Параметри залежності водонасичених грунтів від осадових утворень

Параметри залежності водонасичених грунтів від осадових утворень

Наприклад, внаслідок незначного вкладу дисперсії в зміну водонасичених глинистих порід. Аналогічним чином легко визначити параметри залежності водонасичених грунтів від осадових утворень і т. п. Оскільки такі залежності добре відомі, вивчення їх доцільно головним чином з метою контролю якості емпіричного матеріалу. При недостатньо високих значеннях коефіцієнта кореляції необхідна ретельна перевірка результатів спостереження і відбраковування сумнівних даних.

Регресійний аналіз досліджує поведінку випадкової змінної у залежно від зміни невипадкового аргументу х, наприклад залежність коефіцієнта пористості або відносної деформації від напруги, що зрушує зусилля від нормального навантаження і т. д. Коефіцієнти емпіричних рівнянь, отриманих при регресійному аналізі, часто являють собою узагальнені значення показників властивостей. Наприклад, коефіцієнт регресії є узагальненим показником стисливості, вільний член регресії - узагальненим значенням зчеплення і т. п.

Кореляційні схеми відрізняються від регресійних тим, що обидві змінні є випадковими величинами, причому кожна з них може виступати як в якості функції, так і в якості аргументу.

Для виконання кореляційного аналізу необхідно, щоб емпіричні дані були випадковими, незалежними і підпорядковані нормальному закону розподілу.

Вимога випадковість і незалежність спостережень в інженерно-геологічній практиці зазвичай виконується, а нормальності розподілу досліджуваних змінних і гомоскедастічності залежностей часто не виконується. Наприклад, більшість показників міцнісних, деформаційних, фільтраційних і деяких фізичних властивостей гірських порід розподілено логнормально, а деякі характеристики мають розподілу, що представляють собою дзеркальне відображення логнормального. При цьому зміна середніх значень таких показників супроводжується зміною їх дисперсій.

Способи розв'язування задач кореляційного аналізу.

Проте змістовний аналіз досліджуваних характеристик у більшості випадків дозволяє привести згадані розподілу до нормального закону шляхом заміни змінних і надалі досліджувати не тільки гомоскедастичные, але і прямолінійні взаємозв'язку нормально розподілених значень показників. Якщо це не вдається, то можуть бути використані способи рішення задач кореляційного аналізу, розроблені для гетероскедастичных криволінійних взаємозв'язків між змінними, розподіл яких відрізняється від нормального.

Для дотримання вимоги статистичної однорідності розроблені деякі принципи об'єднання інженерно-геологічних об'єктів та формування статистичних сукупностей з урахуванням ієрархічної структури цих об'єктів. Наприклад, якщо вивчаються взаємозв'язки показників властивостей порід у межах окремих інженерно-геологічних елементів (ІГЕ), типів і геолого-генетичних комплексів, то статистичні сукупності формуються відповідно з приватних значень цих показників. З узагальнених значень, отриманих для різних ІГЕ, що представляють даний інженерно-геологічний тип (ІГТ). З узагальнених значень, знайдених для різних ІГТ, що входять в конкретний геолого-генетичний комплекс порід і т. д.

Тим не менше згадане вимога нерідко порушується. Недотримання його не перешкоджає вивченню взаємозв'язків, однак не дозволяє коректно охарактеризувати точність і надійність оцінки їх параметрів.

Для попередньої оцінки тісноти залежності значень у від х будується графік. Наявність певної закономірності в розташуванні точок свідчить про взаємозв'язок і х. Вісь х можна розділити на кілька (зазвичай 6-15) рівних інтервалів, кожен з яких буде містити умовну вибірку ух. Якщо для таких вибірок визначити умовні середні ух та нанести їх на графік, то одержимо емпіричну лінію регресії у по х, яка дає необхідні уявлення про характер і форму залежності у від х.

Оцінка тісноти, достовірності і форми зв'язків.

Однак такий спосіб оцінки існування взаємозв'язків суб'єктивний. Для кількісної оцінки тісноти взаємозв'язків використовуються різні коефіцієнти, показники та критерії. Найбільш універсальними з них є кореляційне відношення т). Кожну двомірну вибіркову сукупність ознак можна охарактеризувати двома значеннями, оцінює тісноту залежності, протилежною за змістом.

Якщо результати спостережень є якісними характеристиками, то для оцінки тісноти взаємозв'язків між ними можна обчислити ранговий коефіцієнт кореляції. Для цього якості кожної ознаки ранжують, тобто розташовують їх у порядку зменшення або збільшення і нумерують.

Один з найважливіших елементів процедури вивчення взаємозв'язків -виявлення форм цих взаємозв'язків, для чого можуть використовуватися емпіричні лінії регресії. Однак кожна з цих ліній зазвичай може аппроксимироваться кількома функціями - від прямолінійної до гіперболічної та поліноміальної. Тому гіпотези про можливих формах залежно слід насамперед обґрунтовувати аналізом, що дозволяє враховувати фізичну сутність досліджуваних показників, схему їх взаємодії, вплив конкретних умов природної обстановки на особливості взаємозв'язків і т. п.

Такий аналіз, як правило, дозволяє застосовувати досить прості моделі замість широко використовуваної поліноміальної апроксимації експериментальних даних, яка не тільки з працею піддається інтерпретації, але й досить громіздка, особливо при великому числі змінних, що розглядаються в якості аргументів (наприклад, при 10 змінних повний поліном другого ступеня містить 66 членів).

Багатомірний кореляційний аналіз.

Досвід досліджень показує, що при дотриманні вихідних передумов кореляційного аналізу понад 99 % взаємозв'язків інженерно-геологічних характеристик досить добре відображаються прямолінійною, експоненціальною, логарифмічною або степеневою функціями, причому останні три форми легко линеаризуются заміною значень однієї або обох змінних їх логарифмами, що значно полегшує рішення задач багатовимірної кореляції.

