Количественная оценка трещиноватости горных пород

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового  Красного Знамени Государственный университет имени М.В.Ломоносова

 

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

                     Направление 511000 ГЕОЛОГИЯ

          Кафедра инженерной и экологической геологии

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Количественная оценка трещиноватости массивов горных пород»

 

 

 

 

Выполнила: студентка 407 группы

Демина Ю.А.

Научный руководитель: доцент

Куринов М.Б.

 

 

Москва 2011

Оглавление

Введение………………………………………………………………………….………….3

Глава 1 Понятие трещиноватости массивов горных пород…..………………..………...4

Глава 2 Методика количественной оценки трещиноватости массивов горных пород..6

Глава 3 Графические методы оценки трещиноватости горных пород………………....13

Заключение………………………………………………………………………………….16

Список литературы………………………………………………………………………....17

 

Введение

Трещиноватость массивов горных пород является одним из главных факторов при их инженерно-геологической оценке. Она свойственна твердым – скальным и относительно твердым - полускальным породам, обладающим жесткими кристаллизационными связями между минеральными частицами. Трещиноватость наряду с другими параметрами тектонического строения характеризует структуру массива, его пространственную  неоднородность и анизотропию свойств.

При изучении трещиноватости массивов горных пород особое внимание уделяют пространственному расположению и морфологии трещин, а также количественной оценке[2]. Количественная оценка трещиноватости, например, помогает в построении различных расчетных моделей устойчивости откосов скальных пород. Оценки устойчивости в значительной мере зависят от параметров сопротивления сдвигу по трещинам, наилучшим способом определения которых следует считать обратный расчет.

Далее будут рассмотрены  понятие трещиноватости массивов горных пород и основные принципы количественной их оценки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Понятие трещиноватости массивов горных пород

Трещина - это разрыв сплошности горных пород, перемещение по которому либо отсутствует, либо имеет незначительную величину. В инженерной геологии трещины рассматриваются, как плоские, не имеющие объема границы между блоками либо как плоские геологические тела, толщина которых ничтожна по сравнению с длиной и шириной. Внутреннее пространство трещины может быть заполнено газом или жидкостью - это открытые трещины. Если между стенками трещины находятся песчаные, крупнообломочные, пылеватые или глинистые отложения, то ее называют заполненной. При наличии в трещине прочного минерального заполнителя типа кальцита, халцедона, кварца трещина относится к залеченным [8].

Трещины образуются при действии на породу сил, превышающих предел прочности  породы. Эти силы возникают в результате различных эндогенных, экзогенных геологических  и антропогенных процессов и  могут быть как внешними для породы (тектонические, гравитационные и др. силы), так и внутренними, возникающими при изменении температуры, влажности, плотности породы.

 Трещиноватость или сеть трещин - это совокупность всех трещин, совместно развитых в конкретном объеме горной породы.

Система трещин - это совокупность трещин, совместно развитых в конкретном объеме породы и имеющих близкую  пространственную ориентировку. Как  правило, одновременно бывает развито  несколько систем трещин. Но встречаются  массивы горных пород с одной  системой трещин или бессистемной (хаотичной) трещиноватостью. [6]

 Принято выделять трещины: 1) отрыва с бугристой извилистой стенкой; 2) скола, отличающиеся плоской стенкой с мелкой ступенчатой шероховатостью; 3) сдвига с гладкой шлифованной поверхностью (рис. 1.1).

.

Рис. 1.1. Трещины отрыва(1) и скола(2) в конгломерате (Тагильцев С.Н., 1994)

Горные породы разбиваются  системами трещин  на структурные  блоки, которые в процессе деформации участвуют как отдельные единицы. Форма и  размеры структурных  блоков зависят от характера трещиноватости. Как правило, литогенетическая и контракционная трещиноватость образует прямоугольную форму структурного блока. Тектоническая трещиноватость, накладывающаяся позднее, осложняет структуру массива и ориентировку его первичных форм (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Трещинноватый массив мергелей СЗ склона г.Сель-Бухра (фото автора, 2010)

Трещиноватость массива не является простой совокупностью структурных блоков, соединенных определенным образом. Трещиноватый массив – это механическая система из первичных элементов-структурных блоков, объединенных связями так, что они, работая в системе, придают ей новые механические свойства, при этом элементам системы присущи некоторые общие свойства [4].

