До питання про критерії локальної (механічної) стійкості геологічного середовища та методах її

Мокрицька Т.П.

Аналіз динаміки геологічного середовища в умовах техногенних впливів - актуальна проблема. Вивчення змін геологічного середовища під впливом техногенних впливів у часу - один із засобів розробки методики оцінки стійкості. Геологічне середовище Криворізького залізорудного басейну піддається інтенсивного техногенного впливу. За оцінками фахівців об'єднання Укрюжгеологія, стан геологічного середовища близько до катастрофічного. Найбільшою в Україні є природно технічна літосістема Криворізького металургійного заводу (ПТЛ КМЗ).

При виконанні цієї роботи автор дотримувався основ теорії мінливості, концепції множинності форм стійкості, понять про стійкість (геологічного) середовища викладених у роботах Бондарик Г.К., Гродзинського М.Д., Рудько Г.І. Вивчена динаміка історичного центру підприємства. Оброблені результати 67-літніх інженерно-геологічних вишукувань. У роботі вивчено вплив фізичних впливів механічного і гідродинамічного підкласів. Показниками впливів прийняті інтервальні (безрозмірні) оцінки та точкові. Перші характеризують відносну площу впливів у частках від майданчика підрахунку. Це: коефіцієнт антропогенного ландшафту Sa (Федотов В.І., 1985), коефіцієнт відносної площі транспортних магістралей SL, коефіцієнт локалізації техногенних грунтів SMT, коефіцієнт відносної поширеності зони техногенного обводнення SMO. Другі (абсолютні -- потужності техногенних грунтів і обводненій товщі, рівень грунтових вод та ін) залучені до множинного кореляційного аналізу. Відносний характер безрозмірних показників не є перешкодою для кількісної оцінки прямих техногенних впливів. Різна інтенсивність механічних впливів врахована при виборі показників і обгрунтуванні приватних шкал. Кожен показник характеризує інтенсивність техногенного впливу певного виду. Кількісна оцінка динаміки техногенних впливів здійснена картографічним методом, способом картограм. Площа і форма майданчики підрахунку (1 км кв, квадрат) близька до параметрів природних басейнів першим порядку. Період 1933 2000 років розділений на окремі стадії, що розрізняються інтенсивністю техногенного впливу. Інтегральний показник техногенних впливів розрахований як середнє по кожній з майданчиків на I - IV стадіях.

За результатами вивчення фондових матеріалів, публікацій М. П. Семененко (1972), А.А. Гойжевского (1981), Ю. Д. Шковири (1976), К.Ф. Тяпкина (1999) встановлені регіональні фактори інженерно геологічних умов. Територія розташована в зоні морфоструктурно вузла, на кордоні Криворізько - Кременчуцького палеоріфта і Придніпровського палеосвода. Геологічними параметрами визначений склад, властивості та умови залягання стратиграфічних горизонтів плейстоцену; умови функціонування техногенного водоносного горизонту, морфометричні показники басейнових систем. Динаміка середовища охарактеризована моделями розвитку процесів: підтоплення, ущільнення, лінійної ерозії, деградації просадних властивостей. Встановлено, що найбільш об'єктивним є показник SMO, який відповідає зміні консистенції грунтів в обсязі зони аерації при даній конструкції фундаментів і значеннях щільності забудови. Спостерігається відповідність зони обводнення (максимум SMO) та техногенного впливу (Sa) у разі квазістаціонарних режиму ПТЛ.

Для вивчення процесів ущільнення на елементарному рівні виконане моделювання методом кінцевих різниць (за Флорину Н.А.). Розглянуто одномірне ущільнення грунтової основи змінної при навантаженні (середні умови). Моделювання виконано для оцінки стану підстав групи тривало функціонуючих споруд прокатного цеху. Передбачалася фільтраційна консолідація підстави при підтопленні (Тер Мартіросян З.Г., 1990). При одномірної постановці повзучість скелета не враховувалася, вплив затисненого газу враховано. Встановлено складний характер розподілу напружень в активній зоні. Спостерігається міграція ослаблених і ущільнених прошарку. У 1980-2000 роки відбулася перебудова структури зони. При оптимістичному сценарії (стабілізації підтоплення) до 2010 року відбудеться тільки часткова стабілізація напружено-деформованого стану.