Гіпотези про можливі форми залежностей в ряді випадків вимагають перевірки. Завдяки тому, що більшість залежностей є прямолінійними або вирівнюються заміною змінних, оцінка узгодженості отриманих моделей емпіричним даним зводиться до перевірки гіпотези про прямолінійною формою зв'язку. Для цього, поряд із більш надійними, можуть використовуватися критерій лінійності р і його стандарт ор:

На відміну від розглянутого вище парного кореляційного аналізу, за допомогою якого вивчаються взаємозв'язку між двома показниками, множинна кореляція дозволяє аналізувати багатовимірні статистичні сукупності.

Завдання множинної кореляції легко вирішуються у разі прямолінійних взаємозв'язків між досліджуваними показниками. Рівняння прямолінійної залежності х, від сукупності ознак в стандартизованому масштабі.

Алгоритми вивчення взаємозв'язків, що використовуються у програмному забезпеченні ЕОМ, засновані на методах матричної алгебри і формально відрізняються від формул. Проте останні при невеликих обсягах спостережень полегшують розрахунки на микрокалькуляторах типу БЗ-21 і БЗ-34. Це нерідко дозволяє вирішувати необхідні завдання значно оперативніше, ніж на швидкодіючих ЕОМ, які доцільно використовувати лише для великих масивів інформації.

Інтерпретація і практичне застосування отриманих даних.

Результати математичного вивчення характеристик ґрунтів представляють собою числа, які необхідно зрозуміти і пояснити навіть у тому випадку, якщо ці результати використовуються в чисто практичних цілях.

Справа в тому, що наявність кореляційних залежностей між досліджуваними характеристиками не означає існування між ними причинно-наслідкових взаємозв'язків. В той же час вплив неврахованих факторів може призвести до того, що вивчається взаємозв'язок виявиться слабкою або недостатньо тісною. Висновок про незалежності цих величин можна отримати лише після додаткового аналізу.

Іншою причиною слабких кореляційних взаємозв'язків досліджуваних показників є похибки визначення останніх. Відомо, що середні квадратичні похибки відтворюваності показників міцнісних, деформаційних і фільтраційних властивостей можуть складати значну частку природних стандартів (наприклад, в умовах квазиоднородности властивостей досліджуваних об'єктів). Ця обставина в загальному несуттєво позначається на оцінці параметрів рівнянь регресії таких показників по фізичним характеристикам, які фіксуються з порівняно високою точністю, однак приводить до зниження коефіцієнтів кореляції.

Це зниження може бути досить значним у випадку просторової несумісності «визначають областей експериментів», що характеризують корелюється показники. Така несумісність -явище звичайне в інженерно-геологічній практиці. Так, показники міцнісних і фізичних властивостей в лабораторії визначаються для зразків, показники фільтраційних, деформаційних і сейсмоакустичних властивостей в польових умовах для неоднакових обсягів масиву.

Парні коефіцієнти кореляції.

Показники властивостей ґрунтів, встановлені в польових умовах і в лабораторії, роз'єднані в просторі, у часі і т. і. Тому фактичні значення показників, що розглядаються як функції, відрізняються від тих, які спостерігалися б у визначальній області значень аргументів». В таких умовах максимальним можливим межею множинного коефіцієнта кореляції значень «функції» та комплексу «аргументів» є R = 0,7, який досягається лише в разі безпомилкового визначення останніх. Парні коефіцієнти кореляції та інших характеристик при цьому зазвичай не перевищують 0,6; дослідник, не знайомий зі специфікою інженерно-геологічних експериментів, прийде до висновку про низьку інформативність таких характеристик, а в процесі обробки даних на ЕОМ за деякими програмами, що передбачають порогове значення 0,6, вони взагалі виключаються з переліку аргументів.

Важливо підкреслити, що зниження коефіцієнтів кореляції обумовлено відносними похибками. Тому в більш тісній залежності знаходяться ті показники властивостей, які володіють великим.

Так, значення опору порід зрушенню або коефіцієнта пористості е при фіксованих навантаженнях характеризуються, як правило, великими коефіцієнтами множинної кореляції з показниками фізичних властивостей, ніж відповідні їм функції - зчеплення, і коефіцієнт стисливості. Однак залишкові дисперсії згаданих функцій при цьому не зменшуються.

Наявні в даний час оцінки розглянутих вище похибок дозволяють при необхідності реконструювати природні коефіцієнти кореляції та регресії, за результатами обробки експериментальних даних. Однак існують похибки, вплив яких на оцінки параметрів взаємозв'язків непередбачувано. Це -грубі помилки спостережень, експериментів, попередньої обробки та передачі інформації, які можуть набувати форму систематичних і тому можуть змінювати не тільки тісноту, але і параметри регресійних рівнянь, а також характер кореляції.

Аналіз поля кореляції.

Їх необхідно виключати з вибірки. Існуючі для цієї мети традиційні критерії, («правило трьох сигм», т-критерій) далеко не завжди дозволяють вирішити задачу. Більш надійний аналіз поля кореляції. Так, в результаті використання т-критерію відбракування крайніх варіант на рівні значущості 0,05 при обробці даних у вибірці залишені всі 65 значень, за правилом «трьох сигм» отбраковано 2, при формальному аналізі умовних крайніх варіант - ще 8 чисел, при змістовному аналізі виключено 55, залишено у вибірці 10 значень (вибракуваних ЕОМ).

При відсутності грубих похибок емпіричних даних найважливішу роль у зміні тісноти взаємозв'язків досліджуваних змінних відіграють особливості взаємодії факторів, що впливають на ці змінні. Ці особливості можуть призвести до зменшення або збільшення тісноти взаємозв'язків, змінити характер причинно-наслідкових відносин на протилежний, формувати непряму кореляцію незалежних ознак і, в свою чергу, змінюватися під впливом інших чинників.

