CC BY
63
УДК 624.131
Э.В. Калинин, Л.Л. Панасьян, Е.М. Тимофеев
НОВЫЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ УСТОЙЧИВОСТИ ОПОЛЗНЕВЫХ СКЛОНОВ
Статья написана на основе данных инженерно-геологических исследований, проведенных на оползневом склоне долины р. Москвы, где предполагается реконструкция мостового перехода. Предложен способ определения поверхности скольжения оползня, который позволяет надежнее оценивать устойчивость оползня, величину оползневого давления, принимать обоснованное решение о конструкции мостового перехода и проектировать противооползневые мероприятия.
Введение. Проблема оценки устойчивости оползневых склонов, несмотря на длительную историю научных исследований, остается чрезвычайно актуальной, особенно при строительстве ответственных сооружений. В практике инженерно-геологических изысканий этому вопросу уделяется очень большое внимание и для расчетов устойчивости склонов используется множество способов. При этом возникает важный, но очень сложный вопрос о положении поверхности возможного смещения оползня в склоне. Даже при большом количестве горных выработок далеко не всегда удается надежно определить положение поверхности скольжения. Авторы предприняли попытку найти эту поверхность с помощью расчетов напряженного состояния пород, слагающих склон, а также путем сравнения полученных напряжений с прочностью пород.
Геологическое строение участка строительства мостового перехода. На одном из участков Московской железной дороги проводится реконструкция мостового перехода через р. Москву. Существующий в настоящее время мост пересекает правобережный склон долины, осложненный оползневыми процессами. Вновь создаваемый мостовой переход проходит по тому же участку, поэтому одним из основных вопросов изучения инженерно-геологических условий его строительства является оценка устойчивости склона. Авторы использовали материалы инженерно-геологических изысканий на участке строительства мостового перехода.
Правобережный склон долины р. Москвы имеет среднюю крутизну 11—12° и образует несколько ступеней. Нижняя ступень шириной 15—17 м и высотой 1,5—5 м над урезом реки наклонена в сторону реки и образована насыпным грунтом. Средняя ступень высотой 8—9 м над урезом реки ровная, ширина более 40 м, сложена флювиогляциальными песками и отделена от нижней ступени ярко выраженным уступом высотой 5 м. Верхняя ступень имеет превышение над урезом реки 16—18 м, частично перекрыта насыпными грунтами. В сторону реки она слабо наклонена, имеет уступ высотой 6 м, а к западу постепенно переходит в ровную водораздельную поверхность с абсо-
лютными отметками около 133 м. Естественный рельеф поверхности склона долины р. Москвы существенно преобразован техногенным воздействием — планировкой, отсыпкой техногенных фунтов.
В геологическом строении рассматриваемого участка долины р. Москвы (рис. 1) принимают участие верхнекаменноугольные, верхнеюрские и четвертичные отложения.
Верхнекаменноугольные отложения представлены светло-серыми известняками (С3), трещиноватыми, кавернозными, с прослоями мергелей, местами разрушенными до щебня и дресвы. Породы имеют низкую прочность, водоносны. Залегают известняки горизонтально, в них обнаружено разрывное нарушение, которое расположено под уступом, отделяющим водораздельную поверхность от средней ступени.
Верхнеюрские отложения представлены келло-вейским и оксфордским ярусами. Отложения келло-вейского яруса (J3cl) с размывом и стратиграфическим несогласием залегают на верхнекаменноугольных известняках. Абсолютные отметки поверхности размыва 87—88,5 м. Сложены отложения келловей-ского яруса зеленовато-серыми глинами, слюдистыми, жирными, твердыми, в подошве с гравием и галькой. Выше по разрезу келловейские глины сменяются оксфордскими (J3ox), которые представлены черными слюдистыми глинами с присыпками и прослойками (мощность до 0,3 м) глауконитового песка, содержат водонасыщенные и обогащенные фосфоритом песчаные прослои мощностью до 1,5 м. Мощность оксфордских глин 15 м и более.