Початкова просадного масиву розглядається як кількісна характеристика константності, змінна - пасивності. Просадного характеризується величиною сумарної осідання по розрізу (Трофімов В.Т., 1994р.). Розраховані узагальнені значення, характеризують сумарну просідання в межах заданої майданчики підрахунку (яка близька до площі басейну першого порядку і блоку в зоні субширотного розлому). Загальна тривалість деградації грунтах властивостей (понад 60 років) характеризує буферність системи, скорочення інтервалу значень сумарної осідання по розрізу на кожній стадії слідство переходів в рамках інваріанта. Обводнювання в зоні максимумів призвело до різної за режимом деградації грунтах властивостей, що визначило приріст ерозійних форм. Відмінність режиму грунтах деформацій пов'язано зі здатністю ерозійних систем до саморегуляції. Зміна просторових закономірностей розподілу властивостей водовмещающего Бузького горизонту повністю підтверджує цю залежність. Статистично підтверджена взаємозв'язок зазначених процесів представляє цикл. Так, коефіцієнт множинної кореляції градієнтів лінійної ерозії (III стадія) і градієнтів сумарної осідання (II і III стадія) дорівнює 1,0. Приватний коефіцієнт 0,429, значущий. Градієнти лінійної ерозії залежать від градієнтів сумарної осідання на попередній стадії (r = 0.498, значимо). Чи не значима кореляційний зв'язок між градієнтами УГВ, градієнтами Sa і зростанням лінійної ерозії. Зв'язок між градієнтами лінійної ерозії і збільшенням локалізованих впливів техногенних грунтів пряма. Негативний результат отримано при аналізі статичних розподілів показників техногенного впливу і густоти ерозійної мережі. Невідповідність техногенних впливів і лінійної ерозії в статичному аспекті, вибіркове відповідність градієнтів -- наслідок конформності функціональних структур підсистем ПТЛ. У даному випадку кореляційні відносини є значимими, що підтверджено перевіркою значущості коефіцієнтів кореляції, хоча, безсумнівно, заниженими.

Найважливішою формою стійкості геологічного середовища є відновлючі, що підтверджується закономірними змінами властивостей горизонтів, басейнових систем нижчих порядків, розвитку обводнення, деградації грунтах властивостей масиву. Зона транзиту виявилася функціонально стійка при техногенних впливах. Збільшення порядків басейнових систем супроводжується слабким зростанням морфометричних показників Еме (довжин тальвегом і площ басейнів першим порядку). Приуроченість куполів техногенних вод до областей розмиву - наслідок функціональної відновлючі. Досягнення межі відновлючі вказує на перехід в іншу локально-стійку область, на прояв орбітальної пластичності (Гродзинський М.Д.). Доказом існування орбіталей є циклічність взаємозв'язку просадного ущільнення і лінійної ерозії (див. вище результати сплайн-кореляційного аналізу). Оскільки відновлючі просадного неможлива, реалізація потенційних деформацій (IY стадія) супроводжується виходом за рамки інваріанта. Під інваріантом розуміється відновлючі - реалізація пари потенційно можливих процесів об'ємних змін при техногенних впливах механічного і гідродинамічного підкласів. Одночасно відбулося формування потужної обводненій зони, розподілу властивостей змінені повсюдно, кореляційні і регресійні співвідношення порушені, висока ймовірність відмов за рахунок перебудови зон ущільнення елементарних ПТЛ. Для непорушених техногенним впливом умов для кожного з стратиграфічних горизонтів в межах активної зони характерно відповідність розподілів властивостей рельєфу покрівлі, тобто сінгенетіческім умов. Активна реакція супроводжується зміною просторових закономірностей розподілу властивостей, чітко вираженою залежністю від зони розломно порушення. Подолання інертності елемента настає після ліквідації грунтах властивостей; відновлючі після техногенного перетворення всієї області взаємодії, коли властивості не залежать від умов залягання, палеорельефа і інших геологічних чинників. У часі реакція горизонтів не збігається. Введений коефіцієнт дискретності геологічного середовища на локальному рівні. Величина коефіцієнта відповідає сумарній за час формування елементів (горизонтів) густоті горизонтальної розчленованості. Збіжність коефіцієнта дискретності і густоти горизонтального розчленування на III стадії є доказ переходу від інертності до відновлючі в масштабі ПТЛ КМЗ. Отже, оцінка кризових станів підсистем коректна, якщо виконана по відповідності емерджентним відновлючі (як резерву функціональної успадкування) техногенному впливу подібної природи. Завданням є встановлення бар'єрів, перехід через що свідчить про перехід до відновлючі іншого елемента (горизонту) або підсистеми. Для досліджуваного окремого випадку взаємодії геологічного середовища і техногенних впливів такий бар'єр визначений. Значення інтегрального показника, що відповідає вузлу сплайн-регресійної лінійної моделі, визначає зміна залежності між інтенсивністю техногенних впливів і реакцією масиву, позначає точку переходу за межі елементарного циклу. Модель механічної (локальної) стійкості геологічного середовища представлена як модель деградації просадного при техногенному впливі. За результатами множинного кореляційного аналізу (залежності сумарної осідання від приватних і інтегрального показників техногенних впливів) доведена краща кореляція зі значеннями інтегрального показника. Коефіцієнт парної кореляції r дорівнює 0,639, значущий.

