СПОСОБ НАТУРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ ПОРОД В МАССИВЕ Российский патент 1995 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и строительству, предназначено для определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве в натурных условиях с учетом масштабного эффекта в полном объеме (обратный расчет).

Известен способ [1] натурного определения параметров сопротивления пород сдвигу, включающий измерение элементов поперечного профиля до и после завершения оползневой подвижки, определение параметров реальной оползневой поверхности скольжения, плотности породы, действующих напряжений на момент смещения и составление двух уравнений предельного равновесия, по которым рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление.

Недостаток этого способа заключается в том, что при составлении второго уравнения предельного равновесия, характеризующего состояние откоса в момент прекращения оползневой подвижки, принимается допущение о нулевом значении сцепления, что противоречит физическому смыслу и не подтверждается экспериментами. Применение этого способа приводит к завышению угла внутреннего трения и, в конечном счете, к недостоверным результатам.

Целью изобретения является повышение точности определения параметров сопротивления сдвигу за счет более полного учета динамики процесса оползневого смещения.

Цель достигается тем, что в условиях, приближенных к натурным, измеряют на образцах грунта или полевыми сдвигами портативным устройством пиковую (в момент начала сдвига) и установившуюся в процессе перемещения с постоянной скоростью прочность непосредственно в зоне основного деформирующегося горизонта (ОДГ) или на оползневой поверхности скольжения, по данным этих измерений определяют три коэффициента снижения параметров прочности при перемещении: сцепления (К_с), угла внутреннего трения (K_tgϕ) и общего сопротивления сдвину (K_τ) делением соответствующих параметров сдвига, полученных при перемещении с постоянной скоростью, на их значения, полученные при фиксировании пиковой прочности, подставляют эти коэффициенты во второе уравнение предельного равновесия, характеризующее устойчивость откоса после начала оползневой подвижки, решают два уравнения предельного равновесия с двумя неизвестными относительно сцепления и угла внутреннего трения и получают их истинные значения для конкретного рассмотренного случая с учетом масштабного эффекта в полном объеме в момент начала оползневой подвижки, то есть при реализации пиковой прочности.

В случае, когда поперечник после завершения основной оползневой подвижки сильно изменился за счет существенного надвигания языка оползня на площадку в основании откоса, когда второе уравнение предельного равновесия уже не отражает сопоставимых условий деформирования на стадии завершения оползневой подвижки с моментом ее начала, его составляют при тех же напряжениях от веса пород и длине поверхности скольжения, что и в первом уравнении, но с понижающими коэффициентами параметров прочности при перемещении с постоянной скоростью, зафиксированной в эксперименте, то же делается и на стадии подготовки основного оползневого смещения, когда образуются трещины закола на бровке уступа и произошли микросмещения, которые фиксируются только высокоточными инструментальными измерениями, но ощутимо не отражаются на изменении напряжений от веса пород, поверхности откоса и длине поверхности скольжения.

На чертеже изображен расчетный поперечник, построенный по данным детальных инженерно-геологических исследований и инструментальных измерений элементов профиля.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 нижняя граница ОДГ; 2 верхняя граница ОДГ; 3 ОДГ; 4 ступенчатая поверхность скольжения; 5 граница расчетного отсека; 6 расчетный отсек; 7 номер расчетного отсека; 8 контур откоса до оползания; 9 уровень подземных вод; 10 оползневые накопления (массы); 11 подстилающие оползень породы (пески).

Способ осуществляют следующим образом.

В условиях, приближенных к натурным, измеряют на образцах грунта или полевыми сдвигами портативным устройством пиковую (в момент начала сдвига) и установившуюся в процессе перемещения с постоянной скоростью прочность непосредственно в зоне основного деформирующего горизонта (ОДГ) или на оползневой плоскости скольжения. По данным измерений стандартными методами по ГОСТ 12248-78 и ГОСТ 20522-75 вычисляют расчетные значения сцепления С^р, тангенса угла внутреннего трения tgϕ^p и общего сопротивления сдвигу τ^p, как при пиковой прочности, так и при установившейся, при заданной доверительной вероятности.

Полученные таким образом расчетные параметры прочности не учитывают в полном объеме масштабного эффекта реально деформирующихся откосов. Полученные значения С и ϕ используют в обратном расчете. Для этого сначала определяют три коэффициента сцепления прочности при перемещении:
K_c= ; K_tgϕ= K_τ= где К_с коэффициент снижения сцепления;
K_tgϕ- то же, угла внутреннего трения;
K_τ- -"-, общего сопротивления сдви-гу;
С_max^p; tgϕ_max^p; τ_max^p- пиковые расчетные значения С, tgϕи τ
С_min^p; tgϕ_min; τ_min^p то же, установившиеся при перемещении с постоянной скоростью.

