ГлавнаяТрещины обычно простираются по нескольким взаимно пересекающимся направлениям, определяя пространственное расположение поверхностей и зон ослабления. Вот почему трещиноватость влияет на прочность и устойчивость горных пород; деформируемость, характер проявления деформаций и их величину; водоносность, влагоемкость, водопроницаемость и газопроницаемость; глубину проникновения агентов выветривания и интенсивность развития процессов выветривания; развитие коррозионных и карстообразовательных процессов и проникновение карста на глубину; температурный режим пород; скорость распространения сейсмических волн и сейсмостойкость пород; крепость, трудность разработки и строительную категорию пород; определение мощности зоны съема при проектировании сооружений.
Кроме того, при строительстве подземных сооружений и разработке месторождений полезных ископаемых как подземным, так и открытым способом трещиноватость горных пород часто определяет организацию производства строительных работ и горнотехнические условия.
Трещины в горных породах могут быть тектоническими и нетектоническими. Тектонические трещины развиваются в магматических, метаморфических и осадочных сцементированных породах под влиянием тектонических сжимающих и растягивающих усилий, превышающих предел прочности пород. В соответствии с этим тектонические трещины подразделяются на трещины скалывания, развивающиеся под влиянием касательных сдвигающих — скалывающих — усилий, и трещины отрыва, развивающиеся под влиянием растягивающих усилий. Тектонические трещины, по которым не происходило перемещение горных пород, иногда называют диаклазами, а по которым происходило их перемещение (сбросы, сдвиги), — параклазами.
Общими особенностями тектонических трещин являются следующие.
1. Большая или сравнительно большая выдержанность по простиранию и на глубину; иногда они прослеживаются на сотни и тысячи метров, рассекая породы различного петрографического состава.
2. Определенное пространственное расположение, обусловливающее чаще всего образование систем трещин. На одном и том же участке может быть несколько взаимно пересекающихся систем трещин.
3. Закономерное сочетание систем трещин с тектоническими элементами — складками, тектоническими нарушениями и т. д.
4. Контролируемость многими структурно-петрографическими элементами пород — слоистостью, сланцеватостью, линейностью и полосчатостью, ориентировкой шлировых выделений, жильных образований и др.
Тектонические трещины скалывания обычно скрытые или закрытые — волосные, плоскости трещин гладкие, притертые, иногда с зеркалами и бороздами скольжения, свидетельствующими о некотором перемещении пород по ним. Обычно они образуют две сопряженные пересекающиеся наклонные системы. Отдельности, образуемые этими трещинами, имеют правильную форму. Трещины этого типа, как правило, неводоносны или слабоводоносны, водопроницаемость по ним небольшая. При разработке горных пород, вскрытии их подземными или глубокими открытыми выработками могут возникать значительные деформации — отслаивание и смещение больших масс.
Тектонические трещины отрыва обычно открытые (зияющие), крутонаклонные или вертикальные, плоскости их неровные, бугристые, зазубренные, покрытые натеками, налетами, свидетельствующими о циркуляции по ним подземных вод и растворов. Часто они бывают выполненными привнесенным песчано-глинистым материалом, а также продуктами дробления и перетирания пород, продуктами выветривания или гидротермального изменения. К этим трещинам нередко приурочены жилы кварца, кальцита, гипса, а в районах многолетней мерзлоты — жилы льда.
Трещины отрыва часто водоносны, водопроницаемость по ним повышена, и нередко они обусловливают большие притоки подземных вод к выработкам, а также большие потери воды на фильтрацию из каналов, водохранилищ, под водоподпорными сооружениями или в обход их. Они часто также являются путями подъема гидротерм с глубины. Трещины отрыва по простиранию и на глубину прослеживаются на более короткие расстояния, чем трещины скалывания. Иногда они прерывисты: одна трещина выклинивается, а рядом с ней или в стороне от нее появляется другая того же направления. В целом трещины часто достигают большой длины. На отдельных участках они могут сгущаться и образовывать зоны повышенной трещиноватости либо, наоборот, быть редкими, единичными. В береговых обрывах, откосах и подземных выработках трещины отрыва способствуют образованию вывалов крупных смещений масс горных пород, а также интенсивному развитию выветривания и коррозионных процессов на глубину.
