Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Гидротехнические сооружения arrow П 55-90 Методика составления геоструктурных схем (моделей) скальных массивов в основаниях гидросоору  
20.08.2018
    
П 55-90 Методика составления геоструктурных схем (моделей) скальных массивов в основаниях гидросоору

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВТЕХСТРОЙ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ
имени Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА

МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ
ГЕОСТРУКТУРНЫХ СХЕМ (МОДЕЛЕЙ)
СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ В ОСНОВАНИЯХ
ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

ПОСОБИЕ К СНиП 2.02.02-85

П 55-90
ВНИИГ

ЛЕНИНГРАД. 1991

Работа содержит методику (и ее обоснование) выделения в скальном массиве объемных инженерно-геологических элементов, а также примеры построения геоструктурных схем (моделей) оснований сооружений.

Методика базируется на представлениях о трещиноватых скальных породах в массивах, служащих основаниями или средой размещения крупных инженерных сооружений, в общем случае как о дискретной, неоднородной и анизотропной среде зонально-блочного строения. При этом учитывается, что изменчивость минерального состава, структуры, текстуры, состояния и свойств пород определяется их генезисом, историей и закономерностями формирования, развития и дезинтеграции горных пород во времени.

Методика составлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и предназначена для инженеров-геологов, геомехаников, гидрогеологов, геофизиков, проектировщиков, занимающихся обоснованием гидротехнического, гражданского и шахтного строительств.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование и строительство крупных инженерных сооружений, в том числе гидротехнических (энергетического, транспортного, водохозяйственного и ирригационного назначения), особенно в горных районах с повышенной сейсмической активностью и сложным геологическим строением, требуют надежного инженерно-геологического обоснования проектных решений, базирующихся на расчетах прочности и устойчивости системы сооружение-основание. Для проведения расчетов или физического моделирования этих систем необходима инженерно-геологическая схема (модель) основания, содержащая информацию о структуре массива (геоструктурная модель) и физико-механических свойствах среды (модели свойств) с соответствующей для расчетов и экспериментов степенью упрощения (схематизации), но без нарушения принципиальных особенностей среды.

Геоструктурная модель основания отражает состав, структуру и состояние массива. По форме она представляет собой систему разрезов и карт, на которых выделены контуры квазиоднородных инженерно-геологических элементов. Геоструктурная модель составляется на основе результатов инженерно-геологических изысканий и исследований скальных массивов комплексом методов: геолого-съемочных, геофизических, горно-буровых, полевых и лабораторных исследований состава и свойств пород. Представляется, что в программе инженерно-геологических изысканий необходимо предусматривать целенаправленные геоструктурные исследования для участков основных сооружений, обеспечивающие составление с требуемой детальностью расчетных схем и моделей систем основание-сооружение.

В настоящее время общепризнано, что любой скальный массив как основание инженерного сооружения (будучи расчлененным нарушениями сплошности разного генезиса, в том числе экзогенными трещинами выветривания и разгрузки) - в общем случае дискретная, неоднородная и анизотропная среда зонально-блочного строения. Концепция о зонально-блочном строении скальных массивов разрабатывалась одним из старейших инженеров-геологов нашей страны А.М. Гуреевым, начиная с шестидесятых годов [18 - 22]. Под его руководством созданы геоструктурные модели оснований: Кассебской (Тунис), Токтогульской, Красноярской, Ингурской, Саяно-Шушенской, Могилев-Подольской, Нурекской ГЭС, Стрыйского гидроузла и др. Подавляющая часть этих разработок в виде фондовых материалов использовалась для расчетов и экспериментального моделирования, в частности, на уникальной большой геомеханической модели скального основания арочной плотины Ингури ГЭС в масштабе 1:150. Эта модель, созданная и исследованная во ВНИИГе канд. техн. наук Антоновым С.С. на геоструктурной основе (А.М. Гуреев, И.С. Брюн), была сложена из прямоугольных и треугольных призматических блоков двенадцати типоразмеров, число которых превышало 300 тысяч. Однако все эти разработки ВНИИГа по методике геоструктурного моделирования до настоящего времени не были обобщены и изданы в виде нормативно-методического документа.