У матрицях прогнозованими показниками є коефіцієнт переходу т від лабораторного модуля деформації озерно-льодовикових суглинків до польового модулю, зчеплення з цих же порід, середній річний водоприток Q в шахти. До непрямими ознаками відносяться відповідно е і коефіцієнт стисливості а (лабораторний), загальна площа відпрацьованого простору F і час експлуатації шахт. Коефіцієнти кореляції наведені для лінеаризовані залежностей між такими змінними, емпіричні розподіли яких несуттєво відрізняються від нормального, для чого деякі з перерахованих показників замінені їх логарифмами.

Взаємозв'язку є синергічними: спільне вплив «аргументів» на поведінку «функції» значно ефективніше суми роз'єднаних впливів. Облік цієї обставини може призвести до якісно інших висновків.

Коефіцієнти кореляції непрямих взаємозв'язків.

Без урахування ослаблення кореляційних взаємозв'язків ми зафіксуємо, що в результатах лабораторних випробувань міститься лише 6 % необхідної інформації про т, і прийдемо до висновку про необхідність польових експериментів. Слід підкреслити також, що при обробці даних на ЕОМ по багатьом програмам, що не враховує зазначені обставини і передбачає граничне значення, хоча б одна з характеристик, виключається з аналізу, що в підсумку призводить до помилкового висновку про відсутність скільки-небудь тісних залежностей прогнозованого показника від усього комплексу досліджених характеристик.

Коефіцієнти кореляції непрямих взаємозв'язків можуть досягати великих значень і класифікуватися як тісні, дуже тісні і т. і. Наприклад, для умов, у яких отримана перша матриця, при відсутності залежності і з урахуванням квазифункциональной взаємозв'язку коефіцієнт кореляції дорівнює 0,70. Легко оцінити параметри відповідного регресійного рівняння. Непрямий характер таких залежностей не перешкоджає можливості їх практичного використання, однак навіть невелике (часто неконтрольоване) зміна умов, в яких вони отримані, може призводити до непередбачуваних погрішностей.

Тому важливою задачею інтерпретації результатів кореляційного аналізу є виявлення основних зв'язків причинно-слідчого характеру, які є найбільш стійкими. Для цього використовується кілька прийомів, серед яких - обчислення приватних коефіцієнтів кореляції, стандартизація змінних, оцінка факторних навантажень і т. п. Досить простим є розрахунок коефіцієнтів рівняння представляють собою кількісні оцінки безпосередній ролі факторів у зміні змінної, розглянутої як «функції».

Однак при великому числі показників, що розглядаються в якості аргументів, в інтерпретації отриманих оцінок можуть виникнути труднощі, обумовлені ростом ймовірності порушення основних вихідних передумов багатовимірної кореляції зі збільшенням числа змінних і погано контрольованим сукупним впливом цих порушень на кінцевий результат в умовах різноманіття взаємозв'язків.

Необхідність детального аналізу схем взаємодії факторів та їх фізичної природи.

Такі труднощі можуть виникнути в тому випадку, коли в переліку аргументів є функціонально або квазифункционально взаємопов'язані характеристики. Навіть незначні відхилення таких взаємозв'язків від прямолінійних і невеликі похибки у значенні можуть у цих умовах призвести до невизначеним і абсурдним результатами. Звідси очевидна необхідність детального аналізу схем взаємодії факторів та їх фізичної природи, що дозволяє виділити тісно взаємопов'язані групи характеристик, вибрати представляють показники цих груп і оперувати порівняно невеликим переліком ознак, які виступають в ролі аргументів.

Деякі з перелічених завдань можуть вирішуватися з допомогою кластерного і факторного аналізів, методу головних компонент, які в цьому відношенні є розвитком кореляційного аналізу.

Досвід досліджень показує, що найважливіші інженерно-геологічні властивості глинистих грунтів - міцність, щільність усадка, набухання, реологічні та фільтраційні характеристики залежать від показників структури і складу. Проте з великої кількості таких показників основна інформація міститься, як правило, у трьох-чотирьох основних характеристиках - пористості, вологості, границі текучості, показнику консистенції.

У зміні показників стисливості глинистих грунтів найважливішу безпосередню роль грають. Просадочность лесових порід кореляційно залежить головним чином від ступеня вологості і щільності, однак безпосередніми чинниками формування цієї властивості також є піт. Об'ємна усадка і набухання глин залежать переважно від вологості і межі текучості.

Найбільш інформативними характеристиками при аналізі механічних властивостей осадових скельних грунтів є пористість і тріщинуватість. Облік тріщинуватості і результатів геофізичних досліджень дозволяє вирішити завдання переходу від показників властивостей скельних порід у зразку до показників властивостей в масиві.

Особливості вивчення взаємозв'язків властивостей ґрунтів як складних динамічних систем.

Важливим якістю параметрів взаємозв'язків інженерно-геологічних характеристик є їх нестійкість: такі параметри, отримані в неоднакових умовах, можуть бути істотно різними. При цьому контроль «ідентичності» умов являє собою надзвичайно складну задачу, так як навіть найпростіші регресійні рівняння, в сутності, враховують взаємозв'язки такого безлічі факторів, що не завжди піддається обчисленню.

Отже, однією з найважливіших задач математичного вивчення взаємозв'язків інженерно-геологічних характеристик є дослідження закономірностей зміни параметрів цих взаємозв'язків у процесі освіти, подальшого геологічного розвитку та сучасного існування гірських порід як складних системних природних об'єктів, а також виявлення умов, при яких згадані параметри набувають необхідну стійкість.

У процесі утворення гірських порід як складних систем формується безліч підсистем різного рівня, неоднакових за особливостями походження, структурних зв'язків, складу і т. п.

