книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

В л и я н и е э н д о г е н н ы х г е о м е х а н и ч е с к и х п р о ц е с ­ сов на и н ж е н е р н у ю д е я т е л ь н о с т ь л юд е й . Поскольку эндогенные геомеханические процессы приводят к формированию геодинамического поля напряжений в верхних слоях земной коры,, то они оказывают непосредственное влияние на инженерную дея­ тельность человека. Это в первую очередь относится к горным и строительным работам: при добыче полезных ископаемых на боль­ шой глубине открытым способом, строительстве крупных гидротех­ нических и транспортных сооружений в горных районах (включая туннели). Инженер имеет дело с породами, уже находящимися в напряженном состоянии, следовательно, он должен учитывать его при составлении инженерных прогнозов.

Действительно, прогнозирование кратковременной и длительной' устойчивости бортов глубоких карьеров, горного давления в тунне­ лях и шахтах, напряженного состояния в створах высоких плотин,, региональных геодинамических процессов и других непосредствен­ но связано с исходным напряженным состоянием, включая геостатическое и геодинамическое поля напряжений. Последнее форми­ руется под воздействием эндогенных процессов.

Наиболее ощутимое влияние эндогенных геомеханических про­ цессов на все сферы инженерной деятельности людей наблюдается при землетрясениях, которые являются следствием концентрации геотектонического поля напряжений. Надо отметить, что механизм очага землетрясений до настоящего времени трактуется по-разно­ му. Однако большинство ученых склоняются к тому, что механизм очага землетрясения связан с напряженным состоянием (М. А. Са­ довский, 1979; М. В. Гзовский, 1975; Ф. Стейси, 1972; М. Био, 1967) и упругой отдачей пород в момент землетрясений. Сложный процесс накопления упругих деформаций и их высвобождения да настоящего времени не изучен. Выяснение причин землетрясений и объяснение их механизма — одна из основных задач геофизики. Отметим лишь, что проявления сейсмической активности на земном шаре, как правило, приурочены к зонам с характерными признака­ ми концентрации геотектонического поля напряжений, что говорит в пользу гипотезы упругой отдачи при землетрясениях.

Согласно теории упругой отдачи (Ф. Стейси, 1972), разрыв сплошности горных пород, вызывающий тектоническое землетрясе­ ние, наступает в результате накопления упругих деформаций, ве­ личина которых является предельной для данного вида горных пород, причем накопление напряжений происходит вследствие от­ носительного перемещения блоков не внезапно и не в момент разрыва, а постепенно, в течение длительного периода времени. Относительное же перемещение блоков в момент землетрясения со­ стоит только из упругой отдачи — резкого смещения сторон* разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформа­ ции.

Следует отметить, что активизация сейсмических процессов об­ наруживается также под воздействием различного рода инженер­ ной деятельности людей (Н. И. Николаев и др., 1977), в том числе

при заполнении водохранилищ, откачке подземных вод, нефти и газа, подземных ядерных взрывах и т. п.

Активизация сейсмических процессов при заполнении водохра­ нилища объясняется формированием нового дополнительного поля напряжений от веса воды в водохранилище. Если предположить, что активная зона распространяется на глубину, превышающую ширину водохранилища в несколько раз, то становится очевидным эффект влияния водохранилища на напряженное состояние пород, залегающих на большой глубине. Так, при глубине водохранили­ ща 200 м и ширине 1—2 км активная зона достигает 5—6 км, при­ чем дополнительные напряжения на глубине 2 км будут порядка 10 кгс/см2 (~ 1 МПа), что в 500 раз превышает воздействие Луны на напряженное состояние земной коры.

В тех районах, где очаг землетрясения сложен водонасыщеииыми горными породами, механизм землетрясения связан с их дилатаитными свойствами (Д. Райс, 1975; А. Нур, 1972). Известно, что при разрушении большинство горных пород, включая трещинова­ тые скальные, проявляют свойство расширять свой объем. Поэто­ му в водонасыщенных породах в момент разрушения фиксируется падение порового давления (дилатантное упрочнение).

