Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование свойств грунтов зоны дезинтеграции геофизическими методами (на примере Екатеринбургского метрополитена)

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование свойств грунтов зоны дезинтеграции геофизическими методами (на примере Екатеринбургского метрополитена)"

<1 4)0

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи АКИМОВ Владислав Петрович

УДК 550.835

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ЗОНЫ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ (НА ПРИМЕРЕ ЕКАТЕРИНБУРГСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА)

Специальность:- 04.00.12 — геофизические* методы поисков и разведкиместорождений полезных ископаемых

А в тореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург 1995

Работа выполнена в Уральской государственной горногеологической академии.

Научный руководитель: чл.-корр. Российской и Международной инженерных академий, доктор физико-математических наук, профессор Ю. Б. Давыдов.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор В. И. Бондарев (Уральская государственная горногеологическая академия), кандидат технических наук ,

Р. В. Улитин (Институт геофизики УрО РАН)

Ведущее предприятие: АО «Уралгипротранс». .

Защита состоится «.24 » февраля 1995; г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.03.02 в Уральской государственной горно-геологической академии.

Адрес: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-126, ул, Куйбышева, 30, Уральская государственная горно-геологическая академия.,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГГГА.

Автореферат разослан «/^ » января 1995 г. |

Ученый секретарь диссертационного совета, | доктор физико-математических наук,

профессор /СЖ\/з (/ Б- ДАВЫДОВ

Актуальность темы. Важным направлением в инженерных изысканиях является комплексное исследование природной; обстановки для подземного строительства. Комплексные ис-; следования включают трудоемкие и дорогостоящие.работьк-бурение разведочных скважин, проходку шурфов, шахт« штолен, а также полевые исследования грунтов- сдвиговым-!!' Ц: статистическими нагрузками. • > : •

В последнее время большое внимание уделяется геофизи»; ческим методам исследования грунтов. Преимуществом-;'Геофизических методов является их экспрессность и низкая сто*; имость. Высокая представительность геофизического -опробо'-вания позволяет успешно решать вопросы подземного строи-' тельства, в том числе проектирования и строительства метро. Однако возможности геофизических методов при подзем»; ном строительстве раскрыты не полностью и реализуются: лишь частично. Недостаток теоретически обоснованных рекомендаций по методике работ снижает достоверность получае*-мых результатов и ограничивает возможности геофизических; методов эмпирическим уровнем. Назрела необходимость со-, вершенствования геофизических методов с целью определе» ния физико-механических свойств грунтов применительно « решению задач подземного строительства и проектирования; Метро. .

Под физико-механическими свойствами (ФМС) грунтов;-®; работе понимаются свойства, определяющие пригодность грунтов для подземного строительства метро. К таким свойствам, относятся скорости продольных (Ур) и поперечных- (У?); волн, показатель качества керна (Г{(30), модуль Юнга-(Е)^ коэффициент Пуассона (и), коэффициент упругого отпора (Котп.), плотность (ст), влажность (ту), коэффициент крепости город (0, сопротивление грунтов раздавливанию: (Кс)>'й другие. Знание этих свойств позволяет обоснованно тиггизи* ровать инженерно-геологические условия, выбирать глубину заложения подземных сооружений, оптимизировать ирохо'Дку, тоннелей, оценивать трещиноватость, обводненность, устойчи-

вость грунтов в горных выработках, своевременно предотвращать деформацию жилых зданий и сооружений в зоне влияния подземных сооружений.

К началу исследований автора (1986 год) были выполнены работы (Л. С. Полак, М. Б. Рапопорт, 1956 г., 3. Г. Ящен-ко, И. С. Есаков, 1959, г., Б. А. *Бяков, А. К- Урупов, 1961 г.,; Р. Линдлей, 1963 г., Г. Н. Гогоненков, 1967. г., Л. А. Лаврова, Е. Г. Захаров, А. Т. Лисенков, 1968 г., П. Ф. Кочетков, 1971 г., Г. П. Саковцев, В. М. Сапожников, Ю. В, Голиков, 1978 г. и других исследователей), в которых рассматривались различные аспекты .определения физико-механических свойств скальных грунтов в основном терригенно-карбонатного происхождения. Положительный опыт этих исследователей был использован, в основном при поисках и разведке месторождений твердых полезных ископаемых на скальных грунтах, не затронутых выветриванием. ;

■ При решении задач инженерно-геологических изысканий для подземного строительства требуется оптимизация методических достижений предшественников. При строительстве Екатеринбургского метро сложность инженерно-геологических изысканий возрастает из-за трещиноватости, выветрелости и обводненности скальных грунтов, сложного геологического строения отдельных участков трассы метро, проектируемой в зоне гипергенеза геосинклинальной области. Физико-механические свойства скальных грунтов Екатеринбургского метро резко отличаются от изученных ранее свойств грунтов осадочного комплекса горных пород. Процессы метаморфизма и выветривания скальных грунтов приводят к существенным изменениям их ФМС; Все это свидетельствует об актуальности исследования ФМС разрушенных грунтов осадочно-вулканоген-ного комплекса эффективными и экспрессивными геофизическими методами.

Задача определения физико-механических свойств грунтов Екатеринбургского метро решается в работе путем электрических измерений, результаты которых хорошо коррелируют с физико-механическими свойствами.

