Способ натурного определения сдвиговых характеристик грунтов на оползневых склонах

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения прочности грунтов на сдвиг на оползневых склонах при проведении крупномасштабных инженерно-геологических (оползневых) съемок на ранних стадиях проектирования для обоснования схем инженерной защиты территории от опасных геологических явлений с прогнозами оползней. Сущность изобретения: способ включает измерение глубины захвата и крутизны склонов по ряду оползней в характерных точках, однотипных по механизму смещения и виду грунтов по поверхности субпараллельной поверхности склона. По данным этих измерений строят график зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона. После аппроксимации графической зависимости при выявлении прямолинейного типа этой зависимости определяют сдвигающие и прижимающие усилия с учетом разложения сил от наклонной поверхности скольжения от веса грунтов. По построенному графику зависимости сдвигающих усилий от прижимающих определяют нормативные и расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения прочности грунтов на сдвиг на оползневых склонах для проведения крупномасштабных инженерно-геологических (оползневых) съемок на ранних стадиях проектирования для обоснования схем инженерной защиты территорий от опасных геологических явлений с прогнозом оползней.

Известны три запатентованные способа натурного определения прочности на сдвиг (аналоги), заключающиеся в измерении элементов поперечного профиля, получении плотности грунтов, параметров линии скольжения с измерением элементов залегания и частоты оползнеопасных трещин с использованием графических построений [1] с площадной локализацией натурных измерений, необходимых для получения оптимальных координат центров вращения и длин радиусов реальной и наиболее опасной расчетной круглоцилиндрической поверхности скольжения [2] и с определением угла внутреннего трения сдвигами целиков, подстановкой его в уравнение предельного равновесия [3] Общий недостаток этих известных технических решений, применительно к области использования предложенного способа, заключается в том, что все они эффективны при анализе устойчивости карьерных откосов и выемок, которые при оползневом деформировании характеризуются резким угловым несогласием по крутизне линий скольжения и поверхностей откосов. Кроме того, они применимы только в условиях хорошей обнаженности и доступности для прямых измерений различных параметров.

В технической литературе [4] известны еще два способа, включающих те же измерения. Один из них основан на допущении равенства нулю величины сцепления на завершающей стадии смещения, что противоречит физическому смыслу и завышает значение угла внутреннего трения. Другой известный способ по своей сущности наиболее близок к предлагаемому новому техническому решению (прототип), заключается в решении двух (и более) уравнений предельного равновесия для аналогичных оползней. Его недостаток заключается в том, что тем ближе по своим характеристикам анализируемые оползни друг к другу, тем неопределеннее решение. При этом оползни анализируются без учета характера линии скольжения и крутизны склонов. Для изучения требуются большие объемы горно-буровых, топографических и геофизических работ. Снижение точности при использовании этого способа связано также и с невозможностью использования статистики для получения расчетных характеристик сопротивления сдвигу с заданной точностью.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения сдвиговых характеристик грунтов на оползневых склонах при проведении крупномасштабных инженерно-геологических съемок и снижение трудозатрат за счет использования впервые с прикладной целью экспериментально выявленной закономерной прямолинейной зависимости глубины захвата однотипных по механизму смещения оползней с плоской линией скольжения, предопределенной геологическим строением склона, субпараллельной поверхности склона от его крутизны, а также за счет возможности применить статистику для получения расчетных показателей прочности грунтов с заданной точностью с резким сокращением (в несколько раз) трудозатрат на эксперименты.

Поставленная цель достигается тем, что измерения глубины захвата оползней и крутизны склона осуществляются по ряду оползней в характерных точках оползней, однотипных по механизму смещения и виду грунтов по плоскостям субпараллельной поверхности склона, и по данным этих измерений строят график зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона, осуществляют аппроксимацию графической зависимости, а сдвигающие и прижимающие усилия определяют при выявлении прямолинейного типа этой зависимости с учетом разложения сил на наклонной плоскости скольжения от веса грунтов, по полученным данным строят график зависимости усилий от прижимающих и определяют нормативные и расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления.

На фиг. 1 показана схема измерения глубины захвата оползня в характерных точках; на фиг. 2 график зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона; на фиг. 3 паспорт прочности грунтов в зоне смещения.

На фиг. даны следующие обозначения: 1 мощность оползневых накоплений по вертикали; 2 величина вертикального перемещения поверхности склона; 3 - склон выше головного уступа оползня, 4 экстраполируемая поверхность склона; 5 оползневые накопления; 7 аппроксимирующая прямая связи глубины захвата оползней и крутизны склона; 8 кулоновская прямая.

Способ осуществляется следующим образом.

По ряду оползней (не менее трех) однотипных по механизму смещения и виду грунтов на исследованной территории в процессе инженерно-геологической съемки на оползневых склонах с широким развитием оползней производят массовые натурные измерения глубины захвата оползней и крутизны склонов в местах их образования. Глубина захвата оползня складывается из мощности оползневых накоплений 1 и величины вертикального перемещения 2. Зондирование выполняется легким переносным оборудованием, например установкой ЭДЗ, а при наличии включений скальных обломов геофизическими методами. Задача упрощается при образовании оползней однотипных по геологически обусловленным контактам: по кровле коренных слабоводопроницаемых пород, по плоскостям напластования в них или по кровле погребенных почв глинистого состава.

