Модуль 3. Геофизические исследования при решении инженерно-геологических задач и интерпретация результатов

Лекция 8. Тема:Изучение физико-механических свойств горных пород. Определение напряженного состояния горных массивов горных пород, упругих свойств, модуля деформации, прочностных характеристик горных пород

Геофизические методы также используются для оценки физико-механических параметров таких как глинистость Г, влажность W, плотность σ, число пластичности τ, коэффициент пористости К_п, коэффициент фильтрации К_ф, угол внутреннего трения φ, сцепление С, динамический модуль Е_д, модуль сдвига G, коэффициент Пуассона μ и др.

Оценка физико-механических свойств горных пород геофизическими методами исследований носит косвенный характер и базируется на эмпирически устанавливаемых корреляционных связях между результатами прямых измерений этих параметров традиционными инженерно-геологическими методами. Так, для Подмосковного района получены следующие взаимосвязи между измеряемыми in situ электрическим сопротивлением ρ, поляризуемостью η, скоростью поперечных волн V_s и прогнозируемыми параметрами неконсолидированных песчано-глинистых отложений:

а) глинистостью Г = -0,89lgρ + 1,39Г = 0,37 lg η +0,39 (в долях глинистости);

б) углом внутреннего трения lgφ = - 1,48 lgρ + 2,95, lgφ = - 1,14 lg η + 1,14 (в градусах);

в) сцеплением С = - 1,18 lgρ + 2,20 (кг/см); г) пористостью п = 0,24/V_s – 0,10 (безразмерная).

Ниже, в таблице 8.1 приведены результаты корреляционного анализа зависимостей между физико-механическими свойствами (ФМС) мерзлых грунтов ВЧР Восточной Сибири и наблюдаемыми над ними геофизическими характеристиками, полученными на эталонных участках с помощью сейсморазведки КМПВ и плотностного гамма-гамма метода (ГГК).

Таблица 8.1

Уравнения регрессии, связывающие значения физико-механических свойств и геофизические параметры пород некоторых площадей Восточной Сибири

(по А.В. Миронову, 1993).

Порода/Грунт	Объём выборки	Уравнения регрессии	Коэффициенты корреляции
Пески		E = 1.78σ + 0.987 VP + 0.231 VS	0.9; 0.83; 0.79
	φ= 0.078 VP + 0.575 VS – 0.228 E	0.81; 0.93; 0.8
Супеси		μ= arctg(10.82 10^-3 G + 0.98)	0.78
	C = (3.28 10^-2VP/VS – 0.36) 1.1 10^-3	0.79
	E = 0.088 VP + 281 VS - 331	0.85; 0.75
Элювий по песчаникам и сланцам		φ= (46.2 – 7.32 E)	0.83
Галечниковые грунты		E = 0.711 VP + 123.9 VP/VS – 91	0.75; 0.84
	Φ = (88.5 – 10.24 VP/VS)	0.82

PS. Исходные параметры: скорость в м/c; плотность в кг/м³. Прогнозируемые параметры: коэффициент Пуассона, кг/м², угол внутреннего трения, град; С – модуль сцепления.

Обычно для изучения устойчивости геологической среды перед геофизикой ставятся следующие задачи (Огильви А.А., 1990):

1. выявление регионов, где встречаются растворимые породы; оценка литологии и мощности перекрывающих пород, самих карстующих пород и глубины залегания базиса коррозии, т.е. поверхности скальных пород, ниже которой закарстованности нет.

2. изучение гидрогеологических условий наличия водоносных пород, пластовых и трещинно-карстовых вод, их минерализации, динамики (скорости движения и фильтрации).

3. выявления трещинно-карстовых зон, отдельных карстовых форм, полостей и т.п.

4. оценка динамики карстово-суффозионных процесов и устойчивости закарстованных территорий.

Решение первой и второй задач производится геофизическими методами, используемыми для картирования. В условиях круто слоистых сред применяются методы гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования (методами естественного поля (ЕП), сопротивлений (ЭП), низкочастотного (НЧП) и высокочастотного (РВП), гамма- и эманационные съемки. В условиях горизонтально и полого залегающих пород используются электромагнитные зондирования (ВЭЗ, ЧЗ или становлением поля в ближней зоне ЗСБ или другие), а также сейсморазведка методами преломленных волн (МПВ) и отраженных (МОВ).