В породах, смятых в складки, часто хорошо выражены поверхности делимости, ориентированные закономерно относительно складок. Такое явление делимости называется кливажем. Кливаж не нарушает сплошности породы и этим отличается от тектонических трещин. В обнажениях в зоне выветривания кливаж имеет вид открытых или закрытых частых параллельных трещин с ровными поверхностями и нередко со следами скольжения и притирания. В породах, находящихся вне зоны выветривания, поверхности делимости скрыты, они обнаруживаются при ударе по породе или при ее сжатии.
По происхождению кливаж может быть эндогенным, связанным с внутренними глубинными процессами земной коры (складкообразованием, образованием разрывных дислокаций, метаморфизмом), и экзогенным, связанным с поверхностными процессами (диагенезом, движениями ледника, оползней), Экзогенный кливаж — явление редкое и локальное.
Кливаж подразделяют на кливаж течения и кливаж разлома (раскола). Тот и другой образуются в процессе пластических деформаций пород при соответствующих условиях. Кливаж течения обусловлен ориентированным плоскопараллельным расположением минералов в породе. Особенно характерен он для метаморфических пород. Различают несколько видов кливажа течения: осевой (параллельный осевым поверхностям складок), слоевой, плойчатый и др. К кливажу течения относят также кристаллизационную сланцеватость, образующуюся в результате перекристаллизации пород под действием факторов метаморфизма. Кливаж течения охватывает обычно мощные толщи пород. По отношению к слоистости он может располагаться различно: диагонально, параллельно и реже перпендикулярно.
Кливаж разлома не зависит от расположения минералов в породе, возникает без изменения ее структуры. Его образование связано с действием сжимающих, скалывающих и растягивающих усилий. Как правило, он не пересекает толщи, пачки и слои пород, а проявляется в отдельных прослойках. По отношению к слоистости расположен чаще перпендикулярно или диагонально.
Из сказанного следует, что кливаж — очень важное явление, по существу он, как и трещиноватость, определяет физическое состояние скальных и полускальных горных пород. Кливаж предопределяет характер разрушения пород, их деформацию под воздействием внешних усилий. Поэтому его необходимо изучать при инженерно-геологических исследованиях и оценивать его влияние на физико-механические свойства пород и устойчивость проектируемых на них сооружений.
Трещины нетектонические образуются под влиянием внутренних сил сжатия и растяжения, развивающихся в той или иной породе. Такие трещины встречаются повсеместно, они весьма разнообразны. Общие особенности их следующие: 1) приуроченность к приповерхностным или даже самым верхним горизонтам земной коры; 2) своеобразие для каждого петрографического типа пород (образуют отдельности различных размера и формы у разных типов пород); 3) невыдержанность по простиранию; 4) отсутствие, как правило, у многих из них определенных систем; 5) в большинстве случаев в приповерхностных горизонтах земной коры они открытые, а с глубиной сужаются и выклиниваются.
Нетектонические трещины по своему происхождению могут быть подразделены на несколько групп: I) контракционные, возникающие в связи с уменьшением объема при остывании магматических пород, — трещины первичной отдельности; 2) трещины усыхания, возникающие вследствие уменьшения объема осадков при их высыхании и усадке при диагенезе; 3) трещины напластования, возникающие в осадочных породах в процессе их литификации, сопровождающейся дегидратацией и уплотнением; 4) трещины выветривания, образующиеся в результате разрушения пород при выветривании; 5) трещины разгрузки, возникающие при увеличении объема пород при их гидратации или в результате упругой отдачи при вскрытии глубокими котлованами, подземными выработками или эрозионными процессами; 6) трещины оползней, провалов и просадок, появляющиеся вследствие перераспределения напряжений в горных породах и нарушения их равновесия; 7) искусственные трещины, возникающие при взрывах, обрушениях, при подработке горных пород подземными выработками.
Контракционные трещины обычно располагаются перпендикулярно и параллельно поверхности охлаждения магматических пород, разбивая их на отдельности кубической, параллелепипедальной, матрацевидной, столбчатой, шаровой и других форм. В интрузивных породах в поздне- и постмагматическую фазы развития появление трещин может быть связано также с тектоническими усилиями. Поэтому их первичная отдельность может образовываться под влиянием одновременного действия внутренних контракционных и внешних тектонических сил. Подтверждением этому является наблюдающаяся иногда сопряженность ориентировки трещин отдельности со структурными особенностями породы. Так, например, широко известны наблюдения немецкого геолога Г. Клооса, изучавшего строение и трещиноватость гранитных массивов. Им было установлено, а впоследствии подтверждено геологами в других районах, что в гранитах намечаются четыре системы трещин (рис. II-9): 1) продольные (обычно обозначаются буквой S), параллельные линейности, полосчатости, волокнистости породы; эти трещины обычно закрытые, плоскости их гладкие, по ним идет наилучшая делимость (раскол) породы при добыче камня; 2) поперечные трещины Q, ориентированные нормально к простиранию линейности и полосчатости породы; они обычно открытые, поверхности их неровные; 3) диагональные трещины D, ориентированные диагонально, косо к простиранию структурных элементов породы, и 4) пологопадающие трещины, более или менее параллельные поверхности массива. Трещины первых трех типов чаще всего вертикальные или крутопадающие, трещины последнего типа обычно горизонтальные.
