-геологического элемента, воспринимающего нагрузки от сооружений, должен быть выбран участок (участки) для проведения полевых деформационных исследований.
     
     4.2. Участки для проведения деформационных исследований подразделяются по месту расположения: в подземных горных выработках и на дневной поверхности.
     
     4.3. В подземном варианте опытный участок состоит из:
     
     - подходной штольни (шахты);
     
     - опытной камеры или отдельных ниш, пройденных из горных выработок.
     
     В наземном варианте опытный участок представляет собой полигон, размещаемый в траншее, котловане, на склоне и т.д.
     
     В последующем изложении опытные участки, располагаемые в подземных условиях, будут именоваться камерами, а в наземных - полигонами.
     
     4.4. Размеры подходной штольни назначаются из условий обеспечения транспортировки оборудования. Уклон пола подземной выработки следует назначать от забоя к устью, для отвода воды. Камера от штольни отделяется переборкой с устройством двери. Сопряжение камеры со штольней должно быть закреплено в соответствии с требованиями п.6.3 "Правил безопасности при геологоразведочных работах" [14]. В устьевой части штольни устраивается портал (оголовок шахты) для крепления сопряжения выработки с дневной поверхностью, защиты от камнепада, отвода поверхностных вод. Специальных условий к проходке подходной штольни не предъявляется.
     
     4.5. Габариты камер (полигонов) должны учитывать размеры площадок нагружения, измерительного и вспомогательного устройства установки, а также обеспечивать условия работы персонала во время сборки оборудования, подготовки и проведения опытов.
     
     4.6. Местоположение и направление осей опытных камер (полигонов) следует собирать с учетом следующих основных требований:
     
     - опытные камеры (полигоны) должны располагаться в наиболее характерных по составу и степени сохранности зонах скального массива (инженерно-геологических элементов) для данного створа;
     
     - оси опытных камер (полигонов) необходимо располагать таким образом, чтобы направление усилий при проведении опытов соответствовало направлению равнодействующей усилий, возникающих в подошве сооружения, либо определялось характером залегания пород (падением и простиранием слоев, системами трещин и т.д.);
     
     камера (полигоны) не должны располагаться в зонах, разнородных по инженерно-геологическому строению, а также вблизи горных выработок большого сечения, способных исказить напряженное состояние скального массива и фактическую деформируемость породы (выявление такого влияния может составлять цель специальных исследований).
     

     4.7. При назначении размеров опытных камер (ниш) следует исходить из габаритов штампов, их количества, схемы приложения нагрузок, конструкции опытной установки, условий монтажа, демонтажа и транспортировки узлов, а также требований техники безопасности при выполнении подготовительных и экспериментальных работ.
     
     На рис.4.1. Схематично приведен пример размещения штампов.
     
     Примечание. В случае, когда в пределах габаритов камеры встречаются геологические нарушения, то вопрос о протяженности камер и размещении площадок нагружения, обладающих структурой и литологической однородностью, решается специально и оговариваются особые условия с учетом требований п.4.11.
     

Рис.4.1. Пример размещения штампов (вертикальных и горизонтальных) в камере. План камеры

     
     
     4.8. В общем случае, на каждом конкретном объекте, количество опытов на участках должно назначаться исходя из заданной точности результатов деформационных исследований, оговоренных в Техническом задании на выполнение деформационных геомеханических исследований. При этом должна учитываться конкретная инженерно-геологическая обстановка.
     
     Количество площадок нагружения в геологически однородных элементах (микрорайонах) рекомендуется назначать не менее шести. Они могут размещаться в одной камере или в двух по три площадки нагружения в каждой.
     
     Для отработки технологии испытаний в производственных условиях объекта необходимо предусмотреть еще одну дополнительную площадку нагружения.
     
     4.9. Выбор местоположения конкретных площадок нагружения для проведения опытов надлежит осуществлять комиссией на основе анализа геологической документации и осмотра выработок и площадок на месте. В комиссию должны входить представители исследовательской и выполняющей подготовительные работы организаций, а также главный геолог проекта.
     
     4.10. Расстояния в свету между соседними штампами рекомендуется назначать не менее двойной ширины штампа - 2в (двойного диаметра - 2а), между штампом и забоем - 1,5 в, между штампом и стенками камеры - 1,5 в. Расстояние между штампами и стенками камеры влияет на величину ошибки в определении модуля деформации.
     
     По результатам модельных исследований ВНИИГ при ширине камеры, равной 4в, модуль деформации, рассчитанный по формуле (3.2), получается завышенным в 1.10 раза, а при ширине камеры равной 3в - 1,25 раза. При наличии в пределах камеры (полигона) геологического нарушения, площадки нагружения следует располагать так, чтобы в активную зону под штампами не попадало тектоническое нарушение. Расстояние от активной зоны должно определяться характером строения и элементами залегания тектонического нарушения. Порода зоны изменения по структуре и состоянию не должно приближаться к контуру штампа основания ближе, чем на 2 в.
     
     4.11. Нумерация площадок нагружения (штампов) на объекте не должна повторяться. Предлагается следующий порядок нумерации:
     
     - каждой площадке присваивается номер N , где N - номер участка,  - номер штампа;  - уточняющий индекс;
     
     - в каждой камере штампы номеруются от забоя к устью;
     
     - штампам на левых стенках (по левую руку, стоя лицом к забою) присваиваются нечетные номера, а на правых (по правую руку, стоя лицом к забою) - четные;
     
     - при проведении работ следующей стадии на том же участке порядковая нумерация продолжается.
     
     

5. ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ УЧАСТКОВ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

     
     5.1. Для обеспечения получения представительных результатов в ходе проведения полевых деформационных исследований ставятся требования в части организации и производства горных подготовительных работ, направленные на сохранение первоначального состояния массива скальных грунтов (ограничение разуплотнения массива до начала опытов), а именно:
     
     - сведение к минимуму промежутка времени между окончанием проходки камеры (или подготовкой полигона) и началом проведения опытов. В это время необходимо вести наблюдения за деформациями разгрузки и изменениями влажности;
     
     - при проходке камер следует ограничивать длину шпуров, вес зарядов, взрывчатых веществ в шпурах, применять гладкий откол;
     
     - в местах, где будут располагаться площадки нагружения, рекомендуется оставлять защитный слой породы (~50 см), который затем следует разбирать вручную с помощью отбойных молотков, перфораторов, клиньев и т.д.
     
