способ натурного определения сдвиговых характеристик грунтов на оползневых склонах

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.

Описание изобретения к патенту

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 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 = 0,1_om где _o плотность грунтов в т/м³) по формулам: = Psin; = Pcos.

По данным этих вычислений строят график зависимости t = f() 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() 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.