DESIGN GEODETIC OBSERVATIONS OF LAND SURFACE DEFORMATIONS AND PROTECTED OBJECTS WITH REGARD GEOLOGICAL FAULTS

Чан Мань Хунг

Аспирант кафедры «Инженерная геодезия», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОХРАНЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ

Аннотация

В статье рассматривается вопрос об учете блочной структуры массива горных пород при организации геодезических наблюдений. Подчеркивается актуальность выявления разломов и оценки их возможного воздействия на земную поверхность и объекты строительства. Приведена методика проектирования геодезических наблюдений за деформациями земной поверхности и охраняемыми объектами с учетом геологических разломов. Показан пример построения цифровой модели, приближенной к реальной ситуации. Выполнен расчет возможных деформаций для района города Ханоя (Вьетнам). Приведено сравнения результатов моделирования обстановки, когда на модель не действуют тектонические силы, и вариант, когда существует давление на модель, адекватное смещению блоков. Даны предложения по эффективному расположению наблюдательных станций.

Ключевые слова: земная поверхность, геологические разломы, деформации, напряженное состояние, блоковая структура, наблюдения за деформациями, геодезические наблюдения, геодезические приборы.

Tran Manh Hung

Postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University

DESIGN GEODETIC OBSERVATIONS OF LAND SURFACE DEFORMATIONS AND PROTECTED OBJECTS WITH REGARD GEOLOGICAL FAULTS

Abstract

The article deals with the issue of taking into account the block structure of the rock mass in the organization of geodetic observations. It emphasized the relevance of identifying fractures and assessing their potential impact on the earth's surface and objects construction. The technique of designing geodetic observations over deformations of the earth's surface and protected objects based on geological faults. An example of constructing a digital model, close to the real situation. The calculation of the possible deformations to parts of the city of Hanoi (Vietnam). The comparison of the results of the simulation environment, when the model is not valid tectonic forces, and the option, when there is pressure on the model, an adequate offset blocks. Proposals for effective arrangement of observation stations.

The article provides the technique of designing geodetic observations over deformations of the earth's surface and the protected objects with considering the geological faults.

It is emphasized identifying the faults relevance and assessing their possible impact on the earth's surface and construction sites. Showing particular observations in the presence of faults, suggested on the effective location of monitoring stations.

Keywords: Earth's surface, geological faults, deformation, stress state, block structure, monitoring of deformations, geodetic observations, surveying instruments.

Геодезические наблюдения за деформациями зданий и сооружений выполняются в условиях, когда возможны изменения состояния окружающей среды. Эти изменения могут быть вызваны гидрогеологическими факторами, особыми свойствами грунтов, техногенным влиянием (строительство вблизи существующих зданий и сооружений) и другими источниками воздействия. Основной целью наблюдений при этом является определение величин и характера деформаций для принятия мер по предотвращению деформаций, ведущих к негативным последствиям для окружающей среды, в том числе существующих зданий и сооружений.

Геодезические наблюдения за движениями земной поверхности в соответствии с нормативным документом [1] предусматриваются также выполнять при инженерно-геодезических изысканиях в районах развития современных разрывных смещений и техногенных деформаций земной поверхности, строительства крупных и уникальных сооружений и для геодезического контроля за поведением указанных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации. В связи с интенсивным освоением территорий, изучению влияния разрывных нарушений уделяется повышенное внимание.

Дело в том, что разломы являются направляющими смещений блоковой структуры Земной коры. Вопросу о влиянии разломов на различные объекты посвящено целый ряд исследований [2-4]. Что подчеркивает актуальность рассматриваемого вопроса. При этом описаны, как общие подходы, так и детальное рассмотрение отдельных разломов (например, [2-4]). Иерархия блоковых структур может быть чрезвычайно сложна и разветвлена. Однако если рассматривать механику взаимодействия конкретной блоковой структуры, то при выявлении сил, действующих на эту систему, можно определить и детальные силы и перемещения, действующие в окрестности или по единичному разлому. Характер взаимодействия блоков и выявление действующих сил (напряжений) возможно посредством геодезических наблюдений, которые в свою очередь следует рационально спланировать. Последнее требует применение модельного подхода. Построив модель блочной структуры возможно проведение самого моделирования и по картинам напряженно-деформированного состояния выделить зоны, которые наиболее чувствительны к изменению среды.

