книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

что подробно рассматривается в разделе, посвященном механике скальных пород.

Здесь же отметим, что рассматриваемый раздел геомеханики имеет огромное значение для всех видов крупномасштабного стро­ ительства (гидротехнического, промышленного, высотного, подзем­ ного и других видов, развитых в плане и передающих на скальное основание значительные нагрузки) и необходим для прогнозов ус­ тойчивости крупных массивов скальных пород в горнодобывающей промышленности.

Механика однофазных, двухфазных и многофазных грунтов рас­ сматривает природные грунты, т. е. рыхлые горные породы коры выветривания литосферы (каменной оболочки Земли), состоящие

между минеральными частицами во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.

Этому весьма обширному классу пород коры выветривания лито­ сферы посвящается ряд разделов общей механики грунтов: 1) од­ нофазным породам (пески и другие сыпучие материалы) — механи­ ка сыпучих сред; 2) двухфазным (состоящим из минеральных ча­ стиц и поровой воды, полностью заполняющей «их пустоты, так на­ зываемые грунтовые массы) — механика грунтовой массы; 3) трех­ фазным (твердые минеральные частицы, вода и газы) — современ­ ная общая механика трехфазных грунтов (базирующаяся на зако­ номерностях механики деформируемых сред и теории консолида­ ции двухфазных грунтов, но с поправками, вносимыми теорией объемных сил с учетом влияния содержащегося в грунте газа, сжи­ маемости поровой газосодержащей жидкости, ползучести и старе­

ния минерального скелета грунта и пр.).

Характерные показатели физических свойств и физического со­ стояния грунтов и особые (специфические для грунтов как для ры­ хлых горных пород) закономерности, определяющие поведение их под нагрузкой, т. е. составляющие основу их физических уравне­ ний, необходимо рассматривать как обязательные добавочные за­ висимости к закономерностям механики сплошных сред, позволя­ ющие построить систему замкнутых уравнении для решения задач геомеханики каждого вида грунтов.

Механика органо-минеральных и органических масс, т. е. грун­ тов, содержащих значительное (более 10%) количество органиче­ ских веществ и, как правило, водонасыщенных и слабых, находя­ щихся в незаконченной фазе их природного формирования (илов, торфов, сапропелей и пр.), необходима для оценки механических свойств и механических процессов, протекающих в этих массах под действием природных факторов и деятельности людей. Здесь сле­ дует указать, что добавочным к отмеченным выше закономернос­ тям сплошных сред и многофазных грунтов будет уравнение мине­ рализации во времени этих пород и зависимость минерализации от природных и антропогенных факторов, что необходимо учитывать

при составлении физических уравнений. Без правильного решения проблем механики органо-минеральных и органических масс невоз­ можно устойчивое и прочное строительство на таких грунтах.

Процессом, завершающим круговорот изменений рыхлых горных пород коры выветривания литосферы и органо-минеральных масс в твердые скальные породы, является процесс их литификации (ока­ менения), который состоит из уплотнения, консолидации, диагене­ за, эпигенеза и полного метаморфизма с превращением отложений рыхлых горных пород и сильно сжимаемых органо-минеральных масс в малосжимаемые породы (песчаники, сланцы, перекристаллизованные минеральные образования и пр.), на что требуются ге­ ологические промежутки времени. Литификацию рыхлых отложе­ ний можно производить и искусственно (антропогенным путем), применяя хорошо разработанные в настоящее время методы физи­ ческого упрочнения и уплотнения и химического закрепления этих пород.

Особой ветвью геомеханики является механика горных пород, находящихся в космических условиях. Эту отрасль знаний, только в настоящее время формирующуюся в отдельную науку, можно на­ звать космомеханикой горных пород. Она изучает механические процессы и свойства горных пород в условиях космоса и космиче­ ских тел, что имеет весьма отличные особенности по сравнению с земными условиями. Этому вопросу посвящена последняя глава на­ стоящей работы.

Все перечисленные разделы (части) геомеханики объединяют аналитические методы решения задач по прогнозу механических процессов, протекающих в верхних слоях земной коры, и рассмат­ ривают их возникновение и развитие под действием как природных (геологических), так и антропогенных (деятельности людей) фак­ торов.

