699

сивные деформации самого массива и портальных участков тоннелей [3].

Землетрясения вызывают разрушение грунтовых массивов, многочисленными разломами они разбиваются на разновеликие блоки, движущиеся с разной скоростью и разными знаками. На примере Северо-Муйского массива между разными блоками гранитыраздробленыи перетертывплоть дотектонической муки и глины, часто находящейся в плывунообразном состоянии. За счет интенсивной эндогенной трещиноватости разуплотнение гранитов по геофизическим данным установлено до глубины 6 км. По эндогенным трещинам происходит интенсивное выветривание скальных грунтов. При 9-балльных землетрясениях по разломам возможны вертикальные смещения блоков до 1,5 м, при 10-балльных — до 5–7 м. Кроме вертикальных смещений происходят сдвиги. Тоннель на пересечении разломов может быть разорван и смещен в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Так, при землетрясении в Керн-Каунти в Калифорниисилой11балловбылиполностьюразрушеныдватоннеля[4]. С сейсмогенной деятельностью в грунтовом массиве происходит формирование провалов, оползней, обвалов, курумов и водокаменных селевых потоков. Так, при Муйском катастрофическом землетрясении (10–11 баллов) в 1957 г. обвалы и оползни произошли на площади 150 тыс. км2. Эпицентральная область опустилась на 6 м, а часть хребта Удокан поднялась на 1,5 м. Возникла сложная система сейсмодислокаций протяженностью 30 км, трещины в грунтах достигали 19-метровой ширины. Образовалось озеро Новый Намаркит [4].

Подобные разрушения грунтовых массивов наблюдаются на Черноморском побережье Кавказа. Здесь наблюдались широкие (до 100 м) смещающие блоки грунтов, образование плывунов и их прорывы в подземные выработки.

2. ГРУНТЫ

Грунты — горные породы, находящиеся в сфере инженернохозяйственной деятельности человека.

В данном случае грунты — горные породы, слагающие грунтовыймассив,втолщекоторого сооружаетсяи эксплуатируется подземное транспортное сооружение.

1 1

В соответствии с ГОСТ 25100–95 [5] все грунты подразделяются на четыре класса:

1.Класс природных скальных грунтов.

2.Класс природных дисперсных грунтов.

3.Класс природных мерзлых грунтов.

4.Класс техногенных грунтов.

2.1.Класс природных скальных грунтов

Кклассу скальных грунтов относятся магматические, метаморфические и осадочные сцементированные горные породы.

Все магматические породы характеризуются высокой прочностью, не растворяются в воде, практически водонепроницаемы. Наиболее широко распространены интрузивные породы: граниты, диориты, сиениты и габбро с полнокристаллической структурой. Из эффузивных пород наибольшим распространением пользуются базальты, диабазы, андезиты и порфириты, залегающие в грунтовых массивах в форме покровов, потоков и даек.

Прочностные свойства метаморфических горных пород близ-

ки к магматическим благодаря кристаллизационным связям в них. Вотличие отмагматическихдля большинстваизних (гнейсов, кристаллических сланцев) присуща анизотропность свойств, обусловленная их сланцевой текстурой. Вдоль сланцеватости их прочные свойства (сжатие, модуль упругости) значительно

ниже, чем перпендикулярно ей.

Сланцеватостьюобусловленаихзначительнаявыветрелостьи образование тонкоплиточных подвижных осыпей на склонах, что особенно характерно для глинистых сланцев.

Наиболее прочными и устойчивыми породами метаморфического происхождения являются кварциты (предел прочности более 200 МПа) и роговики, сформированные на контакте с интрузиями. В отличие от других метаморфических пород мрамор растворяется в воде, прочность его изменяется от 200 МПа для мелкозернистых разновидностей до 50 МПа у крупнозернистых.

Существенно отличаются от всех метаморфических пород

тектониты(милониты,брекчиитрения).Это раздробленные,

перетертые грунты, образованные в процессе динамометаморфизма различных пород. Залегают они в зонах тектонических

1 2

разломов, состоят из обломков материнских пород — щебня, дресвы с песчаным и глинистым заполнителем. В естественном залеганиитектонитыхарактеризуются достаточновысокой плотностью 2,6–3,0 т/м3, но прочность их значительно ниже исходных пород (гранитов, песчаников). Предел прочности 1–3 МПа, коэффициент крепости 0,5–1,0. Тектониты следует рассматривать как ослабленные зоны скального грунтового массива. Зачастую тектониты бывают насыщены водой и, при вскрытии подземной выработкой, переходят в плывунное состояние.

