757

Степень устойчивости грунтов может определяться в зависимости от конкретных условий как одним критерием, так и их комплексом.

При слабой устойчивости и неустойчивом состоянии грунтов при проходе транспортных тоннелей и метрополитенов рекомендуется закрепление грунтов перед фронтом забоя.

Пример оценки устойчивости грунтов в грунтовом массиве Северо-Муйскоготоннеля.ЖелезнодорожныйСеверо-Муйскийтон- нель пересекает центральную часть Северо-Муйского хребта, расположенного в Забайкальской горноскладчатой области.

Абсолютныеотметкигорныхвершинсоставляютот1400до2000м. Порталытоннелярасполагаютсянаотметкахоколо800м.Максимальная глубина заложения тоннеля составляет около 1000 м (рис. 80).

Грунтовый массив тоннеля сложен гранитоидами Баргузинского комплекса, состоящего из системы пачек: гранитогнейсов, порфировидных средне- и крупнозернистых роговообманковых гранитов и среднезернистых биотитовых гранитов. Общее простирание «пачек гранитов» северо-западное, западное, падение северное и северо-вос- точное. Все разновидности гранитов пересечены дайками и жилами пегматитов и аплитов.

Тектоническая структура грунтовогомассива очень сложная. Массив разбит глубокими сейсмоактивными разломами: Ангараканским, Муяканским, Перевальным и множеством более мелких зон тектонических нарушений шириной от 5 до 200 м на отдельные блоки.

В 4,7 км от западного портала между 20 и 10 пикетами выявлена тектоническая зона мощностью около 730 м. Гранит в зонах тектонических разломов раздроблен до щебня, песка и глины, превращен в тектонит.Суммарнаяширинаразломовитектоническихзонсоставляет около 10 % протяженности тоннеля, т.е. более 1,5 км. Степень трещиноватости гранитного массива изменяется от слаботрещинова- тыхсмодулемтрещиноватости1–2досильнотрещиноватых(Мот6до 30) и раздробленных в зонах тектонических зон (М более 30). Прочность гранитов массива изменяется в широком диапазоне. В массивныхблокахкоэффициенткрепости(поПротодьяконову)составляет8– 10, а в тектонических зонах уменьшается до 0,6. Тектонические зоны заполненыводойиявляютсярезервуаромтрещинно-жильныхподзем- ных вод.

— глинистыйсланец —образуетсяиз глинподдействиемвысокой температуры и давления. Порода разбита на тонкие плитки (рассланцована). Цвет темно-серый, черный (за счет углистого вещества). Порода малопрочная, при выветривании рассыпается на щебенку и труху.

Кристаллическиесланцы— морозонестойкиепороды, интенсивно разрушаютсяпри физическомвыветривании, превращаясьвщебеньи дресву, быстро разрушаются при механическом воздействии. Плот- ностьсоставляет2,3–3,0т/м3,пределпрочности40–120МПаувоздуш- но-сухих образцов, 25–30 МПа — у водонасыщенных. Коэффициент крепости 2–10.

Кристаллическиесланцыприменяютсяпри изготовлении огнеупоров (серпентиновый), в качестве балластного материала на автомобильных дорогах. Применениесланцевв качестве инертных заполнителей в бетонах не рекомендуется, так как они содержат вредные примеси.

Тектониты (милониты, брекчии трения) представляют собой раздробленные перетертые породы, образованные в процессе динамометаморфизма различных исходных пород. Залегают они в зонах тектонических разломов. Тектониты состоят из обломков материнских пород — щебня, дресвы с песчаным и глинистым заполнителем с различной степенью цементации. В естественном залегании они имеют достаточно высокую плотность — 2,6–3,0 т/м3, но прочность их значительно нижеисходных пород (гранитов, песчаников), чтосвязано со сланцеватой текстурой, наличием хлоритов, мелкочешуйчатого мусковита,глинистоговещества.Пределпрочности1–3МПа,коэффи- циент крепости 0,5–1. Тектониты следует относить к классу природных дисперсных грунтов. При строительстве тоннелей зону тектонитов рекомендуется закреплять химическими растворами перед фронтом забоя.

Мраморсостоитиззеренкальцита спримесьюдоломита.Структура кристаллическая различной крупности — мелко-, средне- и реже крупнозернистая. Окраска белая, серая, желтоватая, красная, бурая и даже черная — в зависимости от присутствия красящего вещества (окисловжелеза,органики).Залегаютвформепластов,линз.Вскипает от действия соляной кислоты.

Мраморы образуются в результате перекристаллизации известняков под действием высокой температуры в условиях высокого давле-

222

71

ния (региональный, контактный метаморфизм). В отличие от других метаморфических пород мраморы растворяются в воде с образованием карстовых пустот. В условиях атмосферы подвержены физическому и химическому выветриванию.

Плотность—2,7т/м3,пределпрочности20–140МПа,коэффициент крепости 2–12. Повышенной прочностью обладают мелкозернистые доломитизированные мраморы (до 200 МПа). Твердость — 3 (как у кальцита).