На неровной размытой поверхности оксфордских глин залегают средне-верхнечетвертичные флювио-гляциальные отложения (fg II—III), представленные светло-коричневыми песками мелкими, пылеватыми, с прослоями голубовато-серых супесей и суглинков мощностью до 3—6 м. Породы водонасыщенные. Мощность флювиогляциальных отложений 10—11 м. Выше они перекрыты техногенными образованиями — насыпным грунтом (t IV) мощностью до 6 м и суглинками с прослоями песка и супеси, с включением дресвы, щебня и строительного мусора.
Во флювиогляциальных отложениях развит грунтовый водоносный горизонт, поверхность которого
Номер скважины Скв С Скв. А Скв. 18 Скв. 13
Абс. отметка устья, м 132,71 128,43 120,95 114,67
Глубина, м 20,00 42,40 40,00 40,00
Расстояние. м I 49,00 I 40,50 I 30,00 I
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез правобережного склона долины р. Москвы: 1 — техногенные образования; 2 — суглинки; 3 — пески; 4— супеси; 5— измененные глины в основании оползня; 6 — глины; 7— известняки; 8— известняки нарушенные; границы: 9 — литологические, 10 — стратиграфические; 11 — уровень подземных вод; 12 — предполагаемая граница оползня
понижается от водораздела, где его уровень находится на абсолютной отметке 128—129 м, до уровня реки. Градиент напора грунтового водоносного горизонта составляет -0,16. Коэффициент фильтрации флювиогляциальных отложений в зависимости от особенностей литологического состава изменяется от 0,07 до 1,4 м/сут. Движение потока подземных вод в сторону реки приводит к возникновению гидродинамического давления, что может создать дополнительные условия для развития на склоне оползневых деформаций.
Верхнеюрские глины являются региональным водоупором. Однако в песчаных прослоях и линзах этих отложений содержатся подземные воды, обладающие местным напором, достигающим, как правило, 3—5 м (редко до 10 м). В трещиноватых кавернозных известняках и мергелях каменноугольного возраста развит напорный водоносный горизонт. Величина напора 19 м.
Для оконтуривания оползней и выявления ослабленных зон проведены сейсморазведочные работы методом отраженных сейсмических волн, которые позволили выявить некоторые структурные неоднородности в верхней части разреза в интервале глубины 0—25 м. При этом установлено, что кровля юрских глин в пределах верхней оползневой ступени опущена на 10 м по сравнению с нетронутым береговым массивом. В границах площадки фундамента устоя моста вдоль его оси в толще юрских глин на протяжении 18 м (по направлению от тыловой части оползня к реке) зафиксировано снижение гипсометрических отметок возможной поверхности скольжения почти на 4 м. Анализ пространственного положения предполагаемой поверхности показал, что она
ориентирована под углом 45° к оси устоя, т.е. в случае возможных подвижек оползень будет оказывать давление на устой с закручиванием его фундамента в направлении по часовой стрелке. Точное положение поверхностей скольжения других оползневых тел с помощью бурения и геофизических методов изысканий выявить не удалось. В результате полевых инженерно-геологических и геофизических исследований, выполненных ОАО "Гипротрансмост", и лабораторных экспериментов была установлена граница предполагаемого оползневого блока, а также положение поверхности смещения в 5 точках и параметры сопротивления пород сдвигу вдоль поверхности скольжения. На основании полученных данных на геологическом разрезе, построенном по линии проектируемого мостового перехода, показана предполагаемая поверхность, по которой может произойти смещение оползневого тела.
Постановка задачи. На склонах долины р. Москвы широко распространены оползневые процессы, что обусловлено специфическим геологическим строением. Исследуемый участок склона также обладает чертами, необходимыми для образования на нем оползневых деформаций. Он имеет высоту более 20 м, сложен флювиогляциальными песками, в его основании залегают юрские глины, кровля которых расположена на уровне уреза реки. Во флювиогляциальных отложениях развит грунтовый водоносный горизонт, разгружающийся в реку. Наличие подземных вод во флювиогляциальных песчаных отложениях и присутствие вод внутри глинистой толщи неизбежно приводят к снижению прочности той части глин, которая залегает ближе к кровле, что служит основной причиной нарушения устойчивости склона.