Осадочныесцементированныепороды—конгломераты,брек-

чии, песчаники — характеризуются различной прочностью. Их прочность зависит от состава цементирующего вещества. Наиболее прочные грунты с кремнистым, железистым и карбонатным цементами (их предел прочности достигает 50–100 МПа).

Обломочные породы с глинистым цементом (песчаники,

конгломераты, алевролиты и аргиллиты) относятся к слабым полускальным грунтам. Алевролиты и аргиллиты образуются при уплотнении и окаменении пылевато-песчанистых (супесей) и глинистых (глин, суглинков) грунтов. Большинство этих грунтов быстро выветривается, рассыпается в труху. Их прочность при водонасыщении снижается более чем в 2 раза.

Таким образом, глинистые сцементированные породы в грунтовом массиве являются наиболее слабыми зонами.

К полускальным грунтам, прочность которых при водонасыщении уменьшается, относятся: опока, трепел, диатомит (крем- нистыепористыепороды),известняк-ракушечник,мелимелопо- добныеглинистыепороды,мергель(известково-глинистаяпоро- да). Их прочность изменяется от5–30 МПав сухом состоянии до 2–5 МПа в водонасыщенном состоянии.

2.2. Агрессивность грунтов к материалу строительных конструкций

Большая группа минералов и горных пород обладает агрессивностью по отношению к строительным конструкциям, их присутствие в составе грунтового массива обуславливает химическое и физическое разрушение металлических и бетонных конструкций.

1 3

Кним относятся: сульфиды (пирит, марказит, халькопирит), сульфаты (гипс, ангидрит), окислы железа (лимонит), аморфные разновидности кремнезема (опал, халцедон), хлориды (галит, сильвин), сера, слюды.

Заполнители (в бетоне) относятся к агрессивным, если количество растворенного кремнезема в них превышает 50 ммоль/л.

Для бетона транспортных сооружений содержание сернокислых соединений в заполнителе в пересчете на SO3 не должно превышать 1 %.

Из-за повышенного содержания пирита и марказита в олигоценовых грунтах палеогена Киевского метрополитена возникла сильная кислотная агрессия, приведшая к значительной коррозии чугунных тюбингов, водопроводных труб и рельсов. В течение одного года эрозия чугунных тюбингов достигла 5 мм за год, а болтовые скрепления приходили в полную негодность через 3 месяца [6].

2.3.Загазованность грунтового массива

Втрещинах грунтовых массивов и в пустотах пород наблюдается скопление различных газов, существенно осложняющих экологическую обстановку в подземных сооружениях.

Втрещинах интрузивных грунтов кислого состава (гранитах, гранодиоритах, пегматитах) наблюдается содержание радиоактивного радона. Так, выделения радонаизвестны в окрестностях Новосибирска из трещин гранитных интрузий Колыванского, Новосибирского и Барлакского массивов. Выделение радона обусловило образование радоновых вод в районе с значительной концентрацией радона (до 1290 эман) [8].

Втрещинах карбонатныхпород,в карстовых пустотахнаблю-

дается скопление сероводорода и углекислого газа, которое значительно повышает химическую агрессивность к строительным конструкциям подземных сооружений.

Вполускальных грунтах глинистого состава: аргиллитах и алевролитах ссодержанием органики (бурых икаменных углей) обычно содержится рудничный газ — метан, который способен возгораться и является взрывоопасным.

1 4

Высокоесодержаниегазоввгрунтахприпроходкеподземных сооружений вызывает газодинамические явления и подземные пожары.

2.4. Физические свойства грунтов

Главным физическим свойством грунтов является плотность минеральной части грунта, плотность грунта и пористость.

Плотностьминеральной частигрунта,г/см3,—отношение массы минеральной части его к ее объему:

s ms .

Vs

Зависит от минералогического состава грунта, изменяется в сравнительно узких пределах (табл. 2.1).

Плотность грунта — отношение массы грунта (масса минеральной части грунта + масса воды в порах грунта) к объему грунта:

m.

V

Измеряется прилабораторных условияхвг/см3,в строительной практике в т/м3.

Плотность грунтов является важной характеристикой их физического состояния. Чем она меньше, особенно в сравнении с плотностью их минеральной части, тем больше пористость, влагоемкость и ниже прочность. Значения плотности грунтов используются при расчетах распределения напряжения от собственноговесавгрунтовоммассиве, их устойчивости насклонах, при определении горного давления.