Мраморширокоприменяетсявкачествеоблицовочногоматериала, как стеновой строительный камень, может использоваться как сырье для производства цемента.

Кварцитсостоитиззеренкварца,вкачествепримесимогутприсутствовать слюды, окислы железа. Цвет изменяется от белого через различные тона бурого до черного. Структура кристаллическая, текстура массивная, реже сланцеватая.

Кварцитыобразовалисьврезультатерегиональногометаморфизма кварцевого песка или кремнистых песчаников. Залегают в форме пластов, линз. Плотность кварцитов — 2,8 т/м3, твердость — 7. Кварциты являются самыми прочными породами в составе земной коры. Предел прочности 160–400 МПа, коэффициент крепости 15–30.

Кварциты не растворяются в воде, устойчивы к механическому воздействию, морозоустойчивы, слабо выветриваются и трудно поддаются обработке.

Применяются при возведении фундаментов ответственных сооружений, для облицовки полов станций метрополитена, в качестве щебня в бетонах.

Каменный уголь — полускальный грунт, представляет собой твердуюплотнуюмассучерногоцвета.Образовалсявпроцессетемпературногоизменениярастительныхостатков.Залегаетслоямивтолще аргиллитов и глинистых сланцев. В воде не растворяется. Плотность 1,2–1,5 т/м3. Предел прочности 0,2–10 МПа, чаще ниже 3 МПа. В грунтовом массиве является ослабленной зоной. Присутствие угля в массивегрунтов является причиной разрушительных газодинамических процессов в подземных выработках.

период строительства. При эксплуатации сооружений создается дополнительноегидростатическоедавлениена обделку, еедеформацию. Крометого, подземныеводывыщелачиваютбетон, обводняютконтактную сеть и рельсовые пути, ускоряют их коррозию, существенно понижают прочностные свойства грунтов массива.

17.5.Устойчивость грунтов в подземных выработках

Взависимости от крепости грунтов, степени трещиноватости и обводненности грунтов ориентировочно оценивается устойчивость грунтов в подземной выработке (табл. 35).

Таблица 35

Степень устойчивости грунтов в забое подземных выработок

Степень
устойчивости	Грунты	Инженерно-геологические критерии
грунтовв
забое
Устойчивые	Скальные	Массивные, прочные (fкр = 5…20). Слабо трещинова-
		тые, трещины зацементированы. Тектонические нару-
		шения отсутствуют, капеж отсутствует или очень сла-
		бый
	Глинистые	Твердые, полутвердые без нарушений сплошности. Во-
		допроявления отсутствуют
Средней	Скальные	Массивные, толстослоистые, от прочных до малопроч-
устойчивости		ных (fкр = 2…5). Трещиноватые, слабые тектонические
		нарушения. Слабый капеж
	Глинистые	Полутвердые, тугопластичные, ненабухающие
Слабойус-	Скальные	Толсто-, микрослоистые слабо прочные (fкр = 1…2).
тойчивости		Сильнотрещиноватые с открытыми трещинами. Значи-
		тельные тектонические нарушения. Кливаж. Сильный
		капеж и струи
	Глинистые	Туго- и мягкопластичные. Размокаемые инабухающие.
		Капеж
Совершенно	Скальные	Весьма низкой прочности, раздробленные (fкр = 0,3…1).
неустойчи-		Трещины открытые. Сильные тектонические
вые		нарушения. Водообильные
	Глинистые	Текучепластичные и текучие. Набухающие
	Песчаные	Водоносные

Под устойчивостьюгрунтовпонимают ихспособность сохранятьв забое(в данныхинженерно-геологических условиях, при данном способе горнопроходческих работ и конкретной площади забоя) состояниеравновесия без каких-либоявных деформаций в течениевремени, необходимого для установки крепления.

72

221

			Таблица 34
	Степень водопритоков в подземные выработки
	Характер водо-	Визуальная характеристика	Притокводы
	проявления		в забой, м3/ч
	Грунты сухие,	Грунты в забое воздушно-сухие или влажные. Вода	Нет
	влажные	отсутствует
	Капеж слабый	По забою или со свода капает вода. Образование
		капель и их отрыв легко прослеживается глазами.	0,01–0,5
		Источникомкапежа является пористость грунта и
		отдельные трещины
	Капеж сильный	Капли со свода падают часто. По забою слабо стру-
		ится вода. Отрыв капель с трудом просматривается.	0,5–1,0
		Источник— система трещин
	Приток воды	Из забоя, свода и стен выработки вода поступает
	прерывистыми	частыми каплями, прерывистыми струями. Впечат-	1,0–5,0
	струями	ление сильного дождя. Источник воды – открытые
		трещины и каверны
	Приток воды	По забою и стенам свода обильно струится вода
	сплошными	сплошными струями из открытых трещин и каверн.	До 50,0
	струями	Впечатление ливневого дождя
	Сосредоточенные	Вода поступает сильной струей под напором из	Более 50,0
	выходы воды	крупных открытых трещин или карстовых полостей

Взависимости от химического состава агрессивного вещества определяются виды агрессивности подземных вод (сульфатая, общекислотная, магнезиальная, углекислая и др., см. стр. 147).

