ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 6, с. 537-546
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 624.131:624.137
ОПОЛЗНЕВАЯ ОПАСНОСТЬ И РИСК СМЕЩЕНИЙ ГРУНТОВ
НА СКЛОНАХ
© 2007 г. С. И. Маций, Е. В. Безуглова
ФГОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Представлены результаты исследований изменчивости прочностных показателей делювиально-оползневых, элювиально-делювиальных и техногенных грунтов. Приведены разработанные на основе эмпирического подхода рекомендации по оценке устойчивости оползнеопасных склонов и откосов в условиях недостатка данных инженерно-геологических изысканий. Предложена методика оценки риска смещений грунтов для обоснования выбора проектных решений инженерной защиты объектов от оползней.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы оценки устойчивости склонов и откосов в различных инженерно-геологических условиях рассмотрены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных исследователей. Определены и изучены факторы, от которых зависит формирование в пределах склона потенциально оползнеопасных участков, т.е. участков с измененным напряженно-деформированным состоянием: экспозиция, физико-механические свойства грунтов,геоморфологические и гидрогеологические условия, параметры внешней нагрузки и другие.
Начиная с середины пятидесятых годов прошлого века, во многом благодаря разработкам Е.П. Емельяновой [6], начали развиваться количественные методы оценки и прогноза оползней. В основу была положена обработка большого количества статистических данных. Позднее отечественные и зарубежные исследователи стали предлагать подходы, основанные на стохастических моделях, корреляционном и регрессионном анализах, теории вероятностей. В настоящее время устойчивость склонов и откосов определяют, используя в основном детерминированный подход. Основные его недостатки - упрощение механизма оползневого явления и отсутствие возможности учета изменения расчетных показателей грунтов во времени и пространстве.
Многие специалисты в области геотехники обосновывают использование вероятностного подхода. По их мнению, вероятностный подход оправдывает свое применение даже в условиях недостатка исходных инженерно-геологических данных. На его основе возможно определить вероятность обрушения склона и оценить риск смещений грунтов в зависимости от типа инженерных мероприятий. Но вероятностные методы
также имеют свои недостатки. В частности, расчеты проводятся лишь в пределах полученного в результате сдвиговых испытаний диапазона значений физико-механических показателей грунтов, а просто вычисление вероятности того или иного события нельзя назвать прогнозом.
Тем не менее до настоящего времени при выполнении расчетов устойчивости приходится сталкиваться с определенными трудностями. В частности, не решен вопрос о необходимом (достаточном) количестве испытаний, позволяющем с требуемой степенью надежности определить свойства грунта. Известно, что в зависимости от количества испытаний могут меняться средние величины показателей механических свойств грунтов [2]. Вопрос выбора расчетных значений прочностных показателей, достаточно надежно описывающих состояние склона, также остается открытым. Это связано с изменчивостью свойств грунтов, а лабораторные и полевые их испытания характеризуют состав и состояние грунта лишь в точке взятия образца.
В данной работе рассматривается возможность возникновения вторичного оползневого смещения в массиве. Сделанные в статье выводы и рекомендации относятся к следующим типам оползней в соответствии с [4]:
- оползни сдвига, подтипы: консеквентные (соскальзывающие) и срезающе-консеквентные;
- оползни вязкопластические, подтипы: сплы-вы и оплывины;
- оползни комбинированного (сложного) механизма при условии наличия градиентного водо-насыщенного слоя "смазки", т.е. глинистого грунта с нарушенной структурой на контакте пород.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГРУНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Как известно, прочностные параметры грунтов отличаются в разных точках массива, даже в пределах однородного слоя, т.е. обладают изменчивостью [3, 7, 12]. Различия частных показателей состава грунтов обусловлены суммарным влиянием микро- и макронеоднородностей [7]. Установить наиболее вероятный диапазон значений, которые могут принимать прочностные параметры, позволяют данные лабораторных или полевых испытаний грунтов. Испытания проводятся разными методами, приближенно моделирующими состояние оползнеопасной грунтовой толщи в массиве.
Объектами исследований являлись оползне-опасные участки, выделенные в ходе инженерно-геологических изысканий по трассам: газопроводов "Россия - Турция", "Адлер - Красная Поляна"; нефтепровода "Крымск - Грушовая"; автодорог, а также на склонах в местах расположения опор линий электропередач и подстанций в горных окрестностях городов Новороссийск и Сочи в Краснодарском крае [8-11, 19]. Все объекты расположены в горной местности в сложных инженерно-геологических условиях - рельеф эро-зионно-денудационный с активно развивающимися процессами выветривания, эрозии, абразии, ползучести и др.