В рамках конкретного геолого-генетичного комплексу порід для вирішення поставлених завдань становлять інтерес лише ті підсистеми, які відображають особливості формування порід і забезпечують достатню стійкість параметрів взаємозв'язків показників властивостей. На підставі обробки великого обсягу інформації, що супроводжувалася використанням деяких прийомів імітаційного моделювання встановлено, що в глинистих породах формується сім-вісім основних підсистем, які в більшості випадків задовільно фіксуються у формі розмитих еліпсів кореляції меж і числа пластичності. Межі цих підсистем зазвичай проходять по лініях з високими (0,8-0,3) коефіцієнтами регресії.

Параметри статистичних моделей.

Параметри статистичних моделей, що описують поведінку модальних значень показників фізико-механічних властивостей виділених підсистем (різновидів складу глинистих порід), різні і відрізняються від параметрів, отриманих для системи в цілому.

В процесі литогенеза глинисті породи проходять ряд рівноважних станів, які в рамках окремих різновидів складу фіксуються у формі еліпсів кореляції пористості. Межі між цими станами досить добре простежуються в тонкодисперсних глинистих породах з невеликим (до 1 %) вмістом органічних речовин. У супісках, легких і середніх суглинках вони менш помітні у зв'язку зі значним зменшенням інтервалів зміни і збільшенням відносних похибок лабораторних визначень значень показників фізичних властивостей, характерних для кожного з станів. Тим не менш, останні виявляються статистично, що дозволяє ідентифікувати їх у зв'язних породах, що розрізняються за походженням, складом та віком.

Тому зв'язні ґрунти, що знаходяться в різних рівноважних станах, розрізняються параметрами, характером і формою взаємозв'язків показників властивостей порід.

В сучасних умовах лесові породи можуть перебувати в одному з чотирьох стійких станів, які розрізняються за ступенем вологості.

Перетину виявлених підсистем, рівноважних станів і стійких режимів утворюють близько 100 елементів глинистих порід (як динамічних систем). У межах кожного з них параметри статистичних моделей поведінки властивостей стійкі, для різних елементів - різні, для групи елементів -непостійні. У зв'язку з цим статистичні моделі, отримані для будь-якої системи в цілому, непридатні для конкретного опису поведінки властивостей окремих підсистем, рівноважних станів, стійких режимів і елементів цієї системи, і навпаки.

Докладний аналіз цих результатів представляє самостійний інтерес.

Параметри глинистих порід льодовикового комплексу.

Тут зазначимо лише наявність достовірних, у великому числі випадків тісних залежностей оцінки параметрів поведінки міцності порід від статистичних показників розподілу і взаємозв'язків фізичних властивостей. Останні, як правило, містять основну інформацію про поведінку міцності розглянутих відкладень і дозволяють побічно визначати параметри, що описують це поведінка, для чого складено необхідні емпіричні рівняння. Цікаво також відзначити, що найбільш важливі з згаданих параметрів характеризуються більш помітною просторовою мінливістю, ніж узагальнені значення показників.

Отримані дані дозволяють прогнозувати необхідні параметри глинистих порід льодовикового комплексу будь-якого з інженерно-геологічних районів, підрайонів і ділянок Ленінградської області. Однак у зв'язку з тим, що ці породи на кожному конкретному об'єкті досліджень (аж до підстав окремих інженерних споруд) можуть бути представлені декількома елементами, такі оцінки не усувають основний недолік розглянутих параметрів - їх нестійкість.

Тому більш надійними представляються оцінки параметрів статистичних моделей для кожного з елементів. В даних умовах така задача полегшується тим, що глинисті породи є водонасиченими, представлені трьома підсистемами і можуть перебувати в одному з чотирьох рівноважних станів. При цьому для підсистеми 1 характерні лише стану II і III, для підсистеми 3 -I-а і II, стан I зустрічається епізодично (2% від загального числа спостережень), що в цілому утворює сім основних елементів розглянутих порід як системи. Основні підсистеми ідентифіковані на полях кореляцій в межах від 15 до 55 %, підсистема 2 наближено фіксується в межах 25-0,5.

Для кожного з елементів (а також для підсистем і рівноважних станів) знайдені оцінки необхідних параметрів, встановлено закономірності зміни останніх, необхідні і достатні умови їх стійкості.

Математичні і механічні моделі інженерно-геологічних процесів.

Аналіз даних дозволяє відзначити, що параметри розглянутої моделі в більшості випадків істотно різні. У той же час всередині кожного з елементів вони володіють достатньою стійкістю. Про це свідчать, наприклад, стандарти значень коефіцієнтів кореляції, які характеризують ґрунти різних інженерно-геологічних районів.

Будівництво великих споруд в складних геологічних умовах вимагає використання різних методів розрахунку, проектування і дослідження. Незважаючи на те, що в інженерній геології застосовуються математичні методи і електронно-обчислювальна техніка, далеко не завжди взаємодія споруд та геологічного середовища може бути вивчено аналітично, зважаючи анізотропії скельних масивів і складного характеру деформування порід. У зв'язку з цим, важливого значення набувають методи моделювання, що дозволяють швидко і з достатнім ступенем точності вирішити цю проблему.

Модельні дослідження споруд та їх основ дозволяють проаналізувати їх поведінка при статичному і динамічному навантаженні, визначити напруження і переміщення, а також оцінити надійність роботи споруд. Для цієї мети використовуються структурні моделі з так званих еквівалентних матеріалів, що має не тільки подібні параметри деформованості і міцності, але і подібний порід масивів характер руйнування.

Аналогічно аналітичних методів інженерних розрахунків, які базуються на спрощення та ідеалізації реальних умов, модельні дослідження також базуються на використанні спрощених гіпотез будови, властивостей і стану масивів.

