Особенности механизма формирования предельного состояния оползнеопасного массива и смещения оползневого блока

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Глубокие блоковые оползни типа сжатия-выдавливания [9] имеют достаточно сложный механизм формирования и развития. Это связано с образованием массивных оползневых блоков, которые отделяются от коренного массива и оседают по крутой криволинейной поверхности смещения, переходящей в нижней части в почти горизонтальную. Существование блоковой структуры оползневого массива нередко пытаются увязывать с исходной тектонической нарушенностью массива, наличием соответствующих линеаментов и шовных зон [6, 14]. Образование почти горизонтальной поверхности смещения оползневого массива объясняют литологическим строением с горизонтальным залеганием слоев и/или наличием слабого слоя в коренном массиве [2, 5, 7, 8]. При анализе оползневого процесса на откосах карьеров также иногда выявляют унаследованную поверхность скольжения при развитии в прошлом древних оползней [3]. Есть попытки выделения (по механизму движения) отдельно оползня срезания-сдвига (процесс отделения блока от краевой части плато и его смещение по криволинейной поверхности смещения) и скольжения-течения (перемещение оползневого массива, состоящего из ранее смещенных частично разрушенных блоков). В частности, такое мнение высказывал И.О. Тихвинский по таким участкам, как оползень на альбском откосе Волжского склона на северо-восточной окраине г. Ульяновска, оползни Свияжского склона в том же городе; Соколова гора в Саратове; оползень волжского склона близ Нижнего Новгорода [13]. Подобные суждения были и по блоковым оползням на участке Лагерный сад (г. Томск), а также по оползневому участку на береговом склоне р. Пехорки (г. Железнодорожный). При этом забывается о цельности процесса развития деформаций массива в течение оползневого цикла и о возможном искажении механизма и причин подготовки оползневых блоков соответствующих размеров.

С другой стороны, необходимо отметить, что большое разнообразие проявлений блоковых оползней сжатия-выдавливания, в том числе во взаимодействии с оползнями других типов, может вызвать затруднения в распознавании основного механизма формирования глубокого оползня и выявлении особенностей его развития в конкретных условиях. Между тем определение типа оползня, проявление которого связано с развитием глубоких подвижек крупных массивов, предусматривает необходимость учета ряда закономерностей деформирования грунтовых массивов, которые рассматриваются ниже.

ОПОЛЗНЕВОЙ ЦИКЛ И ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ ГЛУБОКОГО БЛОКОВОГО ОПОЛЗНЯ

В развитии оползневого процесса, в частности блоковых оползней сжатия-выдавливания, выделяются характерные периоды (стадии и фазы) в течение оползневого цикла. Оползневой цикл развития блокового оползня занимает время от начала образования оползневого блока и его отделения от коренного массива краевой части плато (фаза катастрофических смещений) до его полного оседания и перемещения с оползневым склоном (оползневым массивом, состоящим из ранее отделившихся от плато блоков). На заключительном этапе подвижек блоков образуется относительно ровная оползневая терраса (фаза затухания смещений, когда оползневые блоки создают на склоне единую ступень). В рельефе террасы могут иметь место ряды валов выпора по фронтальным границам оползневых блоков или бугры сжатия, но и в этих случаях выделяется уровень оседания оползневых блоков в завершении цикла. При этом возникает критическая ситуация по устойчивости коренного массива надоползневого уступа (рис. 1). Высота откоса уступа H_cr достигает критического значения по условию устойчивости подготовленного к оползанию блока в коренном массиве. Из рассмотрения напряженно-деформированного состояния оползнеопасного массива получено уравнение (1), определяющее предельное равновесие сил перед образованием оползневого блока по центральному створу оползневого очага [10]:

${\gamma }_i{Z}_{ai}-{\sigma }_{str,i}=\frac{\pi }{2}{\gamma }_i{Z}_{p,cr}$, (1)

$H_{cr} = Z_a - Z_{p,cr}$ , (2)

где γ_i – среднее значение удельного веса грунтов, залегающих над i-м горизонтом (уровнем A_sl) в оползнеопасном коренном массиве (см. рис. 1); Z_a,i – глубина до горизонта A_sl в коренном массиве; σ_str,i – структурная прочность грунта на горизонте A_sl коренного массива; Z_p,cr – критическая (расчетная) глубина до деформирующегося горизонта A_sl в массиве оползневых отложений, пригружающих откос коренного массива надоползневого уступа; a и p – индексы, характеризующие соответственно зоны формирования активного и относительно пассивного горизонтальных давлений на горизонте базиса оползания.

