Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

757

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
06.12.2022
Размер:
14.24 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 27

 

 

Сопротивление сдвигу песков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление сдвигу при коэффициенте

Пески

 

 

Показатель

 

 

 

 

 

 

пористости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,45

 

0,55

0,65

 

 

0,75

Гравелистые и крупные

c

0,02

 

0,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43

 

 

40

38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднезернистые

 

 

c

 

3

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

38

35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мелкозернистые

 

 

c

 

6

 

 

4

2

 

 

 

 

 

 

 

38

 

 

36

32

 

 

28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тонкозернистые

 

 

c

 

8

 

 

6

4

 

 

2

 

 

 

 

36

 

 

34

30

 

 

26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 28

 

Сопротивление сдвигу глинистых грунтов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Показатель

 

 

 

 

Сопротивление сдвигу при коэффициенте

Грунт

 

 

Показатель

 

 

 

 

 

 

пористости

 

 

 

 

текучести IL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,45

 

0,55

 

0,65

 

0,75

 

0,85

0,95

 

1,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Супеси

0–0,25

 

 

c

 

15

 

11

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

29

 

27

 

 

 

 

 

0,25–0,75

 

 

c

 

13

 

9

 

6

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

 

26

 

24

 

21

 

 

 

Суглинки

0–0,25

 

 

c

 

47

 

37

 

31

 

25

 

22

19

 

 

 

 

 

 

 

26

 

25

 

24

 

23

 

22

20

 

 

0,25–0,5

 

 

c

 

39

 

34

 

28

 

23

 

18

15

 

 

 

 

 

 

 

24

 

23

 

22

 

21

 

19

17

 

 

0,5–0,75

 

 

c

 

 

 

25

 

20

 

16

14

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

18

 

16

14

 

12

Глины

0–0,25

 

 

c

 

 

81

 

68

 

54

 

47

41

 

36

 

 

 

 

 

 

 

21

 

20

 

19

 

18

16

 

14

 

0,25–0,5

 

 

c

 

 

 

57

 

50

 

43

37

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

17

 

16

14

 

11

 

0,5–0,75

 

 

c

 

 

 

45

 

41

 

36

33

 

29

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

14

 

12

10

 

7

17.2.3. Крепость грунтов (коэффициент крепости)

При проектировании транспортных тоннелей и метрополитенов используется показатель: коэффициент крепости грунта.

Крепость грунтов характеризует их по степени устойчивости при проходке подземных транспортных сооружений. За меру крепости грунтов М.М. Протодьяконовым принят коэффициент крепости fкр.

плит.

Рис. 14. Литосферные плиты Земли: сближения, столкновения; 3 — границы скольжения; 4 — направления движения

Карибская; Ко — Кокос; Х — Хуан-де-Фука, О — Охотская, Кт — Китайская, Ф Филиппинская, И — Индокитайская

границы раздвижения; 2 — границы

Малые плиты: А — Аравийская; К —

1

 

212

81

Африканская плита надвигается на Евразийскую вдольлинии Средиземное море — Черное море — Кавказ.

7.2.Горообразовательныепроцессы

Врезультате столкновения литосферных плит по их окраинным зонам происходит формирование горноскладчатых областей, горных хребтов. В этих зонах происходит смятие слоев осадочных горных пород в складки, образование тектонических разломов. По разломам происходит внедрение магмы в толщу земной коры, извержение вулканов. Осадочные горные породы превращаются в метаморфические. Изменения первоначального залегания слоев пород в процессе тектоническихдвиженийназываетсядислокацией.Различаютскладчатыеи разрывныедислокации.

Первоначально слои осадочных горных пород залегают горизонтально. Тектоническиедвижения выводят пласты из горизонтального положениявнаклонноеидажесминаютвскладки.Образуютсяскладчатыедислокации безразрыва сплошности пластов. Основными дислокациями являются складка и моноклиналь.

Складкой называетсяполный перегибпласта (рис. 15). Различают: антиклиналь — складка, обращенная вершиной вверх, у поверхности Земли располагаются наиболее древние породы, и синклиналь, ее вершина обращена книзу, у поверхности залегают наиболее молодые породы. Часть слоев, расположенных междуантиклиналью и синклиналью, называется крыльями. Ввершинахзамковскладок (вантиклинали и синклинали) породы наиболее раздроблены, трещиноваты, проходка тоннелей осложняется обрушением кровли. Расположение тоннеля в крыльях складок наиболее благоприятно (рис. 16).