Трещины усыхания, или, как их часто называют, диагенетические, проявляются в тонкозернистых и глинистых породах. Они обычно открытые, расширенные у верхней поверхности и затухающие, выклинивающиеся книзу, располагаются перпендикулярно к поверхности пласта и не выходят за его пределы. Они всегда хорошо выражены на донной поверхности усыхающих водоемов, образуют вертикальную полигональную отдельность. Как отмечает А.С. Новикова, положение первичных диагенетических трещин зависит от петрографического состава пород. В известняках и доломитах они перпендикулярны к слоистости, в песчаниках наряду с трещинами, перпендикулярными к слоистости, наблюдаются также и наклонные. В мергелях, глинах и опоках наиболее характерны трещины, ограничивающие скорлуповатые и оскольчатые отдельности.Трещины напластования развиваются по слоистости пород, особенно на границе смежных петрографически различных слоев. В зависимости от характера слоистости эти трещины образуют толстоплитчатые, тонкоплитчатые или листоватые отдельности. Возникают они в процессе уплотнения и дегидратации пород при литификации, так как разные породы неодинаково реагируют на внешние условия.
Трещины выветривания возникают в результате разрушения горных пород под действием колебаний температуры, воды и водных растворов, корней растений и организмов. Особенно интенсивное растрескивание пород происходит при их замерзании и размерзании, в результате чего возникают так называемые морозобойные трещины. Трещины выветривания располагаются в самых приповерхностных горизонтах, расчленяя породу. Они извилистые, ветвящиеся, плоскости их неровные. У поверхности земли эти трещины обычно открытые, с глубиной выклиниваются.
Трещины разгрузки появляются при увеличении объема пород после снятия с них нагрузки, которое может быть обусловлено гидратацией или проявлением упругих деформаций (разуплотнением) пород. Например, при гидратации ангидрита и переходе его в гипс происходит увеличение объема примерно на 27%. При этом возникают значительные внутренние напряжения в породе и как следствие появляются трещины в гипсе и главным образом в породах, его перекрывающих. При разведке одного из участков долины р. Камы было обнаружено, что в результате эрозионного вреза реки и разгрузки ангидритов они перешли в гипс. Пласт гипса прослеживается только под днищем долины и выклинивается в стороны ее бортов. Породы, перекрывающие гипс, — мергели, известняки, доломиты — имеют в этом месте повышенные трещиноватость и водопроницаемость.
Разгрузка пород от действия сжимающих сил у поверхности земли под днищем и в бортах долин, в глубоких выемках, котлованах, в карьерах или на глубине в подземных выработках вызывает раскрытие скрытых и закрытых трещин, разуплотнение пород в сторону свободного пространства и появление новых трещин разгрузки или, как их еще называют, «упругой отдачи», «отседания», «бортового отпора». Трещины разгрузки развиваются более или менее параллельно обнаженной поверхности Вблизи этой поверхности их много и они хорошо выражены, с глубиной становятся более редкими и менее четкими. Если обнаженная поверхность пород параллельна слоистости, то трещины разгрузки развиваются по слоистости или параллельно ей, если эта поверхность пересекает слоистость, трещины разгрузки рассекают слои и простираются параллельно обнаженной поверхности. Такие трещины нередко наблюдаются вдоль крутых и высоких склонов речных долин, поэтому их часто называют трещинами бортового отпора. Образованию их способствуют здесь также и действие силы тяжести, нарушение равновесия масс горных пород, слагающих подмываемый рекой борт долины. По трещинам разгрузки нередко происходят смещение (отседание) пород и образование ступенчатости по склону, оползней структурного типа ,и обвалов.
