Магматизмом называется процесс образования, движения и застывания магмы, происходящий в глуби земной коры или на ее поверхности. Магмой называется расплав горных пород. Магма образуется из мантийного вещества при переходе последнего из твердого состояния в жидкое. Предположительно, этот процесс происходит в астеносфере в результате падения давления при ее разломе. Помимо этого, формирование очагов жидкой магмы может быть обусловлено разного рода физико-химическими процессами, протекающими в мантии. Соответственно месту застывания магмы, магматизм подразделяют на интрузивный (глубинный) и эффузивный (поверхностный). Интрузивныймагматизм иначе называется плутонизмом. Он включает образование магмы, ее движение и застывание внутри земной коры.

Интрузивный магматизм и интрузивные горные породы

1.Интрузивныймагматизм и интрузивные горные породы

Предположительно, этот процесс происходит в астеносфере в результате падения давления при ее разломе. Помимо этого, формирование очагов жидкой магмы может быть обусловлено разного рода физикохимическими процессами, протекающими в мантии. Соответственно месту застывания магмы, магматизм подразделяют на интрузивный (глубинный) и эффузивный (поверхностный). Интрузивныймагматизм иначе называется плутонизмом. Он включает образование магмы, ее движение и застывание внутри земной коры.

Интрузивные горные породы(а. intrusiverocks, irruptiverocks; н. Intrusionsgesteine; ф. rochesintrusives; и. rocasintrusivas) — магматические горные породы, образовавшиеся в результате кристаллизации магмы в глубинах земной коры и мантии.Характерные признаки интрузивных горных пород — резкие секущие контакты слагаемых ими тел по отношению квмещающим породам, полнокристаллической структуры, равновесности минеральной ассоциации. Формирование их происходит в условиях медленного охлаждения под большим давлением и при активном участии летучих компонентов, которые способствуют кристаллизации минералов и понижают температуру застывания магмы. По глубинам образования различают интрузивные горные породы: абиссальные, образовавшиеся на больших глубинах (свыше 5 км), мезоабиссальные — на средних, гипабиссальные — на небольших глубинах и занимающие по условиям залегания и по своей структуре промежуточное положение между глубинными и эффузивными горными породами.Абиссальные интрузивные горные породы более крупнозернистые по сравнению с породами малоглубинных инъекций, нередко тонкозернистых и содержащих стекловатую фазу, что связано с быстрым остыванием расплавов в приповерхностных условиях. В зависимости от глубины внедрения интрузии интрузивные горные породы образуют различные интрузивные тела. По химическому составу интрузивные горные породы широко варьируют. Распространены силикатные интрузивные горные породы, более редки несиликатные интрузивные горные породы (карбонатиты,апатитовые породы, сульфидные породы и др.).^{^[1]}

Поднимающаяся из недр Земли магма не всегда прорывает земную кору и изливается на ее поверхность. Чаще магма, медленно остывает и отвердевает на более или менее значительной глубине. Образовавшиеся таким путем тела называются интрузивными телами, интрузиями, или интрузивами. Они разделяются на две группы: глубинные массивы и инъекционные тела.

Интрузивные массивы

Батолит (от греч. batos — глубина, 1itоз — камень) — это очень крупное магматическое тело, уходящее на большую глубину. Батолиты чаще всего располагаются в центральных частях горноскладчатых сооружений и простираются на сотни километров.

Площадь, занимаемая выходом батолита, иногда составляет десятки и сотни тысяч квадратных километров. Батолиты обычно сложены высококремнистыми магматическими породами — гранитами, гранодиоритами, реже сиенитами. Ранее предполагали, что батолиты внедрения, пронизывающие всю толщу земной коры. В дальнейшем с помощью геофизических методов исследования было установлено, что батолиты располагаются вглубь не более чем на 10 км.

Образование крупных батолитов загадочно и трактуется разными учеными неоднозначно. Согласно мнению одних исследователей батолиты образуются в результате поднятия крупных масс магмы, которая обрушивает и расплавляет горные породы, ассимилируя их. Другие ученые полагают, что крупные батолиты образовались главным образом за счет процесса гранитизации осадочных и других горных пород. Этот процесс связывают с восходящими (по крупным трещинам и разломам) потоками магматических флюидов. Высокотемпературные флюиды глубинного происхождения проникают по трещинам и разломам земной коры из верхней мантии в результате ее дегазации. Проникшие флюиды в условиях высокой температуры и огромного давления способствуют расплавлению горных пород, их переработке, и изменению состава. Большое значение при этом играют подвижные компоненты — вода, углекислота, калий, натрий и др. В итоге образуются минералы, из которых состоят граниты.

Штоки глубинные магматические тела сравнительно с батолитами небольших размеров, неправильной формы, близкой к цилиндрической. Они обычно приурочены к зонам повышеннойтрещиноватости, к узлам пересечения различных тектонических трещин. Их размеры также различны, местами достигают десятка и более километров в диаметре. Площадь их не более 100— 200 км2. Штоки нарушают, деформируют вмещающие породы и сами состоят из горных пород разного состава.

Инъекционные магматические тела

Они образуются в результате внедрения магмы под давлением и по сравнению с глубинными интрузивными телами имеют небольшие размеры. По соотношению с вмещающими горными породами они делятся на согласные и несогласные, секущие под различными углами вмещающие горные породы. К согласным относятся силлы (пластовые интрузии), лакколиты, лополиты, факолиты. К несогласным (секущим) дайки, некки.

Согласные инъекционные тела

Силлы образуются путем внедрения главным образом основной магмы вдоль поверхностей напластования осадочных пород на небольшой глубине. Они как бы раздвигают слои вмещающих пород, что связано с расклинивающим действием пород и газов магмы. Эти межслойные пластообразные интрузии могут быть единичными, но нередко в одном и том же геологическом разрезе наблюдается несколько таких интрузивных тел, чередующихся со слоями вмещающих пород. Хорошо известны пластовые интрузии (силлы) Сибирской платформы, перемежающиеся с породами триасовой и пермской систем. В этом чередовании участвуют и эффузивные покровы, возникшие в результате неоднократных трещинных извержений основной лавы и образующие мощную, так называемую трапповую формацию (траппы - общее название гипабиссальных полуглубинных и эффузивных горных пород основного состава, развитых на платформе).

Лакколиты (от греч. lakkos — яма) представляют собой грибообразные, или караваеобразные, тела размером от сотен метров до 5— б км и более. Их верхняя поверхность выпуклая, нижняя более или менее плоская, и к ней подходят подводящие каналы. В их формировании участвуют кислые и средние магмы, местами щелочные. Покрывающие их слои горных пород механически нарушаются, они изгибаются, принимают форму контуров лакколитов.

Лополиты (от греч.Iораs — чаша) представляют собой межпластовые интрузивные тела блюдцеобразной формы, состоящие преимущественно из пород основного состава. Местами они достигают очень больших размеров, как, например, лополитБушвельда в Южной Африке длиной свыше 300 км.

Факолиты (от греч. phakos— чечевица) относительно небольшие тела преимущественно основного состава, образующиеся в сводовых частях складок. Они имеют чечевицеобразную, а в разрезе серповидную форму. Несогласные инъекционные тела. Среди них также выделяется несколько форм

Некки (от англ. neck — шея), или вулканическиежерловины, являющиеся частью древних вулканических аппаратов центрального типа. Они заполнены застывшей магмой, иногда содержащей обломочный материал. В некоторых случаях некки почти целиком заполнены вулканическим обломочным материалом, особенно в верхней части, который ниже может переходить в застывшую магму. Диаметр округлых или овальных некков от нескольких метров до 1—1,5 км.