Таким образом, методика состоит в моделировании блочной структуры массива горных пород и земной поверхности. Как уже было отмечено важно также определение граничных условий, которые возможно выявить либо по проявлениям смещений блочной структуры, например, систематизация деформаций линейных объектов, таких как магистральные трубопроводы или линии электропередач, либо путем анализа существующих специальных наблюдений.

Покажем на примере региона Вьетнама некоторые элементы такого подхода. Общая блочная структура обширного региона, охватывающая территории, прилегающие и включающие Вьетнам, приведена на рис. 1, локальная блочная структура, характеризующая структуру разломов в городе Ханой, показана на рис. 2.

Возникает вопрос: как, и где организовать геодезические наблюдения. Для решения этой задачи требуется определить, как распределяются напряжения и деформации в этой нарушенной разломами системе.

С использованием программы НЕДРА [5] по моделированию напряженно-деформированного состояния массива горных пород выполнены предварительные оценки состояния блочного массива, соответствующего рис. 1. В ПК «НЕДРА» реализован метод конечных элементов (МКЭ), который достаточно подробно изложен в технической литературе. Его применение не представляется возможным без использования компьютерных технологий. МКЭ, в отличие от формулировки и решения задачи теории упругости в дифференциальной форме, базируется на принципах математического аппарата, называемого вариационным исчислением.

Рис.1 – Разломно-блоковая структура литосферы Вьетнама и сопредельных территорий

Рис.2 – Карта разломов города Ханой

 

При этом для задач механики твердого деформированного тела используется фундаментальный принцип сохранения механической энергии. Основное матричное уравнение МКЭ есть суть равенства векторов нагрузки {F} и перемещений {W}, действующих в рассматриваемом теле. При этом учитывается жесткость системы, определяемая квадратной матрицей [K]. Компоненты матрицы жесткости определяются координатами узлов элементов и их упругими характеристиками: модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Поэлементная запись указанных соотношений представляет собой систему линейных алгебраических уравнений. Именно посредством разбивки или дискретизации области на элементы, по своей сути, составляющей часть решения задачи и которая, как бы, заменяет собой аппарат интегрально-дифференциального исчисления, необходимый при рассмотрении континуумов, представляется возможным МКЭ решение сложных дифференциальных уравнений. Фактически, МКЭ позволяет не столько решать дифференциальные уравнения, но заменять их системой линейных алгебраических уравнений первой степени, что, безусловно, с одной стороны облегчает нахождение решения и с другой позволяет решать задачи практический любой сложности.

Процесс деформирования пород в ПК «НЕДРА» на допредельных стадиях нагружения описывается на основе геомеханической модели линейного деформирования, которому отвечают уравнения теории упругости. Поведение пород за пределом их прочности оценивается с применением деформационной теории прочности или геомеханической модели нелинейно деформируемого породного массива. Разделение областей в массиве горных пород при обобщенном сжатии, в которых соблюдается упругое поведение от пластического, осуществляется с помощью известного критерия наибольших касательных напряжений. Определение предельных напряжений выполняется с использованием прочностных показателей пород: сцепления С и угла внутреннего трения j, значения которых для многих разностей пород для различных регионов определены. Зависимость предельных напряжений для пластичных пород имеет линейный вид. Для скальных и полускальных горных пород в силу того обстоятельства, что их прочность на растяжение невелика и на порядок ниже прочности на сжатие, предельная кривая описывается кусочно-линейной зависимостью.

Общая схема решения выглядит следующим образом. Сначала для принятых упругих параметров пород решается упругая задача по методу конечных элементов. Вычисленные напряжения по каждому элементу сравниваются с предельными для данной породы. При нарушении прочности породы по методу упругих решений рассчитываются переменные параметры упругости для данного элемента, имитирующие степень разрушения рассматриваемой области. Далее процесс повторяется с новыми значениями параметров упругости. Завершается итерационный процесс в том случае, когда в каждом элементе прочность породы не будет нарушена.