В последние годы во ВНИИГе были разработаны модели оснований и выполнены модельные исследования надежности систем основание-сооружение для важнейших отечественных гидроузлов, в том числе: Рогунского, Колымского, Бурейского, Богучанского, Тельмамского и др. (В.С. Владимирский, Н.М. Карпов, А.А. Никитин и др.). О некоторых из них сказано в Приложении 6 настоящей Методики.

Параллельно с работами ВНИИГа инженерно-геологическое моделирование скальных массивов развивалось другими исследователями в нашей стране (А.А. Варга, В.В. Каякин, А.В. Количко, А.Г. Лыкошин, Л.С. Мирошникова, Н.Ф. Новиков, И.А. Пирогов, М.В. Рац, С.Б. Ухов, С.Н. Чернышев и др.) и за рубежом (Л. Мюллер, Ф. Пахер, Дж. Стини, У. Крамбейн и Ф. Грейбилл и др.).

Настоящая Методика подготовлена в лаборатории инженерной геологии и геокриологии А.М. Гуреевым, О.К. Воронковым, И.С. Брюном, В.С. Владимирским.

Научное редактирование выполнено Д.Д. Сапегиным и Н.Ф. Кривоноговой.

При составлении Методики были учтены замечания и предложения ряда организаций: Гидропроекта им. С.Я. Жука, ЛГТУ, Ленгидропроекта, а также специалистов ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Авторы благодарят А.А. Варгу, Н.М. Карпова, Н.Ф. Кривоногову, А.П. Митрофанова, И.А. Пирогова, Д.Д. Сапегина, способствовавших своими советами и помощью выполнению данной работы.

Замечания и пожелания просьба направлять в адрес ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева - 195220, Ленинград, Гжатская ул., 21, лаборатория инженерной геологии и геокриологии.

Министерство энергетики и электрификации СССР

Методика составления геоструктурных схем (моделей) скальных массивов в основаниях гидросооружений

П 55-90

ВНИИГ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящей Методикой целесообразно руководствоваться при составлении геоструктурных моделей (ГСМ) скальных массивов как основы для построения частных (специализированных) моделей их физико-механических свойств (деформационных, прочностных, фильтрационных и т.д.). Комплекс ГСМ и специализированных моделей образует инженерно-геологическую модель скального основания (рис. 1) (по [49] с дополнениями). Методику можно использовать также: а) при обработке, интерпретации и обобщении материалов изысканий и исследований скальных и полускальных оснований плотин, туннелей, камер подземных ГЭС и т.д.; б) при составлении расчетных схем работы системы сооружение-основание; в) при разработке проектов физических моделей основания (геомеханических, гидравлических, фильтрационных); г) при разработке проектов специальных видов исследований массива: геофизических, геомеханических, опытно-фильтрационных и др.

Рис. 1. Принципиальная схема инженерно-геологической модели основания гидротехнического сооружения.

Внесена Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники им. Б.Е. Веденеева

Утверждена ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева решением № 21
от 6 ноября 1990 г.

Срок введения III кв. 1991 г.

Примечания: 1. Основные положения методики составления ГСМ скальных массивов в основаниях гидросооружений применимы для инженерно-геологического обоснования проектов любых крупных инженерных сооружений.

2. При пользовании положениями настоящей Методики следует также соблюдать требования СНиП на проектирование оснований сооружений (2.02.02-85, II-7-81), на инженерные изыскания (1.02.07-87), ГОСТ 20522-75, 25100-82 и других общесоюзных и ведомственных нормативно-методических документов, относящихся к вопросу инженерно-геологического изучения скальных оснований сооружений и массивов.

3. Рис. 1 содержит необходимый перечень инженерно-геологических аспектов изучения скального основания и последовательность анализа материалов изысканий. Приведенный здесь набор частных моделей не является обязательным во всех случаях. Как правило, для решения основных задач проектирования достаточно ограничиться моделями деформационных, прочностных и фильтрационных характеристик свойств.

Основные понятия, принятая терминология, условные обозначения и единицы измерения

1.2. Геоструктурная модель (ГСМ) характеризует пространственное распределение (в том числе: условия залегания, структурно-петрологические особенности, структурно-тектонические и стратиграфические взаимоотношения) инженерно-геологических элементов массива - однородных или квазиоднородных по своим физическим свойствам.

Инженерно-геологический элемент (ИГЭ) - некоторый объем грунта одного и того же номенклатурного вида при выполнении одного из условий: 1) характеристики грунта изменяются в пределах ИГЭ незакономерно; 2) существующая закономерность в изменении характеристик такова, что ею можно пренебречь (ГОСТ 20522-75).

