Статья: К вопросу о критериях локальной (механической) устойчивости геологической среды
Анализ динамики геологической среды в условиях техногенных воздействий - актуальная проблема. Изучение изменений геологической среды под влиянием техногенных воздействий во времени - одно из средств разработки методики оценки устойчивости. Геологическая среда Криворожского железорудного бассейна подвергается интенсивному техногенному воздействию. По оценкам специалистов объединения Укрюжгеология , состояние геологической среды близко к катастрофическому. Крупнейшей в Украине является природно техническая литосистема Криворожского металлургического завода (ПТЛ КМЗ).
При выполнении настоящей работы автор придерживался основ теории изменчивости, концепции множественности форм устойчивости, понятий об устойчивости (геологической) среды изложенных в работах Бондарика Г.К., Гродзинского М.Д., Рудько Г.И. Изучена динамика исторического центра предприятия. Обработаны результаты 67-летних инженерно-геологических изысканий. В работе изучено влияние физических воздействий механического и гидродинамического подклассов. Показателями воздействий приняты интервальные (безразмерные) оценки и точечные. Первые характеризуют относительную площадь воздействий в долях от площадки подсчета. Это: коэффициент антропогенности ландшафта Sa (Федотов В.И., 1985), коэффициент относительной площади транспортных магистралей SL, коэффициент локализации техногенных грунтов SMT , коэффициент относительной распространенности зоны техногенного обводнения SMO. Вторые (абсолютные - мощности техногенных грунтов и обводненной толщи, уровень грунтовых вод и др.) привлечены к множественному корреляционному анализу. Относительный характер безразмерных показателей не является препятствием для количественной оценки прямых техногенных воздействий. Различная интенсивность механических воздействий учтена при выборе показателей и обосновании частных шкал. Каждый показатель характеризует интенсивность техногенного воздействия определенного вида. Количественная оценка динамики техногенных воздействий осуществлена картографическим методом, способом картограмм. Площадь и форма площадки подсчета (1 км кв , квадрат) близка к параметрам природных бассейнов первого порядка. Период 1933 2000 годов разделен на отдельные стадии, различающиеся интенсивностью техногенного воздействия. Интегральный показатель техногенных воздействий рассчитан как среднее по каждой из площадок на I - IV стадиях.
По результатам изучения фондовых материалов, публикаций Н.П.Семененко (1972), А.А. Гойжевского (1981), Ю.Д.Шковыры (1976), К.Ф. Тяпкина (1999) установлены региональные факторы инженерно геологических условий. Территория расположена в зоне морфоструктурного узла, на границе Криворожско - Кременчугского палеорифта и Приднепровского палеосвода. Геологическими параметрами определены состав, свойства и условия залегания стратиграфических горизонтов плейстоцена; условия функционирования техногенного водоносного горизонта, морфометрические показатели бассейновых систем. Динамика среды охарактеризована моделями развития процессов: подтопления, уплотнения, линейной эрозии, деградации просадочных свойств. Установлено, что наиболее объективным является показатель SMO , который соответствует изменению консистенции грунтов в объеме зоны аэрации при данной конструкции фундаментов и значениях плотности застройки. Наблюдается соответствие зоны обводнения ( максимум SMO ) и техногенного воздействия ( Sa) в случае квазистационарного режима ПТЛ.
Для изучения процессов уплотнения на элементарном уровне выполнено моделирование методом конечных разностей (по Флорину Н.А.). Рассмотрено одномерное уплотнение грунтового основания при переменной нагрузке (средние условия). Моделирование выполнено для оценки состояния оснований группы длительно функционирующих сооружений прокатного цеха. Предполагалась фильтрационная консолидация основания при подтоплении (Тер Мартиросян З.Г., 1990). При одномерной постановке ползучесть скелета не учитывалась, влияние защемленного газа учтено. Установлен сложный характер распределения напряжений в активной зоне. Наблюдается миграция ослабленных и уплотненных прослоев. В 1980-2000 годы произошла перестройка структуры зоны. При оптимистическом сценарии (стабилизации подтопления) к 2010 году произойдет только частичная стабилизация напряженно-деформированного состояния.