Теорія моделювання заснована на принципі подібності, згідно з яким дві системи є фізично подібними, якщо існує певне геометричне відповідність між точками обох систем і параметри одного і того ж фізичного походження в цих точках мають однакове співвідношення.

Моделювання процесів і явищ.

Повне подібність між моделлю і натурою буде мати місце лише в тому разі, коли витримується взаємозв'язок у відповідних масштабах між всіма визначальними параметрами розглянутої задачі. Механічне подібність процесів в натурі та моделі буде забезпечено, якщо безрозмірні рівняння пружності, рівноваги й спільності деформацій (нерозривності), записані для моделі і натури, будуть тотожно збігатися.

Таким чином, безрозмірні параметри, такі, як відносні деформації, коефіцієнти Пуассона, кути внутрішнього тертя і т. п., повинні мати для матеріалу моделі ті ж значення, що і для реального ґрунтового масиву. Всі розмірні параметри повинні суворо дотримуватися законів подібності.

Моделювання на еквівалентних матеріалах базується на побудові моделей з грунтових або інших сумішей, по міцності та деформаційних властивостей еквівалентних порід природних масивів. Метод запропонований Р. Н. Кузнєцовим та вперше був застосований для дослідження стійкості ціликів і деяких інших завдань, що виникають при розробці корисних копалин. Згодом була розроблена технологія виготовлення моделей з еквівалентних матеріалів для вивчення стійкості схилів і укосів.

Моделі з еквівалентних матеріалів виготовляються з дотриманням геометричного і механічного подібності натурі. В якості показників деформування і руйнування порід модельованого об'єкта використовуються міцність на стиск і розтяг, кут внутрішнього тертя ср і зчеплення з модуль пружності Е і коефіцієнт Пуассона р. При вивченні процесів руйнування необхідно дотримувати наступні умови подібності: для матеріалів, що імітують скельні грунти,

Діаграма деформативності порід гірських масивів має криволінійний характер, і для забезпечення подібності поведінки модельного матеріалу під навантаженням його діаграма деформованості повинна бути подібна діаграмі натурного матеріалу.

Моделювання на еквівалентних матеріалах.

Враховуючи, що відносні деформації в натурі і моделі повинні бути рівні між собою, а напруги відрізняються, діаграма деформованості е (а) для модельного матеріалу повинна повторювати діаграму реального матеріалу з ординатами, зменшеними.

При моделюванні тріщинуватих шаруватих або скельних блокових масивів необхідно відтворити не стільки деформованість скельного матеріалу, скільки деформованість масиву в цілому. Однак виконати відразу обидва умови практично неможливо, так як розмір тріщин в натурі і моделі не може бути змодельований у відповідності з геометричним масштабом і не може бути витримана інтенсивність тріщинуватості в межах окремих скельних блоків, що неминуче призводить до спотворення їх деформованості. У кожному конкретному випадку необхідно визначити головний фактор і прагнути до його більш точному відтворенню.

Якщо складати модель з блоків різного розміру, виготовлених з одного і того ж матеріалу, то в кожному разі буде виходити різна деформованість модельного основи в залежності від розмірів і орієнтації блоків. З точки зору найбільшого наближення до натурі представляється доцільним мати блоки можливо меншого розміру, однак це дуже ускладнює роботу, так як число блоків зростає в кубічній пропорційності і може установлення контрольно-вимірювальної апаратури в самих блоках і між ними.

У той же час укрупнення блоків, по-перше, може призвести до спотворення загальної картини деформованості, а по-друге, може виявитися вплив масштабного ефекту (в залежності від відносних розмірів блоків порівняно з опорною поверхнею споруди). Як показують дослідження, для зниження цього впливу розмір блоку в основі не повинен перевищувати 0,1 ширини п'яти споруди і його підошви.

Якщо вивчається напружений стан споруди, а не його скельного підстави, то моделювання останнього доцільно виконувати із суцільних матеріалів відповідної деформованості, так як в цьому випадку відтворення блочного будови підстави викличе невиправдане ускладнення моделі.

Повзучість реальних скельних порід.

Повзучість реальних скельних порід під навантаженням моделюється підбором матеріалу, що володіє відповідною повзучістю, причому визначальними параметрами в цьому випадку є початкова і кінцева величини деформацій, а масштаб часу вибирається таким чином, щоб виконувалася умова рівності кінцевих деформацій. Однак найбільш простим способом врахування повзучості реального скельного масиву є відповідне зниження розрахункових значень модулів.

При моделюванні тріщинуватих скельних підстав завжди необхідно враховувати міцнісні параметри матеріалу, і, в першу чергу, характеристики міцності на зсув по контактам. З урахуванням того, що дотичні та нормальні напруження повинні підпорядковуватися одному і тому ж масштабом подібності напруг. Мора для модельного матеріалу може бути отримана пропорційним зменшенням абсцис і ординат натурної кривої. Іншими словами, необхідно провести як би стиснення натурної кривої по радіусах, проведеного з початку координат, причому відношення радіусів має бути одно масштабом напруг.

При моделюванні динамічних впливів на спорудження або його скельне підставу необхідно задавати періоди коливань або тривалість дії імпульсу таким чином, щоб був дотриманий масштаб часу, який практично не розглядається при моделюванні статичних умов робіт.

Беручи до уваги, що прискорення вільного падіння як в натурі, так і на моделі є одним і тим же, масштаб прискорень встановлюють рівним одиниці, звідки випливає, що масштаб часу повинен бути.

Однією з найбільш складних завдань при виготовленні моделей з еквівалентних матеріалів є підбір їх фізико-механічних характеристик, що задовольняють умовам подібності. Матеріали для виготовлення моделей повинні відповідати наступним вимогам: бути однорідними і изотропными; мати деформаційні, міцність і інші характеристики, що відповідають необхідним за законами подібності.

