Взаимосвязь инженерной геодинамики с другими естественными и техническими науками.

Разделы инженерной геологии

· грунтоведение,

· инженерная динамическая геология или собственно инженерная геология

· региональная инженерная геология

Инженерная геодинамика - раздел инженерной геологии, предметом изучения которого являются «геологические процессы и явления, как естественные (природные), так и возникшие в связи со строительством сооружений и хозяйственным освоением территорий».

Разделы инженерной геодинамики

Общая инженерная геодинамика —исследует инженерно-геологические закономерности развития в массивах верхних горизонтов земной коры природных и антропогенных современных геологических процессов

Региональная инженерная геодинамика —исследует временно-пространственные закономерности развития в массивах верхних горизонтов земной коры природных и антропогенных современных геологических процессов

Геодинамическое грунтоведение —часть и грунтоведения и инженерной гeoдинaмики — исследует закономерности пространственно-временного изменения состава, строения, состояния и свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных современных геологических процессов

Инженерная геодинамика изучает морфологические, ретроспективные и прогнозные задачи

1) Морфологические задачи имеют своей целью изучить типы, механизм и условия и факторы образования современных геологических и инженерно-геологические процессов.

2) Ретроспективные задачи связаны с восстановлением истории развития какого-либо геологического процесса или их комплекса, при решении которых применяется историко-генетический подход.

3) Прогнозные задачи связаны с изучением развития геологических и инженерно-геологических процессов в будущем под воздействием различных причин, как в естественных условиях, так и в результате хозяйственной и строительной деятельности.

4) Прогноз развития современных геологических и инженерно-геологических процессов является важнейшей задачей инженерной геодинамики, причем в большинстве случаев прогноз должен быть количественным.

История: В.А.Приклонский (1949г.) четко определил полностью сохранившее свое значение содержание ИГ; И.В.Попов (1947, 1959г.) определил ИГ в теоретическом отношении как отрасль геологии, изучающую динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерной деятельностью человека; Е.В.Сергеев (1974, 1979г.) на основании учения Вернадского о неоносфере, считал что человек сильнейшая движущая сила; Г.К.Бондарик (1981г) в ИГ должны превалировать теоретические стороны, нельзя ограничиваться только прикладными задачами; В.Т.Трофимов научное направление ИГ, исследующее морфологию, механизм, ИГ причины и пространственно – временные закономерности формирования и дальнейшего развития верхних горизонтов земной коры

Взаимосвязь инженерной геодинамики с другими естественными и техническими науками.

· Геологические науки (стратиграфия, тектоника, историческая геология, петрология, литология, геоморфология и др.)

· Гидрогеология, геокриология, геофизика

· Географические науки (океанология, гидрология, климатология, метеорология и др.)

· Технические науки – горное (шахты, карьеры, откачки) и строительное (промыщленно-гражданское, дорожное, гидротехническое, подземное) дело

· Естественные науки (физика, химия)

· Математика и механика

Компоненты инженерно-геологических условий.

Основным предметом «Инженерной динамической геологии или собственно инженерной геологии», являются инженерно-геологические условия:

«совокупность геологической обстановки (породы, подземные воды, процессы, рельеф), имеющая значение для проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, их изучение, выявление взаимозависимости и зависимости от других природных явлений (климата и др.) и прогноз взаимодействия их с инженерными сооружениями являются основной задачей инженерно-геологических исследований» (Попов, 1959).

Компоненты инженерно-геологических условий:

Инженерно-геологические условия – факторы или элементы геологической среды, которые учитываются при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений:

· 1) горные породы,

· 2) подземные воды,

· 3) рельеф.

· 4) современные геологические процессы

Среди факторов, формирующих инженерно-геологические условия, И.В. Попов различал региональные геологические и зональные.

Прогноз изменения инженерно-геологических условий является задачей инженерной геодинамики

Горные породы - главный объект инженерно-геологических исследований.

Основной объект инженерно-геологических исследований:

· - являются основанием,

· - вмещают сооружения,

· - входят в состав сооружений

Включают подземные воды

Определяют формы рельефа

Являются средой развития современных геологических процессов

Состав, свойства, строение и состояние грунтов

Состав и свойства грунтов – плотность, влажность, деформируемость, прочность, проницаемость и т.п.