масштаб 1:500
Рис. 2. Сеточная модель для расчета напряженного состояния массива пород склона
Потеря прочности глинистой толщей в сочетании с напряжениями, возникающими на глубине, может стать необходимым и достаточным условием для разрушения глинистых пород, если, конечно, этот процесс будет происходить в пределах склона. Разрушение глин дает начало образованию поверхности скольжения, вдоль которой резко снижена прочность пород, в частности сопротивление сдвигу. Тогда под действием гравитационной силы, а также гидродинамического давления происходит смещение оползня в виде блока значительной мощности. При этом поверхность скольжения может быть на некотором участке практически горизонтальной или даже иметь обратный уклон. Оползни, формирующиеся по изложенной схеме, в соответствии с существующими классификациями [Золотарев, 1983] относятся к оползням выдавливания.
В связи с высокой ответственностью при проектировании мостового перехода перед исследованием были поставлены следующие задачи: с помощью математического моделирования показать возможность и объяснить причины возникновения в склоне зон, где напряжение от веса вышележащих пород превысит прочностные характеристики пород, подтвердить наличие предполагаемой поверхности смещения, сделать оценку устойчивости выделенного оползневого тела и определить возникающее в склоне оползневое давление.
Оценка возможности появления зон сдвига в породах склона. Выявление в пределах изучаемого склона зон, где соотношение напряжений и прочностных характеристик в отдельных точках массива является критическим и, следовательно, возможно разрушение слагающих склон пород и возникновение поверхностей, по которым развиваются оползневые смещения, проводилось с помощью математического моделирования, которое включало определение напряженно-
деформированного состояния (НДС) в породах склона и сравнение полученных напряжений с прочностными характеристиками пород на сдвиг.
Для изучения НДС пород склона применялась разновидность вариационно-разностного метода, использующего набор чебышевских итерационных параметров и так называемые законтурные точки для снижения ошибок округления. Метод, разработанный сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета и кафедры механики композитов механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, позволяет исследовать НДС неоднородных по деформационным и прочностным свойствам массивов горных пород, ограниченных неровной поверхностью и с произвольными внутренними границами, в условиях действия гравитационных и других сил [Калинин и др., 2003].
Для решения поставленной задачи исследуемая область — склон речной долины р. Москвы — представляется в виде двух сеточных моделей (рис. 2) размером {ЫхЬ2) 100x60 и 80x40 м (массивы I и II соответственно). Число узлов {ЖхШ) в сеточных моделях составляет 1025 и 561 соответственно, шаг по вертикали и горизонтали одинаков и равен 2,5 м. Выбор такой величины шага обусловлен мощностью слагающих склон различных по литологии пород, которая, как правило, не превышает 2,5 м. Граничные условия задаются следующим образом: верхняя граница свободна от напряжений, т.е. нормальные {М) и касательные (7) составляющие напряжений равны нулю, но в случае необходимости нагрузка, приложенная к поверхности от наземных сооружений, может быть задана; на боковых границах разрешены вертикальные и запрещены горизонтальные перемещения; нижняя граница закреплена жестко, т.е. горизонтальные (и) и вертикальные (V) перемещения равны нулю,
Показатели свойств пород
Геологический индекс .Цитологический тип Плотность пород при естественной влажности, г/см3 Модуль деформации, МПа Коэффициент поперечной деформации Сцепление, МПа, min/max Угол внутреннего трения, град., шт/тах
t IV Техногенные грунты (насыпные суглинки, супеси) 1,5 8 0,35 0,018 15
fg II-III Песок мелкозернистый, пылеватый, с прослоями супеси, средней плотности (влажный/водонасыщенный) 1,7 23 0,3/0,42 0,001 26
fg II-III Супесь с прослоями суглинка и песка, водонасыщенная 1,95 10 0,35 0,009 19
fg II-III Суглинок с прослоями песка, полутвердый 1,9 28 0,30 0,01 13
J3ox Глина с прослоями водонасыщенного песка 1,7 17 0,35 0,09 10
J,cl Глина жирная, твердая 1,87 21 0,30 0,141 29
Сз Известняк трещиноватый, кавернозный, малопрочный 2,4 60 0,25 5 40
dp III—IV Грунт зоны скольжения 1,7 по типу породы 0,35 0,037/0,023 13/5
и отнесена достаточно далеко, чтобы исключить искажение результатов.
