К. Т. Тажибаев др техн наук, профессор, засл деятель науки кр
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
2.8. Особенности механического состояния грунтовых массивов Грунтовые массивы подразделяются на группы осадочных и искусственных пород. Группа осадочных пород включает подгруппы крупнообломочные, песчаные, пылевато-жилистые, биогенные и почвы. К искусственным породам относятся породы, уплотненные в природном залегании путем механического воздействия (тромбования, укатки, вибрации, взрыва и т.п.), а также насыпные и намывные. Грунтовые массивы, особенно песчаные и глинистые, являются более однородными по сравнению с породными массивами они не содержат целой иерархии структурных неоднородностей, какая обычно наблюдается в породных массивах. Основная структурная неоднородность грунтовых массивов, кроме минерального строения (рисунок 15) – их слоистость. Причем межслоевые контакты реже являются плоскостями ослабления. Отсюда масштабный эффект прослеживается не так отчетливо, как в породных массивах. Рисунок 15. Трехкомпонентный состав грунта а – частицы грунта б – схема заполнения объема 1 – твердые минеральные частицы (скелет грунта 2 – поры, заполненные водой или воздухом 3 – вода 4 – воздух На уровне грунтовых образцов масштабный эффект не оказывает существенного влияния на результаты лабораторных испытаний. Что касается экспериментальных и аналитических оценок механических свойств грунтовых массивов, разработаны достаточно надежные методы учета размеров исследуемых массивов. Механические свойства грунтовых массивов, те. их деформируемость и прочность, в масштабе отдельного грунтового слоя обычно оцениваются по результатам компрессионных и сдвиговых испытаний грунтовых образцов. В многослойном грунтовом массиве его механические свойства определяются расчетными методами с помощью математических моделей массива. Применяются два подхода к такому моделированию используется модель слоистого массива с известными механическими свойствами каждого слоя поре- зультатам испытаний грунтовых образцов или слоистый массив заменяется эквивалентным по механическим свойствам однослойным массивом. Механические свойства грунтовых массивов с большей степени зависят от подземных вод, содержащихся в порах грунта, трещинах и полостях и способных перемещаться под действием силы тяжести. При определенной скорости движения подземной воды вместе с ней могут перемещаться мелкие частицы грунта водоносного горизонта. Из водоносного горизонта или подстилающего его водоупорного слоя постепенно вымываются пылеватые, мелкопесчаные, а иногда и глинистые частицы, те. происходит механическая суффозия грунта. В результате увеличивается пористость грунта ив конечном итоге повышается сжимаемость и уменьшается сопротивление сдвигу грунта. Механическая суффозия через грунт может развиваться, если диаметр выносимых мелких частиц приблизительно враз меньше размера частиц грунта, через который осуществляется механическая суффозия (подкапывание, подрывание. В засоленных мелкодисперсных грунтах фильтрующаяся вода вызывает растворение и вынос растворенного вещества – химическую суффозию грунта. При этом увеличивается пористость грунта и соответственно его деформируемость, уменьшается сопротивление грунта сдвигу. В зависимости от способности солей растворяться вводе различают соли легкорастворимые (калийные, натриевые соляные породы и др, среднерастворимые (гипсы, ангидриты), труднорастворимые (известняки, мергели). В результате химической суффозии скальных пород развиваются карстовые процессы и образуются карстовые полости ГЛАВА 3. ЕСТЕСТВЕННОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ 3.1. Природа полей напряжений породного массива земной коры Породные массивы имеют еще одну существенную механическую особенность, помимо рассмотренных выше до начала производства горных работ массивы уже находятся в напряженном состоянии в отличие от дополнительного напряженного состояния, вызванного горными работами. Естественное напряженное состояние породного массива принципиально отличает его от других строительных и конструкционных материалов, основное напряженное состояние которых возникает при силовом и кинематическом воздействии в процессе эксплуатации. Естественное напряженное состояние породных массивов в самом общем случае является функцией пространственных и временной координат. Поэтому факторы, влияющие на его формирование, целесообразно подразделить на две группы действующие постоянно и повсеместно, действующие временно и локально. К первой группе факторов