Діапазон одержуваних властивостей еквівалентних матеріалів.

Не повинні володіти великою усадкою при твердінні; значення коефіцієнта Пуассона матеріалу моделі і натурного матеріалу повинні бути приблизно рівні. При використанні моделі різних матеріалів і вивчення поведінки моделі за межами пружності аж до руйнування, необхідно використовувати матеріали аналогічної структури, що мають подібний натурних матеріалами характер руйнування; їх поверхню після відповідної підготовки повинна допускати наклейку; повинні бути простими у виготовленні та легко формуемыми.

Практично не існує матеріалів, які відповідають одночасно всім цим вимогам, однак у кожному конкретному випадку можна підібрати матеріал, який відповідає основним завданням дослідження. Для цих цілей використовуються суміші піску, крейди, глини, меленої слюди з різними в'яжучими речовинами: вазеліном, мінеральним маслом, силікатним клеєм, парафіном, полімерними матеріалами. Діапазон одержуваних властивостей еквівалентних матеріалів досить великий і дозволяє моделювати різні типи порід - від пухких до міцних скельних.

Для моделювання бетонних споруд і скельних підстав зазвичай використовують склади на основі гіпсового або цементного в'яжучого речовини. Перевагу найчастіше віддається гіпсовим матеріалів внаслідок їх швидкого схоплювання і «дозрівання», а також легкої обробки. Основним недоліком цих матеріалів є їх руйнування під дією води і сильна залежність їх характеристик від вологості.

При необхідності збільшення водогипсового відносини (для отримання низкопрочного матеріалу) в гіпсовий розчин додається діатоміт, який, зв'язуючи воду, не дозволяє гіпсу осідати на дно і зменшує усадку моделі після висихання.

Для збільшення модуля пружності матеріалу в нього часто додають пісок, а для зниження - винилацетатную емульсію, кульки полістиролу, гумову крихту і т. п. або вводять газоутворювач. Іноді для отримання легкодеформируемых матеріалів використовують суміш піску з технічним маслом.

Визначення характеру розподілу напружень в трещиноватом скельній основі.

Якщо в дослідженнях необхідно дотримання рівності щільності матеріалу натури і моделі, то для збільшення щільності модельного матеріалу в нього зазвичай додають мелений барит (сульфат барію), що має щільність 4,5 г/см3.

Для відтворення на моделі м'яких я пластичних глинистих грунтів і прошарків зазвичай використовують склади на основі парафіну, воску або желатину. Іноді застосовуються суміші піску або глини з вазеліном.

Визначення характеру розподілу напружень в трещиноватом скельному підставі є основною проблемою механіки скельних порід. Експериментальні дослідження останніх років показали, що для опису картини напруженого стану трещиноватого скельного підстави, як правило, не можна користуватися рівняннями теорії пружності, виведеними для умов однорідної і ізотропного середовища. Картини розподілу напружень в шаруватої або блокової середовищі має не тільки кількісне, але і принципова якісна відмінність. Основними визначальними параметрами розподілу напружень є: орієнтація систем тріщин; геометрія блоків, що складають масив, і їх взаємне розташування, що обумовлює структуру цього масиву; характеристики контактних поверхонь; опір зрушенню за контактним поверхням; деформативність та міцність скельного матеріалу блоків; характер переданої на підставу навантаження; кількість окремих скельних блоків у межах опорної площі споруди.

В лабораторії механіки скельних порід інституту «Гідропроект» були проведені дослідження розподілу напружень і деформацій у шаруватих блочних середовищах, що імітують натурні трещиноватую скельну середовище, при різних комбінаціях визначальних параметрів, основними з яких є зміна кута нахилу суцільної системи тріщин до напрямку прикладеного навантаження.

Розподіл напружень в блоках косослоистого скельного підстави характеризується в загальному випадку наявністю двох розбіжних потоків напружень в основних напрямках блокотворних систем тріщин.

Сейсмічні коливання.

Для аналітичного опису цього явища була отримана теоретична залежність.

Моделювання на еквівалентних матеріалах дає можливість не тільки вивчати напружено-деформований стан масивів складної будови, але й оцінювати роль окремих факторів порушення їх стійкості. Так, обводнення порід моделюється введенням рідких масел в шари масиву, що імітують водоносні горизонти. Гідродинамічний тиск створюється за допомогою плоских гидроподушек, закладених у модель. Сейсмічні коливання моделюють точковими вибухами, ударами певної сили або нахилами всієї моделі на деякий кут, що рівноцінно додатком сейсмічної навантаження певної бальності.

Комплекс досліджень на фізичних геомеханічних моделях був проведений для обґрунтування технічного проекту аркової греблі Інгурі ГЕС висотою 275 м.

Основними проблемами вивчення підстави греблі були: з'ясування деформованості основи; визначення глибини і форми активної зони в примиканнях греблі при різних кутах між рівнодіючої і напластованием; дослідження впливу штолень на напружений стан скельного підстави. Визначення напружено-деформованого стану скельного підстави в зоні правобережного тектонічного розлому; з'ясування загальної поведінки і стійкості скельного підстави греблі під навантаженням.

Великою перевагою моделювання на еквівалентних матеріалах є можливість вивчення геологічних або інженерно-геологічних процесів у розвитку. Наприклад, при вивченні механізму зсувів в долині р. Дністра моделювався стійкий схил, який потім виводився з рівноваги шляхом подрезок. Таким чином, була отримана наочна картина розвитку зсувного процесу за стадіями, а також визначені величини руйнівних напружень в масиві.

Метод еквівалентних матеріалів.