Физико-механические свойства пород, слагающих склон, задаются в узлах сетки. В качестве показателей свойств пород использовались следующие данные: плотность грунтов, угол внутреннего трения и сцепление для ненарушенных пород приняты по данным лабораторных испытаний образцов, отобранных из скважин по изучаемому разрезу; значения модуля деформации и коэффициента Пуассона взяты из литературных и нормативных документов. Значения показателей свойств для литологических разностей пород, которые использовались при расчетах распределения напряжений и устойчивости склона, приведены в таблице.
Выявление зон, где напряжения, существующие в массиве горных пород, могут превысить их прочность, основывается на теории предельного напряженного состояния. Предельное напряженное состояние соответствует такому состоянию, которое возникает при достижении внешними силами (или вызванными ими напряжениями) предельной для рассматриваемой точки величины. В случае, когда малейшее добавочное увеличение силового воздействия или уменьшение прочности пород в такой точке нарушает существующее в ней равновесие и сопротивление изменению формы падает до минимального значения, возникает площадка скольжения, а среда в этом месте приходит в состояние пластического течения. Площадки скольжения, где сопротивление сдвигу достигло предельной величины, объединяясь, образуют область скольжения, по которой и происходит смещение оползневого тела. Поэтому в выполненном расчете для оценки степени устойчивости массива пород в каждой его точке сравниваются действующие естественные напряжения с предельно допустимыми. Оценка проводится с помощью коэффициента запаса прочности горных пород, который представляет
собой отношение предельно допустимого касательного напряжения к действующему в рассматриваемой точке [Цытович, Тер-Мартиросян, 1981, с. 107]:
П = ■
(сг + с) tgф + 2с *_}_
2т„^с08Ф или [Калинин и др., 2003, с. 86] (с. + с ) + 2с
- tg29,
П = "
2т,
• ras ф.
(1)
(2)
В этих выражениях о.о.хт— напряжения, рас-
л I П1ал
считанные вариационно-разностным методом, а с и Ф — сцепление и угол внутреннего трения пород, установленные экспериментально.
Различие коэффициентов запаса прочности горных пород, определяемых по указанным формулам, состоит в следующем. По формуле (1) коэффициент запаса определяется как отношение предельно допустимого касательного напряжения к действующему при неизменном нормальном напряжении. Коэффициент запаса, определяемый по формуле (2), представляет собой отношение минимального предельно допустимого касательного напряжения к действующему в рассматриваемой точке и является наименьшим.
Для правобережного склона долины р. Москвы проведена серия расчетов для двух массивов с целью выявления зон, где наблюдается превышение действующего касательного напряжения над предельно допустимым, т.е. для выявления точек в пределах изучаемого массива, в которых указанный коэффициент запаса прочности пород меньше единицы (п < 1). Во всех расчетах предполагалось, что действующие напряжения постоянны, а сопротивление пород сдвигу изменялось в сторону его ухудшения.
Изучение зависимости распределения напряжений в массиве I от изменения прочности пород выполнено по трем расчетам.
* * * *
с ***** *
В первом расчете во всех точках 1 учитывались деформационные и проч- § ностные показатели, характеризующие свойства пород, когда склон находится в устойчивом состоянии. В результате в '. '. '. '. *
выявлено несколько участков, где на- ^ :
пряжения, действующие в склоне, не- ^............
смотря на небольшую абсолютную ве- 13............
личину, превышают сопротивление '.'. '.'.'.'.'.'. '. '. '. '.
пород сдвигу. Во-первых, значения 16............
