754

нашиисследования,сваивторцевойблоксекциижилогодома№ 91 работают вусловияхуплотнения грунтовиразвитиясилотрицательноготрения.Следовательно, несущая способность свай на участке около юго-восточного угла жилого дома № 91 обеспечивается только работой острия и примерно двухметрового участка боковой поверхности, расположенного ниже нейтральной плоскости.

Учитывая, что мощность насыпных грунтов в пределах торцевой части здания и величина уплотненияразличные, негативное трение было определено для различных глубин расположения нейтральной плоскости. По нашим расчетам суммарная сила негативного трения составила 410 кН. При расчетной нагрузке на сваю 650 кН, внешней нагрузке от здания согласно проекту 450 кН и силе негативноготрения 410 кН дефицитнесущей способностисвай составляет 210 кН, т.е. ее несущая способность в условиях уплотнения грунтового массива не обеспечена. При этом осадки грунтовой толщи в пределах торцевой блок-секции жилого дома № 91 могут достигать 10 см. С целью предотвращения дальнейшего развития осадок жилого дома и обеспечения несущей способности свай и снижения активного давления на подпорную стенкубыло предложено произвести упрочнение и уплотнение грунтового массива на участке торцевой блок секции на глубину до 9,0 м путем инъектирования в сжимаемые слои грунта цементно-песчаного раствора. Усиление цокольных панелей рекомендуется выполнить путем установки дополнительных металлических поясов. Одновременно необходимо продолжить геодезические наблюдения с применением спутниковой аппаратуры за вертикальными и горизонтальными перемещениями грунтового массива и жилых домов, а также геофизические магнитометрические наблюдения за развитием глубинных оползневых процессов.

Для оценки устойчивости склонов в мкр. «Солнечный» использовался метод круглоцилиндрической поверхности. При этом учитывалась пригрузка склона и его обводнение за счет техногенного водоносного горизонта. Коэффициент устойчивости возле дома №89 составил 0,96, что свидетельствует об опасном состоянии геологической среды и учитывая неудовлетворительный уровень инженерной защиты геотехническая система оказывается неустойчивой. Для обеспечения нормального функционирования геотехнической системы требуется реализация проектов инженерной защиты территории и продолжении мониторинга. В противном случае не исключается возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.

Учитывая, что опасные оползневые процессы развиты и на других территориях города Томска были проведены комплексные геоэкологические исследованияи составленакартазонирования территорийпо степениопасности и уровню риска для городской застройки, на которой выделены следующие зоны:

91

1.Очень опасная, включающая территории Лагерного Сада и мкр. «Солнечный»,где строительствообъектовдолжнобыть запрещено.На этихтерриториях требуется незамедлительное внедрение мероприятий и проектов по инженерной защите;

2.Опасная — территория третьей надпойменной террасы реки Томи с крутыми (до 450) и высокими (более 40м) склонами. Строительство объектов

внепосредственной близости от бровки склонов и у подножия должно быть запрещено. На данной территории необходимо установить границу безопасной зоны и внедрить мероприятия по обеспечению нормального функционирования природно-технической системы.

3.Условно опасная зона включает территории естественного и техногенногоподтопления.Для снижения степениопасностипригородскойзастройке потребуется внедрение мероприятий по осушению территорий.

4.Безопасная, в пределах которой отсутствуют опасные процессы, и строительство объектов неприведеткнарушению динамическогоравновесия

вих эксплуатации.

Библиографический список

1. Ольховатенко В.Е., Рутман М.Г., Лазарев В.И. Опасные природные и техноприродные процессы на территории города Томска и их влияние на устойчивость природно-технических систем. Томск: Печатная мануфактура, 2005. 152 с.

