Введение к работе
Актуальность темы. Важным направлением в инженерных
изысканиях является комплексное исследование природной;
обстановки для подземного строительства. Комплексные ис-;
следования включают трудоемкие и дорогостоящие.работьк-
бурение разведочных скважин, проходку шурфов, шахт «што
лен, а также полевые исследования грунтов сдвиговым^' \ь
статистическими нагрузками. > :
В последнее время большое внимание уделяется геофизи»; ческим методам исследования грунтов. Преимуществом .Геофизических методов является их экспрессность и низкая СТО*; имость. Высокая представительность геофизического -опробования позволяет успешно решать вопросы подземного строи-' тельства, в том числе проектирования и строительства метро.
Однако возможности геофизических методов при подзем»; ном строительстве раскрыты не полностью и реализуются-лишь частично. Недостаток теоретически обоснованных реко-г мендаций по методике работ снижает достоверность получае*-мых результатов и ограничивает возможности геофизических; методов эмпирическим уровнем. Назрела необходимость со-, вершенствования геофизических методов с целью определе* ния физико-механических свойств грунтов применительно it-решению задач подземного строительства и проектирования;
Метро. . .:-
Под физико-механическими свойствами (ФМС) грунтов:-^; работе понимаются свойства, определяющие пригодность грунтов для подземного строительства метро. К таким свойствам, относятся скорости продольных (Vp) и поперечных-(Vs); волн, показатель качества керна (RQD), модуль Юнга-(ЕК коэффициент Пуассона (и), коэффициент упругого отпора (Котп.), плотность (а), влажность (\v), коэффициент крепо* сти город (f), сопротивление грунтов раздавливанию: (Rc)v'ft другие. Знание этих свойств позволяет обоснованно тлппзп* ровать инженерно-геологические условия, выбирать глубину заложения подземных сооружений, оптимизировать проходку, тоннелей, оценивать трещиноватость, обводненность, устойчи-
вость грунтов в горных выработках, своевременно предотвращать деформацию жилых зданий и сооружений в зоне влияния подземных сооружений.
К началу исследований автора (1986 год) были выполне
ны работы (Л. С. Полак, М. Б. Рапопорт, 1956 г., 3. Г. Ящен-
ко, И. С. Есаков, 1959, г., Б. А. *Бяков, А. К- Урупов, 1961 г.,;
Р. Линдлей, 1963 г., Г. Н. Гогоненков, 1967 г., Л. А. Лаврова,
Е. Г. Захаров, А. Т. Лисенков, 1968 г., П. Ф. Кочетков, 1971 г.,
Т. П. Саковцев, В. М. Сапожников, Ю. В, Голиков, 1978 г. и
других исследователей), в которых рассматривались различ-.
ныё аспекты .определения физико-механических свойств
скальных грунтов в основном терригенно-карбонатного про
исхождения. Положительный опыт этих исследователей был
использован, в основном при поисках и разведке месторож
дений твердых полезных ископаемых на скальных грунтах, не
затронутых выветриванием. ;
При решении задач инженерно-геологических изысканий для подземного строительства требуется оптимизация методических достижений предшественников. При строительстве Екатеринбургского метро сложность инженерно-геологических изысканий возрастает из-за трещиноватости, выветрелости и обводненности скальных грунтов, сложного геологического строения отдельных участков трассы метро, проектируемой в зоне гипергенеза геосинклинальной области. Физико-механические свойства скальных грунтов Екатеринбургского метро резко отличаются от изученных ранее свойств грунтов осадочного комплекса горных пород. Процессы метаморфизма и выветривания скальных грунтов приводят к существенным изменениям их ФМС; Все это свидетельствует об актуальности исследования ФМС разрушенных грунтов осадочно-вулканогенного комплекса эффективными и экспрессивными геофизическими методами.
Задача определения физико-механических свойств грунтов Екатеринбургского метро решается в работе путем электрических измерений, результаты которых хорошо коррелируют с физико-механическими свойствами.
Хорошо разработанные акустические методы оценки ФМС скальных грунтов могут быть использованы в качестве арбитражных при выполнении электрических измерений. Недостатком акустических измерений является их низкая эффективность в сильно выветрелых н трещиноватых грунтах, где наблюдается сильное поглощение акустического сигнала. В таких грунтах не везде удается получить запись продольных 2
іг поперечных волн. Вместе q тем на монолитных пер а зрушену, ных грунтах акустические измерения позволяют получить .хо-, рошиз результаты. Поэтому целесообразно комплексцровать
электрические измерения с акустическими.
