Инженерно-геологическое изучение массивов трещиноватых пород

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графические методы оценки трещиноватости массивов горных пород.

 

Для создания расчетной модели необходимо последовательно и детально отображать положение в массиве  поверхностей нарушения его сплошности и характеризовать состояние и свойтсва пород каждого из выделенных слоев или крупных структурно-петрологических блоков и зон разделяющих нарушений. Для характеристики трещиноватости пород массива обычно строят графики и диаграммы трещин, иногда специальные карты трещиноватости.

Розами трещин выражают один элемент ориентировки трещин - азимут простирания или азимут падения. Они дают представление о господствующих направлениях простирания или падения  трещин. Розы-диаграммы дают возможность изучить закономерности ориентировки трещиноватости в массиве горных пород по данным наблюдения в одном или нескольких обнажениях.

На лучевой круговой  диаграмме трещиноватости трещины изображаются в виде лучей, выходящих из центра круга в направлении, соответствующем их азимуту простирания. Величина угла падения трещины изображается длиной луча. Качественные отличия трещин – их генетический тип, ширина, выполнение – показываются цветом луча, штриховкой и т.п.

Точечная круговая диаграмма  трещиноватости по содержанию и методике составления аналогична лучевой диаграмме. Только замеры трещин наносятся в виде точек, соответствующих азимуту и углу падения. Качественные характеристики показываются цветом и формой знака.

В целях более детального выявления распределения трещиноватости для обработки результатов наблюдений следует применять круговую диаграмму в изолиниях. На такой диаграмме измерения трещин (азимут простирания и угол падения) показывают точками на специальной равноплощадной сетке Вальтера-Шмидта. На этой сетке сохраняется равенство площадей и любой части сетки между меридианами и параллелями за счет некоторого искажения углов. В результате нанесения всех измерений получается точечная диаграмма. С помощью специальных шаблонов подсчитывают число точек в каждой клеточке площади сетки и выражают его в процентах от общего числа измерений. Таким образом, сетка покрывается цифрами, расположенными в центре ее ячеек. Затем проводят изолинии так же, как горизонтали при построении топографических карт. Эти изолинии разграничивают площади с различной концентрацией точек. Если на том или ином участке имеются определенные системы трещин, на диаграмме выявляются максимумы, если таковых нет, то изолинии расплывчато, равномерно покрывают поле диаграммы. Достоинством таких диаграмм является наглядность пространственного расположения (ориентировки) трещин на исследуемом участке, возможность сопоставления, систематизации трещин различных участков и районов.

Имеются и другие приемы построения графиков и диаграмм трещин, но при инженерно-геологических  исследованиях наиболее часто применяются перечисленные.

Карта интенсивности трещиноватости составляется на основе вычисленных значений показателя интенсивности трещиноватости различных участков основания под сооружение. На картах трещиноватости выделяются зоны трещиноватости различного генезиса и разной степени. Генезис трещиноватости показывается, как правило, типом штриховки. Степень трещиноватости: слабо (Кт<2%), средне (Кт=2-5%), сильно (Кт=5-10%), очень сильно трещиноватые (Кт=10-15%) и раздробленные породы (Кт>15%) – густотой штриховки. В сочетании с инженерно-геологической картой эта карта может служить основой для расчетов устойчивости сооружения и отдельных его частей. Она позволяет, кроме того, более обоснованно распространять результаты изучения деформируемости и сопротивляемости сдвигу горных пород на характерные участки основания сооружения.  

 

Основы методики изучения трещиноватости массивов горных пород для инженерно-геологических целей.

 

Инженерно-геологические исследования трещиноватости проводятся циклами, как и все остальные виды изысканий (Коломенский, 1968). На каждом цикле работа завершается построением количественной модели решетки трещин; от цикла к циклу она уточняется и дополняется. Хорошо построенная модель всегда увязана с геометрией более крупных геологических структур, с которыми макротрещины связаны генетически. Такая увязка не только делает модель решетки трещин более понятной, логически стройной, но и расширяет представление о крупных структурах: позволяет судить о положении сместителя тектонических разрывов, различать нормальное и опрокинутое залегание слоев в крыльях складок, выяснять положение контакта интрузии и решать другие подобные геологические задачи. Будем, по предложению Г. А. Каледы, называть прямой задачей исследования трещиноватости построение количественной модели решетки трещин на основе полевых измерений и уточнение на основе модели плана тектонических структур, на несколько порядков превышающих размеры макротрещин. Задачу построения гипотетической решетки трещин массива на основе модели структур более низкого порядка назовем соответственно обратной задачей изучения трещиноватости.

