Изменение физического состояния и механических свойств горных пород при обводнении

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОБВОДНЕНИИ

Белов Александр Алексеевич

кандидат географических наук, доцент, кафедра физической и социально-экономической географии, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

Сомова Ирина Алексеевна

студент, географический факультет, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

Рожкова Яна Олеговна

студент, географический факультет, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

Библиографическое описание статьи для цитирования: Белов А. А. Изменение физического состояния и механических свойств горных пород при обводнении [Электронный ресурс] / Белов Александр Алексеевич, Сомова Ирина Алексеевна, Рожкова Яна Олеговна // Научное обозрение : электрон. журн. - 2016. - № 1. - Режим доступа: https://srjournal.ru/2016/id9

Аннотация: В статье рассматривается изменение физического состояния и механических свойств горных пород при обводнении. В результате проведенных исследований выявлены основные факторы, изменяющие свойства горных пород, а также устанавливаются причины подтопления; определяется состав защитных мероприятий.

Изменение физического состояния горных пород при обводнении, прежде всего, выражается в повышении их влажности, объемного веса и показателя консистенции. В зоне аэрации этот процесс продолжается и после установления динамического равновесия уровня грунтовых вод. Изменение механических свойств горных пород в процессе обводнения заключается в уменьшении величины модуля общей деформации и параметров сопротивления сдвигу, а также снижении динамической устойчивости грунтов, особенно рыхлых [1].

Падение прочности грунтового массива в зоне аэрации обусловливает повышение влажности горных пород в результате подъема уровня грунтовых вод или накопления влаги. В зависимости от состава, первоначальной влажности, плотности, напряженного состояния грунтов и других условий характер изменения их свойств будет различным [2].

На нарушение структуры горных пород большое влияние оказывают непрерывность и длительность фильтрации. На основании материалов многолетних исследований влияния обводнения на физико-механические свойства грунтов на территории Мордовии можно сделать следующие выводы.

При кратковременной сезонной инфильтрации атмосферных осадков нарушение структурных связей незначительно, а после прекращения инфильтрации возможно их восстановление [3]. В случае инфильтрации производственных вод, в основном имеющей непрерывный или длительный характер, нарушение структурных связей имеет устойчивые формы, и восстановление их не происходит, т. е. имеют место остаточные явления [4].

Характер и величина изменения осадок типичны для слабых грунтов. В результате подтопления некоторые виды песчаных грунтов переходят в плывунное состояние, а глинистых - в текучее [5]. Просадочные обводненные лессовые грунты характеризуются следующими показателями физико-механических свойств: коэффициент пористости обычно близок к 0,90, коэффициент уплотнения составляет 0,04-0,05 см²/кг, модуль деформации - 50-100 кг/см², угол внутреннего трения - 19-22°, сцепление - 0,1-0,15, нормативное давление - в большинстве случаев около 1 кг/см². Осадка сооружений при обводнении просадочных лессовых грунтов проходит длительный период со слабым затуханием во времени [6]. Плывуны затрудняют и удорожают работы при расширении действующих предприятий. В процессе подтопления повышается виброчувствительность песков и супесей рыхлого сложения, а иногда даже песков средней плотности. Виброуплотнение - длительный процесс, приводящий к серьезным деформациям строений и сооружений [7].

В Республике Мордовия по многим районам в течение ряда лет проводится работа по обобщению материалов исследования физико-механических свойств горных пород путем районирования и типизации территорий. При этом должны учитываться и возможные изменения свойств под влиянием подтопления. Ознакомившись с приведенными данными, можно представить, в каком направлении и в каких примерно пределах будут изменяться их физико-механические свойства при подтоплении района изысканий [8]. Эти данные также могут быть использованы проектными организациями для предварительных проработок.

Предполагаемые изменения свойств горных пород могут послужить основой при соответствующем районировании исследуемой территории в региональном плане. По выделенным таксономическим единицам выполняется прогноз изменений прочностных и деформативных характеристик грунтов. Такой прогноз необходим также как прогноз уровня грунтовых вод. Оба прогноза неразрывно связаны между собой [9]. При расчете оснований по деформациям в качестве нормативных должны приниматься показатели грунтов, которые получены с учетом моделирования обстановки, ожидаемой в процессе подтопления.

Наиболее крупные и в то же время достаточно четкие характеристики уровенного режима грунтовых вод по времени его проявления - сезонный и многолетний типы [10]. Сезонный режим обусловлен сезонной ритмичностью метеорологических факторов, уровня поверхностных водоемов или водотоков, а на застроенных территориях - влиянием антропогенных факторов [11]. Гидрологические факторы, в отличие от климатических, не только изменяют баланс грунтовых вод, но и влияют на их уровень путем гидростатической передачи напора [12].

Классы режима гидрологического подтипа по Республике Мордовия выделены в зависимости от наличия или отсутствия гидравлической связи грунтовых вод с поверхностным водоемом или водотоком. Интенсивность влияния зависит от амплитуды колебания уровня водотока (водоема), расстояния до последнего, геологического строения берегов и других факторов [13]. Таким образом, исследование сезонного типа режима дает возможность установить причины изменений уровня грунтовых вод, увязать их режим и баланс, а также подготовить некоторые исходные данные для прогноза уровня.

