Массивы грунтов; факторы, определяющие их инженерно-геологические особенности

массив горных пород – это часть земной коры, находящаяся в сфере инженерного воздействия, исследуемая с целью определения условий производства инженерных работ и эксплуатации сооружения и обладающая инженерно-геологической структурой, отличной от структуры соседних с ним участков земной коры (то есть массив горных пород рассматривается как геологический объект, взаимодействующий с конкретным инженерным сооружением или комплексом сооружений)

Главнейшими факторами, определяющими физико-механические свойства массива и поведение его при взаимодействии с инженерным сооружением, являются вещественный состав массива, его строение, выветрелость и трещиноватость грунтов, обводненность, неоднородность, ндс. Все эти показатели и как следствие этого инженерно-геологические особенности массивов находятся в прямой зависимости от историческо-генетических и геолого-структурных факторов, а также современной тепло- и влагообеспеченности массивов.

По вещественному составу различают массивы, сложенные скальными грунтами, дисперсными и криогенными. Кроме того, довольно широко распространены массивы смешанного состава. Массивы, сложенные скальными грунтами, в ненарушенном состоянии имеют высокую прочность, высокие значения показателей деформируемости и ничтожную водопроницаемость. Главным фактором, определяющим их физ-мех и фильтр. свойства, являются трещиноватость. Из петрографических свойств важно наличие расворимых пород. Массивы дисперсных пород разнообразны по свойствам в зависимости от гранулометрического и минерального состава слагающих их пород. Общей особенностью массивов дисп.грунтов является резкое изменение их поведения при взаимодействии с водой. Инж-геол. особенности массивов криогенных грунтов определяются содержанием подземных льдов – льдистостью массива и его температурой.

Выветрелость массива определяет прочность, деформируемость, размываемость и водопроницаемость массива. В общем случае в полном разрезе коры выветривания выделяются несколько горизонтов, различных по физ-мех и фильт свойствам. Мощность выветрелых массивов, закономерность ее изменения зависят от геологического строения района. Различают площадные и линейные коры выветривания. Мощность первых зависитот мин.состава грунтов приповерхностной зоны, геологической деятельности процесса. Линейные формируются по зонам тектонических нарушений, складчатых слоистых массивов, по прослоям отдельных неустойчивых пород и по поверхностям их ослабления.

Схема расчленения коры выветривания (по Г. С.Золотареву).

Зоны выветривания и их характерные особенности: I — дис­персная — полного химического преобразования исходных пород. Возможно разделение на два—три горизонта. Сла­бо изучена в инженерном отношении; II — обломочная — преобладание физической дезинтеграции и частичное хими­ческое разложение; по степени раздробленности и химичес­кого разложения, количеству минеральных новообразований и физико-механическим свойствам подразделяются обычно на четыре горизонта, обозначаемых А, Б, В и Г; III — тре­щинная — раздробление массива и начало разложения по­род по крупным трещинам и тектоническим зонам; появле­ние на значительных глубинах. Коэффициент выветрелости-отношение плотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта. Коэффициентвыветрелости крупнообломочных грунтов , д.е., определяется по формуле

, (А.7)

где - отношение массы частиц размером менее 2 мм к массе частиц размером более 2 мм после испытания на истирание в полочном барабане, - то же, в природном состоянии.

Коэффициент выветрелостиК_wr, д. е. ¦

Трещиноватость. Практически все массивы трещиноваты (кроме сыпучих песков и весьма пластичных грунтов, например, солей). Трещиноватость является главной причиной сжимаемости, неустойчивости, повышенной водопроницаемости, неоднородности свойств массивов скальных грунтов.

Трещины бывают первичными и вторичные. Первичные – литогенетические, (т.е. образовавшиеся при формировании пород из осадка или магматического расплава) и трещиноватость, связанная с региональными тектоническими процессами. Их объем невелик. Вторичные трещины образуются в массиве грунтов при тектонических дислокациях (разрывных, складчатых), при выветривании, при искуственном разрушении пород, при взрывах и т.д. Они могут быть унаследованными, т.е. развиваться по первичным трещинам, или новообразованными. Направление трещин, их крутизну, взаимные соотношения систем трещин необходимо учитывать при оценке устойчивости склонов и искусственных откосов. При неблагоприятном расположении трещин в массиве формируюися поверхности ослабления, по которым происходят оползни и обвалы. Важное значение имеет состав заполнителя трещин и характер их поверхности. Различают трещины с гладкой, шероховатой и бугристой поверхностью. От характера вещества, выполняющего трещины, зависит водопроницаемость, прочность, деформируемость массива, а также возможность улучшения его свойств методами технической мелиорации грунтов. Также различают три типа пространственной сети трещин: 1) непрорывную, 2) промежуточную, 3) прерывистую.

Газонасыщенность массивов является важным факторм, определяющим их устойчивость в подземных выработках, при разработке месторождений полезных ископаемых. Наиболее газонасыщенными являются массивы угленосных пород. Природный газ – метан, азот, углекислый газ + примеси. Первоисточник газа – гумусовое органическое вещество.

