СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ В ОПОЛЗНЕОПАСНОМ КОРЕННОМ МАССИВЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ГОРИЗОНТА
METHOD TO DETERMINE DEPTH IN LANDSLIP-HAZARDOUS ROOT MASSIF OF POTENTIALLY DEFORMABLE HORIZON

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:
u
верхняя граница Z=Н;
l
нижняя граница Z=h+H,
u
l
где Z и Z - соответственно верхняя и нижняя границы зоны расположения потенциально деформирующегося горизонта /м/; Н и h - соответственно высота откоса оползнеопасного коренного массива и высота склона /м/.
i
В зоне расположения потенциально деформирующегося горизонта для каждого промежуточного i-ro горизонта с глубиной заложения H<Z<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
i
f,i
cr,i
i
f,i
i
1
i
i
i
min
2
3
2
где Z - глубина заложения i-го горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона /м/; σ и σ - соответственно фактическое и критическое значения вертикального давления на i-ый горизонт на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива склона /кН/м/; γ и γ - значения удельного веса грунтовых масс над i-ым горизонтом соответственно в оползнеопасном коренном массиве и на участке склона у подножья его откоса, /кН/м/; Н - высота откоса оползнеопасного коренного массива /м/; h - высота склона /м/; c и φ - соответственно значения сцепления /кН/м / и угла внутреннего трения (в градусах) грунта i-ro горизонта; K - 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<h+Н, устанавливают минимальное значение K=K и выявляют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта
min
i
i
d
d
f,d
d
d
3
2
где K - минимальная величина отношений К 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<h+H; Z - глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона /м/; γ и γ - соответственно значения удельного веса грунтов, залегающих в оползнеопасном коренном массиве, и на участке склона у подножья его откоса, над потенциально деформирующимся горизонтом /кН/м/;C и φ - соответственно значения сцепления (кН/м) 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
d
d
d
f,d
2
где Zd - глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве /м/; c и φ - соответственно значения сцепления (кН/м) и угла внутреннего трения (в градусах) грунта потенциально деформирующегося горизонта; R - радиус оползневого цирка /м/; γ и γ - 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).
u
l
l
l
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=H и Z=h, так называемые «висячие» оползни, и может быть глубже Z=h, как правило, в пределах глубины Z=h+H.
i
i
i
i
f,i
f,i
i
i
i
f,i
cr,i
i
f,i
i
i
i
i
f,i
cr,i
i
min
В зоне (6) расположения потенциально деформирующегося горизонта выделяют несколько горизонтов Z, особенно с учетом слоев с относительно низкими значениями характеристик сцепления (c) и угла внутреннего трения (φ) грунтов. Для каждого i-го горизонта (2) определяются: фактическое вертикальное давление на горизонт на глубине Z на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива (1),σ=γ·(Z-H); критическое значение вертикального давления вышележащих пластов на этом же участке склона на глубине Z,  и отношение  где Z - глубина заложения i-го горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона; σ и σ - соответственно фактическое и критическое значения вертикального давления на i-ый горизонт; γ и γ - 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 и φ - соответственно значения сцепления и угла внутреннего трения грунта на глубине Z; К - отношение фактического значения вертикального давления σ на i-ый горизонт к критическому значению вертикального давления σ на тот же горизонт на участке склона у подножья откоса оползнеопасного коренного массива. Затем определяют значения отношения K для ряда горизонтов в зоне (6) оползнеопасного коренного массива и устанавливают минимальное значение K, с учетом которого определяют глубину заложения потенциально деформирующегося горизонта, в котором при развитии оползневого процесса происходят раздавливание, сдвиговые деформации и формируется поверхность скольжения, ,
d
min
i
i
d
f,d
d
d
где Z - глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона; K - минимальная величина отношений K 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<h+H; γ и γ - соответственно значения удельного веса грунтов, залегающих в оползнеопасном коренном массиве, и на участке склона у подножья его откоса, над потенциально деформирующимся горизонтом; c и φ - 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
d
d
d
d
f,d
2
где Z - глубина заложения потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве /м/; c и φ - соответственно значения сцепления (кН/м) и угла внутреннего трения (в градусах) грунта потенциально деформирующегося горизонта; R - радиус оползневого цирка /м/; γ и γ - соответственно значения удельного веса грунтов, залегающих в оползнеопасном коренном массиве, и оползневых масс в средней части склона над потенциально деформирующемся горизонтом.
Пример 1
i
i
f,i
i
i
i
i
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<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 сведены в таблицу. Установлено, что пригрузки в нижней части склона и соответственно σ 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<1). Кроме того, и на глубине Z=29 м (ИГЭ 6а) имеет место снижение К по сравнению с глубиной Z=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<sub>i</sub>.
№ горизонта
№ ИГЭ
Удельный вес грунта, γ<sub>i</sub>, кН/м<sup>3</sup>
Угол внутреннего трения φ<sub>i</sub>, град
Удельное сцепление c<sub>l</sub>, кПа
Глубина горизонта от поверхности плато, Z<sub>i</sub>, м
Структурная прочность 2с<sub>i</sub>·tg(45+φ<sub>i</sub>/2), кН/м<sup>2</sup>
γ<sub>i</sub>·Z<sub>i</sub>, м
σ<sub>cr,i</sub>/γ<sub>i</sub>, м
σ<sub>f,i</sub>/γ<sub>i</sub>, м
Отношение <img file="00000008.tif" he="12" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
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
i
Следует отметить, что в соответствии с низкими значениями К (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
d
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=31 м.
d
d
cr
d
f;d
2
3
3
В соответствии с результатами инженерно-геологических изысканий и обследования участка установлены значения расчетных показателей: c=47,2 кН/м; φ=22°; R=180 м; Н=16 м; γ=20 кН/м; γ=20 кН/м.
d
d
d
Подставляя данные значения в формулу для определения Z, получаем: Z=31,3 м. Т.е. имеет место практически полное совпадение результатов расчета Z 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.