Изучение нестационарных гидрогеомеханических процессов в глинистых породах

А.М. Гальперин, В.В. Ческидов, Ю.В. Бородина, А.В. Демидов

ИЗУЧЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГИДРОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ

Освещаются вопросы оценки деформируемости, прочности и ползучести глинистых горных пород на примере объектов КМА и района строительства олимпийских объектов близ г.Сочи. Рассмотрены возможности применения дистанционного контроля геомеханических процессов при ведении горных и строительных работ, в том числе с использованием аэро- и космосъемки и GPS технологий. Ключевые слова: горные работы, гидрогеомеханические процессы, массивы горных пород, связные (глинистые) грунты, дистанционный контроль.

Изучению реологических свойств глинистых пород посвящены работы Н.Н. Цытовича, С.С. Вялова, М.Н. Голь-дштейна, Н.Н. Маслова, Г.И. Тер-Степаняна, С.Р. Месчана, Г.Л. Фисенко, Ю.К. Зарецкого, З.Г. Тер-Мартиросяна, Тан Тьонг Ки, Л. Шукле, А. Скемтона и др. [1, 2, 3, 4].

Ползучесть горных пород рассматривалась этими исследователями с позиций механики сплошных сред. Подход к породе как к квазиоднофазной системе с использованием классической теории ползучести допустим при выполнении условия о независимости характера изменения напряженно-деформированного состояния от геометрических размеров (образцов или зон в пределах массива).

Для многофазных глинистых пород процесс деформирования определяется физико-механическими свойствами отдельных фаз и характером их взаимодействия. В этом случае интенсивность изменения соотношения фаз в единице объема зависит от геометрических размеров деформируемой области. Виды уравнений состояния определяются для каждой фазы отдельно (в условиях их невзаимодействия). Расчетные модели многофазных глинистых пород реализуются в решени-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 5. С. 195-205. © 2016. А.М. Гальперин, В.В. Ческидов, Ю.В. Бородина, А.В. Демидов.

ях задач консолидации грунтов (К. Терцаги, Н.М. Герсеванов, В.А. Флорин, Н.А. Цытович, Д.Е. Польшин, В.Г. Короткин, М.Н. Гольдштейн, Н.Н. Веригин, Ю.К. Зарецкий, А.И. Ксено-фонтов, 3.Г. Тер-Мартиросян, М. Био, Н. Карилло, Р. Гибсон, Д. Тейлор, М.В. Малышев, М.Ю. Абелев и др.).

Исследования устойчивости бортов карьеров с учетом фактора времени проводились Г.Л. Фисенко, В.И. Веселковым, А.М. Мочаловым, Н.Н. Куваевым, А.Н. Могилко и др. Оценке изменения во времени состояния пород насыпных и гидравлических отвалов посвящены работы МГГУ, ВНИМИ, НИИКМА, УкрНИИПроекта, ИГД им. А.А. Скочинского. Фактор времени учитывается при оценке устойчивости и уплотнения пород бортовых и отвальных массивов с помощью решений задач структурной механики грунтов, фильтрационной консолидации и теории наследственной ползучести. Использование указанных теоретических решений позволяет осуществлять геомеханическое обоснование порядка выполнения вскрышных и отвальных работ. Общим для всех методов прогноза состояния карьерных откосов во времени является нестационарный характер протекающих в массивах горных пород механических процессов.

Разработанными под руководством В.В. Ржевского научными основами управления карьерными откосами предусматривается гибкое реагирование на изменение состояния массивов пород. Усовершенствование методов прогноза нестационарных геомеханических процессов на карьерах позволяет, исходя из масштаба и характера изменений прочности бортовых и отвальных массивов во времени, регламентировать инженерные мероприятия по управлению состоянием пород [3,4].

К группе пород, характеризующихся высокой степенью ползучести и пластичности, Г.Л. Фисенко относит все горные породы, содержащие глинистые минералы, каменные и калийные соли, а также все другие породы в массиве, имеющие кососеку-щую трещиноватость [2].

Кафедрой геологии МГГУ изучались деформируемость и прочность (сопротивление сдвигу) горных пород во времени для глинистых пород бортовых массивов карьеров КМА, техногенных отложений различных горнопромышленных регионов и пород потенциально оползневых склонов по трассе комбинированной (автомобильной и железной) дороги до олимпийских объектов горного кластера близ Красной Поляны.