Действительно, если поры в полости горной породы насыщены жидкостью, а характерное время деформации слишком мало по 'сравнению с временем всасывания жидкости из окружающего мас­ сива, то это приводит к падению порового давления, увеличению нормальных напряжений и упрочнению. Очевидно, что нагнетание в поровое пространство жидкости может привести к обратному эффекту, т. е. уменьшению эффективных напряжений и ослабле­ нию пород относительно сопротивления сдвиговым напряжениям. Именно такой эффект был обнаружен в США при накачивании на большую глубину радиоактивных отходов и излишков тяжелой воды.

Аналогичные эффекты обнаруживаются при переменном режи­ ме подземых напорных вод, питающих делювиальные отложения (Н. А. Цытович, 3. Г. Тер-Мартиросян и др., 1977).

Таким образом, учет влияния эндогенных геомеханических про­ цессов на инженерную деятельность людей сводится к оценке на­ пряженно-деформированного состояния верхних слоев земной коры, вызванного данными процессами. В связи с этим возникает необхо­ димость составления специальных карт по оценке напряженно-де­ формированного состояния земной коры, что возможно при исполь­ зовании режимных инструментальных наблюдений за распределе­ нием напряжений и деформаций в верхних слоях земной коры. Для этого, очевидно, целесообразно использовать все виды горных ра­ бот, а также крупномасштабное строительносто. В этом направле­ нии уже проводятся исследования на отдельных участках земного шара, что позволит в ближайшем будущем наряду с картами рас­ пределения температур и других физических величин составить карту с изолиниями геостатических и геодинамических напряжений

земной коры, столь необходимую при повседневной инженерной

деятельности людей, а также для перспективного планирования и освоения новых территорий.

Влияние экзогенных геомеханических процессов в земной коре на инженерную деятельность людей. Если в случае оценки влияния эндогенных геомеханических процессов на инженерную деятель­ ность человека почти все проблемы можно свести к оценке геодинамического поля напряжений земной коры, то в случае экзогенных геомеханических процессов эта проблема в значительной степени осложняется вследствие чрезвычайной неоднородности строения и состава и криволинейности рельефа. Эти факторы определяют сложную картину распределения напряжений и деформаций в по­ родах, слагающих верхние слои земной коры вблизи ее поверхно­ сти. Кроме того, трансформация напряженно-деформированного состояния массивов пород происходит здесь быстрее вследствие большей интенсивности протекания геомеханических процессов.

Рассмотрим влияние естественных экзогенных геомеханических процессов, к которым относят: динамику развития процессов в горно-складчатых областях — оползни, обвалы, сели, осыпи, дви­ жение ледников, снежные лавины, солифлюкция и пр.; динамику литификацин рыхлых отложений, т. е. процессы уплотнения, кон­ солидации, диагенеза и эпигенеза и полного метаморфизма; дина­ мику развития физико-химических процессов — химическая и меха­

подводные оползни, формирование дельтовых отложений; динами­ ку развития процессов в региональных видах грунтовых отложе­ ний— набухающих, просадочных, слабых водонасыщенных, илах, торфах и органо-минеральных отложениях; динамику развития гео­ криологических процессов — развитие и деградация вечномерзлых пород в региональном плане, тепловой баланс солнечной радиации на поверхности Земли. Влияние циклических и сезонных колебаний температуры в широтном и высотном плане, образование термо­ карста и морозобойных трещин.

Наиболее интенсивное влияние на инженерную деятельность оказывают процессы, развивающиеся в горно-складчатых областях, вдоль берегов водоемов, а также в районах распространения регио­ нальных видов грунтовых отложений. Именно в этих областях соз­ даются особо сложные условия при освоении территорий, поэтому прогнозирование динамики развития геомеханических процессов в этих районах имеет первостепенное практическое значение.

Динамика развития геомеханических процессов носит простран­ ственно-временной характер и определяется многочисленными фак­ торами, что в значительной степени затрудняет проблему инженер­ ного прогнозирования. В этом отношении большой опыт накоплен в изучении и прогнозировании динамики оползневых процессов, которые являются самым распространенным видом гравитационных смещений в горно-складчатых областях и наносят огромный ущерб народному хозяйству, а иногда приводят к человеческим жертвам.