 

 

 

Глава 2. Методика количественной оценки трещиноватости массивов горных пород

Исследование трещиноватости горных пород при инженерных изысканиях ведется либо путем непосредственного измерения размеров и ориентировки трещин, либо путем измерения параметров массива, тесно связанных с трещиноватостью. Первый способ представляет собой элемент инженерно-геологической съемки, второй - инженерно-геологической разведки.

В ходе разведки проводятся измерения скоростей распространения упругих волн, определения удельных водопоглощений и других показателей, позволяющих косвенно судить о трещиноватости различных частей массива. По косвенным характеристикам, используемым для оценки свойств массива на основе корреляционных связей, а также для районирования массива по степени трещиноватости, нельзя построить расчетную модель откоса. Лишь некоторые геофизические методы могут быть использованы для выделения крупных трещин, по которым идет смещение на склоне или в откосе. 

Полевые исследования трещиноватости следует рассматривать как специализированную инженерно-геологическую съемку. Главное в полевой работе по съемке трещиноватости – массовые измерения параметров трещиноватости в съемочных точках и горных выработках. Необходимо измерять все видимые трещины в пределах выделенной для работы части обнажения. Общее число трещин, измеряемых на обнажении, должно составлять 100-400 штук, при условии обмера 10 - 40 трещин в каждой системе. Минимальным числом измерений можно обойтись только в простейших случаях, когда в массиве имеется 3-4 системы с малым разбросом параметров.

Трещины каждой системы измеряются в следующем порядке. Горным компасом измеряется ориентировка трещин. При достаточном числе измерений переходя! к измерениям остальных параметров с помощью складного метра или стальной линейки. Расстояние между соседними трещинами и их ширина измеряются подряд для всех трещин данной системы, выходящих на поверхность обнажений, начиная от некой произвольной точки (ширина первой трещины, расстояние между первой и второй; ширина второй трещины, расстояние между второй и третьей и т. д.). Длина трещин измеряется параллельно с измерением ширины и частоты или (если она велика) отдельно, по окончании измерении ширины и частоты. Расстояние между соседними трещинами желательно мерить по перпендикуляру к плоскости трещин, чтобы избежать введения тригонометрических поправок за влияние экспозиции обнажения [8].

Все разрывные нарушения  в зависимости от размера могут  быть подразделены на ультратрещины, микротрещины, мезотрещины, макротрещины и мегатрещины.

Ультратрещины – трещины протяженностью от долей микрона до 0,01 мм, разбивающие участки кристалла и исследуемые под электронным микроскопом.

Микротрещины имеют протяженность  от 0,01 мм до нескольких сантиметров  и разбивают кристалл и участки  породы, исследуемые в монолите и  образце визуально, в аншлифе  и шлифе под поляризационным  микроскопом.

Мезотрещины  - протяженностью от нескольких сантиметров до первых метров, невыдержанные по простиранию, часто извилистые, не образующие системной трещиноватости (преимущественно трещины выветривания в чистом виде).

Макротрещины – протяженностью от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров, рассекающие пласты породы, образующие четкую системную  трешиноватость, закономерности развития которой исследуются в обнажении.

Мегатрещины – разрывные тектонические нарушения протяженностью от сотен метров до десятков и сотен километров, закономерности развития которых можно охватить лишь «взглядом сверху» при аэровизуальной съемке или дешифрировании [1]

 При проходке горных выработок и бурении скважин большего диаметра для изучения состояния пород в основании будущих сооружений необходимо определять суммарную ширину трещин каждой системы на каждый метр вскрываемого разреза, которая характеризует степень пустотности - скважности пород. Как показывает практика, под нагрузкой от сооружений в пределах активной зоны основания горизонтальные и пологонаклонные трещины могут смыкаться, вызывая осадку сооружения, которая будет приближаться к их суммарной мощности (ширине). Поэтому такие наблюдения важны для прогноза возможных осадок сооружений и их равномерности.

При инженерно-геологических  исследованиях самым распространенным видом разведочного бурения по скальным и полускальным породам является колонковый. При таком способе бурения о степени трещиноватости пород следует судить на основании следующих данных:

1. учета процента выхода керна - отношение длины полученного керна к длине пробуренного интервала скважины за рейс. При прочих равных условиях состава и свойств пород, режима бурения и других показателей, чем более монолитны породы и чем менее они трещиноваты, тем выше выход керна;
2. подсчета числа трещин на каждый погонный метр керна, т.е. на основе определения модуля трещиноватости;
3. наблюдений за проскоками снаряда при пересечении им трещин, каверн и пустот. Необходимо точно фиксировать глубину, на которой произошел проскок, и его величину, свидетельствующие о наличии открытых (зияющих) трещин и пустот.
4. RQD – показатель качества керна - это длина всех столбиков керна больше 10 см на погонный метр скважины или на интервал бурения. Больше 90% - сохранность очень хорошая, 90-75% - хорошая, 75-50% - средняя, 50-25% - плохая и меньше 25% очень плохая.