Хорошо разработанные акустические методы оценки ФМС скальных грунтов могут быть использованы в качестве арбитражных при выполнении электрических измерений. Недостатком акустических измерений является их низкая эффективность в сильно выветрелых и трещиноватых грунтах, где наблюдается сильное поглощение акустического сигнала. В •таких грунтах не везде удается получить запись продольных 2

и поперечных волн. Вместе q тем на монолитных неразрушеи-;, ных грунтах акустические измерения позволяют получить .хо-, рошиз результаты. Поэтому целесообразно комплексировать электрические измерения с акустическими. .....

Исследование физико-механических свойств скальных грунтов геофизическими методами осуществляется в Двух вариантах: в условиях in situ "(в/ скважинах) и в лабораторных4 условиях на образцах керна буровых скважин: Реофизические-методы исследования скважин в отличие oif лабораторных исследовании позволяют получить информацию О'физико-механических свойствах больших масс грунтов, в то же. время: ла:-г бораторные условия позволяют выполнить более тонкие и-сложные анализы отобранных проб. Поэтому целесйобразно; исследовать возможности не только скважинной, но й лабораторной модификации электрических измерений", -

Объектом исследований является грунтовый массив, зоны дезинтеграции по трассе Екатеринбургского, метро, осложцен-; ный продуктами метаморфизма и измененный последующими; процессами площадного и вертикального избирательного .физико-химического выветривания горных пород различного происхождения: вулкапогенно-осадочных (туфы порфиритов, туф-фиты, туфосланцы), метаморфических сланцев (слюдяно-хлоритовые, кварцево-слюдистые), . осадочных (мраморизо-ванные известняки), ультраосновных (серпентиниты, талько-хлоритовые и талько-карбонатные образования), интрузивных и эффузивных пород.

Идея работы заключается в выявлении и исследовании взаимосвязей между электрическими и физико-механическими свойствами метаморфизованных и выветрелых в различной степени грунтов зоны дезинтеграции,, в установлении парных-корреляционных связей между отдельными физико-механическими свойствами грунтов, в разработке новой методики определения основных физико-механических свойств грунтов геофизическими методами, основанной -на электроакустических измерениях, в построении инженерно-геологической мо дели (ИГМ) среды, вмещающей подземное- сооружение, например, метро. - <г,- i

Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование; и разработка комплексной методики тгсслё; доваиия физико-механических свойств грунтов (VpV-Vs;"E", и, RQD, Котп., f и др.) зоны дезинтеграции геосинклинальной области nq' данным комплексных геофизических и инженер-

г 3

нб-гёбЛогичёских исследобаний in situ и в лабораторных условиях.

Основные задачи работы. Для достижения намеченной цели потребовалось решить следующие задачи:

1, Провести обзор, изучение, систематизацию и обобщение сведений О ФМС грунтов по трассе Екатеринбургского метро, исследовать взаимосвязи ФМС грунтов с их электрическими свойствами.

' - 2. Изучить возможности отдельных геофизических методов исследования ФМС разрушенных грунтов зоны дезинтеграции и йыбрать в, качестве инструмента исследований удобный, простой и достаточно точный метод электрических измерений, обосновать границы применимости электрометрии.

3. Выполнить комплексные электрические и акустические исследования ФМС грунтов по трассе Екатеринбургского метро в условиях их естественного залегания и в лабораторных условиях, получить оптимальные рекомендации по методике работ, разработать простые приемы интерпретации элек-тро-акустических измерений.

4. Показать достоверность результатов определения ФМС грунтов по данным электро-акустнческих ¡измерений и эффективность их использования при решении прикладных задач проектирования и строительства метро, построить двухмерные! (в плане и разрезе) и трехмерные инженерно-геологические модели (ИГМ)л участков трассы Екатеринбургского метрополитена, построить блочные модели по крепости (f) грунтов, рассчитать удельную и общую потребность во взрывчатых материалах (ВМ).

Научная новизна. В отличие от известных работ по определению ФМС грунтов геофизическими методами, выполненными ранее применительно к поискам и разведке месторождений полезных ископаемых (Л. С. Полак, М. Б. Рапопорт, В. И, Бондарев, В. М. Сапожников, P. X. Линдлей, И. Дела-Планше и др.) в диссертационной работе дано теоретическое И экспериментальное исследование возможности использования геофизических методов для определения ФМС грунтов При подземном строительстве.

Новыми в работе являются: , ' 1. Установленные закономерности и корреляционные взаимосвязи электросопротивления с ФМС грунтов зоны дезинтеграции.

2. Использование электрического каротажа для определения ФМС.метам:орфизованных грунтов осадочно-вулкано-

генного генезиса в естественном залегании (in situ^. . ... ..

3. Использование электролитического способа для контроля выветривания грунтов и определения его прочностных (Rc, f) свойств.

4. Использование кавернометрни при оценке напряженно-f деформированного состояния породного массива, оценка гео-

днпамического состояния среды для подземного строительства в сложных инженерно-геологических условиях. -

- 5. Построение двухмерных и трехмерных ИГМ для подземного строительства Екатеринбургского метрополитена.

Практическая ценность работы. Полученные результаты имеют научное и практическое значение для:

1. Обоснования методики определения ФМС грунтов геофизическими методами для объектов подземного строительства, создания простых способов интерпретации геофизических измерений.

2. Оценки ФМС разрушенных грунтов по данным электрических измерении и обоснования комплексирования электрических и акустических измерений.

3. Повышения качества (информативности и достоверности) исходных данных для проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений с учетом локальных и

• региональных инженерно-геологических особенностей.

