ГлавнаяТаким образом, компоненты, слагающие скальные и полускальные породы, — кристаллы минералов, их обломки и обломки горных пород — кристаллизуются, уплотняются и цементируются в сжатом состоянии под воздействием контракциоиных, гравитационных и главным образом тектонических сил. Однако современное напряженное состояние горных пород обусловлено главным образом новейшими и современными геологическими процессами. Свидетельством тому, что горные породы в современную геологическую эпоху находятся в напряженном состоянии, являются землетрясения, неотектонические движения, проявление различных динамических форм горного давления в горных выработках (стреляние, выбросы угля и газов, горные удары), разуплотнение пород, появление трещин, систем и зон трещин упругого отпора в горных породах при их разгрузке, аномально высокое пластовое давление на нефтяных и газовых месторождениях и другие явления. Поэтому при проектировании и строительстве сооружений и выполнении инженерных работ общепризнанной является необходимость в учете напряженного состояния горных пород и связанных с ним явлений. Его необходимо также учитывать и при изучении физико-механических свойств скальных и полускальных пород. Это позволит понимать и объяснять причину того или иного их состояния и свойств и прогнозировать деформации при разгрузке и разуплотнении.
Гравитационные нагрузки на платформах в осадочных породах могут достигать 120—150 МПа, а в геосинклинальных зонах — 400—500 МПа и более. В приповерхностных горизонтах земной коры напряжения в горных породах от веса вышележащих масс находятся обычно в пределах от десятых долей мегапаскаля на глубине 10—20 м до 2- 3 МПа на глубине 100—150 м и достигают 20—30 МПа на глубине 1000 м. Тектонические силы вызывают напряжения до тысяч мегапаскалей.
До недавнего времени при определении внутренних напряжений в горных породах исходили из теории, сформулированной швейцарским геологом А. Геймом. Согласно этой теории напряжения в горных породах определяются глубиной их залегания от поверхности земли
о1 = уН,
где о1 — вертикальное главное напряжение, Па, МПа; у — плотность пород, г/см3; H — глубина залегания пород, м.
А. Гейм полагал, что напряжения в земной коре распространяются по гидростатическому закону, т. е. о1 = о2 = о3, где о2 = о3 — горизонтальные главные напряжения, Па, МПа.
Русский ученый акад. А.Н. Динник показал, что твердые горные породы до некоторой, достаточно значительной глубины находятся в упругом состоянии и их деформации в значительной мере подчиняются закону Гука. Поэтому напряжения в таких породах не везде подчиняются гидростатическому закону, а горизонтальные напряжения зависят от коэффициента бокового давления (см. ниже), показывающего, какая часть вертикальной нагрузки передается в стороны, т. е.
о2 = о3 = о1е,
где о2 = о3 — горизонтальные главные напряжения, Па, МПа; е — коэффициент бокового давления, равный u/(1—u); u — коэффициент поперечной деформации горных пород — коэффициент Пуассона.
Следовательно, согласно теоретическим представлениям А.Н. Динника, горизонтальные напряжения в твердых горных породах равны
о2 = о3 = уНu/(1—u),
Коэффициент поперечной деформации скальных и полускальных пород изменяется от 0,10 до 0,40, а песчаных и мягких глинистых — от 0,2 до 0,5. Следовательно, коэффициент бокового давления может достигать максимального значения, равного единице, на глубинах, представляющих практический интерес, только в мягких глинистых породах. Поэтому гидростатическое напряженное состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры может иметь место лишь в редких случаях.
В настоящее время в результате многочисленных наблюдений и исследований, выполненных в разных странах, получен обширный фактический материал, показывающий, что теоретические положения А. Гейма и А.Н. Динника могут применяться только в определенных геологических условиях; в ряде случаев они неприменимы для определения действительных напряжений в горных породах. Во многих случаях непосредственные измерения, произведенные на глубинах от 6—15 до 1000—1100 м от поверхности земли, показывают, что горные породы испытывают естественные напряжения значительно большие, чем давления, определяемые расчетным путем по теории А. Гейма и А.Н. Динника. При этом горизонтальная составляющая напряжений достигает 30—78 МПа и значительно превышает вертикальную, т. е. имеет избыточное значение, как и измеренные вертикальные напряжения, которые в 3—4 раза больше рассчитанных по А. Гейму и А.Н. Диннику.