Начальная просадочность массива рассматривается как количественная характеристика константности, меняющаяся - пассивности. Просадочность характеризуется величиной суммарной просадки по разрезу (Трофимов В.Т., 1994г.). Рассчитаны обобщенные значения, характеризующие суммарную просадку в пределах заданной площадки подсчета (которая близка к площади бассейна первого порядка и блока в зоне субширотного разлома). Длительность деградации просадочных свойств (более 60 лет) характеризует буферность системы, сокращение интервала значений суммарной просадки по разрезу на каждой из стадий следствие переходов в рамках инварианта. Обводнение в зоне максимумов привело к различной по режиму деградации просадочных свойств, что определило приращение эрозионных форм. Различие режима просадочных деформаций связано со способностью эрозионных систем к саморегуляции. Изменение пространственных закономерностей распределения свойств водовмещающего бугского горизонта полностью подтверждает эту зависимость. Статистически подтвержденная взаимосвязь указанных процессов представляет цикл. Так, коэффициент множественной корреляции градиентов линейной эрозии (III стадия) и градиентов суммарной просадки (II и III стадия) равен 1,0. Частный коэффициент 0,429, значим. Градиенты линейной эрозии зависят от градиентов суммарной просадки на предыдущей стадии (r = 0.498, значим). Не значима корреляционная связь между градиентами УГВ,градиентами Sa и ростом линейной эрозии. Связь между градиентами линейной эрозии и приращением локализованных воздействий техногенных грунтов прямая. Отрицательный результат получен при анализе статических распределений показателей техногенного воздействия и густоты эрозионной сети. Несоответствие техногенных воздействий и линейной эрозии в статическом аспекте, выборочное соответствие градиентов - следствие конформности функциональных структур подсистем ПТЛ. В данном случае корреляционные отношения являются значимыми, что подтверждено проверкой значимости коэффициентов корреляции, хотя, несомненно, заниженными.
Важнейшей формой устойчивости геологической среды является восстанавливаемость, что подтверждается закономерными изменениями свойств горизонтов, бассейновых систем низших порядков, развития обводнения, деградации просадочных свойств массива. Зона транзита оказалась функционально устойчива при техногенных воздействиях. Увеличение порядков бассейновых систем сопровождается слабым ростом морфометрических показателей ЭМЕ (длин тальвегов и площадей бассейнов первого порядка). Приуроченность куполов техногенных вод к областям размыва - следствие функциональной восстанавливаемости. Достижение предела восстанавливаемости указывает на переход в другую локально-устойчивую область, на проявление орбитальной пластичности (Гродзинский М.Д.). Доказательством существования орбиталей является цикличность взаимосвязи просадочного уплотнения и линейной эрозии (см. выше результаты сплайн-корреляционного анализа). Поскольку восстанавливаемость просадочности невозможна, реализация потенциальных деформаций (IY стадия) сопровождается выходом за рамки инварианта. Под инвариантом понимается восстанавливаемость - реализация пары потенциально возможных процессов объемных изменений при техногенных воздействиях механического и гидродинамического подклассов. Одновременно произошло формирование мощной обводненной зоны, распределения свойств изменены повсеместно, корреляционные и регрессионные соотношения нарушены, высока вероятность отказов за счет перестройки зон уплотнения элементарных ПТЛ. Для ненарушенных техногенным воздействием условий для каждого из стратиграфических горизонтов в пределах активной зоны характерно соответствие распределений свойств рельефу кровли, т.е. сингенетическим условиям. Активная реакция сопровождается изменением пространственных закономерностей распределения свойств, четко выраженной зависимостью от зоны разломного нарушения. Преодоление инертности элемента наступает после ликвидации просадочных свойств; восстанавливаемости после техногенного преобразования всей области взаимодействия, когда свойства не зависят от условий залегания, палеорельефа и других геологических факторов. Во времени реакция горизонтов не совпадает. Введен коэффициент дискретности геологической среды на локальном уровне. Величина коэффициента соответствует суммарной за время формирования элементов (горизонтов) густоте горизонтальной расчлененности. Сходимость коэффициента дискретности и густоты горизонтального расчленения на III стадии есть доказательство перехода от инертности к восстанавливаемости в масштабе ПТЛ КМЗ. Следовательно, оценка кризисных состояний подсистем корректна, если выполнена по соответствию эмерджентной восстанавливаемости (как резерва функциональной унаследованности) техногенному воздействию подобной природы. Задачей является установление барьеров, переход через которые свидетельствует о переходе к восстанавливаемости другого элемента (горизонта) или подсистемы. Для изучаемого частного случая взаимодействия геологической среды и техногенных воздействий такой барьер определен. Значение интегрального показателя, соответствующее узлу сплайн-регрессионной линейной модели, определяет изменение зависимости между интенсивностью техногенных воздействий и реакцией массива, обозначает точку перехода за пределы элементарного цикла. Модель механической (локальной) устойчивости геологической среды представлена как модель деградации просадочности при техногенном воздействии. По результатам множественного корреляционного анализа (зависимости суммарной просадки от частных и интегрального показателей техногенных воздействий) доказана лучшая корреляция со значениями интегрального показателя. Коэффициент парной корреляции r равен 0,639, значим.
