мощность слоя марсианской пыли в некоторых районах (где велись определения) также не менее 50 см.

Изучение рельефа поверхности Марса приводит к заключению, что в древние ареологические (древнемарсианские) эпохи на рас­ сматриваемой планете существовали огромные ледники, оставив­ шие типичные следы на поверхности. По А. Лебединскому (1956), на Марсе можно ожидать наличия массивов льда (кроме поляр­ ных) под наносами весьма нетеплопроводной минеральной пыли. Это предположение весьма вероятно, так как, Например, на дне кратера Аская в Центральной Исландии был найден лед, законсер­ вированный под слоем пемзы.

Некоторые данные говорят и о том, что на Марсе возможно су­ ществование незамерзших водоемов (по В. Давыдову) под мощ­ ными слоями вечномерзлых пород, причем эти бассейны воды яв­ ляются ловушкой для газов, выделяемых недрами Марса, косвен­ ным подтверждением чего могут быть, например, наблюдаемые выбросы из недр Марса паров воды, причиной чего, в свою очередь, может быть, например, пробивка слоя вечномерзлых пород удара­ ми метеоритов.

Однако все эти предположения о вечномерзлых породах носят пока проблематичный характер.

Что касается коренных (скальных) пород, то имеются лишь от­ дельные частные указания: так, большие камни возле посадочного блока «Викинг-1» оказались базальтовыми.

Таким образом, поверхностные грунты планеты Марс (слой пыли), по-видимому, весьма рыхлые образования, вряд ли имею­ щие значительную несущую способность; прочность же подстилаю­ щих пород, возможно, мало отличается от прочности земных мас­ сивно-кристаллических пород.

Исследования горных пород, слагающих Марс, для геологов Земли дают ценный сравнительный материал, так как с ранними историческими периодами (по М. Маркову, с докембрием) связано образование гигантских запасов железа и других полезных иско­

паемых.

Дальнейшие перспективы исследования Марса еще долго будут

Которые предполагается запустить в середине 80-х годов. Однако будущее освоение Марса возможно лишь при создании особых меж­

планетных кораблей.

Физические условия на других планетах Солнечной системы — Венере, Меркурии и планетах-гигантах. Для удобства изложения настоящего раздела мы сгруппируем рассмотрение планет Солнеч­ ной системы в три подгруппы (кроме ранее рассмотренных природ­ ного спутника Земли Луны и планеты Марс): 1) горячие планеты — Венера и Меркурий; 2) холодные планеты-гиганты — Юпитер и Сатурн (планета Юпитер превышает, например, по объему Землю более чем в 1300 раз); 3) далекие планеты (по-вндимому, жидкие),

круг Солнца также весьма различна: от времени, соответствующего примерно четверти земного года, для Меркурия и до 248 земных лет для Плутона.

Учитывая параметры рассматриваемых планет и отмеченные ранее некоторые сравнительные данные, можно сделать заключе­ ние: физические условия образования твердой минеральной оболоч­ ки этих планет чрезвычайно отличны от земных.

Из планет первой подгруппы наибольший интерес представляет планета Венера-, параметры ее ближе к земным, и к тому же она относительно больше других планет исследована; на описание фи­ зических условий природы Венеры мы и обратим в первую оче­ редь наше внимание. Что касается планет второй и третьей под­ групп, то о них известно очень мало; мы приведем лишь некоторые сведения, которые могут быть использованы для'самого общего представления о возможных формах и свойствах верхних слоев их

1,4 раза ближе к Солнцу, чем Земля, она получает вдвое больше солнечной энергии.

Для исследования физических условий, существующих в настоя­ щее время на Венере, в 1961—1975 гг. на нее было запущено из

СССР десять автоматических межпланетных станций «Вене­ ра-1—10» и из США начиная с 1962 г. — несколько автоматических станций «Маринер-2, 5, 10», при этом станции «Венера-7, 8, 9. и 10» опустили в 1970—1975 гг. автоматические аппараты на поверхность планеты, а станции «Венера-3, 9 и 10» доставили на поверхность планеты вымпелы с изображением герба СССР и барельефа В. И. Ленина.

Температура и давление на поверхности Венеры, впервые изме­ ренные спускаемым аппаратом с «Венеры-4», оказались равными: температура +475±20°С, давление 90±15 ат.

