книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве
..pdfчто подробно рассматривается в разделе, посвященном механике скальных пород.
Здесь же отметим, что рассматриваемый раздел геомеханики имеет огромное значение для всех видов крупномасштабного стро ительства (гидротехнического, промышленного, высотного, подзем ного и других видов, развитых в плане и передающих на скальное основание значительные нагрузки) и необходим для прогнозов ус тойчивости крупных массивов скальных пород в горнодобывающей промышленности.
Механика однофазных, двухфазных и многофазных грунтов рас сматривает природные грунты, т. е. рыхлые горные породы коры выветривания литосферы (каменной оболочки Земли), состоящие
из взаимодействующих твердых (минеральных), жидких |
(водных |
|
и водно-коллоидных) и газообразных (паров |
и газов) частиц, не |
|
связанных или связанных так, что прочность |
внутренних |
связей |
между минеральными частицами во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.
Этому весьма обширному классу пород коры выветривания лито сферы посвящается ряд разделов общей механики грунтов: 1) од нофазным породам (пески и другие сыпучие материалы) — механи ка сыпучих сред; 2) двухфазным (состоящим из минеральных ча стиц и поровой воды, полностью заполняющей «их пустоты, так на зываемые грунтовые массы) — механика грунтовой массы; 3) трех фазным (твердые минеральные частицы, вода и газы) — современ ная общая механика трехфазных грунтов (базирующаяся на зако номерностях механики деформируемых сред и теории консолида ции двухфазных грунтов, но с поправками, вносимыми теорией объемных сил с учетом влияния содержащегося в грунте газа, сжи маемости поровой газосодержащей жидкости, ползучести и старе
ния минерального скелета грунта и пр.).
Характерные показатели физических свойств и физического со стояния грунтов и особые (специфические для грунтов как для ры хлых горных пород) закономерности, определяющие поведение их под нагрузкой, т. е. составляющие основу их физических уравне ний, необходимо рассматривать как обязательные добавочные за висимости к закономерностям механики сплошных сред, позволя ющие построить систему замкнутых уравнении для решения задач геомеханики каждого вида грунтов.
Механика органо-минеральных и органических масс, т. е. грун тов, содержащих значительное (более 10%) количество органиче ских веществ и, как правило, водонасыщенных и слабых, находя щихся в незаконченной фазе их природного формирования (илов, торфов, сапропелей и пр.), необходима для оценки механических свойств и механических процессов, протекающих в этих массах под действием природных факторов и деятельности людей. Здесь сле дует указать, что добавочным к отмеченным выше закономернос тям сплошных сред и многофазных грунтов будет уравнение мине рализации во времени этих пород и зависимость минерализации от природных и антропогенных факторов, что необходимо учитывать
при составлении физических уравнений. Без правильного решения проблем механики органо-минеральных и органических масс невоз можно устойчивое и прочное строительство на таких грунтах.
Процессом, завершающим круговорот изменений рыхлых горных пород коры выветривания литосферы и органо-минеральных масс в твердые скальные породы, является процесс их литификации (ока менения), который состоит из уплотнения, консолидации, диагене за, эпигенеза и полного метаморфизма с превращением отложений рыхлых горных пород и сильно сжимаемых органо-минеральных масс в малосжимаемые породы (песчаники, сланцы, перекристаллизованные минеральные образования и пр.), на что требуются ге ологические промежутки времени. Литификацию рыхлых отложе ний можно производить и искусственно (антропогенным путем), применяя хорошо разработанные в настоящее время методы физи ческого упрочнения и уплотнения и химического закрепления этих пород.
Особой ветвью геомеханики является механика горных пород, находящихся в космических условиях. Эту отрасль знаний, только в настоящее время формирующуюся в отдельную науку, можно на звать космомеханикой горных пород. Она изучает механические процессы и свойства горных пород в условиях космоса и космиче ских тел, что имеет весьма отличные особенности по сравнению с земными условиями. Этому вопросу посвящена последняя глава на стоящей работы.
Все перечисленные разделы (части) геомеханики объединяют аналитические методы решения задач по прогнозу механических процессов, протекающих в верхних слоях земной коры, и рассмат ривают их возникновение и развитие под действием как природных (геологических), так и антропогенных (деятельности людей) фак торов.