Анализ многолетнего режима служит одним из наиболее достоверных способов краткосрочного, а иногда и долгосрочного прогноза уровня. Многолетний тип режима исследуется для установления степени гидрогеологической опасности, угрожающей строениям и сооружениям на исследуемой территории, увязки факторов пита-ния и искусственного дренажа грунтовых вод [14]. Этот тип режима проявляется в периоды продолжительностью свыше 10-15 лет. Он обусловлен многолетними ритмическими изменениями осадков, испарениями, водоносностью рек и озер и антропогенными факторами. Амплитуда естественных многолетних колебаний уровня может в два-три раза и более превышать амплитуду естественных сезонных колебаний [15]. Под влиянием антропогенных факторов эта разница иногда увеличивается в десятки раз. Устойчиво-благоприятный подтип режима распространен на хорошо естественно дренированных территориях, в пределах которых уровень грунтовых вод находится намного ниже критической глубины.

Строительство не вызывает устойчивого многолетнего подъема уровня. Защитных мероприятий не требуется. Неустойчиво-благоприятный подтип режима часто проявляется в слабоводопроводящих породах, подстилаемых более проницаемыми. После начала строительства уровень грунтовых вод поднимается, затем устанавливается (в многолетнем разрезе) ниже критической глубины, но близко к ней [16]. При авариях водонесущих и водосодержащих систем возможен локальный подъем уровня выше критической глубины. Необходимы разработка и соблюдение профилактических защитных мероприятий. Этот подтип режима встречается в молодых городах и поселках городского типа. Устойчиво-неблагоприятный подтип режима встречается в слабоводопроницаемых грунтах мощностью более 20-30 м, подстилаемых водоупорным слоем мощностью свыше 5-8 м [17]. Уровень грунтовых вод в многолетнем разрезе и в региональном масштабе устойчиво повышен.

Необходимы защитные мероприятия на большой площади. На территориях крупных населенных пунктов и промышленных предприятий подтопление неизбежно. Подтипы многолетнего режима разделяются на классы по отношению среднемноголетнего годового водозабора грунтовых вод искусственным дренажем к годовому в системы водопровода, технологического, горячего и других видов водоснабжения.

Список использованных источников:

1. Белов А. А. Геологические аспекты взаимосвязи рельефа и подземных вод (на примере Республики Мордовия) : автореф. дис. … канд. геогр. наук. - Смоленск, 2003.

2. Белов А. А., Кирюшин А. В. Оценка типичных концентраций микроэлементов (на примере почв Мордовии) // Сборник научных трудов Sworld. - 2014. - Т. 2, № 11. - С. 169-170.

3. Белов А. А., Меркулов П. И. Анализ ресурсов артезианских вод Республики Мордовия // Наука и мир. - 2014. - Т. 2, № 11 (15). - С. 165-166.

4. Белов А. А., Маскайкин В. Н. Изучение плывунных процессов в горных породах (на примере Республики Мордовия // Сборник научных трудов SWorld. - 2014. - Т. 33, № 4. - С. 82-84.

5. Меркулова С. В., Меркулов П. И., Белов А. А., Мартынова В. В. Особенности формирования стока малых рек Мордовии // Сборник научных трудов Sworld. - 2014. - Т. 33, № 4. - С. 78-82.

6. Белов А. А., Аникин В. В., Долгачева Т. А. Влияние инженерной деятельности человека на изменение рельефа Мордовии // Сборник научных трудов Sworld. - 2015. - Т. 26, № 1 (38). - С. 8-11.

7. Маскайкин В. Н., Белов А. А., Москалева С. А. Исследование неотектонических структур в междуречье Мокши и Сивини // Сборник научных трудов Sworld. - 2015. - Т. 26, № 1 (38). - С. 4-8.

8. Белов А. А. Влияние антропогенной деятельности человека на загрязнение подземных вод Республики Мордовия // Актуальные вопросы строительства. - Саранск, 2008. - С. 437-440.

9. Белов А. А., Сомова И. А., Рожкова Я. О. Гидрологические изыскания на подтапливаемых территориях (на примере Республики Мордовия) // Научные труды SWorld. 2016. - Т. 7, № 2 (43). - С. 51-54.

10. Белов А. А. Мероприятия по защите городов и промышленных предприятий от подтоплений // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. - Саранск, 2014. - С. 349-353.

11. Белов А. А. Характеристика глинистых пород Республики Мордови // Природно-социально-производственные системы регионов компактного проживания финно-угорских народов. - Саранск, 2011. - С. 22-26.

12. Белов А. А. Развитие опасных экзогенных процессов на территории Республики Мордовия // Вестник Мордовского университета. - 2015. - Т. 25, № 2. - С. 132-138.

13. Белов А. А., Маскайкин В. Н. Оценка изменения физико-механических свойств грунтов при подтоплении (на примере Республики Мордовия) // Научные труды SWorld. - 2015. - Т. 20, № 2 (39). - С. 4-8.

14. Белов А. А. Загрязнение подземных вод и природной среды в результате инженерной деятельности человека // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. - Саранск, 2014. - С. 342-345.

15. Белов А. А. Изучение рельефообразующих процессов на территории Республики Мордовия // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. -Саранск, 2014. - С. 345-448.

16. Белов А. А. Изменение рельефа Мордовии под влиянием инженерной деятельности человека // Актуальные вопросы строительства. - Саранск, 2008. - С. 440-446.

17. Белов А. А. Влияние деятельности человека на гидрогеологические условия застроенных территорий // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. - Саранск, 2015. - С. 273-275.

Размещено на Allbest.ru