Рис. 15. Складка:

АБВ — антиклиналь; ВСD — синклиналь; БВС — крыло; Б — седло; С — мульда

Куд.отп = 50Кwrfкр,

гдеКwr —коэффициентвыветрелости (отношениеплотности выветрелого грунта к плотности монолитного грунта).

Значения коэффициента удельного отпора Куд.отп различных грунтов показаны в табл. 29.

17.2.2. Механические свойства дисперсных грунтов

Механические свойства дисперсных (песчаных и глинистых грунтов) характеризуются их деформируемостью и прочностью.

Количественными характеристиками деформируемости дисперсных грунтов являются модуль общей деформации Ео и коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

Модульобщейдеформациивыражаетсявмегапаскалях.Онопределяется в процессе полевых и лабораторных исследований грунтов. Средние значения модуля деформации представлены в табл. 26.

Прочность дисперсных грунтов характеризуется их способностью сопротивляться разрушению (сопротивление сдвигу).

Количественными показателями прочности грунтовявляются угол внутреннего трения — ° и удельное сцепление — c, кПа.

Средние значения показателей прочности представлены в табл. 27

и 28.

Таблица 26

Модуль деформации дисперсных грунтов

 

Показатель

 

Модуль общей деформации, МПа,

 

Грунт

текучести

 

при коэффициенте пористости

 

 

IL

0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

1,05

Пески:

 

 

 

 

 

 

 

 

гравелистый и

 

 

 

 

 

 

 

 

крупный

50

40

30

среднезернистый

50

40

30

мелкозернистый

48

38

28

18

тонкозернистый

39

28

18

11

Супеси

0–0,75

32

24

16

10

7

Суглинки

0–0,25

34

27

22

17

14

11

 

0,25–0,5

32

25

19

14

11

8

 

0,5–0,75

17

12

8

6

5

Глины

0–0,25

28

24

21

18

15

12

 

0,25–0,5

21

18

15

12

9

 

0,5–0,75

15

12

9

7

Моренные

 

 

 

 

 

 

 

 

Суглинки, супеси

Менее 0,5

75

55

45

82

211

формацию, равную единице. Модуль упругости — основная характеристика упругих свойств грунтов. Он, как правило, тем выше, чем выше плотность и меньше пористость грунтов.

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

Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона)

представляет собой коэффициент пропорциональности между относительнымипоперечнымидеформациями (расширение)и относительными продольными деформациями (сжатие). Этот коэффициент у скальных грунтов изменяется от 0,1 до 0,4. Чем больше его значение, тем большей податливостью обладает грунт.

Для дисперсных песчаных и глинистых грунтов коэффициент Пуассона изменяется от 0,2 до 0,5. Среднее его значение для различных грунтов по СНиП равно: для крупнообломочных грунтов — 0,27, песков, супесей — 0,3, суглинков — 0,35, глин — 0,42.

Коэффициент Пуассона можно вычислить по формуле

, 1

где —коэффициентбоковогодавления, показывающий, какаячасть вертикального давления передается через грунт в стороны.

Численно он равен отношению бокового давления грунта Рб к вызвавшему его вертикальному давлению Р.

Pб .

P

Коэффициент бокового давления изменяется от 0 до 1, для пес-

ков — от 0,35 до 0,41, для суглинков — от 0,5 до 0,7 и для глин — от

0,2 до 0,74.

Коэффициент удельного упругого отпора характеризует способ-

ность грунтов оказывать упругий отпор в подземной выработкерадиусом 1 м.

Ориентировочно коэффициент удельного отпора, кН/см3, можно определитьпокоэффициентукрепости fкр поМ.М.Протодьяконовупо формуле

Рис. 16. Складчатые дислокации:

М — моноклиналь; А — антиклиналь; С — синклиналь

Моноклиналь представляет собой структуру, состоящую из пачки слоев, наклоненных в одну сторону. Различают моноклинали слабонаклонные (с углом наклона от 0 до 16), крутые (76–81) и даже поставленные на голову (угол наклона к горизонту 81–90), что имеет большое значение при строительстве подземных сооружений.