Плотность сухого грунта (скелета), г/см3, — отношение массы минеральной части грунта к его объему в естественном сложении:

d mVs .

Она определяется по формуле

d 1 w ,

где — плотность грунта, w — влажность грунта.

1 5

По показателям плотности грунтов определяются весовые характеристики плотности грунтов:

—удельный вес грунта = g, кН/м3, где g = 9,81 м/с2;

—удельный вес минеральных частиц грунта s = sg, кН/м3;

—удельный вес сухого грунта d = dg, кН/м3.

Таблица 2.1

Плотность и пористость скальных грунтов по В.Д. Ломтадзе [8]

Пористость. Минеральные элементы, слагающие грунт (породу), при неплотном прилегании образуют поры, пустоты и трещины различной величины. При изучении грунтов поровую

1 6

и трещинную пустотности объединяют термином «общей пористости» породы.

Общейпористостью nназывается суммарныйобъемвсех пор в единице объема породы. Величина пористости определяется как отношение объема пор к объему грунта (породы), выраженное в процентах:

n Vp 100 %.

V

На практике пористость определяется по формуле

n s d ,s

где s — плотность минеральной части грунта; d — плотность скелета грунта.

Пористость скальныхгрунтовнезначительна,изменяетсяот долей процента до нескольких процентов и только у полускальных может достигать 30–40 %. Пористость влияет на плотность грунтов,ихпрочность, водопроницаемость,морозоустойчивость и сейсмостойкость.

2.5. Механические свойства скальных грунтов

Механические свойства скальных грунтов оцениваются прочностными и деформационными показателями. Прочность скальных грунтов оценивается сопротивлением сжатию, растяжению, скалыванию.

Предел прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа, определяется по формуле

F Rс A,

где F — нагрузка, при которой образец раздавливается; А — площадь поперечного сечения образца.

Соответственно определяются пределы прочности породы на растяжение Rp, скалывание Rск и изгиб Rиз (табл. 2.2) [8].

Взависимостиотвеличин предела прочностинасжатие, МПа, выделяются разновидности скальных грунтов: очень прочные (более 120); прочные (120–50); средней прочности (50–15); малопрочные (15–5); пониженной прочности (5–3); низкой

1 7

прочности (3–1); очень низкой прочности (менее 1). Грунты с пределом прочности менее 5 МПа относятся к полускальным грунтам, это преимущественно хемогенные породы, теряющие прочность при воздействии воды (гипс, мел, аргиллит).

Таблица 2.2

Средние значения показателей прочности наиболее распространенных скальных грунтов

В.Д. Ломтадзе считает, что к полускальным грунтам следует относить разности, имеющие предел прочности сжатию меньше 50 МПа: песчаники, алевролиты с глинистым цементом, глинистые сланцы, аргиллиты, мергели, мел. Эти породы отличаются пониженной прочностью, малой устойчивостью в откосах и подземных выработках и вместе с тем широко распространены в горно-складчатых областях России (табл. 2.3).

1 8

Таблица 2.3

Средние значения физико-механических свойств полускальных грунтов с глинистым цементом (по В.Е. Ольховатенко)

Деформациягрунтов.Поддеформациейпонимаютизменение форм и размера тела без изменения массы [8]. Деформация скальных грунтов оценивается следующими показателями: мо-

1 9

дуль упругости(модульЮнга)Е,модульобщейдеформацииЕо, коэффициент поперечнойдеформации(коэффициентПуассона) µ и коэффициент упругого отпора Котп. Значения показателей деформации приведены в табл. 2.4.

Модуль упругости (модуль Юнга) является коэффициентом пропорциональности между относительной деформацией и значением вызвавшего ее напряжения. Численно модуль упругости равен значению напряжения в паскалях, которое обусловило относительную деформацию, равную единице. Модуль упругости —основная характеристикаупругих свойств грунтов.Он, как правило, тем выше, чем выше плотность и меньше пористость грунтов.

Таблица 2.4

Значения характеристик упругих свойств скальных грунтов

Модуль общей деформации является наиболее важным для оценки деформаций скальных грунтов в условиях естественного залегания в массиве. Он характеризует общую податливость — общую деформацию грунтовпод нагрузкой, как засчет упругих, так и за счет остаточных деформаций. Этот показатель используется при расчете осадок сооружений.

2 0