Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве Советский патент 1991 года по МПК E02D1/00 G01N3/24 

Изобретение относится к строительству и может использоваться для определения параметров сдвига пород в натурных условиях.

Цель изобретения - повышение точности определения за счет оптимизации реальной формы поверхности скольжения на стадии подготовки основного оползневого смещения или после его завершения в массиве трещинноватых пород, а также учет структурных особенностей массива.

На фиг. 1 показана плоская линия скольжения (тип 1); на фиг.2 - то же, с одним плоским головным уступом (тип 2); на фиг.З - неравномерно-ступенчатая линия скольжения (тип 3), на фиг.4 и 5 - соответственно

частично мелкоступенчатая и мелкоступенчатая линии скольжения (типы 4 и 5); на фиг.6 - криволинейная линия скольжения (тип 6).

Указанные типы строения поверхностей скольжения оползней характеризуются следующими элементами 1 - расчетная линия скольжения; 2 - угол наклона поверхностей ослабления; 3 - трещина закола на верхней берме; 4 - выход поверхностей ослабления на откосе; 5 - головной уступ оползня простого строения; 6 - трещина заколе на откосе; 7 - головной уступ мелкоступенчатого строения (в зоне повышенной тре- щинноватости); 8 - мелкоступенчатая линия скольжения; 9 - генерализованная расчетО

VJ

vj | О

мая линия скольжения; 10 - сечение части расчетного отсека выше генерализованной линии скольжения и ниже мелкоступенчатой линии скольжения; 11 - то же, ниже генерализованной линии скольжения; 12 - бровка головного уступа; 13 - основание видимой части головного уступа; 14 - основание расчетной части головного уступа (точка пересечения линии расчетного головного уступа и поверхности ослабления на нижней границе блока с ненарушенной структурой); 15 - точка пересечения перпендикуляра, опущенного из точки 18, с расчетной линией срезания; 16 - основание откоса до начала деформации; 17 - язык оползня; 18 - подошва недеформированного блока на откосе; 19 - откос до начала его деформирования; 20 - граница расчетного отсека; 21 - номер расчетного блока.

Способ реализуют следующим образом.

Вначале устанавливают глубину расположения, угол наклона, форму и строение поверхности скольжения оползня в массиве трещинноватых пород. Для этого производят измерение элементов залегания согласных поверхностей ослабления, поперечных трещин и расстояний между ними на оползневом участке массива и вблизи него, с учетом чего оптимизируют расчетную поверхность скольжения на стадии подготовки основного оползневого смещения.

В зависимости от выделенных типов линий скольжения различаются виды оптимизации.

Тип 1 (фиг,1) предусматривает оптимизацию расчетной линии скольжения по измеренному углу 2 наклона поверхностей ослабления и по одной из фиксированных точек ее проявления на поверхности откоса (3 или 4).

Расчетную линию скольжения для типа

2(фиг.2) оптимизируют по измеренным углам 2 наклона поверхности ослабления и поперечной трещины и по двум фиксированным точкам их проявления на откосе (3, 4). Подошву головного уступа 5 оползня определяют как точку пересечения линии скольжения и поперечной трещины, унаследованной головным уступом 5.

Расчетную линию скольжения для типа

3(фиг.З) оптимизируют по измеренным углам 2 наклона поверхностей ослабления. Количество ступенек определяют по количеству трещин 6 закола, зафиксированных на откосе. Построение линии скольжения ведут сверху и снизу (встречное) с учетом угла наклона трещин 6 закола и выходов 4 зафиксированных поверхностей ослабления на откосе. При количестве ступенек более трех средний участок расчетной линии скольжения экстаполируют при условии постоянства угла падения поверхностей ослабления.

Тип 4 (фиг.4) характеризуется плоской и

мелкоступенчатой в головном уступе 7 поверхностью скольжения. Выдержанный плоский ее участок и подошву головного уступа 7 оползня определяют аналогично ти0 пу 3. Параметры мелкоступенчатого головного уступа 7 устанавливают по данным детального изучения зоны повышенной трещинноватости на обнажении вблизи или непосредственно на оползне.