Разрывные дислокации происходят при интенсивных тектонических давлениях, превышающих прочность слоев горных пород. В результатетолщаслоевразрываетсясобразованиемтрещины(сместителя), по которой происходит смещение блока пород по отношению к соседнему. К разрывным дислокациям относятся сбросы, взбросы, горсты, грабены и надвиги (рис. 17).

Рис. 17. Разрывные дислокации:

1 — сброс; h — амплитуда сброса; 2 — взброс; h — амплитуда взброса; 3 — грабен; 4 — горст

210

83

Сбрособразуетсяв результатеопускания одногоблока относительно другого, а при взбросе происходит поднятие. Величина перемещения слоев относительнодруг друга называется амплитудой, она изменяется от нескольких сантиметров до 1000 м.

Грабен возникает при опускании блока земной коры между двумя тектоническими разломами. Примеромграбена является впадина озера Байкал.

Горст (холм) образуется при поднятии блока пород между двумя разломами.

Надвиг возникает при смещении толщ по слабонаклонной плоскости. В этом случае молодые горные породы могут быть перекрыты породами более древнего возраста (рис. 18).

Рис. 18. Надвиг

Тектонические трещины — разломы встречаются группами, распространяютсянабольшуюглубину.Ониобычнозаполненыобломочнымматериаломисходныхскальныхпород,раздробленныхиперемятых при движении блоков пород. Такой материал носит название тектонит (милонит, брекчия трения).

В горноскладчатых областях различают согласное и несогласное залегание пластов горных пород. При согласном залегании пласты залегают параллельно друг другу, что наблюдается в толще горизон- тально-слоистых пород, в моноклинали, в складках. В случае, когда пачка слоев молодых пород залегает на размытой поверхности более древних пород под углом к их напластованию, — такое залегание называется несогласным (рис. 19).

Наличие дислокаций осложняет инженерно-геологические условия строительных площадок, особенно подземных транспортных сооружений. Наблюдается неоднородность грунтов по оси тоннеля, частовстречаютсятрещиныицелыезонытектоническихразрывов,по которым происходят вывалы, обрушения блоков пород и прорывы

Такимобразом,глинистыесцементированныепородывгрунтовом массиве являются наиболее слабыми зонами.

К полускальным грунтам, прочность которых при водонасыщении уменьшается, относятся:опока, трепел, диатомит (кремнистыепористые породы), известняк-ракушечник, мел и мелоподобные глинистые породы, мергель (известково-глинистая порода). Их прочность изме- няетсяот5–30МПа всухомсостояниидо2–5МПавводонасыщенном состоянии.

Деформация грунтов. Под деформацией понимают изменение форми размератела безизменения массыпороды. Деформацияскальных грунтов оценивается показателями: модуль упругости (модуль Юнга) Е, модуль общей деформации Ео, коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) и коэффициент упругого отпора Котп. Значения показателей деформации приведены в табл. 25.

 

 

 

Таблица 25

Значения характеристик упругих свойств скальных грунтов

 

(по В.Д. Ломтадзе)

 

 

 

 

 

 

Модуль

Модуль общей

Коэф. Пуассона (попе-

Грунт

упругости 103

деформации

 

МПа

103 МПа

речной деформации)

Гранит

30–68

10–20

0,15–0,30

Диорит

50–70

20–40

0,15–0,25

Габбро

60–125

125

0,11–0,38

Порфирит

50–110

34–58

0,10–0,30

Диабаз

80–110

13–44

0,26–0,38

Базальт

20–100

0,18–0,2

0,20–0,23

Кварцит

50–85

18–40

0,13–0,26

Мрамор

35–97

10–30

0,15–0,27

Гнейс

17–50

0,5–27

0,20–0,32

Известняккрепкий

25–75

3–39

0,25–0,33

Известнякслабый

7–15

1–10

0,30–0,35

Мергель

15–46

2–16

0,30–0,40

Песчаник кремнистый

30–72

15–26

0,15–0,25

Песчаник слабый

6–20

0,5–20

0,22–0,30

Глинистый сланец

11–19

0,2–10

0,14–0,31

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 де-

84

209

массива. Зачастую тектониты бывают насыщены водой и, при вскрытии подземной выработкой, переходят в плывунное состояние.

Осадочные сцементированные породы характеризуются различ-

ной прочностью. Их прочность зависит от состава цементирующего вещества. Наиболее прочные грунты с кремнистым, железистым и карбонатнымцементами(ихпределпрочностидостигает50–100МПа).