Результаты исследовании позволяют рекомендовать элек-..триче.скис измерения для определения ФМС разрушенных -■ грунтов в условиях естественного залегания, определять прочность грунтов (Rc) в лабораторных условиях электролитное-, -,..ским методом на образцах керна неправильной формы, составлять объемные ИГМ! массивов горных пород, вмещающих инженерные сооружения. . '

Апробация работы и использование ее результатов. Дос--• товерность результатов определения-ФМС грунтов по данным,

- электрических измерений подтверждается данными 'акустического каротажа 20 скважин по, трассе Екатеринбургского метро; и данным лабораторных исследований образцов: керна

- (более 1000 образцов).-Надежность полученных корреляционных связей проверена па представительных выборках. •■

; Основные положения диссертации докладывались на.рес-. лубликанских научно - практических конференциях и семина. pax НПО Стронизыскаиия в г. Екатеринбурге —г 1988, 1989, Vу 1990, 199}, 1992 гг., на Международном симпозиуме па.инже-. нерпой геологии карста к. г. Перми -в 1992 г., на Международ. ном симпозиуме по -горной, геофизике в г. Перми в 1993 г., на

9 5

науЧнб-технйЧеском сбветё института Уралгипрбтранс в 1992 т., на научно-техническом совете дирекции строящегося ' метрополитена в 1992 г., на научно-техническом совете Уральского института геомеханики в 1992 г., на научном семинаре "в Уральском горном институте в 1992 г.

Результаты диссертационной работы нашли применение в практике инженерно-геологических исследований при проектировании и строительстве Екатеринбургского метро.

Исходные материалы и личный вклад автора в решение проблемы. Диссертационная работа базируется на результатах многолетних теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в Уральском тресте инженерно-строительных изысканий под руководством автора и при его непосредственном участии. ;

Автор лично в процессе исследований:

— обосновал и экспериментально проверил применение ' электрометрии для оценки ФМС грунтов, используя в качестве арбитражных акустические измерения;

— составил алгоритмы и программы аппроксимации эм-' лирических зависимостей: между электрическими и акустиче*

скими параметрами, выполнил статистический анализ и интерпретацию результатов измерения на ЭВМ ЕС-1036;

— исследовал факторы, влияющие на точность определе-, ния ФМС грунтов по данным электрических измерений;

— получил оптимальные рекомендации по методике работ и интерпретации электро-акустическрх измерений в скважинах и в лабораторных условиях; ;

— составил объемные ИГМ отдельных участков трассы метро. )

Выполненные автором теоретические и экспериментальные " Исследования позволили решить основную задачу защищаемой работы — повысить эффективность и качество инженер; но-геологических изысканий при строительстве Екатеринбург^

■ с'кого метро. j

Автор защищает: |

— установленные закономерности взаимосвязи между ФМС-грунтов (Vp, Vs, Е, ц, RQD, Коти., о) и их электрическими свойствами и корреляционные зависимости между этими

" ■ показателями, обоснование применимости электрических измерений для определения ФМС грунтов зоны дезинтеграции;

■ : - — разработанную и внедряемую в производство методику

определения ФМС грунтов в условиях in situ по данным элек-тро-акустических измерений, позволяющую оперативно и с до-

4 6 I

• статочной для. практики-точностью определять- ФМС-грунтов, отличающихся повышенной трещиноватостыо и обводненностью; ' ' . ' ' " ■ . •-.' ;

— разработанную н внедряемую в производство инженерно-геологических изысканий методику определения крепости ({) грунта в лабораторных условиях экспрессным- электролитическим методом на образцах неправильной формы и произвольных размеров, являющуюся надежным-, средством получения достоверной информации о трещиноватости и вла-гонасыЩенности образцов скального грунта; .

" — разработанные-методы электро-акусгических и электролитических измерений, выполняемые в комплексе .инженерно-,

■ геологических изысканий, позволяющие составить - объемную инженерно-геологическую модель (ИГМ), блочную модель

• грунта.по'прочностп (1)\ рассчитать удельный расход взрывчатых материалов и определить оптимальную технологию буровзрывных работ. • ■ .-.-

. Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения. Она содержит 157 страниц машинописного текста, в том числе 27 рисунков и 20 таблиц. Список литературы включает 13В наименований,.относя-, 1 щнхся к теме диссертации. 1 ....:.

В диссертации изложены результаты исследований, вы: полненных' автором в Уральском тресте инженерно-строи--тельпых 'изысканий Госстроя РФ НПО Стройизыскания', начи-

- пая с .1987 года. В процессе работы автор- пользовался"'по-

- мощью и советами главного инженера треста УралТИСИз Чай-

■ кипа А. А., к, г.-м. н. Кашкарова А. "А.^ к.1 г.-м/ш Калташе-ва С. А., д. г.-м. и., проф: Сковородникова И. Г., д. • г.-м. и.,

■ проф. Сапожникова В. М.(| д: г.-м. н., проф. Матвеева Б.:К., д. т. н,,'проф. Александрова Б. М., д. г!-м. п., проф.-Козыри-,

- на А. К., к. г.-м.! п., доц. Голикова. 10. В.-, -к. х.-м. л.,"с. н;-;с.' Серкова В. А. и'Многих других. -.