В качестве инженерно-геологических элементов скального основания (на разных масштабах изучения) могут выступать:

а) структурно-петрологические зоны (СПЗ) и блоки (СПБ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу и строению);

б) инженерно-геологические зоны (ИГЗ) и блоки (ИГБ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу, строению, состоянию и свойствам пород в массиве);

в) элементарные породные блоки (ЭПБ) и разделяющие их элементарные зоны ослабления или трещины (ЭПЗ) (каждый из этих элементов квазиоднороден по составу, строению, состоянию, а их свойства идентичны свойствам образцов ненарушенного сложения, находящихся в одинаковом напряженном состоянии с ЭПБ и ЭПЗ в массиве).

Литолого-структурные элементы массива

Слоек - элементарная единица слоистости горной породы, литологически однороден; мощность Н = (10-4 ¸ 10-2) м.

Прослой (прослоек) - тонкий слой, заключенный между основными слоями; может подразделяться на слойки; литологически однороден; Н = (10-3 ¸ 10-2) м.

Слой - тело плоской формы, однородное по литологическим особенностям; подразделяется на прослои; Н = (10-2 ¸ 1) м.

Пласт - геологическое тело плоской формы, мощность которого во много раз меньше линейных размеров площади его распространения, а в подошве и кровле его развиты трещины напластования. Обычно литологически однороден и может состоять из слоев и прослоев; блокообразующими трещинами пласт расчленен на ЭПБ; Н = (10-1 ¸ 10) м.

Пакет пластов - совокупность пластов осадочных или метаморфических парапород, однотипных по составу, ограниченных разрывами или прослоями другого состава; Н = (1 ¸ 10) м.

Пачка слоистых пород - ограниченная прослоями совокупность однородных слоев, характеризующихся общностью фациально-литологических признаков; Н = (1 ¸ 10) м.

Комплексы магматических пород и ортопород - совокупность сменяющих друг друга разновидностей пород, связанных общностью происхождения и различающихся по текстурным и структурным особенностям; разделяются на пакеты пластов; Н = (10 ¸ 103) м.

Свита слоистых или расслоенных метаморфических пород - совокупность пород, выделяемых по фациально-литологическим признакам; имеет четкие стратиграфическое и географическое наименования; может подразделяться на подсвиты или пачки однотипных пород, ритмы разного масштаба флишоидного или флишевого типа; Н = (10 ¸ 103) м.

Расслоенность толщ магматических пород и метаморфических ортопород - чередование в разрезе различных по минеральному составу, структуре, текстуре пород, вызванное различными процессами дифференциации магмы; Н = (10-1 ¸ 102) м.

Слоистость толщ осадочных пород и метаморфических парапород - чередование в разрезе слоев различной мощности, параллельных друг другу; различают: градационную, ритмичную, флишоидную, флишевую и др.; Н = (10-2 ¸ 1) м.

Толща пород - совокупность одного или нескольких генетических типов пород, характеризующихся некоторой общностью входящих в нее пород (в частности, фациальным единством) или характером их чередования в разрезе; Н = (102 ¸ 103) м. С прочими терминами, встречающимися в Методике, при необходимости можно ознакомиться по справочникам и словарям [14, 15, 70].

1.3. В Методике используются следующие физические величины:

Н - мощность (слоя, пласта, пачки и др.),м;

х, у, z - координаты пространства: z - вертикальный компонент; у - горизонтальный (запад-восток); х - горизонтальный (север-юг);

s - напряжение и его составляющие: sz - вертикальная, sг min - горизонтальная (минимальное значение), sг max - горизонтальная (максимальное значение);

апр - азимут простирания, град;

a - азимут падения, град;

b - угол падения, град;

а - расстояние (шаг) между параллельными трещинами одной системы, см, м;

Dа - ширина раскрытия трещины, мм, см;

L - длина трещины, см, м;

DL - длина «мостиков» (целиков) между концами параллельных и кулисных трещин, м;

aв - «угол встречи» (угол между направлением разреза и простиранием системы трещин), град;

V - объем блока, м3;

F - площадь, м2;