Фиксирование установившейся при перемещении с постоянной скоростью прочности позволяет получить результаты, которые можно сравнить, так как известно, что на характер деформирования влияет скорость приложения сдвигающих нагрузок. Без фиксирования и выдерживания скорости постоянной полученные результаты не будут сопоставимы между собой, так как проводились при разных условиях, то есть при различных скоростях. Постоянство скорости перемещения достигается приложением сдвигающего усилия через вороток, подобно тому, как это сделано в сдвиговом приборе ВСВ-1 с использованием специальной рейки. Наиболее удобно использовать скорость 1 см/с, перемещая сдвиговую обойму под счет.

Производят натурные измерения элементов поперечного профиля после начала (завершения) подвижки, определяют ОДГ (1-3), линию скольжения (4) границы расчетных отсеков 5-7, устанавливают контур 8 до начала смещения и уровень 9 подземных вод, определяют плотность пород, вычисляют действующие в уступе напряжения от веса пород по каждому расчетному отсеку с учетом силового воздействия подземных вод, измеряют объем сместившихся масс 10 и устанавливают характер подстилающих их пород 11.

Составляют два уравнения предельного равновесия (до и после начала оползневой подвижки). При этом во второе уравнение равновесия к значениям tgϕС и τ, где τ является аналогом силы сопротивления сдвигу ΣP_i¹sin α_i, подставляют понижающие коэффициенты. В общем виде эти уравнения с учетом взвешивания и фильтрационного давления подземных вод имеют вид: Σ(P_i¹cos α_i+ ΣΦ_i^N)˙ tgϕ+ ΣCl_i ΣP_i¹sin α_i+ ΣΦ_i^т (1) Σ(P_i¹cos α_i+ ΣΦ_i^N) ˙tgϕ˙K_tgϕ+ΣCl_i x x K_c (ΣP_i¹sin α_i+ ΣΦ_i^т) ^. K_τ (2) где Р_i¹ вес i-го отсека с учетом взвешивания подземными водами, МН;
l_i участок линии скольжения i-го отсека, м;
ϕ- угол внутреннего трения, град;
С сцепление, КПа;
Φ_i^т- тангенциальная составляющая фильтрационного давления подземных вод, МН;
Φ_i^N- то же, нормальная составляющая, МН;
K_tgϕ; K_c; K_τ- понижающие коэффициенты прочности.

Решают эти два уравнения относительно С и ϕ и получают их истинные значения для рассмотреннего конкретного случая с учетом масштабного эффекта в полном объеме, то есть при реализации пиковой прочности.

В общем виде
tgϕ подставляя полученные значения в уравнение (1), получают искомое значение С.

В случае, когда после завершения основной оползневой подвижки происходит сильное изменение поперечного профиля откоса со значительным наползанием языка на площадку в основании откоса, более четко проявляется деформация и линия скольжения. Поэтому в этом случае могут быть получены оптимальные условия применения предлагаемого изобретения. При использовании прототипа это случай наибольшего отклонения от истинных значений параметров прочности.

В случае когда оползень четко зафиксирован на стадии подготовки основного оползневого смещения (по трещинам закола) основные трудности связаны с определением нечетко проявившейся поверхности скольжения. При использовании прототипа этот случай вообще исключается из рассмотрения.

Критерием для использования измененных напряжений и длины поверхности скольжения может служить величина надвигания языка оползня на площадку в основании откоса. Опытным путем установлено, что увеличение длины поверхности скольжения за счет наползания языка оползня на площадку в основании откоса более 10% создает условия более предпочтительные для сохранения величин напряжений и длины поверхности скольжения в обоих уравнениях предельного равновесия неизменными.

П р и м е р. Анализ оползневого уступа на одном из карьеров ВКФР высотой 12,6 м, крутизной 33^о, сложенного мелкотрещиноватыми слоистыми глинами юрского возраста с падением слоев в сторону выработанного пространства под углом 12^о, обводненным в нижней части, с плотностью грунтов, равной 0,02 МН/м³.

На чертеже приведен расчетный поперечник в масштабе 1:200. Границы 1, 2 ОДГ 3 определены по данным разведки. ОДГ представлен обводненной частью трещиноватых глин. Мощность его 2,2 м. Поверхность 4 скольжения изучалась после разборки оползня. Обусловлена она геологическим строением уступа и имеет ступенчатый профиль, наследуя ослабленные поверхности в массиве. Наклонные ее участки приурочены к поверхностям напластования, а вертикальные к тектоническим трещинам. Границы 5 расчетных отсеков 6 определялись с учетом напряженного состояния, их обводненности и механизма деформирования.