Решение 3-й и 4-й задач проводится одиночными или режимными электромагнитными профилированиями, сейсморазведкой МПВ. С помощью скважинных исследований изучаются физические свойства пород вокруг скважин и между скважинами, определяются скорости движения и фильтрации подземных вод. Применение одного электроразведочного и одного сейсмического может дать более достоверное решение поставленных задач.

Исходные параметры: V_P - скорость распространения продольных волн, м/с; V_S - скорость распространения поперечных волн м/с; σ - плотность, кг/м³.

Прогнозируемые параметры: μ - коэффициент Пуассона, кг/м²; G – модуль сдвига; Е - модуль деформации, кг/м² – угол внутреннего трения, град.; С - модуль сцепления.

Определение деформационно-пpочностных свойств горных поpод по данным сейсморазведки и сейсмоакустических исследований.

По скоpoстям продольных (желательно и попеpечных) упругих волн, получаемых в результате интерпретации данных сейсморазведки МПВ, МОВ и сейсмоакустических исследований скважин, определяются динамические дефоpмационно-пpочностные свойства горных пород в массиве в естественных условиях залегания, по которым, в свою очередь, оцениваются статические деформационно-прочностные свойства (см. [Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений, 1990; Савич А.И., Ященко З.Г., 1979).

Динамический коэффициент попеpечных деформаций (коэффициент Пуассона μ зависит от отношения V_S/V_P, котоpое меняется от 0,2 до 0,7. Его рассчитывают по формуле ν = (V²_P - 2V² _S)/ 2(V_P -2V²_S) или определяют по правой шкале номограммы на рис. 5.9. С помощью этой же номограммы определяется динамический модуль Юнга 53(E_g - в МПа, V_S - в км/с, σ - в г/см³). Заметим, что все упpугие модули измеpяются в паскалях (Па), гигапаскалях (1 ГПа = 10⁹ Па), мегапаскалях (1 МПа = 10⁶ Па) или в нь57ютонах на 1 кв. м (1 Н/м² = 10 Па = 10^-5 кг/см²).

Рис. 8.1 Номограмма В.Н.Никитина для вычисления динамического модуля упругости (Е_g) по V_P, σ, ν [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Номограмма на рис. 8.1 позволяет определить достаточно точно параметры ν_g и Е_g (погрешности не превышают 20%) для сплошных однородных и изотропных упругих сред, к которым можно отнести скальные породы. Для дискретных неоднородных (полускальные и рыхлые осадочные) и особенно анизотропных (сланцы, глины) геологических сред получаемые с помощью этой номограммы параметры ν_g и Е_g являются эффективными, т.е. характеризуют усредненные упругие свойства. С достаточной точностью они могут использоваться для получения лишь относительных значений , которыми определяется упругая неоднородность среды. Абсолютные же величины этих модулей можно получить, установив корреляционные связи между геолого-геофизическими свойствами изучаемого района. В целом для различных поpод ν_g меняется от 0,1 до 0,5, а Е_g - от единиц до сотен 10² МПа (от долей единиц до десятков ГПа).

Поскольку при инженерно-геологических испытаниях получаются статические, а в МПВ и МОВ динамические модули упругости, то между ними пытаются установить корреляционные связи. Для скальных и мерзлых пород такие связи довольно устойчивы. Так, для скальных пород В.Н.Никитиным рекомендуется зависимость Е_С = 1,03 Е_g – 0,9 (Е- в ГПа). Е_С называется приведенным модулем упругости и широко используется при изучении скальных массивов горных пород. Погрешности при расчетах достигают 40%. Для полускальных и рыхлых пород эти связи в каждом районе устанавливаются путем корреляции между геолого-геофизическими параметрами.

Модуль общей деформации (Е_Деф), характеризующий полные упругие деформации в массиве при значительных длительных нагрузках одного знака, сложным образом зависит от Е_С и Е_g, а аналитические связи между ними не установлены. Обобщенные многими авторами экспериментальные зависимости Е_Деф от Е_g представлены на рис. 8.2.