Обломочныепороды сглинистым цементом(песчаники, конгломераты, алевролиты и аргиллиты) относятся к слабым полускальным грунтам. Большинство этих грунтов быстро выветривается, рассыпается в труху. Их прочность при водонасыщении снижается более чем в 2 раза (табл. 24).

Таблица 24

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

 

 

 

Плот-

Сопротивление R,

Угол

Сцепле-

Грунт

Возраст

 

ность,

МПа

внутрен-

ние,

 

 

 

3

сжатию

разрыву

него тре-

 

 

 

 

г/см

Rс

Rр

ния, град

МПа

 

 

 

Кузбасс

 

 

 

Песчаник

С2–Р1

 

2,46

27

3,8

44

6

Алевролит

С2–Р1

 

2,43

24,7

3,4

39

5,1

Аргиллит

С2–Р1

 

2,32

39,1

3,5

38

7,5

Уголь

С2–Р1

 

1,25

10,7

1,5

36

2,3

Алевролит

Р2

 

2,40

13,0

2,1

35

2,8

Аргиллит

Р2

 

2,31

17,0

1,7

33

3,8

Песчаник

J1-2

 

2,27

5,9

0,14–1,89

38

1,3

Алевролит

J1-2

 

2,24

8,0

0,6–1,4

40

0,8

Аргиллит

J1-2

 

2,25

6,3

0,7

36

1,0

 

 

Красноярский край

 

 

 

Алевролит

J

 

2,10

1,34

29

0,04

Аргиллит

J

 

2,11

1,3

27

0,5

Углистые аргиллиты

К

 

1,85

0,49

15

0,03

 

Южно-Якутский бассейн

 

 

Песчаник

J

 

2,58

112

7,5

Алевролит

J

 

2,58

74,7

9,5

Навогинский тоннель линии Армавир – Туапсе, Кавказ

 

Аргиллит

J2

 

2,50

14–18

24

0,15

Аргиллит выветрелый

J2

 

2,37

6

22

0,12

Аргиллит раздроблен-

 

 

 

 

 

 

 

ный (в зоне тектони-

 

 

 

 

 

 

 

ческих разломов)

J2

 

2,50

10–14

22

0,1

подземных вод. В целях предотвращения неблагоприятных явлений в массиве горных пород при инженерно-геологических изысканиях определяют ориентировку залегания слоев горных пород и тектонических трещин (разломов) в пространстве.

Рис. 19. Несогласное залегание пластов 2-й пачки по отношению к нижележащей

Различают следующие элементы залегания (рис. 20):

линия простирания — направление линии пересечения поверхности слоя (стенки трещины) с горизонтальной плоскостью;

линия падения — направление падения пласта, ориентирована перпендикулярно к линии простирания;

угол падения — угол наклона пласта (трещины) к горизонту, измеряется в градусах, изменяется от 0 до 90°.

Элементы залегания пластов пород (трещин) определяются при помощи горного компаса.

Рис. 20. Элементы залегания слоев:— угол падения

208

85

7.3.Тектонические элементы земной коры

Врезультатетектоническогоразвития формируютсяосновныетектонические элементы земной коры: платформы и горноскладчатые области.

Платформы(континентальныеплатформы)—крупнейшие,струк- турныеэлементы континентов, относительно устойчивые территории земной коры. Они характеризуются равниннымрельефом, в ихпределах происходят медленные современные (неотектонические) вертикальные колебательные движения. Платформы имеют двухъярусное строение. В основании — фундамент, состоящий из комплекса древних кристаллических магматических и осадочно-вулканических пород и верхнего платформенного чехла, сложенного более молодыми слабодислоцированнымиосадочнымипородами(рис.21).Вструктуре платформвыделяютсящиты—областивыходанаповерхностьпород кристаллического фундамента (см. рис. 21).

Впределах территории России выделяются платформы: Сибирская платформа, расположенная в междуречье рек Енисея и

Лены, с Анабарским и Алданским щитами; Русская платформа (Восточно-Европейская) — расположена за-

паднее Урала, с Балтийским и Украинским щитами; натерриторииЗападнойСибиримеждуУраломир.Енисеемраспо-

ложена молодая Западно-Сибирская платформа с Казахстанским щитом.