Согласно современным представлениям деформацию глинистой породы целесообразно рассматривать как следствие из-

менения структуры, т.е. одновременного развития дефектов и переориентации минеральных частиц, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Таким образом, индикатором напряженно-деформированного состояния можно считать структуру породы и ее перестройку. С учетом необходимости определения критических (разрушающих) деформаций пород бортовых массивов целесообразно использование закономерности деформирования, описывающие все три стадии процесса ползучести.

Физические основы структурно-механического подхода сформулированы С.С. Вяловым и сводятся к следующим положениям [5]:

1. Пластическое деформирование породы вызывается смещением частиц и их переориентацией. Длительное разрушение связано с развитием дефектов и микротрещинообразованием.

2. Разрушение наступает, когда плотность дефектов достигает определенной величины; плотность ориентированных частиц пропорциональна длительности процесса т > тм.

При математической формулировке этих положений процесс образования дефектов рассматривался как случайный (стохастический) по схеме мгновенных повреждений, причем изменение (активация) необходимой для смещения частиц энергии предполагается пропорциональным вероятности повреждения. Согласно кинетической теории прочности и ползучести, деформирование и разрушение горных пород связываются с преодолением минеральными частицами и их агрегатами энергетического барьера и переходом в новое положение равновесия под воздействием активирующей эти частицы силы.

Зависимость для определения скорости ползучести при использовании предложенных Ю.К. Зарецким реологических уравнений состояния принимает следующий вид [5]:

и =

По

ехр

V Тт у

Л,* Л

где п0 = сотЬ = ехр

¿9

— начальная вязкость, зависящая от

начальной структуры, плотности, влажности и температуры 0; ы\ — начальная энергия активации; k — постоянная Больцмана;

1

5 — безразмерный параметр; ТТ — параметр, имеющий размер-т — т -

ность времени;-— = т — уровень напряжений; т, т , т0 — сото — т

ответственно текущее, длительное и условно-мгновенное значения сопротивления сдвигу; t — время начала деформирования.

Из формулы (1) получаем зависимость для расчета деформаций сдвига в виде: t

u

о g-

где u0 — начальная деформация; x = — ; a = т/п0 .

Тт

Универсальность выражения (2) подтверждается тем, что оно обобщается на случай сложного напряженного состояния, а также при соответствующем подборе параметров переходит в известные эмпирические уравнения. Поэтому это уравнение может рассматриваться в качестве закономерности деформирования как для глинистых, так и для твердых пород.

С учетом условия достижения критической плотности микротрещин гар = const в момент t разрушения горной породы и предложенного Ю.К. Зарецким и С.С. Вяловым выражения для описания процесса трещинообразования уравнение длительной прочности принимаем в виде [5]:

т = то —

Tp + tp

где tp — момент разрушения породы, когда плотность трещин достигает критического значения; Тр — параметр, имеющий размерность времени.

Для определения параметров ползучести горных пород (пр, ПТ, 5) или скоростей деформации следует использовать равенства, вытекающие из уравнений (1) и (3):

• -8 • -8 ит a т . uр a2 т

— = _8 = —; = _8 = (4) т tT Пт т ^ Пр

где tT — момент начала пластического течения; t — момент разрушения; av 5, a2 — параметры сдвиговой ползучести; uт — скорость установившейся ползучести; u — скорость разрушения.

Структурно-механические уравнения ползучести и длительной прочности могут также использоваться для описания процессов сдвиговой ползучести в отвальных массивах и их основаниях, сложенных глинистыми, мерзлыми или заснеженными породами.

Для определения параметров длительной прочности (сдвиговой ползучести) выполнялись обратные оползневые расчеты по материалам выполненной институтом ВИОГЕМ паспортизации оползней карьера Михайловского ГОКа КМА [5], а также (для девонских глин) длительных трехосных испытаний в стабилометрах УСВ-2.

В таблице дана инженерно-геологическая колонка вскрышной толщи Восточного борта Михайловского карьера КМА, на рис. 1 графики зависимостей критических (разрушающих) скоростей деформаций от сдвигающих (т) и нормальных напряжений. Эти графики являются основой для контроля по деформациям состояния бортовых массивов карьеров КМА. Для отвальных насыпей, дамб гидроотвалов и хвостохранилищ эффективный контроль за состоянием откосных сооружений осуществляется путем комплексного зондирования приоткосных зон и использованием стационарных датчиков-пьезодинамоме-тров, заложенных по расчетным профилям в теле и основании дамбы на различных этапах формирования намывного массива.