Автор считает своим:" приятным долгом выразить"глубо-, кую благодарность члену-корреспонденту МИА Давыдо-' ву 10. Б.-, геофизикам Уральского трестаинженерно-строп-тельных изысканий :Мухорину Б.-Д.-Тараненко С.И., а-так-'

- же Акимовой Л...В., которые оказывали автору повсеместную .помощь в работе и оформлении диссертации.. ■' -у. ,

. Содержание работы..........., г;, -

. - 1. Первое защищаемое научное положение.; ; -.- --.-„С проведением,, инженерно-геологических -изысканий .-для

- с50Д3?мноГ9:;с^Ве.Цт^Дьства щ.а урбанизированных территориях

р. 7,

возникла необходимость определений физиКо-механиЧескцх свойств скальных грунтов различного.генезиса в.условиях естественного залегания в скважинах. С этой целью цслользо-валн геофизические методы исследования, скважи^ (ГИС), методы электрокаротажа кажущегося-сопротивления. (КС) и акустического каротажа (АК).

В ранних работах по ГИС (Полак Л; С., Рапопорт М. Б., 1956, Ященко 3. Г., Есаков И. С., 1959, Кочетков П. Ф., 197.1, Саковцев Г. П., Сапожников В. М., Голиков Ю. В., 1978, а также зарубежных авторов Линдлей Р. X., Делапланше И., Хагеман Р. Ф., Баллард| П. Г., Фауст Л. В.). большинство исследователей, при установлении, характера взаимосвязи между упругими и электрическими, параметрами исходили как из линейных, так и нелинейных зависимостей разного вида. Однако эти зависимости распространяются в основном на осадочные горные! породы.

В работе установлены устойчивые корреляционные взаимосвязи между электросопротивлением и упругими. свойстваМи скальных грунтов, по трассе. Екатеринбургского, метро. Электрический, каротаж; характеризует упругие свойства скалышх-грунтов (по корреляционной взаимосвязи с электросопротивлением), а акустический каротаж — по скоростям упругих, колебаний (Ур и Ув). Скорости, продольных" (Ур) и поперечных (Ув) волн функционально связаны с упругими характеристиками — модулем Юнга (Е) и коэффициентом Пуассона (ц) скальных грунтов. В зоне гипергенеза, из-за неоднородности скальных грунтов щ сильного поглощения акустического сигнала, часто не1 удается определить скорости продольных и поперечных волн. При этом электрокаротаж становится основным средством, изучения упругих свойств скальных грунтов. На одном из участков. Екатеринбургского метро, представленном скальными грунтами туфов вулкано-генно-осадочного комплекса, уравнение' взаимосвязи имеет вид: Ур===А-}-Врк + С Р^, а коэффициент связи достигает г=0,95. Для скальных грунтов,. Верх-Исетского гранитного массива уравнение взаимосвязи скоростей продольных волн (Ур) и электросопротивления имеет вид: Ур==А-[-Врк +С Р^ Экспериментальные исследования, выполненные в скважинах этого массива, показали, что взаимосвязь между скоростью поперечных волн (У$)1 и электросопротивлением этих грунтов (коэффициент корреляции 0,84)'выше, чем скоростей продольных волн (Ур) с электросопротивлением (коэффициент связи 0,66).- Уравнения регрессий между элек^гросопротивле-

а |

нием скальных грунтов Верх-Исетского гранитного массива и их ФМС имеют вид: ц — 0,3 — 0,0000 1рь(г=—0,46); Е=28,3+0,003р ь (г=0,84); Котп.=334+0,04р к (г=0,80).

Для решении вопроса о возможности применения методов акустического и электрического каротажа с целью оценки физико-механических свойств скальных грунтов выполнены экспериментальные электро-акустические исследования скважин по трассе Екатеринбургского метро.. Существенным отличием этих исследований является то, что оценка физико-механических свойств скальных грунтов (Ур, Уэ, Е, п, ЯОВ, Котп., а) проводилась для зоны: дезинтеграции, где разрез крайне неоднороден: грунты представлены суглинистыми, образованиями, щебенистыми, выветрелыми, малопрочными, слаботрещиноватыми и невыветрелыми. Сложность, инженерно-геологического разреза и его крайняя неоднородность привели к необходимости разработки методики определения физико-механических свойств скальных, грунтов методами совокупных электрических и акустических измерений.

Для оценки1 возможностей электро-акустических методов выполнены экспериментальные исследования в скальных грунтах зоны гипергснеза методами акустического и электрического каротажа (стандартными зондами). Исследования выполнены в скважинах I и II очереди Екатеринбургского метро, пройденных в скальных грунтах: гранитах, габбро и вулканогенно-осадочных.

В результате выполненных исследований удалось дифференцировать инженерно-геологический разрез в зоне строительства метро по трещиноватости, которую характеризует показатель качества керна (параметр-ЯСЗЕ)) и' по водопроницаемости, которую характеризует коэффициент фильтрации (Кф), табл. 1.

Обобщение и анализ полученных инженерно-геологических характеристик скальных грунтов (электросопротивления, коэффициента фильтрации и показателя качества керна) позволили систематизировать их в виде таблицы, отражающей изменение степени водопроницаемости и электросопротивления в зависимости от литологии и трещиноватостш В качестве независимого арбитражного метода была использована также телефотометрия скважины. Метод телефотометрии, проведенный в этих же скважинах, дал возможность увидеть ес-тественног состояние массива скального грунта, что позволило объяснить запись электросопротивления и, наоборот, по диаграммам электросопротивления выявить скрытую трещи-

новатость. Система ориентации скважинного снаряда телефотометрии в скважине позволила определить положение трещин, сланцеватости и слоистости в пространстве.