     5.2. На выбранных площадках нагружения перед бетонированием (установкой) штампов выполняются подготовительные работы, включающие окончательную доборку скалы, составление подробной геологической, топографической и фотодокументации, необходимые подготовительные буровые и строительные работы, а также отбор образцов породы для экспресс-определений физико-механических свойств. Для оценки однородности основания и величины зоны разуплотнения рекомендуется использовать геофизический (ультразвуковой) метод контроля.
     
     5.3. При подготовке площадок нагружения обязательно руководствоваться следующими требованиями:
     
     - поверхность скалы необходимо выравнивать в плоскости нормальной действию нагрузки от штампа. Площадь поверхности выравнивания на каждой площадке составляет 3а3в, высота неровностей (шероховатость) при этом может быть естественной, но не более 5% от ширины (диаметра) штампа. Все отслаивающиеся и расшатанные отдельности, а также продукты выветривания породы по поверхностям стенок трещин (мелкозем, ожелезненные пленки и т.д.) следует удалять;
     
     - в быстроразрушающихся в результате разгрузки и изменения температурного и влажностного режима породах (разновидности сланцев, аргиллитов и т.п.) требуется покрывать поверхность подготовленной скалы после проведения инженерно-геологической документации в пределах основания штампа защитным слоем цементно-песчаного раствора.
     
     5.4. Направление проходки камеры, ее конфигурацию и местоположение контролирует маркшейдерская служба, при этом геолог на объекте может корректировать исходные данные (заданные в программе) в зависимости от вскрытых пород.
     
     

6. ТРЕБОВАНИЯ К ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ РАБОТАМ

     
     6.1. К инженерно-геологическим работам предъявляются следующие требования:
     
     - изучение инженерно-геологических элементов массива с целью выделения участков с различным уровнем неоднородности и выбора представительных участков испытаний (камер, полигонов);
     
     - на основании инженерно-геологического районирования массива специализированная инженерно-геологическая документация опытных камер, ниш (полигонов) и подштамповых площадок для последующей интерпретации результатов опытов, их обработки и анализа;
     
     - геологическая документация шпуров и скважин, предназначенных для сопутствующих видов исследований (например геофизических, прессиометрических, воздушное опробование - ВОТ и т.п.).
     
     Детальность изучения инженерно-геологических условий залегания породы в активной зоне основания штампов должна обеспечивать возможность сравнения их со строением и состоянием породы инженерно-геологического элемента, на который предполагается распространить результаты опробования породы в основании штампа.
     
     6.2. Инженерно-геологические работы следует проводить по методике, отвечающей задачам деформационных исследований, изучая лишь то, что влияет на результаты опытов.
     
     Методику документации подштамповых площадок должна отличать максимально возможная подробность (фиксируются все детали геологической ситуации, которые можно различить невооруженным глазом).
     
     6.3. В состав материалов инженерно-геологической документации опытных камер (полигонов) должны входить: схема расположения опытных камер (по отношению к подходным выработкам и сооружению); зарисовки камер; съемка трещиноватости; геологическое описание камер; фотодокументация камер.
     
     6.4. В состав инженерно-геологической документации подштамповых площадок должны входить: геологическая характеристика подштамповой площадки (основания штампа) и окрестности - общий размер в плане составляет 3а3в; зарисовка площадок; трещинная съемка; описание геологических условий до и после опыта; фотодокументация площадок.
     
     6.5. В случае неоднородности осадок реперов, выявленных в процессе опыта, для более глубокого анализа причин необходимо проводить повторную документацию площадок нагружения после проведения опытов и вскрывать основание штампов, переворачивая штампы, частично разбирая породу.
     
     Характер и детальность документации шпуров и скважин должны определяться задачами тех исследований, для которых эти скважины пробурены.
     
     6.6. Окончательная обработка материалов инженерно-геологической документации должна включать расчетно-графическую часть, позволяющую интерпретировать результаты опытов и исследовать связи между инженерно-геологическими факторами и параметрами различных видов исследований.
     
     6.7. Текстовой материал составляется в виде разделов отчета, иллюстрированных графическим материалом.
     
     6.8. Вопросы инженерно-геологического обеспечения геомеханических исследований изложены в "Рекомендациях по методам проведения инженерно-геологических работ", составленных ОСО института и входящих в комплект рекомендаций по исследованию геомеханических свойств скальных массивов полевыми методами.
     
     6.9. Материалы, полученные в результате проведения инженерно-геологических работ с одновременным использованием данных геофизических исследований пород в основании площадок нагружения в сочетании с показателями физико-механических свойств пород, полученными в лаборатории на образцах, позволяют распространить результаты деформационных опытов на соответствующие инженерно-геологические элементы.
     
     

7. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ НА УЧАСТКЕ ПРОВЕДЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ОПЫТОВ

     
     7.1. Целью проведения геофизических работ, выполняемых одновременно со статическими полевыми определениями деформационных характеристик массивов скальных пород, являются:
     
     - детализация глубинного строения и степени разгрузки скального массива в активной зоне основания штампов;
     
     - получение геофизических характеристик, изменяющихся в процессе переменных статических нагрузок, для корректировки связи между статическими и динамическими деформационными характеристиками.
     
     Важнейшими динамическими показателями, на основании которых определяют строение и свойства массивов скальных пород, включая деформационные, являются скорости распространения продольных -  и поперечных -  упругих волн. Динамические показатели наряду с материалами инженерно-геологических исследований и данными лабораторных определений физико-механических свойств породы на образцах используют для распространения статических показателей деформационных свойств, полученных в отдельных "точках", на квазиоднородные инженерно-геологические элементы.
     
     7.2. В период подготовки к статическим испытаниям на опытных участках (камерах, полигонах) производят сейсмическое и акустическое профилирование и просвечивание между горными выработками и на обнажениях.
     
     7.3. После выбора мест расположения площадок под штампы в скважинах и шпурах выполняют акустический и ультразвуковой каротаж и просвечивание.
     
     7.4. В процессе статических испытаний скального массива одновременно проводят сопутствующие ультразвуковые наблюдения в шпурах и скважинах.
     