На все составляющие напряжения огромное влияние оказывают петрографические особенности горных пород и их физико-механические свойства, т. е. их принадлежность к той или иной группе по инженерно-геологической классификации (табл. I-2), структурно-тектоническое положение горных пород в земной коре, их дислоцированность, трещиноватость, выветрелость и другие факторы, которые, возможно, еще не выявлены. Кроме того, на изменение и перераспределение напряжений в горных породах оказывают влияние расположение региональных тектонических нарушений и разгрузка горных пород, возникающая вследствие процессов денудации, эрозионных врезов и при вскрытии их горными выработками.
Распределение избыточных напряжений в горных породах земной коры показывает, что они связаны преимущественно с областями активных новейших и современных тектонических движений. Поэтому нельзя считать эти напряжения «остаточными», сохранившимися от более отдаленных геологических эпох. Их связь с позднекайнозойскими движениями подтверждается также временем релаксации упругих напряжений в верхних консолидированных слоях земной коры, которое значительно меньше продолжительности четвертичного периода.
Обобщения данных измерений напряжений в горных породах, выполненные П.Н. Кропоткиным, Н.К. Булиным и Д.П. Прочуханом, показывают, что избыточные, особенно горизонтальные, напряжения наблюдаются повсеместно, па всех континентах, главным образом в горных породах складчатого фундамента платформ, независимо от их возраста. Они обнаружены на Балтийском щите Восточно-Европейской платформы, на Канадском щите Северо-Американской платформы, в Либерии и Египте на Африканской платформе, в нижнепалеозойских (каледонских) складчатых поясах Норвегии, Шпицбергена и Ирландии, Скандинавского хребта и Горной Шорни в Сибири, в верхнепалеозойских (герцинских) складчатых поясах Урала, Донецкого бассейна, Центрального Казахстана (Коунрад, Джезказган), Аппалачей и других районов востока США, Юго-Восточной Австралии и о. Тасмания.
Они установлены также в поясах более молодой мезозойской и кайнозойской (альпийской) складчатости в Британской Колумбии (Западная Канада), Малайзии и Иране, Португалии, Алайском хребте, Альпах и Калифорнии. Наконец, они обнаружены в нижнепалеозойских известняках осадочного чехла Северо-Американской платформы на глубине 700 м. Здесь сумма главных горизонтальных напряжений о2 + о3 равна 72,4 МПа, она на 30 МПа превышает удвоенное вертикальное напряжение, обусловленное весом вышележащих пород.
На рис. II-7 показаны результаты измерений напряжений на 17 рудниках Швеции, Норвегии и Финляндии. Из этого рисунка видно, что в кристаллических породах Балтийского щита сумма горизонтальных главных напряжений у поверхности земли равна 16 МПа, а на глубине примерно 1000 м достигает 105 МПа. Следовательно, горизонтальные главные напряжения в несколько раз больше вертикального давления. Если бы горизонтальные главные напряжения были обусловлены гравитационными силами, то сумма их при u = 0,25 соответствовала бы линии CD, а при u = 0,5 — линии ОС. Однако подавляющее большинство точек наблюдений располагается по линии AB.Распределение напряжении в горных породах может быть весьма неравномерным. В некоторых случаях возникают зоны, очаги концентрации напряжении. Так, например, при строительстве подземной гидроэлектростанции Пикото в Португалии в гранитах вблизи крутопадающей тектонической зоны напряжения составляли 20 МПа, а на расстоянии 16 м от этой зоны всего 3,5 МПа, т, е. были почти в 6 раз меньше.
На Кольском полуострове в районе хибинских апатитовых рудников измерения, выполненные И.А. Турчаниновым и Г.А. Марковым, показали, что сжимающие напряжения в кристаллических породах докембрия изменяются от 5,5 до 183 МПа, т. е. разнятся почти в 35 раз. Среднестатистические значения горизонтальных напряжений на апатитовых рудниках равны МПа: о2 = 23, о2 = 57 (рудник «Расвумчорр»); о2 = 15, о3 = 78 (рудник «Апатитовый цирк»); о2 = 12, о3 = 34 (рудник «Кировский») и о2 = 14, о3 = 37 (рудник «Кукисвумчорр»). Характерно, что в выработках, где наблюдается стреляние, напряжения достигают значений, близких к пределу прочности горных пород.
Высокие напряжения в горных породах Хибин, как и других районов, связывают с дифференцированными подвижками отдельных блоков земной коры, по тектоническим зонам, сопровождающимися землетрясениями силой до 5 баллов. Эти подвижки являются причиной концентрации напряжений в отдельных зонах и очагах, где в настоящее время ведутся горные работы.