Рис. 1. Схематический разрез оползневого склона на заключительном этапе оползневого цикла развития глубокого блокового оползня сжатия-выдавливания: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – поверхность скольжения; 4 – трещина закола нового оползневого блока (начало нового оползневого цикла); Apl, Acr, Asl – уровни плато, оползневой террасы и поверхности скольжения (базиса оползания).

Возникает предельное состояние в указанном массиве, проявляется трещина закола, и формируется поверхность скольжения нового оползневого блока. Базис оползания устанавливается при образовании первого оползневого блока (начальное проявление оползневого процесса на участке) и сохраняется при образовании последующих блоков, составляющих оползневой массив.

Коренной массив на удалении от склона (т.е. при отсутствии влияния внешнего силового воздействия на массив) можно считать относительно равновесной системой. На горизонтах массива, где вертикальное давление σ_1i = γZ_i от веса вышележащей толщи грунта превышает структурную прочность грунта σ_str,i (предельное давление на грунт при одноосном сжатии) возникают нормальные друг к другу горизонтальные главные напряжения распора s_3i = s_2i = (s_1i – σ_str,i) tg²(45 – j/2).

Равновесие в точке соблюдается, когда напряжениям распора противостоят равные им напряжения отпора. Эти соотношения вытекают из закона Кулона-Мора [9]:

$\frac{{\sigma }_3}{{\sigma }_1-{\sigma }_{str}}=t{g}^2(45-\phi /2)$. (3)

Развитие смещений грунтовых масс в оползневом очаге оказывает влияние на состояние коренного массива в прибровочной части оползневого склона, в частности на его поле напряжений. В соответствии с теорией диссипативных структур И. Пригожина [12] и исследованием механизма формирования оползневых блоков [10, 11] блочная структура массива (в зоне влияния оползневого очага) проявляется в преобразовании исходного напряженного состояния.

Вероятно, блоки как диссипативные структуры [11, 12] образуются в поле напряжений оползнеопасного массива уже на начальном этапе развития оползневого процесса на участке. Влияние оползневого очага можно рассматривать как внешнее локальное силовое возмущение, вызывающее разгрузку горизонтальных напряжений отпора со стороны склона на уровне базиса оползания, противодействующих активным горизонтальным напряжениям распора в прилегающем к склону коренном массиве. В коренном массиве происходит перестройка исходного напряженного состояния в прилегающей к оползневому очагу зоне с образованием диссипативных структур в виде блоков-полуцилиндров.

Внутри блока в коренном массиве сохраняются исходное геологическое строение, свойства и гидрогеологические условия грунтов, равновесие в точке (в условиях сжатия в соответствии с критерием Кулона-Мора). По граничным круглоцилиндрическим поверхностям (оболочкам) блока происходит концентрация главных меридиональных (вертикальных) и широтных (горизонтальных) напряжений, при этом их значения могут в 10 и более раз превышать распорное давление в точках грунтового массива внутри блока в соответствии с теорией тонкостенных осесимметричных оболочек, а внешнее давление равно нулю [11]. Каждый из блоков в нижней точке по центральному сечению (рис. 2) находится в грунтах потенциально деформируемого горизонта A_sl – базиса оползания (в соответствии с исходными инженерно-геологическими характеристиками массива и параметрами оползня). Распространение в массиве диссипативных структур в виде блоков-полуцилиндров происходит подобно волнам в водной среде. При этом длина волны (радиус круглоцилиндрической поверхности) равен глубине Z_a, т.е. центры круговых сечений блоков отстоят друг от друга с шагом Z_a (см. рис. 2), обуславливая сложную структуру поля напряжений в коренном массиве, прилегающем к бровке оползневого очага [11].

Рис. 2. Схематический разрез оползневого склона с очертанием блоков-диссипативных структур в грунтовом массиве: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – границы блоков-диссипативных структур; Apl, Acr, Asl – уровни плато, оползневой террасы и поверхности скольжения.

ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ОТДЕЛЕНИЯ И ДВИЖЕНИЯ НОВОГО ОПОЛЗНЕВОГО БЛОКА

Условие равновесия между оползневым блоком и блоком надоползневого уступа (с границами в напряжениях) в коренном массиве с учетом центрального створа очага, т.е. наличия коэффициента π/2, имеет вид уравнения (1), или с учетом Z_p,cr = Z_a − H_cr, получим:

_{$Z_a-\frac{{\sigma }_{str}}{\gamma }=\frac{\pi }{2}{Z}_{p,cr}$.} (4)

Подготовка нового оползневого блока проходит в соответствии с процессами, происходящими во фронтальной его части, которая частично уже захвачена оползневым процессом (рис. 3). Площадка О₀О₁ в процессе образования оползневого блока 3 опускается от уровня плато A_pl до критического значения оползневой террасы A_cr. При этом тыловая часть блока находится в коренном залегании до тех пор, пока не будет достигнуто предельное состояние в оболочке блока – в нижней, наиболее нагруженной точке С₁ на горизонте A_sl , где в первую очередь происходит разгрузка горизонтальных напряжений. В предельном состоянии имеет место равновесие между блоками 3 и 4 (см. рис. 3), в соответствии с (4). Разрушительные деформации грунтового массива на начальном этапе нарушения равновесия блока концентрируются в узких границах его оболочки. Блок отделяется по всей вероятности одномоментно от низа до верха по тыловой его границе (оболочке). При этом предельное состояние в первую очередь достигается и нарушается в нижней части блока. Внутри блока распорное давление в грунтовой массе снижается, и смещение грунтов блока происходит под собственным весом в режиме одноосного сжатия при отсутствии сцепления по границам блока, где имеет место разрыв сплошности грунтовой среды. Соответственно при оседании блока верхние грунтовые слои в основном сохраняют свою исходную структуру, а грунты нижних горизонтов раздавливаются с образованием валов сжатия-выдавливания на участке контакта с оползневой террасой, что отмечается на многих разрезах оползневых склонов [4, 7, 11]. Интенсивность смещения нового блока зависит от взаимодействия с тыловой частью оползневой террасы, сил трения по образовавшейся поверхности скольжения (разрыву сплошности по граничной поверхности блока), в том числе с учетом влияния изменившихся инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Величина проседания отделившихся блоков в начальный период оползневого смещения может составлять десятки метров [3, 11, 13].

Рис. 3. Схема к выводу уравнения предельного равновесия оползнеопасного массива надоползневого уступа при формировании нового оползневого блока: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – смещенный оползневой блок с дневной поверхностью на уровне оползневой террасы в завершении оползневого цикла; 4 – блок I в массиве надоползневого уступа коренного массива по контакту с оползневой террасой.

После отделения от коренного массива новый оползневой блок (блок 4, см. рис. 3) приобретает новое качество. Блок оседает и оказывает активное давление на тыловую часть оползневого массива (блок 3, см. рис. 3), осуществляя детрузивный (толкающий) механизм смещения оползневых масс. Перед блоком в деформирующемся грунте, особенно в зоне нижней части блока (в районе базиса оползания), образуются, как указывалось выше, валы выпирания, которые нередко достигают поверхности оползневого массива. При этом оползневой массив мощностью Z_p оказывает пассивное сопротивление активному давлению нового блока (рис. 4).

Рис. 4. Схема к расчету устойчивости коренного массива в зоне формирования нового оползневого блока: 1 – оползнеопасный коренной грунтовый массив (зона «a»); 2 – оползневое тело смещенных грунтов (зона «p»); 3 – рассматриваемый деформирующийся горизонт грунта (на уровне поверхности скольжения оползня) с характеристиками φ, с и σstr; σ1а и σ1р – значения бытового давления соответственно в коренном массиве и теле оползня у стенки срыва; Нcr – критическое значение высоты стенки срыва, определяемое по (1).

В предельном состоянии между горизонтальными напряжениями в точках С₀ и С₁ блоков 3 и 4 (см. рис. 3) соблюдается равновесие:

${\sigma }_{3a}=\frac{\pi }{2}{\sigma }_{3p,cr}$, (5)

где σ_3a и σ_3p,cr – горизонтальные главные напряжения на горизонте базиса оползания на этапе предельного состояния массива надоползневого уступа.