Ктп - коэффициент трещинной пористости (пустотности), площадной, %;

n - общая пористость, %;

nмин - пористость минералов, %;

nзакр - пористость закрытая, %;

nоткр - пористость открытая, сообщающаяся, %;

a* - угол наклона выступов неровностей стенок трещины, град;

l - длина волны (расстояние между соседними выступами) неровностей стенок трещины, см, м;

h - высота выступов неровностей, мм, см;

Ф - фракционный состав блоков (ЭПБ), %;

d10 - диаметр ЭПБ по кривой обеспеченности при вероятности Р = 10 %, дм, м;

d60 - то же при Р = 60 %, дм, м;

Kн = d60/d10 - коэффициент неоднородности фракционного состава ЭПБ;

W - влажность породы (весовая), %;

g - объемный вес породы, Н/м3;

dмин - истинная плотность (минеральная) породы, кг/м3;

d - плотность породы, кг/м3;

dс - плотность сухой породы, кг/м3;

Квыв - степень выветрелости (отношение плотности выветрелой и невыветрелой пород);

Кв - коэффициент водонасыщения породы, %;

Кр - коэффициент размокания (размягчаемости) породы, %;

Кф - коэффициент фильтрации, м/сут;

q - удельное водопоглощение, л/мин;

Rсж, Rск, Rp, Rнаг - временное сопротивление пород соответственно: сжатию, скалыванию, растяжению, изгибу, МПа;

Е - модуль упругости породы: Ес - статический, Ед - динамический, МПа;

Е0 - статический модуль общей деформации, МПа;

Ко - статический коэффициент отпора, МПа/м;

m - коэффициент Пуассона: mс - статический, mд - динамический;

j - угол внутреннего трения пород, град;

С - сцепление пород, МПа;

vp, vs - скорость распространения продольной (Р) и поперечной (S) волн, км/с;

RQD - отношение общей длины сохранных кусков керна длиной более 10 см к длине пробуренного интервала в скважине, %;

Р = rвп/rв - относительное электрическое сопротивление породы, где rвп - удельное электрическое сопротивление водонасыщенной породы, rв - то же воды, Ом×м.

1.4. Геоструктурные схемы (модели) скальных массивов должны составляться на основе анализа и обобщения результатов инженерно-геологических изысканий и исследований, включающих комплекс геолого-съемочных и горно-буровых работ, геофизических, гидрогеологических и геомеханических исследований (полевых и лабораторных).

Термины «схема» и «модель» имеют близкое смысловое значение (как итоговая форма обобщения материалов изысканий и исследований на разных этапах проектирования), но разные оттенки достоверности. На начальной стадии изучения массива (предпроектная документация: схема использования реки и технико-экономическое обоснование ТЭО) предпочтительно употребление термина «схема», а на стадиях «проекта (рабочего проекта)» и «рабочей документации» - термина «модель». При рассмотрении методических вопросов схематизации допустимо употребление терминов «схема» и «модель» как синонимов.

1.5. Геоструктурные модели должны качественно и количественно характеризовать особенности геологического строения и горную геометрию скального массива для обеспечения возможности систематизировать результаты полевых и лабораторных исследований свойств пород и распространить нормативные (расчетные) значения показателей этих свойств на его объемные элементы, квазиоднородные по составу, строению и состоянию. Таким образом, ГСМ должна служить основой для составления специализированных моделей характеристик свойств. Подробность ГСМ должна быть выше, чем специализированных моделей свойств, и не вся информация, содержащаяся в ГСМ, используется в дальнейшем в специализированных моделях (например, стратиграфические и литолого-петрологические особенности). Тем не менее эта «излишняя», более подробная информация необходима и служит обосновывающим материалом для выделения ИГЭ.

В связи с тем, что разные свойства массива контролируются различными наборами геологических параметров с различной шкалой их относительной значимости, схемы (модели) по деформационным, прочностным, фильтрационным и другим свойствам существенно отличаются друг от друга (по конфигурации квазиоднородных элементов), несмотря на то что в своей основе они имеют единую ГСМ.