В рассматриваемом примере, разломы смоделированы как зоны, где упругие параметры ниже на порядок чем в окружающем массиве. На рис. 3 приведены смещения, действующие по направлению запад-восток, при условии неподвижности границ. Эта же ситуация рассмотрена при условии действия на правой границе (восток) сжимающих сил, вызывающих дополнительные напряжения на границе, величиной в 10 МПа. Как видно из сравнения картин распределения смещений, они сильно различаются. Изучив характер уже установленных по разным исследованиям смещений в данном регионе, есть возможность определить действительные картины прогнозных смещений и разработать систему геодезических наблюдений для охраны природных и техногенных объектов.

Рис. 3 – Распределение смещений, действующих по направлению запад-восток при отсутствии боковых сил

Рис. 4 – Распределение смещений, действующих по направлению запад-восток с учетом боковых сил

 

Рассмотренный в статье подход к организации мониторинговых наблюдений, возможно, реализовать различными способами. Вместе с тем, наиболее целесообразным способом видится применение спутниковых технологий, как наиболее перспективных [6]. Зоны, выявленные по результатам математического моделирования, где обозначится наиболее значительная концентрация смещений (деформаций) наиболее благоприятные для размещения геодезических деформационных марок (реперов).

Список литературы / References

1. СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Одобрен Госстроем России 14.10.97 г. № 9-4.116.
2. Сашурин А. Д. Влияние земных разломов на прочностные характеристики зданий и сооружений / А.Д. Сашурин, Н.А. Панжина // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. – – № 1.
3. Козырев А.А. Саамский разлом (Хибины) – аномальный характер современных деформаций / А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, Д.В. Жиров и др. // Вестник Мурманского государственного технического университета. – том 12. – 2009. – №4.
4. Мурзайкин И. Я. Наблюдения за тектоническими подвижками в пределах существующих разломов / И.Я. Мурзайкин, Н.И. Сивакова // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. – 2010. – № 2 (12).
5. Мустафин М.Г. Моделирование разрушения массива горных пород в процессе подвигания очистного забоя с разной скоростью / М.Г. Мустафин // Записки Горного института. – Т. 171.  – 2007. – С. 130-133.
6. ГКИНП 02-262-02. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS.

Список литературы на английском языке / References in English

1. SP 11-104-97. Inzhenerno-geodezicheskie izyskanija dlja stroitel'stva [Engineering-geodetic surveys for construction] : [approved by Gosstroy of Russia on October 14, 1997]. [in Russian]
2. Sashurin A. D. Vlijanie zemnyh razlomov na prochnostnye harakteristiki zdanij i sooruzhenij [The effect of earth faults on the strength characteristics of buildings and structures] / A.D. Sashurin, N.A. Panzhina // Akademicheskij vestnik UralNIIproekt RAASN [Academic Bulletin of the Ural Sri project raabs]. – 2010. – № 1. [in Russian]
3. Kozyrev A.A. Saamskij razlom (Hibiny) – anomal'nyj harakter sovremennyh deformacij [Sami rift (Hibiny) is the anomalous nature of contemporary deformation] / A.A. Kozyrev, Je.V. Kaspar'jan, D.V. Zhirov and others // Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Ulyanovsk state agricultural Academy]. – tom 12. – 2009. – №4. [in Russian]
4. Murzajkin I. Ja. Nabljudenija za tektonicheskimi podvizhkami v predelah sushhestvujushhih razlomov [Monitoring of tectonic movements within the existing faults] / I. Ja. Murzajkin, N. I. Sivakova // Vestnik Ul'janovskoj gosudarstvennoj sel'skohozjajstvennoj akademii [Bulletin of the Ulyanovsk state agricultural Academy]. – 2010. – № 2 (12). [in Russian]
5. Mustafin M.G. Modelirovanie razrushenija massiva gornyh porod v processe podviganija ochistnogo zaboja s raznoj skorost'ju [Simulation of fracture of rocks in the process of podvigina stope at different speeds] / M.G. Mustafin // Zapiski Gornogo instituta [Proceedings of the Mining Institute]. – T. 171.  – 2007. – p. 130-133. [in Russian]
6. GKINP 02-262-02. Instrukcija po razvitiju semochnogo obosnovanija i semke situacii i rel'efa s primeneniem global'nyh navigacionnyh sputnikovyh sistem GLONASS i GPS [Manual for the development of the survey ground and shooting situation and relief with the use of global navigation satellite systems GLONASS and GPS]. [in Russian]