Зачастую происходит изменениеагрессивности грунтового массива при строительствеподземныхсооружений. Так, в Киевепри строительстве тоннеля на участке, сложенном водонасыщенными палеогеновыми песками с высоким содержанием пирита и марказита, по даннымизысканийподземныеводынеобладалиагрессивностью.При проходке метрополитена произошло проникновение воздуха, возникла сильная сульфатная агрессия, приведшая кзначительной коррозии чугунных обделок, водопроводных труб и рельсов. В течение одного года эрозиячугунныхтюбинговдостигла5мм,а болтовыескрепления приходили в полную негодность через 3 мес.

Врезультате откачек воды из подземных выработок в грунтовый массив часто поступают подземные воды, загрязненные бытовыми и промышленными стоками, способными существенноизменить агрессивную среду.

Таким образом, неблагоприятное воздействие подземных вод на подземные сооружения проявляется в виде мощных водопритоков в

Глава 6. ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ. ТЕХНОГЕННЫЕГРУНТЫ

Под технической мелиорацией понимается искусственное улучшение свойств природных грунтов (горных пород).

Применение современных способов мелиорации позволяет:

—упрочнить монолитность массива скальных грунтов, разбитых трещинами тектоническими и измененных в результате выветривания;

—улучшить качество дисперсных грунтов в основании зданий и транспортных сооружений (дорог, аэродромов);

—повысить плотность и устойчивость грунтов в теле дорожных насыпей, плотин, дамб;

—понизить водопроницаемость грунтов;

—провести осушение территорий;

—осуществлять мероприятия по борьбе с просадками, набуханием, морозным пучением и другими нежелательными физико-геологи- ческими процессами.

Характеристикатехногенныхгрунтов

Горныепороды(природныегрунты), измененныеи перемещенные человеком в процессе производственной и хозяйственной деятельно-

сти, относятся к классу техногенных грунтов.

Техногенные скальные грунты создаются путем закрепления цементными растворами, жидким стеклом, расплавленным битумом грунтов, залегающих в природных условиях.

Закреплениюподлежаттрещиноватыемагматические, метаморфические и осадочные сцементированные породы, рыхлые обломочные ипылевато-глинистыегрунты.Цементирующеевеществонагнетается под давлениемчерез скважинывтрещины и поры грунта, происходит залечивание трещин, цементация обломочных пород. В итоге образуется водонепроницаемый, прочный слой грунтов с цементационными структурными связями.

Искусственное закрепление осуществляется при строительстве транспортныхигидротехническихтоннелей,укреплениикрутыхсклонов дорожных выемок и подготовке естественных оснований ответственных инженерных сооружений.

Широко применяется искусственное закрепление слабых пылева- то-глинистых, в том числе просадочных лёссовых грунтов методом силикатизации.

220

73

Упрочнениегрунтов происходитвпроцессенагнетания черезскважины жидкогостекла (силикатанатрия). При взаимодействии жидкогостекласкоагуляторомпроисходитцементациягрунта, существенно увеличивается его прочность, он становится водонепроницаемым, превращается в скальный грунт. Лёссовые грунты утрачивают просадочныесвойства. Силикатизацияприменяется при закреплении грунтов, являющихся естественным основанием, до строительства про- мышленно-гражданских сооружений, при закреплении грунтов перед забоем подземных транспортных сооружений, а также при упрочнении грунтов, залегающихвосновании деформированныхсооружений и упрочнении эксплуатируемых насыпей железных и автомобильных дорог.

Прочность техногенных скальных грунтов оценивается величиной предела прочности на одноосное сжатие и зависит от способа закрепления.

Насыпные уплотненные грунты формируются при возведении насыпей железных и автомобильных дорог, плотин и дамб из грунтов (супесей, песков, суглинков)прилегающих выемок или карьеров. При возведении земляных сооружений отсыпку грунта осуществляют слоями мощностью 0,3–1,0 м. Каждый слой грунта уплотняется (трамбованием, укаткой уплотняющей техникой). Для получения максимальной плотности грунта необходимопридать отсыпаемомугрунтуоптимальную влажность.

Оптимальная влажность — влажность грунта, при которой в процессе уплотнения возможно получить максимальную его плотность.

Оптимальная влажность и максимальная плотность определяются опытным путем. В карьере отбирается проба грунта массой 25 кг. В лаборатории она разделяется на 5 частей, каждая тщательно высушивается, перетирается и увлажняется разным количеством воды (100, 150, 200, 250, 300 г). Каждая часть грунта уплотняется в приборе стандартногоуплотнения(рис.11). Определяется масса уплотненного грунта(m),приизвестномобъемецилиндрауплотнителя(V)определяются плотности грунтов в каждом опыте 1, 2, 3, 4, 5 по формуле= m/V и соответствующие им влажности (w). Рассчитываются плотности сухого грунта d = /(1 + w); составляется таблица (табл. 11) и строится график зависимости плотности сухого грунта от влажности

(рис. 12).