1.6. Формой представления геоструктурной модели массива является комплект документации: масштабные карты, разрезы и срезы массива, а также вспомогательный, графический и табличный материал. В частности, ГСМ должна включать в себя:

а) сводный литолого-стратиграфический разрез (колонка в масштабе 1:50 - 1:100), на основе которого послойно систематизируются и обобщаются характеристики трещиноватости, блочности и физико-механических свойств;

б) вертикальные геологические разрезы, построенные в неискаженном масштабе, по характерным и нужным для проектных расчетов сечениям массива. На разрезах показывают контуры квазиоднородных структурно-петрологических, структурно-тектонических и инженерно-геологических элементов массива, а также средние значения и диапазон изменения параметров трещиноватости, блочности и характеристик свойств. Минимальное число разноориентированных разрезов 6: три - вдоль реки (левый и правый берега, русло) и три поперечника. Желательно совпадение разрезов с геофизическими линиями разведки;

в) карты-срезы на разных отметках, содержащие контуры структурно-геологических элементов, средние значения параметров трещиноватости, блочности и характеристик свойств;

г) пояснительную записку, включающую таблицы, графический материал и общую оценку структурно-петрологических и структурно-тектонических особенностей основания с выделением тех из них, которые могут вызвать осложнения при строительстве и эксплуатации сооружения и поэтому требуют специального изучения.

1.7. Отображение структурно-геологических элементов на разрезах и картах-срезах позволяет наглядно (качественно, без численных оценок) характеризовать неоднородность, анизотропность и дискретность массива (табл. 1).

Таблица 1

Классификация пород и массивов по однородности и изотропности (по П.Н. Панюкову с дополнениями)

Породы или массивы

Однородные

Неоднородные и дискретные *

Изотропные

Характеристики свойств породы не зависят от направления и координат точки опробования

Характеристики свойств пород не зависят от направления, но зависят от координат точки опробования

Анизотропные

Характеристики свойств пород зависят от направления, но в любом заданном направлении остаются неизменными

Характеристики свойств пород зависят от направления и координат точки опробования

* Дискретная среда - неоднородная, с резкими изменениями характеристик свойств в соседних структурных элементах, в частности, сложенная из отдельностей, не связанных между собой значительными силами сцепления. Сцепление отдельностей на один - два порядка меньше сцепления той же породы в монолитном образце. Примеры дискретных сред - зернистая и блочная среды. Дискретность среды по одной из характеристик свойств не всегда сопровождается дискретностью среды по другим характеристикам.

Неоднородность массива в той или иной степени связана с факторами различного генезиса, возраста, условиями залегания, литолого-петрологическим составом, структурой, текстурой, слоистостью, блочностью, трещиноватостью, естественным напряженным состоянием, заполнителем трещин и пор, выветриванием и другими.

Количественная оценка неоднородности массива выполняется обычно путем статистической обработки характеристик строения (средний объем блоков, их фракционный состав) или свойств (упругие, деформационные, прочностные, фильтрационные и др.) на основе известных критериев по среднеквадратичному отклонению, коэффициенту вариации (изменчивости), отношению квартилей. Следует иметь в виду, что количественные оценки неоднородности массива по разным характеристикам строения и свойств могут не совпадать, поскольку влияние неоднородности на каждую из этих характеристик различно.

Применением методов инженерной сейсмики в широком диапазоне частот (от единиц герц до сотен килогерц) можно оценить неоднородность массива на разных базах и выделить характерные для него размеры неоднородностей [44, 67].

Зависимость характеристик строения от размеров области опробования (масштабный эффект) вынуждает при оценке неоднородности массива как основания (или среды размещения) инженерного сооружения акцентировать внимание на элементах неоднородности, соизмеримых с конструктивными или технологическими элементами сооружений (секций, блоков бетонирования и т.д.), т.е. базах порядка 5 - 10 м и более.

Геологической причиной анизотропии массива является упорядоченная (ориентированная) неоднородность его структурных элементов, связанная с преобладающим направлением трещиноватости, со слоистостью и сланцеватостью пород. Анизотропию массива или его частей обычно оценивают коэффициентом анизотропии Ка = Xmax/Xmin, где Хmах, Хmin - соответственно большая и малая полуось эллипса анизотропии каждой характеристики строения или свойств. Значение Ка одного и того же элемента массива, вычисленное по разным характеристикам свойств, может отличаться. Кроме того, Ка зависит от размеров области опробования массива.

Для количественной оценки анизотропии массивов наиболее перспективны геофизические методы, в частности, сейсмические [44, 63, 67].