5 Тип 5 (фиг.5) - мелкоступенчатая поверхность скольжения - характеризуется густой сетью поперечных, выдержанных по простиранию и прерывистых по падению трещин и частых согласных, падающих в

0 сторону выработанного пространства поверхностей ослабления. Параметры реальной мелкоступенчатой поверхности недоступны для непосредственных измерений в зоне скольжения. Без ущерба для точ5 ности определения общей длины расчетной линии скольжения ее оптимизируют в два этапа. На первом этапе графически отстраивают расчетную линию согласно средним значениям расстояний между поперечны0 ми и согласными трещинами и углов их падения по данным детальных измерений на обнажениях, полагая, что при начале процесса деформации, снизу вверх (при регрессивном развитии его) все попереч5 ные трещины, работающие только на разрыв, полностью унаследованы. На стадии подготовки основного оползневого смещения результирующая продольного перемещения по многочисленным мелким

0 ступенькам проявляется в головном уступе в виде четкой трещины 6 закола. Заранее также известна общая мощность основного де- формирующегося горизонта (ОДГ), локализующегося в границах тонкослоистого

5 мелкоблокового строения, выдержанного в пространстве пласта. При условии сохранения угла наклона трещин и поверхностей ослабления и неизменности объема смещающихся масс на втором этапе мел0 коступенчатую, полученную графическим путем линию 8 скольжения оптимизируют в виде двух - четырех ступеней (генерализованная линия 9). Неизменность общей длины расчетной линии скольжения очевидна,

5 а неизменность объемов смещения обосновывают равенством площадей участков сечения, расположенных выше генерализованной ступенчатой .линии 10 скольжения и ниже линии 11 и ограниченных мелкоступенчатой линией 8 скольжения.

В рассмотренном случае возможна прогнозная оценка расчетной линии скольжения и без четко выделяющихся визуально признаков смещения, т.е. при микросмещениях, которые могут быть зафиксированы только инструментально.

В типах 2-5 из общей длины линии скольжения вычитают длину участков, работающих только на разрыв, т.е. длину поперечных трещин.

Тип 6 (фиг.6) характеризуется сложным деформированием, когда выдержанные поверхности ослабления массива мелкоблокового строения падают вглубь откоса или залегают субгориэонтально. Криволинейную расчетную линию скольжения оптимизируют с учетом характерных фиксированных точек; бровки 12 головного уступа оползня, основания 13 видимой части головного уступа, основания 14 расчетной части головного уступа (в зоне отрыва), языка 17 оползня и основания 16 откоса до начала деформации. Отрезок расчетной линии скольжения между точками 16 и 17 устанавливают горизонтальным, угол наклона отрезка 16-15 принимают равным 45°. , а точку 15 - получают в основании перпендикуляра, опущенного из точки 18, расположенной в конце оползневого блока с ненарушенной структурой, но с измененным углом наклона поверхностей ослабления, угол наклона отрезка 13-14 сохраняют равным зафиксированному на отрезке 12-13, а точку 14 находят в месте пересечения линии 13-14 и линии вдоль выдержанной поверхности ослабления из точки 18, отрезок 14-15 составляет оставшуюся часть криволинейной линии скольжения.

Выделенные характерные точки отражают механизм и реальные условия деформирования откоса, в том числе сейсмическое воздействие массовых взрывов. Выделенные границы расчетных отсеков по углам наклона расчетных участков линии скольжения имеют физический смысл, подтверждаются натурными наблюдениями в карьерах и оправдывают применение расчетного метода прислоненных откосов.

Всего выделяют четыре расчетных отсека.

I отсек - зона смещения без существенного нарушения структуры массива с сохранением угла наклона линии скольжения, замеренного в обнажении головного уступа. Угол наклона выдержанных поверхностей ослабления изменяется за счет запрокидывания блока, но остается постоянным в его пределах. Четко фиксируется визуально.

Смещение блока происходит с наследова-. нием поверхности ослабления вдоль поперечной трещины в виде проседания после отрыва под сейсмическим воздействием от 5 массовых взрывов.

IIотсек - характеризуется смешанным разрушением: как по целику, так и по поверхностям ослабления за счет сейсмического воздействия массовых взрывов и веса

0 вышерасположенного блока.

