Геодинамические типы микродеформаций

Сфера взаимодействия прецизионных сооружений и грунтовой толщи также может быть существенно большей, чем у сооружений типового строительства. Например, мощность сжимаемой зоны основания типовых сооружений обычно равна 2-5 м (иногда 10-20 м) и распространяется на сходную величину за пределы контура сооружения по площади. А на функционирование некоторых прецизионных сооружений могут влиять процессы с расстояний в километры. Например, на работу Серпуховского синхрофазотрона влияют МИД, связанные с сезонной разгрузкой паводковых вод р. Пахры на расстоянии 1,5-3 км. Поэтому изучение МИД осуществляется на площадях в десятки и даже сотни км2.
Такие площадки строительства, как правило, неоднородны по инженерногеологическим, гидрогеологическим и тектоническим условиям строительства. Большинство из них пересечено разрывными и трещинными зонами с повышенными проницаемостью и фильтрацией, к которым могут тяготеть зоны и участки активизации опасных экзогенных и техногенных процессов (карстово-суффозионных, гравитационных и др.). Важно подчеркнуть, что в подобных зонах обычно фиксируется усиление микродеформаций различной природы. Поэтому наиболее крупные площадки строительства должны районироваться и по особенностям распределения разных типов МИД.
Применительно к инженерно-геологическим исследованиям В.И. Бережнов предлагает выделять ряд геодинамических зон (природных и техногенных), обуславливающих появление микродеформаций.
Геодинамическая зона колебания уровня поземных вод. Эти колебания обуславливают смену уменьшения воздействующего влияния подземных вод при понижении их уровня и “всплывания” пород основания при повышении этого уровня. Расчеты показывают, что допуск на осадку в 0,2 мм в известняках будет превышен при изменении высоты уровня подземных вод на 1,4 м. Поэтому уникальные сооружения должны располагаться вне зоны влияния депрессионных воронок, а их стройплощадки должны быть обеспечены стационарными (режимными) наблюдениями за уровнем грунтовых вод.
Геодинамическая зона давления паводковых вод. Экономически выгодно располагать многие уникальные сооружения около реки (Серпуховской ускоритель У-70 на берегу р. Протвы, Ереванский электронно-кольцевой ускоритель на берегу р. Раздан и т.п.). Ho давление паводковых вод распространяется далеко за пределы зоны паводка. Оно оказывает выталкивающее воздействие на породы основания ускорителя У-70, особенно в его южной (ближайшей к реке) части. Южная часть кольца ускорителя при подъеме паводковых вод поднимается на 1,4 мм, а при спаде паводка опускается на 0,7 мм.
Геодинамическая зона подпора подземных вод паводком. Колебания уровня подземных вод в результате их подпора паводком обуславливают микродеформации пород взвешивающим влиянием на них. Ho эти микродеформации могут затушевываться превалирующими микродеформациями от колебаний уровня паводковых вод, как это имеет место в южной части кольца У-70 около г. Серпухова.
Геодинамическая зона разнонаправленных неотектонических движений в долинах рек. Такая зона трассируется вдоль низовий р. Протвы. Интенсивная расчлененность овражно-балочной сетью и большие (до 0,2) уклоны тальвегов свидетельствуют об относительных новейших поднятиях ее правобережья над левобережьем. Такая, разнонаправлен-ность неотектонических движений резонно рассматривалась как неблагоприятный фактор для варианта размещения УНК у г. Серпухова на правом берегу р. Протвы, особенно если учесть, что УНК технологически связан с У-70, расположенном на левобережье. Делается более общий вывод о том, что прямолинейные долины рек с разнонаправленными современными движениями блоков земной коры являются неустойчивыми геодинамическими зонами, которые неблагоприятны для размещения уникальных сооружений. Наиболее перспективными для строительства считаются площадки с неразвитой гидрографической сетью.
Геодинамическая зона палеодолин. Глубокие палеодолины рассматриваются как неустойчивые участки с повышенной трещиноватостью и обводненностью пород. Они создают асимметричность инженерно-геологических условий и обуславливают неоднородность основания. Поэтому уникальные сооружения (типа УНК) следует, по-возможности, размещать за пределами палеодолин.
Сейсмическая геодинамическая зона. Сильные сейсмические толчки приводят к разрушению сооружений. Длинноволновые сейсмические колебания влияют на ориентировку, т.е. нарушают технологический процесс работы радиотелескопов. Поэтому их площадки рекомендуется изучать, как микросейсмические геодинамические полигоны.