Таблица 1

Наименование массива горных пород Сильно трещиноватые К<20<30%, Омм Средне-трещиноватые 30%< Я<3 о <60%, Омм Слаботрещиноватые Идо >60%, Омм Коэффиц. Фильтрации Кф, м/сут., макс.—мин. среднее

Верх-Исетский Менее 1000—3000 Более 2,57—0,055

гранитный массив 1000 3000 0,536

Балтымский Менее 500—1000 Более 0,35—0,033

габбровый массив 500 1000 0,131

Вулканогенно- Менее 300—500 Более 10,75—0,006

осадочный комплекс 300 500 1,32

Шарташский Менее 800—1500 Более 0,67—0,37

гранитный массив 800 1500 0,46

Результаты экспериментальных исследований позволяют сформулировать первое защищаемое научное положение. Установлены закономерности взаимосвязи между ФМС грунтов (Ур, Уб, Еу ц, КОЭ, Котп., (?) с их электрическими свойствами и корреляционные зависимости между этими показателями, обоснована применимость электрических измерений для определения ФМС грунтов зоны дезинтеграции. Публикации: 1,2,3,5,6.

2. Второе защищаемое научное положение.

В настоящее время на площадках подземного строительства для определения физико-механических свойств скальных грунтов в естественном; залегании используют метод акустического каротажа.

Недостатком метода акустического каротажа является то, что на трещиноватых, разрушенных и выветрелых интервалах исследуемых скважин не удается получить определения скоростей продольных и поперечных волн. Такие интервалы остаются неизученными, и их физико-механические свойства не определяются. Чтобы повысить качество геофизических исследований, предложена методика комплексных электро-аку-стических измерений, которая позволяет объединить преиму-10

щества электрического каротажа разрушенных грунтов и акустических измерений монолитных грунтов.

, Преимуществом методики совокупных электрических и акустических измерений является получение более полных данных об упругих характеристиках и трещиноватости грунта в условиях in situ. Для разрушенных скальных грунтов вулканогенно-осадочного комплекса удельное электрическое сопротивление в большей степени зависит от трещиноватости, а не от минерального состава.

С увеличением трещиноватости грунта растет надежность электрических измерений. Для обработки результатов совокупны^ измерений были использованы методы математической статистики и корреляционно-регрессионного анализа. Большой объем совокупных определений, полученный при экспериментальных исследованиях на скальных грунтах Екатеринбургского метро, был подвергнут корреляционно-регрессионному анализу, реализованному на ЭВМ ЕС-1036. Статистическая обработка совокупных измерений удельного электрического сопротивления и упругих характеристик скального грунта в естественном залегании позволила установить взаимосвязи между этими параметрами и определить по расчетным уравнениям регрессии физико-механические свойства (Vp, Vs, Е, RQD, Котп.) сильно трещиноватого скального грунта в интервалах, пропущенных акустическим каротажем. При этом пропуск исследуемых интервалов по совокупным электро-акустическим измерениям был полностью исключен. ,

Автором совместно с сотрудниками Уральского треста инженерно-строительных изысканий и Уральского института геомеханики (Кашкаров1 А. А., Чайкин А. А., Дейнека А. П., -1991) исследованы возможности и перспективы применения электрического каротажа с н«лыо оценки физико-механических свойств (Vp, Vs, Е, и-, RQD, Котп.) скальных грунтов зоны дезинтеграции геосинклинальной области. Исследования выполнены для скальных грунтов вулканогенно-осадочного комплекса на трассе I очереди Екатеринбургского метро. Установлены корреляционные зависимости и составлены уравнения регрессии для интервала глубин от нуля до 50 м. В результате экспериментальных исследований в скважинах и последующей статистической обработки полученных результатов установлена возможность применения электрического каротажа КС для определения трещиноватости (RQD) и упругих характеристик (Vp, Vs)' исследуемых скальных грунтов.

Установлены преимущества электрического каротажа в модификации КС, которые заключаются в высокой производительности работ, хорошей представительности результатов измерений больших' масс скальных грунтов.

Погрешность определения упругих характеристик. (Ур и Vs) по данным электрического каротажа отличается от данных арбитражных акустических измерений не более чем на 1-5%. Установлена возможность осуществлять мониторинг физико-механических свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации Екатеринбургского метро методом электрического каротажа в режимных скважинах.

Результаты методических разработок автора позволяют сформулировать второе защищаемое научное положение. Ра работана и внедряется в производство методика опреде*-ления ФМС грунтов в условиях in situ по данным электроакустических измерений,, позволяющая оперативно и с достаточной для практики точностью определять ФМС грунтов, отличающихся повышенной трещиноватостью и обводненностью.. Публикации: 7, 10, 12, 13, 14, 16, 23, 24.

3. Третье защищаемое научное положение.

Важной, задачей оценки физико-механических свойств скальных грунтов является исследование их лабораторными методами. Для' получения детальной информации о физико-механических свойствах скальных грунтов необходимо было найти экспрессные методы лабораторных измерений, определить взаимосвязи ФМС с результатами геофизических измерений образцов грунта. Автором предложен простой и достаточно надежный способ совместных:определений физико-механических) параметров скального грунта стандартными лабораторными методами, включающими определение: удельного электрического сопротивления, скоростей прохождения упругих колебаний; магнитной восприимчивости.