Общими в этих задачах являются уравнения равновесия и гео метрические соотношения механики сплошных сред, а отличают их физические уравнения состояния, в которых и учитываются особен ности поведения данной разновидности горных пород под нагруз кой, а также сопутствующие факторы.
Основные научные направления в геомеханике. В зависимости от направленности и масштаба геомеханических исследований объ ектов можно отметить следующие, в настоящее время уже офор мившиеся в самостоятельные разделы науки, направления в геоме ханике:, глобальную и региональную.геомеханику (на базе геотек тоники и тектонофизики); гидрогеомеханику; прикладную геоме ханику в строительстве.
Глобальная и региональная геомеханика рассматривает широт кий круг вопросов, связанных с механизмом протекания геомеха нических процессов в верхних слоях земной коры в связи с общеко ровыми движениями (образованием складок, разломов, поднятием и опусканием земной поверхности и пр.). Особая отрасль геофизи ческих наук — геодинамика, на которой базируется глобальная и региональная геомеханика,— посвящена изучению главным образом
глубинных структур и геофизических процессов земной коры под коровых верхних слоев мантии Земли (формирование геологиче ских структур, движение материков, взаимное перемещение гео логических платформ, внутреннее строение Земли и пр.).
Гидрогеомеханика «посвящается совместному и взаимно увя занному рассмотрению закономерностей механики грунтов и филь трации подземных вод применительно к.задачам гидрогеологии и инженерной геологии в рамках одной научной дисциплины» [29].
Основным научным направлением прикладной геомеханики в строительстве, как отмечалось ранее, является разработка методов
количественных прогнозов механических процессов, возникающих в верхних слоях земной коры под влиянием крупномасштабного строительства, а также под действием гравитационных, сейсмиче ских и тектонических процессов, гидродинамических давлений и пр. Основные задачи, стоящие перед прикладной геомеханикой в стро ительстве, подробно рассматриваются в гл. 1 настоящей работы.
Геодинамика (с включением геотектоники и тектонофизики) яв ляется одной из фундаментальных основ общей геологии; гидро геомеханика — теоретической основой гидрогеологии, а общая и при кладная геомеханика не только позволяют разрешать сложные воп росы строительства, но должны использоваться в общей геологии наряду с такими науками, как геофизика и геохимия.
ГЛАВА 1
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
1.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ
Космогонические теории как основа гипотез формирования струк туры земной коры. В результате геологических съемок обширных территорий и изучения строения земных недр для освоения райо нов месторождений и строительства капитальных сооружений во второй половине XIX в. обнаружено чрезвычайно широкое распро странение складок и разрывов в верхних слоях земной коры. Ме ханизм складкообразования и его связь с общим развитием механи ческих процессов в верхних слоях земной коры пытались объяснить контракционной гипотезой развития Земли, которая согласовалась с космогонической гипотезой Канта — Лапласа — Шмидта. По контракционной гипотезе, небесные тела образовались в резуль тате конденсации газов; туманности, образованные этими газами, сгущались и, вращаясь, разделялись на планеты, вращающиеся во круг центральных светил по законам небесной механики. При этом планетарно-вращающиеся тела постепенно охлаждались, сжима лись, сплющивались у полюсов и проходили стадии газообразных,, огненно-жидких или комбинированных сфероидов с твердой оболоч,- кой и расплавленным ядром.
Казалось .бы, на базе этой гипотезы можно было объяснить мно гие механические процессы, происходящие в верхних слоях земной коры вследствие охлаждения и сокращения объема подкоровой нал ети Земли. Однако последующие исследования показали, что такое' объяснение не всегда возможно, так как строение верхних слоев зем ной коры неоднородно и является продуктом сложной многоста дийной геологической эволюции; для объяснения механизма их об разования требуется значительно больше факторов, не охватывае мых контракционной гипотезой.
В связи с этим в XX в. возникла гипотеза, согласно которой пла неты (в том числе Земля) являются скоплением твердых частиц
— космической пыли и метеоритных частиц, которые постепенно разогрелись изнутри благодаря действию сил тяготения и наличию в горных породах радиоактивных излучений. При этом охлаждение
исжатие Земли совершенно необязательно. Наоборот, вероятно
еерасширение со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Вместе с тем попытки объяснить многие процессы в земной коре привели к новым гипотезам и теориям, например: гипотеза о гори зонтальном перемещении (дрейфе) материков (А. Вегенер, 1925);.
