Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН
Оценка предельного состояния оползнеопасных грунтовых массивов для обеспечения экологической безопасности работ при освоении склоновой территории.
Казеев А.И., Постоев Г.П., Лапочкин Б.К. // Экология промышленного производства. –2010. Читать…
!!! При КОПИРОВАНИИ материалов статей — НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ библиографические ССЫЛКИ на Статьи !!!
Аннотация
Дается описание новых теоретических решений формирования напряженно-деформированного состояния в грунтовых массивах оползнеопасных склонов. Учитываются критерии кулона-Мора, понятия структурной прочности грунта, зон активного и пассивного давлений. Получено уравнение предельного равновесия в грунтовом массиве в области силового возмущения, определяющее критическую ситуацию в массиве, предшествующую возникновению разрушающих деформаций. Теоретические закономерности сопоставлены с результатами натурных исследований конкретных оползневых склонов, в том числе с оползнем 1966 г. на Восточно-Марицком угольном карьере в Болгарии.
Ключевые слова: устойчивость склонов, напряженно-деформированное состояние, состояние предельного равновесия, оползни.
Введение
Одной из важнейших экологических проблем при освоении склоновых территорий и разработке месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом является выявление оползнеопасных участков и предотвращение оползневых деформаций, что невозможно без учета реальных изменений напряженно-деформированного состояния в массивах пород и, главное, их предела, предваряющего фазу разрушительных деформаций. На карьерах стремятся обеспечить оптимальные параметры откосов (углы наклонов бортов, высоту уступов) с сохранением устойчивости массивов пород, при наиболее эффективной разработке месторождения. Среди многочисленных оползневых деформаций, которые возникают на откосах карьеров, особую опасность представляют глубокие оползневые подвижки крупных массивов. Существуют много способов построения устойчивых откосов [1, 2, 3], однако периодические образования крупных оползней на эксплуатируемых карьерах [4] свидетельствует о том, что научное обоснование параметров проектируемых откосов требует дальнейшего совершенствования.
Основные положения
Предлагаемые теоретически решения оценки предельного состояния грунтового массива базируется на основных закономерностях механики грунтов. Среди них главнейшими являются:
- Предельное состояние грунта по Кулону-Мору:
где φ и с – угол внутреннего трения и сцепление в условиях эффективных напряжений; σ1 – вертикальное наибольшее главное напряжение; σ3 – горизонтальное наименьшее главное напряжение.
Зависимость (1) выводится из графических построений, представленных на рис.1.
Рис. 1. Диаграмма Кулона – Мора прочности и предельных напряжений грунта.
- Формирование и взаимодействие в грунтовом массиве зон действия активного бокового (горизонтального) давления (напора) и пассивного давления (отпора).
Условие предельного равновесия, называемого активным, когда наибольшим напряжением является вертикальное σ1,а выводится из уравнения (2):
При поперечном сжатии (например, надвигании ограждения на массив), возрастает напряжение σ3р (боковое давление), которое является наибольшим главным напряжением, и состояние предельного равновесия, именуемого пассивным, записывается в виде
Индексы «а» и «р» определяют состояние грунта.
- Структурная прочность, или прочность структурных связей, присуща связным, а также скальным грунтам. В сыпучих грунтах она может проявляться в связи с возникновением зацепления между частицами или связности при маловлажном их состоянии.
На диаграмме прочности и предельных напряжений Кулона – Мора структурная прочность σстр грунта определяется по кругу Мора, касающемуся огибающей и проходящему через начало координат (см. рис.1).
Формула для определения σстр также выводится из графических построений, приведенных на рис.1:
Таким образом, структурная прочность грунта может быть определена из испытаний на приборах трехосного сжатия, на сдвиг и на одноосное сжатие. В последнем случае структурная прочность соответствует пределу прочности грунта на одноосное сжатие.
Изменение напряженного состояния, когда действующие вертикальные главные напряжения превышают структурную прочность грунта, определяет режим гравитационного деформирования массива и формирование в нем локальных участков, где создается предельное равновесие.
Следует иметь ввиду, что каждый элементарный объём грунта при σ1>σстр работает во взаимодействии с соседним элементарным объёмом, который воспринимает активный боковой распор первого и мобилизует пассивное реактивное боковое давление (рис.1). Указанное взаимодействие элементарных объёмов (а не одного элементарного объема) определяет напряженно-деформированное состояние (НДС) в грунтовом массиве.
Уравнения (2) и (3) путем простейших преобразований можно записать в виде:
Из уравнений (5) и (6) также следует, что приращение наибольшего главного напряжения прямо пропорционально увеличению наименьшего главного напряжения.