—суммарногопритокаводывподземнуюгорнуювыработку,м3/ч;

—удельногопритока водына 1 м2 обнаженной поверхности выработки, л/ч;

—коэффициенту фильтрации;

—коэффициенту водопроводимости Т = Кф · hср, м2/сут, где hср — мощность водоносного пласта.

Степеньобводненностиможетдостигатьболее1000м3/ч.Проходка подземных выработок в грунтовых массивах с высокой водообильностью требует серьезных мероприятий как по предварительному водопонижению, так и в процессе строительства и эксплуатации.

Вовремя быстроговскрытия подземной выработкой водообильного горизонта происходит кратковременный, но весьма большой (от сотен донескольких тысяч м3/ч) водоприток («прорыв»). Он способен затопить выработку и затормозить строительство. Водоприток от десятковдосотен м3/чнеявляетсякатастрофическим посвоемухарактеру, но усложняет проведение работ, ухудшает условия труда.

Для выбора оптимальной конструкции водоотлива необходимо оценить водоприток в его динамике, т.е. в первые часы, и изменение его во времени.

Вначальныйпериодпривскрытииводоноснойтектоническойзоны формируетсямаксимальныйприток.Величинаегоможетбытьрассчи-

тана по выражению Qпр = КфFвырHст, где Fвыр — площадь поверхности выработки, м2; Hст — начальный статический напор, м.

Через промежуток времени водоприток снизится до величины

Ql = КфFвыр.

Так, поданным, приведенным А.Б. Сотниковым, в первыеминуты водопритока (прорыва) на Северо-Муйском тоннеле он составлял 1000 м3/ч при средней величине водопритока за первые 5 ч равной 200 м3/ч, а через 5 ч водоприток снизился до 7,0 м3/ч.

Поступление воды в подземные выработки происходит с разной интенсивностью. Степеньводообильности грунтов при проходкеподземных выработок устанавливается в соответствии с табл. 34.

Химический состав, агрессивность подземных вод. Подземные воды,перемещаясьпопорамитрещинамвгрунтовоммассиве,растворяют горные породы и в итоге превращаются в сложный химический раствор, становятся агрессивными по отношению к строительным конструкциям.

74

219

17.3.1.Загазованность грунтовых массивов

Втрещинах грунтовых массивов и в пустотах пород наблюдается скопление различных газов, существенно осложняющих экологическую обстановку в подземных сооружениях.

Втрещинах интрузивных грунтов кислого состава (гранитах, гранодиоритах, пегматитах) наблюдается содержание радиоактивного радона. Так, выделения радона известны в окрестностях Новосибирска из трещин гранитных интрузий Колыванского, Новосибирского и Барлакского массивов. Выделение радона обусловило образование радоновых вод в районе с значительной концентрацией радона (до

1290 эман).

Втрещинахкарбонатныхпород,вкарстовыхпустотахнаблюдается

скопление сероводорода H2S и углекислого газа, которое значительно повышает химическую агрессивность к строительным конструкциям подземных сооружений.

Вполускальныхгрунтахглинистогосостава:аргиллитахи алевролитах с содержанием органики (бурых и каменных углей) обычно содержится рудничный газ — метан, который способен возгораться и является взрывоопасным.

Высокое содержание газов в грунтах при проходке подземных сооружений вызывает газодинамические явления и подземные пожары.

17.4.Обводненность грунтовыхмассивов

Обводненность грунтового массива определяется статическими и

динамическими запасами подземных вод.

Статические запасы представляют объемы воды, находящиеся в водоносных пластах, карстовых пустотах, трещинах горных пород.

Статические запасы являются источником и причиной значительных притоков воды и даже катастрофических прорывов в подземные выработки. Помересработкистатических запасов происходитснижение притоков.

Динамические запасы равны расходу воды в единицу времени, м3/сут, протекающей через поперечное сечение водоносного горизонта. Динамические запасы находятся в зависимости от водопроницаемости водоносных горизонтов и условий возобновления. Их объемы рассчитываются по формуле закона Дарси.

При строительстве подземных сооружений общая обводненность массива грунтов оценивается по показателям:

Рис. 11. Прибор стандартного уплотнения грунтов:

1 — ограничительное кольцо; 2 — стойка со штампом; 3 — груз; 4 — зажимное кольцо; 5 — зажимные винты; 6 — поддон; 7 — разъемный цилиндр; 8 — верхний стакан-насадка

Таблица 11

Результаты опытного уплотнения грунта

Номер пробы	1	2	3	4	5
Плотность уплотненного грунта , г/см3	1	2	3	4	5
Влажность уплотненного грунта w	0,10	0,12	0,15	0,18	0,20
Плотность сухого грунта d, г/см3	1,5	1,8	2,0	1,6	1,4

По графику определяется максимальная плотность d = 2,0 г/см3 и оптимальная влажность wопт = 0,15. Опыт проводится не менее пяти раз,определяютсясредниевеличинымаксимальнойплотностииоптимальной влажности, и эти величины рекомендуются в качестве контрольныхдляуплотнениягрунтоввнасыпи.Послеуплотнениякаждого слоя насыпи осуществляется контроль качества уплотнения (геотехконтроль).

Величиныоптимальнойвлажностиимаксимальнойплотностиразличны для разных видов грунтов (табл. 12).