После отделения блока и его превращения в часть оползневого массива в условии (4) блок 4 приобретает индекс (p). На горизонте A_sl (глубина Z_p,f, см. рис. 4) условие текущего равновесия горизонтальных главных напряжений на i-й момент времени, когда высота надоползневого уступа составит H_f = H_cr , в соответствии с изложенным выше, будет выглядеть следующим образом:

$\frac{\pi }{2}{\sigma }_{3p,f}={\sigma }_{3p,cr}$, (6)

или через вертикальные напряжения σ_1p,f = γZ_p,f:

$\frac{\pi }{2}\gamma Z_{p,f}t{g}^2\left(45-\frac{\phi }{2}\right)=\frac{\gamma Z_{p,cr}}{t{g}^2\left(45-\frac{\phi }{2}\right)}$, (7)

где Z_p,f – текущее значение высоты блока над плоскостью скольжения (основным деформирующимся горизонтом).

В выражении (7) учтено, что, оседая, новый оползневой блок оказывает активное вертикальное давление на грунты зоны смещения. В процессе смещения мощность блока Z_p,f постепенно снижается. При этом на горизонте A_sl возникают горизонтальные напряжения распора σ_3p,f. Оползневой массив мощностью Z_p,cr оказывает пассивное сопротивление, создавая отпор σ_3p,cr путем преодоления веса оползневых масс. В данном соотношении напряжений наибольшим (в критерии Кулона-Мора) является горизонтальное напряжение σ_3p,cr, а наименьшим – вертикальное давление от веса оползневых масс γZ_p,cr .

Из (7) можно определить условия, при которых дневная поверхность нового оползневого блока достигнет критического уровня оползневой террасы A_cr:

$Z_{p,f} = Z_{p,cr}, когда \frac{\pi }{2}=\frac{1}{t{g}^4\left(45-{\displaystyle \frac{\phi }{2}}\right)}.$ (8)

Условие (8) означает, что в процессе смещения исследуемого оползневого блока происходит снижение угла внутреннего трения до некоторого установившегося критического значения (при раздавливании грунтов зоны смещения и сдвижения блока по образованной поверхности скольжения), величина которого не зависит от исходной прочности и генетических особенностей грунта на данном горизонте.

На основании (8) в соответствии с теоретическими расчетами:

${\phi }_{cr} = 6°28’.$ (9)

Когда площадка блока сравняется с установившимся уровнем A_cr оползневой террасы, высота надоползневого уступа составит Н_cr (см. рис. 1, рис. 4).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ ГРУНТА В ЗОНЕ СМЕЩЕНИЯ ОПОЛЗНЕВОГО МАССИВА

В Днепропетровском институте железнодорожного транспорта в 1960-1970 гг. были проведены обширные исследования прочности глинистых грунтов в зоне смещения оползней [1]. Проводились лабораторные испытания сдвиговой прочности грунтов, физическое моделирование склонов и обратные расчеты (рис. 5).

Рис. 5. Среднее сопротивление сдвигу по поверхности скольжения оползней в глинистых грунтах, по А.Е. Туровской [15]: 1 – график остаточной прочности по данным лабораторных испытаний Sост = 9 + 0.14σ; 2 – график остаточной прочности по данным обратных расчетов для природных оползней Sе,ост = 4 + 0.07σ; оползни: 3 – в пластичных глинах; 4 – в жестких глинах; 5 – в полускальных породах.

По мнению А.Я. Туровской, выявленный разброс значений сопротивления сдвигу, полученных обратным расчетом по существующим 90 оползням (см. рис. 5), объясняется в значительной мере тем, что исследованные оползневые склоны находились на различных этапах развития, и поэтому сопротивление сдвигу по поверхности скольжения могло колебаться между пиковым и остаточным значениями. Установлено, что снижение сопротивления сдвигу по поверхности скольжения не завершается за один этап подвижки, а продолжается в течение нескольких периодов смещений. В результате в зоне смещения происходит ориентация частиц вдоль поверхности смещения с формированием соответствующего слоя, образуется своеобразная прослойка, которая за счет подтягивания влаги создает эффект автосмазки. Таким образом, сопротивление сдвигу снижается до остаточного значения, которое не зависит от первоначальной прочности грунта [15].

В соответствии с результатами экспериментальных исследований школы М.Н. Гольдштейна, угол внутреннего трения сопротивления сдвигу по поверхности скольжения оползневых массивов находится в интервале значений 4÷4.5° − 8÷8.5°, что хорошо согласуется с предложенными теоретическими расчетами (φ_cr= 6°28’).