коэффициента запаса прочности меньше единицы найдены в основании ступеней, образующих склон; во- 1
вторых, в некоторых точках, располо- |.........
женных на контакте водонасыщенных
5 л * * * * *
песков и оксфордских глин; в-третьих, 6 * * * * 4 *
7
в неустойчивом состоянии находятся
слабые флювиогляциальные суглинки, в............
залегающие в верхней части склона и............
(рис. з, о). 13::::::::::: :
Во втором расчете вдоль предпо- 15 11111111Г111
латаемой по геологическим признакам 16............
зоны смещения были заданы измененные в сторону уменьшения показатели прочности пород. При этом было изменено только сцепление — с 0,09 до \ '. '. '. . 0,037 МПа, что соответствует значению сцепления, установленному б4444444!*444*4 путем испытания глин с естественной 7 влажностью на сдвиг методом "плаш- д ка по плашке". Второй расчет показы- ™
*************
******************
вает, что, во-первых, сохраняются все 12.............
участки неустойчивости, выявленные 1-4111111111ГГ1Г............................
первым расчетом, и, во-вторых, \1 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ уменьшение почти в 3 раза сцепления
пород ВДОЛЬ поверхности предполагае- Рис. 3. Распределение зон неустойчивости в изучаемом склоне в первом (а), втором
МОГО смещения ОПОЛЗНЯ вызвало ПОЯВ- и тРетьем расчетах. Звездочками обозначены точки, в которых п<1
ление в толще оксфордских глин
. . всех точках зоны смещения, причем независимо от
зоны, где коэффициент запаса прочности стал меньше _
, . глубины их залегания значения коэффициента запаса
единицы (рис. 3, о). , , ч
^ „ прочности стали меньше единицы (рис. 3, в), а в Подчеркнем, что превышение действующих каса-
^ „ у } самых низких точках предполагаемой поверхности
тельных напряжении над предельно допустимыми на- смещения снизились до 0,5. Распределение по склону блюдается только в тех точках, которые находятся на значений коэффициента запаса прочности, опреде-глубине около 20 м. Этот результат очень важен, так ленные третыш расчетом, представлено на рис. 4. как определяет глубину захвата склона оползневым Моделирование, выполненное для массива II, смещением или мощность оползневого тела. Распо- имело целью показать< что 30Ны неустойчивости приложение поверхности смещения выше этого уровня сутствуют не только вблизи склона, но распространя-при тех же значениях прочностных показателей, ви- ются и в глубь него< что может быть связано с присут-димо, невозможно, так как приближение к поверх- Ствием в разрезе линзы суглинка, обладающего низ-ности уменьшает напряжения, которые в этом случае кой прочностью на сдвиг. Кроме того, все расчеты не достигают критических значений. НДС склона показали, что в юрских глинах под бров-В третьем расчете вдоль предполагаемой зоны кой склона на глубине 20-30 м расположена значи-смещения оползневого тела прочностные показатели тельная зона, где коэффициент запаса прочности были уменьшены еще больше. Сцепление было изме- приближается к единице. Небольшие изменения на-нено до 0,023 МПа, а угол внутреннего трения умень- пряжений или уменьшение прочностных характерис-шен в 2 раза. Такие значения показателей соответст- тик глин могут стать причиной развития сдвиговых вуют прочностным характеристикам, установленным деформаций в отдельных точках массива, что в свою экспериментально по тем же испытаниям, но в уело- очередь приведет к потере устойчивости склона с об-виях смачивания глин. В этом случае практически во разованием нового оползня глубокого заложения.
Это свидетельствует, что смещение предполагаемых оползневых тел не приведет к прекращению оползневых деформаций на этом склоне, но оползневый процесс будет развиваться и в будущем, захватывая новые удаленные от реки участки.
На основании проведенных расчетов можно утверждать, что на рассматриваемом участке правобережного склона долины р. Москвы соотношение между действующими в породах склона естественными напряжениями и прочностью на сдвиг таково, что
при уменьшении прочностных показателей глинистых разновидностей (вероятность чего в данных уСЛОВИЯХ на 05В0Дненнь1Х склонах велика), в ряде точек склона возможно развитие сдвиговых деформаций, что может стать причиной образования и обновления на склоне оползневых смещений.
Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния пород склона, в результате которых были установлены зоны возможного развития сдвиговых деформаций, подтвердили предположения относительно границ оползневого смещения на правобережном склоне долины р. Москвы, сделаннные на основании инженерно-геологических, разведочных и геофизических исследований.
Устойчивость оползневого тела. Для оценки устойчивости выявленного оползневого тела применен метод плоских поверхностей сдвига, который относится к способам, объединенным под общим названием "методы касательных сил", среди которых наиболее известны метод Г.М. Шахунянца, метод прислоненных отсеков, метод алгебраического суммирования, метод прислоненного откоса и ряд других [Рекомендации..., 1986].
£тепень уСТ0^ЧИВ0СТИ оползневого тела оценивалась в плоском сечении, совпадающем с направлением мостового перехода. В основе расчета лежит теория предельного равновесия и предполагается, что формирование оползня на склоне происходит в результате сдвига по поверхности скольжения в соответствии с теорией прочности Кулона—Мора, т.е. в момент предельного равновесия вдоль поверхности смещения действует зависимость т = о1§ф + с.
Для расчета предполагаемую поверхность смещения оползня аПпроксимируют системой плоских поверхностей, а оползневое тело — блоками с вертикальными плоскостями, причем так, чтобы каждый выделенный блок опирался на одну выделенную в результате аПпроксимации плоскую поверхность скольжения (рис. 5). При разбиении оползня на блоки также у4итывали ре_ льеф склона, положение уровня ГруНТОвых вод, строение оползневого тела и распределение вдоль поверхности скольжения значений сцепления и уГла внутреннего Трения. Плотность пород в пределах каждого блока определялась как средневзвешенная величина из значений плотностей слагающих блок ЛИТОлогических разностей пород.
Расчеты степени устойчивости оползневого тела проводили с учетом взвешивания и гидродинамического давления, которое оказывает на оползень поток ГруНТОВЫХ учет депсТвия гидростатических и гидродинамических сил осуществляется путем замены этих сил эквивалентными контурными силами, приложенными вдоль подошвы оползневого тела [Мироненко, Шестаков, 1974]. Объемные силы заменяются контурными на основе известной теоремы Гаусса—Остроградского, что является точным при-
Рис. 5. Схема для расчета устойчивости оползневого тела
емом. В итоге при расчете устойчивости оползневого тела вводится вес водонасыщенных пород, а из составляющей веса блока, нормальной по отношению к поверхности скольжения, вычитается контурная сила, равная
(3)
где Я. — гидростатический напор; Zi — ордината точки относительно плоскости сравнения, осреднен-ная вдоль /-го плоского участка поверхности скольжения длиной /.; ув — объемный вес воды.
В проведенной серии расчетов степень устойчивости оползневого тела оценивалась с помощью коэффициента, представляющего собой отношение удерживающих сил к сдвигающим. Выявлялась зависимость степени устойчивости оползня от изменения (уменьшения) прочностных показателей вдоль поверхности скольжения при увлажнении и от воздействия на оползневое тело потока грунтовых вод.
Если вдоль поверхности скольжения показатели сопротивления сдвигу не отличаются от показателей свойств пород, слагающих склон, то значения коэффициента устойчивости (К) значительно превышают единицу. Поэтому все последующие расчеты выполнялись для случаев, когда прочностные характеристики вдоль поверхности скольжения существенно меньше, чем у пород вне зоны смещения (таблица), что позволяет оценить влияние уменьшения прочностных свойств пород вдоль поверхности скольжения в результате увлажнения на степень устойчивости оползневого тела.
Если задать вдоль поверхности скольжения значения показателей прочности на сдвиг, полученные в результате испытания по схеме "плашка по плашке" (с = 3,7 т/м2, ф =10°), то коэффициент устойчивости при отсутствии влияния фильтрационного потока будет равен 1,94, а в случае учета действия гидростатических и гидродинамических сил потока грунтовых вод он понизится до 1,24.