IIIотсек - зона срезания за счет сейсмического воздействия массовых взрывов.

IVзона - надвигание оползневого тела на берму.

5 Зоны IHV характеризуются нарушенными, с невыдержанными углами наклона поверхностями ослабления и трещинами, четко фиксируются визуально на деформированных участках откосов.

0 Для получения обобщенного значения величины сцепления по оползневой поверхности на стадии подготовки основного смещения составляют уравнение предельного равновесия с учетом определенной длины

5 расчетной линии скольжения, плотности пород и тангенса угла внутреннего трения, который получают по данным сдвигов целиков, выкроенных трещинами, вблизи оползня, что более полно отражает реальные

0 условия деформирования и механизм смещения, чем при лабораторных исследованиях на образцах.

По полученным данным определяют относительную долю различных прочностей

5 (в целике и собственно по поверхностям ослабления), обусловливающих устойчивость откосов. Это определение основывается на малой изменчивости значений угла внутреннего трения скальных пород при

0 различных способах его получения и реализуется на основе решения уравнений ах + by с,

х + у д,(1)

где а - удельное сцепление на поверхности

5 ослабления,полученное по данным сдвигов целиков на откосе;

b - то же, в целике (по данным лабораторных испытаний на образцах); с - общее сцепление по всей длине расчет0 ной линии скольжения по данным обратного расчета;

х - длина участка линии скольжения, где смещение происходит с наследованием поверхности ослабления;

5 у - то же, за счет срезания выступов на поверхности скольжения,

g - общая длина расчетной линии скольжения.

Соотношение х и у (в %) от общей длины расчетной линии скольжения выражает относительную долю различной прочности при деформировании откосов.

Пример. Анализируется случай оползания с формированием мелкоступенчатой поверхности скольжения в зоне оперения дизъюнктивного тектонического нарушения (тип 5). Плотность пород 2,5 т/м , угол внутреннего трения р 30° и сцепление с - - 0,5 т/м2 (по данным сдвигов целиков портативным устройством по блестящим отполированным поверхностям ослабления).

На фиг.5 построены мелкоступенчатая 8 и генерализованная 9 линии скольжения. Мелкоступенчатая линия 8 скольжения построена по средним параметрам: угол наклона согласных блестящих поверхностей ослабления 38°, расстояние между ними 0,5 м, расстояние между поперечными вертикальными трещинами 1,5 м, мощность основного деформирующегося горизонта б м (локализующегося в зоне оперения дизъюнктива), высота уступа 15 м, ширина верхней бермы б м, угол откоса уступа 60°.

Исходные расчетные данные сведены в табл,1.

Сцепление в массиве рассчитывают из уравнения предельного равновесия;

SPrcosortg +cHi 2Pi sines, (2)

где PI - вес блока породы т;

сц - угол наклона линии скольжения оползня,град;

li - длина расчетной линии скольжения, м.

0,58-212 + 17,5 с - 135; с - 0,685 т/м2.

Таким образом, обобщенные параметры сопротивления сдвигу пород равны: р 30°, с 0,685 т/м2.

Несущественное отличие величины сцепления по данным сдвигов целиков (0,5 т/м2) и по данным обратного расчета (0,685 т/м2) связано с выдержанным характером и однородностью строения поверхностей ослабления тектонического происхождения, имеющих блестящие отполированные поверхности. Это увеличение (порядка 37%) может быть объяснено несовпадением направления движения оползня и тектонических блоков, а также наличием некоторого эффекта частичного и неравномерного залечивания тектонических поверхностей ослабления процессами вторичного минералообразова- ния. Все это объединяется общим понятием масштабный фактор; который не может быть учтен в полном объеме ни лабораторными испытаниями на образцах породы, ни полевыми сдвигами как мелких, так и крупномасштабных целиков и блоков.

Анализируется сложный случай оползания с формированием криволинейной поверхности скольжения в породах мелкоблокового строения с падением поверхностей ослабления (слоистости) вглубь массива в условиях сейсмического воздействия массовых взрывов (тип 6). Плотность пород 2,55 т/м3, угол внутреннего трения 38°, сцепление 2 т/м2 (по данным сдвигов мелких целиков портативным сдвиговым устройством по трещинам с шероховатыми

поверхностями)..