Трещины оползней и провалов появляются на участках, где нарушается равновесие масс горных пород и происходит их смещение. В результате этого в горных породах возникают сдвигающие, скалывающие и растягивающие напряжения. Оползневые трещины развиваются главным образом в теле оползня и частично вдоль его границ. По трещинам, ограничивающим оползень, обычно происходят срыв и смещение масс горных пород. Это трещины отрыва. Они образуются параллельно склону, откосу или полуцирком опоясывают оползневой массив. Наиболее часто они возникают у вершины оползней, где вследствие этого в рельефе появляется ступенчатость. Трещины отрыва обычно открытые, у поверхности земли зияющие, с глубиной выклинивающиеся.
В пределах оползневого тела также обычно образуется много трещин, расположенных неравномерно, что зависит от типа оползня и состава слагающих его пород. У верхнего края оползня, близ его вершины, располагается группа «верхних» трещин, открытых, крутопадающих или вертикальных, простирающихся перпендикулярно к направлению движения оползневых масс. Это трещины растяжения — трещины отрыва, отделяющие быстро оползающие массы от медленно движущихся или неподвижных, образующие в рельефе закол или главный уступ, дугообразно изгибающийся, высотой до нескольких метров. В центральной части оползня и особенно у нижнего его края, вблизи подошвы, образуются группы трещин «центральных» или «нижних», располагающихся также поперек оползня, но вдоль валов и бугров выпирания. Они возникают под действием надвигания оползневых масс, отделения блоков пород более быстро перемещающихся от медленно смещающихся, оползня от неподвижных масс. Наконец, в теле оползня выделяются группы трещин продольных и боковых, располагающихся вдоль его бортов. Они возникают внутри оползневого тела, между участками, смещающимися с различной скоростью, или у бортов оползня между движущимися и неподвижными массами пород.
Трещины провалов возникают над карстовыми пещерами, каналами и другими полостями. Они обычно открытые, зияющие, крутые или вертикальные, различно ориентированные в плане.
Различного типа искусственные трещины образуются в горных породах при взрывных работах и под влиянием горного давления при разработке их подземными выработками, глубокими выемками и т. д. В плане такие трещины могут иметь различное расположение, они рассекают породы только с поверхности или на той или иной глубине, не достигая поверхности земли.
Искусственные трещины вызывают существенное снижение прочности, повышение деформируемости и водопроницаемости горных пород и являются причиной нарушения их устойчивости в горных выработках. Поэтому специальному их изучению уделялось внимание ряда исследователей. Полученные данные показывают, что большое число трещин, наблюдающихся в горных выработках и принимаемых ранее за естественные, при детальном изучении оказались искусственными. Наиболее четко они устанавливаются на глубине 250—300 м и более от поверхности земли как в кровле, почве, стенках и забое подземных выработок, так и в откосах карьеров и имеют направление, оконтуривающее обнаженную поверхность пород, т. е. следуют параллельно ей. Элементы залегания этих трещин как бы зависят от направления движения забоя. Угол их падения в прочных породах крутой, достигает 90°, в менее прочных — до 40°. При этом в подземных выработках падение трещин в кровле обычно направлено к забою, а в породах почвы — наоборот. Протяженность искусственных трещин небольшая, 1—3 м, а ширина — доли миллиметра, реже достигает 1—2 мм. Их поверхности обычно ровные, свежие, без налетов, пленок солей н следов подвижек, а сами трещины никогда не имеют заполнителя.
При удалении от обнаженной поверхности пород степень их трещиноватости уменьшается. Число трещин, секущих слоистые толщи, зависит от физико-механических свойств пород и от мощности слоев. Как правило, чем выше прочность и крепость пород и больше мощность слоев, тем меньше их трещиноватость.
Таковы основные генетические типы трещин. При инженерногеологическом изучении трещиноватости скальных и полускальных пород необходимо уделять большое внимание следующим основным вопросам:
1) пространственному расположению трещин, т. е. их ориентировке, с целью выяснения господствующих систем трещин, ориентировке поверхностей и зон ослабления и, следовательно, пространственной неоднородности и анизотропии пород на том или ином участке;
2) морфологии трещин и систем трещин для установления их генетических типов и выделения локальных и региональных трещин;
3) определению степени трещиноватости пород с целью количественной оценки степени их раздробленности — разрушенности, выделения участков и зон, различающихся по степени трещиноватости;
4) оценке влияния трещин и систем трещин как поверхностей и зон ослабления на прочность, деформируемость, устойчивость и водопроницаемость пород и их анизотропность в этом отношении; оценке их влияния на устойчивость местности и проектируемых сооружений.