Как видно из поперечника, наползание языка очень существенно 10 м или 40 ее от общей длины. Поэтому применялась схема, когда напряжения и длина поверхности скольжения в обоих уравнениях предельного равновесия остаются неизменными.

Исходные данные для проведения обратного расчета приведены в табл.1.

По данным экспериментов на сдвиг портативным устройством непосредственно на обнаженной поверхности скольжения в натурных условиях были получены расчетные значения С^p,ϕ^p и τ^p при односторонней доверительной вероятности, равной 0,85. Результаты экспериментов приведены в табл.2.

Далее по формулам (1) и (2) были составлены численные уравнения предельного равновесия с учетом вычисленных понижающих коэффициентов.

1,903 tg ϕ+ 23 ^. C 0,479,
1,903 tgϕ x 0,95 + 23^.Сх0,867 0,479 х x0,939 по фоpмуле (3)
tgϕ Производя необходимые вычисления, получают:
С 2,72 КПа; tgϕ= 0,219 ( ϕ= 12^о25').

Таким образом истинные значения довольно существенно отличаются от экспериментальных данных (табл. 2). Особенно существенно отличается сцепления (почти в два раза), что соответствует масштабам эксперимента, физическому смыслу и накопленному опыту оценки устойчивости откосов. Более консервативно значение угла внутреннего трения, что также отмечается многочисленными исследователями прочности пород. На масштаб испытаний (образец натура) главным образом реагирует сцепление.

Для сравнения приводятся результаты оценки прочности по известному способу, основанному на допущении, что величина сцепления в конце подвижки равна нулю: угол внутреннего трения 14^о; сцепление 1,6 КПа.

Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве включает измерение элементов поперечного профиля до и после завершения оползневой подвижки, определение параметров реальной оползневой поверхности скольжения, плотности пород, действующих на момент смещения напряжений и составление с учетом полученных данных двух уравнений предельного равновесия, по которым рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление, причем измеряют на образцах грунта или полевыми сдвигами портативным устройством пиковую и установившуюся в процессе перемещения с постоянной скоростью прочность непосредственно в зоне основного деформирующегося горизонта или на оползневой плоскости скольжения, по данным этих измерений определяют три коэффициента снижения параметров прочности при перемещении: сцепления, угла внутреннего трения и общего сопротивления сдвигу делением соответствующих параметров сдвига, полученных при перемещении с постоянной скоростью, на значения, полученные при фиксированной пиковой прочности, эти коэффициенты подставляют во второе уравнение предельного равновесия, характеризующее устойчивость откоса после начала оползневой подвижки, решают два уравнения предельного равновесия и получают истинные значения угла внутреннего трения и сцепления с учетом масштабного фактора в полном объеме в момент начала оползневой подвижки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. СПОСОБ НАТУРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ ПОРОД В МАССИВЕ, включающий измерение элементов поперечного профиля до и после завершения оползневой подвижки, определение параметров реальной оползневой поверхности скольжения, плотности пород, действующих на момент смещения напряжений, и составление с учетом полученных данных двух уравнений предельного равновесия, по которым рассчитывают угол внутреннего трения и сцепление, отличающийся тем, что измеряют на образцах грунта или полевыми сдвигами портативным устройством пиковую (в момент начала сдвига) и установившуюся в процессе перемещения с постоянной скоростью прочность непосредственно в зоне основного деформирующегося горизонта или на оползневой плоскости скольжения, по данным этих измерений определяют три коэффициента снижения параметров прочности при перемещении: сцепления, угла внутреннего трения, и общего сопротивления сдвигу делением соответствующих параметров сдвига, полученных при перемещении с постоянной скоростью, на значения, полученные при фиксировании пиковой прочности, эти коэффициенты подставляют во второе уравнение предельного равновесия, характеризующее устойчивость откоса после начала оползневой подвижки, решают два уравнения предельного равновесия и получают истинные значения угла внутреннего трения и сцепления с учетом масштабного фактора в полном объеме в момент начала оползневой подвижки, то есть при реализации пиковой прочности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда второе уравнение не отражает сопоставимых условий деформирования, на стадии завершения оползневой подвижки с момента ее начала, когда поперечный профиль после завершения подвижки сильно изменился из-за существенного надвигания языка оползня на площадку в основании откоса, а также на стадии подготовки основного оползневого смещения, когда образуются трещины закола и микросмещения фиксируются только высокоточными инструментальными измерениями, второе уравнение предельного равновесия составляют при тех же напряжениях от веса пород и длине поверхности скольжения, что и в первом уравнении, но с понижающими коэффициентами параметров прочности при перемещении с постоянной скоростью, зафиксированной в эксперименте.