Дайки (от шотл. dyke — стена) представляют собой плоские плитообразные магматические тела, образованные в результате внедрения магмы в вертикальные или наклонные трещины в земной коре. Их слагают породы различного состава, от ультраосновных до кислых с преобладанием основных. Мощность (толщина) даек колеблется от нескольких сантиметров до десятков, Иногда сотен метро3 и даже километров. Длина их также различна — от десятков метров до десятков Километров, редко до сотен километров.

Крупнейшая из Известных Большая дайка в Зимбабве (Южная Африка) Протягивается на 540 км и имеет мощность от 3 до 13 Км. Дайки часто располагаются группами. Помимо прямолинейных даек встречаются кольцевые, развивающиеся по окружности около какого-либо более крупного интрузивного тела или вокруг вулканических центров.

В отличие от даек имеются трещинные интрузии не столь правильной формы с различными изгибами, ответвлениями, отличающиеся невыдержанной мощностью. Такие трещинные интрузивы называют магматическими жилами В этих жилах встречаются самые различные породы, но чаще основного состава. Жилоподобные ответвления от интрузивных тел называются апофизами (от греч.арорhisis - отросток).^{^[2]}

2. Физико-механические свойства песчано-глинистых пород и методы их

определения

Данные о инженерно-геологических и физико-механических свойствах пород используются при детальном инженерно-геологическом картировании, инженерно-геологических изысканиях для различных видов наземного и подземного строительства и др.

Физико-механическими свойствами горных пород следует называть такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости. Соответственно различают свойства физические, водные, механические. Физикомеханические свойства рыхлых песчано-глинистых отложений существенно отличаются от свойств скальных и полу скальных пород.

Физико-механические свойства песчано-глинистых пород

Главнейшими физическими свойствами песчаных и глинистых пород являются гранулометрический состав, прочность, пористость и влажность. Эти свойства взаимозависимы и в целом выражают их физическое состояние как в условиях естественного залегания, так и в земляных сооружениях (плотинах, дамбах, насыпях и др.). По основным физическим свойствам можно косвенно судить о прочности, деформируемости и устойчивости песчаных и глинистых пород, а также об их изменении под влиянием геологических процессов или искусственных факторов.

К числу дополнительных характеристик глинистых пород относится их консистенция, а песчаных – относительная плотность.

Гранулометрический состав – содержание в породе частиц различной крупности (фракции), выраженное в процентах к массе абсолютно едкого образца. Различают гранулометрический состав связанных пород (глинистых и лессовых) и несвязанных пород (песчаных и крупнообломочных). Размеры фракции подразделяются в соответствии с классификацией В. В. Охотина.

В соответствии с этой классификацией по гранулометрическим элементам выделяются:

А) валуны – более 200мм

Б) галька и щебень – 40-200 мм

В) гравий – 2-40 мм

Г) песок – 0,05-2 мм

Д) пыль – 0,001-0,05 мм

Е) глина – менее 0,001 мм.

1. Плотность минеральной части породы – отношение массы твердых частиц к их объему. Плотность породы не зависит от ее пористости и влажности, а определяется плотностью слагающих пород минералов и присутствием органических веществ.

γ_м=g1/v1 (1)

g₁– вес твердой части (скелета) породы, г v₁– объем твердой части (скелета) породы, куб. см.

Плотность минеральной части горных пород выражает среднюю плотность слагающих их минералов. Плотность главнейших

породообразующих минералов песчаных и глинистых пород изменяется в сравнительно небольших пределах, вследствие чего и плотность минеральной части большинства этих пород изменяется мало, например от 2,65 г/см³(супеси, пески) до 2,75 г/см³у тяжелых разностей глин. Вообще величина плотности породы (по мнению Польшиной) составляет для песков – 2,66, для супесей – 2,70, для глин – 2,74 г/см³.

2. От плотности минеральной части следует отличать плотность породы (γ), или объемная масса, под которой понимают массу единицы ее объема при естественной влажности и сложении. Она определяется плотностью минеральной части, пористостью и влажностью породы и описывается уравнением:

γм=g1/v1+ g2/v2 (2)

g₁– вес твердой части (скелета) породы, г

g₂ – вес воды, полностью или частично заполняющей поры породы v₁– объем твердой части (скелета) породы, см³.

v₂ – объем пор в породе, см³

Обычно, чем выше плотность минеральной части, тем выше плотность породы, чем больше пористость, т.е. чем более рыхлую упаковку имеют частицы, тем меньше ее плотность. Чем более уплотнена пород, тем меньше ее плотность, отличается от плотности минеральной части.

Величина плотности влажной пород (объемной массы) непостоянна и изменяется в зависимости от количества содержащейся в ней воды.

3. От плотности породы следует также отличать плотность ее скелета (γ_ск), под которой понимается масса единицы объема ее минеральной части (твердой) естественного сложения, т.е. масса единицы объема сухой породы естественного сложения.

γ_ск=g₁/v₁+v₁, г/см(3)

Плотность скелета породы можно определить по данным плотности породы (γ) и весовой влажности (W) в долях единицы:

γ_ск=γ/1+W (4)

Если весовую влажность выражать в процентах, то формула для определения плотности скелета породы примет вид:

γ_ск=γ/1+0,01W (5)

4. Плотность является важным физическим свойством песчаных и глинистых пород, выражающим их физическое состояние, т.е. плотность упаковки частиц. Пористость характеризует объем пор в единице объема породы и вычисляется по формуле:

n=1-m=1- γ_ск/ γ_м= (γ_м -γ_ск)/γ_м(6) m– объем минеральной части в одном куб.см. породы, см³.

Пористость выражается в долях единицы или процентах от полного объема породы. Такое выражение пористости не всегда удобно. Например, при расчете изменения объема породы под действием нагрузки надо учитывать изменение пористости. Но пористость относится к полному объему породы, кото рый сам изменяется при уплотнении, т.е. является величиной переменной.

5) Более удобной характеристикой пористости пород является коэффициент пористости (Е), равный отношению объема пор к объему твердой части породы, остающемуся постоянным при уплотнении:

Е=n/m=n/(1-n)=(γ_м -γ_ск)/ γ_ск (7)

Пористость песчаных и глинистых пород изменяется в щироких пределах в зависимости от формы и размера слагающих их частиц, т.е. от их дисперсности, степени отсортированности и однородности, плотности сложения, степени и характера цементации. У порода более тонкозернистых (тонкодисперсных), обладающих большей удельной поверхностью, пористость, как правило выше, чем у пород грубодисперсных с меньшей удельной поверхностью. В соответствии с этим пористость глинистых пород обычно выше, чем пористость песков, гравелистых и других обломочных пород, хотя поры и пустоты у последних крупнее.

Пористость неоднородных по гранулометрическому составу пород обычно меньше, чем однородных, хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах более мелкие частицы располагаются среди более крупных и общая плотность их упаковки их повышается.

Общая закономерность осадочных пород состоит в уменьшении их пористости с глубиной и увеличением возраста. Однако в песках и глинистых породах четвертичного возраста такая закономерность не всегда достаточно четко выражена. Иногда в них проявляется только общая тенденция к уменьшению пористости с глубиной.

Изменение пористости песков и глин при их инженерно-геологической оценке имеет большое значение, так как она характеризует естественную уплотненность и склонность к деформации. Причины деформаций и нарушения устойчивости песчано-глинистых пород (особенно песков) состоит главным образом в недостаточной плотности сложения.

