Cтраница 2
В отличие от случая связанной воды эти нагрузки могут быть вполне соизмеримыми с величинами, встречающимися в практических задачах гидрогеомеханики. [16]
С открытием залежи или месторождения вопросы динамики флюидов принимают инженерную направленность и переходят на разведочно-эксплуатационном этапе в область подземной газогидромеханики и гидрогеомеханики. Естественно, что между комплексами методов этих дисциплин, равно как и между этапами геолого-инженерного изучения месторождений и их окружения, нет резкой границы. [17]
В общем случае горная порода представляет собой многофазную систему, состоящую из минеральных зерен, внутрипоровой воды и газов. С позиций гидрогеомеханики наиболее важно выделить две разновидности воды в горных породах - свободную и связанную. [18]
В настоящем разделе рассматриваются наиболее1 характерные и важные в практическом отношении задачи гидрогеомеханики. Анализ этих задач дол-я-ен помочь читателю выработать инженерный подход к решению конкретных вопросов гидрогеомеханики, в том числе и тех из них, которые пока не под-да, сотся достаточно надежному теоретическому обоснованию. [19]
В третьем разделе представлены проблемы решения гидрогеомеханических задач для ряда прикладных направлений ( оценка устойчивости откосов, исследования оснований гидросооружений и объектов горных работ, опытно-фильтрационные работы), представляющих наибольший интерес с точки зрения комплексной гидрогеомеханической постановки. Следует подчеркнуть, что этот раздел имеет здесь главным образом иллюстративный характер, поскольку решение таких задач выходит за рамки основ гидрогеомеханики и относится к прикладным направлениям гидрогеологии и инженерной геологии. [20]
Вместе с тем авторы отчетливо представляют себе, что предлагаемая работа не избежит серьезной критики в силу как объективных. Считая, безусловно, целесообразными дальнейшие шаги в разработке проблем гидрогеомеханики, авторы с признательностью примут советы и замечания по данной работе. [21]
В настоящее время они общеприняты в гидрогеомеханике ( см., например, [1], [8], 112 ], [ 161, [ 171, [18], [20], [21]) и поэтому исследователи подчас забывают о том, что за предпосылкой сплошности среды также кроется определенная идеализация, которая, как и всякая идеализация, несет с собой ряд ограничений. Между тем упомянутые ограничения представляют не только абстрактно-теоретический, но и практический интерес. Известно, в частности, что аналитические решения многих задач гидрогеомеханики содержат особые точки, при приближении к которым искомая функция ( например, скорость фильтрации) обращается в бесконечность. Очевидное несоответствие этого результата физике явления объясняется именно отмеченными ограничениями. [22]
Из приведенного самого общего описания следует, что к породам первой группы наиболее близко приближается механическая модель упругого твердого тела х, ко второй - модель сыпучего тела, а к третьей - модель вязко-пластического тела. Таким образом, принятая классификация, достаточно очевидная ив общих качественных представлений, делит горные породы на группы, весьма резко отличающиеся друг от друга как по физическим, так и по механическим свойствам. Тем самым она позволяет провести необходимую дифференциацию при рассмотрении различных проблем гидрогеомеханики в последующих разделах данной работы. [23]
Для внутрипоровой жидкости, которая не сопротивляется сдвиговым деформациям, уравнением состояния может в первом приближении считаться соотношение ( 62 гл. III), связывающее линейно объемную ( деформацию и приращение гидростатического давления воды в порах. Правда, яри сравнительно малых размерах пор необходимо принимать во внимание и сопротивление внутрипоровой воды сдвиговым деформациям ( см. § 1 гл. Однако в гидрогеомеханике это сопротивление обычно учитывают косвенно-в законе движения внутрипоровой жидкости ( через начальный градиент), что избавляет от необходимости введения второго уравнения состояния для жидкой фазы. [24]
