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

Объемные силы:

1) Гравитационные σ1г=ρgH; σ2г = σ3г = μ/(1– μ) ρgH , Градиент 0.2-0.32 кг/см2/м

2) Гидростатические, Взвешивание γвзв = (Δ-γв)(1-n)

3) Гидродинамические

Эффективные и нейтральные напряжения

σп = σэф + σн; σэф = σп – σн; dσэф = - dσн

Гидродинамическое давление

f = I γв; Ф = I γв V

Гидростатическое давление от водохранилища

4) Сейсмические

Поверхностные силы:

1) Тектонические: субдукция, коллизия

• Тектоническая сила:

• σ2 = σ2г + σ2т = μ/(1– μ) ρgH + Т + ΔТН;

• σ3 = σ3г + σ3т = μ/(1– μ) ρgH + μ (Т + ΔТН)

2) Силы возникающие под действием сооружения

14. 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:

σ1г=ρgH; σ2г = σ3г = μ/(1– μ) ρgH

Градиент 0.2-0.32 кг/см2/м

Тектоническая сила:

σ2 = σ2г + σ2т = μ/(1– μ) ρgH + Т + ΔТН;

σ3 = σ3г + σ3т = μ/(1– μ) ρgH + μ (Т + ΔТН)

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:

График Н.П.Кропоткина – 10-20 МПа

Н.А. Цытович – 35-45 МПа

Рогунская ГЭС – 12 МПа

Талнахский рудный узел – 23-38 МПа

15. Влияние литологии на структуру поля напряжений в массиве пород.

16. Гидрогеомеханические деформации массива пород.

Прикладная гидрогеомеханика

• Устойчивость откосов

Влияние подземных вод на общую устойчивость откосов связано с изменением напряженного состояния пород под действием гидростатических и гидродинамических сил; также имеет значение прочностных свойств пород под влиянием подземных вод. Наиболее часто гидростатическое взвешивание проявляется в развитии оползневых процессов параллельно с действием гидродинамических сил.

Роль гидродинамического давления в напряженном состоянии существенна для глинистых пород, где градиенты могут измеряться большими величинами. Так, при наличии в подошве откоса напорных недренируемых горизонтов восходящая фильтрация через относительно водоупорные слои приводит к уменьшению эффективных напряжений на скелет глинистых пород. При больших напорах гидродинамические силы могут существенно снижать эффективны напряжения на скелет глинистых пород, что приводит к уменьшению сил трения и интенсивному набуханию пород. Этот процесс может привести к возникновению оползней.

В откосах насыпных и намывных сооружений силовое воздействие подземных вод часто проявляется в форме избыточного порового давления. В частности, при расчете по фиксированным поверхностям скольжения избыточного поровое давление может рассматриваться как контурная сила, которая вычитается их нормальных составляющих сил веса вышележащих пород.

• Расчет оснований гидросооружений

Для сооружений на скальных основаниях, а также при наличии горизонтальных поверхностей ослабления устойчивость проверяется расчетом на сдвиг по горизонтальной поверхности под действием перепада гидростатических давлений в верхнем и нижнем бьефе.

• Разработка месторождений полезных ископаемых

Явление сжатия горных пород под влиянием глубокого водопонижения. Механизм сжатия в результате водопонижения – снижение напоров при практически неизменном общем давлении приводит к росту эффективных напряжений и уменьшению пористости пород. Осадка соответствует разности между сжатием скелета под влиянием дополнительных эффективных напряжений и упргим расширением минеральных зерен при снижении гидростатического давления.

Восстановление напоров подземных вод, сниженных при ведении горных работ, создает эффект декомпрессионного расширения массива с соответствующим вздыманием земной поверхности.

При строительстве и эксплуатации шахт совместное проявление геомеханических и гидродинамических процессов зачастую приводят к деформациям крепи подземных горных выработок, прорывам в них воды и водонасыщенных рыхлых отложений и другим осложняющим факторам

• Суффозия

Суффозия является результатом силового воздействия движущихся подземных вод на вмещающие их дисперсные грунты. Это либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы, либо возникающее в фильтрационном потоке гидродинамическое давление.

Для развития суффозии необходимы следующие условия:

1) структурно-текстурная неоднородность (1:20) горных пород, при которой возможно передвижение более мелких частиц среди более крупных и их вынос;

2) определенные градиенты потока (>5), вызывающие повышенные скорости фильтрации воды или определенной величины гидродинамическое давление в массиве грунтов;

3) наличие области выноса, разгрузки толщи от мелких частиц.

Суффозия происходит внутри пласта или путем переноса мелких частиц из одного пласта в другой.

Суффозионный вынос материала на земную поверхность называется внешней суффозией, а вынос в трещины и полости или перемещение внутри них – внутренней суффозией.

Если материал выносится нисходящим потоком к подножию склона - присклоновая суффозия.

Восходящая суффозия при восходящем потоке подземных вод - псевдовулканическая.

Суффозия широко распространена в районах добычи полезных ископаемых: присклоновая суффозия при открытой разработке твердых полезных ископаемых, а закрытая (внутренняя) – при подземной.

В районах добычи нефти и газа способом заводнения нередки проявления псевдовулканической суффозии.

На закарстованных территориях, в пределах крупных депрессионных воронок, сформировавшихся при эксплуатации месторождений подземных вод, часто отмечается интенсивное развитие закрытой суффозии, проявляющейся на земной поверхности в форме провалообразования. Широкое распространение суффозионных процессов наблюдается на подтопленных территориях и в районах орошаемого земледелия - подъем уровня грунтовых вод.

Суффозия присклонового типа активно развивается на берегах равнинных водохранилищ.

На территориях городов техногенная суффозия связана с подземной урбанизацией, со строительными работами, с утечками из водонесущих коммуникаций и с эксплуатацией подземных вод для целей водоснабжения

Техногенно обусловленная суффозия нередко становилась причиной деформаций памятников истории и архитектуры.

Появление потока подземных вод в неводонасыщенных суффозионно неустойчивых грунтах в результате.

1). Природных явлений:

- сильные ливни, бурное таяние снега, паводки и наводнения.

2) Техногенных факторов:

- утечки из водонесущих коммуникаций и резервуаров;

- поступление в грунты сточных и бытовых вод, жидких промышленных отходов;

- гидромеханизации земляных и горных работ;

- скважинная добыча нефти и газа с применением законтурного и внутриконтурного обводнения;

- орошение земель;

- функционирование гидротехнических сооружений.

Увеличение скорости потока подземных вод в результате: засухи и обмеления водотоков и водоёмов или строительного водопонижения, осушение грунтов и земель, эксплуатации подземных вод.

Выход области суффозионного выноса на контакт с водонасыщенными суффозионно неустойчивыми грунтами:

• природные – абразия, речная и овражная эрозия, оползневые процессы, провалообразование, карст, разрушение глинистых водоупоров над полостями; и

• техногенные - разрушение берегов искусственных водотоков и водоёмов, экскавация грунтов, производство буровых работ и проходка подземных горных выработок.