    Для обнаружения последних по вертикальному разрезу, вскрытому скважиной, полезно применение каверномера. Измерения каверномером производят при подъеме прибора после раскрытия упругих рычагов, упирающихся в стенки скважины. В результате проведенных измерений получают кривую изменения диаметра скважины с глубиной, на которой фиксируется положение открытых зияющих трещин и пустот или зон резкого увеличения диаметра скважины вследствие повышенной раздробленности пород; наблюдений за расходом промывочной жидкости, по которому в процессе бурения скважины можно выделить зоны различной трещиноватости пород; осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью специальных приборов и телевизионных установок (фотокаротаж).

Оценка степени трещиноватости гидрогеологическими методами. Сравнительная оценка степени трещиноватости скальных и полускальных горных пород может производиться также по результатам специальных опытных работ - опытных нагнетаний и наливов воды в скважины и горные выработки; опытных откачек воды из скважин или горных выработок, если породы водоносны. Водопроницаемость и водообильность скальных горных пород определяются главным образом их трещиноватостью или закарстованностью (известняки, доломиты), поэтому, если, в скважину, вскрывшую такие породы, нагнетать воду и определять водопоглощение, можно косвенно судить об их трещиноватости. Точно так же, если из скважины, вскрывшей водоносные породы, откачивать воду, то их водообильность и водопроницаемость косвенно будут характеризовать степень трещиноватости. Специальные опытные работы для получения сравнительной оценки трещиноватости горных пород и основаны на определении их водопоглощения, водопроницаемости и водообильности. Мерой водопоглощения и водопроницаемости горных пород служат удельное водопоглощение и коэффициент фильтрации. Пользуясь этими показателями, породы можно классифицировать по степени трещиноватости (табл. 2.1) [5].

 

 

 

Таблица 2.1. Классификация горных пород по степени трещиноватости[5].

Характеристика горных пород	Коэффициент фильтрации, м/сут.	Удельное водопоглощение, л/мин
Практически водоупорные, нетрещиноватые	< 0,01	< 0,005
Очень слабоводопроницаемые и слаботрещиноватые	0,01 - 0,1	0,005 - 0,05
Слабоводопроницаемые и  слаботрещиноватые	0,1 - 10	0,05 - 5
Водопроницаемые и слаботрещиноватые	10 - 30	5 - 15
Сильноводопроницаемые, сильнотрещиноватые	30 - 100	15 - 50
Очень сильноводопроницаемые  и сильнотрещиноватые	> 100	> 50

 

Количественная оценка трещиноватости массивов горных пород осуществляется разными способами с применением различных показателей (табл.2.2) [2].

В зависимости от применяемых  классификационных критериев существующие классификации можно разделить  на три группы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(1),

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

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

(2),

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

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

 

 

Глава 3. Графические методы оценки трещиноватости массивов горных пород

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

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

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

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

Точечная круговая диаграмма  трещиноватости по содержанию и методике составления аналогична лучевой диаграмме. Только замеры трещин наносятся в виде точек, соответствующих азимуту и углу падения. Качественные характеристики показываются цветом и формой знака. [7]

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

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

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

Карта интенсивности трещиноватости составляется на основе вычисленных значений показателя интенсивности трещиноватости различных участков основания под сооружение. На картах трещиноватости выделяются зоны трещиноватости различного генезиса и разной степени. Генезис трещиноватости показывается, как правило, типом штриховки. Степень трещиноватости: слабо (Кт<2%), средне (Кт=2-5%), сильно (Кт=5-10%), очень сильно трещиноватые (Кт=10-15%) и раздробленные породы (Кт>15%) – густотой штриховки [7]. В сочетании с инженерно-геологической картой эта карта может служить основой для расчетов устойчивости сооружения и отдельных его частей. Она позволяет, кроме того, более обоснованно распространять результаты изучения деформируемости и сопротивляемости сдвигу горных пород на характерные участки основания сооружения [3].

 

 

Заключение

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

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

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

Основными методами оценки устойчивости откосов в скальном массиве:

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

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

Список литературы

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