В МГГУ разработана программа оперативного определения коэффициента запаса устойчивости п в зависимости от измеренного пьезодинамометрами давления воды, приведенного к вероятным поверхностям скольжения. Расчет устойчивости выполняется методами алгебраического суммирования и многоугольника сил. Определение текущего коэффициента запаса

Характеристики длительной прочности и сдвиговой ползучести пород бортового массива

возраст пород ЛИТОЛО-гическая колонка МОИМ [ОСТЬ слоя, м краткое описании пород тн/н3 W % д тн/м3 С( С, 1« кг/ем" кг/см" град ТР лет »1 шв 6

шш 15 суглинок лессовидный ш 18 2.68 0.32 0.20 29 0.142 0.267 0.Й5

КГ 6 песок раэноэерн истый 2.00 22 2.65 35

К?1"'™ 35 глина песчаная, туга пластична* 2.11 20 2.69 0.43 0.10 20 0.369 0.284 0.94

28 глина тугопластичная 108 16 2.72 0.75 0.24 16 0.207 0.162 1.00

5 песок м елкозерн исты й глина плотная. 1.90 24 2.76 35

5 гугопластичная песок рэзжпкрл истый 1.40 24 2.76 35

О, 50 гл1сна песчаная, гугопластичная 2.21 2.77 3.00 1,70 12 0.412 0.062 1.00

Рис. 1. Критические скорости деформаций глинистых пород бортовых карьеров КМА: а) суглинки четвертичные; б) глины апт-неокомские; в) глины верхнеюрские (волжско-келловейские); г) глины среднеюрские (батские); д) глины девонские; параметры ст , МПа: 1 - 0,05; 2 - 0,1; 3 - 0,15; 4 - 0,2; 5- 0,25; 6- 0,3; 7- 0,35; 8- 0,4

устойчивости производится в зависимости от площади эпюры давления воды, определяемой путем снятия замеров величин Р или h по вероятной поверхности скольжения.

w w Г Г

Комплекс исследований МГГУ, выполненных применительно к откосным сооружениям в окрестности вокзала «Альпика— Сервис» имел главной целью установление прочностных характеристик (сопротивления сдвигу) глинистых сланцев, подстилающих толщу раздельно-обломочных отложений при различном положении депрессионной кривой. Установлено, что физико-механические параметры глинистых сланцев в среднем составляют: плотность у = 2,6г/см3, удельное сцепление С = 4,95 т/м2, угол внутреннего трения ф = 21°.

Проведены расчеты устойчивости склонов (по согласованным профилям) при различном обводнении приоткосных зон. На рис. 2 представлены зависимости коэффициента запаса устойчивости склонов от степени их обводнения, а также были установлены величины некомпенсированного оползневого давления.

0,400 I ' ' 1 ' I ' ' ' 1 . ; ' ' * ) ' '  1 ' 1 ' ' ' * ' ' ' I ' 1

0,000 0.100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0.900 1,000

. <>.е

Рис. 2. Зависимости коэффициента запаса устойчивости от степени обводненности потенциально оползневых массивов для трех расчетных профилей в районе железнодорожного вокзала «Альпика-Сервис»

В работе В.И. Осипова [8] отмечается, что при определении эффективных напряжений в тонкодисперсных глинистых образованиях с помощью теории К. Терцаги возникают расхождения экспериментальных и расчетных данных из-за неучета распределения напряжений на контактах структурных элементов. В частности в теории К. Терцаги не рассматриваются:

1. особенности распределения напряжений на контактах различных геометрических и энергетических типов;

2. существование на контактах тонких пленок связанной воды, обладающих расклинивающим давлением;

3. развитие на контактах различных процессов физико-химической природы, обусловливающих существование внутренних напряжений;

4. зависимость порового давления от характера порового пространства глин.

Для решения инженерных задач представляется целесообразным использовать упрощенный подход, предусматривающий испытания водонасыщенных тонкодисперсных отложений в условиях трехосного сжатия (например, в универсальных стаби-лометрах компрессионного типа УСВ-2 конструкции ВИОГЕМ, автор — Н.П. Верещагин). В условиях закрытой системы (неконсолидированно — недренированные испытания) к образцу прикладывается внешняя нагрузка и определяется коэффициент порового давления, т.е. доля нагрузки, воспринимаемая поровой водой. В дальнейшем расчеты уплотнения слабоструктурных

водонасыщенных глинистых грунтов производятся с использованием соотношений для расчета избыточного порового давления, учитывающих также начальный градиент фильтрации, ползучесть минерального скелета, темпы нагружения и др. [4].

