Воздействие динамической нагрузки на оползнеопасный участок автомобильной дороги в районе г. Сочи

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХИСКОПАЕМЫХ. ГЕОЛОГИЯ. ГЕОДЕЗИЯ

УДК 625.7/.8

ВОЗДЕЙСТВИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ОПОЛЗНЕОПАСНЫЙ УЧАСТОК АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ В РАЙОНЕ г. СОЧИ

Еркушов В.Ю., Кононенко В.Н.

Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия

Аннотация. В ходе данного исследования было рассмотрено влияние динамической нагрузки и вибрационного воздействия от строительных механизмов и автомобильного транспорта на оползневые склоны и слагающих их грунты. Для изучения влияния динамического воздействия использовались геофизические методы исследования и расчетные методики, основанные на скоростях продольных и поперечных волн и упругих свойствах горных пород. Проведенные вычисления позволили нам получить величины напряжений, возникающих в грунтах в результате воздействия, и значения собственных частот грунтов, слагающих оползневых склоны. Полученные результаты математических расчетов основываются на работах множества ученых, занимавшихся вопросом влияния динамических нагрузок на грунты. В результате, после анализа материалов геофизических исследований и данных математических расчетов, в грунтовой толще были выделены слои, в которых значения собственных частот совпадают со значениями частоты вибрационного воздействия.

Ключевые слова: оползневые склоны, оползневые тела, вибрационное воздействие, напряжения в грунте, коэффициент устойчивости склона.

Введение

Динамические воздействия связаны с вибрацией вследствие действия машин и механизмов, особенно с неуравновешенными вращающимися частями, с ударными воздействиями, со взрывами, с перемещающимся транспортом, с сейсмическим воздействием, действием фильтрационных потоков и др. Динамические воздействия можно подразделить на слабые, которые могут часто действовать относительно длительное время, и сильные, которые могут действовать и кратковременно, возможно даже однократно (удар, взрыв). По времени действия усилия подразделяются на длительно действующие и кратковременные. С практической точки зрения наиболее значимы динамические нагрузки от движущегося транспорта в связи с высокой интенсивностью и широким распространением, особенно на городской территории г. Сочи и новых строящихся автодорог с почти непрерывным транспортным потоком.

Установлено, что в пределах района г. Сочи свежими, относительно молодыми, оползнями занято около 35%, а в некоторых районах предгорий до 55% [5]. Не вызывает сомнения, что на такую пораженность оползневыми процессами повлияла различная антропогенная деятельность, включающая в себя динамическое воздействие на оползне-опасные склоны во время строительства различных объектов. На склонах имеется большое коли-

© Еркушов В.Ю., Кононенко В.Н., 2015

чество старых оползней, образовавшихся в голоценовый период, отличавшийся по сравнению с современным более активным тектоническим режимом, более молодым рельефом и, как следствие этого, более интенсивным развитием оползневых процессов. Поэтому оползни захватывали не только переработанные выветриванием, но и материнские породы палеогенового возраста.

Механизм вибрационного воздействия

Вибрация во время динамических воздействий уменьшает силы междучастичного трения и сопротивление сдвигу. Сильные импульсные воздействия могут вызвать дополнительные осадки и просадки. При определенной частоте колебаний, близкой к резонансной, междучастичное трение в сыпучих грунтах может настолько уменьшиться, что грунт приобретает свойства вязкой жидкости даже при малом количестве воды в нем. При наличии большого количества воды в грунте она может не успеть покинуть поры, в которых находилась, поэтому возникает поровое противодавление, уменьшающее сопротивление сдвигу. При динамических воздействиях в основном уменьшаются межчастичные силы трения, а в меньшей степени уменьшается угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения будет уменьшаться вследствие разрыхления грунта, то есть увеличения его пористости.

Сотрясение грунта, обусловленное движением транспорта, обычно значительно слабее сей-

56

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4

Воздействие динамической нагрузки на оползнеопасный участок автомобильной дороги... Еркушов В.Ю., Кононенко В.Н.

смических воздействий. Однако в связи с длительностью действия этих нагрузок и большой интенсивностью они могут служить причиной развития незатухающих осадок и даже вибротекучести грунтов. Техногенные динамические нагрузки распространяются главным образом в верхней части грунтовой толщи до глубин 10-15 м, так как основная часть их энергий переносится к сооружениям поверхностными волнами Релея, быстро затухающим с глубиной [3]. Именно в пределах этих глубин находится большинство поверхностей скольжения оползневых тел, распространенных в г. Сочи.