Коэффициент пористости песчаных и глинистых пород – это одна из основных характеристик, используемых при расчетах осадок сооружений.

6) Влажность. Важнейшей характеристикой физического состояния песчаных и особенно глинистых пород является их влажность. Она характеризует количество воды, заполняющей их поры. В зависимости от степени влажности песчаные и глинистые породы могут находится в различном физическом состоянии, в соответствии с которым (особенно у глинистых пород) изменяется их прочность, деформируемость и устойчивость.

Влажностью называется отношении массы воды (g2) к массе абсолютно сухой породы (массы скелета грунта) в данном объеме, выраженное в долях единицы или процентах. Это весовая влажность:

W=g₂/g₁=(γ- γ_cк)/ γ_cк(8)

Если определяется по образцам естественной влажности, то ее называют естественной.

Влажность пород может быть охарактеризована также через объемную влажность, под которой понимается объем воды, содержащейся в единице объема сухой породы. Wоб=vw/v1+v2=Wγск/γв (9) v_w– объем воды

v₁– объем твердой части (скелета) грунта v₂– объем пор γ_в – плотность воды равна 1, тогда –W_об=Wγ_ск

Если поры породы полностью заполнены водой, то объем воды в породе равен объему ее пор. Влажность глинистой породы при этом будет соответствовать ее полной влагоемкости, а у песчаных их полной влагоемкости.

Влажность песчаных и глинистых пород в естественных условиях может изменятся в широких пределах. Например влажность песков в зоне аэрации нередко достигает 4-5%, в зоне капилярного увлажнения и насыщения 27-30%, а влажность м/з и т/з песков в этой зоне может достигать 35-40%.

Естественная влажность глинистых осадков изменяется в более широких пределах. Так например в современных глинистых осадках она достигает 80-90% и более, в глинистых осадках малой и средней степени литификации (глины) изменяется от 12-15 до 50-60%, а в породах высокой и предельно высокой степени литификации (аргиллиты) снижается до 3-5%.

Естественная влажность песков при прочих равных геологических условиях изменяется в зависимости от грансостава, наличия примесей глинистых частиц и органического вещества и от плотности сложения.

Естественная влажность глинистых пород изменяется в зависимости от степени их дисперсности, т.е. степени глинистости, минерального состава тонкодисперсной части, емкости поглощения и состава обменных катионов, примесей органики и степени лтификации.

Главнейшими водными свойствами, определяющими отношение песчаных и глинистых пород к воде, является водоустойчивость, влагоемкость, капиллярность и водопроницаемость. При инженерногеологической оценке пород эти свойства имеют весьма важное значение. Однако роль каждого из них при этом неодинакова, что зависит от состава пород. Неодинаково их значение и при решении различных практических задач.

1) Водоустойчивость. Определение водоустойчивости наиболее важно при оценке глинистых пород, которые под воздействием воды теряют связность и изменяют консистенцию или размокают и распадаются. Скорость и характер размокания характеризуют водоустойчивость.

Некоторые разности глинистых пород при увлажнении сильно набухают, причем объем их увеличивается на 25-30%.

Изменение свойств глинистых пород происходит не только при увлажнении. Высыхание влажных глинистых пород иногда сопровождается их растрескиванием, изменением монолитности, уменьшением объема

(усадкой).

Вода, воздействуя на породы, может также растворять, выщелачивать водорастворимые части и тем самым изменять их свойства.

Из изложенного следует при изучении и оценке свойств глинистых пород необходимо учитывать знание об их водоустойчивости. Это особенно важно при определении их несущих способностей, устойчивости в подземных выработках, на склонах и откосах.

Водоустойчивость глинистых пород может быть охарактеризована скоростью и характером размокания в воде, процентным содержанием легкорастворимых соединений и их свойством; значением, силой и влажностью набухания; влажностью усадки.

2) Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимается ее способность в вмещать и удерживать определенное количество воды. В соответствии с этим различают породы: влагоемкие (глины, суглинки), среденевлагоемкие (скпеси, пески м/з,с/з, пылеватые) и невлагоемкие (пески с/з, к/з, гравий и т.д.). Применительно к породам невлагоемким следует говорить обих водоемкости.

У влагоемких пород различают полную, капиллярную и молекулярную Влагоемкость.

Полной влагоемкости полное насыщение породы водой, т.е. заполнение всех ее пор. Сравнивая естественную влажность породы с влажностью, соответствующей полной влагоемкости судят о степени ее водонасыщения.

Капиллярной влагоемкости соответствует не полное насыщение породы водой, а такое, когда водой заполнены только капиллярные поры.

Под молекулярной влагоемкостью понимается способность пород удерживать определенное количество физически связанной воды. Максимальное количество физически связанной воды, которое может удержать порода на поверхности своих частиц называется максимальной молекулярной влагоемкостью.

Из песчаных пород насыщенных водой не вся вода может вытекать свободно, а только та часть, которая подчиняется силе тяжести. Способность песчаных и других обломочных пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания, характеризует их водоотдачу. Такой способностью обладают невлагоемкие породы. Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью (W_п) и максимальной молекулярной:

Wотд=Wп -W м (11)

Для количественной оценки водоотдачи служит также коэффициент водоотдачи, равный отношению объема стекающей воды к объему породы, выраженной в долях единицы. Характеристика водоотдачи пород имеет важное значение при решении многих практических вопросов, например при проектировании дренажей, притоков воды в котлован и т.д.

Капиллярность. При значительном повышении влажности песчаных и особенно глинистых пород понижаются их строительные качества. Увлажнение воды может быть обусловлено инфильтрацией воды с поверхности земли или поступлением ее снизу из какого-либо водоносного горизонта под влиянием напора капиллярных сил. Капиллярные силы образуют капиллярную зону над уровнем грунтовых вод, в пределах которой наблюдается повышенное увлажнение или насыщение пород. М/з, т/з пески, глинистые породы в зоне капиллярного увлажнения обычно полностью насыщены. Эту зону можно назвать зоной капиллярного насыщения. Если эта зона достигает поверхности земли, то происходит заболачивание. При интенсивном испарении капиллярных вод происходит засоление почв, образование солончаков.

Известно, что максимальная высота капиллярного поднятия в т/з и м/з песках может достигать 1,5-2,0 м, в глинистых породах 3-4 м. В грубозернистых породах она мала и практического значения не имеет.

Водопроницаемость. К числу основных водных свойств пород относится водопроницаемость, т.е. способность пропускать через себя воду под действием напора. Данные, характеризующие водопроницаемость рыхлых обломочных и глинистых пород, имеет широкое применение в практике для определения притоков в строительные котлованы, подземные выработки, способов осушения и т.д.

Водопроницаемость песков, галечников и др. рыхлых отложений зависит от их пористости и скважности. Глинистые породы при небольших напорах очень слабопроницаемы, т.к. размер пор в них мал. Движение воды и других жидкостей через пористые среды (породы) называется фильтрацией. Следовательно, водопроницаемость песчаных и глинистых пород – это их фильтрационная способность. Мерой водопроводимости горных пород служит коэффициент фильтрации. В инженерно-геологической практике пользуются главным образом скоростным выражением коэффициента

фильтрации, исходя из уравнения v=K_фI(k). ЕслиI=1, тоv=K_фм/сут, см/сут.