Исходной посылкой.для разработки: методики оценки физико-механических свойств скальных грунтов по данным электрических измерений явилась разработка экспрессного электролитического способа измерения электросопротивления образцов горных пород, обладающего широкими возможностями. Электролитический способ, позволяющий определять электросопротивления образцов твердых тел произвольной формы, основан на изучении первичных и результирующих разностей потенциалов полей пропускания и полей вызванной поляризации на участке образца в двух контрастных по удельному электрическому сопротивлению жидкостях при. возбуж-

Денни й 1шх однородного электрического поля (Кашка-ров А. А., 1989,.1990).

Развивая работы предшественников, автор направил свои исследования на решение прикладной задачи — оценку, физико-механических свойств скальных грунтов электролитическим способом. Предложенная автором методика базируется на существующих взаимозависимостях удельного электрического сопротивления с упругими характеристиками скальных грунтов (Кочетков П. Ф., 1971, Ященко 3. Г., Есаков И. С., 1959' н др.) .

Выполнены исследования по определению корреляционных связей между электрическими и физико-механическими свойствами скальных грунтов. В результате совместных определений физических свойств скальных грунтов получены коэффициенты корреляции и уравнения регрессии между удельным электрическим сопротивлением и показателями крепости Г, магнитной восприимчивости * , скорости распространения продольных волн Ур.

Определение удельного электрического сопротивления выполнялось для трех устойчивых состояний скального грунта: сухого (время сушки 48 часов при 1°=107°С), естественной влажности (образец находится при комнатной температуре и влажности), водонасыщенного (время замачивания 48 часов).

Исследования выполнены для скальных грунтов, отобранных из зоны] дезинтеграции с различной глубины, начиная от дневной поверхности до глубины 50 метров. Установлено, что гипергенные изменения скальных грунтов представляют собой серию горизонтов, отличающихся по всем физико-геологическим характеристикам. Главным процессом гипергенного изменения скальных грунтов является процесс дезинтеграции, приводящий к росту трещиноватости и пористости. Это приводит1 к увеличению гальванической связи и некоторому умень-,шению удельного электрического сопротивления и плотности скального грунта. Резкое скачкообразное изменение удельного электрического сопротивления (УЭС) и влагонасыщенности (\у) наблюдается между интервалами1 25—35 и 40—45 м, относящимися к двум различным инженерно-геологическим формациям. Граница между формациями связана с абсолютными значениями изученных параметров и! зависит от их изменения во времени в процессе свободного водонасыщения.

Соответствие между изменением влагонасыщенности и удельным электрическим сопротивлением грунтов объясняется образованием объемной гальванической связи типа сетки

разного уровня, представленной системами трещин в разной степени заполненных минерализованной водой или глинисты. ми частицами. Измепеппе .электросопротнвленпя и влагопасы-щенности иллюстрирует переход от высокоомных слаботрещиноватых туфов $ нпзкоомным выветрелым разностям,' сопротивление которых резко.падает с появлением гальванически связанных дисперсных агрегатов или .ионов С1,. N а, Са, Д^.

Результаты выполненных исследований позволяют сформулировать третье защищаемое положение. Разра.ботана и внедряется в производство инженерно-геологических изысканий методика определения крепости (1) грунта в, лабораторных условиях экспрессным электролитическим методом на образцах грунта неправильной формы и произвольных размеров, являющаяся надежным , средством получения достоверной информации о трещиноватости,. крепости и влажности образцов скального грунта. Публикации: 11, .17, 20, 21, 24, 25. . 4. Четвертое защищаемое научное положение.. Р ... -

Наряду с решением инженерно-геологических задач, при проектировании Екатеринбургского метро необходимо определить возможные изменения физико-механических свойств дисперсных грунтов; на начальном., этапе подземных работ. Необходимость изучения возможных, изменений водно-фиан-чсских характеристик дисперсных грунтов стала, очевидна ...после многочисленных деформаций жилых, и .общественных зданий постройки 40—70-х годов. Установлено, что .часть зданий, отстоящая от трассы метро на расстоянии до 0,3 км, по, лучила деформации в результате водопонижения. (до; 30 м), а другие здания деформировались в результате сдвижки горных пород. Сопутствующими факторами явились: •

а) направленное движение воды с возможным выносом мелких частиц грунта при работе систем в.одопоцижешш;

.6) динамические воздействия от буровзрывных работ,; способствующие дополнительным,, осадкам, фундаментов-на .ослабленном основании. • . >■ • Л . ■ Изменения водно-физических характеристик фиксируются . совокупными измерениями злектро-акустиче.ских характеристик, плотности и влажности в естественном.состоянии в режим -, ..ных. скважинах. Изменения дисперсных, : грунтов по влагона-. сыщенности и связанное с этим ухудшение несущей их спо-( .собиости немедленно отражается -на электрических .характе-... ристиках. Установлено, резкое- возрастание электросопротивления между монолитом, теряющим-'гальваническук^связь' с разрушенным массивом горных -пород .и самим, массивов гор-

14 !

ЙыХ пород, что дает возможность использовать электрометрию в шахтах для прогноза обвалов.