Общими в этих задачах являются уравнения равновесия и гео­ метрические соотношения механики сплошных сред, а отличают их физические уравнения состояния, в которых и учитываются особен­ ности поведения данной разновидности горных пород под нагруз­ кой, а также сопутствующие факторы.

Основные научные направления в геомеханике. В зависимости от направленности и масштаба геомеханических исследований объ­ ектов можно отметить следующие, в настоящее время уже офор­ мившиеся в самостоятельные разделы науки, направления в геоме­ ханике:, глобальную и региональную.геомеханику (на базе геотек­ тоники и тектонофизики); гидрогеомеханику; прикладную геоме­ ханику в строительстве.

Глобальная и региональная геомеханика рассматривает широт кий круг вопросов, связанных с механизмом протекания геомеха­ нических процессов в верхних слоях земной коры в связи с общеко­ ровыми движениями (образованием складок, разломов, поднятием и опусканием земной поверхности и пр.). Особая отрасль геофизи­ ческих наук — геодинамика, на которой базируется глобальная и региональная геомеханика,— посвящена изучению главным образом

глубинных структур и геофизических процессов земной коры под­ коровых верхних слоев мантии Земли (формирование геологиче­ ских структур, движение материков, взаимное перемещение гео­ логических платформ, внутреннее строение Земли и пр.).

Гидрогеомеханика «посвящается совместному и взаимно увя­ занному рассмотрению закономерностей механики грунтов и филь­ трации подземных вод применительно к.задачам гидрогеологии и инженерной геологии в рамках одной научной дисциплины» [29].

Основным научным направлением прикладной геомеханики в строительстве, как отмечалось ранее, является разработка методов

количественных прогнозов механических процессов, возникающих в верхних слоях земной коры под влиянием крупномасштабного строительства, а также под действием гравитационных, сейсмиче­ ских и тектонических процессов, гидродинамических давлений и пр. Основные задачи, стоящие перед прикладной геомеханикой в стро­ ительстве, подробно рассматриваются в гл. 1 настоящей работы.

Геодинамика (с включением геотектоники и тектонофизики) яв­ ляется одной из фундаментальных основ общей геологии; гидро­ геомеханика — теоретической основой гидрогеологии, а общая и при­ кладная геомеханика не только позволяют разрешать сложные воп­ росы строительства, но должны использоваться в общей геологии наряду с такими науками, как геофизика и геохимия.

слой, по сейсмическим данным, характеризуется скоростями про­ дольных сейсмических волн от 5,0 до 6,5 км/с и сложен на 50% гранитами и на 40% гнейсами и другими метаморфическими поро­ дами. Мощность гранитного слоя составляет от 8 до 25 км и зави­ сит от общей мощности коры. Базальтовый слой, называемый так­ же нижней корой, сложен преимущественно метаморфическими породами.

Океаническая кора отличается от материковой значительно меньшей толщиной — порядка 6—7 км. Если принять среднюю тол­ щину водного покрова 5 ,км, то подошва океанической коры окажет­ ся на глубине 11—12 км. Кроме того, океаническая кора отличает­ ся своим составом. Она лишена гранитного слоя, т. е относительно тонкий осадочный слой мощностью порядка несколько сотен мет­ ров залегает над базальновым слоем.

Горные породы, развитые в верхних слоях земной коры, дают представление об их химическом и минералогическом составах. О составе более глубоких оболочек Земли можно судить исходя из химического состава метеоритов, полагая, что и метеориты и плане­ ты Солнечной системы образовались из одного протопланетного га­ зопылевого облака и поэтому средний состав метеоритов должен быть близок к среднему составу Земли. К такой группе относят ме­ теориты, известные под названием хондриты, и модель Земли на­ зывают хондритовой.

Состав метеоритов удовлетворительно согласуется с данными спектроскопии о содержании в Солнце нелетучих элементов. Преоб­ ладание Si, Mg и Fe несомненно говорит о том, что все планеты Солнечной системы состоят в основном из магнезиальных силика­ тов или железа либо в виде металла, либо в виде окислов.

Однако состав пород, слагающих верхний слой земной коры, значительно отличается от среднего состава Земли большим обо­ гащением кислородом, кремнием, натрием, калием, алюминием, редкими землями и радиоактивными элементами и меньшим содер­ жанием железа и магния.