Напряженно-деформированное состояние любого горизонта массива, находящегося в поле гравитационных сил, определяется взаимодействием активных и пассивных зон, а предельное равновесие в данной точке массива вытекает из условия:
(7)
Здесь в пассивной зоне отпор создается частью главных напряжений σ3p, превышающей σstr,p.
Используя уравнения (5) и (6) и приняв обозначения:
получим принципиальное уравнение предельного состояния грунта прочностью σstr в массиве в области силового возмущения (действия вертикальных главных напряжений σ1а и σ1p).
Принципиально зависимость (9) может быть представлена в виде двух предельных кругов Мора, один из которых характеризует активное предельное равновесие с главными напряжениями σ1а и σ3а, а второй – пассивное предельное равновесие с наибольшим напряжением σ3р=σ3а (см. рис.1).
Для понимания роли структурной прочности следует иметь ввиду, что если σ1<σstr, грунт держит нагрузку за счет усилий своих структурных связей, структурного каркаса, проявляя упругие и локально упруго-пластические деформации, без возникновения поперечных деформаций и распорного (горизонтального) бокового давления (σ3=0). При σ1>σstr имеет место рост поперечных деформаций (свободное деформирование при σ3=0 или ограниченное — в условиях, когда давление распора превышает противодействующее ему боковое давление) и возможно возникновение разрушающих сдвиговых деформаций.
Основные зависимости для оползнеопасных склонов (откосов)
В соответствии с новой теорией уравнение предельного состояния на глубине Za грунтовой толщи оползнеопасного склона имеет вид
, или
(10)
где Zа – глубина до исследуемого слоя в толще активной зоны, в котором определяются условия формирования предельного состояния; γа — средний удельный вес грунтов, залегающих над исследуемым горизонтом в активной зоне; R – радиус изгиба склона в плане, или 0,5 ширины эрозионного (оползневого) вреза (оврага), выходящего на исследуемый участок склона; Zр,cr – предельное значение мощности пригрузки в пассивной зоне на горизонт на глубине Zа.
При исследовании фронтального склона на участке, где оценивается возможность образования глубокого блокового оползня (рис. 2), и уравнение (10) принимает вид:
(11)
Рис. 2. Активная и пассивная зоны на оползневом склоне.
Активная зона, где формируется горизонтальное напорное давление, образуется в верхней части склона, в коренном массиве. Пассивная зона (отпора) создается у основания коренного массива. Рассматривается устойчивость массива краевой части плато (рис.2).
В соответствии с рис. 2 уравнение (11) может быть записано в виде
(12)
где ∆hcr – критическая высота надоползневого уступа в момент предельного состояния верхней части склона (коренного массива).
Проверка теоретической зависимости (12) проведена путем обобщения данных по оползневым и оползнеопасным склонам.
На рис. 3 приведен график функции:
Эмпирические точки, отображающие случаи предельного равновесия оползневых склонов взятые из работы [6], с некоторым дополнением из опыта работ ИГЭ РАН по г. Москве и по опубликованным данным в трудах И.П. Иванова, И.П. Печеркина, И.О. Тихвинского, Г.И. Тер-Степаняна, Б. Каменова с деформированием грунтов различной прочности (от слабых илистых суглинков (Новочебоксарск) до весьма прочных сарматских известковистых глин, sstr = 1000 кПа, Балчик, Болгария), с малым разбросом ложатся на линию, проходящую через начало координат.
Рис. 3. График зависимости, определяющей предельное состояние оползневых склонов с развитием глубоких гравитационных деформаций.
Т.е. найденное решение для оценки предельного состояния оползневых склонов, подтверждаемое фактическими данными, определяет фундаментальность нового подхода и перспективы его использования для расчетов поведения грунтовых массивов при предельных сочетаниях напряжений, действующих в массиве.
Анализ состояния откоса карьера накануне образования оползня (Болгария, Восточно-Марицкое угольное месторождение, 1966 г.)
Оползень возник, когда глубина карьера достигла 55 м (разность отметок земной поверхности и угольного забоя). Поверхность (практически горизонтальная) скольжения находилась в подугольных глинах (рис. 4), у которых φ=5°; С=80 кПа и соответственно σstr=174,6 кПа [5].
В свое время было высказано много суждений о причинах и механизме данного оползня [5]. Г.К. Георгиевым (1972) было установлено, что в подугольных глинах существует подготовленная поверхность скольжения регионального характера с пониженными характеристиками сопротивления сдвигу: φ=1°; С=20 кПа. Подвижка по данной поверхности произошла путем образования в надугольной и в угольной толще призмы активного давления.
Рассмотрим состояние массива откоса в соответствии с рис.4. Нижняя ступень (I) представляет собой обнаженный угольный пласт. Согласно описанию технологии разработки угля использовались роторные и многочерпаковые экскаваторы, в результате чего высота рабочих уступов составляла 12-15 м и более. На рис.4 принято, что ∆h (высота уступа) была 15 м. Удельный вес γ разрабатываемого пласта угля – 14 кН/м3.