Анализ современного состояния теории прогнозирования дина­ мики оползневых процессов показывает, что успех в этой области зависит от степени точности и полноты выявления связи между оползнеобразующими факторами и оползневыми процессами и ус­ тановления количественных зависимостей между ними. Наиболее эффективен здесь комплексный метод изучения, включающий по­ левые, лабораторные и аналитические методы.

В настоящее время имеется также опыт изучения и прогнозиро­ вания геомеханических процессов в области шельфов, а также бе­ реговых полос рек и озер. Уже сейчас вполне разрешимыми зада­ чами являются вопросы консолидации морских отложений, в особенности дельтовых. Очевидно, что здесь могут быть получены количественные данные о связи между составом отложений, ско­ ростью осадконакопления, водопроницаемостью и степенью консо­ лидации и динамикой развития дельты.

Совершенно определенно можно решить также вопросы дина­ мики развития процессов физико-химического превращения органо­ минеральных отложений в минеральные путем режимных наблю­ дений современными методами (включая физико-химические и механические) за строением и составом пород в районах распро­ странения торфов и илов. Эта проблема особенно актуальна в свя­ зи с необходимостью освоения огромных территорий Севера и Западной Сибири.

Таким образом, большинство современных экзогенных процес­ сов, протекающих под воздействием природных факторов, могут быть изучены и исследованы количественными методами на базе достижений прикладной геомеханики.

Взаимное влияние природных и антропогенных геомеханических процессов. Особую актуальность приобретают вопросы изучения и прогнозирования экзогенных геомеханических процессов, протека­ ющих под одновременным воздействием природных и антропоген­ ных факторов. Качественное их отличие состоит в том, что они непосредственно связаны с инженерной деятельностью людей и не являются продуктом стихийных природных сил. Поэтому они могут быть управляемыми, причем характер и направленность этих про­ цессов не всегда соответствуют инженерно-геологической обстанов­ ке (например, сейсмические явления в несейсмической зоне, вызван­ ные взрывом, искусственное рассоление пород в условиях аридного климата в результате противосолевой мелиорации и пр.). Основ­ ным и определяющим фактором здесь служит характер воздействия человека на окружающую среду.

Как уже было отмечено выше, характер воздействия человека на природную геологическую среду подразделяется на три катего­ рии— механический, физический и химический. Следует учитывать также, что эти воздействия могут быть целенаправленными и стихийными, прямыми и косвенными, кратковременными и дли­ тельными (вековыми), локальными, крупномасштабными и регио­ нальными. В связи с таким многообразием антропогенных факто­ ров, влияющих на экзогенные геомеханические процессы, роль

изучения их механизма и выявления определяющих факторов для составления инженерного прогнозирования еще больше увеличива­ ется. Поэтому при проектировании любых инженерных сооружений в первую очередь должны быть решены задачи, связанные с прог­ нозированием направленности геомеханических процессов при их осуществлении.

Так, например, проходка глубоких шахтных стволов, которая обычно сопровождается водопонижением, вызывает образование депрессионных воронок диаметром в несколько десятков километ­ ров и осадку поверхности Земли, что в конечном итоге влияет на прочность и устойчивость шахтного ствола вследствие зависания оседающих масс на его поверхности.

В инженерной практике известны случаи потери устойчивости труб при глубинном бурении и откачке подземной жидкости и газа, что также связано с эффектом зависания оседающих масс грунта по поверхности буровых труб.

Заполнение крупных водохранилищ вызывает активизацию сей­ смических процессов в окружающем массиве пород, что связано с изменением напряженного состояния на большой глубине. Кроме того, здесь наблюдаются новые процессы переработки берегов и изменение режима подземных вод. Бетонные высокие плотины пре­ терпевают крен в сторону водохранилища, что, по-видимому, свя­ зано с прогибом дна водохранилища под действием веса воды в нем.