     7.5. По проделанным геофизическим работам ответственным исполнителем геофизических исследований составляется специальный раздел к общему отчету по геомеханическим исследованиям, который согласовывается с ответственным исполнителем - главным геомехаником и с главным геологом проекта.
     
     7.6. В разделе приводятся результаты измерения скоростей распространения упругих волн и динамического модуля упругости в объеме породы, деформируемой при статических испытаниях. Здесь же помещаются данные лабораторных определений геофизических параметров пород на образцах.
     
     На основании геолого-геофизической интерпретации полученных данных выделяют зоны разгрузки, зоны повышенной трещиноватости и выветрелости, а также отдельные трещины.
     
     7.7. Результаты уточненных корреляционных связей между динамическими и статическими параметрами деформируемости, а также данные геофизического изучения инженерно-геологических элементов помещаются в отдельном отчете.
     
     

8. ЛАБОРАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

     
     8.1. Полевые деформационные исследования следует сопровождать лабораторными испытаниями образцов горных пород с целью изучения физико-механических свойств исходного "материала", образующего массив скальных грунтов, а также для использования их при оценке представительности участка изучаемого инженерно-геологического элемента.
     
     8.2. Основными показателями физико-механических свойств грунтов в монолите при лабораторных испытаниях являются, как правило, модули деформации и упругости, прочность на одноосное сжатие и растяжение (раскалывание), плотность и объемная масса породы, влажность и влагоемкость, коэффициент размягчения и другие.
     
     8.3. Рекомендации по отбору проб, подготовке образцов и по определению физико-механических свойств в лаборатории изложены в соответствующих методических рекомендациях, ГОСТах и нормативно-методической литературе разных ведомств. В Гидропроекте с этой целью действуют "Методические рекомендации по определению физико-механических свойств скальных и полускальных пород", П-761-82.
     
     8.4. Необходимый объем лабораторных исследований определяется в Программе, исходя из следующих условий:
     
     - количества литологических разностей (в т.ч. заполнителя трещин), по которым необходимо проводить лабораторные определения;
     
     - набора показателей физико-механических свойств по каждой разности;
     
     - числа повторных испытаний, с учетом неоднородности свойств и заданной точности получения результатов.
     
     Статистическую обработку данных отдельных испытаний следует выполнять в соответствии с ГОСТ 20522-75*.
________________
     * На территории Российской Федерации действует ГОСТ 20522-96. Здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.
     
     8.5. После обработки лабораторных определений должны составляться ведомости результатов полученных физико-механических характеристик с описанием пород и заполнителя трещин, указанием количества и размеров образцов, места отбора проб.
     
     Текстовой материал представляют в виде раздела отчета.
     
     

9. ОБОРУДОВАНИЕ, ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРЕНИЯМ

     
     9.1. При подготовке и проведении полевых исследований применяется оборудование, схема классификации которого показана на рис.9.1. В зависимости от своего назначения оборудование подразделяется на: горно-буровое, строительно-монтажное, эксплуатационное (горных выработок), изыскательское (для маркшейдерских, геологических, геофизических и лабораторных работ) и опытовое (установки, с помощью которых производятся опыты над породой).
     

Рис.9.1. Классификационная схема оборудования

     
     
     9.2. Выбор проходческого оборудования для производства горно-буровых работ, строительного и монтажного оборудования осуществляется при разработке производственно-технологической части Программы.
     
     9.3. Оборудование для эксплуатации горных выработок включает систему вентиляции, освещения, энергоснабжения, водоснабжения, водоотлив и другие. Состав оборудования устанавливается производственной частью Программы, к составлению которой может привлекаться организация, эксплуатирующая на объекте горные выработки. При составлении производственной части Программы следует руководствоваться Инструкциями по производству горных, строительных, монтажных подготовительных работ и эксплуатации оборудования при проведении полевых деформационных исследований.
     
     9.4. Оборудование, инструменты и приборы для выполнения специальных видов изыскательских работ (маркшейдерских, геологических, геофизических и лабораторных) назначаются и комплектуются соответствующими подразделениями изысканий.
     
     9.5. По своим характеристикам опытовая установка с измерительным устройством для проведения полевых деформационных испытаний пород должна обеспечивать возможность:
     
     - передачи на основание штампа нормальной нагрузки заданной величины и направления;
     
     - изменения нагрузок ступенями;
     
     - измерения нагрузок и перемещений с достаточной точностью.
     
     Установка должна быть надежна и стабильна в работе.
     
     9.6. Опытовая установка состоит из нагрузочного, измерительного и вспомогательного устройств.
     
     Нагрузочное устройство включает: штамп, гидравлическую систему, упорные конструкции.
     
     Примечание. В приложении 2, в качестве примеров, схематично показаны две установки для проведения полевых деформационных опытов в подземном и наземном вариантах.
     
     
     9.7. Штамп (нагрузочная плита) - орган, через который передается и распределяется по поверхности испытываемого скального массива нагрузка. Он представляет собой бетонную, стальную или чугунную плиту круглого или прямоугольного сечения в плане и обладает заданной жесткостью.
     
     Конструктивные особенности и размеры штампов должны отвечать требованиям п.п.3.2-3.5, а также учитывать условия размещения силового оборудования и измерительной аппаратуры. Примеры конструкций штампов схематично приведены на рис.9.2-9.4.
     

Рис.9.2. Вариант 1. Квадратный бетонный штамп. Размещение реперов и домкратов

Рис.9.3. Варианты 2 и 3. Бетонные штампы. План размещения реперов и домкратов:
а) квадратный; б) прямоугольный

Рис.9.4. Вариант 4. Круглый металлический штамп. Размещение реперов и домкратов

     9.8. Гидравлическая система включает следующие основные элементы:
     
     - гидравлические домкраты, используемые как машина для преобразования гидравлического давления рабочей жидкости в усилие с заданным направлением и величиной перемещения;
     
     - рукава высокого давления, являющиеся гибкими коммуникациями для рабочей жидкости;
     
     - коллектор, который служит для монтажа гидравлической системы и управления нагрузками при параллельном подключении домкратов и измерительных приборов;
     
     - пульт управления, который состоит из насосной станции (или ручного насоса), резервуара для масла, блока управления гидравликой. Блок управления гидравликой предназначен для регулирования скорости подачи масла в рабочие цилиндры домкратов с целью получения заданных перемещений поршней домкратов и поддержания постоянной нагрузки.
     
