Влияние поверхности трещин на сопротивление сдвигу

(по С.Е. Могилевской)

В практике инженерно-геологических изысканий применяются различные методы для оценки свойств массива трещиноватых горных пород.

1. Изучение механических свойств пород на образцах малого размера и перенесение лабораторных показателей на массив по коррелятивным зависимостям. Например, между величинами на образцах и в натурных условиях: скоростей упругих волн n_р или между динамическим модулем упругости Е_d и модулем общей деформации Е_о.

Из каждой различно трещиноватой породы отбираются образцы (керны) относительно малого размера, на которых сейсмометодом определяются n_р и Е_d, а статическим испытанием Е_о. В скважине, в стенках обнажений или горных выработок (шурф, штольня) для тех же пород проводится ультра- и сейсмокаротаж и устанавливаются величины n_р и Е_d для слоя или пачки пород, залегающих в естественных условиях. Многочисленными экспериментами на образцах установлена связь между динамическим модулем упругости Е_d и модулем деформации Е_о, то логично предполагать аналогичную зависимость этих характеристик для слоя, пачек и массива пород. Этот метод широко применяется, в том числе при опытах с большими штампами и при прессиометрических испытаниях.

2. Расчетные методы. Разными авторами установлены эмпирические зависимости между показателями прочности, деформируемости пород в массиве и некоторыми показателями свойств образца пород, характеристик трещин и других показателей.

3. Натурные методы оценки влияния трещин на механические и фильтрационные свойства массива пород в условиях естественного залегания. Для установления «масштабного фактора» при характеристике сопротивления сдвигу и модуля деформации трещиноватых пород проводят испытания со штампами разной площади или в скважинах разных диаметров и при разных напряжениях, что определяет различные объемы пород, виды и число трещин, вовлекаемых в эксперимент. При каждом опыте развитие сферы дополнительных напряжений и сжатия трещин пород под штампами контролируются по изменению во времени ν_р, которая определяется методом просвечивания между двумя скважинами.

Влияние трещиноватости на фильтрационные характеристики массива пород и его анизотропию устанавливается опытами поинтер-вальных откачек и нагнетаний в одиночные и в кусты скважин с разными интервалами от 1 до 5 м и более.

Естественное напряженное состояние горной породы определяет ее прочность и деформируемость, водопроницаемость, влияет на развитие таких процессов, как обвалы, оползни, горно-геологические процессы. Горные породы, особенно на больших глубинах испытывают всестороннее сжатие, давление, формирующие определенные величины напряжения.

Выражается естественное напряжение величиной внутренней силы, действующей в массиве горных пород на единицу площади различного сечения массива.

Общее напряжение горной породы формируется следующими частными полями напряжений.

1. Гравитационное напряжение – создается весом породы на различных глубинах, s_гр = r_*Н, где r – плотность породы, Н – глубина, на которой определяется напряжение.

2. Тектоническое напряжение – s_т. Эти напряжения самые динамичные, так как в земной коре происходят постоянно движения разного характера. s_т – имеют разную направленность, так как движения происходят в разном направлении. s_т – имеют разные величины. Превосходят s_гр – в 3–20 раз. Величина достигает сотни МПа.

3. Температурное (геотермальное) напряжение s_t – преобладает на больших глубинах.

4. Гидродинамическое напряжение s_f – возникает за счет фильтрации, напора подземных вод.

5. Локальное или кристаллизационное напряжение s_к – возникает за счет гидратации и кристаллизации, то есть связанное с литогенетическими процессами.

Все эти силы создают естественное напряжение горных пород, которое в массиве может достигать довольно значительных размеров (до сотен и более МПа).

Факторы, от которых зависят величины естественного напряжения, следующие:

1. Глубина погружения бассейна седиментации.

2. Литологический состав пород и их физико-механические свойства.

3. Тектонические структуры и трещиноватость – создают неоднородность напряжение

4. Рельеф – вблизи склонов напряжение больше, чем на равнине.

5. Процессы выветривания.

6. Обводненность пород.

7. Техногенные факторы – создание плотин, водохранилищ, взрывы, нагнетание воды в подземные слои, отвалы пород.

Величина естественного напряжения в массиве весьма изменчива и может быть довольно большой. Так, при строительстве гидротехнического тоннеля на Кавказе вскрыты глинистые породы с напряжением в 4000 МПа.