Оседание поверхности Земли в результате откачки подземных вод, нефти и Газа, выемки грунта и руды с больших глубин приво­ дит к заболачиванию огромных территорий, нарушает режим стока больших и малых рек, затрудняет нормальные условия эксплуата­ ции наземных и подземных сооружений и коммуникаций.

Наконец, в районах распространения региональных видов грун­ тов (набухающих, просадочных, мерзлых и др.) инженерное освое­ ние может нарушить равновесные процессы.

Приведенные выше примеры, однако, не охватывают всего мно­ гообразия экзогенных геомеханических процессов, которые встре­ чаются в многогранной инженерной деятельности человека. Поэто­ му задачами прикладной геомеханики являются составление достоверного прогноза геомеханических процессов, определение их направленности и интенсивности в пространстве и во времени и, наконец, разработка мер по управлению этими процессами.

1.4. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Постановка задач прикладной геомеханики в строительстве. Протекание геомеханических процессов в пространстве и во време­ ни под действием поверхностных и объемных сил сопровождается сложными природными явлениями, механизм которых не всегда удается выявить и учесть в той математической модели, которая принята для количественной оценки интенсивности и направленно­

сти развития геомеханических процессов. По этой причине одна из основных задач прикладной геомеханики — выявление механизма протекания геомеханических процессов путем натурных наблюде­ ний или физического моделирования. Кроме того, следует выделить основные и определяющие факторы, влияющие на геомеханический процесс для учета их в математической модели, сформулированной соответствующим образом на основе выявленного механизма.

Надо отметить еще одну особенность задач прикладной геоме­ ханики. В классической механике деформируемой сплошной среды, как правило, рассматриваются задачи, связанные с искусственны­ ми и однородными средами (металл, бетон, пластмасса, вода, воз­ дух и пр.), в которых начальное напряженное состояние отсутству­ ет или оно известно. В прикладной геомехаиике исходное напря­ женное состояние массива горной породы во многих случаях неиз­ вестно, но является определяющим и, кроме того, рассматривается природная среда, которая в каждом конкретном случае различна и обладает специфическими особенностями (трещиноватость, водонасыщенность, неоднородность строения и состава, анизотропность ит. д.).

Если инженер занимается конструированием и расчетом сталь­ ных конструкций, то для обеспечения надежности и прочности он может варьировать (задавать) прочностными и деформационными свойствами стали. А если он занимается проектированием гидро­ технического канала или котлована, то ему каждый раз приходится определять прочностные и деформационные показатели горных по­ род, в которых производятся эти работы. Задаваться этими свойст­ вами он не может.

Таким образом, проблемы прикладной геомеханики отличаются специфическими особенностями от обычных задач механики дефор­ мируемой среды, включая строительную механику. Без учета этих особенностей невозможно достичь успеха в количественных методах прогнозирования геомеханических процессов.

Проблема прогнозирования геомеханических процессов в верх­ них слоях земной коры сводится к решению комплекса инженерных задач, связанных с полевыми, лабораторными и аналитическими исследованиями.

Полевые исследования предполагают: изучение инженерно-гео­ логической обстановки рассматриваемого района, включая вопро­ сы строения и состава горных пород, слагающих массив, гидро­ геологические условия района; определение геометрических пара­ метров рельефа и внутреннего строения рассматриваемого массива; определение физико-механических свойств пород, слагающих мас­ сив, в условиях их естественного залегания статическими и динами­ ческими методами испытаний; организацию и проведение режимных инструментальных наблюдений за геомеханическими процессами в пространстве и во времени с целью установления' интенсивности и направленности хода их развития до и после инженерного вме­ шательства; анализ результатов полевых инструментальных наблю­ дений с целью выявления механизма геомеханического процесса,

выделения определяющих факторов и установления их взаимного влияния; предварительный выбор расчетной схемы на основе уста­ новленного механизма геомеханического процесса и выявленных определяющих факторов.

