Количественная оценка трещиноватости горных пород

1. Классификации по линейным размерам (по частоте и модулю трещиноватости).

2. Классификации по площадным показателям (по коэффициенту трещинной пустотности или по удельной густоте трещин).

3. Классификации по объемным показателям (по пустотности, блочности и др.).

Классификации по линейным показателям  отличаются большим  разнообразием. В классификации  данной группы количество уровней разбиения  или количество классов трещиноватости, изменяется от 3 до 6, причем с увеличением расстояния между трещинами увеличивается длина интервала классификации. Неудобство в практическом использовании таких классификаций вызвано еще и тем, что частота или модуль трещиноватости без дополнительных характеристик пустотности и совершенства расчленения его на отдельные блоки недостаточны для объективной оценки инженерно-геологических особенностей и строительных качеств массивов горных пород.

 Из классификации второй  группы наибольший интерес   представляет классификация горных  пород по коэффициенту трещинной  пустотности Л.И. Нейштадт. Под коэффициентом трещинной пустотности Кт понимается отношение площади трещин (в любой плоскости) Sт  к площади S той площадки, на которой произведено измерение этих трещин, выраженное в процентах: Кт=Sт/S * 100% [1]. Предлагается выделение пяти классов трещиноватости пород:

1. Породы слаботрещиноватые (Кт<2%). Наблюдаются трещины волосные и шириной менее 1 мм, встречаются единичные трещины шириной до 2 мм; трещины большей ширины отсутствуют.

2. Породы среднетрещиноватые (Кт=2-5%). Имеют место трещины от 2 до 5 мм и единичные от 5 до 20 мм.

3. Породы сильнотрещиноватые (Кт=5-10%).  Наблюдаются трещины шириной от 20 до 100 мм.

4. Породы очень сильно трещиноватые (Кт=10-20%). Присутствуют трещины более 100 мм.

5. Породы исключительно сильно трещиноватые (Кт>20%).

В качестве классификационного критерия, несомненно, выбран очень  важный признак, однако из-за значительного  завышения характеристик пустотности, с одной стороны, и по отмеченным выше замечаниям в отношении первой группы классификации – с другой, предложенный Нейштадт Л.И.  классификация также мало эффективна для всесторонней количественной оценки трещиноватости массивов горных пород.

Наиболее совершенной  является классификация М.В.Раца и С.Н. Чернышева, где классификационными критериями выбраны такие важные характеристики, как пустотность и блочность. По этим признакам массивы горных пород подразделены на 16 классов. Практический интерес к этой классификации вызван еще тем, что она содержит такие важные для строительства характеристики. Как коэффициент фильтрации, отношение модуля деформации пород к модулю деформации трещиноватого массива.

Трещинную пустотность массива следует определять, как отношение объема полостей трещин к общему объему массива,  или как отношение ширины трещин к суммарной ширине трещин и блоков горных пород массива (1):

(1),

где b_i-ширина трещин в системе, см; a_i-расстояние между трещинами в системе, см; n-количество трещин в системе.

Блочность – показатель размера блоков горной породы, разделенных трещинами. Она характеризуется средним поперечным размером блока, или объемом блока (2):

(2),

где а₁,а₂,а₃…а_n – средние расстояния между трещинами в системах. Системы трещин нумеруются так, чтобы выполнялось соотношение а₁≤а₂≤а₃≤…≤а_n.

Следует отметить, что получение  достоверных характеристик показателей  трещиноватости возможно лишь при массовых замерах (15-50 измерений отдельных показателей на каждую систему) этих параметров и в результате их статистической обработки согласно требованиям ГОСТ [2].

 

 

Глава 3. 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.

Рис. 3. Роза-диаграмма трещиноватости (Центр Научно Технических Услуг "Инжзащита").

 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. [7]

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.

Рис. 4. Круговая диаграмма  трещиноватости в изолиниях (по В.В. Сухоручкину).

Имеются и другие приемы построения графиков и диаграмм трещин, но при инженерно-геологических  исследованиях наиболее часто применяются перечисленные [5].

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 [7]. 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 [3].

 

 

Заключение

Трещиноватость является важнейшей инженерно-геологической характеристикой скальных и полускальных пород, определяющих состояние массива, его неоднородность, анизотропию физико-механических свойств. Количественная оценка трещиноватости помогает оценить ее роль в изменении свойств массива горных пород, спрогнозировать пространственную изменчивость, характер и интенсивность развития различных геологических и инженерно-геологических процессов.

Практика инженерно-геологических исследований природных трещин в массивах скальных пород показывает, что на поверхности в обнажениях могут быть изучены основные параметры естественных трещин, необходимые для расчета устойчивости откосов современными приближенными методами. Эти параметры (угол и азимут падения трещин, расстояние между параллельными трещинами, шероховатость стенок трещин и средняя их длина) не очень сильно изменяются с глубиной в пределах зоны разгрузки, в местах создания невысоких откосов при строительстве. Ширина трещин и степень их заполнения изменяются с глубиной более существенно, что осложняет исследование трещиноватости для расчета откосов.

Главный недостаток современной методики исследования трещин для расчета устойчивости откосов - отсутствие метода определения глубины ее проникновения в массив, что необходимо в случае подсечения откоса крупной трещиной. Без изучения сетей трещин возможны лишь ориентировочные грубые оценки углов заложения откосов, однако, они лучше интуитивных оценок, которые затруднительны и ненадежны в связи со значительной анизотропией и неоднородностью массивов.

Основными методами оценки устойчивости откосов в скальном массиве:

1. Модель сплошной среды с отдельными поверхностями ослабления, если поперечные размеры элементарных блоков, слагающих массив, в десятки и сотни раз меньше размера области воздействия сооружаемой выемки.
2. Модель дискретных сред для откосов любой высоты.
3. Модель массива горных пород для расчета устойчивости откосов малой высоты.
4. Определение угла откоса в блочном массиве.

Дальнейшее совершенствование методики расчета устойчивости откосов связано с построением новых моделей массива  соответствующих расчетных схем. В этих моделях должна учитываться прерывистость сети трещин, приводящая к существенному увеличению сцепления в массиве.  

Список литературы

1. Красилова Н.С. Анализ характера трещиноватости скальных пород при мелкомасштабной инженерно-геологической съемке части территории, прилегающей к трассе БАМ ж-л «Инженерная геология», 1979, № 4, стр.39;
2. Куцнашвили О.В. К оценке трещиноватости массивов горных пород в зоне пролегания авказской перевальной железной дороги, ж-л «Инженерная геология», 1985, № 4, стр.67-75;
3. Леонов М.П. О построении и использовании карт трещиноватости пород скальных основания гидротехнических сооружений, Труды Гидропроекта, №50, 1976, стр.114-157;
4. Мартынов Ю.И. Оценка интенсивности трещиноватости массива горных пород в геомеханике, ж-л «Инженерная геология»,№1, 1985, стр.94-100;
5. Методические рекомендации по изучению мелкой трещиноватости скальных пород при изысканиях для гидротехнического строительства, Гидропроект, М, Энергоиздат, 1981
6. Михайлов А.Е. Структурная геология и геологическое картировании - М.: Недра. 1973. - 432с
7. Учебное пособие по инженерной геологии / Ред. Г.С. Золотарев. - М., МГУ, 1989.
8. Чернышев С.Н. Трещины горных пород – М, Наука, 1983