При проектировании гидротехнических сооружений основание можно считать изотропным по деформируемости и прочности, если значение Ка < 1,5 (СНиП 2.02.02-85). Это примерно соответствует Ka (vp) < 1,22 (по скорости распространения продольной волны) в неводонасыщенном массиве.

1.8. Геоструктурные схемы (модели) скальных массивов должны составляться на каждом этапе проектирования с нарастающей подробностью и обоснованностью в соответствии с рекомендуемым масштабом чертежей:

а) исходная схема масштаба 1:25000 - 1:10000 (предпроектная документация, схема использования реки);

б) предварительная схема масштаба 1:10000 - 1:1000 (предпроектная документация, ТЭО);

в) основная модель масштаба 1:1000 - 1:600 (проект);

г) уточненная модель масштаба 1:1000 - 1:500 (рабочая документация);

д) расчетные модели склонов, откосов и др. масштаба 1:500 - 1:200 и крупнее (решение конкретных задач строительства и эксплуатации сооружений).

Предварительные схемы рекомендуется составлять в основном на материале геолого-съемочных и геофизических работ (в условиях ограниченного объема бурения). На основе этих схем разрабатывается программа дальнейших изысканий с применением всего комплекса работ согласно п. 1.4. Построение геоструктурных моделей на всех этапах проектирования базируется на материалах комплекса инженерно-геологических изысканий, основными задачами которых по-прежнему остаются: составление инженерно-геологической карты и разрезов, оценка свойств и состояния массива, прогноз взаимодействия его с сооружением, составление инженерно-геологических рекомендаций по выбору основных проектных решений и др.

2. СКАЛЬНЫЕ МАССИВЫ КАК ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ СРЕДА

2.1. При составлении геоструктурных моделей скальных массивов следует изучать и анализировать условия закономерного развития основных особенностей их строения как естественно-исторических образований. Одновременно необходимо выявлять и учитывать инженерное значение особенностей строения массивов как геомеханической среды, служащей основанием гидротехнических сооружений, особенно высоконапорных бетонных плотин (см. Приложения 1 - 5).

2.2. Практически все естественные скальные массивы трещиноваты. Неравномерность развития трещин в массивах определяется многими факторами, в частности, неоднородностью и анизотропностью структуры, текстуры пород, элементов залегания и физико-механических свойств литолого-петрологических разновидностей пород, слагающих различные прослои, слои, пакеты, комплексы, толщи. При тектонических деформациях слои и прослои относительно слабых по прочности и повышенно деформируемых пород являются первичными зонами (первого рода) местного ослабления массива. Такие зоны с линейно-плоскостной формой развития способствуют проскальзыванию пластов по напластованию. Это проскальзывание нередко переходит в межформационные срывы, а местами - в тектонические нарушения, преимущественно согласные со складчатостью и сопровождаемые оперяющими трещинами.

2.3. В каждом скальном массиве присутствует пространственная неравномерная сеть тектонических разрывных нарушений и трещин разных размеров, играющих роль зон местной деконцентрации естественных напряжений, повышения водопроницаемости, уменьшения характеристик прочностных и деформационных свойств массива.

Такие зоны вторичного (второго рода), местного ослабления и ухудшения свойств массива характеризуются обычно линейно-плоскостной формой развития, а располагающиеся в ячеях этой сети блоки скальных пород имеют различные размеры, форму и ориентацию. Такое, повсеместно проявляющееся в массивах любого генезиса, сочетание сети зон относительного ослабления с расположенными в ее ячеях блоками позволяет считать зонально-блочное строение (рис. 2) характерной особенностью массива как геомеханической среды.

Зонально-блочное строение скальных массивов с элементами неоднородности различных порядков является наиболее характерной особенностью структуры верхней части Земной Коры, в том числе в условиях различных типов складок, куполов, жил, даек, структур напластования и др. Наиболее отчетливо оно проявляется как результат суммарного воздействия ряда геологических процессов: тектонических, разгрузки естественных напряжений, выветривания и др. Вместе с тем необходимо отметить, что концепция зонально-блочного строения не всегда полностью отражает сложную картину пространственной изменчивости геологических факторов и их параметров, как, например, в случае периодического повторения в распределении трещинных параметров и некоторых других. Таким образом, зонально-блочная модель учитывает в основном разрывные и слоистые структуры, но недоучитывает особенности складчатых, инъективных структур и некоторые другие факторы.