Лабораторные исследования включают: определение физико-ме­ ханических свойств пород, слагающих массив по результатам их испытаний в стандартных приборах трехосного сжатия с учетом их естественного напряженного состояния; анализ результатов испы­ таний пород и составление допредельного и предельного уравнений состояния для каждой разновидности пород (глина, песок, скала

ит. д.); выбор критерия прочности для каждой разновидности по­ род с учетом их структурных особенностей (хрупкое разрушение, вязкое течение и т. д.); определение параметров, входящих в со­ ставленные уравнения состояния, путем соответствующей обработ­ ки результатов испытаний пород; физическое моделирование иссле­ дуемой геомеханической задачи для уточнения механизма процесса

ивыявления основных факторов, необходимое для уточнения рас­ четной схемы и составления прогнозов.

Теоретические исследования включают: обобщение результатов полевых и лабораторных исследований с целью окончательного выбора величин расчетных характеристик; постановку соответст­ вующей краевой задачи механики деформируемой среды и ее ре­ шение с целью установления закономерностей распределения на­ пряжений и деформаций в .массиве в пространстве и во времени; оценку кратковременной и длительной устойчивости массива с уче­ том особенностей геомеханического процесса и специфики эксплуа­ тации сооружения; составление прогноза дальнейшего протекания геомеханического процесса и рекомендаций для разработки мер по инженерной защите окружающей среды; установление интенсивно­ сти и направленности геомеханического процесса для разработки мер по его управлению или с целью обеспечения успешной инже­ нерной деятельности людей; сопоставление результатов прогноза на базе совершенствования расчетно-теоретического аппарата при­

кладной геомехаиики с результатами полевых наблюдений. Прогнозирование геомеханических процессов. Количественное

прогнозирование напряженно-деформированного состояния масси­ вов горных пород под воздействием поверхностных и объемных сил является основной задачей прикладной геомеханики.

Прогнозирование геомеханических процессов непосредственно связано с определением компонентов напряжений и деформаций в массиве горных пород в пространстве и во времени.

Для успешного решения этой задачи на базе механики дефор­ мируемой среды необходимо с достаточной степенью точности и полнотой учитывать факторы, которые оказывают влияние на фор­ мирование полей напряжений и деформаций в массиве горных по­ род. К ним следует отнести: инженерно-геологическую обстанов­ ку — состав и строение пород, слагающих массив, наличие темпера­ турного и гидродинамического полей и т. д.; геометрические параметры массива и его составных частей; физико-механические

свойства пород, слагающих массив; начальное напряженно-дефор­ мированное состояние; характер воздействия дополнительных по­ верхностных и объемных сил — интенсивность и скорость измене­ ния их во времени; граничные условия при наличии процессов теп­ ломассообмена.

Определение механических свойств горных пород в условиях их естественного залегания является главнейшей задачей прикладной геомеханики. Достоверность определения механических свойств горных пород обусловливает достоверность инженерного прогнози­ рования, и поэтому физические уравнения, описывающие эти свой­ ства, называются определяющими.

Здесь, однако, имеются трудности как методического, так и тео­ ретического порядка. Первые связаны с разработкой и применени­ ем новых приборов и аппаратуры для определения механического поведения пород; вторые — с анализом результатов этих испытаний на основе решения соответствующей краевой задачи механики де­ формируемой среды с учетом заданных видов физических уравне­ ний. Если методические задачи могут быть решены иа базе новой техники, то теоретические до настоящего времени не решаются с достаточной степенью точности. Имеются лишь отдельные попыт­ ки анализировать испытания штампами или прессиометрами на основе теории упругости, что часто приводит к противоречиям. Учет особенностей деформиррвания горных пород при полевых испыта­ ниях и последующая обработка этих испытаний до сих пор прак­ тически отсутствуют. Вместе с тем лабораторные методы опреде­ ления механических свойств горных пород дают сравнительно луч­ шие результаты. Однако они не всегда могут заменить полевые. В связи с этим возникает одна из главных проблем прикладной геомеханики — разработка научно обоснованных методов опреде­ ления механических свойств горных пород.

