CC BY
132
Безопасность сложных технических систем
УСЛОВИЯ И ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ
B.К. МУСАЕВ, д~р техн. наук, профессор*
C.П. СУЩЕВ, д-р техн. наук * А.А. ПОПОВ*, А.Л. ФЕДОРОВ*
Российский университет дружбы народов, Москва Центр исследований экстремальных ситуаций, Москва
Под условиями, способствующими образованию оползней, следует понимать всю совокупность природных и искусственных условий, облегчающих действие сил, нарушающих равновесие грунтовых масс. Некоторые вопросы, связанные с поведением грунтов при различных динамических явлениях рассмотрены в работах [1-6]. Причины образования оползней и условия, способствующие этому явлению, не одно и то же. Как показывает опыт изучение оползней, изучение этих процессов облегчает анализ и прогноз явлений, а также выбор направления защитных инженерных мероприятий.
Перечислим условия, часто способствующие образованию оползней: климатические особенности района; гидрологический режим водоемов и рек для береговых и оползневых участков; рельеф местности; геологическое строение откосов; современные и новейшие тектонические движения и сейсмические явления; гидрогеологические явления; развитие сопутствующих экзогенных геологических процессов и явлений; особенности физико-механических свойств грунтов; инженерная деятельность человека.
Выше было отмечено, что периоды образования оползней и разнообразных оползневых подвижек повсеместно совпадают с периодами дождей, таяния снега и другими процессами. Для этих явлений особенно благоприятны районы, которым свойственны длительные моросящие дожди, способствующие значительному и глубокому промачиванию и насыщению водой грунтов на откосах. В районах с интенсивными ливневыми осадками большая часть воды быстро стекает с водоразделов и откосов и лишь незначительная идет на инфильтрацию. В засушливых районах интенсивно развивается испарение влаги и высушивание грунтов на откосах, что, естественно, повышает их устойчивость.
Важным условием, способствующим образованию оползней, является рельеф местности. Доказательством этого служит их географическое расположение. Наблюдения показывают, что оползни наиболее часто распространены: в горных районах; на участках с резко пересеченным рельефом; на высоких и крутых склонах речных долин; на береговых склонах водоемов; на откосах выемок и карьеров. В общем, рельеф местности создают запасы потенциальной энергии, обусловливающей развитие оползневых явлений. Общеизвестна приуроченность оползней к откосам определенного геологического строения.
Анализ условий образования оползней в скальных грунтах показывает, что в этих случаях глинистый заполнитель трещин в значительной степени облегчали нарушение равновесия грунтовых масс. Образование оползней наиболее вероятно на участках, где в геологическом строении откосов имеются потенциальные поверхности скольжения, ориентированные неблагоприятно, то есть имеющие падение к их основанию. При анализе геологических условий важно учитывать структурно-тектоническое положение района, так как в районах, испытывающих поднятие вследствие современных и новейших тектонических движений, постоянно возобновляются запасы потенциальной энергии, способствующей образованию оползней. В этом отношении особое положение занима-
ют районы с высокой сейсмической активностью.
Откосы, сложенные обводненными грунтами с водонасыщенными комплексами с зонами постоянного или временного увлажнения, смачивания и насыщения, более благоприятны для образования оползней по сравнению с откосами, сложенными грунтами, хорошо дренируемыми и сухими.
Известно, что оценка прочности и устойчивости грунтов без учета их влажности и водоносности недопустима. Поэтому при характеристике и оценке устойчивости откосов и условий образования оползней подземные воды следует рассматривать как один из важнейших природных факторов.
Выше была дана характеристика роли разных форм воздействия подземных вод на абсолютное или относительное увеличение сдвигающих усилий на откосах и было отмечено, что возрастающее действие этих сил связано не со степенью обводненности грунтов, а с самим фактом их увлажнения. Недоучет этого факта существенно лишает возможности объективно оценивать причины и условия образования оползневых явлений. Благоприятные условия образования оползней создаются при развитии сопутствующих геологических процессов и явлений. Процессы выветривания грунтов, явления подмыва и разрушения откосов, деградация мерзлоты, суффозионные и другие фильтрационные деформации, современные и новейшие тектонические движения, землетрясения и другие современные геологические явления подготавливают условия, облегчающие действие сдвигающих усилий. Поэтому при осуществлении противооползневых мероприятий приходится влиять не на сам оползневый процесс, а на процессы и явления, которые его подготавливают.