В процессе медленных колебательных движений отрицательного знакапроисходитопусканиетерриторийплатформнижеуровняморя, моренаступаетна сушу, происходиттрансгрессия. На егоднеформируются породы морского происхождения. В результате колебательных движений положительного знака происходит поднятие территорий, море отступает (регрессия), на поверхности формируются отложения континентального происхождения (речные пески, галечники, торф, бурый уголь). Этими процессами объясняется формирование толщи слабосвязных пород мощностьюдо3,5кмв центральной части Западно-Сибирской платформы в Омской впадине.

Современные колебательные движения на платформах вызывают изменениевысотземнойповерхности.Так,территорияМосквыпогружается со скоростью 3,7 мм/год, Санкт-Петербурга — 3,6 мм/год, Среднерусская возвышенность поднимается со скоростью до 15– 20 мм/год, а Скандинавский щит — до 25 мм/год.

сланцевойтекстурой.Вдольсланцеватостиихпрочныесвойства(сжатие, модуль упругости) значительно ниже, чем перпендикулярно ей.

Сланцеватостью обусловлена их значительная выветрелость и образование тонкоплиточных подвижных осыпей на склонах, что особенно характерно для глинистых сланцев.

Наиболее прочными и устойчивыми породами метаморфического происхожденияявляютсякварциты(пределпрочностиболее200МПа) и роговики, сформированныена контактес интрузиями. В отличиеот других метаморфических пород мрамор растворяется в воде, прочностьегоизменяетсяот200МПа длямелкозернистыхразновидностей до 50 МПа у крупнозернистых.

Таблица 23

Средние значения показателей прочности наиболее распространенных скальных грунтов (по В.Д. Ломтадзе)

Грунт

Плотность,

 

Сопротивление, МПа

 

г/см3

сжатию Rс

скалыванию

растяже-

изгибу

 

 

 

Rск

нию Rр

Rи

Гранит

2,65

100–250

60–180

4–5

10–24

Сиенит

2,75

100–200

60–70

3–5

4–20

Диорит

2,80

110–260

70–80

4–6

Габбро

2,80

100–300

5–6

18–26

Диабаз

2,80

110–300

65–230

5

Базальт

2,85

80–240

Кварцит

2,80

160–400

40–160

4–6

13–22

Мрамор

2,70

20–140

18–130

5

7–20

Гнейс

2,70

80–200

40–160

4–5

6–12

Известняк крепкий

2,70

60–200

10–130

5

5–20

Мергель

2,50

5–30

Мел

1,70

0,5–15

Песчаник кремнистый

2,70

50–180

20–145

2–6

1,5–21

Песчаник слабый

2,60

2–50

15–87

1–4

 

Существенно отличаются от всех метаморфических пород тектониты (милониты, брекчии трения). Это раздробленные, перетертые грунты, образованные в процессе динамометаморфизма различных пород. Залегают они в зонах тектонических разломов, состоят из обломков материнских пород — щебня, дресвы с песчаным и глинистым заполнителем. В естественном залегании они характеризуются достаточно высокой плотностью 2,6–3,0 т/м3, но прочность их значи- тельнонижеисходныхпород(пределпрочности1–3МПа).Тектониты следует рассматривать как ослабленные зоны скального грунтового

86

207

нияблоковдо1,5м,при10-балльных—до5–7м.Кромевертикальных смещений происходят сдвиги. Тоннель на пересечении разломов можетбытьразорвани смещенввертикальнойигоризонтальнойплоскостях. Так, при землетрясении в Керн-Каунти в Калифорнии силой 11 баллов были полностью разрушены два тоннеля. С сейсмогенной деятельностьювгрунтовоммассивепроисходитформированиепровалов, оползней, обвалов, курумов и водокаменных селевых потоков. ПриМуйскомкатастрофическомземлетрясении(10–11баллов)в1957 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.

Подобные разрушения грунтовых массивов наблюдаются на ЧерноморскомпобережьеКавказа.Здесьнаблюдалисьширокие(до100 м) смещающие блоки грунтов, образование плывунов и их прорывы в подземные выработки.

17.2.Механические свойства грунтов, слагающих массив

Встроении грунтовых массивов принимают участие скальные и дисперсные грунты.

17.2.1.Механические свойства скальных грунтов

Механические свойства скальных грунтов оцениваются прочност-

ными и деформационными показателями. Прочность скальных грунтовоцениваетсяпоказателямисопротивлениясжатиюRc,растяжению Rp, скалыванию Rск и изгибу Rи.