5) определению рациональной методики разведочных и опытных работ при инженерно-геологических изысканиях и исследованиях для выявления анизотропии и дирекционности физико-механических свойств горных пород в зависимости от ориентировки их трещиноватости.
При изучении ориентировки трещин на том или ином участке, например на участке предполагаемого расположения сооружений или на уже выбранном для их размещения участке, прежде всего необходимо определить элементы залегания горных пород, ориентировку их слоистости, сланцеватости, волокнистости и других текстурных особенностей. Затем произвести массовые измерения элементов залегания плоскостей трещин (200—300— 500 измерений на каждом участке). Измеряют и записывают обязательно все три элемента ориентировки плоскостей трещин— азимуты простирания и падения и угол падения. Азимут простирания для удобства последующей обработки результатов наблюдений лучше измерять только в северных румбах.После этого производят систематизацию результатов наблюдений, т. е. выявляют ориентировку наиболее часто повторяющихся азимутов простирания и падения трещин, ориентировку господствующих систем трещин. Для каждой системы трещин определяют наиболее часто встречающиеся углы падения или пределы их изменений. При такой систематизации данных наблюдений необходимо строго руководствоваться правилом геологической однородности участков в петрографическом и структурно-тектоническом отношениях. Это значит, что систематизацию данных надо производить раздельно для каждого типа пород, для каждого крыла складки, раздельно для приконтактовой части интрузии и ее центральной части и т. д. Соответственно наблюдения за изменением расположения трещин необходимо проводить, учитывая состав пород, мощность слоев, сопряженность трещин с текстурными особенностями пород, положение складок и других тектонических нарушений, зон милонитизации и брекчирования.
Для наглядности систематизацию ориентировки трещин обычно сопровождают графическими построениями — розами, диаграммами и картами трещиноватости. Розами трещин выражают один элемент ориентировки трещин — азимут простирания или азимут падения (рис. II-9). Они дают представление о господствующих направлениях простирания или падения трещин. На диаграммах показывают два элемента ориентировки трещин — азимут простирания и угол падения; их строят либо в виде круговой точечной диаграммы (рис. II-10), либо в виде круговой диаграммы в изолиниях (рис. II-11). На первой из них каждое измерение изображается точкой на специально подготовленной сетке. Число точек на диаграмме соответствует числу произведенных измерении трещин. Концентрация точек в какой-то части диаграммы позволяет выделять определенные системы трещин с близкими элементами ориентировки.
Способ построения таких диаграмм очень прост, но они имеют некоторые недостатки. Площади ячеек сетки различны, поэтому концентрация точек в той или иной части диаграммы неточно выражает господствующие системы трещин. Кроме того, точечные диаграммы, основанные на различном количестве наблюдений, несопоставимы между собой. Чтобы они были сопоставимы, концентрация точек на единице площади должна быть выражена не в абсолютных, а в относительных значениях.В целях устранения отмеченных недостатков точечных диаграмм и более детального выявления распределения трещиноватости для обработки результатов наблюдений применяют 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 в 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.
Имеются и другие приемы построения графиков и диаграмм трещин, но при инженерно-геологических исследованиях наиболее часто применяются перечисленные.
Очень полезным способом обработки результатов наблюдений над трещиноватостью является построение специальных карт. Одна из таких карт приведена на рис. II-12.
При изучении морфологии отдельных трещин и их систем в первую очередь обращают внимание на их размещение в плане (одиночные они или образуют группы параллельных, пересекающихся, равномерно или неравномерно распространенных в горных породах, имеются ли зоны повышенной раздробленности), а также на их длину и прерывистость. Выделяют трещины главных направлений и оперяющие их. Определяют размеры и форму образующихся отдельностей. Затем устанавливают степень открытости трещин (скрытые, закрытые—«волосные», открытые — зияющие), определяют их ширину и ее изменение по простиранию и с глубиной, характер поверхностей плоскостей трещин (гладкие, ровные, со следами и бороздами скольжения или неровные, бугристые и т. д.), наличие на плоскостях трещин натеков, налетов, разводов. Определяют степень заполненности трещин и состав заполнителя. Изучают, как изменяются породы вблизи трещин, какова водоносность пород по трещинам, интенсивность и характер различных водопроявлений; какими явлениями сопровождается трещиноватость и какие явления ею предопределены — выветривание, коррозионные явления, подвижки отдельных блоков или масс горных пород, просадки, провалы, обвалы и вывалы, отслаивание, образование ложной кровли в горных выработках, зависание пород, куполов и т. д.При изучении трещин можно установить их генетические типы и дать качественную оценку степени нарушенности и устойчивости горных пород, а также установить возможное локальное или региональное влияние их на физико-механические свойства пород, условия строительства проектируемых сооружений, устойчивость местности и развитие геологических процессов.
