CC BY
328
Методы оценки устойчивости склонов
Урустембеков Б. А.
В данной работе проведен сравнительный анализ методов оценки устойчивости склонов и откосов, используемых в настоящее время. Оценка устойчивости склонов и откосов может быть осуществлена только на основе комплексного изучения с использованием различных методов, которые можно разделить на следующие основные группы: геологические, расчет-но-теоретические и экспериментальные. Использование каждого метода предполагает выполнения ряда специальных геотехнических исследований и многофакторного анализа методов оценки устойчивости путем сравнения преимущества и недостатки того или иного метода. Структура и взаимосвязь методов оценки устойчивости склонов и откосов представлена на рис.1.
Геологические методы Классификация геологических процессов предложена Ф. П. Саваренским и в дальнейшем она была дополнена И. В. Поповым, Н. В. Коломенской, Г.С. Золотаревым, В. Д. Лом-тадзе, Е. М. Сергеевым, В. И. Осиповым и другими. Геологические методы оценки устойчивости склонов основаны на использовании информации полученные способами: — сравнительно — геологической и геологического подобия.
Сравнительно-геологические методы осуществляется путем сравнения инженерно-геологических условий рассматриваемого участка с условиями склонов-аналогов, на которых ранее изучались проявления оползней. Она может быть выполнена лишь в первом приближении на основе сопоставления генерального угла наклона рассматриваемого склона и склона-аналога.
Методы геологического подобия основаны на теоретических разработках А.Б. Розовского и Б.Д. Зеленского. Как и сравнительно-геологические методы, методы геологического подобия требуют вывода аналогов сначала по качественным, а затем и по количественным признакам.
При рассмотрении устойчивости для склона-объекта и склона-аналога должно соблюдаться качественное подобие формы склона, реологического строения, гидрогеологических условий, механизма оползания, внешних воздействий на склон, основных показателей свойств пород и методики определения этих свойств.
Расчетно-теоретические методы Расчетно-теоре-тические методы основаны на разработке какой-либо математической модели разрушения склона оползанием и дальнейшего движения оползающих масс с применением определенной математической зависимости (метода, способа расчета). Расчетно-теоретические методы оценки устойчивости склонов разделяются на две основные группы: — математические и вероятностные. Математическими методами выполняются: — расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) и расчеты по определению линий скольжения (графоаналитические). в расчетах напряженно-деформированного состояния рассматривается напряженное состояние во всем объеме грунтового массива. Это методы, основанные на теории сыпучей среды В.В.Соколовского, а также методы сопоставления полей максимальных касательных напряжений и прочности пород на сдвиг для грунтового массива, рассматриваемого склона. в последнем случае нормальные и касательные напряжения в массиве пород определяются каким-либо расчетным способом, например, по формулам теории упругости по И.В.Яропольскому, В.К. Цветкову, или методом конечных элементов или по аналогово-дискретным моделям (Кулачкин — Радкевич). Практически во всех расчетных методах используется зависимость величины сопротивления пород сдвигу от нормального давления на прочность сдвига, охарактеризованная впервые Ш.Кулоном. Способы расчетов по этим методам известны по работам В. В. Соколовского, Г. М. Шахунянца, Н. Н. Маслова, В. А. Флорина, Н. А. Цытовича, Г. Л. Фисенко и др.
Рисунок 1. Структура и взаимосвязь методов оценки устойчивости склонов и откосов
Физико-математические и технические науки
В методах, основанных на теории предельного равновесия, предполагается, что предельное состояние наступает одновременно по всему отклоняющемуся массиву грунта, что не соответствует натурным закономерностям деформирования склонов.
Методы определения линий скольжения основаны на решениях расчетной задачи предельного равновесия рассматриваемого склона или заданием формы скольжения (приближенные). Эти методы, основаны на задании различных очертаниях поверхностей скольжения и установлении наиболее вероятного их положения по минимуму коэффициента запаса для заданной поверхности скольжений. Эта группа методов характеризуется большим многообразием выбора расчетных схем, исходных предпосылок и расчетных приемов. Для оценки устойчивости склона однородного строения, а также с горизонтальным залеганием пород при падении их в глубь склона, применяется метод, базирующийся на принципе круглоцилиндрической поверхности скольжения. Этот метод, предложенный в В. Феллениусом, использовался в различных вариантах, в том числе метод К. Терцаги.