Обводненность. Характер и степень обводненности массива грунтов оказывают существенное влияние на физ-мех свойства. Подземные воды при оценке массива рассм в трех аспектах: 1) как компонент грунта, 2) как растворы, вступающие в хим.реакции с породами массива, 3) как силовой фактор, воздействие которого приводит к изменению ндс, снижению его прочности и устойчивости. Обводненность массива во всех случаях ухудшает физ-мех свойства грунтов.

Также важны температура массивов грунтов (переход через 0º), фазовое состояние жидкой компоненты,

Анизотропия свойств массива. Хорошо известна анизотропия грунтов и их массивов по важнейшим показателям свойств: фильтрационная анизотропия в лёссах, анизотропия прочности на сжатие, растяжение и сдвиг в слоистых грунтах и др. Отнесение геологического объекта к анизотропному или изотропному зависит от масштаба. Также следует различать анизотропию свойств кристалла, анизотропию, обусловленную текстурой грунтов, анизотропию за счет мак­рослоистости или макротрещиноватости массива и т.д. При изучении анизотропии свойств грунтов в массиве некоторые иссле­дователи различают первичную и вторичную анизотропию, причиной кото­рых являются различные геологические факторы (Куюнджич, 1960). Причи­ной первичной анизотропии могут являться упорядоченная ориентировка кристаллов при образовании магматических пород, слоистость в осадочных горных породах, сланцеватость в метаморфических породах. Причинами вто­ричной анизотропии Бр. Куюнджич называет трещиноватость различного ге­незиса, напряженное состояние грунтов и наличие зон разуплотнения и раз­грузки на склонах. Главной причиной анизотропии свойств массивов скаль­ных грунтов является их трещиноватость. Вместе с тем сильная равномерно распределенная трещиноватость делает массив изотропным. Для описания анизотропии массива обычно используют некоторые диаграм­мы или индикатрисы.

Неоднородность строения и свойств массива грунтов. Различают первичную и вторичную неоднородность массива. Первичную (сингенетическую) нео­днородность массив приобретает в процессе образования слагающих его грун­тов. Она может быть обусловлена неоднородностью минерального и грануло­метрического состава осадка, слоистостью, переслаиванием толщ разного состава и мощности, первичной трещиноватостью. Вторичная (эпигенетичес­кая) неоднородность — это неоднородность за счет тектонических процес­сов, выветрелости и других гипергенных преобразований. Отнесение массива к однородному или неоднородному зависит от уровня (масштаба) рассмотрения явления. В соответствии с классификацией М.В.Раца — неодно­родность IV уровня — это неоднородность реальных кристаллов за счет де­фектов кристаллической решетки; неоднородность III уровня — это неодно­родность состава, структуры и текстуры грунтов в рамках одного петрографи­ческого типа; неоднородность II уровня — неоднородность состава и строения грунта в пределах пачки, ритма, слоя, неоднородность за счет трещиновато­сти и мелких геологических дислокаций; неоднородность I уровня — неодно­родность массива грунтов, обусловленная наличием различных по составу и строению горизонтов и слоев, различной степенью литификации, тектони­ческими нарушениями, зонами гидротермальной переработки выветривания, разгрузки и т.д.; неоднородность нулевого уровня обычно описывается как региональная изменчивость, обусловленная фациальным и формационными различиями геологических тел. Наибольшее значение при оценке поведения массивов горных пород во взаимодействии с сооружением имеют неоднородности III и II порядков. Выделено три основных режима пространственно-временной изменчивости.

Рис. 30.5. График, иллюстрирующий инженерно-геологическую изменчивость грунтов:1 — нестационарная скачкообразная закономерная (по Н.В.Коломенскому); 2 — стационарная (скачкообразная незакономерная); 3 — квазифункциональная (разновидность закономерной (нестационарной) изменчивости, когда на ре­гулярную составляющую изменчивости наложены случайные флуктуации с небольшой амплитудой)

Степень неодно­родности массива по какому-нибудь свойству принято количественно оцени­вать величиной коэффициента вариации.

Ндс массива. Горные породы в земной коре находятся в напряженном состоянии, ко­торое обусловлено действием двух силовых полей — гравитационного и тек­тонического. Знание величин и распределение напряже­ний необходимы для расчета устойчивости склонов, безопасного ведения гор­ных работ, оценки устойчивости оснований плотин и других инженерных сооружений. Неоднородность поля естественных напряжений зависит от: 1) характера тектонических структур (синклинальных и анти­клинальных складок, разломов и прочих тектонических нарушений); 2) на­правления и величины действующих тектонических сил; 3) степени тектони­ческой сложности и нарушенное района; 4) характера залегания грунтов; 5) неоднородности геологического разреза массива, проявляющейся в из­менчивости физико-механических свойств грунтов, 6) строения рельефа, 7) степени обводненности массива; 8) геотермических условий и др.