Влияние поверхности трещин на сопротивление сдвигу (по с.Е. Могилевской)

Характеристика трещин	Угол внутреннего трения , градус	Сцепление С, МПа
Слабошероховатая, без заполнителя, высота бугорков 3 мм, наклон граней 7 Гладкая То же, притертая, со следами скольжения То же, с заполнителем, влажностью 23–29% мощностью до 8–10 мм Шероховатая, с супесчано-суглинистым заполнителем разной мощности; сдвиг на площади 1,2 и 5 м^2 (данные Д.Д. Сапегина)	36 31 15 26–22 38–41 23–34	0 0 0 0 0,01–0,08 0,05–0,11

В практике инженерно-геологических изысканий применяются различные методы для оценки свойств массива трещиноватых горных пород.

1. Изучение механических свойств пород на образцах малого размера и перенесение лабораторных показателей на массив по коррелятивным зависимостям. Например, между величинами на образцах и в натурных условиях: скоростей упругих волн _р или между динамическим модулем упругости Е_d и модулем общей деформации Е_о.

Из каждой различно трещиноватой породы отбираются образцы (керны) относительно малого размера, на которых сейсмометодом определяются _р и Е_d, а статическим испытанием Е_о. В скважине, в стенках обнажений или горных выработок (шурф, штольня) для тех же пород проводится ультра- и сейсмокаротаж и устанавливаются величины _р и Е_d для слоя или пачки пород, залегающих в естественных условиях. Многочисленными экспериментами на образцах установлена связь между динамическим модулем упругости Е_d и модулем деформации Е_о, то логично предполагать аналогичную зависимость этих характеристик для слоя, пачек и массива пород. Этот метод широко применяется, в том числе при опытах с большими штампами и при прессиометрических испытаниях.

2. Расчетные методы. Разными авторами установлены эмпирические зависимости между показателями прочности, деформируемости пород в массиве и некоторыми показателями свойств образца пород, характеристик трещин и других показателей.

3. Натурные методы оценки влияния трещин на механические и фильтрационные свойства массива пород в условиях естественного залегания. Для установления «масштабного фактора» при характеристике сопротивления сдвигу и модуля деформации трещиноватых пород проводят испытания со штампами разной площади или в скважинах разных диаметров и при разных напряжениях, что определяет различные объемы пород, виды и число трещин, вовлекаемых в эксперимент. При каждом опыте развитие сферы дополнительных напряжений и сжатия трещин пород под штампами контролируются по изменению во времени ν_р, которая определяется методом просвечивания между двумя скважинами.

Влияние трещиноватости на фильтрационные характеристики массива пород и его анизотропию устанавливается опытами поинтер-вальных откачек и нагнетаний в одиночные и в кусты скважин с разными интервалами от 1 до 5 м и более.

Естественное напряженное состояние горной породы определяет ее прочность и деформируемость, водопроницаемость, влияет на развитие таких процессов, как обвалы, оползни, горно-геологические процессы. Горные породы, особенно на больших глубинах испытывают всестороннее сжатие, давление, формирующие определенные величины напряжения.

Выражается естественное напряжение величиной внутренней силы, действующей в массиве горных пород на единицу площади различного сечения массива.

Общее напряжение горной породы формируется следующими частными полями напряжений.

1. Гравитационное напряжение – создается весом породы на различных глубинах, _гр = _*Н, где  – плотность породы, Н – глубина, на которой определяется напряжение.

2. Тектоническое напряжение – _т. Эти напряжения самые динамичные, так как в земной коре происходят постоянно движения разного характера. _т – имеют разную направленность, так как движения происходят в разном направлении. _т – имеют разные величины. Превосходят _гр – в 3–20 раз. Величина достигает сотни МПа.

3. Температурное (геотермальное) напряжение _t – преобладает на больших глубинах.

4. Гидродинамическое напряжение _f – возникает за счет фильтрации, напора подземных вод.

5. Локальное или кристаллизационное напряжение _к – возникает за счет гидратации и кристаллизации, то есть связанное с литогенетическими процессами.

Все эти силы создают естественное напряжение горных пород, которое в массиве может достигать довольно значительных размеров (до сотен и более МПа).

Факторы, от которых зависят величины естественного напряжения, следующие:

1. Глубина погружения бассейна седиментации.

2. Литологический состав пород и их физико-механические свойства.

3. Тектонические структуры и трещиноватость – создают неоднородность напряжение

4. Рельеф – вблизи склонов напряжение больше, чем на равнине.

5. Процессы выветривания.

6. Обводненность пород.

7. Техногенные факторы – создание плотин, водохранилищ, взрывы, нагнетание воды в подземные слои, отвалы пород.

Величина естественного напряжения в массиве весьма изменчива и может быть довольно большой. Так, при строительстве гидротехнического тоннеля на Кавказе вскрыты глинистые породы с напряжением в 4000 МПа.

Разгрузка напряжений, особенно при вскрытии их, может приводить к развитию разных неблагоприятных процессов. Например, первоначальная форма рудоспуска на Кольском полуострове была круглая с диаметром 6 м, через некоторое время под действием естественного напряжения, изменения его, рудоспуск принял форму эллипса с длинной осью в 60 м, породы вокруг его стали сильно раздробленными.

Естественное напряжение горных пород изучается и оценивается для:

1. Обоснование подземного строительства, гидротехнических сооружений, разработки месторождений полезных ископаемых с точки зрения прогноза горно-геологических процессов (горных ударов, стреляния).

2. Для оценки устойчивости высоких склонов, бортов карьеров, прогноза возникновения на них оползней, обвалов и других процессов.

3. Для прогноза землетрясений.

Таким образом, для решения задач инженерной геодинамики и предотвращения негативных последствий развития геологических процессов необходимо изучать все характеристики горных пород, их изменение в пространстве и времени.