Деформації моделей з еквівалентних матеріалів вимірюються переважно з допомогою датчиків різних конструкцій, закладених у модель. Достатньо прості і надійні в роботі датчики-динамометри, в яких на пружний елемент жорстко наклеєний датчик електричного опору. При проведенні експерименту за допомогою вимірювального моста АЇД-62 через певні проміжки часу заміряють опір датчиків, яке пропорційно величинам деформацій. Оскільки датчики мають іншу жорсткість, ніж матеріал моделі, одержувані величини деформацій мають похибку. Тому застосовують дистанційні методи вимірювання деформацій моделі за допомогою оптико-механічних приладів і т. д. В цих випадках вимірюються переміщення марок, розташованих на поверхні моделі.

Метод еквівалентних матеріалів дозволяє в наочній формі вивчати механізм розвитку різних геологічних та інженерно-геологічних процесів. Найбільш ефективно застосування методу на стадіях детальних інженерно-геологічних досліджень, коли є представницькі дані про будову, властивості та стан об'єкта. Перспективно використання методу для створення об'ємних моделей геологічних тел.

Метод фотоупругости (або оптичного вимірювання напруг) розроблений наприкінці XIX ст.

Однак широке поширення при вивченні напруженого стану масивів гірських порід він отримав тільки в останні 20 років.

Метод заснований на здатності деяких прозорих матеріалів до розкладання поляризованого світла на складові, напрямок яких збігається з напрямком головних нормальних напруг; швидкість проходження світла при цьому пропорційна величин напруг. При відмінності величин головних напружень, різниця ходу поляризованих променів пропорційна різниці і товщині досліджуваного об'єкта. При просвічуванні білим світлом навантаженої моделі з фотопружних матеріалів на екрані виходить картина з кольорових смуг.

Метод фотоупругости.

Смуга кожного кольору вказує положення точок з однаковою різницею головних напружень. При використанні монохроматичного світла зображення являє собою чергування темних смуг - ізоклину, відповідних областях моделі, де площину поляризації збігається з напрямком одного з головних напруг. Крім ізоклину, на зображенні присутні нерухомі темні смуги, в яких різниця ходу дорівнює цілому числу світлових хвиль. Зі збільшенням навантаження картина смуг в моделі змінюється, а їх число збільшується.

Таким чином, метод фотоупругости дає можливість отримати картину розподілу максимальних дотичних і напрямків головних напружень в прозорих моделях. Використання додаткових способів обробки отриманих результатів дозволяє визначити всі компоненти поля напружень.

Вивчення напруженого стану масивів гірських порід методом фотоупругости пред'являє певні вимоги до оптично активних матеріалів, вимірювальної апаратури, технології експерименту.

Напруга в гірських породах виникає переважно під дією їх ваги, і, отже, при моделюванні необхідно дотримуватися умови механічного подібності натури і моделі:

Виходячи з цього виготовлення моделей прийнятних розмірів можливе лише з низькомодульних матеріалів. До таких матеріалів відносяться холодці желатину, агар-агару (агарян) та ін Найбільш широке поширення отримав игдантин. Цей матеріал багаторазового використання дозволяє з достатньою точністю моделювати напруги від власної ваги порід на моделях розміром від декількох десятків сантиметрів і більше. Виготовлення його не вимагає застосування дорогих компонентів і здійснюється в звичайних лабораторних умовах.

Оскільки при вирішенні завдань інженерної геології необхідно вивчення напруг неоднорідних масивів порід, як правило, розсічених розривами і тріщинами, то для заміру полів напружень потрібно вимірювальна апаратура з великим робочим полем.

Моделі з низькомодульних матеріалів.

Для точного виміру напруг в окремих точках моделі використовується координатно-синхронний поляриметр КСП-6.

Моделі з низькомодульних матеріалів виготовляються в плоских прямокутних роз'ємних формах. Виливки-пластини товщиною 2-4 см -після вирізування необхідних контурів, отворів або тріщин поміщаються в прозору оптично ізотропне форму, витримуються у вертикальному положенні 24-36 год до повного деформування моделі і досліджуються за двома схемами плоского напруженого і плоского деформованого стану.

Плосконапряженное стан матеріалу моделі досягається при вільному її деформації в напрямку осі просвічування. У цьому випадку забезпечується більш повний розвиток гравітаційних сил в моделі, але картина розподілу напружень виходить наближеною, так як з глибиною товщина моделі збільшується пропорційно величині ваги верхніх шарів матеріалу, що впливає на характер поляризації світла в різних частинах моделі.

Плоскодеформированное стан виникає при відсутності поперечних деформацій матеріалу, що забезпечується щільним приляганням до стінок форми моделі. Однак у цьому випадку важко забезпечити рівномірне тертя по всій площині моделі, а отже, виключити локальні «затиски» матеріалу, які спотворюють картину напруг.

Однією з найскладніших завдань при моделюванні на оптично активних низькомодульних матеріалах є дотримання рівності коефіцієнтів Пуассона матеріалів натури і моделі, що випливає з умов подібності. Відомо, що коефіцієнт Пуассона р. гірських порід змінюється в широких межах (0,1-0,4), а у низькомодульних матеріалів він дорівнює 0,42-0,47. Недотримання умов подібності за н. призводить до значних помилок у визначенні напруг.

В. Д. Морозовим запропонована схема моделювання, що дозволяє знизити бічний розпір моделі, а отже, і більш точно виконати умови подібності. Це досягається шляхом обтиснення моделі бічними стінками. Величина обтиснення регулюється гвинтами, які дозволяють переміщати стінки навколо шарнірів на кут.

Напружено-деформований стан моделі.

Вивчення напруженого стану методом фотоупругости може бути доповнено визначенням деформацій матеріалу моделі, що дозволяє більш точно оцінити напружено-деформоване стан моделі в зонах тріщин, контактів різних верств і приповерхневої частини.