На фиг.6 графически построена расчетная криволинейная линия скольжения по данным измерений, выполненных в натуре рулеткой и горным компасом.

Угол наклона слоистости вглубь массива 12°, в смещенном (ненарушенном) блоке 20°, угол откоса уступа до смещения 60°, высота уступа 15 м, угол наклона головного уступа оползня 70°, видимая длина головного уступа 2,5 м, его расчетная длина 7,5 м, угол наклона линии скольжения на отрезке 16-15 26° (45 - р 45-19:26°).

Исходные расчетные данные сведены в табл.2.

Составляют уравнение предельного равновесия

35

2Pi(cosoi - m sina i) tg p 4- с Hi 2 Pi sin «+2 Pi m cos « ,

(3)

142 -0,78+ 15 -c 26,5т/м2.

270 + 247; с

Относительную долю прочности в целике и по частично унаследованным поверхностям ослабления (при величине сцепления в образце 110 т/м2) вычисляют по формуле (1). Длина х (по поверхностям ослабления) равна 11,5 м, длина у (по целикуп) равна 3,5 мм. Таким образом, прочность по целику составляет порядка 23%. При этом разрушение по целику происходит в зоне срезания (отсек III) преимущественно, где в максимальной степени воздействуют

массовые взрывы и концентрируются касательные напряжения.

После первичного смещения оползневый блок в статических условиях приобретает новые условия равновесия с запасом

устойчивости Ку 1,25 согласно расчету при допущении о существовании сформировавшейся поверхности скольжения с остаточной (установившейся) прочностью: 0 -38°ис-2т/м2.

Исходные данные для такого расчета приведены в табл.З,

По уравнению предельного равновесия (2) имеем

332 -0,78 2x24 Ку 247, Ку 1,25.

Запас устойчивости такого оползневого блока снизится до единицы в условиях вось- мибального сейсмического воздействия, что вполне вероятно при проведении массовых взрывов в карьере.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я .

1. Способ натурного определения параметров сопротивления сдвигу пород в массиве, включающий измерение поперечного профиля до и после завершения оползневой подвижки, определение параметров поверхности скольжения, плотности породы и угла внутреннего трения и составление с учетом полученных данных уравнения предельного равновесия, по которому рассчитывают величину сцепления породы в мае-; сиве, отличающийся тем. что, с целью повышения точности определения за счет оптимизации реальной формы поверхности

скольжения на стадии подготовки основного оползневого смещения или после его завершения в массиве трещинноватых пород, дополнительно производят измерение элементов залегания согласных

0 оползнеопасных и поперечных трещин и расстояний между ними на оползневом участке массива и в непосредственной близости от него, а параметры поверхности скольжения определяют с учетом этих изме5 ренных данных путем графических построений,

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью учета структурных особенностей массива, угол внутреннего трения

0 определяют путем сдвига целика, ограниченного трещинами на оползневом участке массива или вблизи него.

Изобретение относится к строительству и может использоваться для определения параметров сдвига пород в натурных условиях. Цель изобретения - повышение точности определения за счет оптимизации реальной формы поверхности скольжения на стадии подготовки основного оползневого смещения или после его завершения в массиве трещинноватых пород. Натурное определение параметров сопротивления сдвигу пород в массиве включает измерение поперечного профиля оползневой подвижки с определением параметров поверхности скольжения, плотности породы и угла внутреннего трения (φ), используемых для составления уравнения предельного равновесия и расчета величины сцепления породы в массиве. Параметры поверхности скольжения определяют с учетом дополнительно измеренных элементов залегания согласных оползнеопасных и поперечных трещин и расстояний между ними на оползне и вблизи него. Для учета структурных особенностей массива φ определяют путем сдвига целика в массиве. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

В связи с постоянством угла наклона ослабленных поверхностей расчетные отсеки I и II объединены.

Примечание, m 0.75 при 12-балльном сотрясении (в зоне откольных явлений) по шкале ГОСТ.

Таблица 1

Таблица 2

Фие.1

Фиг.1

Таблица 3

фиг.З

;;

Фиг. 5

11

Фиг, б