Все магматические породы характеризуются высокой прочностью (табл. 23), не растворяются в воде, практически водонепроницаемы. Наиболее широко распространены интрузивные породы: граниты, диориты и габбро с полнокристаллической структурой. Из эффузивных породнаибольшимраспространением пользуютсябазальты, диабазы, андезиты и порфириты, залегающие в грунтовых массивах в форме покровов, потоков и даек.

Прочностные свойства метаморфических горных пород близки к магматическим благодаря кристаллизационным связям в них.

Вотличиеотмагматическихдлябольшинстваих(гнейсов,кристаллических сланцев) присуща анизотропность свойств, обусловленная

Рис. 21. Схематический разрез Русской платформы (по Н.Я. Денисову): 1 — четвертичные отложения (Q); 2 — породы мелового периода (К); 3 — породы юрского периода (J); 4 — породы каменноугольного периода (С); 5 — карбонатно-глинистые породы верхнего девона (D3); 6 — породы среднего девона (D32); 7 — карбонатные породы среднего девона (D22); 8 — породы нижнего яруса среднего девона (D12), 9 — породы силуриского периода (S); 10 — породы кембрийского периода (Є); 11 — фундамент платформы породы протерозойской и архейской эры (Pr-Ar); 12 — Балтийский щит

206

87

Современные тектонические движения земной коры изучает наука неотектоника.

Главной особенностью платформ является отсутствие проявления вулканизма и слабая сейсмичность (до 5 баллов) территории.

Горноскладчатыеобласти (орогены, устаревшее— геосинклинали) — подвижные территории земной коры, характеризуются резко расчлененным рельефом, активной тектонической, магматической деятельностью и современной сейсмичностью. На территории России выделяются регионы Байкальской, Алтае-Саянской, Уральской, ВерхоянскомезозойскойиАльпийской(Кавказ,Камчатка,Сахалин)складчатостей.

Длявсехгорноскладчатыхобластей характернысовременные(неотектонические) колебательные движения положительного знака, происходитвоздыманиегорныхсистем. Колебательныедвиженияосложняются мгновенным смещением блоков пород по тектоническим разломам, происходит деформация скалывания — «сейсмический толчок», в результате чего происходят землетрясения.

7.4.Землетрясения

Землетрясения — колебания Земли, вызванные внезапным освобождениемпотенциальной энергии земных недр. Возникновение землетрясения всегда связано с упругим импульсом, рождающимся в недрах Земли. Очаг зарождения землетрясения — гипоцентр — располагается на глубинах 1–50 км (коровые землетрясения), 70–300 км (астеносферные), 300–700 км — глубокофокусные землетрясения. Проекция гипоцентра на дневной поверхности называется эпицентром. В зоне эпицентра происходят сотрясения поверхности земли, в первую очередь и наиболее интенсивные разрушения инженерных сооружений.Отгипоцентравовсестороныраспространяютсясейсмические волны (упругие колебания): продольные и поперечные. Продольные волны вызывают расширение и сжатие пород по направлению их движения. Их скорость измеряется от 0,5 км/с в рыхлых грунтах до 6 км/с в скальных. Поперечные волны представляют колебания частиц породы в направлении, перпендикулярном к направлениюлуча продольнойволны. Онираспространяютсятольковтвердой среде. Их скорость в 1,7 раза меньше, чем у продольных волн. На поверхности Земли от эпицентра расходятся поверхностные волны,

TH tв H h , G

гдеТН —температуранаглубинеH;tв —средняятемпературавоздуха; h — глубина слоя постоянных годовых температур, м; G — геотермическая ступень, м на 1 °С.

Таблица 22

Средние значения теплового потока в районах Сибири и Камчатки (по Н.А. Добрецову и А.Г. Кирдяшкину)

Тектонические зоны

qn,мВт/м2

Салаир

30

Западно-Сибирская плита

41,8

Рудный Алтай

47

Горный Алтай

40

Кузбасс

55

Восточные Саяны

62

Граниты Новосибирского батолита

51

Байкальская впадина (рифт)

117

Камчатка

63

Учет увеличения температуры в грунтовом массиве с глубиной имеет большое практическое значение при строительстве подземных сооружений.

Высокие температуры в массиве грунтов обусловливают повышение температуры подземных вод, что, в свою очередь, значительно повышает их разрушительную агрессивность по отношению к строительным конструкциям сооружения.