При первоначальном беспорядочном объединении частиц газо­ пылевого облака в единое тело оно должно было быть квазиоднородным. В процессе последующей дифференциации в поверхност­ ных оболочках Земли накапливались более легкие составные части вещества Земли. Предполагают, что исходный средний состав Зем­ ли сохраняется в нижней части мантии и она является источником, от которого отделяются как более легкие, так и более тяжелые вещества. Первые поднимаются и формируют верхнюю мантию и далее земную кору, вторые опускаются и формируют ядро.

Средняя плотность и внутреннее строение Земли, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обла­ дает жидким железным ядром, окруженным твердой мантией нз силикатов.

Дифференциация первоначального квазиоднородного строении Земли, очевидно, возможна при условии передвижения вещества. Предполагается, что значительную роль в повышении подвижности

Если а —О, т. е. уровень континента совпадает с уровнем океана,

всех континентов над уровнем океана а та700 м = 0,7 км получим /гСР=25,3 км, причем чем больше возвышение континента а, тем мощнее толща континента (например, при а —3 км, h = 39,6 км).

Следует отметить, что процесс погружения континентов в под­ стилающую их мантию происходит не мгновенно, а в течение мно­ гих лет (исчисляемых иногда миллионами), причем скорость по­ гружения будет зависеть от вязкопластических свойств вещества мантии. Очевидно, что процесс погружения континента порождает побочные явления, оказывающие влияние на формирование полей напряжений в верхних слоях земной коры.

Проверка представлений о «корнях гор» с помощью метода глу­ бинного сейсмического зондирования подтвердила их существова­ ние. Однако этот эффект обнаруживается только при наличии очень высоких хребтов и низменностей. Например, под Памиром толщи­ на коры достигает 70 км, под Гималаями — 80 км, а под Венгерской низменностью она равна всего лишь 20 км. При средних высотах рельефа наблюдаются очень большие колебания толщины коры, не имеющие связи с рельефом (например, на Русской равнине). Это означает, что изостазия имеет более сложный механизм и что она частично может осуществляться за счет изменения плотности верх­ них слоев мантии (подкоровых слоев) и коры в горизонтальном направлении. Современное поднятие Главного Кавказского хребта также является антиизостатическим.

В соответствии с изостатическими аномалиями движутся области на Балтийском (рис. 1.2) и Канадском щитах, освободившиеся от ледового покрова. Это объясняется разгрузкой их от льда, после чего равновесие еще не установилось в силу вязкости среды.

В процессе формирования осадочных горных пород более суще­ ственную роль играет характер экзогенных процессов, а также фи­ зико-географические факторы. Под воздействием этих факторов массивные горные породы не сохраняют своего первоначального состояния, а постоянно изменяются, подвергаясь раздроблению, разрыхлению, переносу водой и воздушными течениями. Изменения горных пород под влиянием физического и химического воздействия носят название процессов выветривания.

Отмеченные выше явления, связанные с эндогенными и экзо­ генными процессами, определяют в основном характер изменчиво­ сти строения и состава горных пород в пространстве и во времени. Породы, слагающие земную кору, по своему происхождению де­ лятся на три класса: 1) магматические, образовавшиеся в резуль­ тате внедрения из глубин в земную кору магматических масс и

■последующего их остывания; 2) осадочные, образовавшиеся в ре­ зультате осаждения из воды или воздуха продуктов выветривания земной коры; 3) метаморфические, образовавшиеся в результате химического и физического изменения осадочных и магматических пород под влиянием высоких давлений и температур.

Магматические горные породы в свою очередь подразделяются

ногенные и химические. Об­ ломочные породы представляют собой скопление продуктов раз­ дробления исходных пород, часто связанного с перемещением и переотложением. Органогенные породы образовались в результате деятельности организмов. Химические породы образовались в ре­ зультате выпадания в осадок солей из водных растворов как ко­ нечных продуктов физико-химического выветривания. Характер осадочных горных пород по их составу, условиям залегания и мощности в значительной степени определяется составом исходных горных пород, характером продуктов разрушения и, наконец, ус­ ловиями, в которых происходило осаждение и уплотнение.

Метаморфические горные породы, преимущественно осадочного происхождения, после своего образования подвергались значитель-