Скорость движения воды через пористые среды (горные породы) прямо пропорциональна гидравлическому градиенту, т.е. отношению действующего напора к длине пути фильтрации. Это важнейший закон водопроницаемости песчаных и глинистых пород – закон ламинарной фильтрации.

Скорость движения воды определяется также уравнением: v=Q/F (13)

Q– количество фильтрующейся через породу воды, м³;

F– площадь поперечного сечения, м², через которое фильтруется вода.

Так как движение воды происходит только по порам, то действительная скорость фильтрации (исходя меньшей площади действительного сечения породы) больше. Действительный коэффициент фильтрации: K_фд=K_ф/n (14) n– пористость.

Действительный коэффициент фильтрации иногда называется коэффициентом скорости фильтрации. В песчаных породах К_фдвсегда больше коэффициента фильтрации, определенного непосредственно в лабораторных условиях.

В глинистых породах эффективная пористость всегда значительно меньше общей пористости и часто равна нулю, т.к. поровое пространство в значительной мере занято физически связной водой.

Механические свойствагорных пород определяют их поведение под воздействием внешних усилий – нагрузки. В песчаных и других обломочных и глинистых породах при этом происходит изменение внутреннего сложения и объема (уплотнение), т.е уменьшение пористости и увеличение концентрации минеральных частиц в единице объема. Чем значительнее эти изменения пород под воздействием определенной нагрузки, тем большей деформируемостью они обладают. Когда под влиянием внешних усилий в породах возникают касательные силы, превышающие сопротивление сдвига, порода начинают разрушаться, наступает потеря прочности.

Следовательно, механические свойства песчаных и глинистых пород как и любых других, характеризуются их деформируемостью и прочностью. Их выражают деформационными и прочностными показателями: деформируемость – показателями сжимаемости (деформируемости), а прочность – сопротивлением сдвигу. Они позволяют прогнозировать осадки сооружений, определять устойчивость пород в их основании, а при конструировании фундаментов предельно использовать несущие способность грунтов.

Показателями, выражающие сопротивление пород сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов плотин, насыпей, дамб, бортов карьеров с минимальным объемом земляных работ, определять устойчивость склонов и оползней, определять рациональное сечение и устойчивость различных сооружений в т.ч. бетонных плотин. Поэтому изучению деформационных и прочностных свойств песчаных и глинистых пород необходимо уделять особенно большое внимание.

Сжимаемостью породы называют ее способность к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

При сжатии породы вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения при одноосном сжатии относительной деформацией (е) называют отношение величины абсолютного уменьшения нагруженного

образца (Δh) к его начальной высоте (h₀) е=Δh/h₀(15)

Зависимость между напряжением (δ) и величиной относительной деформации (е) при нагрузках меньше предела пропорциональности определяется выражением: δ=Ее (16)

Е – модуль упругости.

При сжатии образца вертикальной нагрузкой происходит увеличение диаметра (d0) его поперечного сечения на абсолютную величину (Δd). Отношениееn=Δd/d0(17) есть относительная деформация в поперечном направлении.

Отношение еn/е=М (18) для данного материала является величиной постоянной и называется коэффициентом поперечной деформации – коэффициентом Пуассона.

Сопротивление сдвигу.

Прочностные свойства пород определяются рядом показателей, относящихся к категории прямых расчетных показателей. Прочность пород характеризуется способностью сопротивляться сдвигающим усилиям (сопротивление к сдвигу). Сдвигом называется процесс деформации и разрушения породы вследствие смещения одной ее части относительно другой. Сдвиг по данной площадке вызывается касательным напряжением к ней. Сопротивление сдвигу зависит от величины вертикальной нагрузки, приложенной к образцу. Прочность пород оценивается в основном по теории Мора, согласно которой разрушение тела происходит при определенном предельном соотношении нормальных и касательных напряжений.

Изучение обломочных несвязных пород показывает, что уравнение, характеризующее их сопротивление сдвигу часто имеет вид: т=с+fδ_н(19), где т – сопротивление сдвигу, МПа

с – параметр, характеризующий начальное сопротивление сдвигу δ_н– нормальное давление f– коэффициент внутреннего трения.

Эта зависимость установлена Кулоном в 1773 г. и для несвязных пород формулируется так: «Сопротивление рыхлых несвязных пород сдвигу есть сопротивление трению, прямо пропорциональному давлению». Это один из основных законов механики для песчаных и других несвязных пород.^{^[3]}

3. Инженерно-геологические наблюдения в районах с вероятным

развитием склоновых процессов

При инженерно-геологических изысканиях в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов следует учитывать, что при составлении прогноза их развития и активизации, как правило, нельзя ограничиваться только участком, в пределах которого намечено строительство объекта. Для установления закономерностей развития процесса в большинстве случаев необходимо проведение исследований на прилегающей территории, границы которой устанавливаются в программе изысканий с учетом конкретных инженерно-геологических условий и характера проектируемого строительства. Кроме того, при изысканиях под сооружения повышенного уровня ответственности и при отсутствии соответствующего опыта изысканий и проектирования в аналогичных условиях рекомендуется привлекать специализированные научноисследовательские организации для консультаций, проведения отдельных видов исследований и выполнения прогноза и моделирования. Программу изысканий в районах развития опасных геологических и инженерногеологических процессов следует согласовывать с заказчиком, а в необходимых случаях и с организацией, разрабатывающей проект сооружений и мероприятий инженерной защиты территорий, зданий и сооружений.^{^[4]}

К наиболее распространенным опасным склоновым процессам следует относить оползни, обвалы, осыпи, представляющие собой смещение масс горных пород на склоне под действием собственного веса и различных воздействий (гидродинамического, вибрационного, сейсмического и др.).

Оползневые явления (оползни) представляют собойдвижение больших масс горных пород вниз со склона или откоса по поверхности (или поверхностям) скольжения под влиянием различных гравитационных сил (веса пород, давления воды, сейсмического воздействия, техногенной нагрузки).

Морфология и характер поверхности скольжения зависят от

геологического строения склона или откоса. Она может иметь вид плоскости, плавной кривой круглоцилиндрической поверхности, может быть сложной, состоящей из пересекающихся плоскостей и поверхностей; может унаследовать морфологию геологических ослабленных зон и контактов, а может сформироваться в монолитном массиве.

Большое разнообразие геоморфологических и геологических условий территорий, а также внешнее воздействие различных природных и техногенных факторов оказывают определяющее влияние на морфологию и структуру оползневых явлений.

Поверхность, по которой происходит отрыв оползневых масс и их оползание, называется поверхностью скольжения, которая является обязательным элементом строения оползня, диагностическим признаком оползневого явления. Оползни могут иметь одну или несколько поверхностей скольжения, что определяет сложность их строения — структуру. Иногда поверхность скольжения называют поверхностью разрушения. Когда имеется несколько поверхностей скольжения, внутреннее строение оползня более сложное и характеризует подвижки отдельных частей оползня относительно друг друга.

Место выхода поверхности скольжения на дневную поверхность в основании склона или откоса называют подошвой оползня, а в верхней части склона — вершиной. Выход ее на склоне справа и слева от оси оползня обозначает борта оползня.

Следует выделять оползни современные и древние (открытые, погребенные).

К оползнеопасным и обвало-, осыпеопасным следует относить склоны, на которых происходят или ранее происходили оползневые и обвальноосыпные процессы.

К потенциально оползнеопасным и обвало-, осыпеопасным следует относить склоны, на которых возможно развитие указанных процессов при прогнозируемом воздействии природных и (или) техногенных факторов.