Существенно усложняют инженерно-геологические условия грунтовых массивов в горноскладчатых областях землетрясения — современные тектонические процессы.

Землетрясения вызывают разрушение грунтовых массивов, многочисленными разломами они разбиваются на разновеликие блоки, движущиеся с разной скоростью и разными знаками. На примере Северо-Муйскогомассива междуразными блоками граниты раздроблены и перетерты вплоть до тектонической 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 интенсивноевыветриваниескальныхгрунтов. При 9-бал- льных землетрясениях по разломам возможны вертикальные смеще-

88

205

Структура грунтового массива представлена комплексом грун-

тов различного происхождения и в значительной степени зависит от тектонических условий территории земной коры.

Впределахплатформгрунтовыемассивысостоятизсериигоризонтально залегающих и слабонаклоненных слоев осадочных горных пород кайнозойского и мезозойского возраста.

Ввещественном составе массивов преобладают дисперсные грун- ты:пески,глинистыегрунты—глины,суглинки,супеси, крупнообло- мочные—галечники,гравий,реже—полускальныегрунтыкарбонат- ного состава — известняки.

Примером грунтовых массивов, расположенных в пределах платформ, являются массивы городов Омска, Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода.

Вгорноскладчатых областях в строении грунтовых массивов преобладают скальные грунты: осадочные сцементированные, метаморфические и магматические породы.

Слои осадочных и метаморфических грунтов смяты в складки, залегают в видемоноклиналей и складок, разрывными дислокациями разбиты на отдельные блоки.

Температура грунтового массива на глубинах проходки подзем-

ныхвыработокопределяетсяклиматическимиусловиями района, глубиной заложения и тектонического строения массива. В грунтовом массиве ниже глубины сезонного колебания температуры (20–30 м) происходитувеличениетемпературызасчетвнутреннеготеплаЗемли. Это тепло в верхней зоне земной коры генерируется в породах за счет радиоактивногораспада содержащихсяв нихрадиоактивных элементов. Из недр Земли к поверхности происходит движение теплового потока. Величина теплового потока в пределах Сибири изменяется от

30 до 117 мВт/м2 (табл. 22).

Минимальные значения характерны для территории платформ и максимальные для глубоких тектонических рифтовых зон (Забайкалье).

Для оценки интенсивности увеличения температуры с глубиной используются значения геотермического градиента и геотермической ступени.

Температуру ТН грунта на глубине выработки сооружения Н определяют по формуле

являющиеся волнами тяжести. Скоростьих распространенияменьше, чем упоперечных, но и они разрушающе воздействуют на сооружения.

Изучением землетрясений занимается наука сейсмология. Основана она на изучении распространения упругих колебаний. Для их регистрации создана сеть стационарных сейсмостанций. На сейсмостанциях на основании расшифровки сейсмограммы (формы записи сейсмических колебаний) изучают землетрясения, определяют положениеэпицентра,глубинузалеганиягипоцентра,интенсивность,силу и энергию землетрясений.

Сила землетрясения (степень интенсивности), мм/с2, оценивается по величине максимального ускорения частиц грунта:

4 2 А

max Т2 ,

гдеА—амплитудаколебаниячастицпороды, мм;Т —периодколеба- ния, с. (А и Т снимаются с сейсмограммы.)

По величине максимальногоускорения частиц определяется коэффициент сейсмичности:

Kc = max/g.

Взависимости от величины максимальногогоризонтальногоускорения колебаний частиц и степени разрушения инженерных сооружений для оценки силы землетрясений в России с 1964 г. применяется 12-балльная шкала MSК-64 (табл. 13).

Вмеждународной практике общепринятой является шкала Рихтера, поэтой шкалеинтенсивностьземлетрясенияоцениваетсяусловной величиной энергии, выделяемой в гипоцентре, которую называют магнитудой М:

M lg Amax ,

Aэт

гдеАmax —максимальнаяамплитудасмещениячастицпороды,опреде- ляемаяпосейсмограмме;Аэт —эталоннаяамплитудасмещениячастиц породприоченьслабомземлетрясении,магнитудаизменяетсяот0при слабыхсотрясенияхдо8,8присильныхкатастрофическихземлетрясениях. Землетрясение при магнитуде 8,8 соответствует выделяемой энергии, равной 1025 эргов.