Вертикальное перемещение определяется с помощью наклономера и рейки, Крутизна склона α установленная выше бровки головного уступа 3 измеряется по осевой линии оползня или по бортам его в случае резкого перелома крутизны склона в головной части оползня и в характерных точках. Определенный наклон склона вблизи оползня экстраполируют наклономером в характерные точки 4, складывая вертикальное перемещение и мощность оползневых накоплений, получают глубину захвата оползня m. Характерные точки (по две для каждого оползня) располагаются в верхней части оползня, где наиболее контрастно проявлены оползневые деформации, вдоль осевой линии оползня на расстоянии двух-трех мощностей оползневых накоплений 5 от бровки головного уступа оползня и между собой. В этом случае установлено, что измерения производятся вне зоны резкого изменения крутизны линии скольжения в головной части оползня. Измерения в двух точках позволяет определить наклон линии скольжения 6 и зафиксировать субпараллельность ее поверхности склона до смещения. При различии глубины захвата по двум точкам в расчет принимают среднее значение между ними. По этим данным строят график зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона (фиг. 2), на котором проводят аппроксимирующую прямую 7. В случае выявления четкой прямолинейной зависимости с коэффициентом изменчивости менее 25% вычисляют сдвигающие и прижимающие силы с учетом разложения сил на наклонной поверхности скольжения от веса грунтов ("бытовой нагрузки": P = 0,1γ_om где γ_o плотность грунтов в т/м³) по формулам: τ = P·sinα; σ = P·cosα.

По данным этих вычислений строят график зависимости t = f(σ) фиг. 3) с результирующей кулоновской прямой 8. С этого графика снимают нормативные значения угла внутреннего трения и сцепления, а по ГОСТ вычисляют и их расчетные значения с заданной точностью.

Для пояснения вышеперечисленных операций проводится пример получения сдвиговых характеристик предложенным способом на оползневых склонах Грозненского хребта в западной части г. Грозного по данным инженерно-геологической съемки масштаба 1: 10000 по семи оползням в лессовидных суглинках, образовавшихся по контакту с коренными породами или по кровле погребенной почвы глинистого состава, являющихся относительным водоупором при вертикальной проницаемости лессовидных грунтов. На фиг. 2 иллюстрируется закономерная прямолинейная связь m = f(α) установленная эмпирически. Эта связь имеет физический смысл в общем виде известный ранее (Е.П.Емельянова, 1972): чем больше "бытовая" (вертикальная или прижимающая нагрузка), то есть глубина захвата, и меньше крутизна склона и наклон поверхности скольжения, тем больше сдвигающая сила. В рассматриваемом примере эта связь дополнительно обусловлена тем, что на более крутых склонах формируются лессовые грунты меньшей мощности. Отмечено также уменьшение влажности и плотности этих грунтов с увеличением крутизны склона за счет меньшей инфильтрации поверхностных вод. Все это оказывает существенное влияние на смещения по фиксированной и геологически обусловленной поверхности (зоне) ослабления в массиве.

Результаты вычислений и измерений приведены в таблице.

На фиг. 3 результаты исследований проиллюстрированы в графическом виде - паспорт прочности.

После статистической обработки при односторонней доверительной вероятности 0,95 получены следующие расчетные значения: угла внутреннего трения 7^o и сцепления 22 КПа.

Аналогичные результаты получены по оползням в коренных породах (по напластованию) и в делювии по коренным породам.

Результаты внедрены при обосновании генеральной схемы инженерной защиты г. Грозного в 1996 г.

Источники информации: 1. Патент Российской Федерации N 1671770, кл. E 02 D 1/00, 1989.

2. Патент Российской Федерации N 1824488, кл. E 02 D 1/00, 1990.

3. Патент Российской Федерации N 2034147, кл. E 21 C 39/00, 1992.

4. Рекомендации по количественной оценке устойчивости оползневых склонов. М. Стройиздат, 1984, 78 с.

Формула изобретения

Способ натурного определения сдвиговых характеристик грунтов на оползневых склонах, включающий измерения плотности грунтов, глубины захвата и крутизны склонов в местах образования оползней до и после завершения оползневой подвижки, определение сдвигающих и прижимающих усилий, определение зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона и определение угла внутреннего трения и сцепления в зоне смещения, отличающийся тем, что измерения глубины захвата оползней и крутизны склона осуществляют по ряду оползней в характерных точках оползней, однотипных по механизму смещения и виду грунтов по плоскостям субпараллельной поверхности склона, и по данным этих измерений строят график зависимости глубины захвата оползней от крутизны склона, осуществляют аппроксимацию графической зависимости, а сдвигающие и прижимающие усилия определяют при выявлении прямолинейного типа этой зависимости с учетом разложения сил на наклонной плоскости скольжения от веса грунтов, по полученным данным строят график зависимости сдвигающих усилий от прижимающих и определяют нормативные и расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4