Наконец, при задании вдоль поверхности скольжения минимальных значений показателей прочности на сдвиг, соответствующих полученным при лабо-
раторных испытаниях по схеме плашка по плашке при смоченном состоянии глины (с = 2,3 т/м2, ф = 5°), коэффициент устойчивости оползневого тела при отсутствии влияния фильтрационного потока уменьшился до 1,15, а при учете гидростатических и гидродинамических сил он станет меньше единицы.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при минимальных значениях прочностных характеристик пород, которые могут быть в зоне скольжения, даже при отсутствии воздействия потока грунтовых вод коэффициент устойчивости оползневого тела (Х=1,15) близок к единице. Если учесть, что большинство исследователей, занимающихся данной проблемой, считают, что точность определения величины Хпо разным методикам не превышает 20%, то полученное значение коэффициента не позволяет утверждать, что склон находится в устойчивом состоянии.
Используя методику расчета устойчивости откосов, предложенную P.P. Чугаевым, была построена кривая связи скр =/(/£фкр) [Чугаев, 1964], т.е. между критическими значениями сцепления и угла внутреннего трения (рис. 6), для оползневого массива пород на изученном участке. Кривая связи представляет собой геометрическое место точек, отвечающих парам значений сцепление — угол внутреннего трения, при которых оползневое тело находится в предельном состоянии. Если точки, соответствующие парам значений с и ф лежат ниже кривой связи, то оползневое тело находится в неустойчивом состоянии, если выше — оползневое тело обладает запасом устойчивости, величину которой можно оценить по графику.
Таким образом, кривую связи, построенную для рассматриваемого оползневого тела, легко использовать для оценки степени его устойчивости в случае изменения свойств пород, слагающих склон, но без учета действия гидростатических и гидродинамических сил. Расчеты устойчивости оползневого тела с учетом действия гидродинамических и гидростатических сил показали, что в этих случаях значение коэффициента устойчивости снижается почти на 40%, и на эту величину следует уменьшать коэффициент при практических оценках устойчивости.
Расчет дефицита устойчивости и оползневого давления. Оценить степень устойчивости оползневого тела можно также путем определения дефицита устойчивости, что часто используется на практике [Га-зиев и др., 1984]. Указанный параметр позволяет одновременно определить оползневое давление. Расчет дефицита устойчивости оползневого тела и оползневого давления выполнялся по формуле, учитывающей рельеф склона, объем оползневых масс, свойства слагающих оползень пород, в том числе в зоне скольжения, наличие потока подземных вод и изменение его уровня от водораздела до зоны разгрузки в р. Москву (градиент гидростатического напора), наклон поверхности скольжения в разных частях оползневого блока. Этот расчет позволяет оценить оползневое давление практически вдоль всего оползневого тела.
Рис. 6. Связь скр =/(1§фкр). При ф = 0 с = 3,42 т/м2; при с = 0 ф= 10°, ^ ф = 0,18
Расчет дефицита устойчивости и оползневого давления выполнен для двух случаев: 1) когда вдоль поверхности скольжения прочностные показатели соответствуют таким, которые характерны для глин, измененных в результате оползневого смещения; 2) для самого неблагоприятного случая, когда вдоль возможной поверхности скольжения заданы значения, соответствующие максимально увлажненной поверхности смещения (минимальные значения сцепления и угла внутреннего трения). Градиент гидростатического напора принят средним по всему склону и равен 0,16.
Первому случаю отвечает пунктирная кривая на рис. 7. Наибольшее оползневое давление наблюдается в тыловой части оползня, где расположен устой моста. В сторону головной части оползня оползневое давление постепенно уменьшается и на участке, где поверхность скольжения имеет обратный уклон, полностью рассеивается, и в целом оползневое тело имеет отрицательный дефицит устойчивости. Если заданы минимальные значения показателей сопротивления сдвигу пород в зоне скольжения, то оползневое давление достигает максимального значения в той же точке, что и в предыдущем случае. По направлению к реке эта величина сохраняется практически неизменной в пределах всего оползневого тела, в том числе и в том месте, где расположена одна из опор, уменьшаясь только в головной части оползня, где поверхность скольжения приобретает обратный уклон. В целом оползень имеет положительный дефицит устойчивости, т.е. при таких показателях прочности на сдвиг находится в неустойчивом состоянии.