218

75

Рис. 12. График зависимости плотности сухого грунта от его влажности при уплотнении

Мощность отсыпаемого слоя грунта и количество проходов по одномуследууплотняющей техники определяется впроцессеотсыпки и уплотнения опытной насыпи.

Повышенные требования к качеству уплотнения предъявляются к засыпкам между бортами котлована и конструкциями подземных сооружений,фундаментамипромышленныхигражданскихсооружений и при устройстве водопропускных труб на дорогах (рис. 13).

Таблица 12

Значения оптимальной влажности и максимальной плотности различных видов грунтов

Грунт	Число пла-	Влажность опти-	Плотность макси-
	стичности	мальная, доли ед.	мальная скелета
			грунта, г/см3
Супесь лёссовая	4	0,13	1,89
Суглинок легкий	11	0,19	1,76
Суглинок тяжелый	13	0,20	1,73
Глина легкая	19	0,20	1,68
Глина легкая заторфованная	23	0,22	1,57
Аргиллит	—	0,10	1,93
Алевролит	—	0,11	2,00

—пространственное расположение каждой системы трещин: азимуты простирания, падения и угол падения трещин;

—морфология отдельных трещин и их систем: длина, ширина, степень раскрытости, характер поверхности стенок трещин, степень заполнения трещин и состав заполнителя;

—количественную оценку степени трещиноватости грунтов проводят по модулю трещиноватости М, размерам блоков, отделяемых трещинами (табл. 33) и коэффициенту трещинной пустотности. Модуль трещиноватости М — число трещин на 1 линейный метр забоя, стены.

Таблица 32

Степень трещиноватости грунтов по величине водопоглощения в скважине

	Характеристика грунта				Коэф.фильт-	Удельное водопо-
					рации, м/сут	глощение, л/мин
	Нетрещиноватый, практически водоупорный				Менее 0,01	Менее 0,005
	Слаботрещиноватый, оченьслабо				0,01–0,1	0,005–0,05
	водопроницаемый
	Слаботрещиноватый, слабо водопроницаемый				0,1–10	0,05–5
	Трещиноватый, водопроницаемый				10–30	5–15
	Сильнотрещиноватый, сильно водопроницаемый				30–100	15–50
	Раздробленный, оченьсильно водопроницаемый				Более 100	Более 50
						Таблица 33
	Степень трещиноватости грунтов по величине модуля
		трещиноватости
	Степень	Число	Объемблоков, расстояние между трещинами
	трещиноватости	трещин М
	Нетрещиноватые	Отсутствуют	Грунты разбиты на крупные блоки до 10 м3.
			Видимые трещины отсутствуют
	Слабо трещиноватые	1–2	Объем блоков от 0,5 до 6,0 м3. Среднее рас-
			стояние между трещинами 0,7 ми более
	Трещиноватые	3–5	Объем блоков 0,2–0,7 м3. Расстояние между
			трещинами 0,2–0,7 м
	Сильно трещиноватые	6–30	Объем блоков 0,001–0,1 м3. Расстояние между
			трещинами 0,2–0,05 м
	Раздробленные	Более 30	Грунт раздроблендо щебня идресвы. Объем
			менее 0,05 м3

Числотрещин определяетсянадвухперпендикулярныхплоскостях (забой и стена) на длине, превышающей среднее расстояние между трещинами в 8–10 раз. Учитываются трещинывсех систем, независимо от их раскрытия и заполнения вторичными образованиями.

76

217

на глубинах до30м. Вдоль тектоническихразломовглубина развития трещин выветривания увеличивается.

Техногенные трещины возникают при взрывных работах или подработке горных пород подземными выработками.

Перечисленные генетические (по происхождению) типы трещиноватости горных пород составляют системы трещин, разбивающие массив скальных грунтов на отдельные блоки.

При инженерно-геологических исследованиях грунтовых массивовиизучениитрещиноватостискальныхгрунтовиспользуетсяметод колонкового бурения. О степени трещиноватости грунтов можно судить на основании:

—учета выхода керна, определяемого по отношению, %, суммы кусков керна длиной 10 см и более(полученных при бурении)к длине исследуемого интервала в скважине (метод RQD). В зависимости от величины RQD выделяется 5 состояний грунтов (табл. 31);

—наблюдений за «проскоками» бурового снаряда при пересечении пустот и трещин;

—наблюдений за расходом промывочного раствора, по которому можно выделить зоны различной трещиноватости;

—проведения опытных наливов воды в скважины (или опытных откачекизводонасыщенныхгрунтов).Принагнетанииводывскважиныпроисходитводопоглощение, повеличинекоторогокосвенноможно судить о трещиноватости грунтов. По величиневодопоглощения и водопроницаемости (коэффициенту фильтрации) грунты классифицируются по степени трещиноватости (табл. 32).

—осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью телевизионных приборов (фотокаротаж).