ВЫВОДЫ

В поле напряжений коренного массива под влиянием оползневого очага образуются полуцилиндрические диссипативные структуры между горизонтом базиса оползания и дневной поверхностью массива. Формирование предельного состояния массива надоползневого уступа и образование оползневого блока происходят по граничным круглоцилиндрическим поверхностям диссипативных структур.

При формировании предельного состояния массива надоползневого уступа оползневой массив (в границах ранее отделившегося оползневого блока) создает пригрузку (активное вертикальное давление от веса оползневых масс) на горизонт базиса оползания, определяя взаимодействие оползневого массива и блока в поле напряжений коренного залегания грунтов.

Под весом грунтовых масс в оползневом блоке, отделившемся от коренного массива, в процессе его оседания происходит раздавливание и смятие грунтов в зоне базиса оползания. Сопротивление смещению оползневого блока по граничной поверхности, согласно теоретическим расчетам, зависит от величин угла внутреннего трения грунта, которые снижаются в процессе деформирования, и от пассивного сопротивления со стороны массива оползневой террасы. В уравнении равновесия горизонтальное давление блока по поверхности оползневого скольжения является наибольшим главным напряжением (распора, отпора), а вертикальное давление в оползневом массиве на этот горизонт − наименьшим.

Смещение блока и соответственно проявление давления от него на массив оползневой террасы происходят до тех пор, пока дневная поверхность блока не сравняется с установившимся уровнем оползневой террасы, определяя завершение оползневого цикла.

Расчеты по предложенным уравнениям, определяющим взаимодействие между новым оползневым блоком и массивом оползневой террасы, показали, что на завершающем этапе движения блока угол внутреннего трения грунтов на горизонте базиса оползания (основной горизонтальной поверхности скольжения) достигает значения φ_cr = 6°28’. Эти данные подтверждаются результатами экспериментальных исследований (лабораторные испытания, физическое моделирование, обратные расчеты), проведенных в 1960-1970 гг. прошлого столетия в Днепропетровском институте железнодорожного транспорта (М.Н. Гольдштейн, А.Я. Туровская и др.). В частности, установлено, что сопротивление сдвигу по поверхности скольжения в результате многократных подвижек оползня не зависит от исходной прочности грунтов. По экспериментальным данным значение угла внутреннего трения в зоне смещения находится в интервале 4÷4.5° − 8÷8.5°.

Об авторах

Г. П. Постоев

Автор, ответственный за переписку.
Email: opolzen@geoenv.ru
Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Схематический разрез оползневого склона на заключительном этапе оползневого цикла развития глубокого блокового оползня сжатия-выдавливания: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – поверхность скольжения; 4 – трещина закола нового оползневого блока (начало нового оползневого цикла); Apl, Acr, Asl – уровни плато, оползневой террасы и поверхности скольжения (базиса оползания).

Скачать (136KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Схематический разрез оползневого склона с очертанием блоков-диссипативных структур в грунтовом массиве: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – границы блоков-диссипативных структур; Apl, Acr, Asl – уровни плато, оползневой террасы и поверхности скольжения.

Скачать (134KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Схема к выводу уравнения предельного равновесия оползнеопасного массива надоползневого уступа при формировании нового оползневого блока: 1 – коренной массив; 2 – оползневой массив; 3 – смещенный оползневой блок с дневной поверхностью на уровне оползневой террасы в завершении оползневого цикла; 4 – блок I в массиве надоползневого уступа коренного массива по контакту с оползневой террасой.

Скачать (234KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Схема к расчету устойчивости коренного массива в зоне формирования нового оползневого блока: 1 – оползнеопасный коренной грунтовый массив (зона «a»); 2 – оползневое тело смещенных грунтов (зона «p»); 3 – рассматриваемый деформирующийся горизонт грунта (на уровне поверхности скольжения оползня) с характеристиками φ, с и σstr; σ1а и σ1р – значения бытового давления соответственно в коренном массиве и теле оползня у стенки срыва; Нcr – критическое значение высоты стенки срыва, определяемое по (1).

Скачать (102KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Среднее сопротивление сдвигу по поверхности скольжения оползней в глинистых грунтах, по А.Е. Туровской [15]: 1 – график остаточной прочности по данным лабораторных испытаний Sост = 9 + 0.14σ; 2 – график остаточной прочности по данным обратных расчетов для природных оползней Sе,ост = 4 + 0.07σ; оползни: 3 – в пластичных глинах; 4 – в жестких глинах; 5 – в полускальных породах.

Скачать (372KB)

Метаданные