Рис. 4. Образование оползня на Восточно-Марицком угольном месторождении [5]. 1- суглинки; плиоценовые глины: 2 – зеленовато-серые; 3 – черные; 4 – угольный пласт; подугольные глины: 5 – слоистые; 6 – с линзами песка, содержащими напорные воды (плиоцен; профили рабочего борта: 7 – до деформирования; 8 – после деформирования; 9 – наблюдаемая поверхность скольжения; I, II – уступы откоса.
Подставляя значение глубины Za=22,2 м (от верха первой ступени до поверхности скольжения) и параметры указанные выше в уравнении (12), получим, что ∆hcr=16 м. Т.е. фактическая высота уступа соответствовала предельному значению. Вместе с тем, учитывая, что прочность подугольных глин в отдельных горизонтах, согласно последующим исследованиям, оказалось ниже исходных значений, а также осуществление постоянной подработки пласта экскаватором, нарушение равновесия нижней ступени было неизбежным.
Для второй (II) пригрузкой снизу служил угольный пласт. Разность отметок между этими ступенями составляла 18,5 м.
Таким образом, глубина Za до исследуемого горизонта подугольных глин составила 40,7 м. Подставляя указанное значение Za, а также остальные параметры, указанные выше, в формулу (12), получим, что предельная высота второй ступени (нагрузки на угольный пласт) при исходных параметрах не должна превышать 20,3 м. Фактическая высота уступа, согласно рис. 4 ∆hf=18,5 м, т.е. близка к предельной (коэффициент запаса устойчивости k<1,1). А поскольку обнаженный угольный пласт, как указано выше неустойчив, то образованная конструкция из двух нижних ступеней также представляет неустойчивое сооружение.
Таким же образом для плато определится ∆hcr=31,8 м (фактическое превышение над старым уступом ∆hf=30,7 м), т.е. пригрузка на надугольные глины (второй уступ) должна быть при Za=72,2 м – Zp>41 м.
Отсюда следует, что одной из основных причин возникновения оползневых деформаций борта карьера является предельное состояние устойчивости откоса при проектных параметрах его уступов. Проведение работ по разработке пласта угля (нижнего уступа) приводит к нарушению устойчивости откоса и образованию оползня, захватывающего все уступы откоса и краевую часть плато.
Предлагаемое уравнение для оценки предельного состояния массивов откосов позволяет регулировать высоты уступов откоса для обеспечения их устойчивости относительно выявленного (в результате анализа) относительно слабого горизонта в массиве, а также выявлять потенциально неустойчивые участки и предусматривать мероприятия по обеспечению экологической безопасности.
Литература
1. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах. М.: Недра, 1980, 237с.
2. Фисенко Г.Л., Сапожников В.Т. Обеспечение безопасности ведения горных работ в условиях деформирующихся бортов разрезов/ Сдвижения земной поверхности и устойчивость откосов. Тр. ВНИИ горн. Геомех. и маркшейд. дела. Л., 1980. с.88-95.
3. Демин А.М. Устойчивость открытых горных выработок и отвалов. М., Недра, 1973.
4. Zaruba Q., Mencl V. Landslides and their control. Praha Academia.
5. Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле. Л.: Недра. 1987.
6. Постоев Г.П. Глубокие блоковые оползни на урбанизированных территориях / Материалы междунар. симпозиума «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий», Екатеринбург: Изд-во «Аква-Пресс», 2001, том 1, с.335-342.
Limited state of soil massifs on landslide prone slopes assessment for ensureing ecological safety of works during slope territory development
German Postoev, Boris Lapochkin, Andrey Kazeev
Sergeev Institute of Environmental Geoscience Russian Academy of Sciences (IEG RAS), Russia, phone +7 (495) 6074623, fax +7 (495) 6231886, е-mail: opolzen@geoenv.ru
Abstract
The description of new theoretical solutions of forming a strain and stress state in the soil massifs of landslide prone slopes is introduced. The suggested approach is based on a new theory of forming of the limited equilibrium in rock massifs which includes: Coulomb-Mohr’s criterion for the limited state equilibrium of rocks, the concept of the rock structural strength sstr (for compression), the interaction of active and passive pressures in slope massif. The equation for the limited state equilibrium in a ground massif in the area of force disturbance, which determines the critical situation, foregoing an appearance of destructive deformations was obtained. Theoretical regularities were confronted with the results of the field observations of concrete landslide slopes, among them the landslide in the Eastern-Maritskiy coal opencast mine (Bulgaria, 1966).
Keywords: slope stability, stress and strain state, limited equilibrium, landslides.
Наши услуги
Фотогалерея
Наши Партнёры