Измерения автоматической станцией «Маринер-2» подтвердили

близостью к Солнцу и наличием потока тепла из недр планеты, но преимущественно так называемым парниковым эффектом. Этот эффект заключается в том, что роль парниковых рам на Венере выполняют густые облака (толщиной 30—40 и до 70 км), и хотя мощный слой облаков отражает до 70% солнечного тепла видимого

ние слои атмосферы и поверхность планеты, так как облака не пропускают обратного потока тепла, главным образом инфракрас­

Грунты и коренные породы в макромасштабе изучались с по­ мощью радиолокации, показавшей, что на планете есть неровности, которые могут быть горами, и обнаружены довольно многочислен­ ные кратеры, подобные лунным, диаметром до 150 км и кратеро­ образные структуры горных пород.

Акад. А. П. Виноградов и инж. К. П. Флоренский полагают, что сглаженность поверхности горных пород является результатом комплексного действия высокой температуры и мощной ветровой и химической эрозии. В местах посадки автоматических станций об­ наружены базальтовые (т. е. магматические) горные породы, что подтверждается анализом гамма-излучений. Плотность коренных базальтовых пород р=2,7ч-2,9 г/см3, а плотность рыхлых пород р = 1,65ч-1,80 г/см3.

Количество воды, осажденной из атмосферы Венеры, получено от 4 до 11 мг/л, на Земле же при температуре 25° С количество осажденной из атмосферы воды равно примерно 24 мг/л. На по­ верхности планеты воды в жидком виде нет, так как температура Венеры при давлении в 100 ат выше температуры кипения воды на 150° С.

Таким образом, сведения о грунтах Венеры и подстилающих их коренных горных пород в настоящее время еще весьма скудны. Но общие условия формирования горных пород и их свойств, со­ гласно вышеизложенному, становятся более ясными. Следует здесь еще раз отметить, что трудности непосредственного исследования механических свойств грунтов и массивно-кристаллических горных пород на Венере осложнены дальностью расстояния; так, радио­ сигналы достигают Венеры с Земли лишь за 3 мин 22 с. Кроме того, иа Венере облака движутся с громадной скоростью.

Меркурий ? — это горячая планета первой подгруппы Солнечной системы (по нашему определению). Ее температура днем равна -Ь345°С, ночью — от —140 до — 180° С; продолжительность суток на Меркурии равна 176 земным суткам.

Телевизионное фотографирование автоматической станцией США «Маринер-10», произведенное с расстояния от 200 тыс. км до 320 км от планеты, показало, что ее поверхность очень похожа на лунную , имеет (по А. Викторову) много кратеров и большие плос­ кие равнины наподобие лунных.

В соответствии 'с полученными спектрограммами можно пола­ гать, что на Меркурии есть атмосфера. По предварительным изме­ рениям, атмосфера имеет большую толщину и на планете наблю­ дается вакуум (давление порядка V200 земного атмосферного), что дает возможность предположить водородный ее состав.

Грунты мало теплопроводны: при температуре у поверхности планеты, равной почти 350°, на глубине нескольких сантиметров*

* Дерпгольц В. и Каттерфельд Г. Вода на планетах. — Наука и жизнь, 1972, № 4; Черкасов И. И., Шварев В. В. Современные представления о грун­ тах Меркурия, Венеры и Марса. — Основания, фундаменты и механика грун­ тов, 1978, № 3.

температура равна только от 70 до 80° С. Химический и минерало­ гический составы грунтов, по-видимому, близки к лунному грунту.

Планеты-гиганты. Приведем некоторые дополнительные сведе­ ния о планетах-гигантах — Юпитере и Сатурне — и планетах даль­ них — Уране, Нептуне и Плутоне.

Основные внешние параметры больших планет приведены в табл. 6.1, причем меньше всего данных о планете Плутон, которая отстоит от Солнца почти на 6 млрд, км и совершает одно обраще­ ние по орбите вокруг него за 248,4 земных лет, т. е. год на Плутоне продолжается почти 250 земных лет.

Юпитер и Сатурн — водородногелиевые планеты с весьма низ­ кой температурой (по-видимому, близкой к абсолютному нулю), а Уран и Нептун — жидкие планеты; что касается Плутона, то о его физическом состоянии почти ничего не известно. Новейшие астро­ физические наблюдения дают основание полагать, что центральное ядро Юпитера представляет собой твердое тело, вероятно, замерз­ ший водород и гелий. В программу исследования автоматической станции «Пионер-10», шедшей по направлению к Юпитеру, входило также радиолокационное исследование ядра Юпитера и его фото­ графирование с возможно большего приближения.