Условия залегания – слоистость, складчатые и разрывные тектонические структуры

Состояние:

· пески плотного и рыхлого сложения;

· глины твердые, пластичные, текучие;

· скальные – по степени трещиноватости;

· степень выветрелости;

· мерзлые и талые.

Естественное напряженное состояние

Инженерно-геологические массивы и инженерно-геологические элементы.

Инженерно-геологический массив

Инженерная геология имеет дело с массивами горных пород, так как сооружение взаимодействует с массивом

Массив – любая толща грунтов (не зависимо от её внутренней структуры), находящаяся во взаимодействии с инженерным сооружением. Сфера воздействия сооружения на г.п.

Массив – геологическое тело, образующее геологическую структуру и характеризующееся присущим только ему составом, строением и инженерно-геологическими закономерностями

Массив, сложенный дисперсными грунтами, называют грунтовой толщей

Зоны тектонических нарушений – особые массивы.

Инженерно-геологический элемент

ИГЭ – часть массива обладающая одинаковыми составом, строением, свойствами и состоянием

Выделение инженерно-геологических элементов является основной задачей инженерно-геологических исследований для обоснования строительства.

Масштабный эффект.

Состав, свойства, строение и состояние грунтов

· Состав и свойства грунтов – плотность, влажность, деформируемость, прочность, проницаемость и т.п.

· Условия залегания – слоистость, складчатые и разрывные тектонические структуры

· Состояние:

· - пески плотного и рыхлого сложения;

· - глины твердые, пластичные, текучие;

· - скальные – по степени трещиноватости;

· - степень выветрелости;

· - мерзлые и талые.

· Естественное напряженное состояние

Основные факторы, определяющие напряженное состояние горных пород.

§ Глобальные – гравитация

§ Региональные – тектоника, сейсмичность

§ Локальные:

o рельеф,

o подземные воды – взвешивание, фильтрационные силы,

o неоднородность пород по деформационным свойствам,

o техногенные – сооружения, карьеры, подземные выработки, взрывы, откачки

Объемные и поверхностные силы, формирующие поле напряжений в горных породах.

Объемные силы:

1) Гравитационные σ 1г=ρ gH; σ 2г = σ 3г = μ /(1– μ ) ρ gH, Градиент 0.2-0.32 кг/см2/м

2) Гидростатические, Взвешивание γ взв = (Δ -γ в)(1-n)

3) Гидродинамические

Эффективные и нейтральные напряжения

σ п = σ эф + σ н; σ эф = σ п – σ н; dσ эф = - dσ н

Гидродинамическое давление

f = I γ в; Ф = I γ в V

Гидростатическое давление от водохранилища

4) Сейсмические

Поверхностные силы:

1) Тектонические: субдукция, коллизия

· Тектоническая сила:

· σ 2 = σ 2г + σ 2т = μ /(1– μ ) ρ gH + Т + Δ ТН;

· σ 3 = σ 3г + σ 3т = μ /(1– μ ) ρ gH + μ (Т + Δ ТН)

2) Силы возникающие под действием сооружения

Тектоническая составляющая полей напряжений; ее влияние на структуру поля напряжений в массиве пород.

Естественное напряженное состояние верхних горизонтов земной коры формируется совместным действием гравитационных и тектонических сил

Гравитационная сила:

σ 1г=ρ gH; σ 2г = σ 3г = μ /(1– μ ) ρ gH

Градиент 0.2-0.32 кг/см2/м

Тектоническая сила:

σ 2 = σ 2г + σ 2т = μ /(1– μ ) ρ gH + Т + Δ ТН;

σ 3 = σ 3г + σ 3т = μ /(1– μ ) ρ gH + μ (Т + Δ ТН)

Для полей тектонических напряжений характерна значительная изменчивость в пространстве и во времени, проявляемая в величинах, положении тензора напряжений и в ориентировке осей главных напряжений. Если исключить влияние гравитационных напряжений, то можно принять, что на глубине Н в любой точке М упругого изотропного массива действуют тектонические напряжения сжатия в горизонтальном направлении

Величина тектонической силы:

Н.А. Цытович – 35-45 МПа

Рогунская ГЭС – 12 МПа

Наведенная сейсмичность.

