книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

иым физико-химическим изменениям под воздействием силовых и температурных полей. В результате таких воздействий могут иметь место сильное уплотнение, цементация и перекристаллизация. Так, например, в результате метаморфизма сыпучие кварцевые пески могут перейти в кварцит, глинистые грунты — в сланцы и гнейсы, известняк — в мрамор и т. д.

Наиболее существенные изменения, как правило, претерпевают древние породы, перекрытые толщей позднейших осадков.

Природные напряжения в земной коре — геостатические и геодинамические. Многообразие силового и температурного полей в верхних слоях земной коры во многом определяет сложность фор­ мирования напряженно-деформированного состояния массивов горных пород в пространстве и во времени, что в конечном итоге •определяет сложность протекания геомеханических процессов. В формировании напряженно-деформированного состояния масси­ вов большую роль играют также их состав и строение, геометриче­ ские параметры, геофизические и геохимические процессы и свя­ занные с ними закономерности распределения температур и масс.

Основными силами, действующими в земной коре, являются си­ лы гравитации и тектоники, а также наземных и подземных вод и газов, космические силы и, наконец, силы, вызванные экзогенными природными процессами и инженерной деятельностью людей. Все эти силы по характеру их воздействия можно подразделять на по­ верхностные и объемные. К объемным силам (действующим на каждый элементарный объем массива) относятся силы гравитации, сейсмики, космические и гидродинамические; к поверхностным — силы, действующие на отдельных участках рассматриваемого мас­ сива, из которых следует выделить силы взаимодействия массива

с сооружением, тектонические силы сжатия, растяжения и сдвига,

атакже силы, вызванные инженерной деятельностью людей (при постройке высоких плотин и насыпей, откачке подземных вод, неф­ ти, газа и т. п.).

Мерой количественного метода описания геомеханических про­ цессов в массиве являются величины напряжений и деформаций и скорости их изменения в пространстве и во времени. Но так как напряжения и деформации в массиве горных пород зависят глав­ ным образом от действия поверхностных и объемных сил, рассмот­ рим более подробно роль отдельных сил в формировании напря­ женно-деформированного состояния массива.

Г е о с т а т и ч е с к и е н а п р я ж е н и я в з е м н о й к о р е , в ы з в а н н ы е д е й с т в и е м с и л г р а в и т а ц и и . Гравитацион­ ная сила (сила тяжести) представляет собой равнодействующую

Ускорение силы тяжести g при пренебрежении относительно малым по величине эффектом вращения Земли прямо пропорционально массе Земли М и обратно пропорционально квадрату расстояния

Поскольку при решении прикладных задач геомеханики рас­ сматриваются самые верхние слои земной коры в пределах до не­ скольких километров, а часто и меньше, то можно считать измене­ ние ускорения силы тяжести незначительным и для практических расчетов принимать равным 9,81 м/с2.

Гравитационная сила является основной при формировании естественного напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и действует повсеместно. Силе гравитации противо­ действуют силы упругой деформации горных пород, которые и об­ условливают равновесное состояние массивов. Вместе с тем на процесс формирования этого состояния существенное влияние ока­ зывают строение и состав массива горных пород, его геометриче­

механические свойства пород, слагающих массив.

К настоящему времени выполнено большое число исследований (Ж. С. Ержанов, 1964; А. Н. Динник, 1957; Г. А. Крупенников, 1940, 1972, и др.), в которых рассмотрен этот вбпрос. В них указы­ вается, что распределение напряжений существенным образом за­ висит от механических свойств пород, их изотропности и однород­ ности. Так, для идеально упругого, однородного, изотропного мас­ сива при невозможности горизонтального смещения и постоянстве плотности по глубине исследование проведено А. Н. Динником (1957). Такое распределение напряжений в упругом, изотропном, однородном полупространстве можно получить из различных пред­ положений, полагая, в частности, что в процессе осадконакоплений не возникает касательных напряжений и невозможно горизонталь­ ное смещение, а кривизна поверхности Земли оказывает незначи­ тельное влияние.

Другие случаи распределения напряжений, когда имеют место слоистость, анизотропность строения массива и т.п., рассмотрены в работах Г. Н. Савина (1947), С. Г. Лехницкого, Ж. С. Ержанова (1964) и др.

В указанных выше случаях при исследовании распределения напряжений в упругом полупространстве под действием силы тяже­ сти использовано условие отсутствия горизонтальных деформаций. Однако такое допущение не всегда можно принимать безогово­ рочно.

