Инженерно-геологическое изучение массивов трещиноватых пород

Из современных геологических процессов, наиболее активно проявленных в данном районе, необходимо выделить плоскостной смыв, струйчатую эрозию, морозное растрескивание. В пределах участков, приуроченных к межсопочным понижениям и характеризующимися худшими условиями дренирования – заболоченность, вторичное засоление и пучение грунтов, а также проявление термокарстовых явлений на участках развития многолетнемерзлых пород. При ведении наземного строительства необходимо учитывать значительную глубину сезонного промерзания грунтов и их просадочные свойства, особенно при замачивании. Учитывая слабую естественную дренированность территории, особое внимание при разработке месторождения необходимо уделить организации водоотлива и объектов водного хозяйства (очистные сооружения, хво-стохранилища, отстойники и т.п.).

Для количественной оценки интенсивности трещиноватости массива горных пород применяется площадной коэффициент трещинной пустотности, предложенный Л. И, Нейштадт (1969). Под коэффициентом трещинной пустотности понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) St к площади S той площадки, на которой произведено измерение этих трещин, выраженное в процентах:

В обнажении трещиноватых горных пород выбирается площадка квадратной формы, величина которой определяется характером, размером и густотой трещин. Площадка зарисовывается или фотографируется, а все встреченные в ее пределах трещины нумеруются и описываются . Все трещины подразделяются по генезису, ширине и характеру выполнения на несколько групп, для каждой из которых указываются количество трещин, их средние ширина и длина. Площади трещин, вычисленные по группам, суммируются, берется отношение (%) общей площади трещин к площади площадки подсчета, что дает площадной коэффициент трещинной пустотности.

Площадной коэффициент трещинной пустотности является приближенной количественной характеристикой интенсивности трещиноватости массива пород. Однако этот способ не дает полного представления о трещиноватости горных пород, так как коэффициентом трещинной пустотности не полностью учитываются такие качественные показатели, как их ширина, протяженность, изменчивость с глубиной, пространственное распределение н т. д., существенно влияющие на общую трещиноватость массива.

 

 

Полевые экспериментальные определения свойств массива и модель трещиноватости.

 

Если соотношение области воздействия сооружения и параметров трещиноватости таково, что возможен расчет механического взаимодействия массива и сооружения на основе однородной и изотропной модели массива (а это возможно при относительно густой сети трещин), то возникает задача выбора параметроводнородной и изотропной среды, которая по своим свойствам не отличалась бы (в интересующем нас отношении) от неоднородного и анизотропного расчлененного на блоки массива горных пород. Отыскание способа перехода идет по пути поисков решения на основе теории масштабных эффектов, по пути выявления эмпирической зависимости между свойствами малых и больших объемов массива, по пути осреднения свойств неоднородного массива непосредственно в ходе испытания статическими и динамическими методами.

  Модель решетки трещин необходима при переходе от свойств неоднородной среды к однородной модели любым способом. Так, если выполняется экстраполяция прочностных или деформационных свойств с малого объема массива на большой, то необходимо учитывать порядок трещиноватости, который находился в области воздействия эксперимента.

В настоящее время отдельные уникальные статические испытания уже производятся на целиках массива объемом в несколько сотен кубических метров. С увеличением объема опробования растет и стоимость эксперимента. Поэтому увеличение области воздействия эксперимента влечет за собой сокращение количества опытов и выдвигает в качестве основной задачи планирования полевых экспериментов — задачу выбора места опробования и оптимального размера области воздействия опыта. Место проведения опыта должно быть типично для участка в геологическом отношении и прежде всего обладать характерной трещиноватостью. Решетка трещин в области воздействия опыта должна быть как можно более однородной и включать не менее 10—15 трещип наиболее низкого порядка. Только при таком количестве трещин они не будут выступать как феномены, и массив условно при интерпретации опыта можно считать внутренне однородным (Руппенейт, Долгих, Матвиенко, 1964). Решить задачу выбора места опыта наилучшим образом можно на основе статистической модели решетки трещин. Несомненно, что количество полевых испытаний, зависящее от класса проектируемого сооружения и стадии изысканий, в значительной степени зависит также и от сложности геологической структуры массива. Модель сети трещин в связи с этим в принципе может быть полезна для назначения количества полевых испытаний. Однако методы использования модели трещиноватости для этих целей пока не разработаны.