Модель механічної стійкості виражена рівнянням:

Ssl =- 0.4203 * It +0.1904; Ssl = 0.0928 * It +0.0187

де Ssl - значення сумарної осідання, розраховане способом картограм за межами локальних сфер взаємодії;

It - середнє інтервальних оцінок техногенних впливів. Модель значима, середньозважена помилка апроксимації складає 0,298, вузол сплайн дорівнює 0,409. Лінійний характер взаємозв'язку виявляється незалежно від способу розрахунку показника. Перевірено кілька варіантів розрахунку інтервальних показників та інтегрального. Лінійна зв'язок сумарної осідання і інтегрального показника - аналог механічної стійкості геологічного середовища до техногенного впливу, слідство пружних об'ємних деформацій. Коефіцієнт, модуль, - характеризує стійкість в області допустимих змін сполучених, парагенетичних взаємопов'язаних процесів. Оцінку механічної стійкості масиву можна виробляти до критичних значень інтегрального показника техногенних впливів 0.409, коли відновлючі не подолано. Фізичний зміст вузла полягає в обмеженні допустимих змін Ізохоричний ізотермічного потенціалу або області локального рівноваги ПТЛ. При великих значеннях механічна (локальна) стійкість середовища в області пружних об'ємних деформацій забезпечена бути не може, необхідні інші критерії. Аналогічно складного характеру деформування обсягу суцільного середовища в часі, в межах ПТЛ локального рівня також можливі одночасно розвиваються непружні зміни об'єму системи. Такі зміни, за аналогією, можна віднести до пластичних як слідству хімічних або теплових взаємодій. Отже, існуюча тимчасова послідовність розвитку реальних інженерно-геологічних процесів повинна залежати від термодинамічних параметрів системи і може бути визначена.

Природно-техногенна літосістема КМЗ може розглядатися на початковий момент часу як не ізольована гетерогенна закрита локально-рівноважна система 2 типу (Корольов В.А.). У цьому випадку dm = 0, збільшення ентропії за рахунок внутрішніх процесів близькі до нуля, йдуть майже зворотні процеси. Даний тип близький до ізольованим системам. Для ізольованої системи характерно рівність нулю збільшень обсягу за рахунок внутрішніх процесів і сталість збільшень за рахунок зовнішніх впливів. Лінійний характер об'ємних збільшень системи (наслідок просадних деформацій) при техногенному впливі не суперечить властивостям ізольованої системи. Зростання лінійної ерозії супроводжується збільшенням потенційної енергії системи за рахунок збільшення енергії рельєфу, а ліквідація просадних властивостей зменшенням. Тобто в області локально рівноважного стану, обмеженого по вузлу сплайн, потенційна енергія буде прагнути до початкового стану. Реалізація просадного ущільнення є мимовільним процесом, так як зменшення сумарної осідання позначає зменшення Ізохоричний-ізотермічного потенціалу або механічної роботи, яку система може зробити в області локально рівноважного незворотного процесу. Градієнт сумарною осідання характеризує виконану роботу, перевищення якої призводить до зміни Ізохоричний ізотермічного потенціалу dF, тому що T = 0, якщо нехтувати зміною температури. Система рівноважна за умови виконання механічної роботи, яка в нашому випадку відповідає роботі по розвитку лінійної ерозії. Робота над системою виражається у зменшенні обсягу через просадного ущільнення (множення від'ємного градієнта на негативний механічний потенціал дає позитивну роботу), а робота системи (механічна негативна) спрямована на збільшення дискретності, що представляє приклад негативного зворотного зв'язку. Градієнт осідання дорівнює потоку узагальненої координати об'ємних змін, а градієнт горизонтальної розчленованості її виробництва. Так як фундаментальним властивістю узагальненої координати є сохраняемость, що виражається в частковому відновленні потенційної енергії, то реалізація грунтах властивостей означає порушення ізольованості (закритості) системи або, інакше, невиконання умови про рівності нулю збільшень узагальненої координати об'ємних змін системи.