При инженерно-геологических исследованиях кроме качественной характеристики трещиноватости очень важно также давать ее количественную оценку. Количественная характеристика трещиноватости, т. е. степени нарушенности сплошности, монолитности горных пород в условиях естественного залегания, сопряжена с известными трудностями. Поэтому в большинстве случаев ограничиваются сравнительной количественной оценкой степени трещиноватости пород, выделением зон и участков, отличающихся разными степенями трещиноватости и особенно повышенной и высокой трещиноватостью.
Такой подход к изучению трещиноватости, несомненно, имеет большое значение, особенно на предварительных этапах исследований — при выборе района или участка расположения сооружений, компоновке сооружений на выбранном участке и т. д. Однако для окончательного решения многих инженерных задач, особенно на стадии детальных исследований, необходимо иметь более точные представления о степени трещиноватости горных пород, так, например, при определении глубины врезки фундаментов сооружений, зоны съема разрушенных пород, глубины и расположения цементационных завес, искусственного уплотнения и укрепления пород основания сооружений, величины возможных осадок сооружений, крутизны заложения уступов и в целом откосов бортов карьеров, устойчивости пород в подземных выработках и решении других вопросов. Поэтому при инженерно-геологических исследованиях необходимо более точно оценивать трещиноватость пород и выполнять для этого специальные исследования в штольнях, шахтах, скважинах большого диаметра, производить различные опытные работы.
При изучении горных пород в естественных обнажениях или в горных выработках (шурфах, штольнях, шахтах) о степени трещиноватости пород можно судить на основе определения числа трещин на один погонный метр высоты или длины обнаженной поверхности пород, т. е. модуля трещиноватости. В соответствии с этим рекомендуется различать: а) зоны или участки сильной трещиноватости, когда наблюдается в среднем 5—8 явно выраженных трещин на 1 м высоты или длины обнаженной поверхности пород (т. е. зоны с большой густотой трещин); б) зоны или участки средней трёщиноватости, когда наблюдаются 2—3 явно выраженные трещины (средняя густота трещин); в) зоны или участки слаботрещиноватые, когда наблюдаются 1—2 трещины на 2—3 м обнаженной поверхности пород (редкие трещины), и г) зоны или участки нетрещиноватые (монолитные), когда явно выраженных трещин не наблюдается.
Естественно, что число обнаруженных трещин в обнажении или в стенке выработки зависит от ориентировки трещин. Если трещины вертикальные и простираются параллельно стенке обнажения, они не будут обнаружены, и, наоборот, если они ориентированы перпендикулярно к стенке обнажения, число их будет определяться точнее. Следовательно, истинное число трещин данного направления u может отличаться от подсчитанного в обнажении n, что зависит от угла отклонения простирания плоскости трещин от простирания поверхности обнажения а. Поэтому для того чтобы точнее определить число трещин на том или ином участке, вводят поправку на фактически подсчитанное их число.
u = n/sin a при a > 0.
Вводить такую поправку целесообразно, если плоскости трещин и обнажения вертикальные. Когда они наклонные, положение усложняется и возникает необходимость учитывать также азимуты и углы падения плоскостей трещин и обнажения.
Представление о степени трещиноватости горных пород дает также определение «свободной профили» пород, т. е. отношения площади свободного пространства s, занимаемого трещинами, к площади поверхности пород S, в пределах которой зарисовываются и измеряются трещины (рис. II-13). Этот показатель степени трещиноватости пород называют коэффициентом трещинной пустотности Ктр (%):
Ктр = (s/S)*100.
Л.И. Нейштадт, пользуясь этим показателем, предложила следующую классификацию пород по степени трещиноватости.
1. Породы слаботрещиноватые (Ктр < 2%). Наблюдаются трещины волосные и шириной менее 1 мм. Встречаются единичные трещины шириной до 2 мм. Трещины большей ширины отсутствуют.