В нашей научной литературе иногда под этим термином понимают два разных процесса «инициирование» и «возбуждение»

«Инициирование» — это воздействие на очаг готового землетрясения. «Возбуждение» — это воздействие на определенную зону; земной коры, вызывающее одно или рой землетрясений, которые, без такого воздействия не произошли бы. Причем это могут быть как природные, так и антропогенные (или техногенные) воздействия. К антропогенным или техногенным факторам наведенной сейсмичности относятся возведение и эксплуатация крупных водохранилищ, мощные промышленные и атомные взрывы, добыча полезных ископаемых и даже запуски тяжелых космических ракет. До сих пор нет единой и законченной физической и математической теории или модели, которые бы удовлетворительно объясняли механизм наведенной сейсмичности. В случае строительства и заполнения крупных водохранилищ на проблему генезиса и механизма возбужденной сейсмичности имеются разные точки зрения. Перечислим некоторые из них:

· влияние веса воды,

· изменение напряжений в элементах земной коры, вызванные водной нагрузкой и скоростью изменения уровня водохранилища,

· влияние порово-трещинного давления, которое нейтрализует геостатическую нагрузку, уменьшает трение в горных породах, изменяет их прочность, нагрузку и т. Д

В случае разработки нефтяных и газовых месторождений причиной возбуждения тектонического землетрясения может стать:

· извлечение и закачка флюида (жидкости),

· изменение пластового давления и пластовой температуры,

· прямая просадка (оседание) поверхности и т. д.

При добыче твердых полезных ископаемых, при проходке шахт наблюдаются горные удары, то есть внезапное взрывоподобное разрушение горных выработок, сопровождающееся излучением сейсмических волн. Но кроме горных ударов наблюдаются сейсмические события, которые не сопровождаются разрушением выработок, но происходит излучение сейсмических волн. Эти события называются толчками. Например, на шахтах Североуральского бокситового рудника ежегодно, начиная с 1981 года (год установки сейсмометрической аппаратуры), регистрируются около тысячи сейсмических событий с энергией от 10²до 10⁹ Дж. Согласно представлениям ряда исследователей, появление наведенной сейсмичности при добыче твердых полезных ископаемых обусловлено техногенным внедрением в сильно энергонасыщенные горные породы.

Подземные ядерные взрывы (ПЯВ), с одной стороны, могут инициировать тектонические землетрясения, являющиеся результатом триггерного (эффект спускового крючка) высвобождения напряжений, накопленных геологической средой, с другой — подземные ядерные взрывы могут вызывать обвальные землетрясения, связанные с обрушением подземных полостей, образующихся при взрыве (Николаев А.В., Аниколенко В.А. и др.).

Наконец, несколько слов следует сказать о появившихся в последнее время сведениях о влиянии запусков тяжелых ракет на возникновение сильных землетрясений. По приближенным оценкам, справедливость которых уже подтверждена частично экспериментальными данными (Рыбников, 1994), при определенных геофизических условиях техногенно спровоцированные вариации атмосферного давления над литосферными плитами могут послужить триггерным, спусковым фактором на их напряженно-деформированные границы и спровоцировать сейсмические толчки.

Меры борьбы с оползнями.

Противооползневые мероприятия

§ изменение рельефа (планировка) склона: срезка, террасирование, контрбанкеты;

§ регулирование стока поверхностных вод устройством системы поверхностного водоотвода и предотвращение инфильтрации воды в грунт;

§ защита от подмыва и размыва, борьба с эрозией дамбами, пляжами и др.;

§ искусственное понижение уровня подземных вод для устранения их разупрочняющего воздействия на грунты и снижения фильтрационного давления: водопонизительные скважины, различные дренажи;

§ агролесомелиорация: многолетние травы, деревья, кустарники для укрепления грунта корневой системой, осушения, предотвращения эрозии, уменьшения инфильтрации, снижения воздействия выветривания;

§ техническая мелиорация: цементация, смолизация, силикатизация, электрохимическое и термическое закрепление грунтов для обеспечения устойчивости склонов (откосов) в слабых и трещиноватых грунтах;

§ защитные покрытия из торкретбетона, набрызг-бетона и др., наносимые на укрепленную анкерами сетку: защита обнаженных склонов (откосов) от выветривания, образования вывалов и осыпей.

§ удерживающие сооружения: подпорные стены, свайные конструкции и столбы, анкерные крепления, поддерживающие стены и контрфорсы, облицовочные стены, покровные сетки в сочетании с анкерными креплениями;

§ профилактические мероприятия и стационарные режимные наблюдения.