В настоящее время опубликована работа, в которой именно в такой постановке рассматриваются основы проблемы инженерного прогнозирования *.
Прикладная геомеханика развивается в двух направлениях. Первое занимается изучением глубинных (эндогенных) процессов и исходит из общих закономерностей формирования верхних слоев земной коры, базируясь на различных гипотезах и достижениях механики деформируемых сред, геофизики, геохимии и других ин женерных наук. Это направление рассматривает ландшафтные из менения как следствие глубинных процессов, т. е. изучает процессы от центра Земли до поверхности. Второе направление занимается изучением механических процессов в самых верхних слоях земной коры (экзогенные процессы), исследуя их как результат одновре менно протекающих глубинных и поверхностных процессов, и ба зируется на достижениях механики грунтов, горных пород и инже нерной геологии.
На характер взаимодействия инженерных сооружений с окру жающей средой существенное влияние могут оказать как эндоген ные, так и экзогенные процессы, которые проявляются по-разному в зависимости от инженерно-геологической обстановки данного ре гиона.
Следовательно, многообразие задач в прикладной геомеханике обусловлено главным образом различной формой инженерного воздействия на внешнюю оболочку Земли, а также строением и со ставом земной коры по глубине и по простиранию.
Очевидно, что в силу сложности взаимодействия геомехайических процессов и инженерных сооружений количественные методы их описания, базирующиеся в основном на аппарате механики де формируемой среды, будут трудными. Успешное решение этой про блемы зависит от правильного понимания механизма процесса, вы деления определяющих факторов и выбора соответствующей рас четной схемы.
1.2.НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ
ИНАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ
зе м н о й к о р ы
Строение земной коры и условия залегания горных пород. Су ществует два основных типа земной коры: материковый и океани ческий (В. В. Белоусов, 1975).
Средняя толщина материковой коры равна 40 км и изменяется в пределах от 20 до 80 км в соответствии с изостатическим принци пом распределения масс. В строении материковой коры обычно вы деляют три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Осадоч ный слой имеет прерывистое распространение, и его мощность ме няется от 0 до 20 км, а средняя толщина равна 3 км. Гранитный
* Цытович Н. А. Доклад на VIII Международном конгрессе по механике грунтов и фундаментостроеиию. — Труды VIII Международного конгресса по ме ханике грунтов и фундаментостроеиию, т. 4. М., 1973.
слой, по сейсмическим данным, характеризуется скоростями про дольных сейсмических волн от 5,0 до 6,5 км/с и сложен на 50% гранитами и на 40% гнейсами и другими метаморфическими поро дами. Мощность гранитного слоя составляет от 8 до 25 км и зави сит от общей мощности коры. Базальтовый слой, называемый так же нижней корой, сложен преимущественно метаморфическими породами.
Океаническая кора отличается от материковой значительно меньшей толщиной — порядка 6—7 км. Если принять среднюю тол щину водного покрова 5 ,км, то подошва океанической коры окажет ся на глубине 11—12 км. Кроме того, океаническая кора отличает ся своим составом. Она лишена гранитного слоя, т. е относительно тонкий осадочный слой мощностью порядка несколько сотен мет ров залегает над базальновым слоем.
Горные породы, развитые в верхних слоях земной коры, дают представление об их химическом и минералогическом составах. О составе более глубоких оболочек Земли можно судить исходя из химического состава метеоритов, полагая, что и метеориты и плане ты Солнечной системы образовались из одного протопланетного га зопылевого облака и поэтому средний состав метеоритов должен быть близок к среднему составу Земли. К такой группе относят ме теориты, известные под названием хондриты, и модель Земли на зывают хондритовой.
Состав метеоритов удовлетворительно согласуется с данными спектроскопии о содержании в Солнце нелетучих элементов. Преоб ладание Si, Mg и Fe несомненно говорит о том, что все планеты Солнечной системы состоят в основном из магнезиальных силика тов или железа либо в виде металла, либо в виде окислов.
Однако состав пород, слагающих верхний слой земной коры, значительно отличается от среднего состава Земли большим обо гащением кислородом, кремнием, натрием, калием, алюминием, редкими землями и радиоактивными элементами и меньшим содер жанием железа и магния.