Для оценки устойчивости склона инженерно-геологические изыскания следует проводить, как правило, на всей площади опасного (потенциально опасного) склона и прилегающих к его верхней бровке и подошве зон (до предполагаемой границы устойчивой части склона), а для береговых склонов — с обязательным охватом их подводных частей, в том числе в случаях, когда территория проектируемого объекта занимает только часть склона.

При изысканиях на оползнеопасных склонах необходимо устанавливать:

• типы и подтипы склоновых процессов по механизму смещения

пород,

• условия их возникновения и характер проявления,

• взаимосвязь оползневых деформаций с рельефом, геологическим строением, воздействием подземных вод, геологическими и инженерногеологическими процессами (эрозия, абразия, выветривание, подтопление, осушение и др.),

• взаимосвязь оползневых деформаций с результатами

хозяйственной деятельности (подрезка, пригрузка склонов, изменение уровня подземных вод, уничтожение древесной растительности, динамические нагрузки и т.п.).

Оползневые склоны, как правило, отличаются от искусственных откосов и неоползневых склонов следующими специфическими особенностями:

• сложными геологическими условиями, наличием разнообразных поверхностей ослабления (многие из которых имеют оползневой генезис), большой изменчивостью в течение годового цикла физико-механических свойств пород в приповерхностной зоне и силовых воздействий подземных вод;

• сложным рельефом, связанным с прежней деятельностью

оползней;

• наличием или возможностью развития оползней разных типов, обычно взаимодействующих между собой;

• преимущественно относительно малой степенью устойчивости ныне стабильных участков склона;

• возможностью нарушения устойчивости склона даже при незначительном изменении воздействия комплекса факторов оползнеобразования, характерных своим комплексным воздействием, существенно изменяющимся во времени (во внутригодовом и многолетнем периодах).

Различаются локальные и региональные методы оценки и прогноза устойчивости склонов.

Региональные методы предназначены для выявления и прогноза степени распространенности оползней для значительных по площади зон (или групп участков), выделенных на рассматриваемой обширной территории, причем каждая зона (группа участков) должна иметь относительно однородный комплекс факторов оползнеобразования. Положение конкретных оползней в пределах каждой указанной зоны (группы участков) региональными методами не устанавливается. В практике изысканий региональные методы могут использоваться для обоснования перспективных планов хозяйственного освоения больших по площади территорий, характерных наличием оползневых процессов. В качестве вспомогательных региональные методы могут применяться также при крупномасштабном инженерно-геологическом районировании оползневых склонов.

Локальные методы используются для оценки и прогноза устойчивости на конкретных участках (по конкретным створам) в пределах изучаемых склонов. Эти методы являются основными при составлении инженерногеологического обоснования застройки и других видов хозяйственного освоения склоновых территорий.

Программа инженерно-геологических изысканий в районах развития склоновых процессов должна содержать дополнительно к требованиям СП 11-105-97 (часть I):

• предварительные представления (или рабочую гипотезу) об инженерно-геологических условиях склона, его геологическом возрасте, генезисе и истории формирования, причинах возникновения опасных склоновых процессов, их типах, подтипах, масштабности и стадиях развития;

• сведения об известных в исследуемом районе проявлениях склоновых процессов и связанных с ними деформациях сооружений, повреждениях инженерных коммуникаций, нарушениях (перерывах) в работе транспортных сетей;

• сведения о ранее выполненных мероприятиях инженерной защиты склона и состоянии имеющихся защитных сооружений.

Состав виды и объемы планируемых работ с учетом стадии изысканий, характеристики сооружений.

Цели изысканий (согласно СП 11 105-97 ч.2) установление:

• характера деформаций поверхности земли, инженерногеологических типов склоновых процессов, развитых в районе, времени (возраста) и причин их возникновения, стадии (фазы) развития, характера деформаций в имеющихся на склоне зданиях и сооружениях, состояния сооружений инженерной защиты и эффективности их работы;

• приуроченности склоновых процессов к определенным

геологическим образованиям, тектоническим структурам

геоморфологическим элементам;

 влияния гидрогеологических, гидрологических

метеорологических условий на возникновение склоновых процессов;

• влияния рельефа, крутизны и экспозиции склона на проявления оползней и обвалов;

• роли хозяйственной деятельности в активизации склоновых процессов;

• наличия других видов современных экзогенных геологических процессов (выветривание, эрозия, абразия и т.п.) и определения степени их влияния на устойчивость склонов и, в частности, на возникновение и развитие на них оползней, осыпей и обвалов разных типов.

Согласно табл. 1 задачи и методы исследований состоят в следующем:

Таблица 1.

Стадии (фазы) склонового процесса	Характерные признаки стадий (фаз) оползневого процесса	Задачи исследований	Методы исследований
Подготовительный период	Повышение напряжений при эрозионном (абразионном) или техногенном воздействии на склон. Увеличение влажности, выветривание. Уменьшение прочности грунта	Установление возможности проявления оползневого процесса, факторов его активизации	Сбор данных по объектам-аналогам. Измерение напряжений в массиве и перового давления. Определение свойств грунтов. Наблюдения за уровнем подземных вод (УПВ) и напорами. Расчетные методы
Начальный период проявления	Образование трещин растяжения. Оконтуривание трещинами тела оползня. Начало оседания поверхности с образованием западины, появление вала выпирания в основании склона	Определение масштабов начинающегося процесса, оперативный прогноз времени основного смещения	Измерение трещин. Стационарные геодезические наблюдения за реперами (поверхностными и глубинными), УПВ. Расчетные методы
Основное смещение оползня	Отчленение оползневых тел и основное их смещение (по величине). Регрессивное или прогрессивное развитие. Проявление различных форм и скоростей движения частей оползневых тел	Оперативный прогноз дальнейшего смещения	Определение изменений формы поверхности склона, векторов и скоростей смещения, мощности оползня по глубинным реперам, трещинная оползневая съемка. Расчетные методы
Временная стабилизация	Неизменность формы склона. Отсутствие появления свежих трещин растяжения. Появление растительности и ее нормальное развитие	Оценка возможности повторной активизации процесса и дальнейшего смещения	Стационарные наблюдения за реперами и УПВ, напорами, периодические обследования с выполнением отдельных видов работ в целях контроля стабилизации склона
Повторные смещения	Оползни последующих генераций. Характерные признаки, присущие предыдущим стадиям	Определение степени оползнеопасности и активности смещений в отдельных частях склона	Определение изменений формы поверхности склона и отдельных его частей, наблюдения за смещениями и образованием блоков по глубинным реперам, трещинная оползневая съемка
Длительная стабилизация	Зарастание склона древесной растительностью. Постепенное сглаживание типичного оползневого рельефа	Контроль состояния склона	Периодические обследования.

На начальном этапе при сборе и обработке материалов изысканий прошлых лет большое внимание уделяется анализу АФС и материалов топосъемки прошлых лет для характеристики изменений рельефа оползневой зоны за предшествующий изысканиям период времени.

Маршрутные наблюдения в процессе рекогносцировочного

обследования и оползневой съемки следует проводить на территории всего исследуемого оползнеопасного склона (склонов) и прилегающих зон.