Причины возникновения лавин

Лавины образуются при достаточном снегонакоплении и на безлесных склонах крутизной от 15 до 50°. При крутизне более 50° снег просто осыпается, и условия к образованию снежной массы не возникают. Оптимальные ситуации для возникновения лавин складываются на заснеженных склонах крутизной от 30 до 40°. Там лавины сходят тогда, когда слой свежевыпавшего снега достигает 30 см, а для старого (лежалого) необходим покров толщиной 70 см. Считается, что ровный травянистый склон крутизной более 20° лавиноопасен, если высота снега на нем превышает 30 см. С увеличением крутизны склонов возрастает вероятность образования лавин. Кустарниковая растительность не является препятствием для схода. Наилучшим условием для начала движения снежной массы и набирания ею определенной скорости является длина открытого склона от 100 до 500м. Многое зависит и от интенсивности снегопада. Если за 2-3 дня выпадет 0, 5 м снега, то это обычно не вызывает опасения, но если это же количество выпадет за 10 - 12 ч, то сход вполне возможен. В большинстве случаев интенсивность снегопада 2-3 см/ч близка к критической.

Немалое значение имеет и ветер. Так, при сильном ветре достаточно прироста в 10 - 15 см, как уже может возникнуть лавина. Средняя критическая скорость ветра равна примерно 7-8 м/с.

Одним из важнейших факторов, влияющих на образование снежных лавин, является температура. Зимой при относительно теплой погоде, когда температура близка к нулю, неустойчивость снежного покрова сильно увеличивается, но быстро проходит (либо сходят лавины, либо снег оседает). По мере понижения температуры периоды лавинной опасности становятся более длительными. Весной с потеплением возрастает вероятность схода мокрых лавин. Поражающая способность различна. Лавина в 10 м ³ уже представляет опасность для человека и легкой техники. Крупные - в состоянии разрушить капитальные инженерные сооружения, образовать трудно- или непреодолимые завалы на транспортных трассах.

Скорость является одной из основных характеристик движущейся лавины. В отдельных случаях она может достигать 100 м/с. Дальность выброса важна для оценки возможности поражения объектов, расположенных в лавиноопасных зонах. Различают максимальную дальность выброса и наиболее вероятную, или среднемноголетнюю.

Наиболее вероятную дальность выброса определяют непосредственно на местности. Ее оценивают при необходимости размещения сооружений в зоне действия лавин на длительный период. Она совпадает с границей конуса выноса лавинного очага. Повторяемость схода лавин является важной временной характеристикой лавинной деятельности. Различают среднемноголетнюю и внутригодовую повторяемость схода. Первая определяется как частота образования лавин в среднем за многолетний период. Внутригодовая повторяемость - это частота схода за зимний и весенний периоды. В отдельных районах лавины могут сходить по 15 - 20 раз в год.

Плотность лавинного снега является одним из важнейших физических параметров, от которого зависит сила удара снежной массы, трудозатраты на ее расчистку или возможность движения по ней. Она составляет для лавин из сухого снега 200 - 400 кг/м³ для мокрого - 300 - 800 кг/м ³.

Важным параметром, особенно при организации и проведении аварийно-спасательных работ служит высота лавинного потока, чаще всего достигающего 10 - 15 м.

Потенциальный период лавинообразования - это интервал времени между сходами первых и последних лавин. Эта характеристика обязательно учитывается при планировании режима деятельности людей на опасной территории. лавина снежный разрушительный стихийный

Необходимо также знать количество и площадь лавинных очагов, сроки начала и окончания лавиноопасного периода. В каждом районе эти параметры различны. В России чаще всего такие стихийные бедствия случаются на Кольском полуострове, Урале, Северном Кавказе, на юге Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке. Лавины на Сахалине имеют свои особенности. Там они охватывают все высотные зоны - от уровня моря до горных вершин. Сходя с высоты 100 - 800 м, вызывают частые перерывы в движении поездов на Южно-Сахалинской железной дороге. В подавляющем большинстве в горных районах лавины сходят ежегодно, а иногда и несколько раз в год. Как они классифицируются?

Для оценки вероятности схода лавин свежевыпавшего и метелевого снега используют 10 основных лавинообразующих факторов (Инженерная геология…, 2013).

1. Высота старого снега. Снег сначала заполняет неровности на склоне, и лишь после этого может возникнуть ровная гладкая поверхность, способствующая соскальзыванию новых слоев снежного покрова. Поэтому чем больше высота старого снега до начала снегопада, тем больше вероятность образования лавин.