Выводы. 1. На правобережном склоне долины р. Москвы присутствуют необходимые и достаточные условия для формирования оползневых смещений: склон сложен водонаеыщенными песками, они подстилаются глинами, которые содержат небольшие опеечаненные водонаеыщенные прослои, иногда имеющие местный напор и способные терять прочность при обводнении. Высоты склона более 20 м достаточно для возникновения напряжений, способных превысить сдвиговую прочность пород. Существенным фактором, способствующим развитию оползней на склоне, является гидродинамическое давление.
2. Наличие оползневых смещений на склоне подтверждается рядом признаков: ступенчатым релье-
Рис. 7. Распределение оползневого давления вдоль оползневого
тела при следующих показателях свойств пород зоны скольжения: а — с = 2,3 т/м2, ф = 5°; — с = 3,7 т/м2, ф = 10°
фом, зонами скольжения, обнаруженными в нескольких точках, и т.д.
3. В результате расчета напряженно-деформированного состояния массива пород, слагающих склон, и сравнения напряжений с прочностью пород на сдвиг выявлены зоны, где значения коэффициента запаса прочности приближаются к единице или меньше. Эти зоны приурочены к основаниям уступов склонов и к слабым прослоям, наблюдаемым в разрезе. Значения коэффициента устойчивости меньше единицы получены вдоль предполагаемой поверхности скольжения, если породы в ней обладают минимальными показателями прочностных свойств. Выявлена также зона со значениями коэффициента устойчивости, близкими к единице, расположенная на глубине в юрских глинах под бровкой склона, что может стать причиной развития оползневого смещения с глубоким захватом.
4. С помощью расчета НДС состояния массива пород, слагающих склон, уточнена конфигурация оползневого тела, что дает обоснованную оценку его устойчивости. Оценки устойчивости оползневого тела показывают, что оно находится в состоянии, близком к предельному, и если прочностные характеристики пород зоны скольжения уменьшатся до минимальных, то произойдет потеря устойчивости. Большую роль в оползневом процессе играют гидростатические и гидродинамические силы, которые уменьшают устойчивость оползневого тела почти на 40%.
5. Величина дефицита устойчивости показывают, что в пределах всего оползневого тела сохраняется высокое оползневое давление, что необходимо принимать во внимание при проектировании инженерных сооружений.
6. Так как нарушение устойчивости оползневого склона связано с уменьшением прочности глинистых пород вдоль поверхности смещения при увлажнении и в результате давления потока подземных вод, то для увеличения устойчивости выявленного оползневого тела рекомендуются дренажные мероприятия для предотвращения действия на него фильтрационного давления, а также комплекс других инженерных решений по повышению устойчивости оползневого склона в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газиев Э.Г., Григорян С. С., Казикаев Д. М. и др. Современное состояние инженерной оценки устойчивости откосов // Инженерная геология. 1984. № 2. С. 3—16.
2. Золотарев Г.С. Инженерная геодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1983.
3. Калинин Э.В., Панасьян Л.Л., Широков В.Н. и др. Моделирование полей напряжений в инженерно-геологических массивах. М.: Изд-во МГУ, 2003.
4. Мироненко В.А., Шее такое В.М. Основы гидрогеоме-ханики. М.: Недра, 1974.
5. Рекомендации по выбору методов расчета коэффициента устойчивости склона и оползневого давления. M.: ЦБНТИ Мин монтаже пе цстроя СССР, 1986.
6. Цытович НА., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. M.: Высшая школа, 1981.
7. Чугаев P.P. Расчет устойчивости земляных откосов по методу плоских поверхностей сдвига грунта. M.; Л.: Энергия, 1964.
Поступила в редакцию 06.02.2007
