Горный журнал УГГУ - Результаты поиска для: Тагильцев С. Н.

Геодинамическое (тектоническое) напряженное состояние верхней части земной коры проявляется наличием главных нормальных напряжений, которые, как правило, превышают геостатические напряжения от веса горных пород. Зоны растяжения формируют в геологической среде участки с пониженными несущими свойствами. С позиции гидрогеологии наиболее водоносными участками являются зоны растяжения, которые способствуют формированию высоких фильтрационных свойств на локальном участке массива горных пород. На Урале, в случае пересечения сдвигов, зоны растяжения возникают обычно в северном и южном секторе, а зоны сжатия, соответственно, в западном и восточном. В поле современных тектонических напряжений при пересечении разнонаправленных разломов и разломов различного кинематического типа могут возникать зоны растяжения и сжатия, которые следует изучать для оценки безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений, а также поисков участков в массиве горных пород с высокими фильтрационными свойствами для целей водоснабжения. Проведение комплекса геофизических, геодезических и гидрогеомеханических исследований на стадии изысканий или в начальный период эксплуатации позволит своевременно выявить причины деформаций и, возможно, спасти здание или сооружение от разрушения.

При лабораторных испытаниях образцов скальных горных пород часто выявляется нелинейная связь касательных и нормальных напряжений. Эти факты однозначно указывают на существование верхней границы применимости закона Кулона. Теоретический анализ геометрических показателей положения верхнего предела закона Кулона с использованием безразмерных характеристик напряжений позволяет выявить причины отклонений результатов испытаний на срез со сжатием от линейной зависимости. Практически для всех разновидностей скальных горных пород фактические точки испытаний, выполненных с углом среза 45°, соответствуют паспорту прочности за верхним пределом применимости линейного закона Кулона. Таким образом, методика проведения и интерпретации испытаний горных пород на срез со сжатием требует существенной модернизации.

Массивы горных пород обычно находятся в предельно напряженном состоянии, и максимальные значения напряжений ограничиваются прочностными характеристиками породных массивов. Состояние предельного равновесия поддерживается разгрузкой напряжений при развитии в массивах процессов хрупкой деформации. Массовые трещины предразрушения развиваются в приповерхностной зоне хрупкой деформации. Мощность этой зоны в скальных массивах составляет 300–500 м. Сеть взаимосвязанных открытых трещин предразрушения формирует вблизи земной поверхности водоносный комплекс приповерхностной трещиноватости. Геомеханические закономерности развития процессов хрупкой деформации предопределяют формирование вертикальной трещинной зональности. Количественные закономерности развития вертикальной трещинной зональности позволяют определять основные геомеханические характеристики скальных массивов.

Законы Гука и Кулона являются основой большинства аналитических зависимостей геомеханики. В качестве важных деформационных характеристик горных пород закон Гука предполагает использование коэффициентов Пуассона и бокового отпора. При решении инженерных задач, связанных с процессами трения и прочностью материалов, широко используется закон Кулона. При решении задач прочности закон Кулона рассматривается как критерий, описывающий предельное (перед разрушением) состояние. Важными механическими характеристиками горных пород, которые входят в закон Кулона, являются угол внутреннего трения и коэффициент внутреннего трения. Обоснование математических выражений, определяющих взаимосвязь деформационных характеристик и показателей внутреннего трения материалов, позволяет упростить ряд аналитических зависимостей, описывающих геомеханические процессы в массивах горных пород.

На основе анализа трещиноватости горных пород и геологических карт г. Екатеринбурга определена ориентировка главных нормальных максимальных напряжений. Установлено, что в условиях современного напряженного состояния верхней части земной коры в геологической среде г. Екатеринбурга возникают, развиваются и активизируются тектонические нарушения разных климатических типов.

Приведен анализ основных аналитических зависимостей гидрогеодинамики скважин с целью оценки взаимосвязи дебита и размеров депрессионной воронки. Показано, что размеры депрессии зависят от соотношения значений дебита и параметра водопроводимости.

Большинство массивов скальных горных пород находятся в условиях предельно напряженного состояния. В этих условиях вблизи поверхности земли формируется активная геодинамическая зона, в которой происходит хрупкая деформация массивов горных пород. Предельное состояние горных пород при развитии хрупкой деформации удовлетворительно описывается линейным критерием предельного состояния (законом Кулона–Мора). Проведенные исследования позволяют полагать, что при решении геодинамических задач необходимо ввести понятия нижнего и верхнего предела применимости линейного критерия. Теоретический анализ зависимостей, описывающих предельное состояние, позволил обосновать аналитические выражения, определяющие названные пределы. Эти закономерности могут рассматриваться как теоретическая основа описания предельно напряженного состояния геологической среды, позволяют рассчитывать характеристики массивов горных пород, связанных с напряженным состоянием, и оптимизировать методику лабораторных испытаний образцов горных пород.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния коэффициента трения между торцами образцов различной высоты и нажимными плитами пресса на механические показатели соляных пород. Определены коэффициенты трения для трех типов контактов: «соляная порода–фторопласт», «соляная порода–металл», «соляная порода–абразивный материал». Приведены результаты экспериментов по сжатию соляных образцов различной высоты при определенных торцевых условиях, которые обеспечивались с помощью специально изготовленных фторопластовых, металлических, абразивных прокладок. Выявлен характер влияния коэффициента трения между торцами образца и плитами пресса на значения предела прочности, разрушающей деформации, удельной энергоемкости деформирования, модуля спада соляных пород, полученные при сжатии образцов различной высоты. Результаты предназначены для совершенствования методики испытания горных пород на одноосное сжатие.

Степень гидродинамического несовершенства опытных и эксплуатационных скважин определяется отношением величины дополнительного понижения уровня воды в скважине (дополнительными потерями напора) к величине понижения уровня воды в гидродинамически совершенной скважине. Величина дополнительного понижения заметно влияет на эксплуатационные характеристики скважины. При значительных величинах дополнительного понижения очень существенно увеличиваются энергетические затраты на добычу подземных вод. В статье уточнено и конкретизировано понятие гидродинамического несовершенства гидрогеологических скважин, предложены аналитические зависимости для количественной оценки степени гидродинамического несовершенства скважин по этому показателю. Разработаны качественные характеристики скважин по степени гидродинамического несовершенства и показано применение этих характеристик для анализа ситуации на конкретном объекте.

Научное содержание геомеханики, как и других наук, определяется базовыми понятиями и законами. Базовые понятия имеют определенный физический смысл, который, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на их использование в основных законах геомеханики. Основной закон трения (закон Амонтона) определяет, что процесс трения может реализоваться только тогда, когда сила трения меньше силы нормального давления, а на площадке трения нормальное давление может быть только сжимающим. Ограничения, которые накладывает закон Амонтона, следует учитывать при описании явлений, когда предполагается реализация процесса трения. Закон трения применительно к прочности материалов получил развитие в законе Кулона. При решении задач прочности этот закон рассматривается как критерий предельного (перед разрушением) состояния, но строгое математическое обоснование совместного использования закона Кулона и решения Мора отсутствует. Корректное математическое описание предельного состояния возможно на основе использования обобщенного закона Гука. Этот закон позволяет ввести представление об эффективных напряжениях, которые пропорциональны деформациям. На основании представлений об эффективных напряжениях обоснован деформационный критерий предельно напряженного состояния горных пород. Применение деформационного критерия для построения паспортов прочности и описания напряженно-деформированного состояния верхней части геологической среды показало, что данный критерий позволяет уточнить и упростить решение ряда теоретических и прикладных задач геомеханики.