2. Состояние старого снега и его поверхности. Характер поверхности снега влияет на сцепление сжевывавшего снега со старым. Гладкая поверхность ветровых снежных плит или ледяная корка благоприятствуют сходу лавин. Особенно предрасполагает к лавинообразованию наличие слоев и прослойков глубинной изморози. Шероховатая поверхность, ветровые заструги, ноздреватые корки от дождя, наоборот, уменьшают возможность лавинообразования.

3. Высота свежевыпавшего или отложенного метелью снега. Увеличение высоты снежного покрова- один из важнейших факторов лавинообразования. Количество выпавшего снега часто используется в качестве показателя потенциальной лавинной опасности.

4. Вид свежевыпавшего снега. Тип выпадающих твердых осадков влияет на механические свойства снежного покрова и его сцепление со старым снегом. Так, при выпадении призматических и иглообразных кристаллов или звездчатых кристаллов в морозную безветренную погоду образуются рыхлый снежный покров, характеризующийся малым сцеплением. Наибольшая вероятность образования лавин возникает при формировании покрова из свежевыпавшего пушистого и сухого мелкозернистого снега.

5. Плотность свежевыпавшего снега. Наибольшая вероятность образования лавин наблюдается при образовании снежного покрова малой плотности – менее 100 кг/ м3.Повышение плотности снега уменьшает вероятность возникновения лавин, но это правило не относится к снежным плитам, образующихся во время метелей.

6. Интенсивность снегопада (скорость отложения снега). При малой интенсивности снегопада уменьшение показателя устойчивости снежного покрова на склоне в результате увеличения сдвигающих усилий компенсируется увеличением устойчивости за счет повышения сцепления и коэффициента трения при уплотнении снега. По мере увеличения скорости отложения снега влияние увеличения его массы преобладает над влиянием его уплотнения, и создает условия для уменьшения устойчивости снежного покрова и образования лавин.

7. Количество и интенсивность выпадения осадков – фактор, характеризующий приращение массы снега на единицу площади горизонтальной проекции склона, в том числе с учетом жидких осадков и метелей.

8. Оседание снега. Процесс уплотнения и оседания выпадающего снега увеличивают его сцепление и коэффициент внутреннего трения и этим способствуют повышению устойчивости снежного покрова.

9. Ветер. Ветровой перенос приводит к перераспределению снежного покрова, образованию твердых корок, снежных плит и надувов. Ветер образует снежные карнизы и ниже их – скопления рыхлого снега. Сильный ветер создает подсос воздуха из снежной толщи, чем способствует миграции водяных паров и разрыхлению нижних слоев снега. В процессах лавинообразования ветер играет важную роль, особенно как фактор метелевого снегопереноса.

10. Температура. Влияние температуры на лавинообразование многостороннее. Температура воздуха влияет на вид выпадающих частиц твердых осадков, на формирование, уплотнение и температурный режим снежного покрова. Различие в температуре снежного покрова по глубине определяют и процессы температуроградиентного метаморфизма. Быстрое понижение температуры воздуха может приводить к образованию температурных трещин разрыва снежного пласта и возникновению лавин.

К активным методам противолавинной защиты относят мероприятия, направленные на инициирование схода лавин, чтобы последствия этого были минимальными. Для этих целей издавна применялась стрельба из артиллерийского орудия (причем как снарядом — в область нахождения опасной снежной массы, так и холостым выстрелом, с целью создания акустического воздействия, приводящего к преднамеренному сходу лавины). Издавна применяются методы простой «подрезки» снежных масс лыжами и обвала снежных козырьков, но эти способы требуют хороших навыков и очень опасны.Наиболее современный путь предотвращения негативных последствий лавин — активная динамическая противолавинная защита, представляющая собой устройства, размещающиеся в местах наибольшего лавинообразования и управляемые дистанционно, которые позволяют воздействовать на снежные массы с целью искусственного схода лавины, с помощью сжатого воздуха или взрывов газовоздушной смеси.

Пассивные меры противолавинной защиты направлены на удержание снега на склоне и недопущение схода лавин либо на направление сошедших лавин в безопасном направлении. К таким мерам относится возведение на склонах противолавинных барьеров, лотков, лавинорезов и дамб (Садаков, 2009). На линейных объектах, таких, как автомобильные или железные дороги, сооружают лавинозащитные галереи.