Огромное влияние на развитие оползневых процессов и явлений оказывают особенности физико-механических свойств грунтов, слагающих откосы в целом или отдельные слои, зоны тектонических нарушений или образующие заполнитель трещин и примазки по их плоскостям.
Главное значение имеет прочность грунтов - сопротивление сдвигу, а также свойства, которые характеризуют склонность снижать прочность под влиянием различных факторов во времени. В этом случае особенно важно учитывать следующие свойства грунтов: минеральный состав и строение; физико-механическое состояние; размокаемость; размягчаемость; гидрофильность; склонность к набуханию; склонность к пластическим деформациям; свойство ползучести; длительную прочность; склонность к прогрессирующей ползучести; и другие свойства. Все это необходимо учитывать при установлении как обобщенных, так и расчетных показателей свойств грунтов.
Из приведенной информации следует, что инженерная и хозяйственная деятельность человека основывается на знании законов и закономерностей оползневых процессов. Они должны служить основой при выполнении работ по охране и преобразованию территорий. В то же время, имеющийся опыт показывает, что инженерная и хозяйственная деятельность человека часто сама создает условия, благоприятствующие образованию оползней. Подрезка откосов, крутое заложение откосов, нарушение поверхностного и подземного стока, уничтожение пляжей и многие другие действия человека соизмеримы по распространению, масштабам и значению равновесия грунтовых масс на откосах, способствующих образованию оползней. Таковы важнейшие природные и искусственные условия, облегчающие действие сдвигающих усилий на откосах, условия, способствующие образованию оползней. Причем часть из них можно отнести к категории региональных, а часть - к категории местных и локальных.
При изучении оползневых процессов и явлений и оценке их угрожаемости в области безопасности необходим всесторонний подход, комплексный анализ,
учитывающий как региональные, так и местный условия.
Всякое оползневое смещение грунтовых масс обусловливает разрушение откоса. Оно происходит под воздействием силы тяжести и других сил. Разрушение происходит только тогда, когда сдвигающая составляющая силы тяжести превысит прочность грунтовых масс по поверхностям или зонам ослабления. Таким образом, будет нарушена устойчивость (предельное равновесие) грунтовых масс. Когда такое равновесие будет нарушено, происходит медленное или быстрое смещение грунтовых масс. В этом случае коэффициент устойчивости будет меньше единицы. Отсюда следует, что в пределах каждого откоса обязательно действуют сдвигающие усилия, поскольку существуют гравитационные силы - гравитационные силы Земли. Однако при таких условиях образования оползня может и не быть, так как необходимы определенные причины нарушения равновесия грунтовых масс и соответственно реализации действия сдвигающих усилий. Такими причинами, которые можно назвать причинами образования оползней, наиболее часто являются следующие:
- увеличение крутизны откоса при их подрезке, подработке или подмыве, а также при придании откосам большей крутизны;
- ослабление прочности грунтов вследствие изменения их физико-механического состояния при увлажнении, набухании, разуплотнении, выветривании, нарушении естественного сложения, а также в связи с развитием в грунтах явлений ползучести;
- действие гидростатических и гидродинамических сил на грунты, вызывающих развитие фильтрационных деформаций (суффозию, выпор, переход в плывунное состояние и другое);
- изменение напряженного состояния грунтов в зоне строительства откоса;
- внешние воздействия - загрузка откоса, микросейсмические и сейсмические колебания и другие нагрузки.
Каждая из перечисленных причин в отдельности может вызвать нарушение равновесия грунтовых масс на откосах. Но наиболее часто наблюдаются совместное влияние некоторых из них. Грунты на откосах, оказавшиеся под таким совместным влиянием, легко приходят в движение и образуют оползни. В природе действует закон связей в развитии геологических процессов и явлений. Далее при развитии одних явлений неизбежно возникают и развиваются другие. Проявление данного закона в образовании оползней наблюдается повсеместно.