УДК 371.315

В.Е. Ольховатенко, Г.И. Трофимова (ТГАСУ, г. Томск)

РОЛЬ КАТАГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КУЗБАССА

Проблема формирования физико-механических свойств горных пород угленосных отложений при литогенезе является исключительно актуальной. Теоретической базой при решении данной проблемы являются фундаментальные исследованияв области теориилитогенеза, выполненные Н.М.Страховым, Л.Б. Рухиным, Н.В. Логвиненко [1, 2, 3] и другими. Для угольных месторождений Кузбасса закономерности формирования физико-механичес- ких свойств пород выявлены в процессе многочисленных исследований состава, состояния, прочностных и деформативных характеристик. При этом установлены ведущие факторы прогрессивного и регрессивного литогенеза, оказавшие влияние на постдиагенетические преобразования пород и формирование их физико-механическихсвойств(табл. 1).В качестве критериев при выделении стадий литогенеза использовались изменения в составе и структуре пород на различных этапах их формирования и последующего преобразования, а также степень метаморфизма и марочный состав углей.

92

Исследованиями установлено, что горные породы Кузбасса находятся на различных стадиях преобразований (от конечного диагенеза до метагенеза) и вмещают угли марочного состава (отбурых до антрацитов). В зависимости от этого изменяются и физико-механические свойства горных пород Кузбасса. Катагенез, как процесс преобразования углевмещающих пород, выражается в перераспределении вещества и может быть представлен в следующем виде:

93

Так как этот процесспротекаетприотносительно низкихтемпературах, то подвижность компонентов весьма ограничена и состояние близкое к равновесному достигается в отдельных точках. Это приводит на одних участках к регенерации кварцевых зерен, а на других, где создается недостаток SiO2, в связи с образованием вторичной слюды (серицита, гидромусковита), к разъеданию кварцевых зерен. Но в том и другом случае это, в конечном счете, приводит к появлению более прочных вторичных структурных связей и увеличению прочности пород. Катагенетические карбонаты образуют псевдоморфозы по обломкам эффузивов и полевых шпатов и полностью замещают глинистый цемент. Иногда замещение глинистого цемента приводит к образованию мергелей, а катагенетические преобразования приобретают характер метасоматических. Подвижными в этом случае оказываются не только щелочи, но и Al2O3.

От типичных метасоматических процессов катагенетические преобразования в углевмещающих породах отличаются тем, что они не приводят к образованию сколько-нибудь значительных по объему масс метасоматических пород, а приводят к возникновению своеобразных поликристаллических псевдоморфоз доломита, преимущественно по обломкам полевых шпатов и эффузивов. Важно отметить, что появление катагенетических карбонатов возможно при условии привноса углекислоты. Именно в результате углефикации растительного материала происходит высвобождение жидких и газообразных продуктов: воды, углекислоты, метана и других. При соответствующих термобарических условиях происходит перераспределение веществ в пределах угленосной толщи подвоздействием поровых растворов, обогащенных газовыми компонентами (CO2, CH4, NO3 и других).

На стадии позднего катагенеза при повышении температуры до 3000 С скорость химико-минералогических преобразований заметно возрастает, что приводит к появлению регенерационных микростиллолитовых, конформных идругих вторичных структур. Одновременнов породахисчезают пироксены, амфиболы,биотитипоявляютсяновообразованияввидесерицита(гидромусковита), карбонатов, хлорита. Регенерационные минералы развиваются на

94

месте порового пространства, карбонаты вследствие привноса CO2 отлагаютсянетольковпорахцемента,ноизамещаютпервичныеминералы,чащевсего плагиоклазы, а также обломки эффузивных и осадочных пород.

Катагенетические преобразования горных пород в прогрессивную фазу литогенеза оказали исключительно большое влияние на физико-механичес- кие свойства, что наглядно подтверждается на примере Кузнецкого бассейна, изменения свойств пород которого на различных стадиях литогенеза приведены в табл. 2.