Определение реального общего эффективного напряжения для водонасыщенных слабоструктурных отложений (илов, слабо литифицированных глинистых образований, намывных глинистых грунтов) требует установления исходных параметров к выражению [8]:

'а- Я ^

ърэф =X

X

- П

/

где х — число контактов в единице площади горизонтальном площадки, П(И) — расклинивающее давление гидратных пленок, ac — площадь контакта, а — общее внешнее напряжение, Pu — поровое давление.

Установление параметров к формуле (5) требует проведения сложных дорогостоящих исследований.

Решение задач фильтрационной консолидации позволяют удовлетворительно описывать развитие осадок тонкодисперсных намывных пород — в пределах 80—90% максимальной (стабилизированной) осадки. Для повышения точности описания процесса уплотнения может быть использовано решение одномерной задачи консолидации и ползучести двухфазных пород с учетом взаимодействия фаз, полученное Ю.К. Зарецким [4] .

С учетом требований безаварийной эксплуатации комбинированной дороги до горного кластера следует выполнить дополнительный комплекс работ по определению параметров длительной прочности и сдвиговой ползучести (см. выше) глинистых пород в левобережном склоне р. Мзымта. В работе В.И. Осипова, Ю.А. Мамаева, А.А. Ястребова выполнено ранжирование по степени оползневой опасности участков строительства олимпийских объектов в г. Сочи [9]. Вполне правомерны рекомендации авторов этой статьи о создании комплексной системы геодинамического мониторинга, включающей также измерения сдвиговых склоновых смещений и уровней подземных вод. При этом приоритетными, по нашему мнению, являются бескабельные схемы контроля, что повысит жизнестойкость измерительной системы.

Для контроля за состоянием труднодоступных зон гидроотвалов МГГУ совместно с ВИОГЕМ предложен и запатентован способ дистанционного определения несущей способности на-

мывного массива по данным аэрофотограмметрической съемки, в соответствии с которым допустимая нагрузка Рдоп определяется в зависимости от относительной осадки массива Ah/h.

Инструментальные наблюдения выполнялись институтом ВИОГЕМ с использованием метода аналитической фототриангуляции, позволяющего определять координаты точек недоступных участков гидроотвала бесконтактным способом. Аэрофотосъемки производились в моменты начала и окончания перерыва to в намыве («отдыха» гидроотвала).

Эталонные зависимости Рдоп = f[Ah(to)/h] устанавливаются с использованием решения задачи уплотнения намывного слоя в период его «отдыха» to, из которого определяется степень уплотнения слоя U = у(^). Через степень уплотнения по эмпирическим зависимостям определяются характеристики сопротивления сдвигу с и ф. С использованием формулы Прандтля-Рейснера по значениям c(U) и ф(Ц) определяется предельная критическая нагрузка на намывное основание P^, а затем Рдоп = P^ /п [4].

Предложенный способ позволяет расширить область применения аэрофотосъемки благодаря возможности оперативного определения несущей способности труднодоступных зон намывных массивов и обеспечивает проведение дистанционного контроля состояния гидроотвала, повышая тем самым безопасность ведения работ при одновременном снижении их стоимости и трудоемкости.

Методика дистанционного контроля уплотнения и, соответственно, несущей способности намывных массивов апробирована в условиях гидроотвала «Березовый Лог» (КМА). Результаты аэрофотосъемки показали достаточно хорошую сходимость с данными наземных съемок и расчетами.

На сегодняшний целесообразно рассматривать варианты применения GPS технологий и космической снимков при дистанционном контроле уплотнения техногенных массивов. Основное преимущество проведения съемки ситуации с применением спутниковой технологии заключается в том, что при ее осуществлении отпадает необходимость создания геодезических сетей сгущения, создания съемочного обоснования и его сгущения, поскольку методы спутниковых определений по дальности и точности принципиально обеспечивают возможность проведения съемочных работ непосредственно на основе государственной геодезической и нивелирной сети.

Применение съемки GPS обусловлено уменьшением трудозатрат, повышением точности результатов измерений. В срав-

нении с аэрофотосъемкой данный метод является более экономичным и точным.