Метод конечных элементов. Использование МКЭ обладает существенным преимуществом по сравнению с другими методами, так как дает возможность рассматривать массив горных пород как неоднородную, нелинейную, а при введении характеристик трещин, и не сплошную среду.
Анализ напряженного состояния методом конечных элементов удовлетворяет условию статического равновесия и позволяет оценить изменения напряжений, вызванные варьированием других свойств, неоднородности и геометрических форм. в дополнение к анализу напряженного состояния программа обеспечивает создание сетки конечно-элементной модели, с графическое построение этой сетки и изобар, вычисление коэффициента запаса и отыскание наиболее опасной поверхности скольжения.
Вероятностные методы. Вероятностные методы основаны на выявлении вероятностной корреляционной зависимости прогнозируемого показателя от значений параметров, характеризующих фактора развития процесса оползнеобразования. Процесс ополз-необразования непосредственно связана вязкопла-стичными свойствами глинистых грунтов. Скорости смещения вязкопластичных оползней исследованы С. С. Вяловым, Н. М. Масловым и др. Для трещиноватых горных пород также рекомендуется оценивать с вероятностных позиции, по трем причинам, во-первых, точные значения действующих напряжений и показателей прочности получить трудно или просто невозможно. Проще оценить границы их изменения. Методы статистики позволяют описать изменчивость этих значений в установленных границах с помощью того или иного закона распределения. Во-вторых, в скальных массивах сложной структуры неопределенность в установлении основных параметров часто
довольно большая, что приводит к необходимости рассмотрения сразу нескольких типов обрушения. Один из методов основанный на учете случайного характера распределения предложена Х.Эйнштейном и др. Наконец, вероятностный подход позволяет оптимизировать процесс проектирования откосов путем сравнения «цены» обрушения (как произведение вероятности обрушения на предполагаемые убытки) с затратами на сооружения более устойчивого откоса.
Экспериментальные методы При решении задач, связанных с деформированием склонов и прогнозом оползней, может применяться лабораторные и методы физического моделирования. Лабораторные методы используется для исследования свойств горных пород с учетом особенностей строения натурных склонов для последующего использования полученных результатов в расчетах устойчивости. Непосредственный прогноз устойчивости для конкретных инженерно-геологических условий выполняется методами физического моделирования на моделях склонов с соблюдением критериев подобия между натурой и моделью. Исследования выполняются преимущественно на моделях из эквивалентных материалов с соблюдением подобия геометрических размеров, геологического строения, прочностных и деформационных характеристик пород, а в некоторых случаях и подобия продолжительности развития деформации.
Проведен сравнительный анализ методов оценки устойчивости склонов и откосов, используемых в настоящее время. На основе анализа существующих методов составлена структурная схема методов оценки устойчивости откосов и склонов. Использование каждого из методов предполагает выполнения ряда специальных геотехнических исследований и выбора расчетной модели путем сравнения преимущества и недостатки.
Список использованных источников
1. Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов / И.О.Тихвинский. М., Наука, 1988. — 144 с.
2. Цветков В.К. Исследование устойчивости откосов и склонов с помощью МКЭ //Приложение численных методов
к задачам геомеханики. М., МИСИ, 1986. с.106.
3. Механика скальных пород и современное строительство / В.И. Речицкий, Ю.А.Фишман, Ю.Б. Мгалобелов и др. М., Недра, 1992. — 317 с.
4. К вопросу об оценке устойчивости скальных откосов / Б.А.Урустембеков, М.И. Азбергенов. Тараз — 2004, Вестник ТарГУ, №3 с.33-38.
Информация об авторе
• Урустембеков Б. А. // кандидат технических наук, РГП «Госэкспертиза», г. Астана
Всероссийский журнал научных публикаций, апрель 2011
11