Получение значений собственных частот грунтов

В ходе геофизических исследований обхода г. Сочи были получены не только скорости продольных и поперечных сейсмических волн методом МПВ, но и зафиксированы частоты вибрационного воздействия от автотранспорта на участке изысканий. На рис. 1 представлена сейсмограмма вибрационного воздействия, зафиксированного на поверхности грунта. На рис. 2 и 3 -скоростной разрез продольных и поперечных волн, с помощью которого грунтовая толща разделена на слои.

Рис. 1. Сейсмограмма вибрационного воздействия на поверхности грунта

Скоростной разрез продольных волн

{ЛСОСЛСО—ь—

OOClOOWUlODOUClCoOWCnCoOCJOiCDOWOlCOOW

ооослослослослослоспос-послсэслоцтосло

оооооооооооооооооооооо

Рис. 2. Скоростной разрез продольных волн

www.vestnik.magtu.ru

57

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХИСКОПАЕМЫХ. ГЕОЛОГИЯ. ГЕОДЕЗИЯ

Рис. 3. Скоростной разрез поперечных волн

Методика расчета собственных частот грунтов

Амплитудный уровень и частота резонансных пиков зависят от упругих свойств и мощностей слоев горных пород, способных к усилению сейсмических волн. К числу подобных грунтов относятся любые достаточно рыхлые породы, обладающие скоростью распространения поперечных волн (VS) ниже 700 м/с [4].

Существует простое приблизительное выражение, связывающее собственный период горизонтальных и вертикальных колебаний грунта со скоростными параметрами разреза:

Тг = 4Н/ Vs,

где Тг - горизонтальные частоты грунтов; Н -глубина залегания рассматриваемой границы; VS - скорость поперечных волн на глубине залегания рассматриваемой границы.

Тв = Тг*

где Тв - вертикальные частоты грунтов; Тг - горизонтальные частоты грунтов; ц - коэффициент Пуассона на глубине залегания грунтов.

По данным, полученным в ходе геофизических исследований при использовании данных выражений собственно разработанного математического расчета и программного комплекса Surfer, были получены собственные частоты грунтов, представленные в таблице и на рис. 4 и 5.

После анализа сейсмограммы были выделены частоты с наибольшей и наименьшей амплитудой и силой воздействия. Наибольшее воздействие оказывают промежутки частот 10-13 Гц. Наименьшая амплитуда зафиксирована в участках 30-37 и 60-70 Гц.

Грунты, выявленные в результате геофизических изысканий и их собственные частоты

Номер слоя Глубина подошвы, м Характеристика слоя грунта Собственная частота, ГЦ

i 1,5 Насыпной грунт с суглинистым заполнителем. Заполнитель желто-коричневый, легкий, песчанистый, полутвердый с включением щебня и дресвы до 20% 60-100

2 6 Глина желто-бурая, легкая пылеватая полутвердая с включением щебня (до 15-20 см) и глыб до 50 см осадочных пород. Щебня до 15%, глыб до 3% 18-30

3 13 Аргиллит темно-серый, сильно выветрелый до состояния глины с дресвой и щебнем до 30%. Глина темно-серая тугопластичная, легкая, щебенистая 13-18

4 15 Аргиллит серый, низкой прочности, сильнотрещиноватый, плотный, размягчаемый, нерастворимый >13

58

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4

Воздействие динамической нагрузки на оползнеопасный участок автомобильной дороги...

Еркушов В.Ю., Кононенко В.Н.

15

О 10 20 30 40

Рис. 4. Разрез собственных вертикальных частот грунтов

Вывод

Сравнивая частоты собственных колебаний грунтов и промежутки частот с максимальной и минимальной амплитудой, можно сделать вывод, что частоты второго промежутка с максимальной амплитудой могут войти в резонанс с частотами слоя №4 и вызвать внутри него необратимые разрушения. Вибрационное воздействие на слои №1, 2 и 3 незначительно, и маловероятно возникновение резонанса в данных грунтах и ухудшение коэффициента устойчивости склона.

Как видно из расчетов, роль вибрационного воздействия в возникновении и развитии оползневых процессов значительна. Установлено, что при

сотрясениях в оползнеопасном массиве возникают колебания, вызывающие разуплотнение глинистых отложений, отслоение пород массива и формирование новых поверхностей скольжения. Так как вибрационное воздействие на поверхность в районе г. Сочи присутствует практически повсеместно в связи с строительным бумом и основное количество оползневых тел находится в предельном состоянии, расчет устойчивости склонов следует вести с учетом вибрационного воздействия.