В задачу маршрутных наблюдений дополнительно к п. 5.5 СП 11-10597 (часть I) входит:

• описание и оценка состояния поверхности склона и его характерных особенностей на отдельных оползневых, осыпных и обвальных участках;

• выявление визуальных проявлений оползневых, осыпных и обвальных процессов на поверхности склона;

• выявление проявлений свежей эрозионной или абразионной подсечки склонов;

• установление пространственных закономерностей оползневых деформаций на склоне (границ участков активных оползней, оползней второго порядка и др.);

• установление характера хозяйственного использования территории, техногенных воздействий, преобразований рельефа, почв и растительности;

• обследование имеющихся деформаций зданий и сооружений и оценка состояния и эффективности сооружений инженерной защиты;

• поиски аналогов оползней и обвалов на прилегающей территории с выявлением их причин.

При обследовании оползней следует устанавливать размеры оползня, амплитуду оползневого смещения, виды оползневых трещин на поверхности склона.^{^[5]}

4. Основные лабораторные методы определения водно-физических свойств горных пород: пористости, влажности, влагоемкости и водоотдачи

Лабораторные гидрогеологические исследования — неотъемлемая составная часть общего комплекса разведочных гидрогеологических работ. Необходимость в их проведении возникает на всех стадиях осуществления гидрогеологических исследований при решении самых разнообразных народнохозяйственных задач. Выполняются они в основном на базах полевых и стационарных лабораторий.

Лабораторные гидрогеологические исследования обычно включают определение водно-физических и фильтрационных свойств горных пород, а также физических свойств, химического, газового и бактериального составов подземных и поверхностных вод. Иногда возникает потребность в определении минералогического состава горных пород, их физикомеханических и физико-химических показателей, засоленности, изотопного состава проб воды и выполнении других специальных опытов и определений. Задачи и объемы лабораторных исследований определяются для каждого конкретного объекта в зависимости от целевого назначения, характера и стадии выполняемых изысканий, возможностей лабораторной базы и других факторов. Существенное значение лабораторные методы имеют приразличного рода гидрогеохимических исследованиях и на первоначальных этапах поисково-разведочных гидрогеологических работ, когда лабораторные определения проводятся в массовом количестве, в целях получения данных для ориентировочной сравнительной характеристики изучаемых гидрогеологических объектов.

При лабораторных гидрогеологических исследованиях объектом изучения являются горные породы вместе с заключенными в них водами и газами, образующие сложную трехфазную систему, основные показатели и свойства которой зависят от соотношения и взаимодействия ее фаз и влияния внешних естественных и искусственных факторов. В зависимости от целевого назначения и типа изучаемых горных пород лабораторные исследования могут быть направлены как на комплексное изучение параметров и показателей, характеризующих свойства и поведение отдельных фаз и системы в целом, так и на изучение свойств и поведения отдельных фаз (без учета или с частичным учетом влияния других фаз системы).

Так, при изысканиях для строительства в районах развития твердых (скальных и полускальных) горных пород в основном изучаются физикомеханические свойства (без учета водно-физических и фильтрационных показателей), а при разведке и геолого-промышленной оценке в таких условиях месторождений подземных вод — главным образом фильтрационные свойства системы (без учета физико-механических свойств горных пород). Если объектом лабораторного изучения являются несвязные зернистые и особенно мягкие связные горные породы, то независимо от целевого назначения исследований необходимо изучать и учитывать и физико-механические, и водно-физические свойства горных пород, а также свойства и показатели отдельных фаз системы (физические свойства, химический и газовый состав подземных вод, физические и механические свойства твердой фазы и т. д.).

Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимозависимость физикомеханических и водно-физических свойств горных пород, физикохимических показателей воды и вмещающих горных пород требуют комплексного подхода к изучению системы вода — горные породы и в этой связи следует считать правильной наметившуюся тенденцию рассматривать и количественную оценку водоносных горных пород как единой механической системы, свойства и поведение которой обусловлены взаимодействием и соотношением составляющих ее фаз .

При лабораторном определении водных и фильтрационных свойств горных пород (влажности, влагоемкости, водоотдачи, недостатка насыщения, капиллярного поднятия, водопроницаемости, пьезопроводности и др.) изучаются также и некоторые физико-механические свойства (пористость, гранулометрический состав, объемная масса и плотность, сжимаемость и др.), с которыми они тесно взаимосвязаны и значения, которых используются при оценке расчетных гидрогеологических параметров. Некоторые показатели, характеризующие свойства пласта и фильтрующейся жидкости, могут быть определены только в лабораторных условиях.

Пористость и гранулометрический состав являются важнейшими показателями, определяющими фильтрационные свойства горных пород. Количественно пористость nхарактеризуется отношением объема пор Vnк объему пористого образца V(коэффициент пористости n.= фаз (без учета или с частичным учетом влияния других фаз системы). (Vn/V) или к объему его скелета (коэффициент приведенной пористости ε = n/(1—n). Обычно различают три вида пористости — общую (n), открытую (n0) и активную (динамическую n_а). Общая пористость характеризует объем всех пустот в породе; открытая — объем пустот, сообщающихся между собой; активная — объем пустот, по которым происходит движение свободной жидкости.

В лабораторных условиях определение пористости проводят расчетным путем (по данным определений плотности Δ и объемной массы γ горной породы) и с помощью специальных опытов на образцах.

Расчетным путем коэффициент пористости определяется по формулам:

, (1)

где Weиγ_с — соответственно массовая влажность образца (в долях единицы) и объемная масса скелета. Значения влажности We, плотности и объемной массы горных пород и скелета (Δ, γ и γc) должны быть известны или определены лабораторным путем.

Открытая пористость сцементированных пород определяется методом насыщения предварительно экстрагированного, высушенного и взвешенного образца керосином под вакуумом. Для определения п₀ используется формула

(2)

где GиG_к — масса сухого и насыщенного керосином образца в воздухе; G_кк— масса насыщенного образца в керосине.

Активная пористость может быть определена как разность между общей пористостью и. максимальной молекулярной влагоемкостью в объемном выражении. Для песчаных пород значения полной, открытой и активной пористостей близки между собой. В лаборатории активная пористость определяется методом капиллярного вытеснения жидкости газом из образца пород, помещенного в капилляриметр. Проведение опытов с изменением давления вытеснения и использованием параметрических палеток позволяет ориентировочно определять активную пористость и распределение пор по размерам.

Гранулометрический состав определяется с помощью гранулометрического анализа и используется для ориентировочного определения фильтрационных свойств, классификации горных пород, палеогидрогеологических реконструкций, подбора фильтров скважин и других целей.

Методы лабораторного определения влажности (по разности массы влажных и высушенных пород), влагоемкости (по количеству воды, расходуемой на насыщение пород) и высоты капиллярного поднятия (по наблюдениям за капиллярным поднятием в трубках и капилляриметрах) общеизвестны и детально описаны в учебной литературе. Следует лишь отметить, что наиболее важным видом влагоемкости является максимальная молекулярная влагоемкость, которая в лабораторных условиях определяется методами высоких колонн, влагоемких сред и центрифугирования. Величина максимальной молекулярной влагоемкости W_макс(а для глинистых разностей полевой влагоемкости W_п) используется при лабораторном определении таких важнейших показателей емкостных свойств горных пород, как водоотдача и недостаток насыщения.

Водоотдача μ определяется отношением объема свободно стекающей гравитационной воды к общему объему осушенной породы (μ — величина безразмерная) и характеризует емкостные запасы гравитационной воды в водонасыщенных горных породах, которые могут быть получены при их осушении. Размер водоотдачи зависит от гранулометрического состава, активной пористости и скорости опускания уровня при осушении пород.