     9.9. Перед опытами необходимо проводить испытания элементов гидравлической системы в соответствии с инструкциями по эксплуатации и тарирование в диапазоне заданных нагрузок.
     
     Гидравлическая система тарируется в собранном виде, в условиях, соответствующих условиям проведения опытов. Допускается проводить тарирование отдельных частей системы на стендах в лаборатории, а затем получать тарировочные таблицы расчетным путем.
     
     9.10. Упорные конструкции подразделяются на инвентарные, изготовляемые на заводе, и вспомогательные, изготавливаемые на месте проведения опытов. К инвентарным относятся входящие в комплект установки металлические упорные винты, стойки, распорки, плиты и другие элементы. В камерах (на полигоне) бетонируют упоры, в мехмастерских на объекте могут изготавливаться несложные конструктивные элементы.
     
     9.11. Измерительное устройство включает базисную раму, реперы, измерительные приборы и измерительные системы.
     
     9.12. Базисная рама представляет собой жесткую конструкцию, закрепленную вне зоны влияния участка нагружения. Ее положение принимается неподвижным и служит условным нулем, от которого ведется отсчет перемещений реперов. К ней посредством штанг с оголовками закрепляют приборы и датчики для измерения перемещений реперов.
     
     Для устранения воздействия температуры, вызывающей деформацию элементов рамы, в конструкцию опор рамы вводят шарниры, разрешающие свободу перемещений прогонов в продольном направлении (обычно в плоскости, нормальной перемещениям реперов).
     

     При устройстве базисной рамы следует придерживаться следующих правил:
     
     - одна из опор должна быть шарнирной, а другая скользящей. При этом необходимо в направлении длины регистрировать продольные смещения прогонов с помощью дополнительной измерительной системы;
     
     - длину мессуродержателей ограничивать в пределах 20-25 см;
     
     - вводимые в конструкцию консольные элементы должны проверяться по жесткости на действие реактивных усилий от приборов.
     
     Правильность сборки базисной рамы и закрепление на ней приборов контролируется следующим образом: наносятся несколько легких ударов по раме и наблюдают за показаниями датчиком. Возвращение показаний всех датчиков после отклонения в исходное положение свидетельствует, что сборка произведена верно. Затем наблюдают за показаниями датчиком (без нагрузки) в течение одних-двух суток через каждые два часа и, если отсчеты за время наблюдения совпадают, то можно прикладывать нагрузку к основанию.
     
     В случае несовпадения показаний датчиков в период наблюдений должна быть установлена причина, вызвавшая нестабильность показаний, которая должна быть устранена.
     
     Контроль за неподвижностью базисной рамы и измерение смещений, вызванных изменением температуры в процессе опытов, осуществляется с помощью двух-трех реперов, установленных вне зоны влияния площадки нагружения и соединенных с базисной рамой через датчики перемещений. Другим способом контроля является гидростатическое нивелирование (в вертикальной плоскости) и использование прогибомеров для измерения смещений относительно неподвижной удаленной точки. Такой контроль следует производить не менее 2-3 раз в течение суток.
     
     9.13. Репер скальный - закладная часть, которая устанавливается в основание. По оголовку репера измеряют перемещения точек массива в пространстве.
     
     Реперы подразделяются на:
     
     - подштамповые, закладываемые в приконтактной зоне под штампом;
     
     - глубинные, устанавливаемые по вертикали через центр площадки нагружения;
     
     - периферийные, устанавливаемые возле штампа.
     

     По подштамповым реперам оценивают количественные показатели деформируемости массива. Глубинные и периферийные реперы служат для оценки характера деформируемости и степени соответствия принятым теоретическим предпосылкам, а также качества опыта.
     
     Возможные схемы размещения реперов показаны на рис.9.2-9.4.
     
     Во всех случаях реперы должны устанавливаться симметрично по отношению к центру подошвы штампа.
     
     Перемещения реперов регистрируются измерительными приборами или датчиками в направлении действия прикладываемой нагрузки.
     
     9.14. Приборы, применяемые в измерительных устройствах, по назначению делятся на измеряющие:
     
     - линейные перемещения,
     
     - давление рабочей жидкости в гидросистемах,
     
     - усилия.
     
     Для изменения перемещений используются визуальные приборы - индикаторы часового типа и прогибомеры, для измерения давления рабочей жидкости - манометры, для измерения усилий - динамометры сжатия.
     
     9.15. Измерительные системы и приборы должны удовлетворять следующим требованиям:
     
     - измерительные системы должны представлять собой совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления;
     
     - чувствительность индикаторов (датчиков) должна отвечать условиям, чтобы при минимальной ступени изменения нагрузки происходило изменение показаний не менее, чем на 5-10 делений шкалы прибора. При этом точность поддержания постоянной нагрузки на ступенях должна составлять не ниже 1% от величины давления по шкале манометра (допускается 2% на нижней ступени);
     
     - конструктивное исполнение приборов должно защищать их от неблагоприятных условий проведения опытов (запыленность, влажность, наличие капельной влаги, температурные перепады и т.д.) с тем, чтобы обеспечивать рабочие условия применения средств измерения, указанные в паспортах приборов;
     
     - пределы измерений индикаторов (датчиков) должны обеспечивать измерения перемещений на протяжении всего опыта; если все же в ходе эксперимента отсчеты приближаются к крайним значениям шкалы, в диапазоне которых нормирована точность, прибор необходимо переместить так, чтобы он продолжительное время работал в рабочей части шкалы. О перемещениях индикатора (датчика) делается запись в полевом журнале, указывается время перестановки, предыдущий и последующий отсчеты по всем приборам, а в таблице отсчетов пропускается строка и отмечается изменение отсчета ("новый нуль"). Стабильность работы индикаторов (датчиков) подлежит систематическому контролю;
     

     - опрос и запись показаний механических приборов осуществляется в специальном журнале. Его форма (ОПИ-1) приведена в приложении 3.
     