Геодинамическая зона температурных колебаний. Эти колебания вызывают микродеформации, обычно уменьшающиеся с глубиной. Поэтому фундаменты ускорителей заряженных частиц стремятся заглублять до зоны постоянных температур или обваловывать. Ho в трещинных скальных грунтах при интенсивной циркуляции воздуха такие колебания могут проникать на значительную глубину. Так, например, интенсивная циркуляция воздуха в базальтах основания Ереванского ЭКУ обуславливает их микродеформации. Циркуляция зависит от параметров трещиноватости. Температурные колебания, по В.И. Бережнову, могут вызываться так же: а) охлаждением пород речными паводковыми водами; б) тепловым воздействием работающего сооружения; в) нагреванием пород вблизи месторождений радиоактивных руд; г) охлаждающим влиянием участков многолетней мерзлоты и т.д.
Геодинамические зоны перераспределения напряжений в массиве горных пород. Такие зоны весьма разнообразны. Они обычны вокруг туннелей и других подземных выработок, обуславливая как макро-, так и микродеформации, длящиеся годами. Микродеформации могут быть вызваны перераспределением нагрузки за счет периодической ветровой парусности сооружений (например, радиотелескопов); за счет перемещения периодически переставляемых тяжелых блоков биологической защиты в залах ускорителей заряженных частиц; за счет обваловки ускорителей, так как вес породы обваловки периодически меняется (при увлажнении атмосферными водами, высыхании и т.п.).
Все типы геодинамических зон, вызывающих микродеформации, требуют специального изучения. Соответственно, В.И. Бережнов предлагает расширить понятие о естественном основании сооружения, включив в него не только зону сжатия пород под воздействием сооружения, но и перечисленные выше геодинамические зоны, обуславливающие возникновение микродеформаций под сооружением.
В.И. Бережнов отмечает также возможность резонансных явлений при совпадении частоты колебаний ускорителя с частотой колебаний какого-нибудь фактора неустойчивости горных пород. В результате может нарушиться стабильность работы ускорителя. Поэтому необходимы специальные исследования колебательных процессов на площадке.
Важным аспектом инженерно-геологического подхода к анализу микродеформаций пород основания является признание их противоречивости. В.И. Бережнов подчеркивает, что инженерно-геологические исследования ориентированы обычно на поиск оптимального и часто компромиссного решения, поскольку высокие требования к стабильности сооружения могут противоречить экономичности его строительства.
Поиск оптимального выбора площадки необходимо провести на самых ранних стадиях инженерных изысканий. Поэтому, по мнению В.И. Бережного, при выборе площадок для уникальных сооружений с высокими требованиями к микродеформациям пород основания используется ряд высокоинформативных и дорогостоящих методов исследований стабильности горных пород:
— установка геодезических реперов и наблюдения за микродеформациями;
— определения достоверного модуля деформации пород нагрузками на штампы;
— детальное изучение состава, состояния и поведения горных пород в процессе изысканий и на более поздних стадиях.
Размещение уникальных сооружений определяется экономической целесообразностью всего комплекса благоприятных и неблагоприятных факторов, в том числе повсеместных, региональных и локальных МИД, и конкретными тектоническими, инженерногеологическими, гидрогеологическими, гидрологическими условиями строительства. Возникающие при этом противоречивые сочетания условий возникновения разнородных МИД должны получить рациональное экономическое решение при размещении ответственных сооружений. Оптимизация выбора рациональной площадки строительства для каждого прецизионного сооружения обеспечивается: (1) проведением на наиболее ранних этапах инженерных изысканий комплекса высокоинформативных, но часто дорогостоящих методов исследования стабильности грунтов основания (создания локальных геодинамических полигонов, детальные тектонические, грунтоведческие исследования, применение разведочной геофизики и т.д.) и (2) целесообразностью оптимальных (компромиссных) проектных решений на основе оценки влияния конкретных результатов на эффективность строительства и эксплуатации сооружения. Поэтому важна оптимизация всего комплекса работ, включающего инженерные изыскания, проектирование, строительство и эксплуатацию сооружения. В ряде случаев (например, для ядерных реакторов) такой комплекс должен предусматривать и этап ликвидации сооружения, с которым также могут быть связаны отрицательные экологические последствия.