2. Породы среднетрещиноватые (Kтр — от 2 до 5%). Наряду с трещинами шириной до 1 мм имеют место трещины шириной от 2 до 5 мм и единичные от 5 до 20 мм.
3 Породы сильнотрещиноватые (Ктр — от 5 до 10 %). Наряду с трещинами шириной до 5 мм наблюдаются трещины шириной от 20 до 100 мм.
4.Породы очень сильнотрещиноватые (Ктр — от 10 до 20%) и исключительно сильнотрещиноватые (Ктр > 20%). Наряду с трещинами шириной до 10 мм присутствуют трещины шириной от 20 до 100 мм и более.
При проходке горных выработок и бурении скважин большого диаметра для изучения состояния пород в основании будущих сооружений важно определять суммарную ширину трещин каждой системы на каждый погонный 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 сооружений, 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 можно судить на основании следующих данных:
1) учета процента выхода керна; при прочих равных условиях состава и свойств пород, режима бурения и других показателей, чем более монолитны породы, чем менее 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 нм трещин, каверн и пустот. Необходимо точно фиксировать глубину, на которой произошел проскок, и его величину, свидетельствующие о наличии открытых (зияющих) трещин и пустот. Для обнаружения последних по вертикальному разрезу, вскрытому скважиной, полезно применение каверномера. Измерения каверномером производятся при подъеме прибора после раскрытия упругих рычагов, упирающихся в стенки скважины. В результате проведенных измерении 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;
4) наблюдений за расходом промывочной жидкости, по которому в процессе бурения скважины можно выделить зоны различной трещиноватости пород;
5) осмотра и фотографирования стенок скважин с помощью специальных приборов и телевизионных установок (фотокаротаж);
6) измерения плотности пород на разных глубинах в скважине. Так как плотность пород в известной степени зависит от их трещиноватости, о последней косвенно можно судить по плотности. Для этих целей применим гамма-гамма-каротаж. Он является одним из методов радиоактивного каротажа, основанного на зависимости рассеянного гамма-излучения от плотности пород. Диаграмма гамма-гамма-каротажа показывает изменения рассеянного гамма-излучения в процессе перемещения каротажного зонда по скважине. Это позволяет получить представление об изменении плотности пород и, следовательно, об их раздробленности и трещиноватости;
7) наблюдений за режимом бурения. В породах трещиноватых, раздробленных условия бурения обычно более тяжелые (большой расход промывочной жидкости, вместе с водой вносится в трещины шлам, наблюдаются вывалы обломков пород, иногда заклинивание снаряда). Все это вызывает необходимость вести бурение на малых скоростях, укороченными рейсами, производить частые подъемы снаряда, а при дробовом бурении наблюдается повышенный расход дроби.
Таким образом, если при колонковом бурении производить весь комплекс перечисленных наблюдений, можно получить очень важные сведения о степени трещиноватости пород и на геологических разрезах выделить зоны, различающиеся по степени трещиноватости.
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 и 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, например, 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 также 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. II-16).
Оценка влияния трещин и систем трещин как поверхностей и зон ослабления в породах на устойчивость местности и проектируемых сооружений, бортов карьеров, подземных горных выработок, целиков, наземных сооружений является важнейшим этапом обобщения инженерно-геологического изучения трещиноватости скальных и полускальных горных пород. В результате такого обобщения на начальных стадиях исследовании должны быть выделены площадки, участки, зоны, различающиеся по степени трещиноватости. Это необходимо для выбора района возможного расположения сооружений, расположения их в районе, для рационального размещения (компоновки) сооружений па строительной площадке, в пределах шахтного или карьерного поля. Выделение участков, различающихся по степени трещиноватости, помогает прогнозировать развитие геологических процессов и явлений, угрожающих устойчивости местности и проектируемых сооружений.На последующих стадиях исследований изучают закономерности изменений прочности пород, их деформируемости, устойчивости и водопроницаемости в зависимости от ориентировки трещин и степени трещиноватости в пределах той или иной зоны, участка, площадки, в том или ином направлении.
Выясняют влияние всех этих изменений на устойчивость местности и сооружений. Оценка влияния трещиноватости на физико-механические свойства горных пород на этих стадиях исследований должна быть главным образом количественной, т.е, характеризоваться цифровыми показателями свойств пород (прочности, деформируемости, водопроницаемости, скорости распространения упругих волн и т. д.), графиками зависимости их изменения от ориентировки поверхностей и зон ослабления и т. д. На геологических разрезах и картах должно быть показано точное расположение поверхностей и зон ослабления, созданных трещинами, системами и зонами трещин. Только такие геологические разрезы и карты могут быть использованы как реальные расчетные схемы для количественных прогнозов развития геологических процессов, устойчивости склонов, бортов карьеров, подземных выработок, построения расчетных моделей и т. д.