Учет нелинейных свойств горных пород при определении боко­ вого давления под действием сил гравитации приводит к трансцен­ дентным уравнениям. Важным фактором при определении боково­ го давления является также структурная прочность компрессион­ ного сжатия (Н. А. Цытович, 1968; 3. Г. Тер-Мартиросяи, 1976; В. Нгуен, 1977).

Анализ существующих решений задач по распределению напря­ жений в грунтовом полупространстве под действием сил гравита­ ции с учетом линейной и нелинейной деформируемости пород по­ казывает, что в настоящее время этот вопрос окончательно не раз­ решен и требует пристального внимания ученых, занимающихся проблемами прикладной геомеханики. Это связано с тем, что лю­

проблемы, определение бокового давления в нетронутом массиве

.весьма сложно и зависит, как мы увидим, от многочисленных фак­ торов, в том числе однородности, изотропности, плотности, линей­ ной и нелинейной деформируемости, реологических свойств и проч­ ности пород, слагающих массив. Если к ним добавить и фактор норового давления в водонасыщенных породах, то проблема еще больше осложняется.

Следует особо отметить, что в рассмотренных выше задачах ни в одном случае не получили результата, где боковое давление превышало бы вертикальное. Это важное обстоятельство дает воз­ можность искать связь наблюдающихся аномалий в земной коре с другими причинами.

Г е о д и н а м и ч е с к и е н а п р я ж е н и я в з е м н о й к о р е , в ы з в а н н ы е д е й с т в и е м с и л т е к т о н и к и , а т а к ж е к о с м и ч е с к и х . Большинство исследователей склонно считать, что превышение горизонтального напряжения над вертикальным в отдельных районах земного шара связано с тектоническими силами и, по-видимому, это так, если речь идет о целых регионах. Действи­ тельно, тектонические, силы возникают вследствие движения от­ дельных глыб земной коры. Колебательные движения (поднятие и опускание) в силу малых скоростей проявляются не всегда ощути­ мо. Однако за определенные геологические периоды, а иногда на протяжении нескольких десятилетий они могут оказать существен­ ное влияние на начальное напряженное состояние массивов.

Все виды тектонических движений, по-видимому, приводят к формированию избыточного (по отношению к геостатическому) поля напряжений, где могут наблюдаться горизонтальные напря­ жения сжатия и растяжения, а также напряжения сдвига.

О наличии геодинамического поля напряжений судят по резуль­ татам непосредственных измерений горизонтальных напряжений в горных выработках в двух перпендикулярных плоскостях (рис. 1.3).

Избыточные горизонтальные напряжения, значительно превос­ ходящие геостатические, являются геодинамическими; они наблю­ даются уже на глубине 10—15 м в некоторых точках Швеции, За­ падной Финляндии и США и на более значительной глубине в дру­ гих районах, главным образом в кристаллическом фундаменте и в складчатых комплексах (П. Н. Кропоткин, 1973), и почти отсутст­ вуют в осадочном чехле и в трещиноватых разностях скальных по­ род.

Непосредственные измерения горизонтальных напряжений на глубинах.880 м (Центральная Швеция), 915 м (Донецкий бассейн) и 1100 м (Альпы) показали, что они равны соответственно 1020, 1150 и 1220 кгс/см2 (~102, 115, 122 МПа), что на 500—600 кгс/см2 превышает величины удвоенного гидростатического давления.

По результатам анализа измерений напряжений можно считать, что зона избыточных напряжений охватывает начиная с глубин 10—200 м гранитный слой, или складчатый кристаллический фун-

тектонические силы. Учет этого фактора возможен только на осно­ вании результатов непосредственных измерений горизонтальных напряжений и построения изолиний напряжений.

Влияние космических гравитационных сил на напряженное со­ стояние земной коры в настоящее время объясняется на основании данных о зависимости землетрясений от лунных фаз.

нии напряженного состояния земной коры уделяется больше вни­ мания роли сил приливного действия Луны, Солнца и вращения Земли, чем силам, вызванным внутренними процессами. Так, на­ пример, статистическая обработка многочисленных (более 300) данных по случаям внезапных выбросов угля и газа в шахтах, а также проявления горного давления выявила зависимость часто­ ты этих явлений от лунного притяжения и солнечной активности.

ной, хотя и крайне медленно, но непрерывно воздействуют на зем­ ную оболочку и смещают ее в обоих полушариях к экваториальной области. Физико-географические очертания континентов подтверж­ дают эти выводы.