     В случае применения измерительных дистанционных систем, опрос датчиков осуществляется автоматически, запись показаний при этом ручная или на носитель, пригодный для дальнейшей обработки на ЭВМ (перфоленту, магнитную карту и т.д.).
     
     9.16. Вспомогательные устройства включают:
     
     - приборы регулировки и контроля температуры и влажности в рабочей камере (на полигоне);
     
     - конструкции и систему защиты, экранирующие внешние помехи, оказывающие воздействия на свойства исследуемого массива скальных пород;
     
     - приспособления, способствующие правильной эксплуатации установки и облегчению ее монтажа;
     
     - производственный инвентарь.
     
     9.17. К регулирующим и контролирующим приборам относятся термометры и психрометры (рекомендуется, чтобы регистрация показаний приборов осуществлялась автоматически).
     
     9.18. К системе защиты, экранирующей внешние помехи, относятся тенты, кожухи, установки микроклимата и другие, к устройствам, оказывающим воздействие на свойства массива, - системы и приспособления для замачивания, цементации и т.д.
     
     9.19. К вспомогательным приспособлениям относятся монтажные столики, подмостки и крепежные элементы.
     
     9.20. Производственный инвентарь включает: рабочие столы, скамейки, полки, слесарный инструмент, аптечку и пр.
     
     9.21. Деформационные полевые испытания массива скальных пород проводятся (на каждом участке, площадке) в различных специфических условиях. Устройство опытовой установки при перемонтаже претерпевает частичные изменения. Вследствии указанных причин, могут быть дополнительные существенные погрешности при проведении опытов.
     
     Поэтому, помимо контроля выполнения основных методических требований (разделы 3, 4, 5 и 9), обуславливающих теоретическую точность при определении опытов, для каждого участка испытаний следует проверять:
     
     - соответствие областей применения, оговоренных в паспортах приборов, конкретным условием проведения опытов;
     
     - конструктивное исполнение аппаратуры, обеспечивающей соответствие условиям применения средств изменений;
     

     - прохождение приборами и устройствами соответствующих аттестаций и проверок.
     
     Изложенными в п.9.12 методами, а также путем постановки других контрольных приборов (маномеров, датчиков) необходимо определять грубые промахи и систематические погрешности с целью исключения их при обработке результатов.
     
     

10. ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ

     
     10.1. Опыт начинают после проведения всех поверочных испытаний приборов, систем измерения и выполнения мероприятий, контролирующих правильность сборки опытовой установки. Необходимо обеспечить постоянный температурный режим на опытном участке и контролировать его в течение опыта. Колебания температуры в рабочей камере во время проведения опытов не должно превышать 2-3 °С. В противном случае должны быть приняты меры, обеспечивающие стабильность температуры воздуха в камере.
     
     10.2. Режим проведения опытов назначается в соответствии с методической частью Программы на геомеханические деформационные исследования.
     
     10.3. Деформационные опыты штампом проводятся путем многократного испытания скального массива по циклам нагрузок и разгрузок ступенями  с соответствующими измерениями перемещений реперами - .
     
     10.4. Изменение нагрузок в основании штампа должно составлять от 0 до . Максимальная нагрузка  соответствует наибольшему напряжению в основании сооружения.
     
     Общее количество ступеней нагрузок должно составлять 5-7.
     
     В разделе 2 приведены характерные диаграммы нагружения, см. рис.2.1.
     
     10.5. Опыты рекомендуется проводить четырьмя одинаковыми циклами "нагрузка-разгрузка" для каждой основной ступени  и максимальной . Допустимо уменьшение числа циклов при условии соответствующего обоснования по результатам испытаний на первом штампе, по которым выясняется характер затухания остаточных деформаций после каждого цикла.
     
     10.6. Нагружение и разгрузку необходимо проводить равномерно и постепенно, при переходе со ступени на ступень нагрузка должна меняться плавно и достаточно медленно, скорость изменения нагрузки не должна превышать 0,5 МПа/мин.
     
     10.7. Время выдерживания нагрузки на основных ступенях определяется условной стабилизацией перемещений, которая достигается на данном скальном грунте (посредством имеющегося оборудования и в приемлемые сроки).
     
     На промежуточных ступенях нагрузок рекомендуется назначать равную продолжительность выдерживания. В зависимости от степени пластичности грунтов, определяющей время достижения условной стабилизации, интервал времени выдерживания может быть назначен 0,5-8,0 часов. Интервал времени поддержания нагрузки следует задавать исходя из условия, что изменение величины перемещений в каждом из последних трех отсчетов, снимаемых через 5 минут по приборам, не превышает 1-го деления шкалы приборов.
     
     10.8. Критерий условной стабилизации и режим опытов, заданные в рабочей программе, уточняются по опыту, выполненному на первом этапе.
     
     10.9. Режим опытов рекомендуется назначать одинаковым и приемлемым для всех однотипных грунтов на участках объекта с целью облегчения проведения сравнительного анализа поведения скального основания штампов на различных площадках массива.
     
     10.10. На каждой ступени нагрузку необходимо поддерживать постоянной с точностью 1% от заданного значения (допускается 2% на нижней ступени нагрузки, когда гидравлическая система не укомплектована гидростабилизирующим устройством).
     
     10.11. Промежутки времени между отсчетами на ступенях нагрузок назначаются по 5-15 минут в течение первого часа наблюдений и 30-60 минут при дальнейших наблюдениях.
     
     10.12. Промежутки времени между циклами назначаются не меньшими времени поддержания  и из условия стабилизации перемещений нагрузки.
     
     10.13. При выполнении экспериментов, кроме заполнения форм ОПИ-1 (приложение 3), где должны регистрироваться данные о нагрузках, перемещениях, давлении, времени и температуре, необходимо вести журналы опытов, куда заносятся следующие сведения:
     
     - наименование сооружения, номер опытного участка, выработки, опытной штольни, схемы геологического строения и трещиноватости опытных участков с нанесением местоположения штампов,
     
     - геологическая характеристика и зарисовка каждой опытной площадки с нанесением местоположения штампа и измерительных реперов,
     
     - маркшейдерские привязки опытных участков, мест установки штампов и реперов,
     
     - схемы расположения устройств и измерительных приборов (с записью паспортных данных и характеристик),
     
     - примечания и пояснения о ходе опытов и об отклонениях от принятой методики.
     