Исходя из балансовых соотношений, размер водоотдачи определяется в лабораторных условиях по разности между полной влагоемкостью W(при полном насыщении всех пор водой) и максимальной молекулярной

влагоемкостью W_макс(для глинистых пород полевой влагоемкостью W_п). Для песчаных пород ориентировочно величину водоотдачи можно определять как разность между пористостью п и максимальной молекулярной

влагоемкостью W_макс(при этом не учитывается наличие защемленного воздуха). Применяется также лабораторный способ определения водоотдачи. На специальном приборе (рис. 1) измеряется объем воды, свободно вытекающей из насыщенного образца пород, и по соотношению объемов воды и пород определяется водоотдача.

Рис. 1. Прибор для определения водоотдачи горных пород:

1 — трубка с образцом горных пород: 2 — сливной кран; 3 — пьезометр с зажимами; 4 — гравийный фильтр; 5—штатив; 6 — напорный бачок

При известном значении коэффициента фильтрации песчаных пород К размер водоотдачи может быть приближенно определен по эмпирической формуле П. А. Бецияского: μ = 0,117, где К принимается в м/сут.

Аналогичным водоотдаче показателем, характеризующим способность горных пород принимать воду при их насыщении, является недостаток насыщения, который в лабораторных условиях определяется по разности между полной влагоемкостью (или пористостью) и естественной влажностью пород в рассматриваемых условиях (μ_н= W— W_е). Обычно для пород, залегающих на глубине более 3 м, яри практических расчетах недостаток насыщения принимают равным водоотдаче. Гравитационная водоотдача для различных типов пород ориентировочно изменяется в следующих пределах: суглинки песчанистые — 0,005— 0,05; супеси, пылеватые и глинистые пески, торфа — 0,05—0,1; тонкозернистые пески — 0,1—0,15; мелкозернистые пески — 0,15—0,2; среднезернистые пески — 0,2—0,25; крупнозернистые и гравелистые пески — 0,25—0,35; трещиноватые известняки — 0,001—0,1; трещиноватые песчаники 0,02—0,03.

Фильтрационные свойства горных пород, как известно, характеризуются коэффициентами фильтрации К и проницаемости К_п . Коэффициент фильтрации, зависящий от геометрии порового пространства и свойств фильтрующейся жидкости (плотности и вязкости), используется главным образом для характеристики водопроницаемости горных пород по отношению к пресным и слабоминерализованным подземным водам. При изучении фильтрационных свойств пород по отношению к подземным водам переменного состава, нефти, газам и многофазным жидкостям используется коэффициент проницаемости, зависящий только от геометрии порового пространства. Коэффициенты фильтрации и проницаемости связаны между собой соотношением

, (3)

где η и v — коэффициенты динамической и кинематической вязкости фильтрующейся жидкости; γ и ρ — объемная масса и плотность фильтрующейся жидкости; g— ускорение силы тяжести.

Для практических расчетов при измерениях К в м/сут, К_п в дарси, π в г/см³, η — в сантипуазах можно использовать соотношение

(4)

В лабораторных условиях коэффициенты фильтрации и проницаемости определяют на основе эмпирических зависимостей по данным лабораторных определений пористости и гранулометрического состава (в основном для песчаных пород) и опытов по фильтрации жидкостей и газов через образцы горных пород нарушенной и ненарушенной структуры.

Эмпирические зависимости (формулы Хазена, Слихтера, Крюгера, Замарина, Козени, Терцаги, Цункера, Зауербрея и др.) рекомендуются для приближенной сопоставительной оценки коэффициента фильтрации песчаных пород на первоначальных стадиях исследований. При этом необходимо соблюдать пределы их применимости и обязательно контролировать результаты по данным опытно-фильтрационных работ.

Лабораторное определение водопроницаемости по данным опытных работ по фильтрации воды через образцы горных пород осуществляется на специальных приборах (прибор Тима, трубка Каменского, Спецгео, КФЗ, приборы конструкции Каменского, Маслова, МГРИ, Гидропроекта и др.). С помощью их определяется коэффициент фильтрации связных и рыхлых горных пород. Коэффициент проницаемости определяется с помощью приборов типа УИПК-1,тде в качестве фильтрующего реагента обычно используются керосин, газ или вода.

Лабораторные методы наиболее простые и дешевые, поэтому они широко используются при массовых определениях фильтрационных свойств для получения сравнительных характеристик изучаемых объектов. Однако лабораторные определения менее достоверны, чем результаты полевых опытно-фильтрационных работ. Этот недостаток объясняется следующими причинами: 1) определения ведутся на отдельных образцах (точечно), что не обеспечивает значительной их представительности; 2) неизбежно нарушается структура образцов при их отборе (даже в связных породах); 3) несовершенством конструкций применяемых для опытов приборов; 4) условия фильтрации при опыте могут отличаться от натурных. Как показали специальные исследования и сопоставительные оценки точности определения фильтрационных характеристик лабораторными и полевыми методами, лабораторные определения оказываются, как правило, заниженными и их использование в расчетах возможно лишь при внесении поправок, учитывающих систематические ошибки лабораторных опытов. Такие поправки устанавливаются на основе сопоставления результатов полевых и лабораторных определений и выявления корреляционных связей между ними.

Таким образом, лабораторные определения водопроницаемости можно рассматривать как метод, обеспечивающий более обоснованную экстраполяцию и интерполяцию результатов полевых определений в пределах изучаемых территории и позволяющий в определенной, мере сокращать объемы более дорогих и трудоемких полевых опытнофильтрационных работ за счет, массового применения лабораторных методов исследований. Следует отметить также, что лабораторные определения весьма удобны при изучении фильтрационных свойств небольших прослоев и линз горных пород, определении изменения коэффициента фильтрации под влиянием нагрузок или в зависимости от направления движения фильтрующейся воды, степени ее минерализации и температуры.

Коэффициенты пьезопроводности и уровнепроводности нередко определяют расчетным путем, используя результаты лабораторного изучения фильтрационных и упругих свойств, пласта и жидкости, а также водоотдачи горных пород.

Коэффициенты упругого сжатия, характеризующие способность пород и воды изменять свой объем под влиянием изменения давления (напора), определяются в приборах типа стабилометров, позволяющих осуществлять всестороннее сжатие образца породы или воды. Наиболее распространенные значения коэффициентов сжимаемости для воды — β_в= (2,7÷5) 10^{-^[6]} м^-1, для

горных пород — β_п= (0,З÷2,0) 10^-6м^-1.

При известных значениях К, β_в, β_п и пористости п величину коэффициента пьезопроводности определяют по формуле

(5)

где β* = nβ_в + β_п — коэффициент упругоемкости пласта; β* — упругая

водоотдача, характеризующая способность напорного пласта отдавать воду в условиях упругого режима.

Для безнапорных водоносных горизонтов по аналогии с (5) коэффициент уровнепроводности а определяется по значению водопроводимости Т и гравитационной водоотдачи μ:

(6)

где n_ср— средняя мощность изучаемого водоносного горизонта. Наиболее надежные значения коэффициентов пьезо- и уровнепроводности получают по результатам кустовых откачек⁶.

5. Инженерно-геологические свойства пород криолитозоны (зоны вечной мерзлоты)

Криолитозоной называется зона вечной мерзлоты, где породы находятся в мерзлом состоянии, то есть при температуре не выше 0 ºС, с наличием льда в их порах и трещинах. Этот лед не тает круглый год, а сами породы могут находиться в мерзлом состоянии многие тысячи лет. В таких породах сохраняются трупы животных, населявших нашу планету в ледниковую эпоху (мамонты, шерстистые носороги, пещерные медведи). Наука, занимающаяся изучением криолитозоны, называется геокриология.