Так як представляють інтерес не абсолютні значення вільної енергії, а їх зміна, можлива кількісна оцінка максимальної теоретичної механічної роботи системи як добуток величини тиску, при якому визначений коефіцієнт відносної просадного на значення сумарної осідання (в прогнозних цілях). Рівняння дозволяє розрахувати теоретичну і досконалу роботу рівноважних переходів на будь-якій із стадій, надалі - визначити термодинамічної умова рівноважної. З іншого боку, локальне рівновагу геологічної середовища забезпечується в області докритичний значень інтегрального показника. Перевищення інтегрального показника на будь-якому рівні буде супроводжуватися роботою dA, спрямованої на хімічні та кінетичні взаємодії відповідного рівня в системі. Отже, процеси суфозія, набухання можуть позначитися і позначаються на стані локальної системи в цілому після завершення деградації грунтах властивостей. Протиріч між отриманими висновками і досвідом немає. Слід зазначити, що аналіз і прогноз динаміки геологічного середовища повинен супроводжуватися розрахунком градієнтів в межах басейнів першого порядку або Еме. Орієнтування на межі техногенних об'єктів різного призначення не дозволить отримати дані, на підставі яких критичні значення техногенних впливів будуть обгрунтовані реакцією середовища як системи.

Для підтвердження отриманих висновків виконана спроба кількісної оцінки форм стійкості геологічного середовища як ймовірності інертності і відхилень, бар'єрного, буферну, чутливості відповідно до методичних рекомендаціями Гродзинського М.Д.. Зниженийня бар'єрного супроводжується зростанням чутливості. На I-III стадіях відбувається уповільнення темпів збільшень чутливості, на IV стадії збільшення екстремальні, а на попередній стадії чутливість за фактором дискретності збільшується максимально. Дискретність результат впливу історії розвитку геосистеми. Отже, встановлена залежність локальної стійкості від ступеня впливу на формують область взаємодії геологічні процеси (ендогенні, в тому числі). Враховуючи, що середнє значення інтегрального показника наближається до критичного значення вузла сплайн на IV стадії, висновки про можливість визначення механічної (локальної) стійкості сплайн регресійний аналіз підтверджено. Підтверджено встановлена математико-картографічними методами закономірність у розвитку цих процесів деградації грунтах властивостей і зростання лінійної ерозії. Збільшення ймовірності інертності за фактором сумарної осідання (деградації просадного) супроводжується зменшенням ймовірності інертності за фактором лінійної ерозії. Деградація просадного призводить до подолання бар'єрного, екстремального зростання чутливості можливого виходу геосистеми в область критичних станів.

Таким чином, виконана верітіфікація показників стійкості геологічного середовища, доведена можливість і виправданість розрахунку показників механічної стійкості геологічного середовища, визначено методами математичного моделювання, теорії надійності критичне значення області допустимих станів масиву просідаючих грунтів ПТЛ КМЗ при техногенному впливі.

Список літератури

1. Бондарик Г.К. Загальна теорія інженерної (фізичної) геології. М.: Недра, 1981. 256 с.

2. Питання математичної теорії надійності/Є.Ю. Барділовіч, Ю.К. Бєляєв, В.А. Капітанов и др./Под ред. Б.В. Гнеденко. - М.: Радіо і зв'язок, 1983. 376 с.

3. Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. - К.: Лiкей, -1995. -- 223с.

4. Корольов В.А. Моніторинг геологічного середовища. - М.: МГУ, 1995, - 272с.

5. Гродзинський М.Д. Стiйкiсть геосистем до антропогенних навантажень. - К.: Лiкей, -1995. -- 223с.

6. Рудько Г.І. Інженерно-геоморфологічний та геоекологічних аналіз рельєфоутворюючих процесів геодінамічно активних територій. - К.: тов. Знання, - 1996. - С.5.

7. Термодинаміка грунтів: Навчальний посібник/Корольов В.А. - М.: МГУ.-1997 .- 164с.

8. Тимофєєв Д.А. Геоморфологічні та палеогеоморфологіческіе аспекти проблеми ерозії грунтів// Геоморфологія. - 1989. - 2. - С.14 - 28.

9.Трофімов В.Т., Герасимова А.С., Красилова Н.С., Комиссарова М.М., Мінервін А.В. Зміст і методика складання карт стійкості масивів дисперсних грунтів до техногенних впливів// Геоекологія. - 1994. - 6. - С.91 - 107.