Как показывают исследования, снижение прочности различных полускальных и глинистых грунтов во времени может достигать 70 % от быстрых сдвиговых процессов (условно-мгновенных) и 10-15 % от медленных сдвиговых процессов (квазистатических). Поэтому для таких групп грунтов важно от условно-мгновенной прочности отличать длительную. Таким образом, важнейшей причиной образования оползней является ослабление прочности грунтов вследствие изменения их физико-механического состояния по влиянием различных условий и длительного воздействия внешней нагрузки.
Наряду с явлениями увлажнения и смачивания грунтов надо видеть большую роль поверхностных и подземных вод в образовании оползней. Таким образом, может возникнуть неустойчивость откоса и образоваться оползень.
Существенное влияние оказывает гидростатическое взвешенное состояние грунтов на устойчивость откосов земляных плотин, оградительных дамб, отвалов и других объектов. Значительную роль в образовании оползней на отдельных участках откосов играет гидродинамическое давление. Оно направлено вдоль линий тока фильтрационного потока и тем больше, чем меньше водопроницаемость грунтов. В периоды резкого изменения напорного градиента гидро-
динамическое давление может явиться причиной нарушения устойчивости грунтовых масс в откосе. В некоторых случаях устойчивость откосов может уменьшаться на десятки процентов. Аналогичные явления наблюдаются при быстрой сработке уровня воды в водохранилищах или при резком повышении уровня подземных вод в периоды дождей, поступления талых вод и другие внешние причины. При выходе подземных вод в откосе гидродинамическое давление может вызвать оплывание грунтов или их разрыхление вдоль слоя или какой-то зоны под влиянием суффозии. Напорные воды в основании откоса могут вызвать выпор грунтов или их разжижение. В результате таких фильтрационных явлений грунтовые массы в откосе в нижней части теряют опору и начинают смещаться. Таким образом, действие гидродинамических сил на грунты, слагающие откосы, вызывает развитие фильтрационных явлений, деформаций и как следствие образование оползней.
Огромное влияние на устойчивость откосов оказывают землетрясения, вызывающие сейсмическое ускорение и смещение грунтовых масс в единицу времени и тем самым увеличивающие сдвиговые усилия. Такой перечень причин, вызывающих нарушение равновесия грунтовых масс на откосах.
Анализ этих причин позволяет сделать вывод, что образование оползней, в конечном счете, может быть вызвано повышением абсолютного значения сдвигающих усилий или относительного их значения при снижении прочности грунтов в их толще или по существующим или потенциальным поверхностям и зонам ослабления. Таким образом, вывод о причинах образования оползней указывает на важнейшую закономерность развития геологического оползневого процесса и на возможный выбор инженерных мероприятий по предупреждению образования оползней или по приданию им устойчивости.
Литература
1. Мусаев В.К. Проведение обследований и разработка мероприятий по укреплению берега реки Клязьма. Отчет о научно-экспертной работе. Сергиев Посад: МООФС ФГУ «СИАК по ЦР», 2003. - 157 с.
2. Мусаев В.К. Влияние гидродинамических сил на устойчивость и безопасность откосов // Тезисы докладов XL Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии. Секции физики. - М.: РУДН, 2004. - С. 153-155.
3. Мусаев В.К. Причины возникновения оползней// Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: 'Г38. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону: Ростовский государственный строительный университет, 2004. - С. 345-349.
4. Мусаев В.К., Попов А.А., Сущее С.П., Ларионов В.И., Акатьев В.А., Федоров А.Л. Некоторые вопросы мониторинга оползневых явлений// Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение: Т38. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону: Ростовский государственный строительный университет, 2004. - С. 357-360.
CONDITIONS AND REASONS OF FORMATION OF LANDSLIPS
V.K. Musayev, S.P. Suschev, A.A. Popov, A.L. Fedorov In the work, conditions which promote formation of landslips are considered. Conditions for formation of landslips can be the following: a lay of land; a geological structure of slopes; tectonic movements and the seismic phenomena; the hydro-geological phenomena; features of properties грунтов; engineering activity of the person. The conclusion on the reasons of formation of landslips specifies a possible choice of engineering actions under the prevention of formation of landslips. All the specified actions will allow to increase safety of slopes.