Модель сети трещин полезна не только при планировании полевых механических испытаний, но и при их обработке. Исследование корреляционной связи между параметрами трещиноватости и показателями механических свойств (Ткачук, 1966) позволяет распространить результаты экспериментов на участки массива, где испытания не проводились, а имеются лишь исследования трещиноватости. Это имеет смысл, поскольку исследования трещиноватости несравнимо дешевле полевых механических испытаний.

В особенности эффективной может оказаться интерполяция и экстраполяция результатов полевых испытаний деформационных и прочностных свойств массива при условии применения многомерного регрессионного анализа (Ткачук, 1966). Это позволяет учесть влияние всех существенных факторов на механические свойства массива и тем самым значительно снизить неопределенность оценки механических свойств массива между точками испытаний.

 

 

Методика количественной оценки трещиноватости массивов горных пород.

 

Исследование трещиноватости горных пород при инженерных изысканиях ведется либо путем непосредственного измерения размеров и ориентировки трещин, либо путем измерения параметров массива, тесно связанных с трещиноватостью. Первый способ представляет собой элемент инженерно-геологической съемки, второй - инженерно-геологической разведки.

В ходе разведки проводятся измерения скоростей распространения упругих волн, определения удельных водопоглощений и других показателей, позволяющих косвенно судить о трещиноватости различных частей массива. По косвенным характеристикам, используемым для оценки свойств массива на основе корреляционных связей, а также для районирования массива по степени трещиноватости, нельзя построить расчетную модель откоса. Лишь некоторые геофизические методы могут быть использованы для выделения крупных трещин, по которым идет смещение на склоне или в откосе. 

Полевые исследования трещиноватости следует рассматривать как специализированную инженерно-геологическую съемку. Главное в полевой работе по съемке трещиноватости – массовые измерения параметров трещиноватости в съемочных точках и горных выработках. Необходимо измерять все видимые трещины в пределах выделенной для работы части обнажения. Общее число трещин, измеряемых на обнажении, должно составлять 100-400 штук, при условии обмера 10 - 40 трещин в каждой системе. Минимальным числом измерений можно обойтись только в простейших случаях, когда в массиве имеется 3-4 системы с малым разбросом параметров.

Трещины каждой системы измеряются в следующем порядке. Горным компасом измеряется ориентировка трещин. При достаточном числе измерений переходя к измерениям остальных параметров с помощью складного метра или стальной линейки. Расстояние между соседними трещинами и их ширина измеряются подряд для всех трещин данной системы, выходящих на поверхность обнажений, начиная от некой произвольной точки (ширина первой трещины, расстояние между первой и второй; ширина второй трещины, расстояние между второй и третьей и т. д.). Длина трещин измеряется параллельно с измерением ширины и частоты или (если она велика) отдельно, по окончании измерении ширины и частоты. Расстояние между соседними трещинами желательно мерить по перпендикуляру к плоскости трещин, чтобы избежать введения тригонометрических поправок за влияние экспозиции обнажения.

Все разрывные нарушения  в зависимости от размера могут  быть подразделены на ультратрещины, микротрещины, мезотрещины, макротрещины и мегатрещины.

Ультратрещины – трещины протяженностью от долей микрона до 0,01 мм, разбивающие участки кристалла и исследуемые под электронным микроскопом.

Микротрещины имеют протяженность  от 0,01 мм до нескольких сантиметров  и разбивают кристалл и участки  породы, исследуемые в монолите и  образце визуально, в аншлифе  и шлифе под поляризационным  микроскопом.

Мезотрещины  - протяженностью от нескольких сантиметров до первых метров, невыдержанные по простиранию, часто извилистые, не образующие системной трещиноватости (преимущественно трещины выветривания в чистом виде).

Макротрещины – протяженностью от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров, рассекающие пласты породы, образующие четкую системную  трешиноватость, закономерности развития которой исследуются в обнажении.

Мегатрещины – разрывные тектонические нарушения протяженностью от сотен метров до десятков и сотен километров, закономерности развития которых можно охватить лишь «взглядом сверху» при аэровизуальной съемке или дешифрировании. 