Разгрузка напряжений, особенно при вскрытии их, может приводить к развитию разных неблагоприятных процессов. Например, первоначальная форма рудоспуска на Кольском полуострове была круглая с диаметром 6 м, через некоторое время под действием естественного напряжения, изменения его, рудоспуск принял форму эллипса с длинной осью в 60 м, породы вокруг его стали сильно раздробленными.

Естественное напряжение горных пород изучается и оценивается для:

1. Обоснование подземного строительства, гидротехнических сооружений, разработки месторождений полезных ископаемых с точки зрения прогноза горно-геологических процессов (горных ударов, стреляния).

2. Для оценки устойчивости высоких склонов, бортов карьеров, прогноза возникновения на них оползней, обвалов и других процессов.

3. Для прогноза землетрясений.

Таким образом, для решения задач инженерной геодинамики и предотвращения негативных последствий развития геологических процессов необходимо изучать все характеристики горных пород, их изменение в пространстве и времени.

Тектоника и неотектоника

Тектонические структуры, складчатые и разрывные, разных порядков от крупных региональных до малых, размерами в несколько метров, древние и новейшие, их развитие и современная подвижность являются объектами специализированного инженерно-геологического изучения. Тектонические структуры существенно влияют:

1) на общую раздробленность массива пород, его прочность, деформируемость, водопроницаемость, сопротивляемость выветрива-нию и размываемость поверхностными и подземными водами, а также фильтрационными потоками;

2) на неравномерное распределение и режим подземных вод, на образование повышенной локальной обводненности, что отражается на развитии карстовых, оползневых и суффозионных процессов;

3) на распределение естественных напряжений, создание очагов их концентрации в массивах пород и на характер движения и затухания сейсмических волн;

4) на создание ослабленных зон и приуроченность к ним овражной и речной систем, обвально-оползневых геологических явлений и др.;

5) на возникновение оползней, вывалов и других обрушений и деформаций пород на склонах и на откосах открытых карьеров, котлованов и в подземных выемках при соответствующем соотношении в ориентации залегания пород и трещин с размерами и расположением выемок;

6) на устойчивость подпорных (плотин) и других инженерных сооружений, например, в случае падения пород или тектонической зоны вниз по реке (рис. 4).

Складчатая и приразломная тектоническая трещиноватость, формирующаяся как отражение основных разрывных и складчатых деформаций массива пород, составляет с ними единое целое и характеризует его общую тектоническую раздробленность и зонально-блочное строение. С инженерно-геологической точки зрения должны рассматриваться все тектонические структуры от самых крупных – региональных и глубоких разломов, структурно-фациальных зон, мегантиклинориев и межгорных впадин до малых разрывов и складок с амплитудами в несколько метров. Их инженерно-геологическое значение различно. Крупный тектонический надвиг или разлом, ширина которого составляет несколько сотен метров, а иногда и более 1 км, следует рассматривать как особое геологическое тело, обладающее специфическими инженерно-геологическими характеристиками (т. е. как региональный инженерно-геологический массив).

Рис. 4. Плотина на слоистой толще осадочных пород с прослоями глин:

1 – разорванная взбросом, 2 – тектоническими трещинами,

3 – а) неудачное расположение, б) целесообразное расположение плотины

Влияние тектонических разрывов на инженерно-геологические условия многообразно, например, в горно-складчатых областях к зонам надвигов и сбросов приурочены подземные воды, сейсмичность, крупные обвалы и оползни. При проходке 11-ти километрового подводящего тоннеля Ингури ГЭС (в Грузии) в нижнемеловых известняках значительная закарстованность (полости, каналы, сталактиты) и обводненность была встречена только в зонах тектонических разрывов; расходы родников, к ним приуроченных, колебались в больших пределах и в зависимости от сезона года от нескольких до тысячи литров в секунду из одной карстовой полости.

Примером инженерно-геологического значения разрывных нарушений является массив известняков складчато-блокового тектонического строения в районе созданной 270-ти метровой арочной плотины Ингури ГЭС, правое плечо которой расположено на одном из малых разломов [3].