По данным более ранних исследований (Кочетков П. Ф., 1971, Саковцев Г. П., Сапожников В. М., Голиков 10. В., 1978, зарубежных авторов Линдлей Р. X., Делапланше И.) и автора достоверно установлена зависимость электросопротивления от пористости и трещиноватости скальных грунтов. Опытными работами обоснована и построена инженерно-геологическая модель (ИГМ) скального грунта зоны гипергенеза, представляющая собой совокупность твердых, жидких и газообразных компонентов, в которой поры и трещины образуют объемную сетку взаимосвязанных между собой пустот, трещин, капилляров. Пустоты и трещины в грунтах образуют различные уровни объемных сеток, отличающихся между собой размерами, формой, протяженностью и, соответственно, различной способностью к миграции влаги как в самих грунтах, так и в системе грунт—атмосфера. Удельное электросопротивление грунта полностью определяется наличием гальванической связи объемных систем трещиноватости, при образовании и разрыве которых наблюдаются резкие изменения этого параметра.

Корреляционные взаимосвязи электросопротивления с ФМС скальных грунтов позволили построить детальные двумерные (в разрезе и в плане) ИГМ для Екатеринбургского метро. Осуществлен переход к трехмерным инженерно-геологическим моделям.

Предложенная автором методика проведения электро-акус-тических измерений в скважинах, а также режимных наблюдений за водно-физическими характеристиками дисперсных грунтов позволяет решить задачу раннего обнаружения изменения физико-механических свойств и своевременно разработать противодеформационные мероприятия.

На основании установленных закономерностей Яс=^р) н \^р=Г (Рк), Уэ=Г (¡\) составлены блочные ИГМ грунта по прочности. На каждый выделенный блок скального грунта предложено составлять паспорт буровзрывных работ, который может корректироваться в1 процессе проходки горной выработки. экспрессным электролитическим методом. Удельный расход взрывчатых материалов (ВМ) зависит от крепости 0) и трещиноватости грунта, площади сечения выработки,1 рода ВМ и способа заряжания шпуров.

Оперативная оценка крепости ({) грунта позволяет на стадии строительства подземных сооружений уточнить пред-

лбженную блочную модель грунта, уточнить количество отбойных шпуров и глубину их проходки.

Результаты исследований позволяют сформулировать четвертое защищаемое научное положение.

Применение методов электро-акустических и электролитических измерений, выполняемых в комплексе инженерно-геологических изысканий, позволяет составить объемную инженерно-геологическую модель (ИГМ), блочную модель грунта по прочности ({), рассчитать удельный расход взрывчатых материалов, определить оптимальную технологию горных ра-

• бот, Публикации: 26,27. , ■

Заключение.

1. Основным результатом исследований автор.а является разработка и экспериментальное обоснование оптимальной, комплексной методики определения физико-механических свойств специфических грунтов вулканогенно-осадочного генезиса зоны дезинтеграции, преобразованных в различной степени тектоническими процессами, метаморфизацией и физико-химическим выветриванием, геофизическими методами для целей проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений.

2. Методические приемы и этапы геофизических исследований предусматривают синтез, и типизацию полученной при изысканиях информации, физическое и математическое моделирование, прогнозирование регионального и локального .изменения физико-механических свойств геологической среды,

• выявление закономерностей и особенностей природно-техно-генной геологической среды.

3. Выполнен анализ возможностей отдельных методов ГИС для оценки физико-механических свойств грунтов вулканогенно-осадочного комплекса зоны дезинтеграции, в том числе: ;

— выполнены натурные исследования по оценке состояния грунтов методами ГИС; ,

— проведен статистический анализ результатов интерпретации электрического и акустического каротажа;

. . — разработана и экспериментально подтверждена методика электролитического определения прочности грунта (О в лабораторных условиях на более че,м тысяче образцах не: правильной формы и произвольных размеров.

4. На большом объеме фактического материала определены причинно-следственные связи между .основными свойствами грунтов, составлены уравнения регрессии и рассчита-

: 16 I -

нн коэффициенты корреляции между удельным электрическим сопротивлением и скоростями упругих колебаний грунтов, установлены оптимальные интервалы определения этих физических характеристик для грунтов зоны дезинтеграции. Наибольший коэффициент корреляции наблюдается при 3,0-метропом окне осреднения, где он достигает 0,9.

5. На основании комплексных электро-акустическнх измерений установлены закономерности и параметры взаимосвязи физико-мехапичсских свойств грунтов зоны дезинтеграции вулканогенпо-осадочного комплекса, в том числе:

— определены возможности использования электрокаротажа для определения физико-механических свойств грунтов вулкаиогенио-осадочного комплекса в условиях in situ;

— разработай и предложен метод контроля характера И степени вывгтрпвания грунта, метод оценки напряженно-деформированного состояния среды для подземного строительства в сложных инженерно-геологических условиях. .

6. Разработана методика построения инженерно-геологической модели разрушенных скальных грунтов Екатеринбургского метро, построены объемные ИГМ отдельных участков метро пэ фнзпко-мехаппчеекпм свойствам грунтов (Vp, RQD, Pi , f).

На основании выполненных исследований дано новое эффективное решение актуальной задачи построения ИГМ грунтовых массивов в зоне дезинтеграции по геофизическим данным, исключающее трудоемкие и дорогостоящие традиционные исследования грунтов, позволяющее успешно решать вопросы подземного проектирования и строительства метро.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Акимов В. П. Трещиноватость и водопроницаемость грунтов но трас-сс II очереди Свердловского метрополитена по геофизическим дан-ным//Тез. докл. республиканского семинара. — Свердловск, 1988 — С. 41—42.