Рис. 8.2 Графики зависимости общего модуля деформации (Е_Деф) от динамического модуля упругости (Е_g) для разных пород: 1 и 3 - воздушно-сухих и водонасыщенных магматических и метаморфических, 2, 5 и 4, 6 - воздушно-сухих и водонасыщенных осадочных при испытаниях на образцах (а) и натурных наблюдениях (б) [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Mодуль общей деформации скальных пород может быть оценен либо с помощью рис. 8.3, либо вычислен по формуле В.И.Бондарева: Е_Деф = (0,093Е_g +0,4) МПа. Для песчано-глинистых пород его можно определить с помощью графиков, представленных на рис. 5.11, если известны скорости распространения продольных волн. Максимальные значения у массивных скальных горных поpод (10000-50000) MПа = (10-50) ГПа, а у полускальных - в 100 pаз меньше.

Рис. 8.3. Графики зависимости модуля общей деформации (Е_Деф) от скорости распространения продольных упругих волн V_P для песчано-глинистых пород разной плотности (σ) [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

Среди прочностных свойств горных пород часто используется предел прочности на сжатие (σ_СЖ), равный напряжению одноосного сжатия образца, при котором он разрушается. Предел прочности характеризует крепость пород с точки зрения переносимых нагрузок. Формула для расчета образцов неводонасыщенных скальных пород имеет вид:

σ_СЖ = [V²_P σ_g(1-2V_S)]/[(1 – V_g)C] (σ_СЖ в Па, V_P - в м/с, σ_g - в кг/м³), (8.1), где коэффициент C устанавливается путем получения корреляционных связей при экспериментальных геолого-геофизических наблюдениях. Он приблизительно равен: 240 (для известняков), 180 (для метаморфических и древних (доюрских) эффузивных пород), 120 (для древних интрузивных пород), 60 (для молодых (послеюрских) скальных пород). Величину σ_СЖ (в МПа) через V_P (в км/с) для скальных пород можно определить с помощью графиков, представленных на рис. 8.4, а для глин - по формуле Н.Н.Горяинова σ_СЖ =0,7V²_P/ν² – 0,07 (8.2). Для рыхлых осадочных пород σ_СЖ связан с V_P и V_S зависимостью σ_СЖ >> V²_P^// ν²>>C V²_P/ ν², где σ_СЖ - в МПа, V- в км/с, ν - коэффициент Пуассона, С - коэффициент, который при относительных измерениях можно принять за 1, а при абсолютных его следует определить с помощью совместных геолого-геофизических работ. В целом наибольшие значения σ_СЖ (200-300 МПа) наблюдаются в массивных магматических поpодах, пpимеpно в 2 pаза меньшие σ_СЖ - у скальных осадочных поpод и в 100-200 раз меньшие - у сильно тpещиноватых полускальных поpод.

Рис. 8.4 Теоретические графики зависимости предела прочности пород на сжатие (σ_СЖ) от скорости продольных волн (V_P) для разных значений V_P скальных пород [Савич А.И., Ященко З.Г., 1979]

В целом с помощью достаточно простого и быстрого геофизического метода (MПВ) получаются количественные параметры для построения обобщенных геомеханических моделей геологической среды, необходимых при проектировании сооружений. Абсолютные значения физико-механических свойств определяются с погрешностями до 20%, а деформационно-прочностных - поpядка 50%. Однако относительные изменения тех или иных параметров вдоль профилей или в пределах площадей проведения МПВ, т.е. их пространственная изменчивость, опpeделяются значительно точнее. В результате осуществляется картирование геологической среды, т.е. расчленение ее на неоднородные зонально-блоковые участки разных размеров. По различиям сейсмических и геомеханических свойств на изучаемой площади эти участки только по геофизическим данным можно разделить на относительно устойчивые с точки зрения строительства, где V_P, V_S, σ, E_g, E_C, E_Деф, σ_СЖ достигают максимумов, и неустойчивые, где эти параметры меньше максимальных в 5-10 раз.

Лекция 9. Тема: Изучение карстово-суффозионных процессов. Интерпретация результатов исследования.

Дата добавления: 2014-01-07