Вместе с тем исследования о степени влияния на напряженнодеформированное состояние четвертичных отложений космических сил гравитации практически отсутствуют. Для решения же при­ кладных задач геомеханики учет этих воздействий при строитель­ стве специальных сооружений, чувствительных к незначительным неравномерным осадкам, необходим.

Напряженное состояние в земной коре, вызванное экзогенными процессами и инженерной деятельностью людей. В л и я н и е экз о - г е н н ы х п р о ц е с с о в . Вследствие взаимодействия с атмосферой, гидросферой и тектоносферой в верхних слоях земной коры имеет место непрерывное изменение -полей напряжений и деформаций. На фоне эндогенных процессов они протекают значительно быстрее и оказывают непосредственное влияние на взаимодействие соору­ жений с окружающей геологической средой. Поэтому формирова­ ние полей напряжений вследствие динамики развития экзогенных процессов имеет первостепенное значение при прогнозировании ха­ рактера взаимодействия сооружения с окружающей геологической средой.

Многообразие экзогенных процессов и их проявлений, обуслов­ ленных конкретными инженерно-геологическими условиями, за­ трудняет перечислить в рамках настоящей книги все случаи. Вмес­ те с тем наиболее важные и определяющие факторы могут быть

строения и физико-механических свойств (пород, слагающих верх­ ние слои земной коры; 3) особенность инженерно-геологической ■обстановки данного региона.

Учет влияния этих факторов на характер взаимодействия соору­ жений с окружающей геологической средой является одной из ос­ новных задач прикладной геомеханики в строительстве.

инженерной деятельностью людей, следует сказать, что в XX в. че­ ловек стихийно или сознательно стал изменять состояние оболочек Земли: атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы (Н. А. Цытович, 1973; Е. М. Сергеев, 1978, и др.). Наряду с такими мощными природными агентами, как теплообмен, воздух, вода, газы, снег, лед, микроорганизмы и т. д., инженерная деятельность оказывает ■существенное влияние на характер протекания экзогенных геомеханических процессов, что в конечном итоге отражается на напря­ жённо-деформированном состоянии массивов пород в самых верх­ них слоях земной коры.

Чтобы достаточно хорошо представить масштабы инженерного* воздействия на окружающую среду, приведем несколько цифр и; фактов (Ф. В. Котлов, 1978; Р. Леггет, 1976; А. В. Сидоренко, 1967;

Е.М. Сергеев, 1978).

Впервую очередь обращают на себя внимание демографиче­

ский взрыв и его последствия. Действительно, рост численностинаселения земного шара поражает своей стремительностью. К на­ чалу нашей эры население планеты составляло 200 млн. человек,,

миграции его на необжитые места. Строятся новые города и рас­ ширяются старые. Численность городского населения растет и до­ стигает 85% в ФРГ, 80% в Англии, 75% во Франции, 70% в США. В настоящее время площадь Земли, занятая под жилые застрой­ ки и другие инженерные сооружения, составляет 4% суши, предполагается, что к 2000 г. эта площадь будет занимать около 15%, причем расширение городов отражается на равновесных про­ цессах в окружающей среде. Города стали ареной коренного пре­ образования верхних слоев земной коры. Обычное содержание уг­ лекислого газа С 02 в атмосфере составляет 0,03%, а в городах — 0,04%. Солнечная радиация в городах меньше на 30—40%, а тем­ пература выше на 3—8° С. Изменение климата города и окрестнос­ тей иногда равно передвижению по широте в естественных усло­ виях на 20°

Общая амплитуда изменений рельефа городов составляет 1100 м, причем величина искусственного повышения отметок колеблется от 0,5 до 300 м, а понижения — от 0,5 до 800 м.

Влияние города на подземные воды распространяется на глуби­ ну от 0,5 до 100 м, а иногда до 4000—6000 м. Уменьшается коэф­ фициент инфильтрации атмосферных осадков на 30—70%, величи­ на водопонижения достигает 100 м и более. Пьезометрические уровни артезианских горизонтов за счет длительной и интенсивной откачки подземных вод и образования депрессионных воронок по­ низились, например, в Лондоне до 100 м, в Киеве — до 65 м, в Москве — до 100 м, в Ленинграде — до 60 м и т. д. Площади мульд оседания в городах в связи с этим увеличились до 35 000 км2 и бо­ лее, а максимальная величина оседания — 0,35 м в Москве, 0,3 м в Лондоне, 2,2 м в Осаке, 7,0 м в Токио, 9,0 м в Мехико.