Следует отметить, что 12 спутников Юпитера представляют для космонавтики известный интерес, так как они по размерам соиз­ меримы с планетами группы Земли и окружены газовыми атмо­ сферами. Эти спутники, однако, обращены к Юпитеру всегда одним полушарием-, есть предположения о возможности существования на них некоторых форм органической жизни.

Особенностью планеты Сатурн, как известно, является окруоюение ее кольцами, вращающимися вместе с планетой и состоящими, по существующим предположениям *, из массы ледяных цилиндров, обкатанных постоянным трением друг о друга, или (по другой ги­ потезе) из массы различного размера обломков скальных пород (камней), покрытых ледяной оболочкой, которые дробятся друг

одруга при обращении вокруг Сатурна.

Впоследнее время ** астрономические наблюдения с помощью 91-сантиметрового телескопа с борта реактивного самолета дают основание полагать, что планета Уран окружена рядом колец, по­

добных кольцам Сатурна, обращающихся очень медленно вместе с планетой вокруг Солнца, причем время одного обращения равно 84 земным годам. Колец у Урана несколько: четыре из них (тол­ щиной примерно 10—12 км каждое) расположены ближе к пла­ нете (первое на 18000 км от поверхности) и остальные толщиной около 50—100 км — на расстоянии 26 000 км и более.

Таким образом, в настоящее время сведений о планетах второй и третьей подгрупп Солнечной системы очень мало вследствие главным образом громадных расстояний этих планет от Земли.

* Дерпгольц В., Каттерфельд Г. Вода на планетах. — Наука и жизнь, 1972, № 4.

** Николаева 3. Кольца вокруг Урана. — Наука и жизнь, 1977, № 9.

6.5. ДАЛЬНЕЙШ ИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО КОСМОМЕХАНИКЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Освоение человеком космоса, в первую очередь исследование и использование в народнохозяйственных целях спутника Земли — Луны и планет Солнечной системы, связано не только с необходи­ мостью дальнейшего фундаментального совершенствования авто­ матических станций и управляемых межпланетных кораблей, но и с решением биологических задач для длительного обеспечения жиз­ недеятельности экипажа межпланетных кораблей.

В связи с этим предварительно должна быть выполнена обшир­ ная программа исследований на беспилотных автоматических кос­ мических станциях, оборудованных соответствующими автоматами и прецизионной радиостанционной аппаратурой, а также специаль­ ными автономными машинами марсоходами, венероходами и т. п., способными обследовать значительные районы на планетах, брать пробы грунтов и скальных пород и производить некоторые важные анализы их, сообщая результаты на Землю (как это имело место при работе советских луноходов).

Использование пилотируемых космических кораблей, работаю­ щих на селеноцентрической орбите (вокруг Луны), даст значитель­ ные преимущества, так как с селеноцентрических орбитальных станций могут стартовать более легкие и более дальние автомати­

ческие аппараты.

Для селеноцентрических станций должен быть использован бо­ гатейший опыт автоматических станций, посланных из СССР и США к Луне и Венере, и особенно опыт длительной работы совет­ ских космонавтов на космических кораблях «Салют-6» — «Союз-27» (1978) и «Салют-6» — «Союз-32» (1979).

Необходимо также обратить внимание на создание специально­ го индивидуального оборудования и аппаратов для автономной ра­ боты космонатов, на разработку проектов и организацию их изго­ товления с проработкой методики измерений с помощью малога­ баритных и миниатюрных приборов для исследования физико-ме­ ханических и реологических свойств грунтов и скальных пород

в сложных условиях космоса и в особых условиях исследуемых планет.

Исследование и освоение космического пространства и косми­ ческих тел являются выдающимися свершениями XX столетия, от­ мечал акад. Б. Н. Петров *, и вклад советской космонавтики в эти свершения огромен.

* Акад. Б. Н. Петров. О первых шагах во вселенную. — В сб.: Академики

д-р техн. наук А. Изотов. Куда движутся материки? — Известия, 1976, 16апр.; Сейсмическое просвечивание очаговых зон в прогнозе землетрясения и геодинамики/Под ред. М. А. Садовского. М., 1979; Севастьянов В. Пятнадцать лет по звездному пути. — Правда, 1972, 4 окт.

33. Николаев Н. И. Влияние инженерной деятельности на сейсмический ре­ жим. — Сб. статей. М., 1977.

34.Опыт оценки устойчивости склонов сложного геологического строения методом конечных элементов и экспериментами на моделях/Под ред. Г. С. Зо­ лотарева. М., 1973.