Как видно из приведенных данных, плотность пород характеризуется резким возрастанием при переходе от конечного диагенеза к начальному катагенезу. Причем увеличение среднего значения этого показателя в отмеченном интервале составляет 0,35 г/см3 для песчаников и 0,28 г/см3 для алевролитов. На стадиях начального, среднего и конечного катагенеза различия в средних значениях плотности не превышают 0,10 г/см3. Аналогичным образом изменяется пористость пород. При среднем значении пористости песчаников на стадии конечного диагенеза 36 %, последняя снижается на стадии конечного катагенеза до 6,2 %, для алевролитов она снижается с 33,6 % до 5,3 %. В то же время предел прочности на одноосное сжатие пропорционально, почти линейно изменяется на различных стадиях литогенеза.

Величинаприращенияпоследнегомеждуконечнымдиагенезоми начальным катагенезом для песчаников составляет 29,7 МПа, для алевролитов — 30,3 МПа. В конечную стадию катагенеза по сравнению со средней наблюдаетсяувеличениеего на 26,6 МПа для песчаников и26,9 МПа для алевролитов. Из приведенных данных видно, что высокие приращения прочности на различных стадиях литогенеза не могут быть обусловлены только увеличение плотностииснижениемпористости.Решающимифакторамиявляютсяструк- турно-минеральная перестройка грунтов, появление вторичных структурных связейподвлияниемпроцессовкатагенеза.Завершениеформированиясвойств

95

грунтов происходит в постинверсионный период в ходе регрессивного литогенеза, сопровождающегося структурно-тектонической перестройкой Кузнецкого бассейна, изменением условий залегания и состояния пород.

Наибольшемувоздействию в регрессивную фазулитогенеза были подвергнуты породы в пределах Присалаирской зоны интенсивной линейной складчатости Кузбасса. Именно этим объясняется снижение прочностных показателейпород вПрисалаирской зонеинтенсивной линейнойскладчатости, хотя они находятся на стадии метагенеза. Как видно из приведенных данных снижение предела прочности наодноосноесжатиедля песчаниковсоставляет 23,1 МПа,а алевролитов16,6МПа.В зоне выветриванияснижениепрочности пород составляет 10–15 % по сравнению с породами, не затронутыми выветриванием.

И наконец, физико-механические свойства пород угленосных отложений значительно изменяются в результате техногенного воздействия на геологическую среду при разработке угольных месторождений открытым и подземным способами. Проведенные нами натурные испытания в бортах действующих карьеров Кузбасса показали, что величина коэффициента структурного ослабления сцепления пород колеблется от 0,01 до 0,06.

Таким образом, в процессе исследований установлено, что для пород угленосных отложений Кузбасса, находящихся на стадии конечного диагенеза, решающее значение при формировании физико-механических свойств имели процессы гравитационного уплотнения,а начиная со стадии начального катагенеза и вплоть до метагенеза исключительно важная роль принадлежала катагенетическим преобразованиям пород. Последующие процессы постинверсионного периода в значительной степени отразились на прочностных показателях пород и в меньшей мере на их физических свойствах.

Библиографический список

1.Логвиненко Н.В. Постдиагенетические изменения осадочных пород. М.: Наука, 1968. 245 с.

2.Рухин Л.Б. Основы литологии (Учения об осадочных породах). М.: «Недра», 1969. 605 с.

3.Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Т. I–III. М., 1962. 600 с.

УДК 624.131.5

О.А. Коробова, О.В. Сабурова (НГАСУ)

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ ОСНОВАНИЙ РАЗЛИЧНОГО ВИДА НАСЫПЕЙ

Практический интерес представляют данные о влиянии формы эпюры приложенной нагрузки на напряженно-деформированное состояние (н.д.с.) анизотропной полуплоскости. Наличие результатов расчетов н.д.с. для неравномерно распределенной внешней нагрузки позволяет производить соответствующие расчеты осадок оснований различного вида насыпей. Подобные

96

задачи решались Г.Н. Савиным [1]. Использованный им метод функций комплексного переменного весьма громоздок и затрудняет получение общей картины напряженного состояния полуплоскости при сложном характере распределения внешней нагрузки; эта задача решается проще с применением метода МКЭ. В связи с этим были выполнены соответствующие расчеты и анализ полученных результатов, представленные ниже.