Разломы и складчатость всех порядков, их формирование (возраст, унаследованность, подвижность), строение, состояние и свойства пород в них и прилегающих массивах и их инженерно-геологическая типизация являются задачами специальных исследований. Сместитель разрыва часто представлен уплотненным обломочно-глинистым материалом с поверхностями смещения, практически водонепроницаемый, но характеризующийся пониженным сопротивлением сдвигу и, следовательно, является потенциальной зоной оползневых деформаций и естественным экраном для движения подземных вод. Подзоны приразломной малой складчатости и трещиноватости обычно являются путями движения подземных вод как инфильтрационных, так и напорных при их разгрузке в эрозионную сеть или в перекрывающие разлом породы.

Различная деформируемость пород подзон крупного тектоничес-кого разлома, если на нем возводится большое ответственное сооружение, создает вероятность неравномерных его осадок, нередко недопустимых, и требуются специальные мероприятия по упрочнению пород основания. Создание глубокого строительного котлована или карьера вблизи тектонического разлома или вскрытие его определяет особые условия для устойчивости откосов выемок, водопритока и сдвига сооружения. При крутом или вертикальном залегании и нахождении разлома за контурами выемки его роль может быть положительной как противофильтрационного экрана в уменьшении водопритока. Однако это справедливо при градиентах фильтрационного потока ниже критических, при которых невозможен суффозионный размыв заполнителя из оперяющих разлом трещин или выдавливание глинистых масс из сместителя и, как следствие нарушение его противофильтрационного эффекта. Наклонное залегание разлома положе, чем крутизна откоса выемки, борта карьера или природного склона, учитывая его обводненность, как правило, является определяющим фактором развития оползней разных объемов вплоть до грандиозных. При крутом падении разлома и простирании, близком к ориентировке высокого склона или борта карьера, создаются условия благоприятные для отчленения крупного блока пород от основного массива.

Изложенными примерами не ограничивается инженерно-геологическое значение разрывных тектонических нарушений разных порядков и их влияние на выбор места и конструкцию сооружений и на меры по предотвращению деформаций и неблагоприятных геологических процессов и явлений. Следует отметить, что возникновение вывалов, горных ударов и давления, водопритоков и других процессов при строительстве подземных сооружений в значительной мере обусловлено характером тектонических разрывов и трещиноватости массивов пород.

Особым вопросом, имеющим важное инженерно-геологическое значение, но трудноизучаемым и оцениваемым является современная подвижность тектонических разрывов. Для многих горно-складчатых районов Средней Азии, Кавказа, Крыма, Карпат, Саян, Прибайкалья и других типично развитие в новейшее время, начиная с сармата, унаследованных или новых тектонических разрывов: разных масштабов надвигов, сбросов и др. В инженерно-геологическом отношении особое значение приобретает оценка современной подвижности разломов, которая обоснованно связывается с высокой сейсмичностью и может рассматриваться как сейсмотектоническая дислокация. Деривационный тоннель Ингури ГЭС пересекает крупный субмеридиональный Ингиршский разлом, а примыкание арочной плотины опирается на один из оперяющих малых разломов шириной несколько метров. В гранитах девонской интрузии в основании высокой бетонной плотины Красноярской ГЭС на Енисее имеется крупный разлом шириной до 100 м, породы в котором гидротермально изменены и представлены песками. Кстати, этот разлом не был обнаружен и изучен в период инженерно-геологических изысканий и вскрыт только при создании котлована. Это привело к дополнительному «залечиванию» пород основания к дополнительным затратам денег и времени. На участке расположения Рогунской плотины высотой более 300 м на р. Вахше в Таджикистане развиты Ионашский региональный разлом и оперяющие его разрывы, проходящие вблизи проектируемых подземных сооружений больших размеров.

Изучение строения и подвижности разных типов тектонических структур в новейшее и современное время имеет решающее значение для выбора местоположения сооружений и их конструкции, для объяснения характера развития геологических процессов и их прогнозирования.

Например, в Поволжье рост брахиантиклиналей происходил в четвертичное время, что отразилось в рельефе поверхности широкой среднеплейстоценовой террасы Волги и Камы, а главное обусловил особенности гидравлического режима Камы, попеременные подмывы правого и левого берегов реки и чередование на них подмываемых обвально-оползневых склонов и участков с аккумулятивными террасами [3]. Карст обычно приурочен к сводовым частям поднятий с небольшой мощностью рыхлых покровных отложений или к зонам разрывных нарушений с повышенной трещиноватостью и активным водообменом. Оползневые процессы, оврагообразование более активны на участках современных поднятий. На морских побережьях абразия активизируется на участках опусканий.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: