Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Способ определения глубины поверхности скольжения

Способ определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта

(авторы: д.т.н. Постоев Герман Павлович, к.г.-м.н. Казеев Андрей Игоревич)

Изобретение относится к строительству, горному делу, в частности к заблаговременному выявлению по данным инженерно-геологических изысканий на оползнеопасной территории потенциально деформирующихся горизонтов в оползнеопасных массивах, по которым могут произойти разрушительные оползневые подвижки.

Известен способ определения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта путем бурения скважин, отбора керна и анализа свойств грунтов, слагающих исследуемый массив [1], с выявлением ослабленных зон и прослоев.

Однако этот способ требует бурения значительного количества относительно глубоких скважин с отбором керна, определяя высокую стоимость работ. Кроме того, не всегда возможен выход керна грунта, особенно в слабых водонасыщенных прослоях. В массиве с однородным строением грунтовой толщи вообще невозможно выделение по данным бурения каких-либо потенциально деформирующихся горизонтов.

Известен способ определения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта путем проведения геофизических исследований (сейсмо-, электроразведки) и выявление горизонтов с аномальными значениями геофизических параметров, обуславливающих пониженную прочность грунтов [3].

Недостатком данного способа является то, что не учитывается взаимодействие напряженного состояния и прочности грунта соответствующего горизонта с оценкой возможности возникновения оползневых деформаций, с учетом глубины залегания исследуемого горизонта, и условий существующей пригрузки на горизонт склоновых отложений у подножья откоса оползнеопасного коренного массива. Как и в первом способе выявляются только горизонты в ослабленных прослоях, если они имеются в коренном массиве. В однородной глинистой толще, что часто имеет место, геофизические границы, как правило, не выделяются.

Известен способ определения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта посредством установки в коренном массиве в буровых скважинах глубинных реперов, специальных относительно глубоких труб для инклинометрических и тензометрических измерений глубинных деформаций в массиве.

Однако данный способ позволяет выделять в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующийся горизонт, в котором при потере устойчивости массива формируется основная поверхность скольжения, только на этапе, когда уже идет деформирование массива, предельное состояние уже достигнуто и начался процесс нарушения устойчивости массива.

На этапе формирования предельного состояния исследуемого коренного массива, когда деформации в возможном потенциально деформирующемся горизонте еще отсутствуют, применение данного способа малоэффективно. Кроме того, этап деформирования с формированием оползневого массива и поверхности скольжения в потенциально деформирующемся горизонте может быть весьма скоротечным, что не позволит заблаговременно предотвратить опасность разрушительных деформаций.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве, включающий определение в процессе инженерных изысканий прочности и удельного веса грунтов, слагающих оползнеопасный коренной массив, рельефа коренного массива и склона в целом, определение наиболее опасного очертания возможной поверхности скольжения, по которой коэффициент запаса устойчивости, определяющий соотношение сдвигающих и удерживающих сил при образовании и отделении от коренного массива оползневого блока, является минимальным [4].

Недостатком этого способа является то, что в нем рассматривается другой механизм образования оползня – по схеме сдвига, когда в массиве имеется подготовленная поверхность скольжения, например наклоненные в сторону падения склона литологическая граница, плоскости напластования или слабый слой. Кроме того, при рассмотрении каждого горизонта в данном способе учитывается прочность всех слоев массива, залегающих выше, что может существенно повлиять на точность определения потенциально деформирующегося горизонта оползнеопасного коренного массива, особенно если в приповерхностных слоях массива имеются сравнительно прочные грунты.

В данном способе не учитывается, что подготовка глубоких подвижек, как в песчано-глинистых грунтах, так и на склонах, сложенных прочными скальными грунтами, происходит по схеме сжатия и нарушение устойчивости массивов коренных пород связано с раздавливанием под воздействием бытового вертикального давления на потенциально деформирующийся горизонт в оползнеопасном коренном массиве, когда пассивная пригрузка на этот горизонт на участке склона является недостаточной, чтобы уравновесить напряженно-деформированное состояние в деформирующемся горизонте.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков, повышение точности определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта еще на этапе отсутствия в массиве оползневых деформаций и подвижек массива по поверхностям и плоскостям сдвига, с целью выявления потенциально деформирующегося горизонта. Это критически необходимо для контроля устойчивости оползнеопасного коренного массива, обеспечения безопасности существующих на участке инженерных сооружений и для проектирования эффективных защитных мероприятий.

Разработанный способ определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта осуществляется путем выявления горизонта с минимальным соотношением между значениями вертикального давления на горизонт, на участке склона у подножья оползнеопасного коренного массива, — фактическим и критическим. Способ включает определение угла внутреннего трения, сцепления и удельного веса грунтов, измерение высоты откоса оползнеопасного коренного массива и высоты склона. Для повышения точности определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта, выделяют границы зоны расположения потенциально деформирующегося горизонта:

верхняя граница ;

нижняя граница Z_l=h+H,

где Z_u и Z_l – соответственно верхняя и нижняя границы зоны расположения потенциально деформирующегося горизонта /м/; H и h – соответственно высота откоса оползнеопасного коренного массива и высота склона /м/.

В зоне расположения потенциально деформирующегося горизонта для каждого промежуточного i-го горизонта с глубиной заложения на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива определяют:

значения вертикального давления на i-ый горизонт:

фактическое значение

критическое значение

и отношение ,

где Z_i – глубина заложения i-го горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона /м/; и — соответственно фактическое и критическое значения вертикального давления на i-ый горизонт на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива склона /кН/м²/; γ_i и γ_f,i – значения удельного веса грунтовых масс над i-ым горизонтом соответственно в оползнеопасном коренном массиве и на участке склона у подножья его откоса, /кН/м³/; Н – высота откоса оползнеопасного коренного массива /м/; h — высота склона /м/; c_i и φ_i – соответственно значения сцепления /кН/м²/ и угла внутреннего трения (в градусах) грунта i-го горизонта; K_i – отношение фактического значения вертикального давления на i-ый горизонт к критическому значению на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива.

Определяя значения отношения K_i для ряда горизонтов на глубинах , устанавливают минимальное значение K_i=K_min и выявляют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта ,

где K_min – минимальная величина отношений K_i фактического значения вертикального давления на i-ый горизонт к критическому значению на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива для ряда горизонтов с глубинами заложения ; Z_d – глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона /м/; γ_d и γ_f,d – соответственно значения удельного веса грунтов, залегающих в оползнеопасном коренном массиве, и на участке склона у подножья его откоса, над потенциально деформирующемся горизонтом /кН/м³/; c_d и φ_d – соответственно значения сцепления (кН/м²) и угла внутреннего трения (в градусах) грунта потенциально деформирующегося горизонта.

При этом в цирке, сформированном глубокими блоковыми оползнями, измеряют критическое значение высоты откоса оползнеопасного коренного массива по превышению его бровки в осевой части цирка над средней выположенной частью оползневого склона, измеряют радиус изгиба оползневого цирка в плане и затем определяют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве ,

где Z_d – глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве /м/; c_d и φ_d – соответственно значения сцепления (кН/м²) и угла внутреннего трения (в градусах) грунта потенциально деформирующегося горизонта; R – радиус оползневого цирка /м/; γ_d и γ_f,d – соответственно значения удельного веса грунтов, залегающих в оползнеопасном коренном массиве, и оползневых масс в средней части склона над потенциально деформирующемся горизонтом.

Способ предназначен для определения параметров возможного оползня в оползнеопасном коренном массиве. На предварительном этапе к оползнеопасным могут быть отнесены коренные массивы с высокими откосами, особенно когда на глубинах ниже основания откоса залегают глинистые грунты. К симптомам опасности возможного нарушения устойчивости коренного массива следует отнести: наличие трещин на поверхности склона, тем более на прибровочной части коренного массива, активную переработку склона в результате действия процессов эрозии, абразии, техногенную подрезку при строительстве причалов, прокладке коммуникаций и т.д., развитие оползневого процесса на соседних участках склона в сходных природных условиях.

Задача выявления местоположения возможной поверхности скольжения в оползнеопасном массиве является одной из важнейших при освоении склоновых территорий и строительстве инженерных сооружений. Эта информация необходима для выполнения расчетов устойчивости массива, оценки параметров возможного оползня и для проектирования эффективных противооползневых защитных сооружений.

 

Пример

В оползневом цирке с блоковым развитием деформаций, на берегу р. Москва (г. Москва, Карамышевский проезд) произошла катастрофическая активизация оползневого процесса с образованием нового оползневого блока и перемещениями оползневых масс на протяжении 350 м по берегу. В связи с угрозой оползневых деформаций для жилых домов и действующего Храма Животворящей Троицы (архитектурный памятник 16-го века) были проведены инженерно-геологические изыскания и мониторинг деформаций склона и сооружений, в том числе инструментальные наблюдения за глубинными деформациями (инклинометрические и тензометрические измерения), в результате которых установлена поверхность скольжения на глубине Z_d=31 м.

В соответствии с результатами инженерно-геологических изысканий и обследования участка установлены значения расчетных показателей: c_d=47,2 кН/м²; φ_d=22град.; R=180 м; H_cr=16 м; γ_d=20 кН/м³; γ_f,d=20 кН/м³.

Подставляя данные значения в формулу для определения Z_d, получаем: Z_d=31,3 м. Т.е. имеет место практически полное совпадение результатов расчета Z_d по предлагаемому способу и фактических измерений по глубинным устройствам.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять местоположение потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном грунтовом массиве, используя данные обследования участка и ограниченные сведения о геологическом строении и физико-механических свойствах грунтов, слагающих массив, получая необходимую информацию для проведения расчетов устойчивости и проектирования необходимых защитных мероприятий для обеспечения безопасного функционирования инженерных сооружений и сохранения исходного состояния природного ландшафта участка.

 

Источники информации:

1. Комарницкий Н.И. Влияние зон и поверхностей ослабления в породах на устойчивость откосов. М.: «Наука». 1966. 144 с.
2. Изучение режима оползневых процессов / Г.П. Постоев, П.Н. Науменко, А.И. Шеко и др. М.: Недра. 1982. 255 с.
3. Методы геофизических исследований и их возможности при инженерно-геологической разведке оползневых участков / Изучение оползней геофизическими методами. // Н.Н. Горяинов, А.Н. Боголюбов, Н.М. Варламов и др. М.: Недра. 1987. С. 13-23.
4. Гребнев Ю.С. Инженерная защита от опасных геологических процессов. Руководство по расчету и проектированию протипооползневых мероприятий. М.: ГЕОС. 2008. 247 с.