При проходке горных выработок и бурении скважин большего диаметра для изучения состояния пород в основании будущих сооружений необходимо определять суммарную ширину трещин каждой системы на каждый метр вскрываемого разреза, которая характеризует степень пустотности - скважности пород. Как показывает практика, под нагрузкой от сооружений в пределах активной зоны основания горизонтальные и пологонаклонные трещины могут смыкаться, вызывая осадку сооружения, которая будет приближаться к их суммарной мощности (ширине). Поэтому такие наблюдения важны для прогноза возможных осадок сооружений и их равномерности.

При инженерно-геологических  исследованиях самым распространенным видом разведочного бурения по скальным и полускальным породам является колонковый. При таком способе бурения о степени трещиноватости пород следует судить на основании следующих данных:

учета процента выхода керна - отношение длины полученного керна к длине пробуренного интервала скважины за рейс. При прочих равных условиях состава и свойств пород, режима бурения и других показателей, чем более монолитны породы и чем менее они трещиноваты, тем выше выход керна;

подсчета числа трещин на каждый погонный метр керна, т.е. на основе определения модуля трещиноватости;

наблюдений за проскоками снаряда при пересечении им трещин, каверн и пустот. Необходимо точно фиксировать глубину, на которой произошел проскок, и его величину, свидетельствующие о наличии открытых (зияющих) трещин и пустот.

RQD – показатель  качества керна - это длина всех  столбиков керна больше 10 см на  погонный метр скважины или  на интервал бурения. Больше 90% - сохранность  очень хорошая, 90-75% - хорошая, 75-50% - средняя, 50-25% - плохая и меньше 25% очень плохая.   

  Для обнаружения последних по вертикальному разрезу, вскрытому скважиной, полезно применение каверномера. Измерения каверномером производят при подъеме прибора после раскрытия упругих рычагов, упирающихся в стенки скважины. В результате проведенных измерений получают кривую изменения диаметра скважины с глубиной, на которой фиксируется положение открытых зияющих трещин и пустот или зон резкого увеличения диаметра скважины вследствие повышенной раздробленности пород; наблюдений за расходом промывочной жидкости, по которому в процессе бурения скважины можно выделить зоны различной трещиноватости пород; осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью специальных приборов и телевизионных установок (фотокаротаж).

Оценка степени трещиноватости гидрогеологическими методами. Сравнительная оценка степени трещиноватости скальных и полускальных горных пород может производиться также по результатам специальных опытных работ - опытных нагнетаний и наливов воды в скважины и горные выработки; опытных откачек воды из скважин или горных выработок, если породы водоносны. Водопроницаемость и водообильность скальных горных пород определяются главным образом их трещиноватостью или закарстованностью (известняки, доломиты), поэтому, если, в скважину, вскрывшую такие породы, нагнетать воду и определять водопоглощение, можно косвенно судить об их трещиноватости. Точно так же, если из скважины, вскрывшей водоносные породы, откачивать воду, то их водообильность и водопроницаемость косвенно будут характеризовать степень трещиноватости. Специальные опытные работы для получения сравнительной оценки трещиноватости горных пород и основаны на определении их водопоглощения, водопроницаемости и водообильности. Мерой водопоглощения и водопроницаемости горных пород служат удельное водопоглощение и коэффициент фильтрации. Пользуясь этими показателями, породы можно классифицировать по степени трещиноватости (табл. 2.2)

 

Таблица 2.2. Классификация горных пород по степени трещиноватости.

 

Характеристика горных пород	Коэффициент фильтрации, м/сут.	Удельное водопоглощение, л/мин
Практически водоупорные, нетрещиноватые	< 0,01	< 0,005
Очень слабоводопроницаемые и слаботрещиноватые	0,01 - 0,1	0,005 - 0,05
Слабоводопроницаемые и  слаботрещиноватые	0,1 - 10	0,05 - 5
Водопроницаемые и слаботрещиноватые	10 - 30	5 - 15
Сильноводопроницаемые, сильнотрещиноватые	30 - 100	15 - 50
Очень сильноводопроницаемые  и сильнотрещиноватые	> 100	> 50