2. Акимов В, П. ]< вопросу об изучении инженерно-геологических свойств скальных грунтов геофизическими мстодами//Эффектпвность, качество инженерно-строительных изысканий и охрана геологической среды в новых условиях хозяйствования: Тез. докл. научно-практической конференции. — Свепдловск. 1989. — С. 65—66.

3. Акимов В. П., Чайкин А. А. К определению физико-механических свойств скальных грунтов комплексом геофизических методов//Инженер-но-геологические и экологические исследования территорий городов: Тез, докл. республиканского семинара. — Свердловск. 1990. — С. 58—59.

4. Марченко А. И., Кашкаров А. А., Акимов В. П. Выбор оценочных параметров при определении коэффициентов неоднородностей горных по-

род//Информационный листок № 703—90 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1990. — С.' 1—4.

5. Акимов В. П., Чайкин А. А., Кашкаров А. А. Использование электрокаротажа при комплексной оценке физико-механических свойств скальных грунтов в естественном залегании//Информационный листок № 740—90 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1990. — С. 1—4.

6. Акимов В. П., Дейнека А. П., Кашкаров А. А. Взаимосвязь электросопротивления и физико-механических свойств слабовыветрелых груи-тов//Информационный листок № 6—91 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1991. — С. 1—4.

"7. Акимов В.. П., Кашкаров А. А. Оценка геодинамического состояния скальных оснований//Информационный листок № 11—91 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1991. — С. 1—4.

8. Акимов В. П., Кашкаров А. А: Соотношение объемов л вида фактического материала с масштабом геолого-геофизических исследований//Ин-формационный листок № 3—91 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1991. -АС. 1—4.

■ 9. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Повышение точности при определении плотности грунта в естественном залегании//Информационный листок № 723—90 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1990. — С. 1—4.

10. Акимов В. П., Чайкин А. А., Кашкаров А. А. К определению физических свойств грунтов, их прочности и деформируемости: геофизическими методами при инженерно-геологических изысканиях//Инженерно-геологиче-ские изыскания в регионе в пределах распространения специфических грунтов: Тез. докл. научно-технического семинара Госкомархстроя РСФСР. — Свердловск, 1991. — С. 37—38.

11. Кашкаров А. А., Чайкин А. А., Акимов В. П. О лабораторных электрометрических методах изучения физико-механических свойств грун-тов//Инженерно-геологические изыскания в регионе в пределах распространения специфических грунтов/Тез. докл. научно-технического семинара Госкомархстроя РСФСР. Свердловск, 1991. — С. 26—27.

12. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Аппроксимация эмпирических зависимостей между электрическими и акустическими значениями характеристик физико-механических свойств грунтов//Информациошшй листок № 271—82 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

13. Акимов В, П., Кашкаров А. А. Корреляционно-регрессионный анализ основных геофизических характеристик//Информационный листок № 229—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

14. Акимов В. П., Кашкаров: А. А. Геофизическая характеристика грунтов одного из участков метро//Информационный листок № 274—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

15. Акимов! В. П., Кашкаров А, А. Геофизическая модель одного из участков первой очереди метро//Информационный листок № 273—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

16. Акимоз В. П., Кашкаров А.. А. Методика комплексного изучения и интерпретации физико-геологических параметров//Информационный листок № 228—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

17. Кашкаров А. А., Чайкин А. А., Акимов В. П. О способах увеличения информативности лабораторного изучения физических свойств горных пород в карсгоопасных районах//Международный симпозиум «Инженерная геология карста»: Тез. докл. —1 Пермь, 1992. — С. 124.

18. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Геофизическая модель участка 1-й очереди Свердловского метро//Гез. докл. научно-технического семинара. —■ Екатеринбург, 1992. — С. 15—17.

19. Кашкаров А. А., Акимов В. П. Методический подход к использованию геофизических исследований в1 скважине//Информационный листок № 136—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

20. Акимов В. П., Кашкаров Л. А. Методический подход к изучению проводимости горных пород в лаборатории//Информационный листок № 77—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

21. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Электрометрический способ контроля выветривания скальных грунтов при инженерно-геологических изыскани-ях//Информационный листок № 139—91 Свердловского ЦНТИ. — Свердловск, 1991. — С. 1—4.

22. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Взаимосвязь геофизических и физико-механических параметров скальных грунтов Екатеринбургского мет-ро//Ииформационный листок Л'» 293—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

23. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Повышение качества интерпретации геофизических исследований скважин//Информацнонный листок № 292—92 Свердловского ЦНТИ. — Екатеринбург, 1992. — С. 1—4.

24. Акимов В. П., Кашкаров А. А. Статистический анализ физико-ме-ханпческих характеристик скальных грунтов//Изв. вузов. Горный журнал.

— 1993. — № 2. — С. 36—41.

25. Акимов В. П., Кашкаров А. Л. Результаты петрофизических исследований скальных грунтов//Изв. вузов. Горный журнал. — 1993. — № 3.

— С. 6-10. ' • -

26. Кашкаров А. А., Акимов В. П. Геофизическая модель грунтов участка трассы Екатеринбургского метро//Изв. вузов. Горный журнал. — 1994. — М 1. — С. 30—34.

27. Акимов В. П. К исследованиям прочностных свойств скальных грунтов геофизическими методамн//Проблемы инженерно-геологических изысканий в Уральском регионе: Тез. докл. научно-практнческой конференции. — Екатеринбург, 1994.