Исследование механизма оползневого процесса в слоистой среде с учетом деформируемости слагающих пород

Негативное влияние оползневых явлений, происходящих на естественных склонах и искусственных откосах, по величине социально-экономического ущерба, наносимого природе и обществу, сравнимо с действием землетрясений, вулканических извержений и наводнений. Согласно статистическим данным, по числу людей, погибших от различных опасных геологических и других природных процессов в России с 1963 по 1992 г., оползни и обвалы занимают второе место после наводнений (21% от общего числа жертв) — а по сумме экономических потерь оползни и обвалы находятся на 4-ом месте после процессов эрозии, подтопления территорий и наводнений (около 11%). Судя по количеству катастрофических ситуаций, связанных с нарушениями устойчивости массивов горных пород, можно утверждать, что надёжность и достоверность их прогнозирования не удовлетворяют современным требованиям.

Актуальность диссертационной работы. Необходимой теоретической основой прогноза оползневого процесса служит выявление его механизма для установления связи между физической природой этого процесса и применяемым при его моделировании математическим аппаратом. Однако многие исследователи (К. Терцаги, JI. Бьеррум, К. Заруба, А. Скемптон, Ф. П. Саваренский, В. Д. Ломтадзе, Н. Н. Маслов, Г. И. Тер-Степанян, Е. П. Емельянова, Г. С. Золотарёв, Г. Л. Фисенко, М. Н. Гольдштейн, А. Я. Будин, В. В. Кюнтцель, Г. П. Постоев, А. Л. Рагозин, И. П. Иванов и др.) отмечают недостаточную изученность механизма и динамики деформирования приоткосных массивов, что ведёт к неправильному выбору и применению расчётных методов оценки их устойчивости.

Одним из самых сложных объектов для прогнозирования является горный массив, неоднородный по своему геологическому строению. Широкое распространение инсеквентных оползней обуславливает практическую заинтересованность в дальнейшем совершенствовании методов их прогнозирования.

Цель работы — повышение достоверности и надёжности прогнозов длительной устойчивости природных склонов и техногенных откосов на основе анализа специфики совместного деформирования слагающих пород с учётом их деформационных характеристик при сдвиге.

Основные задачи исследований: 1) анализ имеющейся информации по изучению и прогнозированию оползневых явлений на склонах и откосах в условиях техногенеза- 2) исследование механизма развития оползневого процесса в неоднородной слоистой толще- 3) экспериментальные исследования компетентности горных пород с позиций её влияния на оползневой процесс- 4) выявление закономерностей деформирования пород в зависимости от их состава, свойств и физического и напряжённого состояний.

Методика исследований. При выполнении работы применялись лабораторные методы изучения сопротивления сдвигу глинистых пород, аналитические методы оценки и прогноза устойчивости склонов и откосов, естественно-исторический анализ оползневых процессовиспользовались результаты физического и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1) установлен механизм разрушения компетентных и некомпетентных слоёв при совместном деформировании- 2) обоснован новый способ прогноза длительной устойчивости склонов и откосов в случае потенциальных инсеквентных оползней на базе выявленного механизма деформирования слоистой среды- 3) теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены количественные критерии оценки компетентности горных пород в оползневом процессе- 4) разработана классификация горных пород по степени их компетентности, определяемой при помощи предложенных количественных показателей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Длительная устойчивость природных склонов и техногенных откосов определяется деформационным поведением слагающих их пород в течение всего периода формирования поверхности скольжения, когда породы на разных её участках находятся в различных (допредельном, предельном и запредельном) состояниях. Длительная устойчивость откосов и длительная прочность слагающих их пород не всегда взаимообусловлены.

2. Инсеквентные оползни в различных инженерно-геологических условиях характеризуются общим механизмом поочередного разрушения пород, имеющих хрупкий либо пластичный характер деформирования. Деформационные особенности пород зависят от их состава, структурных связей и степени литификации, а в склонах и откосах ещё и от их напряжённо-деформированного состояния.

3. Степень компетентности глинистых пород можно оценить с помощью двух количественных показателей, определяемых при исследовании сопротивления сдвигу. По значениям этих показателей глинистые породы подразделяются на 4 группы.

4. В результате прогнозирования длительной устойчивости склонов и откосов с учётом влияния компетентности слагающих пород установлено, что в различных геологических условиях их коэффициент устойчивости уменьшается на 10−30% и более.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обуславливается большим объёмом теоретических и экспериментальных исследований, а также анализом реальных опасных ситуаций на конкретных объектах (оползневых склонах и откосах, где проводились детальные инженерно-геологические исследования).

Практическая значимость работы:

Предложенная методика изучения деформационных кривых сдвига и учёта характера этих кривых повышает точность и надёжность расчётов при определении коэффициента длительной устойчивости природных склонов и искусственных откосов.

Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы в инженерных прогнозах, осуществляемых с учётом степени компетентности различных пород.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на рассмотрение Всероссийского молодёжного научного Форума «Интеллектуальный потенциал России — в XXI век» (Санкт-Петербург, 1995 г.), ежегодных научных конференций студентов и молодых учёных СПбГГИ (ТУ) им. Плеханова — «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 24−25 апреля 1996 г. и 23−24 апреля 1997 г.), XI Российской конференции по механике горных пород (с иностранным участием) (Санкт-Петербург, 1997 г.) и Международного Симпозиума «Инженерная геология и охрана окружающей среды» (Афины, Греция, 23−27 июня 1997 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) им. Г. В. Плеханова.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю зав. кафедрой инженерной геологии, д. г.-м.н., проф. И. П. Иванову за постоянное деятельное внимание к работе, д. г.-м.н., проф. Р. Э. Дашко за полезные советы по существу работы, а также всем сотрудникам кафедры ИГ за помощь во время подготовки диссертации. Автор особенно признательна доц. каф. МВТС СПбТУ И. Л. Плечковой и аспиранту каф. ИГ СПбГГИ И. В. Лакову за содействие при выполнении экспериментов, а асс. каф. ПГиФ СПбГГИ В. В. Петрову — за помощь в компьютерном оформлении работы.

3.4 Выводы по 3 главе.

Исследования, которые были проведены, дают основание выделить в класс:

1) некомпетентных глинистых пород разновидности, которые характеризуются следующими особенностями:

— имеют предельно малую, малую и реже среднюю степень литификации;

— по своему физическому состоянию являются текучими, скрытотекучими, вязкопластичными и реже пластичными грунтами;

— имеют весьма высокую или высокую степень гидратированности;

— имеют плавный, выходящий на постоянное значение ту характер деформационных кривых при сдвиге, причём этот характер определяется природой и видом структурных связей в породе, которые в данном случае являются тиксотропно-коагуляционными (или водно-коллоидными), а по природе — молекулярными и магнитными;

— обычно обладают небольшим трением (ф<20°, а чаще ф<10°).

2) компетентных глинистых пород разновидности, которые характеризуются следующими особенностями:

— имеют предельно высокую, высокую и реже среднюю степень литификации;

— по своему физическому состоянию являются твёрдыми, полутвёрдыми и реже пластичными породами;

— имеют очень малую или малую степень гидратированности;

— их разрушение носит хрупкий характер с проявлением эффекта «пиковой» прочности, что объясняется преобладанием в этих породах жёстких цементационных (кристаллизационно — конденсационных) связей, не восстанавливающихся при сдвиге. По физической природе это ионные и атомные связи.

— всегда обладают высокими значениями сцепления. Что касается углов трения, то для компетентных пород они могут варьировать в широких пределах в зависимости от гранулометрического состава, плотности и влажности.

Возможность перехода одной и той же породы из класса компетентных в класс некомпетентных видна на примере юрских и кембрийских глин, которые в результате набухания, изменения естественного сложения и напряжённого состояния теряли свою компетентность (рис. 3.7). Что касается обратного перехода, то следует отметить, что в лабораторных условиях не удалось повысить компетентность образцов в процессе уплотнения, но только путём создания новых цементационных связей.

Результаты испытаний на сдвиг искусственных смесей.

Заключение

.

По результатам проведённых исследований можно сформулировать следующие положения:

1. Формирование поверхности скольжения в слоистых откосах происходит скачкообразно в течение всего подготовительного периода. Этот процесс обуславливается изменением напряжённо-деформированного состояния массива и последовательным разрушением в разные промежутки времени отдельных разновидностей пород, характеризующихся разными прочностными и деформационными свойствами.

2. Механизм инсеквентных оползней, происходящих в разных инженерно-геологических условиях, характеризуется рядом общих черт, определяющих динамику и морфологию оползней, а также подход к прогнозу длительной устойчивости сооружения. Специфика механизма деформирования слоистой среды определяется наличием в ней компетентных и некомпетентных слоёв, их мощностью и пространственным положением в склоновом (откосном) массиве.

3. По характеру деформирования при сдвиге породы разделяются на компетентные и некомпетентные. Исследования пород разной степени компетентности показали, что она зависит от состава, видов структурных связей, физического и напряжённого состояний пород и может быть оценена при помощи двух показателей, которые определяются по деформационным кривым сдвига.

4. По предложенным показателям степени компетентности породы разделяются на 4 группы:

— высокой степени компетентности с Кт>0,6 и Ki>0,8 -средней степени компетентности с Кт=0,3−0,6 и К|=0,5−0,8 -низкой степени компетентности с Кт=0,1−0,3 и Kf=0,3−0,5 и некомпетентные с Кт<0,1 и Ki<0,3.

5. Прогноз длительной устойчивости неоднородных склонов и откосов является более точным, если в расчётах показатели сопротивления сдвигу пород выбираются с учётом сравнения деформационных кривых этих пород.

6. На основе определения сдвиговых деформаций пород, допускаемых в неоднородном массиве, можно осуществить управление его длительной устойчивостью.

7. Возможность проведения надёжных и достоверных прогнозов длительной устойчивости склонов и откосов с учётом деформационных особенностей слагающих их пород может быть реализована на основе данных функционирования локального инженерно-геологического мониторинга.

8. Дальнейшие исследования механизма оползневых деформаций в неоднородных склонах и откосах представляют интерес с точки зрения рационального освоения территорий и предупреждения опасных геологических явлений. Дополнительных разработок требуют вопросы определения прочностных показателей пород с учётом характера их деформированияуточнения и детализации классификации пород по степени компетентностиорганизации локального литомониторинга на откосных сооружениях и другие важные аспекты затронутой проблемы.