Таблица 31

Степень трещиноватости по выходу керна при бурении

Величина RQD	Состояние грунта
90–100	Ненарушенное (нетрещиноватое)
75–90	Незначительно нарушенное (незначительно трещиноватое)
50–75	Слабо нарушенное (трещиноватое)
25–50	Сильно нарушенное (сильно трещиноватое)
0–25	Весьма сильно нарушенное (раздробленное)

При проходе подземных выработок (штолен, тоннелей) и обследованииестественныхобнаженийскальныхгрунтовисследуютсяследующие вопросы трещиноватости:

Рис. 13. Насыпные уплотненные грунты: у стен подземного сооружения (1); у стен фундамента ПГС (2); у водопропускной трубы (3); 4 — уплотненный грунт;

5 — котлован; 6 — асфальтное покрытие

Грунты, уплотненные в природном залегании, создаются чаще всего для ликвидации просадочных свойств лёссовых грунтов. После проходки котлована в лёссовых грунтах на его дно отсыпается слой щебнямощностьюдо10смизаливаетсявода.Послевпитыванияводы в грунтвлажность уменьшаетсядо величины, соответствующей оптимальной влажности, в котлован устанавливается кран с подвешенной тяжелой трамбовкой и производится уплотнение грунта по всей площади котлована. В результате грунт уплотняется на глубину до 3 м. После завершения работы осуществляется контроль качества уплотнения и определяется величина остаточной относительной просадочности.

Глубинноеуплотнениелёссовыхпылевато-глинистыхгрунтовпро- изводят путем сооружения грунтонабивных свай.

На строительной площадке или в котловане проходят серию буровых скважин на глубину просадочной толщи. Скважины заполняют грунтом с послойным уплотнением. В итоге лёссовые грунты теряют просадочныесвойства,агрунтовый массивсущественноупрочняется.

Для повышения плотности песчаных грунтов широко применяется виброуплотнение.Приуплотненииоснованийсооружений,оснований насыпей и песчаных подушек используют вибрирующие плиты. Глубинныевиброуплотненияпроизводятглубиннымивибраторамиспредварительным насыщением песков водой.

Для уплотнения структурно неустойчивых водонасыщенных грунтов(торфов, илов, сапропелей)производят отсыпкунаихповерхность обломочных грунтов (песков, галечников, гравия)слоями мощностью 2–3 м. Под давлением нагрузки происходит отжатие воды и уплотнение грунтов.

216

77

Термически закрепленные грунты — грунты, обожженные вы-

сокими температурами в условиях естественного залегания. Такой способ закрепления грунтов чащеприменяется для устранения просадочных свойств лёссовых грунтов. В грунтовом массиве проходятся буровые скважины, в них подаются высокотемпературные газы или солярка, сжигаемая в скважине.

В результате воздействия высоких температур (до 1 000 °С) вдоль скважиныобразуетсястолбобожженногогрунта(каккирпич)диамет- ромдо1–1,5м.Лёссовыйпросадочныйгрунтпревращаетсявпрочный скальный грунт.

Мерзлые техногенные грунты — природные водонасыщенные грунты (как скальные, так и дисперсные), искусственно промороженные в условиях естественного залегания для временногозакрепления. Замораживаниеиспользуетсявцеляхпредотвращенияпроникновения воды в котлован будущего промышленно-гражданского сооружения или в подземное транспортное сооружение (тоннель, метро).

Для этого вокруг будущего котлована или площади вдоль контура подземного сооружения бурят скважины по сетке с интервалом 1,0– 2,0 м. От холодильной установки в скважины подается холодный раствор (хлористый кальций с температурой до –17 °С или фреон). В результате промораживания образуется ледопородное ограждение вокруг котлована или ледопородный массив, препятствующий проникновению воды в выработки. По окончании работ осуществляется тщательная гидроизоляция подземной части сооружения, подача холода прекращается, лед тает.

Намывныегрунты — техногенные грунты, перемещенные и уложенныесиспользованиемсредствгидромеханизации.Намывныегрунты создаются в процессе намыва песков, гравия, галечников с песчаным заполнителем, золы ТЭЦ при застройке заболоченных территорий, речных пойм и замыве оврагов.

Посленамыва грунтимеетрыхлоесложениеи высокуювлажность. Со временем происходит уменьшение влажности и грунт постепенно самоуплотняется. Довольно быстро повышается плотность у крупнообломочных грунтов: галечника, гравия, крупного песка). Мелкопылеватые пески достигают плотность, соответствующую плотности речных верхнечетвертичных песков, через 8–10 лет.

путем 15или 25-кратного их замораживания и оттаивания. Грунт считается морозостойким, если после многократного замораживания не имеет внешних признаков разрушения, и его прочность снижается не более чем на 25 %.

17.3. Трещиноватость скальных грунтов в массиве

Трещиноватость скальных грунтов является решающим фактором при инженерно-геологической оценке массива. С появлением трещин в массиве грунтов их прочность существенно снижается, на крутых склонах рельефа возникают обвалы, в подземных транспортныхсооруженияхпроисходитобрушениекровли,образуютсявывалы, усложняется производство работ. Различают первичные трещины, возникающие в процессе формирования горных пород. В осадочных породах различают трещины по слоистости, в магматических — трещины отдельности (при остывании магмы), в метаморфических — по сланцеватости, трещины «кливажа».