Список литературы

1. Волков Е. А., Третьякова П. А., Шутова О. А. Анализ результатов тестового эксперимента по исследованию вибраций, создаваемой автотранспортом на территории города // Вест-

www.vestnik.magtu.ru

59

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХИСКОПАЕМЫХ. ГЕОЛОГИЯ. ГЕОДЕЗИЯ

ник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2011. вып. 4. С. 15-20.

2. Дедова Е. В. О видах остаточных деформаций грунтов, проявляющихся при землетрясениях // Вопросы инженерной сейсмологии. 1965. Вып. 10. С. 119-131.

3. Дудкин Е. С. Динамические воздействия от движения городского транспорта на здания и сооружения // Ползуновский вестник. 2007. Вып. 1-2. С. 30-32.

4. Исичко Е. С. Резонансные свойства грунтов и зданий, их учет

при строительстве // Бюллетень индустрии геофизики и геологии ACM, 2005. Вып 1. С. 12-20.

5. Клименко А. И. Роль современных сейсмотектонических факторов в оползневом процессе // Проблемы инженерной геологии Северного Кавказа. 1986. Вып. 5. С. 37-43.

6. Медведев С. В. Инженерная сейсмология. М.: Госстройи-здат, 1962.

7. Novak M., Sheta M. Dynamyc response of piles and pile groups. Proceedings, 2nd International Conference on Numerical Methods in Offshore Piling, Austin Texas (1982). P. 489-507.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

IMPACT OF DYNAMIC LOADS ON THE LANDSLIDE-PRONE MOTORWAY SECTION NEAR SOCHI

Erkushov Vladislav Yurevich - Postgraduate Student, Junior research, Kuban State University of Technology, Krasnodar, Russia. E-mail: v.erkushov@gmail.com.

Kononenko Vladimir Nikolaevich - Ph.D. (Eng.), Senior research fellow, Kuban State University of Technology, Krasnodar, Russia. E-mail: kvn54@mail.ru.

Abstract. The article considers the impact of dynamic loads and vibration exposure from construction machinery and motor transport on landslide slopes and soils composing them. To study the effect of dynamic exposure, we applied geophysical research methods and computational techniques based on longitudinal and transverse wave velocities and elastic properties of rocks. These calculations allowed us to arrive at values of stresses occuring in soils by exposure and values of natural frequencies of landslide slope soils. The mathematical calculation results are based on works of many researchers who dealt with impacts of dynamic loads on the ground. As a result, layers, where natural frequencies coincide with vibration exposure friquencies, have been identified after the materials of geophysical studies and mathematical calculations were analized.

Keywords: Landslide slopes, landslide body, vibration exposure, stress in the soil, slope stability factor.

References

1. Volkov E.A., Tretiakov P.A., Shutova O. A. Analysis of results of an experiment on vibration produced by motor transport within the city. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo

politekhnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arkhitektura [Vestnik of the Perm National Research Technical University. Construction and architecture], 2011, no. 4, pp. 15-20.

2. Dedova E. V. Types of residual ground deformations appearing during earthquakes. Voprosy inzhenernoy seysmologii [Engineering seismology issues], 1965, no. 10, pp. 119-131.

3. Dudkin E. S. Dynamic impacts of urban transport circulation on buildings and constructions. Polzunovskiy vestnik [Polzunovsky vestnik], 2007, no. 1-2, pp. 30-32.

4. Isichko Ye. S. Resonance frequency behaviour of grounds and buildings, taking it into account for construction. Byulleten' indus-trii geofiziki i geologii ASM [ASM geophysics and geology newsletter], 2005, no. 1, pp. 12-20.

5. Klimenko A. I. Role of modern seismic and technical factors in a landslide process. [North Caucasian engineering geology issues], 1985, no. 5, pp. 37-43.

6. Medvedev S.V. Inzhenernaya sejsmologiya [Engineering seismology]. Moscow, 1962.

7. Novak M., Sheta M. Dynamyc response of piles and pile groups. Proceedings, 2nd International Conference on Numerical Methods in Offshore Piling, Austin Texas (1982), pp. 489-507.

Еркушов В.Ю., Кононенко B.H. Воздействие динамической нагрузки на оползнеопасный участок автомобильной дороги в районе г. Сочи // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 56-60.

Erkushov V.Yu., Kononenko V.N. Impact of dynamic loads on the landslide-prone motorway section near Sochi. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 4, pp. 56-60.

60

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4