Выше было отмечено, что избыточными по сравнению с гравитационными могут быть не только горизонтальные напряжения в твердых породах, но и вертикальные. В этом отношении примечательными являются исследования, выполненные в Донбассе. Измерения показали, что в разных его районах вертикальные избыточные напряжения неодинаковы. Так, например, в Центральном районе, в западной части Главной антиклинали (шахта «Красный Профинтерн»), максимальное значение вертикальной составляющей напряжений о1 равно 3,8уН. В Донецко-Макеевском районе на участке пологих склонов крупных котловин, осложненных вторичной складчатостью (шахта им. Поченкова), о1 достигает 2,8уН. В Алмазно-Марьевском районе на участке синклинали (шахта им. Ильича) o1 равно 1,8уН, а на участке вторичной антиклинали (шахта XXII съезда КПСС) о1 достигает 2,9 уН.
Как отмечают П.Я. Галушко, Я.И. Куренков и др., составляющие тектонического поля напряжений определяются структурно-тектоническим положением как района в целом, так и отдельных его участков. Поэтому даже в пределах одного шахтного поля напряжение может значительно изменяться. Так, например, в шахте нм. Поченкова измерения на станции № 1 (1-й южный квершлаг) и № 3 (околоствольный двор) показали, что вертикальные напряжения примерно одинаковы и равны 2,8 уH, а по измерениям на станциях № 5 и 6 (полевой откаточный штрек пласта m3) o1 оказалось равным 1,5 уН, хотя во всех случаях измерения производились в скважинах па глубине вне зоны влияния горных выработок.
Высокие и неравномерные напряжения обнаружены в метаморфических сланцах района Саяно-Шушенской ГЭС на Енисее. Измерения показали, что максимальные напряжения сосредоточены вблизи стенок штолен и в приконтактовой части тектонической зоны, где вертикальные напряжения достигают 24,5—48 МПа, а горизонтальные 24—36 МПа. За пределами этой зоны, обнаруженной при проходке штольни, вертикальные напряжения составляли 9,7, а горизонтальные 5,9 МПа.
В распределении избыточных горизонтальных напряжений в кристаллических породах фундамента платформ шведским ученым Н. Хастом была установлена и другая зависимость (рис. 11-7). Горизонтальная составляющая поля напряжении увеличивается с глубиной и на каждом данном уровне обычно в несколько раз превышает вес перекрывающих горных пород. В кристаллических породах Фенноскандии сумма горизонтальных главных напряжений о2+о3 на уровне дневной поверхности равна 18 МПа, и от этого исходного значения горизонтальные напряжения линейно возрастают с глубиной. На глубине 100 м сумма о2+о3 в 10 раз больше веса перекрывающих горных пород, т. е. составляет примерно 30 МПа, а на глубине 1000 м равна почти 100 МПа. Эта закономерность подтверждается повсеместно материалами непосредственных измерений напряжений. Уменьшение избыточных напряжений к поверхности земли можно объяснить их релаксацией в зонах повышенной трещиноватости горных пород, а иногда и некоторой их выветрелостью.
Как отмечает П.Н. Кропоткин на основании анализа данных измерений, в распределении избыточных горизонтальных напряжений не наблюдается разницы между областями с различными геоморфологическими условиями, т. е. равнинными, невысокими районами платформ и областями, охваченными интенсивными неотектоническими поднятиями, но повсеместно отмечается их связь с ориентировкой сжимающих напряжений позднекайнозойской складчатости. Во всех этих случаях они характеризуются резкой анизотропией.
Распределение напряжений в горных породах осадочного чехла древних и молодых платформ иное, чем в кристаллических породах фундамента. Обобщения данных измерений показывают, что вертикальная составляющая регионального поля Земли в таких породах полностью определяется нагрузкой вышележащих пород. Напряжение линейно возрастает с глубиной и соответствует гравитационным напряжениям, рассчитанным по данным средней плотности вышележащих горных пород. Такое изменение напряжений, как правило, хорошо контролируется изменением физического состояния и свойств горных пород — их плотности, пористости, влажности, прочности — в связи с изменением степени их литификации, и только в отдельных аномальных случаях такого соответствия не наблюдается из-за особых геохимических условий.
В общем напряженное состояние горных пород в условиях естественного залегания имеет геологическую природу и связано с существованием глобального поля напряжений, обусловленного преимущественно современным сжатием Земли. Это поле напряжений неоднородно не только по природе сил, его вызывающих (гравитационных, тектонических и др.), но и по ориентировке в пространстве его составляющих. Во многих случаях оно характеризуется значительной анизотропией горизонтальных сжимающих напряжений. Основными факторами, определяющими распределение естественного поля напряжений в горных породах, являются их структурно-тектоническое положение в земной коре, трещиноватость и выветрелость, петрографический состав, строение и физико-механические свойства.