Использовались результаты лабораторных испытаний образцов грунтов по двум схемам: 1) сдвиг неконсолидированный при водонасыще-нии; 2) сдвиг по подготовленной и смоченной поверхности ("плашка по плашке"). При обработке полученных данных проведен анализ статистических параметров и гистограмм распределения значений сцепления (с) и угла внутреннего трения (ф) оползневых, не затронутых оползневым процессом и техногенных (насыпных) грунтов.
В пределах рассмотренных участков склонов распространены отложения от среднеюрского до четвертичного возраста. Стратиграфо-генетиче-ские комплексы (СГК) голоценовых и современных отложений (элювиально-делювиальных (edQIV), делювиально-оползневых (dpQIV) и техногенных
(I О™)) представлены в основном глинами и суглинками с включениями дресвы, щебня и обломочного материала. Коренные породы субстрата представлены серовато-зелеными, буровато-серыми, серыми аргиллитами, малопрочными, трещиноватыми с различной степенью выветрело-сти и аргиллитоподобными глинами твердыми с прослоями песчаников на глинистом и глинисто-карбонатном цементе.
Выполненные исследования показали, что распределение показателей с и ф в изученных де-лювиально-оползневых глинистых грунтах в большинстве случаев стремится к кривым нормального распределения независимо от схемы сдвиговых испытаний, при этом формы этих кривых различаются: по результатам сдвигов по подготовленной и смоченной поверхности кривые распределения показателей более островершинные; по неконсолидированным сдвиговым испытаниям кривые более распластаны относительно оси х.
Это связано с различной величиной разброса опытных данных относительно выборочного среднего значения, т.е. с параметром ох (стандартом). Оползневые грунты в условиях сформированной поверхности скольжения обладают значительно меньшей (в 1.5-2 раза) изменчивостью по сравнению с такими же грунтами, но находящимися в условиях, предшествующих смещению. Показатели средних величин с и ф также значительно различаются в зависимости от схемы сдвига и структуры грунтов (рис. 1 и табл. 1).
Для малых выборок (10-20 образцов) распределение значений с и ф оползневых грунтов в ряде случаев не подчиняется нормальному закону распределения. Отклонение кривой распределения от нормального типа по показателям асимметрии или эксцесса может происходить и при большом количестве определений (30-40), если оползневой грунт не совсем однородный, например щебенистая глина.
Распределение прочностных показателей в исследованных элювиально-делювиальных грунтах, не затронутых на данный момент оползнем, может отличаться от кривой нормального распределения. При этом изменчивость свойств в условиях подготовленной поверхности скольжения и условиях, предшествующих смещению (во-донасыщение), различается на меньшую величину, чем у оползневых грунтов: отношение стандартов составляет 1.05-1.7.
Распределение прочностных показателей техногенных грунтов не всегда соответствует кривой нормального распределения, особенно для угла внутреннего трения, что обусловлено их естественной неоднородностью.
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ И ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ СКЛОНОВ
Детерминированная оценка устойчивости склонов проводится с использованием расчетных значений показателей грунтов: сцепления, угла внутреннего трения и удельного веса (у), определенных при доверительной вероятности а = 0.95.
ф, град, п/п ф, град, н/к
Частота 40
35
30
25
20
15
10
5
0
2 6 10 14 18 22 26 30 Угол внутреннего трения, ф, град
Рис. 1. Совмещение гистограмм распределения значений угла внутреннего трения оползневых грунтов на оползне-опасных участках 26-30 трассы газопровода "Россия - Турция"; п/п - сдвиг по подготовленной и смоченной поверхности; н/к - сдвиг неконсолидированный при водонасыщении образца.
Считается, что расчетное значение достаточно представительно и надежно описывает прочностные свойства грунта применительно к анализу устойчивости.
В связи с наличием в грунтовой толще разного рода неоднородностей, влияющих на значения показателей свойств грунтов, возникла необходимость использования в оценке устойчивости склонов подходов, отличающихся от детерминированного.
Так, в вероятностном подходе используются все величины физико-механических показателей
грунтов, полученные непосредственно сдвиговыми испытаниями, и рассматриваются возможные сочетания влияний разных факторов. Чаще всего за основу берется метод Монте-Карло, распределение входных и выходных параметров подчиняется закону нормального распределения случайных величин. Результаты представляются в виде графиков плотности распределения и соответствующих им интегральных функций распределения вероятностей значений коэффициента устойчивости (Ку). Зная его среднее значение (Кур) и
Таблица 1. Данные статистической обработки результатов испытаний оползневых грунтов на оползнеопасных участках 26-30 трассы газопровода "Россия-Турция" (угол внутреннего трения)
Статис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.