Если решение прямой задачи есть цель инженерно-геологического исследования трещиноватости на каждом цикле, то решение обратной задачи обычно носит вспомогательный характер. Обратная задача решается до начала специальных полевых исследований трещиноватости на основе существующих геологических и тектонических карт для планирования полевых работ. В дальнейшем она решается для экстраполяции результатов полевых измерений на структуры, не покрытые съемочными точками.

Для практических целей решение проблемы количественного изучения трещиноватости будет удовлетворительным, если геологу удастся построить математическую модель решетки трещин, пронизывающих массив горных пород. Эта задача требует в каждом конкретном случае трудоемкой и целеустремленной работы по специальной методике. Авторы придерживаются намеченных ранее (Рац, 1963а) принципов исследования трещиноватости. В частности, представляется очевидной необходимость выполнения ряда условий, которые вытекают из всего изложенного ранее материала и приняты многими специалистами.

1. Сеть трещин в каждой точке массива горных пород сформирована рядом систем трещин различной ориентировки, зачастую разного генезиса и различных механических типов (отрыва, скола). Поэтому каждая из систем трещин должна изучаться в отдельности.
2.   Математическая модель трещиноватости строится па основе ряда показателей — параметров трещиноватости. Каждый из параметров учитывает лишь какую-то одну сторону явления, но зато позволяет получить вполне определенную, однозначную характеристику.
3. Параметры трещиноватости меняются в пространстве нерегулярно.Поэтому удобным для количественного изучения трещиноватости являются математическая статистика и условия вероятности.
4. Результаты количественного изучения трещин могут и должны быть интерпретированы генетически, что в ряде случаев позволяет получить ценную информацию о происхождении трещин.

Принятие этих положений автоматически приводит к постановке в качестве первоочередной задачи полевых исследований- задачи сбора разнообразных цифровых характеристик трещиноватости.

 

 

 

Полевые работы должны дать цифровые характеристики раздельно для каждой геологической позиции, т. е.: 1) для каждого элемента тектонической структуры, 2) для каждого типа пород, 3) для каждой зоны экзогенных изменений массива.

 

Разные виды полевых работ: съемка трещиноватости, описание горных выработок, геофизические исследования, фотогеодезические исследования — освещают различные черты сети трещин. В настоящее время основным источником сведений о сети трещин следует считать геологическую съемку трещиноватости па обнажениях и в горных выработках. Остальные виды работ лишь дополняют ее, освещая недоступные для наблюдения части массива и указывая степень экзогенного изменения сети трещин, фиксируемой на обнажении. Полевые исследования сопровождаются текущей обработкой материала. В ходе ее весь полевой материал систематизируется. Это помогает выявить пробелы в полевом материале и своевременно добрать недостающие данные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучение трещиноватости на обнажениях.

 

Детальная съемка трещиноватости начинается с планирования работ на основе решения обратной задачи изучения трещиноватости. В ходе планирования оценивается необходимое количество съемочных точек и предполагаемое количество индивидуальных измерений по каждому параметру трещиноватости; намечаются обнажения, подлежащие документации. Тщательно изучаются материалы по району исследования. Основное внимание уделяется литологическому составу пород, тектонической структуре и геологической истории изучаемого участка. Точки массовых измерений трещиноватости следует наметить в рекогносцировочном маршруте до начала измерений.

Точки на участке должны быть размещены так, чтобы были охарактеризованы все геолого-структурпые участки, все породы в пределах этих участков и зоны с различной степенью экзогенных изменений, т. е. размещение точек на площади не должно быть равномерным. На участках, сложных по геологическому строению, съемочные точки концентрируются, на простых участках плотность точек снижается. При неудовлетворительной обнаженности территории необходимо выполнять расчистки, проходить шурфы, штольни. Горные выработки совершенно необходимы для изучения экзогенных изменений трещиноватости. Отдельные элементы структуры и горные породы, плохо обнаженные на площади съемки, рекомендуется изучать за ее пределами. Выходить за пределы участка съемки, особенно при крупномасштабных исследованиях, рекомендуется так же для увеличения интервалов изменения взаимно коррелируемых параметров. Например, в случае недостаточной изменчивости мощностей слоев в пределах участка исследований желательно «добрать» обнажения за пределами участка съемки для изучения зависимости густоты и ширины трещин от мощности слоя. В случае наличия на участке одного-двух тектонических разрывов можно добрать точки за пределами контуров съемки, чтобы получить более обоснованную характеристику зон разрывных нарушений.