При первоначальном беспорядочном объединении частиц газо пылевого облака в единое тело оно должно было быть квазиоднородным. В процессе последующей дифференциации в поверхност ных оболочках Земли накапливались более легкие составные части вещества Земли. Предполагают, что исходный средний состав Зем ли сохраняется в нижней части мантии и она является источником, от которого отделяются как более легкие, так и более тяжелые вещества. Первые поднимаются и формируют верхнюю мантию и далее земную кору, вторые опускаются и формируют ядро.
Средняя плотность и внутреннее строение Земли, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обла дает жидким железным ядром, окруженным твердой мантией нз силикатов.
Дифференциация первоначального квазиоднородного строении Земли, очевидно, возможна при условии передвижения вещества. Предполагается, что значительную роль в повышении подвижности
материала Земли сыграло его разогревание вследствие соударения частиц и распада радиоактивных элементов. Однако полностью зем ной шар, по-видимому, никогда не был расплавлен. В противном случае процесс дифференциации его вещества по плотности завер шился бы в жидком состоянии. Между тем магматические явле ния, продолжающиеся в течение всей геологической истории, пока зывают, что дифференциация медленно продолжается.
Таким образом, строение и состав земной коры существенным образом зависят от характера активности эндогенных процессов в пространстве и во времени.
Важное место в теории строения Земли занимает принцип изостазии. согласно которому суммарная масса вещества, сосредото ченная по вертикали под еди ницей площади поверхности, повсеместно одинакова. Зем ной шар чрезвычайно близок к изостазии, т. е. к равновесию в распределении масс по глуби
не.
При изостазии рельеф зем ной поверхности и распределе ние масс по глубине должны быть взаимосвязаны, т. е. под возвышенностями средняя плотность должна быть мень
ше, чем под впадинами. Отклонения от этой зависимости представ ляют собой изостатические аномалии (нарушение принципа изо стазии) .
Так как толщина земной коры в материковой части изменяется от 20 до 80 км, то утолщение под горными хребтами должно быть весьма значительным; оно определяется разностью плотностей коры и верхней мантии. Поскольку эта разность сравнительно невелика (порядка 0,5 г/см3), то образуемый земной корой под горньтм хребтом «корень» должен погрузиться в мантию на глубину, в несколько раз превышающую высоту хребта над уровнем моря. Компенсация по верхностного рельефа соответствующим рельефом подошвы коры
представляет собой изостатическую |
модель, |
предложенную еще |
в середине прошлого века английским геодезистом Дж. Эри. |
||
Если, следуя А. Надаи (1969), |
принять |
схематический разрез |
земной коры по рис. 1.1, обозначив толщину континента h, глубину воды в океане hi, величину погружения континента ниже дна океана h2 и объемные массы материка у=2,6 т/м3, воды в океане yi = 1 т/м3, пород основания у2 = 3,1 т/м3, то, исходя из принципа изостазии, по лучим yh= yih\+ y2h2. Учитывая, что h2= h—hi—а, получим
А _ h (V2— Vi) + ду2
V2— У
где а — возвышение континента.
Если а —О, т. е. уровень континента совпадает с уровнем океана,
то будем иметь толщину |
континента при нулевом уровне /г0, рав |
|
ную |
|
|
|
|
( 1 Л ) |
|
|
Y2— У |
Подставляя |
числовые |
значения объемныхадасс и полагая глуби |
ну океана hi « 5 |
км, получим h0= 21 км. При среднем возвышении |
всех континентов над уровнем океана а та700 м = 0,7 км получим /гСР=25,3 км, причем чем больше возвышение континента а, тем мощнее толща континента (например, при а —3 км, h = 39,6 км).
Следует отметить, что процесс погружения континентов в под стилающую их мантию происходит не мгновенно, а в течение мно гих лет (исчисляемых иногда миллионами), причем скорость по гружения будет зависеть от вязкопластических свойств вещества мантии. Очевидно, что процесс погружения континента порождает побочные явления, оказывающие влияние на формирование полей напряжений в верхних слоях земной коры.