Аэрофотосъемка и космическая съемка намывных территорий обеспечивает наибольший эффект при сочетании ее с зондированием гидроотвалов комбинированными зондами МГГУ и пенетрационно-каротажными станциями.

Можно рекомендовать также метод контроля устойчивости дамб по деформациям, основой которого контроля является регистрация скоростей смещения грунта в отдельных точках (реперах), размещаемых по соответствующим профилям и сопоставление их с расчетными значениями. Для количественной оценки сдвиговых деформаций в теле дамбы и ее основании могут быть использованы зависимости структурной механики грунтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панюков П. Н. Инженерная геология. — М.: Недра, 1978. — 206 с.

2. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. — М.: Недра, 1965. - 378 с.

3. Гальперин А. М., Шафаренко Е. М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. — М.: Недра, 1977. — 246 с.

4. Гальперин А. М. Геомеханика открытых горных работ. — М.: Изд. «Горная книга», 2012. — 480 с.

5. Зарецкий Ю. К., Вялов С. С. Вопросы структурной механики глинистых грунтов // Основания, фундаменты, механика грунтов. -1971. — № 3. — С. 1—5.

6. Galperin A.M., Panfilov A. Y. Back calculations for the détermination in open-pit slopes and hydrofilled structures. Proc. Of the Int. Workshop in Geoenvironment and Geotechnics (GEOENV 2005). Milos, Greece, 2005. P. 131—136.

7. Гальперин А. М., Зайцев В. С., Марченко С. М. и др. Способ контроля состояния намывных массивов. Патент РФ № 1188322, 15.07.1993.

8. Осипов В. И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах. — М.: ИФЗ РАН. — 74 с.

9. Осипов В. И., Мамаев Ю. А., Ястребов А. А. Оценка ранжирования по степени оползневой опасности участков строительства олимпийских объектов в Сочи // Геоэкология. — 2013. — № 6. — 530—537 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гальперин Анатолий Моисеевич1 — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,

Ческидов Василий Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент,

Бородина Ю.В.1 — аспирант, Демидов А.В.1 — аспирант, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 504.064.2

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 5, pp. 195-205. A.M. Gal'perin, V.V. Cheskidov, Yu.V. Borodina, A.V. Demidov STUDY NONSTATIONARY HYDROGEOMECHANICAL PROCESSES IN CLAY ROCKS

The questions of deformation , strength and creeping of 'clay deposits assessment are lighted on the base of the objects KMA and the regions of the Olympic objects construction not far from the town Sochi. The possibilities of using the remote control of the geomechani-cal processes under the introduction of mining and constructing works, namely using aerial mapping and cosmo-mapping and GPS technologies are considered.

Key words: mining works, hydrogeomechanical processes, massifs of rocks, cohesive soils (clay), creeping, remote control.

AUTHORS

Gal'perin A.M.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Cheskidov V.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Borodina Yu.V.1, Graduate Student, Demidov A.V.1, Graduate Student,

1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: ud@msmu.ru.

REFERENCES

1. Panyukov P. N. Inzhenernaya geologiya (Engineering geology), Moscow, Nedra, 1978,206 p.

2. Fisenko G. L. Ustoychivost' bortov kar'erov i otvalov (Slope stability of open pit mines and dumps), Moscow, Nedra, 1965, 378 p.

3. Gal'perin A. M., Shafarenko E. M. Reologicheskie raschety gornotekhnicheskikh sooruzheniy (Rheological design of mine engineering structures), Moscow, Nedra, 1977, 246 p.

4. Gal'perin A. M. Geomekhanika otkrytykh gornykh rabot (Geomechanics of open pit mining), Moscow, Gornaya kniga, 2012, 480 p.

5. Zaretskiy Yu. K., Vyalov S. S. Osnovaniya, fundamenty, mekhanika gruntov. 1971, no 3, pp. 1—5.

6. Galperin A. M., Panfilov A. Y. Back calculations for the determination in open-pit slopes and hydrofilled structures. Proc. Of the Int. Workshop in Geoenvironment and Geo-technics (GEОENV2005). Milos, Greece, 2005. P. 131-136.

7. Gal'perin A. M., Zaytsev V. S., Marchenko S. M. Patent RU1188322, 15.07.1993.

8. Osipov V. I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazheniy v gruntakh (Physico-technical theory of efficient stresses in soils), Moscow, IFZ RAN, 74 p.

9. Osipov V. I., Mamaev Yu. A., Yastrebov A. A. Geoekologiya. 2013, no 6, 530-537 p.