Исследование физико-механических свойств скальных
грунтов геофизическими методами осуществляется в Двух ва
риантах: в условиях in situ (в! скважинах) и в лабораторных4
условиях на образцах керна буровых скважин: Геофизические-
методы исследования скважнн в отличие отг лабораторных ис
следований позволяют получить информацию-о* физико-меха
нических свойствах больших масс грунтов, в то же. время: ла:-г
бораторные условия позволяют выполнить более тонкие; и-
сложные анализы отобранных проб. Поэтому целесообразно;
исследовать возможности не только скважинкой, нон лабора
торной модификации электрических измерений", - -'
Объектом исследований является грунтовый массив, зоны дезинтеграции по трассе Екатеринбургского, метро, осложнен-; ный продуктами метаморфизма и измененный последующими; процессами площадного и вертикального избирательного .физико-химического выветривания горных пород различного происхождения: вулканогенно-осадочных (туфы порфиритов, туф-фиты, туфосланцы), метаморфических сланцев (слюдяно-хлоритовые, кварцево-слюдистые), . осадочных (мраморизо-ванные известняки), ультраосновных (серпентиниты, талько-хлоритовые и талько-карбонатные образования), интрузив-, ных и эффузивных пород.
Идея работы заключается в выявлении и исследовании
взаимосвязей между электрическими и физико-механическими
свойствами метаморфизованных и выветрелых в различной
степени грунтов зоны дезинтеграции,, в установлении парных
корреляционных связей между отдельными физико-механиче
скими свойствами грунтов, в разработке новой методики оп
ределения основных физико-механических свойств грунтов
геофизическими методами, основанной на электроакустичес
ких измерениях, в построении инженерно-геологической МО
дели (ИГМ) среды, вмещающей подземное- сооружение, на,-
пример, метро. - <г , і
Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование; и разработка комплексной методики їгссле1 довапия физико-механических свойств грунтов (VpVVs;*"E", и, RQD, Котп., f и др.) зоны дезинтеграции геосинклинальной области по>' данным комплексных геофизических и инженер-
г 3
нб-геблогичёских исследований in situ и в лабораторных условиях.
Основные задачи работы. Для достижения намеченной цели потребовалось решить следующие задачи:
1, Провести обзор, изучение, систематизацию и обобщение
сведений О ФМС грунтов по трассе Екатеринбургского мет
ро, исследовать взаимосвязи ФМС грунтов с их электричес
кими свойствами.
- 2. Изучить возможности отдельных геофизических методов исследования ФМС разрушенных грунтов зоны дезинтеграции и Выбрать в, качестве инструмента исследований удобный, простой и достаточно точный метод электрических измерений, обосновать границы применимости электрометрии.
-
Выполнить комплексные электрические и акустические исследования ФМС грунтов по трассе Екатеринбургского метро в условиях их естественного залегания и в лабораторных условиях, получить оптимальные рекомендации по методике работ, разработать простые приемы интерпретации элек-тро-акустических измерений.
-
Показать достоверность результатов определения ФМС грунтов по данным электро-акустнческих ^измерений и эффективность их использования при решении прикладных задач проектирования и строительства метро, построить двухмерные! (в плане и разрезе) и трехмерные инженерно-геологические модели (ИГМ)л участков трассы Екатеринбургского метрополитена, построить блочные модели по крепости (f) грунтов, рассчитать удельную и общую потребность во взрывчатых материалах (ВМ).
Научная новизна. В отличие от известных работ по определению ФМС грунтов геофизическими методами, выполненными ранее применительно к поискам и разведке месторождений полезных ископаемых (Л. С. Полак, М. Б. Рапопорт, В. И, Бондарев, В. М. Сапожников, Р. X. Линдлей, И. Дела-нланше и др.) в диссертационной работе дано теоретическое И экспериментальное исследование возможности использования геофизических методов для определения ФМС грунтов при подземном строительстве.
Новыми в работе являются: , " ' 1. Установленные закономерности и корреляционные взаимосвязи электросопротивления с ФМС грунтов зоны дезинтеграции.
2. Использование электрического каротажа для опреде
ления ФМС.метаморфизованных грунтов осадочно-вулкано-
генного геііезіїса в естественном залегании (in situ).. . ... ..
3. Использование электролитического способа для конт
роля выветривания грунтов и определения его прочностных
(Re, f) свойств.
4. Использование кавернометрни при оценке напряженно-
* деформированного состояния породного массива, оценка гео-
дннамического состояния среды для подземного строительства в сложных инженерно-геологических условиях. -
. 5. Построение двухмерных и трехмерных ИГМ для подземного строительства Екатеринбургского метрополитена.
Практическая ценность работы. Полученные результаты имеют научное и практическое значение для:
-
Обоснования методики определения ФМС грунтов геофизическими методами для объектов подземного строительства, создания простых способов интерпретации геофизических измерений.
-
Оценки ФМС разрушенных грунтов по данным электрических измерении и обоснования комплексиррвания электрических и акустических измерении.
