П 55-90 (ВНИИГ) Методика составления геоструктурных схем (моделей) скальных массивов в основаниях гидросооружений. Пособие к СНиП 2.02.02-85

2. СКАЛЬНЫЕ МАССИВЫ КАК ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ СРЕДА

2.1. При составлении геоструктурных моделей скальных массивов следует изучать и анализировать условия закономерного развития основных особенностей их строения как естественно-исторических образований. Одновременно необходимо выявлять и учитывать инженерное значение особенностей строения массивов как геомеханической среды, служащей основанием гидротехнических сооружений, особенно высоконапорных бетонных плотин (см. Приложения 1-5).

2.2. Практически все естественные скальные массивы трещиноваты. Неравномерность развития трещин в массивах определяется многими факторами, в частности, неоднородностью и анизотропностью структуры, текстуры пород, элементов залегания и физико-механических свойств литолого-петрологических разновидностей пород, слагающих различные прослои, слои, пакеты, комплексы, толщи. При тектонических деформациях слои и прослои относительно слабых по прочности и повышенно деформируемых пород являются первичными зонами (первого рода) местного ослабления массива. Такие зоны с линейно-плоскостной формой развития способствуют проскальзыванию пластов по напластованию. Это проскальзывание нередко переходит в межформационные срывы, а местами - в тектонические нарушения, преимущественно согласные со складчатостью и сопровождаемые оперяющими трещинами.

2.3. В каждом скальном массиве присутствует пространственная неравномерная сеть тектонических разрывных нарушений и трещин разных размеров, играющих роль зон местной деконцентрации естественных напряжений, повышения водопроницаемости, уменьшения характеристик прочностных и деформационных свойств массива.

Такие зоны вторичного (второго рода), местного ослабления и ухудшения свойств массива характеризуются обычно линейно-плоскостной формой развития, а располагающиеся в ячеях этой сети блоки скальных пород имеют различные размеры, форму и ориентацию. Такое, повсеместно проявляющееся в массивах любого генезиса, сочетание сети зон относительного ослабления с расположенными в ее ячеях блоками позволяет считать зонально-блочное строение (рис.2) характерной особенностью массива как геомеханической среды.

Рис.2. Генетические объемные элементы геоструктурной модели скального массива (а)
и схема зонально-блочного строения скального массива (б)

Зонально-блочное строение скальных массивов с элементами неоднородности различных порядков является наиболее характерной особенностью структуры верхней части Земной Коры, в том числе в условиях различных типов складок, куполов, жил, даек, структур напластования и др. Наиболее отчетливо оно проявляется как результат суммарного воздействия ряда геологических процессов: тектонических, разгрузки естественных напряжений, выветривания и др. Вместе с тем необходимо отметить, что концепция зонально-блочного строения не всегда полностью отражает сложную картину пространственной изменчивости геологических факторов и их параметров, как, например, в случае периодического повторения в распределении трещинных параметров и некоторых других. Таким образом, зонально-блочная модель учитывает в основном разрывные и слоистые структуры, но недоучитывает особенности складчатых, инъективных структур и некоторые другие факторы.

2.4. Системные мелкие и общие трещины (VII-IX порядков) - ЭПЗ различной ориентации ограниченных размеров с ничтожной амплитудой смещений - образуют пространственную сравнительно равномерную сеть, в ячеях которой находятся свободные от визуально различимых трещин элементарные породные блоки (ЭПБ). Их линейные размеры обычно дециметры - метры.

Сети более протяженных трещин и разрывных смещений высоких (VI-IV) порядков будут иметь более крупные размеры ячей, стороны которых измеряются десятками и сотнями метров (соответственно порядкам масштабной классификации тектонических разрывных смещений и трещин - см. Приложение 1), а находящиеся в них блоки сложены скальными породами, расчлененными системными трещинами. Квазиоднородность таких крупных блоков по всем признакам геологического строения возрастает по мере уменьшения их объема.

2.5. По мере выхода скальных горных пород на дневную  поверхность они подвергаются разрушающему воздействию комплекса экзогенных и эндогенных процессов: разгрузке естественных напряжений и, как следствие, расширению старых и появлению новых трещин; физическому и химическому выветриванию; денудации; обрушению вследствие сейсмических процессов и т.д. Влияние всех этих процессов на массивы приводит к существенному изменению их физико-механических свойств, которое идет избирательно и зависит от состава пород, структуры массива, климата, форм и порядка рельефа и др. Это обусловливает вертикальную зональность скальных массивов по состоянию или степени сохранности образующих их скальных пород в виде четырех подзон:

А - очень сильного влияния разгрузки и выветривания с дезинтеграцией пород до элювия;

Б, В, Г - соответственно сильного, среднего и слабого влияний этих процессов.

Общая мощность зоны влияния перечисленного комплекса экзогенных процессов измеряется десятками метров (иногда 100 м и более). Породы подзон А и Б обычно удаляются из основания крупных сооружений, а породы подзоны В, как правило, используются в качестве их оснований, частично укрепленных инженерными мероприятиями.

2.6. Приведенные выше основные особенности геологического строения характерны для всех скальных массивов как естественно-исторических образований. В конкретных массивах эти особенности проявляются по-разному в зависимости от генезиса, возраста и условий развития слагающих их горных пород во времени вплоть до дезинтеграции и денудации. Эти же особенности обусловливают необходимость рассматривать скальные массивы как дискретную неоднородную анизотропную среду зонально-блочного строения с двумя основными случаями симметрии:

а) гексагональной или трансверсальной (осесимметричная анизотропия); сюда относится большая часть скальных массивов, сложенных слоистыми или сланцеватыми осадочными породами и частично - рассланцованными и трещиноватыми метаморфическими и изверженными породами;

б) ортотропной; сюда относятся скальные массивы, сложенные интрузивными и глубокометаморфизованными нерасслоенными породами с четко выраженными ортогональными системами трещин и различной их частотой по ортогональным направлениям.

2.7. Поведение скального массива как геомеханической среды (основания или среды размещения сооружения) зависит от его естественного напряженного состояния, которое обусловливается гравитацией, тектоникой, эрозией и зависит от масштабного фактора. Зонально-блочное строение массива влияет на конфигурацию, структуру поля естественных напряжений, локальные зоны концентрации и деконцентрации напряжений, причем в зонах ослабления (разломы, крупные трещины и т.д.) массива вертикальная и горизонтальная составляющие естественного поля напряжений существенно отличаются от значений, получаемых в соответствии с гипотезой А.Гейма:

;

и с гипотезой А.Динника - К.Терцаги:

.

2.8. Скальный массив как геомеханическая среда наряду с геоструктурной моделью должен иметь следующие основные характеристики свойств и состояния:

в массиве: , , , ; ,  , , ; , ; , , ; (по разным характеристикам);

в образце: , , ; , , ; ; , , , ; (по разным характеристикам).

В ряде случаев необходимо также определение других характеристик свойств и состояния.