Прогноз устойчивости склонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогноз устойчивости склонов

Для оценки и прогноза устойчивости склонов используется большое количество методов, которые можно подразделить на такие основные группы: сравнительно-геологические, геологического подобия, механико-математические (строгие решения, расчетные, расчетно-экспериментальные), лабораторного моделирования, стохастические (вероятностные).

Сравнительно-геологические методы основаны на сравнении инженерно-геологических условий рассматриваемого участка с условиями склонов-аналогов, где раньше изучались проявления оползней (Г.С. Золотарев, 1956; Е.П. Емельянова, 1971). Например, сравнительный метод, предложенный Е.П. Емельяновой (1971), базируется на сопоставлении геометрических параметров устойчивых и неустойчивых склонов. Сравнительно-геологическими методами, возможно, оценивать вероятность смещения и приблизительно определять размеры ожидаемых оползней. При использовании этого метода обычно вызывает сложность подбор натурных аналогов, которые достаточно полно отвечают склону-объекту. Некоторую сложность представляет также количественная оценка устойчивости склона, на котором оползневые смещения не происходили. Она может быть выполнена только приблизительно на основе сопоставления общего угла наклона склона, который изучается и склона-аналога.

Методы геологического подобия основаны на теоретических разработках Л.Б. Розовского (1969 г.). Как и сравнительно геологические методы, эти методы нуждаются в выборе аналога сначала по качественным, а затем и по количественным признакам. По количественным признакам, согласно представлениям о закономерностях изучаемого процесса (в нашем случае - оползневой склон) определяются безразмерные критерии подобия. При сопоставлении устойчивости для склона-объекта и склона-аналога необходимо придерживаться качественного подобия формы склона, геологического строения, гидрогеологических условий, механизма смещения, внешнего влияния на склон, основных показателей свойств пород и методики установления этих свойств. Количественные критерии подобия, которые устанавливаются по теории размерностей, должны выражать в безразмерном виде соотношение количественных параметров (высота склонов, их крутизна, мощность обводненной зоны, величины прочности на сдвиг и другие), которые используются для характеристики склонов-аналогов и для оценки устойчивости склона-объекта. Вообще, методами геологического подобия можно решать практически любые прогнозные задачи. Однако, кроме трудностей (аналогично со сравнительно-геологическими методами) относительно подбора аналогов, использование методов геологического подобия дополнительно осложняется процессом выбора количественных критериев и проверкой их достоверности.

Механико-математические методы основаны на разных схемах, представлениях о механизме оползневых деформаций пород склонов и в большинстве своем предназначены для определения оценки устойчивости склона в различных условиях. Подавляющее большинство методов разработано для условий плоской задачи, когда рассматривается равновесие элементарного массива грунта шириной в единицу длины, условно “вырезанного” по направлению движения произошедшего или ожидаемого оползня. В природных условиях плоская задача отвечает оползням, у которых ширина значительно больше длины, то есть - фронтальным.

Механико-математические методы оценки и прогноза устойчивости склонов и оползней можно подразделить на такие основные группы:

Строгие решения теории предельного равновесия (теория сыпучей среды В.В. Соколовского, 1942). В этих методах допускается, что предельное состояние наступает одновременно в пределах всего массива, который должен отделяться и в пределах его объема изучается напряженное состояние. Методы позволяют расчетами или с помощью специальных графиков находить форму поверхности “равностойкого” откоса или определять величину максимальной нагрузки на горизонтальную поверхность массива. Расчетные (приблизительные, инженерные) методы основаны на расчетах предельного равновесия масс горных пород по поверхностям смещения разной формы (кругло-цилиндрической, плоской, ломаной и другой) и позволяют определить коэффициент устойчивости склона. На сегодняшний день существует более ста методов этой группы, которые отличаются: по форме поверхности скольжения; способу установления наиболее опасной из них (такой, которая имеет минимальный коэффициент устойчивости склона); предположениями относительно механизма смещения, схемы расчетов удерживающих и сдвигающих сил и направлений их действия, взаимодействия отдельных частей оползневого тела и учета дополнительных сил (фильтрационных, сейсмических, внешних) и другими.

Большое количество расчетных методов, так называемых методов кругло-цилиндрических поверхностей смещения и их модификаций, базируется на предположении, что поверхность смещения в вертикальном разрезе имеет вид дуги круга (В. Феллениус, 1926; К. Терцаги, 1934) и предназначены для использования в однородных массивах пород. Существуют разные способы предварительного определения положения поверхности смещения (поиска центра дуги круга), имеющей минимальный коэффициент устойчивости, то есть наиболее опасный для склона при заданных условиях.