Уровни грунтовых вод повышаются на 2— 10 м (есть случаи повышения до 100 м), что связано с подпором уровня рек, инфиль­ трацией из водохранилищ, каналов, прудов, утечкой воды из под­ земных сетей и резервуаров, искусственными поливами, уничтоже­ нием естественных дрен, конденсацией влаги под зданиями и соору­ жениями и пр.

Величина подтопления на отдельных участках в городах дости­ гает: до 30 м в Запорожье, 10—20 м в Ростове-на-Дону, 10— 15 м в Одессе, 8—12 м в Челябинске, 4—6 м в Саратове, 8 м в Тбилиси, 2—4 м в Ташкенте и Киеве, 2—6 м в Баку.

Вертикальная зона активного изменения равновесного состоя­ ния пород в городах превышает 20—50 м.

Культурный слой в некоторых городах составляет: 45 м в Одес­ се, 14 м в Киеве, 24 м в Баку, 22 м в Москве, 18 м в Ташкенте, 17 м в Волгограде, 10 м в Ленинграде, 25 м в Лондоне, 23 м в Сан-Фран­ циско, 20 м в Париже и т. д.

Воздействие человека на земную оболочку вследствие его ин­ женерной деятельности растет вглубь. Глубина отдельных рудни­ ков в Южной Африке достигла 3950 м, в Индии — 3800 м. Добыча угля в Европе производится на глубине 1300 м, в СССР — до 1100—1200 м. Глубина карьеров достигает 800—1000 м, строитель­ ных котлованов — 100 м и более, туннелей — 2000—2500 м, откачка нефти, газа и воды — 8—10 км. И все это не предел человеческих возможностей. В перспективе.ожидается дальнейший штурм глубин земной коры в связи с необходимостью освоения полезных ископа­ емых, а также расширения и углубления подземного строительства.

Внекоторых районах Кузбасса (Ф. В. Котлов, 1978) глубина провалов над выработками превышает 20 м (есть случаи провалов до 70 м). Сдвижение пород в массиве и оседание поверхности на 100 см и более происходит над туннелями и подземными станция­ ми метрополитена.

Впоследнее время в связи с ростом энергетического голода и освоением засушливых земель вновь начало бурно развиваться строительство речных гидротехнических и мелиоративных соору­ жений. Строительство высоких плотин и заполнение водохранилищ вызывают изменение равновесных процессов в окружающей среде, иногда на глубину до нескольких километров. В СССР суммарная длина берегов водохранилищ превышает 35 тыс. км, а протяжен­ ность каналов-— 320 тыс. км; вдоль этих берегов развиваются спе­ цифические геомеханические процессы.

Всвязи с необходимостью освоения шельфовой зоны морей и океанов проблема прогнозирования процессов в береговой зоне также стала актуальной. Оползни, вызванные инженерной дея­ тельностью людей в береговой зоне, увеличились в период с 1962

по 1972 г. на 19,5%, а суммарная площадь оползней — на 42,1%.

Из приведенных выше примеров видно, что инженерная деятель­ ность человека многогранна и что под влиянием этого фактора претерпевают изменение все элементы окружающей среды: атмос­ фера, климат, почвенный и растительный покров, рельеф, подзем­ ные воды, верхняя часть литосферы. Причем в некоторых случаях эти изменения распространены на большие площади и носят регио­ нальный характер.

Таким образом, инженерная деятельность людей и природные агенты — это мощные силовые факторы, оказывающие существен­ ное влияние на ход и направленность многих современных экзоген­ ных геомеханических процессов и явлений, которые в конечном итоге отражаются на условиях строительства и эксплуатации со­ оружений.

1.3.СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РОЛЬ

ВИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРАКТИКЕ

Классификация геомеханических процессов. Геомеханические процессы эндогенные (глубинные) и экзогенные (поверхностные) играют огромную роль в прикладной геомеханике. Следует отме­ тить, что не всегда возможно провести четкую границу между эндо­ генными и экзогенными процессами, так как они протекают под воздействием одного и того же силового гравитационного поля. Большое влияние на экзогенные процессы оказывают фактор рель­ ефа, неоднородность строения и состава верхних слоев земной коры, что может служить критерием для их выделения. Эндогенные про­ цессы вызываются в основном тектоническими движениями; они охватывают земную кору на значительную глубину и не зависят от современного рельефа земной коры. Кроме того, эндогенные про­ цессы в какой-то степени могут оказать влияние на ход развития экзогенных процессов, в то время как обратное влияние незначи­ тельно или вовсе отсутствует.