Рис. 2. Генетические объемные элементы геоструктурной модели скального массива (а) и схема зонально-блочного строения скального массива (б).

2.4. Системные мелкие и общие трещины (VII - IX порядков) - ЭПЗ различной ориентации ограниченных размеров с ничтожной амплитудой смещений - образуют пространственную сравнительно равномерную сеть, в ячеях которой находятся свободные от визуально различимых трещин элементарные породные блоки (ЭПБ). Их линейные размеры обычно дециметры - метры.

Сети более протяженных трещин и разрывных смещений высоких (VI - IV) порядков будут иметь более крупные размеры ячей, стороны которых измеряются десятками и сотнями метров (соответственно порядкам масштабной классификации тектонических разрывных смещений и трещин - см. Приложение 1), а находящиеся в них блоки сложены скальными породами, расчлененными системными трещинами. Квазиоднородность таких крупных блоков по всем признакам геологического строения возрастает по мере уменьшения их объема.

2.5. По мере выхода скальных горных пород на дневную поверхность они подвергаются разрушающему воздействию комплекса экзогенных и эндогенных процессов: разгрузке естественных напряжений и, как следствие, расширению старых и появлению новых трещин; физическому и химическому выветриванию; денудации; обрушению вследствие сейсмических процессов и т.д. Влияние всех этих процессов на массивы приводит к существенному изменению их физико-механических свойств, которое, идет избирательно и зависит от состава пород, структуры массива, климата, форм и порядка рельефа и др. Это обусловливает вертикальную зональность скальных массивов по состоянию или степени сохранности образующих их скальных пород в виде четырех подзон:

А - очень сильного влияния разгрузки и выветривания с дезинтеграцией пород до элювия;

Б, В, Г - соответственно сильного, среднего и слабого влияний этих процессов.

Общая мощность зоны влияния перечисленного комплекса экзогенных процессов измеряется десятками метров (иногда 100 м и более). Породы подзон А и Б обычно удаляются из основания крупных сооружений, а породы подзоны В, как правило, используются в качестве их оснований, частично укрепленных инженерными мероприятиями.

2.6. Приведенные выше основные особенности геологического строения характерны для всех скальных массивов как естественно-исторических образований. В конкретных массивах эти особенности проявляются по-разному в зависимости от генезиса, возраста и условий развития слагающих их горных пород во времени вплоть до дезинтеграции и денудации. Эти же особенности обусловливают необходимость рассматривать скальные массивы как дискретную неоднородную анизотропную среду зонально-блочного строения с двумя основными случаями симметрии:

а) гексагональной или трансверсальной (осесимметричная анизотропия); сюда относится большая часть скальных массивов, сложенных слоистыми или сланцеватыми осадочными породами и частично - рассланцованными и трещиноватыми метаморфическими и изверженными породами;

б) ортотропной; сюда относятся скальные массивы, сложенные интрузивными и глубокометаморфизованными нерасслоенными породами с четко выраженными ортогональными системами трещин и различной их частотой по ортогональным направлениям.

2.7. Поведение скального массива как геомеханической среды (основания или среды размещения сооружения) зависит от его естественного напряженного состояния, которое обусловливается гравитацией, тектоникой, эрозией и зависит от масштабного фактора. Зонально-блочное строение массива влияет на конфигурацию, структуру поля естественных напряжений, локальные зоны концентрации и деконцентрации напряжений, причем в зонах ослабления (разломы, крупные трещины и т.д.) массива вертикальная sz и горизонтальная sг составляющие естественного поля напряжений существенно отличаются от значений, получаемых в соответствии с гипотезой А. Гейма:

sz = gH; sг » sz

и с гипотезой А. Динника - К. Терцаги:

2.8. Скальный массив как геомеханическая среда наряду с геоструктурной моделью должен иметь следующие основные характеристики свойств и состояния:

в массиве: Ес, Е0, mс, Ко, Ед, mд, tgj, С; Кф, q; sг min, sг max, sz, Кa (по разным характеристикам);

в образце: gмин, d, п, nоткр; Rсж, Rp, Кp; Kвыв; Ед, Ес, mд, mc; Ка (по разным характеристикам).

В ряде случаев необходимо также определение других характеристик свойств и состояния.

Геомеханические характеристики скальных пород в образце и массиве различны. Показатели свойств образца скальной породы, как правило, близки к характеристикам монолитных частей массива - ЭПБ - при сравнении их в идентичном состоянии (обводненность, напряженное состояние).