следует отнести гравитационное поле Земли, температурное поле Земли, механические свойства и структурно-механические особенности породных массивов, рельеф земной поверхности, космические факторы. Определяющими в этой группе факторов являются гравитационное поле Земли, механические свойства и структурно-механические особенности породных массивов и рельеф земной поверхности. Ко второй группе факторов относятся неотектонические, гидродинамические, газодинамические и другие процессы в породных массивах. Определяющими в этой группе являются неотектонические процессы. Естественное напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, непосредственно является объектом рассмотрения геомеханики, в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них – гравитационное поле – в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона. Другое – тектоническое поле обусловлено неравномерным распределением в пространстве скорости тектонических движений и скорости деформаций земной корыте. наличием градиента тектонических движений. Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Градиент тектонических движений обуславливает появление горизонтальных тектонических сил, которые в сейсмологии и геотектонике оценивают по максимальным касательным напряжениям. Экспериментальные данные о действии в массивах наряду с гравитационным, тектонического силового поля появились в х годах прошлого столетия, причем зафиксировано наличие в массивах горизонтальных сжимающих напряжений, в несколько раз превышающих возможные напряжения под действием гравитационных сил. Горизонтальные тектонические силы проявляются не только в породах кристаллического фундамента, но ив осадочных толщах пород начиная с глубин в несколько километров. Об этом свидетельствуют, в частности, сверхвысокие или аномально высокие пластовые давления, которые присущи нефтяными газовым месторождениям, приуроченным к подвижным неотектониче- ски активным зонам на суше и на шельфах во всем мире. Если нормальное пластовое давление эквивалентно гидростатическому напору пластовых вод от земной поверхности до глубины нахождения залежи, то аномально высокое пластовое давление подчас в несколько раз превышает гидростатический напор. Сверхвысокие пластовые давления на месторождениях нефти и газа глубиной более 4,5 км проявляются почти повсеместно. Они возникают и существуют под влиянием интенсивных современных тектонических процессов, деформирующих относительно замкнутые залежи. Породные массивы в земной коре находятся под действием сил тяжести гравитационного поля, тектонических движений (тектонического поля, притяжения Солнца, Луны, других планет. На напряженное состояние породного массива оказывают влияние релаксационные процессы в недрах Земли и время. В задачах геомеханики при обосновании конкретных инженерных решений горных работ необходимо знать первоначальное напряженное состояние ненарушенного породного массива (до проведения горных работ. Определить напряженное состояние породного массива можно теоретически или путем непосредственных измерений. В расчетах трудно учесть все многообразие влияющих факторов. Экспериментальные методы в настоящее время находятся в развитии. Однако оценка порядка величин напряжения в массиве возможна. Гравитационное поле. Л.Д. Ландау и ЕМ. Лифщиц приводят задачу о деформации сплошной среды радиуса R под влиянием собственного гравитационного поля. Уравнение для радиального смещения U имеет вид Е r d r U dr g r R 1 1 1 2 1 2 2 , (17) где Е – модуль упругости – коэффициент Пуассона – плотность g – ускорение силы тяжести g – объемный вес r – текущий радиус. На поверхности шара r = R и радиальное напряжение r = 0. Решение уравнения) для смещений следующее Е 1 1 2 10 1 3 1 2 2 (18) Если из (18) вычислить радиальную деформацию r U r , то можно показать, что внутри сферы r R 3 3 вещество сжато ( r 0), вне этой сферы растянуто ( r 0). Давление в центре шара Р 3 10 1 (19) По А. Надан давление в тяготеющем шаре при постоянной плотности материала Р 2 1 2 2 (20) В центре шара при r=0 давление Р R 1 2 , что следует и из (19) при =0,5. У поверхности Земли r = R-H, где Н – глубина. При подстановке r =R Н в (20) и пренебрежении величиной (Н имеем выражение для давления горных пород на глубине Н Р= Н. При ином распределении плотности горных пород давление описывается другими выражениями. На глубине Нм при среднем объемном весе горных пород = 2,5 тс/м 3 давление Р 100 кг/см 2 Можно считать, что вертикальная составляющая гравитационного поля напряжения определяется выражением Н . (21) Оценим теперь горизонтальную составляющую тензора напряжений вне- тронутом массиве. Выделим в однородном изотропном упругом породном массиве элементарный объем в виде прямоугольного параллелепипеда. Пусть на его грани действуют нормальные сжимающие напряжениях, у, z (рисунок 16). Рисунок 16. Схема к выводу соотношения АН. Динника Вертикальные напряжения z Н. Связь между деформациями и напряжениями описывается законом Гука x х у z Е 1 ; у у х z Е 1 ; z z x у Е 1 (22) Если предположить, что элементарный объем не деформируется в горизонтальном направлении, те. уху, то из (22) следует 0 x y x или 0 y x y , откуда 1 x y x , (23) где – коэффициент бокового отпора. По А. Диннику в упругих породах и при = 0,25 =1/3, в пластических деформирующихся породах =tg 2 (45 o - /2), где – угол внутреннего трения. Тектоническое поле Астеносфера является областью затухания движений, связанных с перераспределением масс на поверхности земной коры. Но вместе с этим, она служит и мощным генератором движений земной коры, поскольку в ней происходит магмаобразование, подъем же магмы вызывает перемещение блоков земной коры. С влиянием глубинных, а также космических факторов связаны тектонические движения земной коры. В частности, указывается на влияние таких планетарных и космически-планетарных факторов, как тепловая, плотностная, механическая, вещественная неоднородность земной коры и верхней мантии, непостоянство вращения Земли и положение ее полюсов. Исследования последних лет свидетельствуют о том, что в земной коре нет точек, которые оставались бы неподвижными нив течение геологических периодов, нив настоящее время. Глубинные разломы и коровые разрывы являются теми естественными швами, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили и происходят тектонические движения. Исследователи усматривают две пары сопряженных систем глубинных разломов ортогональную, разломы которой имеют широтное и меридиональное направления, и диагональную с направлениями северо-запад-юго-восток и северо-восток- юго-запад. Ориентировку этих систем связывают с действием на протяжении геологической истории формирования земной коры тангенциальных сил, обусловленных вращением Земли. На сегодня существует два главных направления тектонических гипотез. Фиксизм (от лат. fixis – твердый, неизменный, закрепленный) – направление в тектонике, объединяющее представления о фиксированном положении континентов на поверхности Земли и о решающей роли в развитии земной коры в вертикальных тектонических движениях. Противопоставляется мобилизму (от лат. mobils – подвижный) – гипотезе, предлагающей большие (до нескольких тыс. км) горизонтальных перемещений крупных глыб земной коры (и литосферы в целом) относительно к полюсам в течение геологического времени. По характеру выделяют различные типы тектонических движений пульсации или общие колебания волновые и глыбовые движения складчатые и блоковые движения. Тектонические движения, протекавшие на протяжении всех геологических эпох, имеют место ив настоящее время и поддаются непосредственным инструментальным измерениям. Эти движения, проявившиеся в историческое (в последние тыс. лети проявляющиеся в настоящее время, называют современными тектоническими движениями В отличие от новейших, происходивших в геологические периоды неогена и антропогена (до 20–30 млн лет назад. Выделяют два типа современных движений медленные (вековые) и быстрые (скачкообразные, связанные с землетрясениями. Вековые движения земной коры проявляются повсеместно и происходят постоянно. Скорость современных вертикальных движений составляет миллиметры или сантиметры в год. При этом одни точки земной коры испытывают поднятие, другие опускание. Наряду с вертикальными, происходят также горизонтальные тектонические движения, достигающие нескольких сантиметров в год и иногда даже превышают вертикальные перемещения. Следует подчеркнуть, что тектонические движения имеют сложный характер развития в пространстве и во времени. Тектоническими напряжениями будем называть напряжения в земной коре, обусловленные приложением внешних усилий к земной коре в целом или к ее участку вертикальные конвекционные усилия усилия, обусловленные вращением Земли горизонтальные усилия, связанные с глубинными процессами силы, обусловленные лунно-солнечными приливами в земной коре силы, обусловленные дрейфом континентов силы, обусловленные сейсмическими явлениями силы атмосферного давления и др. Экспериментальные измерения на Кольском полуострове, Урале, Жезказгане, Алтае, Кривом Роге, Тянь-Шане показали, что