СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ В ОПОЛЗНЕОПАСНОМ КОРЕННОМ МАССИВЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ГОРИЗОНТА Российский патент 2011 года по МПК E02D3/00 E02D17/20 

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 [2].

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, что необходимо для контроля устойчивости оползнеопасного коренного массива, обеспечения безопасности существующих на участке инженерных сооружений и для проектирования эффективных защитных мероприятий.

Это достигается тем, что способ определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта путем выявления горизонта с минимальным соотношением между значениями вертикального давления на горизонт, на участке склона у подножья оползнеопасного коренного массива, -фактическим и критическим, 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 Z_u=Н;

нижняя граница Z_l=h+H,

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

В зоне расположения потенциально деформирующегося горизонта для каждого промежуточного i-ro горизонта с глубиной заложения H<Z_i<h+H нa 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/; σ_f,i и σ_cr,i - 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 φ₁ - соответственно значения сцепления /кН/м² / и угла внутреннего трения (в градусах) грунта i-ro 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 Кi для ряда горизонтов на глубинах Н<Z_i<h+Н, устанавливают минимальное значение K_i=K_min и выявляют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта

где K_min - минимальная величина отношений К_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 H<Z_i<h+H; 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 деформирующимся 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 Zd - 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 деформирующимся 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.

На фиг.1 изображен поперечный разрез склона с оползнеопасным коренным массивом.

На фиг.2 - разрез оползневого склона с очертанием бровки склона в плане.

Способ осуществляют следующим образом.

По данным обследования территории, результатам проведенных инженерных изысканий определяют участок склона с оползнеопасным коренным массивом (1), измеряют высоту откоса Н оползнеопасного коренного массива, как превышение его бровки (4) над подножьем, и высоту склона h - превышение бровки над базисом денудации (5).

Далее определяются верхняя и нижняя границы по глубине оползнеопасного коренного массива, между которыми находится зона (6) расположения потенциально деформирующегося горизонта (3). Известно, что поверхность скольжения глубоких оползней может выходить на поверхность склона, между глубинами Z_u=H и Z_l=h, так называемые «висячие» оползни, и может быть глубже Z_l=h, как правило, в пределах глубины Z_l=h+H.

В зоне (6) расположения потенциально деформирующегося горизонта выделяют несколько горизонтов Z_i, особенно с учетом слоев с относительно низкими значениями характеристик сцепления (c_i) и угла внутреннего трения (φ_i) грунтов. Для каждого i-го горизонта (2) определяются: фактическое вертикальное давление на горизонт на глубине Z_i на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива (1),σ_f,i=γ_f,i·(Z_i-H); критическое значение вертикального давления вышележащих пластов на этом же участке склона на глубине Z_i, и отношение где Z_i - глубина заложения i-го горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона; σ_f,i и σ_cr,i - соответственно фактическое и критическое значения вертикального давления на i-ый горизонт; 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; Н - высота откоса оползнеопасного коренного массива; c_i и φ_i - соответственно значения сцепления и угла внутреннего трения грунта на глубине Z_i; К_i - отношение фактического значения вертикального давления σ_f,i на i-ый горизонт к критическому значению вертикального давления σ_cr,i на тот же горизонт на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива. Затем определяют значения отношения K_i для ряда горизонтов в зоне (6) оползнеопасного коренного массива и устанавливают минимальное значение K_min, с учетом которого определяют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта, в котором при развитии оползневого процесса происходят раздавливание, сдвиговые деформации и формируется поверхность скольжения, ,

где Z_d - глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона; 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 H<Z_i<h+H; 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 деформирующимся горизонтом; c_d и φ_d - соответственно значения сцепления и угла внутреннего трения грунта потенциально деформирующегося горизонта.

На участке с существующим оползневым цирком с радиусом R (фиг.2) изгиба бровки (4) оползневое тело (8) представлено блоками, отделившимися в разное время от коренного массива (1) в верхней части склона, смещенными по поверхности скольжения (6) и в разной степени разрушенными. По оси (7) цирка измеряют критическое значение высоты откоса оползнеопасного коренного массива по превышению его бровки в осевой части цирка над средней выположенной частью оползневого склона, измеряют радиус R изгиба оползневого цирка в плане и определяют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта (3) 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.