Напружено-деформований стан моделі можна оцінити при вивченні її стереотензометрическим методом. Метод заснований на вимірі деформацій кругових осередків на поверхні вихідної і деформованої моделі при бінокулярному зіставленні їх фотознімків. При заливці моделі у форму на одну з її стінок кріпиться кліше, що складається з концентричних кіл. Після затвердіння моделі на її поверхні залишаються борозенки, які потім заповнюються друкарською фарбою. Модель фотографується в горизонтальному і вертикальному положенні камерою, жорстко скріплена з моделлю. За допомогою поляризаційно-оптичної приставки в центрі кожної кругової осередку заміряють параметр ізокліни, тобто кут нахилу головних напруг відносно осі ОХ. Потім на стереокомпараторе для кожного кола визначають паралакс зміщення за напрямами дії головних напружень, що відповідає вимірюванню осей еліпса деформації кругового елемента моделі. Далі, за формулами теорії пружності розраховують всі компоненти тензора напружень.

За допомогою цього методу можна вивчати напружено-деформований стан моделей у часі шляхом послідовного їх фотографування.

Метод фотоупругости останнім часом використовується для дослідження поля сейсмічних напруг, стійкості масивів порід і споруд. Для реєстрації хвильових полів напружень застосовується високошвидкісна кінозйомка, яка дозволяє спостерігати картину інтерференційних смуг, що виникають у моделі від розряду потужних конденсаторів.

Дослідження, виконані в Проблемній лабораторії МІБІ їм. В. о. Куйбишева, свідчить про те, що в певному діапазоні імпульсних навантажень на деяких високомодульних прозорих матеріалах можна вирішувати плоскі задачі з розповсюдження пружних хвиль напружень.

Рішення упругопластических завдань.

Наприклад, були проведені модельні дослідження напруженого стану масиву вапняків в результаті вибухів при відпрацюванні бортів врізки греблі на Токтогульської ГЕС. Різні умови відбиттів вибухових хвиль в окремих точках контуру врізки викликали багаторазове накладання цих хвиль поблизу вільної поверхні та в зоні гідротехнічного тунелю.

Результати моделювання показали, що найбільші напруження розтягу в тунелі викликані фазою розтягування поздовжніх хвиль, що йдуть від заряду, але із-за накладення відбитих від вільної поверхні поперечних хвиль ці напруги зменшуються.

Метод фотоупругости успішно застосовується також для вирішення упругопластических завдань. У цьому випадку використовуються оптично активні матеріали, повзучість яких підпорядковується тим же законом, що і повзучість матеріалу натури. Такими матеріалами служать эпоксигели з додаванням в якості пластифікатора дибутилфталата (незатухающая повзучість) або тиокола (загасаюча повзучість).

Методом фотоупругости вирішуються різноманітні завдання при оцінці стійкості схилів, укосів і підземних виробок. Порівняльна простота експерименту, наочність одержуваних даних, можливість моделювати дію гравітаційних і тектонічних сил, а також вивчати масиви складної будови, висока точність одержуваних результатів визначають широке застосування цього методу в практиці інженерно-геологічних досліджень.

Метод відцентрового моделювання ґрунтується на загальних положеннях теорії механічного подібності і дозволяє вивчати моделі зменшених розмірів, поміщені в полі відцентрових сил певних величин. Цим досягається збільшення (фіктивне) питомої ваги матеріалу моделі. Установка для відцентрового моделювання складається з каретки, в якій знаходиться модель, і коромисла, що обертається навколо осі. Довжина коромисла повинна бути не менше 1,5 м, щоб відцентрові сили мали напрямок, близький до гравітаційним в моделі. Найбільш великі центрифуги мають коромисла довжиною 2,0-2,5 м і каретки розміром 70 X х 50 х 35 див.

Відцентрове моделювання.

Центрифуги використовуються для оцінки стійкості схилів, укосів та інженерних споруд, а також для вирішення різних завдань по ущільненню ґрунтів підстав. Широко застосовується відцентрове моделювання при створенні об'ємних моделей з оптично активних матеріалів, і, отже, в моделі «заморожується» картина поляризації, відповідна прикладеним навантаженням. З об'ємної моделі вирізають плоскі пластини, які досліджують методом фотоупругости.

Відцентрове моделювання успішно застосовується для вивчення моделей однорідного будови. Дослідити неоднорідні моделі, розсічені тріщинами, практично неможливо, що обмежує використання відцентрового моделювання в інженерно-геологічних цілях.

В інженерній геодинамике застосовуються два різновиди кількісних методів моделювання - детерміноване і імовірнісний. Детерміновані моделі засновані на функціональних зв'язках між залежними змінними (функціями) і аргументами. Такі моделі відображають реальні процеси спрощено, наприклад модель опади ґрунтів під навантаженням фундаментів, і забезпечують більшу точність прогнозів зазвичай лише для процесів в однорідною (квазиоднородной) середовищі. В приложении к склонам и откосам на детерминированных моделях решаются две основные задачи: условие предельного равновесия удовлетворяется в любой точке исследуемой части массива горных пород; условия предельного равновесия удовлетворяются лишь на внутренней границе некоторой области массива. В результате решения определяются: величина максимального нормального давления на горизонтальную поверхность массива, при котором откос заданной формы остается в предельном равновесии. Форма равноустойчивого откоса, находящегося в предельном равновесии, при заданном нормальном давлении на горизонтальную поверхность грунтового массива.

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о бане

Статьи по пеноблоку,пенобетону,пенобетонным блокам

Статьи pp-budpostach.com.ua Статьи по бетону

Статьи Все о заборах

Статьи pp-budpostach.com.ua Все о крышах ( виды, материал, как лутше выбрать)

Статьи Все о Фундаменте

Статьи по газобетону ( газоблоку ), газобетонных блоков, газосиликатнных блоков

Новости, статьи, слухи, факты, разное и по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)