35.Потоков П. Н., Ржевский В. В., Истомин В. В., Гальперин А. М. Гео­

механика отвальных работ на карьерах. М.,1972.

36.Полубаринова-Кочина П. Я. Теория движения грунтовых вод. М., 1977.

37.Роде А. А. Основы учения о почвенной влаге. Т. 1, 2. М., 1965.

38.Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. М.„

1977.

39.Савин Г. Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев, 1968.

40.Сорочан Е. А. Строительство сооружений на набухающих грунтах. М.,

1974.

41.Тер-Мартиросян 3. Г., Ахпателов Д. М. Напряженное состояние горных

массивов в поле гравитации. — Докл. АН СССР, т. 220, 1975, № 2.

42.Тер-Степанян Г. И. Геодезические методы изучения динамики оползней. М., 1972.

43.Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. М., 1958.

44.Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.,

1966.

45.Ухов С. Б. Скальные основания гидротехнических сооружений. М., 1975.

46.Флорин В. А. Основы механики грунтов. М.— Л., 1959, 1961, т. I, II.

47.Цытович Н. А. Механика грунтов. 4-е изд М., 1963.

48.Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). 3-изд., доп. М., 1979.

49.Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.,

1973.

50.Цытович Н. А. Расчет осадок фундаментов. Л., 1940.

51.Biot М. A. Theory of folding of stratified visco-elastic media and its impli­ cation in tectonics and orogenesis.— Geol. Soc. Am. Bull. vol. 72, N. 11, 1961.

52.Burger H. Die gebigsdruckhypothesen fiir elastische Gesteine und ihre Anvendungsmoglichkeiten im Bergbon. «Koil und Steinsols», 1954, No. 10/20.

53.Gibson R. F. Name G. M. Proceedings of the IV-e ICSMFE Rep. 3 a/p.

London 1977.

54. Mindlin R. D. Stress distribution around a tunnel. Proc. ASCE. vol. 65, No. 4, 1935, pp. 619-642.

55.Nadai A. Theory of Flow and Fracture of Solids, v. I, 1950, v. II, 1963, New York-London. McGraw-Hill Book Company.

56.Novais Ferreira H. Horta da Silva I. A. Note on expansive soils. Their re­

cognition and the forcasting of their behaviour. Proc. 8th ICSMFE, Moscow, 1973. 57. Rendulic L. Der hydrodynamische spannungsanmgleich in tential Entrrias-

serten Tanzylmdreans. Wasserwirtschaft und technik, vol. 2, 1935.

Summaries of the Chapters

Preface

The present work on applied geomechanics i'n construction is the first of its kind (as set forth here) in the Soviet and international engineering literature on the subject and is based on generalizations of various sources in the special lite­ rature, as well as, and mainly, on results of investigations conducted during the last decade under the supervision of Prof. Tsytovich in the Moscow Civil Engineer­ ing Institute. These investigations dealt with fissured-block rock mechanics, and mechanics of multiphase and structurally unstable soils and organomineral masses.

Introduction

As a science, geomechanics deals with a quantitative analysis of the mechani­ cal processes that occur in the earth'scrust due to the action of natural mass forces and to human activities, and with the influence of these processes on structures (chiefly of the large-scale type).

Geomechanics theory is based on the integrated application of various subjects in general and applied mechanics. Taken as the theoretical fundamentals of geo­ mechanics are known laws and the differential equations in the mechanics of con­ tinuous deformable media and, in addition, physical equations of state, differing for the different types of rock and providing closed systems of equations for solv­ ing the prooblems that arise in this field.

In conclusion, the principal scientific branches of geomechanics are listed and briefly described. They include: globad and regional geodynamics, hydrogeomecha­ nics and applied geomechanics in construction.

C h a p t e r 1

Present-Day Problems of Applied Geomechanics in Construction

This chapter sets forth up-to-date problems in the geomechanics of constructi­ on on the basis of an analysis of experimental data on the geomechanical proces­ ses that occur in the geomechanical environment.

A classification of present-day geomechanical processes is given, together with an assessment of the part they play in constructional engineering practice, taking into account1the interaction of natural processes and those due to human activities.

The basic problems of applied geomechanics in construction are considered, as well as their formulation and methods by which they can be solved. Criteria are given for evaluating the transient and long-term stability of rock massifs subjecl to the action of surface and body forces.

C h a p t e r 2

Theoretical Basis and Fundamental Principles

of Applied Geomechanics

The principal equations of the mechanics of continuous deformable media serve as the theoretical foundation for applied geomechanics. They include: equations of equilibrium, geometric relationships between deformations and displacements