Модель механической устойчивости выражена уравнением:
Ssl=-0.4203*It+0.1904; Ssl=0.0928*It+0.0187
где Ssl- значение суммарной просадки, рассчитанное способом картограмм за пределами локальных сфер взаимодействия;
It - среднее интервальных оценок техногенных воздействий. Модель значима, средневзвешенная ошибка аппроксимации составляет 0,298, узел сплайна равен 0,409. Линейный характер взаимосвязи обнаруживается вне зависимости от способа расчета показателя. Проверено несколько вариантов расчета интервальных показателей и интегрального. Линейная связь суммарной просадки и интегрального показателя - аналог механической устойчивости геологической среды к техногенному воздействию, следствие упругих объемных деформаций. Коэффициент , модуль , - характеризует устойчивость в области допустимых изменений сопряженных, парагенетически взаимосвязанных процессов. Оценку механической устойчивости массива можно производить до критических значений интегрального показателя техногенных воздействий 0.409, когда восстанавливаемость не преодолена. Физический смысл узла состоит в ограничении допустимых изменений изохорно изотермического потенциала или области локального равновесия ПТЛ. При больших значениях механическая (локальная) устойчивость среды в области упругих объемных деформаций обеспечена быть не может, необходимы другие критерии. Аналогично сложному характеру деформирования объема сплошной среды во времени, в пределах ПТЛ локального уровня также возможны одновременно развивающиеся неупругие изменения объема системы. Такие изменения, по аналогии, можно отнести к пластическим как следствию химических или тепловых взаимодействий. Следовательно, существующая временная последовательность развития реальных инженерно-геологических процессов должна зависеть от термодинамических параметров системы и может быть определена.
Природно-техногенная литосистема КМЗ может рассматриваться на начальный момент времени как не изолированная гетерогенная закрытая локально-равновесная система 2 типа (Королев В.А.). В этом случае dm=0, приращения энтропии за счет внутренних процессов близки к нулю, идут почти обратимые процессы . Данный тип близок к изолированным системам. Для изолированной системы характерно равенство нулю приращений объема за счет внутренних процессов и постоянство приращений за счет внешних воздействий. Линейный характер объемных приращений системы (следствие просадочных деформаций) при техногенном воздействии не противоречит свойствам изолированной системы. Рост линейной эрозии сопровождается увеличением потенциальной энергии системы за счет увеличения энергии рельефа, а ликвидация просадочных свойств уменьшением. Т.е. в области локально равновесного состояния, ограниченного по узлу сплайна, потенциальная энергия будет стремиться к начальному состоянию. Реализация просадочного уплотнения является самопроизвольным процессом, так как уменьшение суммарной просадки обозначает уменьшение изохорно-изотермического потенциала или механической работы, которую система может совершить в области локально равновесного необратимого процесса. Градиент суммарной просадки характеризует выполненную работу, превышение которой приводит к изменению изохорно изотермического потенциала dF, так как T=0, если пренебречь изменением температуры. Система равновесна при условии выполнения механической работы, которая в нашем случае соответствует работе по развитию линейной эрозии. Работа над системой выражается в уменьшении объема из-за просадочного уплотнения (умножение отрицательного градиента на отрицательный механический потенциал дает положительную работу), а работа системы (механическая отрицательная) направлена на увеличение дискретности, что представляет пример отрицательной обратной связи. Градиент просадки равен потоку обобщенной координаты объемных изменений, а градиент горизонтальной расчлененности ее производству. Так как фундаментальным свойством обобщенной координаты является сохраняемость , что выражается в частичном восстановлении потенциальной энергии, то реализация просадочных свойств обозначает нарушение изолированности (закрытости) системы или, иначе, невыполнение условия о равенстве нулю приращений обобщенной координаты объемных изменений системы.