Наиболее ответственным и трудным этапом прогнозирования на­ пряженно-деформированного состояния массивов в поле действия поверхностных и объемных сил является выбор и решение соответ­ ствующей краевой задачи механики деформируемой среды с учетом всех факторов и особенностей деформирования горных пород. При этом традиционные методы решения задач механики деформируе­ мой среды не всегда приводят к желаемым результатам, поэтому в настоящее время часто прибегают к численным методам решения с использованием ЭВМ.

Таким образом, в конечном итоге мы приходим к задаче опреде­ ления напряженно-деформированного состояния массивов горных пород под воздействием поверхностных и объемных сил.

Однако для прогнозирования геомеханических процессов недо­ статочно определения напряжений и деформаций в горных породах; необходимо проанализировать напряокенно-деформированное со­ стояние массивов на основании соответствующих критериев, огра­ ничивающих недопустимое развитие геомеханических процессов, которые привели бы к нарушению нормальных условий эксплуата­ ции сооружений или к катастрофическим последствиям.

Многообразие геомеханических процессов и инженерных конст­ рукций требует, чтобы в качестве критериев было сформулировано обобщенное понятие устойчивости массивов горных пород, которое бы учитывало все особенности взаимодействия сооружений с окру­ жающей геологической средой. В качестве таких критериев могут быть рассмотрены кратковременная и длительная устойчивость массивов горных пород.

Под кратковременной устойчивостью следует понимать такое напряженно-деформированное состояние массивов горных пород, при котором обеспечиваются допустимые величины деформаций и скорости их развития в отдельных точках и участках массива, а также устойчивость его в целом и прочность пород в отдельных частях в рассматриваемый момент времени.

Под длительной устойчивостью надо понимать такое напряжен­ но-деформированное состояние массивов горных пород, при котором обеспечиваются допустимые величины деформаций и скорости их развития в отдельных точках и участках массива, а также устой­ чивость его в целом и прочность пород в отдельных частях на

заданный длительный период времени.

Следовательно, эти критерии позволяют оценить устойчивость в наиболее общем виде, т. е. она может быть оценена как с позиции предельного напряженного состояния, так и с позиции предельного деформированного состояния с учетом скоростей их изменения в пространстве и во времени. Это дает возможность учитывать осо­ бенности возведения и эксплуатации различных сооружений и объектов, а также инженерно-геологической обстановки. Причем нет необходимости в одновременном удовлетворении всех критери­ ев. В инженерной практике бывает достаточным удовлетворение одного или двух условий в зависимости от характера решаемой задачи, капитальности и сроков службы сооружения.

Математическое описание /приведенных выше критериев следу­ ющее:

при оценке кратковременной устойчивости необходимо удовлет­

где e,j, еи — компоненты деформаций и их скорости в данный мо­

мент времени; 8г3доп, 8г3Д0П— допустимые значения деформаций и скоростей их развития в данный момент времени; F — суммарная площадь, в которой порода находится в состоянии пластического течения в данный момент времени; -Рдоп— допустимая величина площади, в которой порода находится в состоянии пластического течения в данный момент времени; а*- — интенсивность касательных напряжений в рассматриваемой точке в данный момент времени; |0гдоп— допустимая величина интенсивности напряжений в рас­ сматриваемой точке в данный момент времени; х, у, z — координа­ ты рассматриваемой точки; ^ — данный момент времени.

При оценке длительной устойчивости необходимо удовлетво­ рять этим же условиям, но t\ заменить на t (где t — заданный момент времени).

Определение правых частей этих уравнений в результате обоб­ щения наблюдений за геомеханическими процессами и характером взаимодействия сооружений с окружающей средой является одной из основных задач прикладной геомеханики. Кроме того, необхо­ дима оценка допустимых величин деформаций и скоростей их раз­ вития, а также предельных напряжений с помощью проведения специальных реологических испытаний.

Для определения слдоп можно пользоваться условиями прочно­ сти пород:

где о — среднее напряжение; сгг-— действующее значение интенсив­ ности напряжений; Ха— параметр Надаи—Лоде; ка— параметр траектории нагружения.