К вторичным трещинам относятся: тектонические, трещины выветривания, отпора и техногенные.

Тектонические трещины развиваются в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах под действием тектонических сжимающихи растягивающих усилий, превышающих предел прочности пород. Характерной особенностью этих трещин является выдержанность по простиранию и большая глубина их распространения (до десятков километров).

В тектонических трещинах скалывания наблюдаются притертые стенки с зеркалами скольжения, свидетельствующие о перемещении по ним блоков пород.

Тектонические трещины отрыва обычно открытые (зияющие), часто заполнены продуктами дробления материнских пород (тектонитом) и привнесенным песчано-глинистым материалом. Как правило, эти трещины содержат воду, и они обусловливают большие притоки подземных вод в подземные выработки.

Трещины бортового отпора образуются на обрывистых склонах гор, речныхдолин. Ониориентированыпараллельносклонаминередко способствуют возникновению обвалов и вывалов.

Трещины выветривания образуются в породах любого состава и происхождения и обусловлены процессами выветривания. Наиболее широко они распространены в приповерхностной зоне горных пород

78

215

17.2.4. Абразивность, буримость и морозоустойчивость скальных грунтов

Абразивностьюназываютспособностьскальныхгрунтовистирать при трении инструменты, разрушающие горные породы. Абразивностьгрунтовоценивается потерей массы, мг, тупогоцилиндрического стержня (диаметром 8 мм) из углеродистой стали в процессе истирания егоо грунт при вращении со скоростью 400 об./мин под осевой нагрузкой 1,5 МПа в течение 10 мин. Все грунты по абразивности разделяются на восемьклассов:от весьма малоабразивныхдовысшей степени абразивных (табл. 30).

Таблица 30

Шкала абразивности скальных грунтов (по Л.И. Барону и А.В. Кузнецову)

		Показатель
	Класс абразивности	абразивности,	Грунты
		мг
	I. Весьма малоабразивные	До 5	Известняк, мрамор, мергель
	II. Малоабразивные	5–10	Аргиллит, алевролит; сланцы:
			хлоритовый, глинистый, углистый
	III. Ниже средней абразив-	10–18	Роговик, магматические тонкозернистые
	ности		породы, тонкозернистые песчаники
	IV. Среднеабразивные	18–30	Кварцевые песчаники, диабаз, базальт
	V. Выше среднейабразив-	30–45	Песчаник кварцевый, мелкозернистый
	ности		гранит, диорит, габбро, гнейс
	VI. Повышенной абразив-	45–65	Крупнозернистые гранит, диорит, гнейс,
	ности		порфирит
	VII. Высокоабразивные	65–90	Граниты, кварциты
	VIII. В высшейстепени	Более 90	Корундосодержащие грунты
	абразивные

Буримость характеризует степень сопротивляемости скального грунта разрушению буровым инструментом. Показателем буримости принято считать либо длину шпура (мм, см), пробуренного за 1 мин чистоговремени бурения, либочисломинутчистоговремени бурения 1м шпура при стандартных условиях. Показатели буримости грунтов служат для нормирования процессов бурения и классификации грунтов по буримости.

Морозоустойчивость скальных грунтов характеризует их способность сохранять физическое состояние (не разрушаться) и прочность при воздействии отрицательных температур. Морозоустойчивость грунтов определяется методом испытания в морозильных камерах

При дорожном строительстве в северных районах Сибири создают накартахгидронамывазапасыпеска,которыйвпоследствиииспользуется при возведении насыпи.

Улучшенные техногенные грунты — природные пылевато-гли-

нистые и песчаные грунты, укрепленные добавками углекислой известиилипортландцемента.Обычноприменяютсявавтодорожномстроительстве. Лучшие результаты достигаются в лёссовых супесях и суглинках с высоким содержанием катиона Ca.

Цементирующеевещество вводят в измельченный грунт при оптимальнойвлажности(wопт).Подготовленнаясмесьна дорогеуплотняется до максимальной плотности. В грунтах образуются прочные кристаллизационныесвязи, повышается прочностьгрунтов, уменьшаются набухание, пластичность и размокаемость.

Укрепленные техногенные грунты — дисперсные грунты, ук-

репленныеорганическимивяжущими:добавкамижидкогобитумаили каменноугольного дегтя.

При укреплении грунтов битумом необходимо предварительное измельчение его, тщательноеперемешивание смеси, увлажнение смеси до оптимальной влажности и последующее уплотнение до максимальной плотности.

Грунты, укрепленные синтетическими смолами (карбамидо-

формальдегидными,кремнийорганическимиидр.).Добавками —син- тетическими смолами — можно укреплять различные дисперсные грунты(песчано-гравийные,пески,глинистыесчисломпластичности менее 17 и кислотностью (pH) не более 7,4.