     Журналы опытов являются официальными полевыми документами. Страницы журналов должны иметь нумерацию. В конце каждой смены журнал должен быть заверен подписями ответственного за проведение опытов и регистратора, ведущего журнал. Журнал должен проходить регистрацию, хранение и передачу в установленном порядке.
     
     

11. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАТИВНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК

     
     11.1. Целью обработки результатов полевых испытаний является получение нормативных значений модуля деформации.
     
     11.2. Полная камеральная обработка результатов подразделяется на первичную, выполняемую в поле, и окончательную, выполняемую на месте постоянного нахождения исследовательского подразделения.
     
     11.3. Первичную обработку данных наблюдений необходимо начинать во время ведения опытов. Для оперативного контроля за ходом опытов и оценки их качества рекомендуется строить рабочий график перемещений по ступеням изменения нагрузок для нескольких характерных (основных) реперов.
     
     Объем первичной обработки может достигать 40% от всего количества камеральных работ.
     
     11.4. В первый этап первичной обработки входит проверка правильности и полноты заполнения журналов опытов и их оформления, соответствия режима проведения опыта заданному, выявление и исключение грубых промахов. Эта работа периодически проводится сотрудником, ответственным за проведение эксперимента в ходе выполнения опыта.
     
     До начала следующего опыта, в служебном помещении на объекте, полевые записи вновь просматриваются и явные ошибки выделяются (подчеркиваются). Отсчеты, рассматриваемые как ошибочные, подлежат проверке контрольными замерами, но из материалов не убираются и не зачеркиваются.
     
     Проверенные полевые записи отсчетов заносятся в сводные ведомости (форма ОПИ-2, приложение 3).
     
     В первичную обработку может входить также частичная обработка журналов и построение графиков перемещений по характерным реперам.
     
     11.5. Окончательная обработка результатов полевых деформационных испытаний включает:
     
     - построение зависимостей перемещений отдельных реперов от нагрузки и времени, одновременно контролируется соблюдение метрологических требований на проведение измерений (в том числе исправность и соответствие приборов, правильность пользования тарировочными таблицами и другие);
     
     - сопоставление поведения реперов в группах на отдельных площадках нагружения, с учетом геологических условий и внешних факторов;
     
     - определение перемещений по группам реперов для площадок нагружения;
     

     - вычисление модуля деформации  по формуле (3.2);
     
     - поправок на измеренные параметры (за счет температуры и других факторов);
     
     - оценку погрешностей измеренных величин перемещений и прикладываемых нагрузок;
     
     - по осредненным и скорректированным значениям перемещений и нагрузок построение графиков зависимостей осадок оснований штампов от напряжений  и от времени , и по осредненным и скорректированным перемещениям вычисляют модули деформации  для отдельных (-тых) площадок нагружения.
     
     Если зависимость осадок от напряжений, полученная в опыте, не является линейной, определяются интервальные значения величин модулей деформации для отдельных участков этой зависимости. Для каждых из полученных модулей деформации необходимо указывать интервалы напряжений, для которых они рассчитаны.
     
     11.6. По ГОСТ 8.011-72 величины  (полученные косвенным измерением) должны представляться с указанием интервалов, в которых находятся случайная и неисключенная систематическая составляющие погрешности измерения  и для установленной доверительной вероятности .
     
     Рекомендуются доверительные границы для суммарной инструментальной погрешности  устанавливать по оценке среднеквадратического отклонения.
     

                                                         (11.1)

     
причем

     
                (11.2)

     
или

     
,                           (11.3)

     
где:  - оценка относительной инструментальной погрешности определения показателя ,
     
      - вычисленное значение показателя модуля деформации для площадки нагружения,
     
     ,  - оценки составляющих, соответственно, случайной и исключенной систематической погрешностей измеренных параметров (перемещений, сил и т.д.).
     
     Примечания.
     
     1. Общая ошибка определения модуля деформации по площадкам нагружения складывается из ошибки измерений  и ошибки метода измерений  (методической)
     

.                                                (11.4)

     
     Методическая погрешность находится в пределах нормы для данного метода при условии выполнения требований разделов 3, 4, 5, 8 и 9.
     
     2. Инструментальные точности косвенных измерений модуля деформации (обычно относительно погрешности ) оговариваются техническим заданием.
     
     Учитывая, что вариации значений модуля деформации для группы площадок нагружения, вследствие неоднородности основания, существенно превосходят по абсолютной величине , точность  для опытов следует принимать в пределах 5%, т.е. достаточной, чтобы характеризовать особенности проведения массива при нагружении.
     
     3. Точности прямых измерений (перемещений, температуре, сил, давления и др.) предопределяются , но не могут выше значений, указанных в паспортах приборов и устройств установки.*
_______________
     * Соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.
     
     
     11.7. По сопутствующим геомеханическим исследованиям работам должны быть представлены следующие материалы:
     
     - ведомости по результатам лабораторных испытаний (описание породы, размеры образцов, результаты определения физико-механических свойств) с приложениями, содержащими описание лабораторных приборов, режимов испытаний и статистической обработки;
     
     - результаты полной обработки полевых и лабораторных геофизических измерений, сопровождаемые пояснительной запиской с описанием выполненных работ и оценкой получаемых результатов;
     
     - подробная инженерно-геологическая документация по площадкам нагружения и участкам опытов, с зарисовкой трещиноватости и выделением зон литологических разностей пород в плане и на разрезах, с кратким пояснительным текстом.
     
     11.8. В результате обработки всего материала по инженерным изысканиям, относящегося к деформационным исследованиям, в т.ч. по п.11.7 и его анализа, дается окончательное заключение о представительности отдельных площадок для выбранных инженерно-геологических элементов и определяются нормативные значения модулей деформации.
     
     11.9. Анализ материалов по деформационным исследованиям представляет собой сопоставление результатов различных видов проведенных испытаний и поиск связи между ними, установление характерных особенностей и закономерностей проявления и корреляции свойств, группировку и классификацию рассматриваемых процессов с позиций общетеоретических представлений механики и инженерной геологии, наряду с оценкой корректности проведения экспериментов.
     