Пример 1

В Москве на берегу р.Москва по ул. Кульнева проектируется подземный дюкер. Высота откоса оползнеопасного коренного массива составляет 11 м. В верхней части коренного массива залегают четвертичные отложения, представленные преимущественно песчаными относительно прочными грунтами. В интервале глубин 13,3-18 м залегают юрские глины волжского яруса (ИГЭ 5 и 5а), а ниже - юрские глины оксфордского яруса (ИГЭ 6 и 6а), которые на глубине 30 м подстилаются известняками карбона. В соответствии с геологическим строением зона расположения потенциально деформирующегося горизонта находится между кровлей юрских глин волжского яруса и подошвой юрских глин оксфордского яруса, т.е. в пределах интервала глубин H<Z_i<h+H. Инженерно-геологические элементы с индексом (а) находятся у контактов между слоями и имеют пониженные значения параметров прочности в связи с избыточным увлажнением. Расчеты К_i сведены в таблицу. Установлено, что пригрузки в нижней части склона и соответственно σ_f,i недостаточно, чтобы уравновесить напряженное состояние в коренном массиве, при размещении деформирующегося горизонта в слое волжских глин и в верхней приконтактной зоне оксфордских глин (в этой зоне K_i<1). Кроме того, и на глубине Z_i=29 м (ИГЭ 6а) имеет место снижение К_i по сравнению с глубиной Z_i=24 м. Таким образом, вся толща юрских глин может быть вовлечена в оползневое деформирование, и необходимо укреплять откос оползнеопасного коренного массива до прочных известняков карбона.

Таблица Расчеты отношений К_i. № горизонта № ИГЭ Удельный вес грунта, γ_i, кН/м³ Угол внутреннего трения φ_i, град Удельное сцепление c_l, кПа Глубина горизонта от поверхности плато, Z_i, м Структурная прочность 2с_i·tg(45+φ_i/2), кН/м² γ_i·Z_i, м σ_cr,i/γ_i, м σ_f,i/γ_i, м Отношение 1 5а 19,2 23 18 13,6 54,4 10,8 6,88 2,6 0,38 2 5а 18,9 23 18 16,1 54,4 12,2 7,77 5,1 0,66 3 5а 18,7 23 18 18,6 54,4 15,7 10,0 7,6 0,76 4 6а 18,65 21 23 19 66,9 15,4 9,8 8,0 0,82 5 6 18,3 20 62 24 177,1 14,3 9,1 13,0 1,43 6 6а 17,9 21 23 29 66,9 25,3 16,1 19,0 1,18

Следует отметить, что в соответствии с низкими значениями К_i (меньшими единицы) откос коренного массива находится в запредельном состоянии и должен испытывать деформации. Действительно, на поверхности откоса имелись следы проявления оползневых деформаций (многочисленные трещины). Отсутствие масштабного нарушения устойчивости откоса может быть объяснено наличием в массиве откоса всевозможных строительных конструкций, армирующих массив, влияние которых было трудно учесть в расчетах.

Пример 2

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=22°; R=180 м; Н_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 противооползневых мероприятий. М.: ГЕОС.2008. 247 с.

Изобретение относится к строительству, 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. Технический результат - заблаговременное выявление в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта, в котором формируется основная поверхность скольжения оползня при нарушении устойчивости массива. Это достигается тем, что способ определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта путем выявления горизонта с минимальным соотношением между значениями вертикального давления на горизонт на участке склона у подножья оползнеопасного коренного массива - фактическим и критическим, включает определение угла внутреннего трения, сцепления и удельного веса грунтов, измерения 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, в зоне расположения потенциально деформирующегося горизонта для каждого промежуточного i-гo горизонта с глубиной заложения H<Z_i<h+H на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива определяют: значения вертикального давления на i-ый горизонт: фактическое значение, критическое значение и их отношение, устанавливают минимальное значение K_i=K_min и выявляют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта по математической зависимости. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта путем выявления горизонта с минимальным соотношением между значениями вертикального давления на горизонт на участке склона у подножья оползнеопасного коренного массива - фактическим и критическим, включая определение угла внутреннего трения и удельного веса грунтов, измерения высоты откоса оползнеопасного коренного массива и высоты склона, причем для повышения точности определения глубины заложения в оползнеопасном коренном массиве потенциально деформирующегося горизонта выделяют границы по глубине оползнеопасного коренного массива склона зоны расположения потенциально деформирующегося горизонта: верхняя граница Z_u=H; нижняя граница Z_i=h+H, где Z_n и Z_i - соответственно верхняя и нижняя границы зоны расположения потенциально деформирующегося горизонта, м; Н и h - соответственно высота откоса оползнеопасного коренного массива и высота склона, м, в зоне расположения потенциально деформирующегося горизонта для каждого промежуточного i-ro горизонта с глубиной заложения H<Z_i<h+H на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива определяют: значения вертикального давления на i-й горизонт:
фактическое значение
критическое значение
и отношение
где Z_i - глубина заложения i-ro горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона, м; σ_f,i и σ_cr,i - соответственно фактическое и критическое значения вертикального давления на i-й 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-м 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; с_i и φ_i - соответственно значения сцепления, кН/м², и угла внутреннего трения (в градусах) грунта i-ro горизонта; K_i - отношение фактического значения вертикального давления на i-й горизонт к критическому значению на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива, определяя значения отношения K_i для ряда горизонтов на глубинах H<Z_i<h+H, 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-й горизонт к критическому значению на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива для ряда горизонтов с глубинами заложения H<Z_i<h+H; 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.

2. Способ по п.1. отличающийся тем, что 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 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.