Песчаные и супесчаные грунты, укрепленные смолами, обладают высокой морозостойкостью, выдерживают более 150 циклов замора- живания—оттаивания.Применениенекоторыхсинтетическихсмолв порошкообразном состоянии рекомендуется для укрепления переувлажненных грунтов в районах Севера и Сибири. Укрепленныесмолами песчаныеи глинистыегрунты, при расходевяжущихот 4до9 %от массыгрунта,приобретаютводостойкостьизначительнуюпрочность. Модуль деформации укрепленных грунтов достигает 120 МПа (Э.М. Добров).

214

79

Глава 7. ЭНДОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕКТОГЕНЕЗ.ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

7.1. Тектогенез

Тектогенез—совокупностьэндогенныхгорообразовательныхпро- цессов, приводящих к деформациям земной коры, формированию ее тектонических структур, вызывающих разрушительные тектонические землетрясения.

Земная кора находится в постоянном движении. Ежегодно на Землепроисходит до100 тыс. землетрясений, часторазрушительных. 6октября1948г.врезультатеземлетрясенияразрушенгородАшхабад, погибли более 100 тыс. чел. В марте 2011 г. при землетрясении в Японии погибли более 25 тыс. чел., разрушена атомная АЭС.

Постояннонаблюдаютсямедленныеколебательныедвиженияземной коры, в результате которых происходят опускания и поднятия земной поверхности. Эти движения и изменения земной коры происходят под действием внутренних эндогенных сил Земли.

Тектонические процессы, происходящие на Земле, в настоящее время объясняются теорией тектоники литосферных плит. Сущность теории заключается в следующем. Литосфера (земная кора + + верхний слой мантии) разбита на серию плит (рис. 14): Евразийская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская, ИндоАвстралийская, Тихоокеанская, Антарктическая и несколько мелких: Анатолийская,Аравийская,Китайская,Охотская,Филиппинская,Наска, Карибская, Эгейская. Эти плиты перемещаются по пластичному слою астеносферы со скоростью до 10 см в год.

Перемещение плит происходит в результате тепловой конвенции вещества мантии, действия восходящихпотоковгорячего вещества из магматических очагов и гравитационных сил, отталкивающих плиты от срединных океанических хребтов.

Так, в срединно-атлантическом хребте расплавленный материал выдавливаетсяизастеносферывверх,остываетиобразуетновуюкору, врезультатечегоамериканскиеплитыотодвигаютсяотЕвразийскойи Африканской. Это, в свою очередь, приводит к сталкиванию плит: вдоль западного побережья Южной Америки Южно-Американская плита надвигается на океаническую плиту Наска. В итоге происходит смятие пород, образуются горные цепи. Вдоль контакта (зона Беньофа) происходят землетрясения (Перу — 1970 г., Чили — 2010 г.).

Коэффициент крепости fкр — условный показатель, характеризующий грунт по степени устойчивости его в подземной выработке: степени сопротивления сжатию, разрабатываемости и давлению на крепь.Повеличинекоэффициентакрепостивсегрунтыподразделяютсяна 10категорий (см. табл. 29). Измеряетсякоэффициент крепости в безразмерных единицах.

Таблица 29

Классификация грунтов по коэффициенту крепости (по М.М. Протодьяконову)

	Коэф.		Плот-	Угол внут-	Коэф.
			ность	реннего	удельного
	крепо-	Грунты
			грунта,	трения ,	отпора,
	сти fкр
			г/см3	град.	кН/см3
	20–25	I. В высшей степени крепкие: кварцит,
		диабаз, базальт	2,8–3,0	87–88	50–60
	15–20	II. Очень крепкие: гранит, диорит,
		габбро, кварцевыйпорфир	2,6–2,9	84–87	40–50
	10–15	III. Крепкие: гранит, порфирит, кремни-
		стые песчаники и конгломераты	2,5–2,7	82–85	20–40
	8–10	Мрамор, песчаник, известняк	2,3–2,7	78–82	15–20
	6–8	IV. Довольно крепкие: выветрелые
		магматические породы, кристаллические
		сланцы	2,3–2,5	75–78	10–15
	4–6	V. Средние: известковые песчаники и
		конгломераты, глинистый сланец, мер-
		гель	2,3–2,5	65–75	4–15
	2–4	VI. Довольно мягкие: ракушечник, мел,
		аргиллит, алевролит, вулканический туф	1,5–2,4	60–65	1,5–4
	1,5–2	Глинистые: алевролит, аргиллит и песча-
		ник, гипс, каменный уголь, щебень, га-
		лечник, глина твердая	1,6–2,0	30–40	1–1,5
	0,8–1	VII. Мягкие: глина с щебнем, твердый
		суглинок, гравий, мягкий уголь	1,6–1,9	28–30	1
	0,6–0,8	VIII. Землистые: суглинок, супесь, сы-
		рой песок, торф	1,6–1,7	25–28
	0,5–0,6	IX. Сыпучие: песок, гравий, осыпи,
		добытый уголь	1,6–1,7	20–25
	0,1–0,3	X. Плывучие: плывуны, болотный
		грунт, илы	1,5–1,8	9–14

На величину fкр влияют минералогический состав грунта, структура, текстура, трещиноватость, выветрелость. Поэтому один и тот же грунтможетхарактеризоватьсяразличнымизначениямикоэффициента крепости и относиться к различным категориям.

80

213