Многолетнемерзлые породы встречаются на глубине 600–900 м в Сибири, Якутии, Монголии, на Северном Урале, Аляске, островах Северного Ледовитого океана и в Канаде. Температура грунта здесь опускается до -10 ºС. Влага, содержащаяся в горных породах, при этом превращается в ледяной цемент и связывает минеральные частицы так крепко, что порода по прочности становится подобна бетону. Площадь распространения вечной мерзлоты занимает 56 % территории России, а её южная граница достигает озера Байкал.

Талики – ограниченные участки талых пород среди толщи вечной мерзлоты. Сквозные талики полностью пронизывают толщу вечной мерзлоты, обычные – нет (рис. 2.).

Рис. 2. Талики:

а) подрусловой сквозной; б) несквозной межмерзлотный

Возникновение таликов связано с присутствием каких-либо источников тепла - рек, озер, участков активной циркуляции подземных вод либо с утепляющим воздействием мощного снегового покрова. Чем крупнее водоемы, тем крупнее и глубже талики, развитые подними.^{^[7]}

Формирование замкнутых таликов внутри вечномерзлой толщи, повидимому, связано с чередованием многолетних циклов похолоданий и потеплений. Ели после холодного периода произошло временное потепление, то этому событию будет соответствовать оттаявшая верхняя часть многолетней мерзлоты. Далее, если вновь наступит похолодание, то верхняя часть оттаявшей зоны снова замерзнет и внутри многолетнемерзлых пород останется талый участок – внутренний талик. Талики усложняют инженерногеологическую обстановку, а связанные с ними подземные воды называются межмерзлотными.

Подземные льды и бугры пучения. В толще многолетнемерзлых песчано-глинистых пород встречаются толщи льда мощностью до нескольких метров. Механизм формирования подземных льдов может быть различным и здесь не рассматривается. Отметим, что некоторым видам подземных льдов в рельефе соответствуют небольшие возвышения, получившие название бугров пучения.

Островная мерзлота – это полоса по южному краю зоны вечной мерзлоты шириной в десятки и первые сотни километров. Область островной мерзлоты характеризуется температурой грунтов около 00С и

незакономерным чередованием по площади и разрезу мерзлых и талых зон. Сезонное промерзание и оттаивание грунтов может приводить к росту мерзлоты в одних местах и убыванию в других. Площади с островной мерзлотой всегда имеют сложные инженерно-геологические условия.^{^[8]}

6. Закон Дарси и области его применимости в гидрогеологии

В середине ХIХ века в результате экспериментального изучения движения воды через песчаные фильтры был установлен закон Дарси – основной закон фильтрации или линейный закон фильтрации. В результате тщательно проведенного эксперимента Анри Дарси получил формулу Q=kф·F·∆H/L (1) где Q – объемный расход жидкости через песчаный фильтр, длина которого L, а площадь поперечного сечения F, ∆H=H1-H2 – разность напоров воды над фильтром и у его основания; kф – коэффициент фильтрации, который зависит от структуры пористой среды и от свойств фильтрующейся жидкости.

Коэффициент фильтрации kф используется обычно в

гидромеханических расчетах, где приходится иметь дело с одной жидкостью – водой. При исследовании фильтрации нефти, газа и их смесей необходимо разделить влияние свойств пористой среды и жидкости. В этом случае формула Дарси имеет вид

Q= F (2)

или = · (3)

где, μ – динамический коэффициент вязкости, Па с; P=ρgh, гидростатическое давление, Па; k - коэффициент проницаемости, .

Проницаемость – способность породы пропускать через себя жидкость, газ или их смеси под воздействием приложенного перепада давления.

Сравнивая (1) и (2), получим:

K_ф = kρg/μ (4)

Формула (3) носит название линейного закона Дарси.

В процессе исследования пределов применимости закона Дарси показано, что существуют две основные группы причин отклонения от закона Дарси:

1) отклонения, связанные с проявлением инерционных сил при высоких скоростях фильтрации (верхняя граница применимости закона Дарси);

2) отклонения при достаточно малых скоростях фильтрации с проявлением неньютоновских реологических свойств жидкости, ее взаимодействием с твердым скелетом пористой среды (нижняя граница применимости закона Дарси).

Верхнюю границу применения закона Дарси связывают обычно с некоторым критическим (предельным) значением числа Рейнольдса (Reкр): Reкр= d/

где, d – некоторый характерный размер пористой среды;

W – средняя скорость течения по трубам;

- кинематический коэффициент вязкости флюида ( = /ρ).

Удобную для практики разработки нефтяных и газовых месторождений формулу числа Re предложил В. Н. Щелкачев:

Re= (5)

По В. Н. Щелкачеву критические значения Re, заключены в интервале:

Reкр=0,032÷14.

Нижняя граница применимости закона Дарси связана с проявлением неньютоновских свойств фильтрующихся флюидов, что характеризуется повышенным содержанием в нефти высокомолекулярных компонентов (смол, асфальтенов, парафина и др.). В этом случае предлагается нелинейный закон фильтрации неньютоновских жидкостей, в основе которого лежит модель фильтрации с предельным градиентом, в виде:

>0,

где γ – предельный (начальный) градиент давления, по достижении

которого начинается движение жидкости; при меньших значениях градиента движение отсутствует.^{^[9]}

Список использованных источников и литературы

1. Карпенко Н.П., Ломакин И.М. Основы инженерной геологии.

http://zinref.ru/000_uchebniki/01600geologia/000_00_osnovi_injenernoi_geologii

_karpenko_2014/026.htm

2. Интрузивный магматизм. Интрузивные горные породы.

https://studfiles.net/preview/1845643/page:13/

3. Интрузивный магматизм.

https://studfiles.net/preview/3600292/page:7/

4. Особенности инженерно-геологических свойств грунтов.

https://studfiles.net/preview/1839134/

5. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для

строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. http://docs.cntd.ru/document/1200007405

6. Развития склоновых процессов. https://helpiks.org/8-24688.html

7. Лабораторные гидрогеологические исследования.

http://www.geoekonomica.ru/gnssn/met_ggi/met_ggi_gl6.htm

8. Геологические процессы в криолитозоне.

https://studfiles.net/preview/4242225/page:26/

9. Закон Дарси – линейный закон фильтрации. Причины нарушения закона Дарси и пределы его применимости. https://helpiks.org/7-35732.html

[1] Интрузивный магматизм. Интрузивные горные породы. https://studfiles.net/preview/1845643/page:13/

[2] Интрузивный магматизм. https://studfiles.net/preview/3600292/page:7/

[3] Особенности инженерно-геологических свойств грунтов. https://studfiles.net/preview/1839134/

[4] СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила

производства работ в районах развития опасных геологических и инженерногеологических процессов. http://docs.cntd.ru/document/1200007405

[5] Развития склоновых процессов. https://helpiks.org/8-24688.html

[6] Лабораторные гидрогеологические исследования.

http://www.geoekonomica.ru/gnssn/met_ggi/met_ggi_gl6.htm

[7] Геологические процессы в криолитозоне. https://studfiles.net/preview/4242225/page:26/

[8] Карпенко Н.П., Ломакин И.М. Основы инженерной геологии.

http://zinref.ru/000_uchebniki/01600geologia/000_00_osnovi_injenernoi_geologii_karpenko_20 14/026.htm

[9] Закон Дарси – линейный закон фильтрации. Причины нарушения закона Дарси и пределы его применимости. https://helpiks.org/7-35732.html