Другая группа расчетных методов (например, “прислоненного” откоса Г.М. Шахунянца, 1964;) предназначена для использования, когда форма поверхности скольжения (плоская, ломаная, ломано-вогнутая) и ее положение обусловлены особенностями геологического строения массива (слабые прослои; границы раздела слоев пород, наклоненных в сторону склона; делювиальные отложения на поверхности коренных пород; тело оползня и др.). В этих случаях устойчивость склона проверяется по нескольким поверхностям смещения или по одной (при оползнях форма и положение поверхности скольжения не изменяется - она “зафиксирована” особенностями геологического строения). Естественно, что в этих случаях очень важная роль отводится данным изысканий и их достоверности. Для приближенной оценки параметров откосов и их сравнительной характеристики можно пользоваться методами, которые не нуждаются в трудоемких расчетах по определению достоверных поверхностей смещения. Таким требованиям отвечает метод равнопрочного откоса или метод Fp (М.М. Маслов, 1949), который является упрощенным аналогом метода “равностойкого” откоса В.В. Соколовского. В методе равнопрочного откоса делается предположение, что крутизна поверхности склона в любой точке равняется величине угла сдвига пород, которые слагают склон.

Главным количественным показателем степени приближения склона к предельному состоянию является коэффициент устойчивости Ку (или коэффициент запаса устойчивости, или коэффициент запаса), за который, в общем случае, принимается соотношение суммы удерживающих сил (Уc) к сумме сдвигающих сил (Уф) вдоль существующей или потенциальной поверхности скольжения. В некоторых случаях коэффициент устойчивости определяется как отношение расчетной величин угла внутреннего трения и сцепления к таким критическим значениям этих параметров, при которых наступает предельное состояние склона (например, в методе равнопрочного откоса). Практически во всех расчетных методах для определения удерживающих сил, действующих вдоль поверхности скольжения, используется зависимость сопротивления грунтов сдвигу от нормальной нагрузки Ш. Кулона.

Расчетно-экспериментальные (с использованием лабораторного моделирования) методы используются для определения напряженного состояния пород склона расчетным путем (по формулам теории упругости, методами конечных элементов, конечных разностей и др.) или по результатам моделирования предельного напряженного состояния пород методами тензометрической сетки, фотоупругости, электрогеодинамических аналогий (И.П. Зелинский, 1983). По результатам расчетов или моделирования выполняется оценка, и прогноз устойчивости склона путем сопоставления полей показателей прочности пород и полей величин действующих (касательных) напряжений. Важным преимуществом такого подхода оценки устойчивости склона является возможность выполнения как общей оценки устойчивости склона по существующей или предполагаемой поверхности смещения, так и выделения зон возможных пластических деформаций в любых частях склона.

Методы лабораторного моделирования, подразделяющиеся, главным образом, на физические и аналоговые, позволяют изучать напряженное состояние массива пород (эти данные используются для количественной оценки устойчивости склона) и процессы развития оползневых деформаций, их скорости, виды, механизм, а также оценивать влияние различных факторов и эффективность защитных мероприятий. Среди физических методов требованиям прослеживания процесса в модели, возможности изучения динамики изменения напряженно- деформированного состояния пород модели в зависимости от изменения различных факторов отвечают методы эквивалентных материалов и центробежного моделирования. По данным о величинах напряжений предварительно оттарированих датчиков, возможно, осуществлять оценку устойчивости склонов (И.П. Зелинский, 1977).

Стохастические (вероятностные) методы основаны на установлении вероятной корреляционной зависимости прогнозируемого показателя от значений параметра, характеризующего факторы развития процесса. Для применения этих методов необходимо большое количество исходных данных и их обработка с помощью регрессионного анализа. При наличии большой и достаточно достоверной совокупности измерений существует принципиальная возможность определять с помощью этих методов скорости отступания бровки склона, повторяемость периодов активизации оползней и средние скорости их движения, размеры оползневых тел и другие параметры, которые возможно измерить в натурных условиях. Вместе с тем, стохастический принцип не может использоваться для определения и прогноза величины коэффициента устойчивости склона. Вообще, необходимо понимать, что результаты расчетов и моделирования устойчивости склонов какими-либо методами всегда дают приблизительный результат в связи с тем, что построение схем, учет факторов и механизма процесса представляет собой сложную задачу. Вследствие этого, обязательным требованием оценки устойчивости склона является использование комплекса методов расчетов и моделирования наряду с методами, основанными на геологическом анализе.

устойчивость склон грунт порода

Размещено на Allbest.ru