Рассмотрим однородный слой глубиной h = 3,75b — изотропный, и два анизотропных — при соотношении модулей деформации среды = Ez/Ex, равном 5/5, 40/5 и 5/40 (МПа); b — ширина загруженного участка поверхности. Модуль сдвига Gzx принят осредненным из его значений, соответствующихизотропнымсредамсмодулями деформацииEz и Ex, zx = yx.Исследовано влияние четырех форм полуэпюр вертикальной распределенной нагрузки: прямоугольная (1), трапецеидальная (2) и две треугольные (3 и 4) — с максимальными ординатами в крайней (3) или центральной (4) точках загруженного участка (рисунок). Площади эпюр нагрузок во всех случаях приняты одинаковыми. Расчеты, как и ранее, выполнены методом конечных элементов. В связи с достаточно большой мощностью слоя полученные результаты могут быть отнесены и к полуплоскости.

Схемы форм полуэпюр вертикальной распределенной нагрузки

При действииразличных видоввертикальной нагрузки,атакжеи горизонтальной, в пределах полуплоскости с показателями < 1 и > 1 возникают области сжатия и растяжения. Вертикальные растягивающие напряжения появляются на некотором расстоянии от загруженного участка и по мере удаления от него распространяются на все большую глубину, которая зависит от показателя : при = 0,13 zp = 0,1b, а при = 8 zp = 0,7b. Выявлены также две области горизонтальных растягивающих напряжений: первая область по положению соответствует области вертикальных растягивающих напряже-

97

ний, но имеет меньшую глубину простирания zp, а вторая начинается с глубины zp =0,75b,имеет наибольшую ширину(более 2b) и распространяется до глубины zp = 0,1b.Необходимо отметить наличие участковс касательными напряжениями различного знака.

Во всех случаях нагрузок выявляются участки оседания и подъема uz поверхности полуплоскости. Участки подъема располагаются на некотором расстоянии от загруженного участка; при = 0,13 и нагрузках (1…4) наблюдается некоторый подъем в средней части загруженного участка. Величина перемещений uz существенно зависит от значений Ez и Ex и в меньшей степени —отих соотношения.Относительноевлияниеформы эпюр нагрузок на величине перемещений uz (при прочих равных условиях) сказывается достаточно заметно. Так, при любом перемещения uz соответствующих точек поверхности при нагрузке (3) в 1,5–2 раза превышают перемещения uz при нагрузке (1), а перемещения при нагрузке (4) соответствуют лишь 0,25– 0,4 от значений uz при нагрузке (1).

Учет вида внешней нагрузки и деформационной анизотропии грунтового основания заметно влияет на величину расчетного сопротивления грунта основания R и изменяет область применения теории линейной деформируемости грунтов по сравнению с изотропным основанием. Так, на глубине z = 0,25b при изменении показателя с 0,13 до 8 угол наибольшего отклоне-

ния max изменяется от 44 до 60 градусов.

Таким образом, изменение эпюры нагрузок p и px приводит к существен- номуизменениюкомпонентнапряженно-деформированногосостояния.Весь- ма различны компоненты напряжений, а следовательно, и их соотношения в соответствующих точках полуплоскости с различными показателями (при прочих равных условиях).

Полученные результаты с учетом принципа суперпозиции позволяют установить значениялюбой компоненты напряжений при сложном характере действия внешней нагрузки на основание (наклонная распределенная нагрузка переменной интенсивности).

Библиографический список

1. Савин Г.Н. Напряжения в анизотропном массиве при заданной нагрузке на поверхности (плоская задача) // Вестн. инженеров и техников. 1940. № 3. С. 161–165.