Так как представляют интерес не абсолютные значения свободной энергии, а их изменение, возможна количественная оценка максимальной теоретической механической работы системы как произведение величины давления, при котором определен коэффициент относительной просадочности на значение суммарной просадки (в прогнозных целях). Уравнение позволяет рассчитать теоретическую и совершенную работу равновесных переходов на любой из стадий, в дальнейшем - определить термодинамическое условие равновесности. С другой стороны, локальное равновесие геологической среды обеспечивается в области докритических значений интегрального показателя. Превышение интегрального показателя на любом уровне будет сопровождаться работой dA, направленной на химические и кинетические взаимодействия соответствующего уровня в системе. Следовательно, процессы суффозии, набухания могут сказаться и сказываются на состоянии локальной системы в целом после завершения деградации просадочных свойств. Противоречий между полученными выводами и опытом нет. Следует отметить, что анализ и прогноз динамики геологической среды должен сопровождаться расчетом градиентов в границах бассейнов первого порядка или ЭМЕ. Ориентирование на границы техногенных объектов различного назначения не позволит получить данные, на основании которых критические значения техногенных воздействий будут обоснованы реакцией среды как системы.
Для подтверждения полученных выводов выполнена попытка количественной оценки форм устойчивости геологической среды как вероятности инертности и отклонений, барьерности, буферности, чувствительности в соответствии с методическими рекомендациями Гродзинского М.Д.. Снижение барьерности сопровождается ростом чувствительности. На I- III стадиях происходит замедление темпов приращений чувствительности, на IV стадии приращения экстремальны, а на предыдущей стадии чувствительность по фактору дискретности увеличивается максимально. Дискретность результат влияния истории развития геосистемы. Следовательно, установлена зависимость локальной устойчивости от степени воздействия на формирующие область взаимодействия геологические процессы (эндогенные, в том числе). Учитывая, что среднее значение интегрального показателя приближается к критическому значению узла сплайна на IV стадии, выводы о возможности определения механической (локальной) устойчивости сплайн регрессионным анализом подтвержден. Подтверждена установленная математико-картографическими методами закономерность в развитии этих процессов деградации просадочных свойств и роста линейной эрозии. Увеличение вероятности инертности по фактору суммарной просадки (деградации просадочности) сопровождается уменьшением вероятности инертности по фактору линейной эрозии. Деградация просадочности приводит к преодолению барьерности, экстремальному росту чувствительности возможному выходу геосистемы в область критических состояний.
Таким образом, выполнена веритификация показателей устойчивости геологической среды, доказана возможность и оправданность расчета показателей механической устойчивости геологической среды, определено методами математического моделирования, теории надежности критическое значение области допустимых состояний массива просадочных грунтов ПТЛ КМЗ при техногенном воздействии.
Список литературы
1. Бондарик Г.К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М.:Недра,1981. 256 с.
2. Вопросы математической теории надежности / Е.Ю. Бардилович, Ю.К. Беляев, В.А. Капитанов и др. / Под ред. Б.В. Гнеденко. - М.: Радио и связь, 1983. 376 с.
3. Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. - К.:Лiкей, -1995. - 223с.
4. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. - М.:МГУ,1995, - 272с.
5. Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. - К.:Лiкей, -1995. - 223с.
6. Рудько Г.И. Инженерно-геоморфологический и геоэкологический анализ рельефообразующих процессов геодинамично активных территорий. - К.:тов. Знання, - 1996. - С.5.
7. Термодинамика грунтов: Учебное пособие / Королев В.А.- М.:МГУ.-1997.- 164с.
8. Тимофеев Д.А. Геоморфологические и палеогеоморфологические аспекты проблемы эрозии почв// Геоморфология. - 1989. - 2. - С.14 - 28.
9.Трофимов В.Т., Герасимова А.С., Красилова Н.С., Комиссарова Н.Н., Минервин А.В. Содержание и методика составления карт устойчивости массивов дисперсных грунтов к техногенным воздействиям// Геоэкология. - 1994. - 6. - С.91 - 107.