Ф а к т о р ы , в л и я ю щ и е на э к з о г е н н ы е п р о ц е с с ы . На экзогенные геомеханические процессы большое влияние оказы­ вают природные и антропогенные факторы. Причем интенсивность развития и направленность экзогенных геомеханических процессов во многих случаях могут быть изменены под воздействием антро­ погенных факторов (например, активизация оползневого процесса вследствие подрезки склона и т. д.). Как природные, так и антро­ погенные факторы, влияющие на ход развития экзогенных геоме­ ханических процессов, можно подразделить на механические, фи­ зические и химические.

К механическим можно отнести факторы, которые оказывают непосредственное механическое влияние на процесс формирования напряженно-деформированного состояния рассматриваемого мас­ сива. К ним относятся: а) природные факторы — изменение релье­ фа во времени (тектонические и сейсмические воздействия), изме­ нение веса вышележащей породы или ледяного покрова, оврагообразование и береговые процессы, пространственная изменчивость физико-механических свойств пород во времени, карстообразование; б) антропогенные факторы — пригрузка массива вследствие возведения сооружений, отсыпки отвалов и заполнения водохрани­ лищ, разгрузка массива в результате устройства выемки, подрезка природных склонов, динамические и вибрационные воздействия ин­ женерной деятельности, горные работы (открытая и подземная разработка месторождений полезных ископаемых), извлечение из недр земли горных пород, газа, нефти и воды.

К физическим относятся факторы, вызывающие изменение фи­ зического состояния пород в верхних слоях земной коры. К ним от­ носятся: а) природные факторы — изменение физико-географиче­ ских условий, изменение температурного поля, изменение гидроди­ намического поля в результате изменения режима подземных вод, изменение физического состояния горных пород вследствие физи-

Влияние эндогенных геомеханических процессов в земной коре на инженерную деятельность людей. Эндогенные геомеханические процессы, вызванные различными факторами, подразделяются на две основные группы: эпейрогенические — колебательные и орогеннческие — дислокационные (В. В. Белоусов, 1975; М. В. Гзовский, 1975; В. Е. Ханн, 1964).

Колебательные движения (поднятие и опускание) верхних сло­ ев земной коры проявляются неравномерно как во времени, так и в пространстве вследствие неоднородного строения и состава зем­ ной коры, а также температурного и силового полей. Из-за малых скоростей они проявляются не всегда ощутимо. Однако за опреде­ ленные геологические периоды, иногда на протяжении нескольких десятилетий, они могут оказать существенное влияние на процесс формирования напряженно-деформированного состояния верхних слоев земной коры, особенно в массивных кристаллических породах.

Дислокационные двиоюения земной коры приводят к разрывным

(дизъюнктивным), складчатым (пликативным) и складчато-раз­ рывным нарушениям, вследствие чего образуются новые формы залегания горных пород. Причем для разрывных нарушений харак­ терны быстрые сдвиги и скольжения по фиксированным поверхно­ стям, кручения и разрыв сплошности. При складчатых движениях наблюдается вязкопластическое деформирование горных пород и образование складчатости и изгибов. При складчато-разрывных движениях образуются и те и другие формы деформаций.

К современным эндогенным геомеханическим процессам отно­

движения и складкообразование), тектоника дна океанов, солнеч­ ные и лунные приливы твердой и жидкой оболочки Земли; регио­ нальные— опускание и послеледниковое поднятие земной поверх­ ности, соляная тектоника, складкообразование, сдвиги, сбросы, надвиги и другие виды деформаций слоев земной коры, сейсмиче­ ские процессы и явления.

Эндогенные геомеханические процессы, вызванные естественны­ ми факторами, чаще всего происходят медленно и проявляются на ландшафте местности лишь по прошествии большого периода. Про­ исходит это в большинстве случаев, потому, что коренные массивно­ кристаллические горные породы прикрыты чехлом четвертичных отложений, который сглаживает картину внутренних процессов, особенно там, где этот чехол сложен пластичными породами.

О наличии активной деятельности эндогенных геомеханических процессов судят по результатам непосредственных измерений на­ пряжений и деформаций на различных глубинах и в различных районах земного шара (П. Н. Кропоткин, 1973; В. В. Белоусов. 1975; М. В. Гзовский, 1975; Г. С. Золотарев, 1968, и др.). Анализ этих измерений позволяет судить о механизме протекания эндоген­ ных геомеханических процессов в различных районах и составлять кратковременный и долговременные прогнозы, необходимые для перспективного планирования и освоения территорий.