на глубинах 100–600 м горизонтальные напряжения превышают вертикальные иной разв раз, те. =4–6. Гидростатическое поле. Породный массивна тех уровнях, которые достигнуты для разработки полезных ископаемых, часто обводнены. Жидкость в породных массивах присутствует как в виде свободной и гидравлически связанной, таки поровой. В обоих случаях в массиве возникают дополнительные напряжения, обусловленные весом столба жидкости, взвешивающим эффектом жидкости, поровым давлением. Исходя из этого можно считать, что если напряжения (без тектонических) в массиве выше уровня подземных вод определяются равенством (21) и (23), то ниже этого уровня полное вертикальное напряжение будет определяться зависимостью o o в э н , (24) где о э – исходное эффективное напряжение, численно равное реакции скелета пород на горизонтальной площадке он исходное нейтральное давление жидкости, под которым в общем случае понимается как гидростатическое давление на рассматриваемой площадке, таки внутрипоровые давления. Эффективное напряжение может быть определено из выражения э W Н Н Н 0 , (25) где w – средний объемный вес пород над точкой, находящейся ниже начального уровня подземных вод Н Н – общая глубина точки − средний объемный вес пород, выше уровня подземных вод 37 w n 1 1 , (26) где − удельный вес породы n – пористость породы. Нейтральное давление жидкости н В Н 0 0 , (27) где в – объемный вес жидкости. Уровни полей напряжений в породных массивах. Геодинамические явления классифицируются как глобальные (движения полюсов, перемещение оси Земли, экваториальное вздутие и др) и региональные, изучение которых имеет народнохозяйственное значение (движение крупных блоков земной коры, материков, образование разломов и др. Причинами планетарных напряжений на современном этапе развития Земли следует считать действие гравитации, центробежные и инерциальные силы вращения, конвективные движения в ядре и мантии, дифференциацию вещества на оболочки и их взаимодействие и другие перераспределения вещества, которые вместе взятые обуславливают самодвижение материи в теле планеты под действием эндогенных и экзогенных факторов. В свою очередь, планетарные напряжения образуют складчатые и подвижные пояса, срединно- океанические хребты, глобальную трещиноватость и сложную сеть разломов разных масштабов. С помощью геодезических и гравиметрических методов могут быть определены векторы горизонтальных скоростей движения больших плит наиболее точно по спутниковым данным определена фигура Земли. Определены особенности формирования Земли минимумы в южной оконечности Индостана (−105 ми близ Антарктиды (–261 м, максимумы близ Новой Гвинеи (+77 м, в северной Атлантике (+66 м, в Южной Америке (+44 м. Установлены также систематически наблюдающиеся отклонения от геоида домна Соломоновых островах и о. Великобритания. При изучении локального района, сложный ансамбль тектонических структур и магматических проявлений далеко не всегда просто вписывается в картину глобального взаимодействия плит. Палеогеодинамические реконструкции восстанавливают изменение условий во времени, а изучение локальных районов дает возможность наблюдать результат взаимодействия микро- плит и блоков. Установлена зональность складчатых поясов, определены размеры сжатия. Так, например, Гималаи сокращены сжатием на 400 км, Памир на 500–1000 км, Тянь-Шань на 50–100 км, Алтай на 20–50 км. Появляются попытки прямым, непосредственным образом перенести результаты и методы геодинамики на исследования напряженно-деформированного состояния породного массива. Предложенный подход изложен в виде различных методик, включающих анализ геоморфологии, тектоники и геофизики рудного поля, а также метод тренд-анализа, топографических карт для выделения блоковых структур, приемы геоморфологического выявления динамического выявления разломов, рекомендации выявления динамического взаимодействия блоков, геофизические методы уточнения границ блоков, изучение трещиноватости внутри блоков, реконструкции направлений главных напряжений геомеханическими и геофизическими методами, оценка влияния разломов и рельефа на напряженное состояние аналитическими методами. Результаты инструментальных определений естественных напряжений, полученные в различных районах мира, показали, что горизонтальная составляющая в большинстве случаев больше вертикальной, распределение напряжений в горизонтальной плоскости характеризуется существенной анизотропией и неодородностью. Природа формирования, величина и характер распределения напряжений оказываются существенно различными в различных типах структурных элементов земной коры. Так, система гор Тянь-Шань, по классификации МВ. Гзовского, относится к областям с наиболее высокой интенсивностью движений. Однако полученные результаты показали, что горизонтальное напряжение здесь значительно меньше, чем на Кольском полуострове ив пределах Балтийского щита в целом, испытывающих менее интенсивные тектонические движения. В качестве основных закономерностей поля напряжений системы гор Тянь-Шань следует отметить почти повсеместное превышение горизонтальных напряжений над вертикальными и ее сильную неоднородность. Последнее соответствует геологической и геоморфологической неоднородности этого региона и большой неоднородности всех физических полей скорости распространения упругих волн, магнитного поля, аномалий силы тяжести и др. Таблица 7 – Иерархии напряжений в породных массивах Уровень Факторы, определяющие напряженное состояние Масштаб I Глобальный Космические, сила гравитации, геотектогенез Земной шар в целом II Региональный Типы тектонических структур, движение и взаимодействие гео- блоков Тектонические структуры и гео- блоки, ограниченные региональными разломами III Зональный Типы геологических формаций, геоморфологическая зональность, движение и взаимодействие тектонических блоков Зоны геологических формаций, геоморфологические зоны, тектонические блоки IV Локальный Влияние склона гор, их морфологические типы и параметры, структура и свойства Зона влияния склонам Элементарный Неоднородность строения и свойств массивов пород (инже- нерно-геологических элементов) Элементы массива пород в пределах зоны влияния склонам Точечный Неоднородность структуры и свойства горных пород 10 -2 –10 м Поле напряжений в породных массивах формируется под влиянием многих факторов, действие которых распространяется в масштабах от нескольких миллиметров до крупных геологических структур и земного шара в целом. С учетом современных представлений об иерархии тектонических структур, морфогенетических и инженерно-геологических особенностей породных массивов, структурных неодонородностей массивов породи взаимодействия последних с инженерными сооружениями представляется целесообразным выделить следующие уровни напряжений, действующих в массивах глобальный, региональный, зональный, локальный, элементарный и точечный, составляющие определенную иерархию (таблица 7). Глобальное поле напряжений определяется повсеместно действующими на планете силами гравитации, группой космических факторов (приливные силы, притяжения, вековой ход замедления вращения Земли, сокращение ее радиуса, факторами, обуславливающими закономерную эволюцию планеты и создавших современную структуру ее внешней оболочки. На региональном уровне напряженное состояние породного массива в основном определяется типами тектонических структур – щиты и плиты древних и молодых платформ, орогены и рифтогены разного возраста, островные дуги. На этом уровнена формирование напряженного состояния оказывает влияние движение и взаимодействие тектонических плит и геоблоков, региональные разломы. Различие напряжений в зонах разных геологических формаций, тектонических блоках, испытывающих противоположные по знаку движения, а также в различных геоморфологических зонах горных сооружений определяют зональный уровень напряжений в породных массивах. Под формацией согласно определению НС. Шатского понимаются естественно выделяемые компоненты, сообщества или ассоциации горных пород, отдельные части которых (породы, слои отложения) тесно парагенетически связаны друг с другом как в возрастном (переслаивание, последовательность, таки в пространственном отношении (фациальные смены и др. В этом случае выделяют магматические, метаморфические и осадочные формации, а среди последних – терригенные (континентальные и морские, карбонатные, кремнистые и соленосные. Локальный уровень напряжений обусловлен влиянием склонов гор различных морфогенетических типов, создающих большие перепады высот на ограниченных расстояниях. Существенную роль здесь играют геометрические параметры склона – высота, угол наклона, свойства и структура слагающих склоны и сопредельных сними массивов пород. Зона влияния склона не превышает размеров его высоты или глубины. Напряженное состояние в пределах элементов породные блоки, пачки, зоны разгрузки тектонических напряжений, размеры которых соизмеримы с размерами влияния подземных выемок, соответствуют элементарному уровню, точечный уровень соответствует напряжениям, определяемым экспериментальными методами в натурных условиях. |