     11.10. Нормативные значения модуля деформации скальных массивов  следует определять как средние арифметические из частных величин этих характеристик, полученных для данного инженерно-геологического элемента в отдельных испытаниях
     

,                                                      (11.5)

     
где  - порядковый номер площадки нагружения;

     
      - количество испытанных площадок в пределах одного инженерно-геологического элемента;
     
      - номер инженерно-геологического элемента;
     
      - нормативное значение модуля деформации для -го инженерно-геологического элемента;
     
      - частные значения модуля деформации, полученные на -ой площадке нагружения, для -го инженерно-геологического элемента.
     
     11.11. Статистическую обработку (при количестве площадок больше 6) полученных значений  по каждому инженерно-геологическому элементу следует проводить в соответствии с ГОСТ 12374-77, при этом считая определения  равноточными (погрешность результатов определения  максимальная по всей группе площадок).
     
     11.12. Точность нормативных значений модулей деформации и упругости (доверительные интервалы) при заданном уровне доверительной вероятности определяется количеством частных определений и неоднородностью инженерно-геологического элемента.
     
     11.13. Нормативные значения модуля деформации в зависимости от их предназначения вычисляют по деформациям ветвей нагрузок в первом или во втором циклах испытаний.
     
     11.14. Состав и оформление технического отчета по результатам полевых исследований модуля деформации должен соответствовать требованиям СТП 3000-5.16-86 института "Гидропроект".
     
     

ЛИТЕРАТУРА

(справочная)

     
     1. Березинский С.А., Мгалобелов Б.Б., Сергеев И.П., Семенов И.В., Фрид С.А. Справочник проектировщика бетонных сооружений гидроэлектростанций. М., Энергоатомиздат, 1985.
     
     2. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений. М., Недра, 1983.
     
     3. Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве. М., Стройиздат, 1973.
     
     4. Евдокимов П.Д., Сапегин Д.Д. Прочность, сопротивляемость сдвигу и деформируемость оснований сооружений на скальных породах. М., Л., Энергия, 1964.
     
     5. Измерения в промышленности. Справочник под ред. Профоса П.М. М., Металлургия, 1980.
     
     6. Каган А.А. Расчетные характеристики грунтов. М., Стройиздат, 1985.
     
     7. Карлсон А.А. Измерение деформаций гидротехнических сооружений. М., Недра, 1984.
     
     8. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. М., Недра, 1979.
     
     9. Кемниц Ю.В. Математическая обработка зависимых результатов измерений. М., Недра, 1970.
     
     10. Кубецкий В.Л., Ухов С.Б. Исследование ползучести скальных пород методом пробной статической нагрузки. ГТС, 1968, N 8, с.31-34.
     
     11. Лыкошин А.Г., Шешеня Н.Л., Карпышев E.C., Каякин В.В., Фишман Ю.А. Принципы инженерно-геологического моделирования для гидротехнического строительства. ГТС, 1972 , N 3, с.7-11.
     
     12. Мюллет Л. Механика скальных массивов. М., Мир, 1971.
     
     13. Папазов М.Г., Могильный С.Г. Теория ошибок и способ наименьших квадратов. М., Недра, 1968.
     
     14. Правила безопасности при геологоразведочных работах. М., Недра, 1980.
     
     15. Правила пожарной безопасности для геологоразведочных организаций и предприятий. М., Недра. 1982.
     
     16. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М., Наука, 1968.
     
     17. Роза С.А., Зеленский Б.Д. Исследование механических свойств скальных оснований гидротехнических сооружений. М., Энергия, 1967.
     
     18. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. М., Недра, 1975.
     
     19. Ухов С.Б. Скальные основания гидротехнических сооружений. М., Энергия, 1975.
     

     20. Цытович Н.А. Механика грунтов. М., Стройиздат, 1963.
     
     21. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М., Мир, 1972.
     
     22. Инструктивные указания по технике безопасности при производстве открытых горных работ на объектах гидротехнического строительства в глубоких каньонах и горной местности. Гидропроект, М., 1981.
     
     23. Инструкция по безопасной организации и производству совмещенных и особо опасных работ на стройках министерства энергетики и электрификации СССР. М., Информэнерго, 1977.
     
     24. Методические рекомендации по методам исследований скальных пород и массивов. Сб.1 и 2, М., Гидропроект, 1983, 1985.
     
     25. Наставление по определению модуля деформации, сопротивление сдвига скальных пород. Л., Гидропроект, 1977.
     
     26. Основные понятия и термины механики скальных пород. М., Гидропроект, 1982.
     
     27. Рекомендации по методике составления геоструктурных моделей скальных массивов в основании бетонных плотин. Л., ВНИИГ, 1980.
     
     28. Рекомендации по применению инженерной геофизики для изучения деформационных свойств скальных горных массивов. Москва-Белград, Гидропроект, 1985.
     
     29. Рекомендации по применению геофизических методов для выбора расчетных характеристик деформационных свойств скальных горных пород. М., Гидропроект, 1973.
     
     30. Руководство по выбору расчетных характеристик деформируемости скальных оснований гидросооружений. М., Гидропроект, 1975, (П 654-73).
     
     31. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. М., Гидропроект, 1982.
     
     32. Технический отчет "Проведение полевых исследований по определению модуля упругости скальных пород основания арочной плотины на р.Кассеб в республике Тунис". Красноярск, ВНИИГ, 1963.
     
     33. Технический отчет "Об исследованиях деформационных свойств пород основания арочной плотины". Ингури ГЭС на р.Ингури. М., Гидропроект, 1970.
     
     34. Технический отчет "Участие в полевых исследованиях деформируемости и сопротивляемости сдвигу основания плотины Курпсайской ГЭС". Л., ВНИИГ, 1972.
     
     35. Материалы к техпроекту "Исследования деформационных свойств скального основания плотины Курпсайской ГЭС". М., Гидропроект, Л., ВНИИГ, 1970.
     

     36. Технический отчет "Исследование деформационных свойств скального основания плотины Токтогульской ГЭС до проведения цементационных работ", ВНИИГ, Гидропроект, 1970.
     
     37. Сводный отчет по исследованию деформируемости скального основания Токтогульской ГЭС", ВНИИГ, Гидропроект, 1972.
     
     38. Технический отчет "Оценка деформационных свойств мелов основания сооружений Табка (CAP) по результатам полевых и лабораторных опытов". М., Гидропроект, 1971.
     
     39. Технический отчет "Результаты полевых исследований деформационных свойств пород в шахте N 1. Г/у Хадита на р.Евфрат". М., Гидропроект, 1976.
     
     40. Г/у Хоабинь на р.Да (СРВ). "Уточнение прочностных и деформационных свойств скального основания". М., Гидропроект, 1982.
     
     41. Технический отчет "Определение деформационных и прочностных характеристик алевролитов района Зеленчукских ГЭС с учетом длительного нагружения". М., Гидропроект, 1981.
     
     42. Технический отчет "Геомеханические исследования по площадке расширения АЭС (полевые и лабораторные работы). Армянская АЭС, II очередь". М., Гидропроект, 1985.
     
     43. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами. М., Недра, 1979.
     
     

Приложение 1
Справочное

     
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ШТАМПОВЫХ ОПЫТОВ
ПО СХЕМЕ СЛОЯ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ ПО МЕТОДУ МИСИ

     
     Модуль деформации скального массива, нагруженного жестким квадратным штампом, определяется по формуле (1)
     

,                                                    (1)

     
где  - коэффициент осадки скального массива от одиночной нагрузки, зависящий от координат точек, лежащих на осях, проходящих через центр квадратного штампа и перпендикулярных его сторонам, при разных величинах относительной мощности сжимающего слоя  (определяется по табл.1);
     
      - мощность деформируемого под штампом слоя грунта;
     
      - ширина стороны квадратного основания штампа.
     
     

Таблица 1

     
Значения коэффициента  для квадратного жесткого штампа

     
     
     Определение модуля деформации по схеме слоя ограниченной мощности на основе данных полевых опытов производится следующим образом:
     
     а) для выбранного интервала изменения средних давлений под штампом  определяется приращение осадок и точек поверхности скального массива, находящихся по осям симметрии квадрата, перпендикулярных к сторонам штампа в различном удалении от граней штампа. Точки измерения осадок в относительных единицах наносятся на график , где  - расстояние точки измерения осадок от грани штампа. За исходную осадку точки поверхности скального массива, измеренную по ближайшему к грани штампа реперу.
     
     б) по данным табл.1, в зависимости от значения , подбирают кривую наиболее близко апроксимирующую опытные точки осадок. Для этого следует на том же графике построить несколько кривых при различных значениях . В качестве опорной точки, где осадку считают единичной, целесообразно для удобства сравнения принимать ближайшую к штампу точку поверхности скального массива.
     
     в) для подобранной кривой, исходя из определяющей ее величины  по табл.1 находят соответствующий коэффициент , по формуле (1) вычисляют модуль деформации.
     
     По данным С.Б.Ухова ниже приведен пример определения модуля деформации по схеме слоя ограниченной мощности для микросланцев.
     
     Железобетонный штамп шириной  см, высотой  см, при модулях деформации железобетона 3·10 МПа и породы 1·10 МПа, был принят абсолютно жестким. При увеличении нагрузки от 3 до 4 МПа среднее (по четырем лучам) приращение осадок  по одноименным реперам, отстоящих от граней штампа на расстояниях 0, 10 и 20 см, соответственно составляли 0,0060 см, 0,0026 см и 0,0016 см. В качестве опорного значения выбрана осадка точек, удаленных от граней штампа на 10 см - 0,0026 см. Относительно осадки опорных точек определяли относительные осадки точек отстоящих от граней штампа на расстояниях 0, 10 и 20 см. Расчеты модулей деформации приведены в табл.2.
     
     

Таблица 2

     
К расчету модуля деформации по схеме слоя ограниченной мощности

     
     
     Наибольшее совпадение относительных осадок, замеренных с теоретическими, как показывает табл.2, соответствует условиям относительной мощности сжимаемого слоя при , для которого и пользуются значением.
     
     По формуле (1) при , соответствующей , рассчитано  для значений осадок , измеренных в опыте. При этом  принято 0,20.
     
      см,  МПа
     
      см,  МПа
     
      см,  МПа
     
      см,  МПа
     
      см,  МПа
     
     В качестве нормативного принято среднее значение  для  в пределах 0-20 см, равное 89,6 T/см или 8,96 МПа.
     
     

Приложение 2
Справочное

     
     Нагрузочное устройство
     
     1 - Штамп бетонный;
     
     Гидравлическая система
     
     2 - Домкрат (ДГ-100, ДГ-200);
     
     3 - Распределительный коллектор и напорные шланги;
     
     4 - Насос (НСР-400 м).
     
     Упорные конструкции
     
     5 - Бетонный упор;
     
     6 - Винт;
     
     7 - Колонна распорных труб.
     
     Измерительное устройство
     
     8 - Базисная рама;
     
     9 - Анкер крепления базисной рамы;
     
     10 - Реперы;
     
     11 - Контролирующая система;
     
     12 - Индикаторы (ИЧ-10).
     
     Примечание:
     
     По центральному телескопическому реперу условно показан оголовок, выведенный только с одной глубины.
          

Рис.П.2.1. Схема размещения оборудования опытовой установки для штамповых опытов в камере

     
     Нагрузочное устройство
     
     1. Штамп (металлический);
     
     Гидравлическая система
     
     2. Домкрат (ДГ-100, ДГ-200);
     
     3. Насос (НСР-400 м);
     
     Упорные конструкции
     
     4. Анкер, в т.ч.
     
     5 - Замок анкера;
     
     6 - Заделка анкера;
     
     7. Упорная и распределительные балки;
     
     Измерительное устройство
     
     8 - Базисная рама;
     
     9 - Реперы;
     
     10 - Индикаторы (ИЧ-10);
     
     11 - Контролирующая система;
     
     12 - Цементно-песчаная подготовка и резиновая прокладка.
     
     

Рис.П.2.2. Вариант (схема) размещения оборудования для проведения штамповых опытов на открытом участке

     
     
Приложение 3
(справочное)

Приложение 4
Справочное

     
СПИСОК НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ

     
     
Приложение 5
Справочное

     
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

     
4. ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

     
     
Таблица П.5.1

Электронный текст документа