Справочные данные о геомеханических характеристиках скальных пород и массивов помещены в Приложениях 3, 4.

2.9. Руководствуясь изложенными выше особенностями скального массива как геомеханической среды, необходимо учитывать, что расчетная схема может зависеть также от типа инженерного сооружения и расчетной величины нагрузки на основание. Для сравнительно легких инженерных сооружений (s £ 1 МПа) скальное основание зонально-блочного строения зачастую может рассматриваться как квазиоднородное линейно-деформируемое или упругопластичное полупространство (либо слой на полупространстве) с заданными по материалам изысканий интегральными расчетными характеристиками. Для крупных инженерных сооружений с большими напряжениями в основании тот же массив следует рассматривать как неоднородную, зонально-блочную среду с разными типами связи блоков [42]: «агрегатным», «кирпичной кладки», «вразбежку», «плотным» (рис. 3). При возведении бетонных плотин с блоками бетонирования площадью от нескольких десятков до нескольких сотен квадратных метров это означает выделение элементов неоднородности с линейными размерами не менее 5 - 10 м.

Блочный массив можно считать квазисплошной геомеханической средой в отношении деформируемости (например, по модулю деформации) на базе D, м, если выполняется критерий С.Б. Ухова:

где dЭПБ - линейный размер ЭПБ, м; D - заданная точность определения среднего значения E0, %.

Например, при D = 10 % значение D > 11dЭПБ, т.е. линейные размеры области опробования и ЭПБ различаются приблизительно на порядок.

Индивидуального учета при расчетах устойчивости береговых примыканий плотин, деформируемости и прочности системы плотина - основание и т.д. требуют структурно-петрологические зоны тектонического происхождения (разломы II - IV порядков, особенно сейсмогенные), а также крупные трещины V порядка. При этом первостепенное значение имеет учет ориентации плоскости сместителя разрывного нарушения относительно оси водоподпорного сооружения, а также плоскости склона при оценке устойчивости береговых примыканий и т.д.

Рис. 3. Форма связи блоков в массиве (а) и классификация их форм (б) (по Л. Мюллеру [42] с дополнениями).

3. КВАЗИОДНОРОДНЫЕ ОБЪЕМНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ

3.1. Если некоторый объем массива Vм включает в себя ряд элементов неоднородности, объем Vн каждой из которых много меньше, чем Vм, то последний можно считать квазиоднородным по одному или нескольким признакам. Например, монопородный одновозрастный массив одного генезиса и единого строения без крупных структурных нарушений, находящийся в одном состоянии (по степени выветрелости, напряженному состоянию и заполнителю трещин), может целиком рассматриваться как квазиоднородный (если Vм >> Vн). Очевидно, что такое сочетание мало вероятно. Наличие в массиве разновозрастных пород различного состава, строения, состояния при всевозможных сочетаниях приводит к необходимости расчленения массива на множество квазиоднородных элементов с объемами Vм1, Vм2, …, Vмn (при прежнем условии: Vмi >> Vн).

3.2. В основе выделения контуров квазиоднородных элементов массива на ГСМ лежат следующие принципы:

- контуры квазиоднородных элементов должны совпадать с основными геологическими границами: стратиграфическими, литолого-петрологическими и тектоническими контактами;

- контуры квазиоднородных элементов должны совпадать с границами подзон А, Б, В, Г различной степени выветривания и разгрузки естественного напряженного состояния массива;

- контуры квазиоднородных элементов должны совпадать с резкими температурно-влажностными границами раздела:

а) сухих пород в зоне аэрации; б) водонасыщенных пород ниже уровня подземных вод;

- контуры квазиоднородных элементов и размеры последних должны учитывать площади конструктивных и технологических элементов проектируемого сооружения. Применительно к секции крупной бетонной плотины это означает (см. п. 1.6), что квазиоднородный элемент с максимальным (из трех) линейным размером менее 10 м может не выделяться, а значит может быть объединен с соседними.

3.3. В процессе инженерно-геологических изысканий рекомендуется производить постадийно уточняемое районирование изучаемой территории, выделение границ квазиоднородных элементов-блоков и зон последовательно уменьшающегося объема, а именно: структурно-тектонических, структурно-петрологических и инженерно-геологических.

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: