ГлавнаяГеологическое строение пространства считается однородным, если в его пределах отмечается однородность геологического разреза, т. е. выделяются малое число геологических тел, его слагающих, одинаковая последовательность их напластования, выдержанность по простиранию и мощности и соответственно имеющих простые формы залегания — толщи, выдержанные мощные слои, горизонты и т. д. Однородными геологические условия надо считать также тогда, когда в пределах рассматриваемого участка геологического пространства наблюдаются одинаковая глубина залегания подземных вод, одинаковая мощность водоносных горизонтов, зон и комплексов, их водообильность, гидравлические свойства, режим, минерализация и химический состав подземных вод.
Любые отклонения от таких условий будут обусловливать неоднородность горных пород в пределах изучаемого геологического пространства, и в тем большей степени, чем более существенными и резкими будут эти отклонения (рис. XI-2). Поэтому в таких случаях возникает необходимость разделять геологическое пространство по площади и на глубину тем или иным числом границ в зависимости от степени его неоднородности. Неоднородность строения геологического пространства может быть обусловлена, например, сложностью геологического разреза, проявляющейся в частом переслаивании горных пород разного петрографического состава, физического состояния и внешнего облика; в изменении мощности толщ, горизонтов, слоев и зон, в их выклинивании; в залегании горных пород в виде линз и залежей, неправильных по форме и различных по мощности.
Неоднородность геологического строения проявляется в неодинаковой глубине залегания поверхности коренных пород и сложном характере рельефа их поверхности; в неравномерной трещиноватости горных пород, появлении крупных зияющих или заполненных слабым материалом трещин, зон трещин, нарушений, зон дробления и др. Неоднородность геологического пространства особенно рельефно выступает, если в его разрезе выделяются горные породи слабые, малой прочности, большой деформируемости и водопроницаемости, а также если подземные воды на разных участках залегают на разных глубинах и в разрезе выделяется большое число водоносных горизонтов и зон разной водообильности.Из приведенного следует что в основе установления и изучения неоднородности горных пород действительно должны лежать геологические методы так как ее проявление связано с условиями образования горных пород и историей геологического развития территории. Например, в зависимости от того, какими генетическими типами горных пород заполнено геологическое пространство в первую очередь и определяется степень его неоднородности. Неоднородность горных пород может быть усилена структурно тектоническими факторами образованием разных форм складчатости разрывных нарушений трещиноватости, раздробленности а также процессами метаморфизма (особенно контактового) выветривания и др.
Таким образом критериями неоднородности свойств горных пород являются: 1) сложность геологического разреза обусловленная распространением различных стратиграфических генетических и петрографических типов пород, формой и условиями их залегания, невыдержанностью мощности и простирания и тектонической нарушенностью, и 2) неоднородность физического состояния горных пород.
Пространственная изменчивость горных пород связана главным образом с изменчивостью их состава состояния и свойств. Ее исследованию посвящен ряд работ Г.К. Бондтрика, Л.В. Иванова И.H. Ивановой, E.H. Коломенского, H.В. Котомеиского, H.H. Мастова, В.П. Огоноченко, М.В. Раца. Много внимания этой проблеме уделяют также специалисты в геологоразведочном деле, и в частности, В.М. Крейтер, Д.А. Зенков, Е.О. Погребицкий и другие. Теоретические обобщения по этой проблеме в инженерной геологии впервые сделали Н.В. Коломенский и Г.К. Бондарик, которые, изучая закономерности изменения свойств различных генетических и петрографических типов глинистых и песчаных пород из самых различных районов, установили, что изменчивость их состава и свойств в конечном итоге может быть сведена к одному из трех типов. На рис. XI-3 приведены графики Н.В. Коломенского, отражающие такие типы изменчивости: 1 — скачкообразная незакономерная, 2 — скачкообразная закономерная и 3 — функциональная.
Скачкообразная незакономерная изменчивость свойств горных пород (тип 1) характеризуется изменением их показателей от точки к точке, причем среднее значение не имеет выраженной тенденции к увеличению в каком-либо направлении по площади их распространения. По Г.К. Бондарику, такой характер изменения свойств отражает стационарный режим. Изменчивость типа 1 установлена для многих генетических типов отложений. При таком характере изменчивости свойств горных пород расположение, например, разведочных выработок на строительной площадке, установление мест отбора проб горных пород для испытаний не должны зависеть от координат пространства, а при обработке получаемых данных вполне можно применять методы математической статистики.
Скачкообразная закономерная изменчивость свойств пород (тип 2) характеризует изменение их показателей от точки к точке, причем среднее значение имеет тенденцию к увеличению или уменьшению в каком-либо направлении (с глубиной или по простиранию) на площади их распространения, т. е. зависит от координат пространства. Такой характер изменчивости установлен для аллювиальных, делювиальных, флювио-гляциальных и других отложений при изучении значительных территорий, на больших расстояниях. На ограниченных участках изменчивость такого характера не устанавливается. По Г.К. Бондарику, скачкообразная закономерная изменчивость свойств пород отражает нестационарный режим. При инженерных изысканиях строительных площадок, т. е. территорий, ограниченных по площади, план разведки, oпробования и обработки материалов должен быть таким же, как и при изменчивости типа 1. При изысканиях на больших площадях, при проектировании линейных сооружений большой протяженности и т. д. необходимо учитывать изменчивость состава и свойств пород типа 2.Функциональная изменчивость характеризуется таким изменением свойств горных пород от точки к точке, при котором средние значения показателей располагаются по кривой, т.е. зависят от координат пространства и подчиняются более сложному закону. Такой характер изменчивости обнаружен у по род нарушенного сложения при воздействии на них искусственных факторов, например искусственною увлажнения лессовых пород, пород в отвалах и насыпях.
Из сказанного следует, что изменчивость состава, состояния и свойств горных пород является геологическим фактором, который влияет на выбор методики инженерных изысканий, т.е. на выбор плана расположения разведочных выработок, мест отбора проб пород, методику статистической обработки и др. Важно знать изменения свойств и состава горных пород как качественные, так и количественные. Они могут быть закономерными и незакономерными. В большинстве случаев это пространственные закономерности, но если они наблюдаются и по глубине толщ, слоев горных пород, то они одновременно являются и временными.
Как показывает опыт изучения различных горных пород, по видимому правильнее различать характер изменчивости их свойств по ее сложности, т.е. примерно так, как это рекомендовал E.О. Погребицкий при изучении месторождений твердых полезных ископаемых 1) простой — по закону прямой горизонтальной линии или вертикальной, если рассматриваются свойства по глубине, это тип 1 по H.В. Коломенскому или имеющий стационарный режим по Г.К. Бондарику, 2) сложный — по закону прямой наклонной линии, это тип 2 по H.В. Коломенскому или имеющий нестационарный режим по Г.К. Бондарику. Для такого характера изменчивости устанавливается определенный градиент изменчивости позволяющий прогнозировать свойства горных пород в той или иной точке их распространения по направлению этого градиента, 3) очень или крайне сложный, который устанавливается в виде более или менее определенной тенденции или, по Н.В. Коломенскому, функциональной зависимости. Примером этого характера изменчивости может служить рис. XI-4, на котором приведен график изменения запасов золота вкрест простирания россыпи.
По фактическим данным исследований проб распределение золота изменяется крайне резко и как бы незакономерно. Однако построение кривой регрессии путем сглаживания единичных частных определений позволило выявить некоторую сложную закономерность изменчивости распределения золота в зависимости от изменения точек опробования вкрест простирания россыпи. Эта сложная кривая показывает тенденцию к увеличению запасов золота в определенной части залежи. Горные породы могут иметь аналогичный характер изменчивости показателей влажности, плотности, пористости, прочности и других свойств. Е.О. Погребицкий указывает, что такие скрытые тенденции в изменении геологических признаков важны для решения различных практических задач и надо стремиться их вскрыть при выполнении геологоразведочных работ.
Кроме характера изменчивости показателей свойств горных пород важно оценивать и степень их изменчивости, т. е. степень рассеяния (разброса) отдельных частных определений величины х около среднего значения X. Для этого обычно используют такие статистики, как дисперсия, среднеквадратическое отклонение (стандарт) и коэффициент вариации. Эти простейшие статистические характеристики, как и среднее значение, показывают распределение признаков объекта, являются мерой степени изменчивости (разброса) отдельных частных значений около среднего значения геологически однородного объекта, например горной породы в стратиграфическом генетическом и петрографическом отношениях.
В зависимости от условий и способа образования горных пород и последующих изменений в земной коре степень изменчивости их свойств может быть неодинаковой в горизонтальном направлении и по глубине. Так, например, для некоторых генетических типов отложений (ледниковых, аллювиальных, пролювиальных и др.), установлено что по направлению сноса рыхлого материала степень изменчивости их свойств одна, а вдоль фронта сноса другая т.е. наблюдаются два главных направления степени изменчивости, анизотропия степени изменчивости свойств горных пород. Такая же анизотропия нередко наблюдается при сопоставлении степени изменчивости свойств горных пород в толще, слое, зоне по их простиранию и по глубине. Эта закономерность впервые была отмечена Г.К. Бондариком и обобщена в табл. XI-1.Для оценки анизотропии степени изменчивости свойств горных пород Г.К. Бондарик предложил специальный показатель — модуль изменчивости
где Vм и Vп — коэффициент изменчивости свойств горной породы по мощности и простиранию слоя, зоны, Sм2 и Sп2-дисперсия изменчивости свойств горной породы по мощности и простиранию слоя, зоны, Vz, Vy, Sz2, Sy2 — соответственно по направлениям z и у (главным направлениям)Если модуль изменчивости равен единице или приближается к ней, горные породы являются изотропными по степени изменчивости по какому-либо свойству или совокупности свойств. Чем больше этот модуль отличается от единицы, тем большей анизотропией степени изменчивости свойств обладают горные породы. Естественно, что эти особенности свойств горных пород необходимо учитывать при определении методики их изучения и оценки. Так, например, густота разведочной сети, т.е. расстояния между разведочными выработками, интервалы отбора проб горных пород для их лабораторного изучения и т.д. должны определяться в зависимости от степени изменчивости свойств горных пород на исследуемом участке. Эти зависимости установлены Г.К. Бондариком и имеют следующий вид
где lx, ly — расстояния между разведочными выработками, участками испытания пород, интервалы отбора проб и т. д. по осям X и Y на исследуемом участке, n — оптимальное необходимое число разведочных выработок, проб и т. д. для надежного и достоверного изучения инженерно-геологических условий рассматриваемого участка, пород в слое, зоне и т. д.; G — модуль изменчивости свойств горных пород; Lx и Ly — размеры исследуемого участка по осям X и Y.Выше уже было отмечено, что выяснение и оценка закономерностей распределения степени неоднородности и изменчивости инженерно-геологических условий территорий, свойств горных пород и других объектов являются ведущим мотивом системы инженерных изыскании. И действительно, при любой геологической, и в том числе инженерно-геологической, съемке территорий первыми и главными задачами являются выделение, прослеживание и оконтуривание площадей распространения горных пород, разнородных в стратиграфическом, генетическом и петрографическом отношениях. При разведочных работах первостепенными являются изучение и расчленение геологического разреза на горизонты, слои, зоны горных пород разного рода, как и при съемке. При опытных работах изучают и оценивают свойства разного рода горных пород, водоносных горизонтов на разных участках. При режимных наблюдениях выявляют масштаб явлений (колебания уровня поверхностных и подземных вод, их напоры, производительность водоносных горизонтов, состав подземных вод, интенсивность развития разного рода оползневых подвижек и других деформаций горных пород и др.) и их обусловленность во времени. Когда определены объекты, процессы и явления разного рода, важно установить и оценить, какова изменчивость признаков и свойств каждого из них в пространстве и во времени.
Приведенные примеры подтверждают высказанное выше положение о том, что выявление и оценка закономерностей распределения характера и степени неоднородности и изменчивости свойств горных пород — это ведущий мотив производства инженерных изысканий. Именно неоднородность и изменчивость горных пород, слагающих территории, определяют сложность условий строительства на них сооружении, методику инженерных изысканий.