Необходимо подчеркнуть, что на первом этапе наиболее ответственно выделение основных морфологических типов трещин. Ошибки, сделанные в начале работы (особенно ошибки в расчленении массы трещин па морфологические типы), являются наиболее трудноисправимыми. Поэтому подготовка к выполнению массовых замеров трещиноватости должна вестись систематически,планомерно и тщательно. Не следует стремиться к полному и строгому расчленению трещин на генетические типы. Такое расчленение в ряде случаев может быть сделано (да и то не всегда) лишь на завершающем этапе исследований. Вначале же главную роль играет детальность морфологического и геометрического расчленения, которая должна быть максимальной. Неприятной ошибкой на подготовительном этапе является пропуск какого-либо морфологического типа трещин. Например, невыделе- ние в качестве особого морфологического типа расширенных и удлиненных экзогенными процессами трещин, по направлению совпадающих с трещинами других морфологических типов. Такого рода ошибки всегда возможны до выполнения количественного анализа, поэтому первые результаты массовых замеров должны сразу подвергаться первичной обработке по рекомендуемой ниже системе, чтобы сразу внести коррективы в план работ.

Главное в полевой работе по съемке трещиноватости — массовые измерения параметров трещиноватости в съемочных точках и горных выработках. Массовые измерения удобно производить двум исполнителям — геологу (или технику-геологу) и коллектору или трем исполнителям — геологу, технику-геологу и коллектору. Последний, как обычно, записывает. Разделение обязанностей заметно повышает производительность труда. При работе на труднодоступных обнажениях такое разделение совершенно необходимо. Число бригад зависит от сроков и объемов работ. При работе двух или более бригад необходимо провести совместную документацию двух-трех характерных обнажений для выработки общего языка и получения в дальнейшем сопоставимых результатов.

Работа па обнажении складывается из описания обнажения и массовых измерений параметров трещиноватости. Описание обнажений обычное, как при геологической съемке. Большое внимание уделяется описанию трещиноватости и особенно описанию формы и размера естественных блоков отдельности. Последнее важно для дальнейшей интерпретации и корректирования расчетов густоты трещин. Обязательно измеряются элементы ориентировки обнажения или отдельных его частей, если оно не плоское. Элементы залегания слоев, полосчатости изверженных пород и других деталей структуры массива измеряются несколько раз с тем, чтобы получить достаточное представление об изменчивости этих величин. Изменчивость ориентировки слоев в пределах одного обнажения должна быть не более 10—15°. При большей изменчивости необходимо уменьшить размер обнажения. Подробно описываются те элементы морфологии трещин, которые в дальнейшем не характеризуются массовыми замерами(извилистость трещин, шероховатость их поверхности, зеркала скольжения, заполнитель трещин, вариации ширины трещин). После этого выполняются массовые измерения параметров трещиноватости. Работа на обнажении завершается фотографированием его, а для особо характерных обнажений также и их зарисовкой.

Пока нет точных количественных рекомендаций, можно принять необходимое число измерений каждого из параметров по одной системе трещин на одном обнажении порядка 30—40.

Предлагаемое количество измерений не является строго обязательным и может несколько варьировать в зависимости от изменчивости показателя (чем больше разброс значений, тем больше нужно измерений) и точности индивидуального измерения (чем выше точность, тем измерений может быть меньше). Однако не рекомендуется снижать число измерений ориентировки ниже 20 на систему. Максимальное число измерений не должно превосходить 80—100 на систему.

Измерение трещин каждой системы производится в следующем порядке. Сначала горным компасом измеряется ориентировка трещин. Когда число измерений достаточно, переходят к измерениям остальных параметров с помощью складного метра или стальной линейки. Расстояние между соседними трещинами в системе 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; ширины второй трещины, расстояние между второй и третьей и т. д. Протяженность трещин измеряется либо одновременно с измерением ширины и густоты, либо (если она велика) отдельно, по окончании измерений ширины и густоты. Расстояние между соседними трещинами желательно мерить по перпендикуляру к плоскости трещин, чтобы избежать введения тригонометрических поправок за влияние экспозиции обнажения на результат. В большинстве случаев вследствие естественной «ступенчатости» обнажений это не представляет трудностей.