Все процессы, происходящие в земной коре, так или иначе влияют на перемещение подземных вод. В свою очередь, движение вод в породах влияет на геологические и физико-химические процессы, происходящие в недрах, поэтому горные породы с заключенными в них водами представляют собой единую систему, элементы которой тесно связаны между собой. Так, движение капельножидкой воды в породах происходит главным образом в форме фильтрации, представляющей собой механический процесс течения свободной жидкости в пористо-трещинной среде. Рассмотрение такого процесса является предметом изучения механики подземных вод, т.е. гидрогеомеханики. С учетом того, что все подземные воды представляют собой растворы, разные по химическому составу и плотности, движение жидкости может осуществляться и за счет естественной конвекции, обусловленной наличием градиента их плотности внутри жидкости и за счет молекулярной диффузии, происходящей в результате влияния градиента концентрации веществ внутри раствора. [25]
Связанная вода входит в состав сольватных оболочек ( § 1.2) и удерживается на поверхности минеральных частиц особыми силами взаимодействия. Наиболее широко она представлена в глинистых породах. Связанная вода подразделяется на прочносвязанную, образованную молекулами адсорбционного слоя, прилегающими к минеральным частицам, и рыхлосвязанную, образованную преимущественно теми молекулами воды, которые притянуты ионами диффузного слоя. В отличие от прочносвязанной рыхлосвязанная вода способна передвигаться от одной частицы к другой под действием молекулярных сил. Она может быть также частично отжата под достаточно большими и длительно действующими статическими нагрузками [10], значительно превышающими, однако, те величины нагрузок, с которыми приходится иметь дело в большинстве практических задач гидрогеомеханики. При приложении к породе динамических нагрузок переход части рыхлосвязанной воды в свободное состояние резко интенсифицируется. [26]
При решении разнообразных задач гидрогеологии и инженерной геологии все чаще приходится сталкиваться с необходимостью изучения массивов горных пород и содержащихся в них подземных вод в неразрывной связи. Это касается и оценки физико-механических свойств горных пород, и изучения геодинамических процессов, и исследований движения подземных вод, и постановки многих прикладных задач. В то же время неизбежная тенденция ко все более глубокой ( но нередко, к сожалению, и все более узкой) дифференциации наук привела сейчас к достаточно четко выраженному разрыву между динамикой подземных вод и механикой грунтов, представляющими главные направления исследований механических основ гидрогеологии и инженерной геологии. Характерно, например, что один и тот же процесс нестационарной фильтрации в деформируемых горных породах рассматривается в большинстве случаев с весьма различных методологических позиций в литературе по механике грунтов ( фильтрационная консолидация) и по динамике подземных вод ( упругий режим фильтрации), причем чаще всего вообще без какой-либо попытки наведения мостов между этими научными направлениями. В результате специалисты - представители упомянутых дисциплин - нередко оказываются не подготовленными к комплексному исследованию механики горно-геологических явлений. Отсюда, естественно, напрашивается вывод о целесообразности совместного и взаимно увязанного рассмотрения основных проблем механики грунтов и фильтрации подземных вод в рамках одной научной дисциплины, которую можно назвать гидрогеомеханикой. [27]
Отсюда следует, что уравнения теории упругости могут являться основой для решения задач гидрогеомеханики лишь в тех случаях, когда предельные зоны в массиве горных пород вообще отсутствуют или занимают весьма ограниченные площади. О том, насколько осторожно следует использовать элементы теории упругости при расчете земляных сооружений, свидетельствуют, например, появляющиеся время от времени работы о распределении напряжений в откосах, основанные на методах фотоупругости или электромоделировашш. Получаемые при этом изолинии напряжений подчас даже качественно не соответствуют действительности. Кроме того, в этих случаях вблизи угловых точек моделей нередко фиксируются зоны резких концентраций напряжений. Между тем, горные породы, представляющие собой реологические системы ( см. § 3 гл. Такое перераспределение напряжений отмечается вследствие реологических процессов и при состояниях, достаточно далеких от предельных. Это еще более сужает условия применимости в задачах гидрогеомеханики методов теории упругости. [28]