204

89

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 13

 

 

Шкала интенсивности землетрясений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Балл по

Магни-

max, м/с2

Характер

 

 

 

 

 

 

шкале

туда по

 

Последствия

 

MSK-64

Рихтеру

 

землетрясения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

Менее 0,002

Незаметное

Регистрируется

только

сейсмо-

 

 

 

 

графами

 

 

 

 

 

2

2

Менее 0,005

Очень слабое

Ощущается

отдельными

людьми

 

 

 

 

на верхних этажах

 

 

3

3

Менее 0,01

Слабое

Ощущается

немногими

людьми,

 

 

 

 

находящимися внутри помещений

4

4

Менее 0,025

Умеренное

Отмечается

многими

людьми,

 

 

 

 

открываются двери, дрожит ме-

 

 

 

 

бель, скрип полов и стен

 

5

4,5

Менее 0,05

Довольно

Раскачиваются висячие предметы,

 

 

 

сильное

дребезжат стекла, спящие просы-

 

 

 

 

паются

 

 

 

 

 

6

5

Менее 0,1

Сильное

Легкие повреждения в зданиях,

 

 

 

 

трещины вштукатурке

 

7

5,5

Менее 1

Очень сильное

Стены дают трещины

 

8

6

Менее 2

Разрушительное

Падают

трубы,

паника.

Неболь-

 

 

 

 

шие оползни, обвалы

 

9

7

Менее 4

Опустошитель-

Разрушение

зданий,

искривление

 

 

 

ное

рельсов, трещины до 10 см, частые

 

 

 

 

оползнии обвалы

 

 

10

7,5

Менее 25

Уничтожающее

Разрушение большинства зданий,

 

 

 

 

мостов, трещины в грунтах до 1 м,

 

 

 

 

многочисленные завалы

 

11

8

Менее 50

Катастрофа

Рельсы собираются в складки,

 

 

 

 

разрывы

земли,

вертикальные

 

 

 

 

смещения поверхности

 

12

8,5

Более 50

Сильная

Все разрушено, прыгают горы,

 

 

 

катастрофа

изменяются русла рек, сильное

 

 

 

 

изменение рельефа

 

 

ПовеличинемагнитудыМ,расстояниюотместапроявленияземлетрясениядоэпицентраLиглубиныочагаhрассчитываетсябалльность землетрясения J по Рихтеру:

J 1,5M 3,5lg L2 h2 3.

Сейсмическое районирование. К сейсмическим территориям относятсятерритории горноскладчатыхобластей,преждевсеготерритория Альпийской складчатости и районы других горноскладчатых регионов, в которых оживлена тектоническая активность в «альпийс-

Подземные наледи (булгуняхи) представляют собой ледяные линзы,залегающиеподслоемторфаи почвенно-растительногогоризонта. Высота их достигает 10–12 м над окружающей поверхностью, а диаметр — до 80 м. Слой торфа и почвы предохраняет лед от таяния.

Солифлюкция — течение (оплывание) оттаявшей почвы (верхней части деятельногослоя), насыщенной водой, вниз посклонупоповерхности мерзлых пород. Явление наблюдается в районах многолетней и сезонной мерзлоты как в природных условиях, так и на насыпях, выемках дорог. Скоростьдвижения солифлюкционных потоков изменяется от 5 до 30 см в год на склонах крутизной более 10°.

Глава 17. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Подземныесооружения:шахты,гидротехническиеи транспортные тоннели,метрополитеныидругиевозводятсявтолщегорныхпородна значительных глубинах земной коры. Горные породы в этом случае являются конструктивной частью подземных сооружений, влияющей на их эксплуатацию. Их свойства проявляются в массиве.

Инженерно-геологические свойства грунтовых массивов характеризуются высокой степенью сложности и существенно влияют на строительство подземных сооружений и их эксплуатацию.

17.1. Понятие о грунтовом массиве

Под грунтовым массивом следует понимать часть земной коры, находящейсявсферестроительстваиэксплуатацииподземногосооружения.

К инженерно-геологическим особенностям массива, определяющим поведение его при взаимодействии с инженерным сооружением, относятся:

тектоническое строение массива, сейсмичность;

грунты, слагающие массив, их физико-механические, агрессивные свойства;

трещиноватость грунтов;

обводненность массива, агрессивность подземных вод;

горное давление;

инженерно-геологические процессы в массиве.

90

203

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]