Для правильной оценки влияния трещиноватости пород на их свойства последние необходимо изучать и оценивать по простиранию и падению поверхностей и зон ослабления, по характерным направлениям и сечениям. Так, если горная порода будет служить естественным основанием какого-либо здания, наибольший интерес будут представлять горизонтальные или пологопадающие трещины, а деформационные свойства — по вертикальной оси, так как сжимающие силы от здания будут действовать в этом направлении. При проектировании плотины деформационные свойства пород, являющихся ее основанием, необходимо изучать и оценивать также в направлении, перпендикулярном к простиранию горизонтальных или пологопадающих трещин (по вертикальной оси), а прочностные (сопротивление сдвигу) и фильтрационные (водопроницаемость) свойства — в направлении вниз по течению реки, т. е. в направлении действия сдвигающих сил (напора воды) со стороны верхнего бьефа, в направлении гидравлического уклона — перепада напоров. При оценке устойчивости склона речной долины или борта карьера наибольший интерес представляют прочностные и фильтрационные свойства пород по поверхностям и зонам ослабления, имеющим падение в сторону речной долины или карьера.На рис. II-14 приведена схема расположения характерных осей и сечений речной долины в створе плотины, по Д.П. Прочухану. Как видно, силы, действующие в основании и бортовых примыканиях плотины, связаны с характерными осями долины следующим образом (вдоль оси):
Из приведенного примера следует, что если поверхности и зоны ослабления будут ориентированы в направлениях, неблагоприятных относительно действующих сил, в основании плотины и в ее примыканиях скорее могут возникнуть деформации пород и нарушения устойчивости сооружения. Поэтому при оценке влияния трещиноватости на изменение свойств пород их следует изучать и оценивать по характерным направлениям и сечениям, т. е. определять «дирекционные» характеристики свойств пород. Это позволяет выяснить как неоднородность свойств пород, так и их анизотропность (изменение в разных направлениях).Важной характеристикой влияния трещиноватости пород на их свойства является показатель ослабления их прочности или изменения других свойств, например скорости распространения упругих волн, водопроницаемости и др. Он равен отношению прочности пород (или скорости распространения продольных волн и др.) в условиях естественного залегания Cм к прочности пород в образце Cоб, т. е.
Косл = Cм/Cоб.
Этот показатель у пород монолитных, слаботрещиноватых и по направлениям, не совпадающим с направлением поверхностей и зон ослабления, измеряется десятыми долями единицы, а у пород с повышенной трещиноватостью либо по направлениям трещин — сотыми и тысячными долями единицы. Показатель зависит от отношения размеров (объемного V и v или линейного L и l) исследуемого объема породы к размеру образца.
Ряд исследователей отмечают, что чем меньше трещиноватость пород и, следовательно, чем крупнее отдельности, образуемые трещинами, тем более неоднородны и анизотропны свойства пород в условиях естественного залегания; чем больше трещиноватость и мельче отдельность пород, тем однороднее породы. Такие породы можно назвать квазиоднородными и квазиизотропными.
Условная однородность и анизотропность начинают проявляться при отношении исследуемого объема пород к размеру отдельностей, равном 10—20 и более, т. е. когда
L/l или Vh > 10/20.
Это отношение является как бы критерием квазиоднородности — квазиизотропности пород (рис. II-15).
Оценка влияния трещин и систем трещин па устойчивость местности и проектируемых сооружений должна завершаться обоснованием инженерных мероприятий, необходимых для локализации или устранения вредного влияния трещиноватости. Для этого применяют различные виды крепи в подземных выработках, анкерных устройств, искусственного уплотнения и укрепления пород (цементация, глинизация, битумизация), устраивают противофильтрационные завесы, дренажи, а также вводят различные конструктивные мероприятия, обеспечивающие большую устойчивость сооружения.Из приведенного следует, что при инженерно-геологическом изучении скальных и полускальных горных пород большое внимание необходимо уделять выбору рациональной методики всех геологических работ (съемке, разведочным и опытным работам и др.) для изучения анизотропии и дирекционности свойств горных пород в зависимости от ориентировки их трещиноватости.