Проверка представлений о «корнях гор» с помощью метода глу бинного сейсмического зондирования подтвердила их существова ние. Однако этот эффект обнаруживается только при наличии очень высоких хребтов и низменностей. Например, под Памиром толщи на коры достигает 70 км, под Гималаями — 80 км, а под Венгерской низменностью она равна всего лишь 20 км. При средних высотах рельефа наблюдаются очень большие колебания толщины коры, не имеющие связи с рельефом (например, на Русской равнине). Это означает, что изостазия имеет более сложный механизм и что она частично может осуществляться за счет изменения плотности верх них слоев мантии (подкоровых слоев) и коры в горизонтальном направлении. Современное поднятие Главного Кавказского хребта также является антиизостатическим.
В соответствии с изостатическими аномалиями движутся области на Балтийском (рис. 1.2) и Канадском щитах, освободившиеся от ледового покрова. Это объясняется разгрузкой их от льда, после чего равновесие еще не установилось в силу вязкости среды.
В процессе формирования осадочных горных пород более суще ственную роль играет характер экзогенных процессов, а также фи зико-географические факторы. Под воздействием этих факторов массивные горные породы не сохраняют своего первоначального состояния, а постоянно изменяются, подвергаясь раздроблению, разрыхлению, переносу водой и воздушными течениями. Изменения горных пород под влиянием физического и химического воздействия носят название процессов выветривания.
Отмеченные выше явления, связанные с эндогенными и экзо генными процессами, определяют в основном характер изменчиво сти строения и состава горных пород в пространстве и во времени. Породы, слагающие земную кору, по своему происхождению де лятся на три класса: 1) магматические, образовавшиеся в резуль тате внедрения из глубин в земную кору магматических масс и
■последующего их остывания; 2) осадочные, образовавшиеся в ре зультате осаждения из воды или воздуха продуктов выветривания земной коры; 3) метаморфические, образовавшиеся в результате химического и физического изменения осадочных и магматических пород под влиянием высоких давлений и температур.
Магматические горные породы в свою очередь подразделяются
на интрузивные, или внедрившиеся, и эффузивные, излившиеся |
на |
||||||||
поверхность, а также вулканические туфы. К числу |
наиболее |
из |
|||||||
|
вестных разновидностей |
ин |
|||||||
|
трузивных |
пород |
относятся |
||||||
|
граниты, |
сиениты, |
|
диориты, |
|||||
|
габбро, |
а к эффузивным — |
|||||||
|
базальт. Все эти породы от |
||||||||
|
личаются |
между |
собой |
по |
|||||
|
химическому |
составу |
и |
по |
|||||
|
своим структурным |
особен |
|||||||
|
ностям, связанным с услови |
||||||||
|
ями |
их |
образования. Так, |
||||||
|
например, степенью кристал |
||||||||
|
лизации |
структуры |
породы |
||||||
|
являются |
|
показатели |
дли |
|||||
|
тельности |
остывания |
маг |
||||||
|
мы и лавы. |
|
горные |
поро |
|||||
|
Осадочные |
||||||||
|
ды, |
образующиеся |
|
при |
оса |
||||
|
ждении и накоплении в той |
||||||||
|
или |
иной |
среде |
|
(водной, |
||||
|
воздушной) |
продуктов |
|
фи |
|||||
|
зического и химического вы |
||||||||
|
ветривания |
земной |
коры с |
||||||
|
последующим их уплотнени |
||||||||
Рис. 1.2. Подъем Фённоскандии (по Гутен |
ем и цементацией, отличают |
||||||||
ся своим составом и генези |
|||||||||
бергу) : |
сом |
(происхождением). Они |
|||||||
1 — линии подъема; 2 — линии скорости подъема |
|||||||||
(см. в 100 лет); 3 — линии, полученные по экстра |
делятся на три генетические |
||||||||
поляции |
группы: |
обломочные, |
орга |
||||||
|
ногенные и химические. Об ломочные породы представляют собой скопление продуктов раз дробления исходных пород, часто связанного с перемещением и переотложением. Органогенные породы образовались в результате деятельности организмов. Химические породы образовались в ре зультате выпадания в осадок солей из водных растворов как ко нечных продуктов физико-химического выветривания. Характер осадочных горных пород по их составу, условиям залегания и мощности в значительной степени определяется составом исходных горных пород, характером продуктов разрушения и, наконец, ус ловиями, в которых происходило осаждение и уплотнение.
Метаморфические горные породы, преимущественно осадочного происхождения, после своего образования подвергались значитель-