Рассматривая результаты измерений напряжений в горных выработках, важно учитывать, что распределение напряжений вокруг них зависит как от геологического строения района, состояния и свойств слагающих его горных пород, так и от формы и размеров поперечного сечения выработок. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что в почве и кровле подземных выработок возникают растягивающие напряжения, ориентировочно равные
omin = K1yHu(1—u),
где K1 — коэффициент концентрации растягивающих напряжений.
В глубь пород, по мере удаления от контура выработки, эти напряжения уменьшаются, переходят в сжимающие (меняют знак) и приближаются к первоначальному значению в нетронутых породах (рис. II-8). В стенках подземных выработок обычно возникают значительные сжимающие напряжения, ориентировочно равные
omax = К2yН,
где K2 — коэффициент концентрации сжимающих напряжений.
По мере удаления от контура выработки в глубь пород сжимающие напряжения уменьшаются до первоначального значения уН. Концентрация напряжений вокруг выработки ограничивается некоторой зоной, размеры которой не превышают 3—5 наибольших линейных размеров сечения выработки. На границе этой зоны концентрация напряжений не превышает 2—3 % первоначальных. Коэффициентом концентрации напряжений называют отношение напряжения, возникающего после проведения выработки, к первоначальному естественному. Обычно он изменяется в пределах от 1,3 до 3.
Если среднюю плотность пород принять равной 2,65 г/см3, то на глубине 1000 м естественные напряжения от веса вышележащих масс могут достигать 26,5 МПа. При коэффициенте концентрации нормальных напряжений возле горизонтальной выработки, равном 2, после ее проведения напряжения в породах могут достигнуть 53 МПа. Следовательно, после проведения подземных горных выработок происходит перераспределение напряжений, возникает новое поле напряжений в окружающих породах. Все это необходимо учитывать при интерпретации результатов измерений напряжений.
Высокие напряжения в горных породах, как было отмечено выше, имеют место в настоящее геологическое время, однако если происходит изменение условий окружающей среды, они ослабевают, рассасываются.При инженерно-геологических прогнозах ослабление естественных напряжений представляет определенный интерес при разгрузке горных пород, так как именно этот процесс вызывает изменение их состояния н свойств, а также деформации. Ослабление напряжений легче и быстрее протекает в приповерхностной части блоков или толщ разгружающихся пород, например в бортах и днищах речных долин, в склонах горных массивов, в откосах выемок, в бортах карьеров, в стенках и днищах котлованов, в стенках, кровле и почве подземных выработок и т. д. Д.П. Прочухан, исследуя все эти процессы, отмечал, что поверхностные слои горных пород, в которых протекает процесс ослабления напряжений, можно назвать зоной разгрузки, если имеется в виду напряженное состояние пород, или зоной разуплотнения, если речь идет о вызываемых разгрузкой изменениях их плотности, трещиноватости и монолитности.
Наиболее заметным и важным видом изменения пород в зоне разгрузки (разуплотнения) является появление трещин разгрузки — трещин отпора. Такие трещины образуются вследствие упругого расширения пород, сопровождающегося их разрывом, раскрытием скрытых и закрытых трещин. Таким образом, в зоне разуплотнения возникает система трещин, ориентированных главным образом параллельно разгружающейся поверхности пород. В этой зоне изменяются монолитность пород, плотность, водопроницаемость, скорость распространения упругих воли, деформируемость и т. д. Трещины разгрузки создают поверхности и зоны ослабления, по которым нарушается устойчивость пород, возникают подвижки блоков оползневого типа или образуются вывалы. Свидетельством разуплотнения пород и ослабления напряжении являются горное давление в подземных выработках, стреляние, горные удары, выбросы и другие явления.
Данные о мощности зоны разгрузки (разуплотнения) пока немногочисленны. Сводка таких данных приведена в табл. II-15, из которой следует, что мощность зоны разгрузки (разуплотнения) в скальных и полускальных породах по контурам речных долин может изменяться от 15 до 50 м. Зона разгрузки вокруг подземных выработок не превышает 3—5 их максимальных поперечных сечений.Все изложенное показывает, что во многих случаях основанием или средой для сооружений могут служить разуплотненные горные породы зоны разгрузки. Поэтому при разведочных и опытных фильтрационных работах для обоснования проектов сооружений, возводимых на скальных и полускальных породах или в них, необходимо учитывать их разуплотненность, точно определять мощность зоны разуплотнения и детально изучать физическое состояние и свойства пород этой зоны.