98

УДК 371.315

А.Ф. Сухорукова (Институт нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука СО РАН, Новосибирск)

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЕНИСЕЙ-ХАТАНГСКОГО ПРОГИБА

В настоящее время территория Енисей-Хатангского регионального прогибапривлекает всебольшее вниманиенаучных ипроизводственных организаций в связи необходимостью возможностей восполнения запасов нефти и газа в северных районах Западной и Восточной Сибири. При геологоразведочных работах на нефть и газ необходимо учитывать особый геологический объект — криогенную толщу, состоящая по Фотиеву С.М. [7] из многолетнемерзлых, морозных и охлажденных пород, подошва которой определяется изометричной поверхностью с температурой пород 0 °С. Многолетнее промерзание водопроницаемых пород приводит к образованию криогенных водоупоров и качественно новому состоянию пород. Изменяются, хотя и менее существенно свойства слабопроницаемых пород, являющихся в гидрогеологических структурах литологическими водоупорами. Криогенная толща представляютсобой мощныйрегиональный флюидоупор,которыйоказывает существенное влияние на гидрогеологические условия территории и, конечно, перспективы освоения территории. В работе представлены результаты детального анализа данныхпо температуреи мощностимноголетнемерзлых пород (геотермические исследования в разные годы более чем в 260 глубоких скважин и многолетних исследований динамики развития мощности криолитозоны) позволил впервые составить детальную карту мощности криогенной толщи Енисей-Хатангского регионального прогиба масштаба 1 : 500 000 (для западной части) и 1 : 1000 000 (для восточной части) и сопредельных территорий. В целом, нужно отметить, что вся территория Енисей-Хатангского прогиба относится к зоне сплошного монолитного распространения вечной мерзлоты.

Территория ЕХРП можно условно подразделить на две части: западную и восточную (рис. 1). Западная часть относиться к северо-востоку ЗападноСибирского мегабассейна, а восточная часть расположена на северо-западе Восточно-Сибирского артезианского бассейна, которые существенно различаются по геологическому строению.

Западная часть Енисей-Хатагского регионального прогиба

Геокриологические условия западной части ЕХРП в течение длительного времени контролируются физико-географическим условиями. Район относится к Западному сектору Арктики, в определенной мере переходному от сугубо морского климата европейской территории России к континентальному климату Восточной Сибири. Роль арктических воздушных масс в форми-

99

Рис. 1. Местоположение Енисей-Хатангского регионально прогиба.

1— граница ЕХРП; 2 — граница между западной (1) и восточной (2) частью ЕХРП; 3 — площадь и ее номер; 4 — граница и номер гидрогеологической структуры;

5 — местоположение фрагментов карт мощности криогенной толщи (рис. 2, 3) Площади: 1. Гольчихинская, 2. Хабейская, 3. Яковлевская, 4. Пайяхская, 5. Муксунихская, 6. Сухо-Дудинская, 7. Озерная, 8. Верхнекубинская, 9. Джангодская, 10. Рассохинская, 11. Тундровая, 12. Средне-Пясинская, 13. Волочанская, 14. Новая, 15. Западно-Кубалахская, 16. Кубалахская, 17. Балахнинская, 18. Массоновская, 19. Владимировская, 20. Сындасская, 21. Хорудалахская, 22. Северо-Суолемская, 23. Южно-Суолемская, 24. Ильинская, 25. Кожевниковская, 26. Нордвикская, 27. Гуримисская, 28. Южно-Тигянская, 29. Улаханская, 30. Малохетская, 31. Майская, 32. Логатская

Гидрогеологические структуры: I — Таймыро-Североземельская складчатая область, II — Хатангский криоартезианский бассейн, III — Тунгусский криоартезианский бассейн, IV — Котуйский криоартезианский бассейн, V — Анабарский гидрогеологический массив

100