-
Повышения качества (информативности и достоверности) исходных данных для проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений с учетом локальных и
региональных инженерно-геологических особенностей.
Результаты исследовании позволяют рекомендовать элек-
..-трическис измерения для определения ФМС разрушенных
- грунтов в условиях естественного залегания, определять проч
ность грунтов (Re) в лабораторных условиях электролитйяе-
-,..ским методом на образцах керна неправильной формы, сос
тавлять объемные ИГМ! массивов горных пород, вмещающих
инженерные сооружения. '
Апробация работы и использование ее результатов. Дос-- товарность результатов определения-ФМС грунтов поданным, - электрических измерений подтверждается данными 'акустического каротажа 20 скважин по, трассе Екатеринбургского метро; и данным лабораторных исследований образцов: керна
(более 1000 образцов).-Надежность полученных корр.еляцн-
іОниьіх связей проверена на представительных выборках.
і Основные положения диссертации докладывались на,рес-( . лубликанских научно - практических конференциях -и ,-семина-. pax НПО Стропизыскаиия в г. Екатеринбурге —г 19.88, J989, .. > 1990, 1991, 1992 гг., на Международном симпозиуме па.инже-. -. нерпой геологии карста к. г. Перми -в 1992 г., на Международ-. ном симпозиуме по -горной, геофизике в г. Перми в.1993 г.-,. на
Научно-техническом сбветё института Уралгипрбтранс в 1992 т., на научно-техническом совете дирекции строящегося 'метрополитена в 1992 г., на научно-техническом совете Уральского института геомеханики в 1992 г., на научном семинаре "в Уральском горном институте в 1992 г.
Результаты диссертационной работы нашли применение в практике инженерно-геологических исследований при проектировании и строительстве Екатеринбургского метро.
Исходные материалы и личный вклад автора в решение
проблемы. Диссертационная работа базируется на результа
тах многолетних теоретических и экспериментальных иссле
дований, проводимых в Уральском тресте инженерно-строи
тельных изысканий под руководством автора и при его непо
средственном участии. ;
Автор лично в процессе исследований:
— обосновал и экспериментально проверил применение
' электрометрии для оценки ФМС грунтов, используя в качест
ве арбитражных акустические измерения;
— составил алгоритмы и программы аппроксимации эм-
' лирических зависимостей между электрическими и акустиче-
' скими параметрами, выполнил статистический анализ и ин-
:' терпретацию результатов измерения на ЭВМ. ЕС-1036;
— исследовал факторы, влияющие на точность определе-,
'ния ФМС грунтов по данным электрических измерений;
получил оптимальные рекомендации по методике работ и интерпретации электро-акустических измерений в скважинах и в лабораторных условиях; ;
составил объемные ИГМ отдельных участков трассы
МеТрО. ;
Выполненные автором теоретические и экспериментальные " Исследования позволили решить основную задачу защищаемой работы — повысить эффективность и качество инженер-'' но-геологических изысканий при строительстве Екатеринбург-,
ского метро. )
Автор защищает: і
— установленные закономерности взаимосвязи между
ФМС-грунтов (Vp, Vs, Е, ц, RQD, Котп., о) и их электрически
ми свойствами и корреляционные зависимости между этими
" показателями, обоснование применимости электрических из-'мерений для определения ФМС грунтов зоны дезинтеграции;
:- — разработанную и внедряемую в производство методику
определения ФМС грунтов в условиях in situ по данным элек-' тро-акустических измерений, позволяющую оперативно и с до-
4 6 I
' статочной для. практики-точностью определять- ФМС-грунтов,
отличающихся повышенной трещиноватостыо и -обводнен
ностью; ' . " . --: -.-.-
— разработанную и внедряемую в производство ниже-,
перно-геологпческих изысканий методику определения крепо
сти (f) грунта в лабораторных условиях экспрессным- элек
тролитическим методом на образцах неправильной формы и
произвольных размеров, являющуюся надежным-, средством
получения достоверной информации о трещиноватости и вла-
гонасьнденности образцов скального грунта; .;..-.
" — разработанные-методы электро-акустИческих и электролитических измерений, выполняемые в комплексе .инженерно-,
. геологических изысканий, позволяющие составить - объемную инженерно-геологическую модель (ИГМ), блочную модель
грунта, по'прочности (f)\ рассчитать удельный расход взрыв
чатых материалов и определить оптимальную технологию
буровзрывных работ. . . ; ..-
. Объем и структура работы. Работа состоит из введения,
четырех глав, выводов и заключения. Она содержит 157 стра
ниц машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 20 таб
лиц. Список литературы включает 138 наименований,.относя-,
1 щнхся к теме диссертации. ....:. .;