1. Укрепление склонов и откосов

стальной проволокой

2. Противокамнепадная завеса Лекция 6

основы устойчивости геологической среды Характеристика устойчивости геологической среды основана на понимании: - возможностей геологической среды, - ее внутренних закономерностей и связей, - критических состояний, - ответных реакций на техногенное воздействие

Теоретические и методические основы устойчивости геологической среды включают следующие основные вопросы: 1) определение понятия «устойчивость геологической среды»; 2) выявление факторов, определяющих устойчивость геологической среды; 3) определение критериев оценки устойчивости геологической среды

I Содержание понятия «устойчивость геологической среды» Выделяется два направления, в которых разрабатывается содержание понятия «устойчивость»: 1) исследование устойчивости как внутреннего свойства природных геосистем, которое присуще самой системе и не зависит от внешнего воздействия; 2) исследование устойчивости систем в связи с антропогенным воздействием

Устойчивость – комплекс свойств геологической среды, определяющий характер и интенсивность реакции среды на техногенные воздействия (Г.А. Голодковская, Л.М. Демидюк, 1976 г.)

Устойчивость - способность сопротивляться внешним воздействиям, восстанавливать нарушенные этими воздействиями свойства, хорошо выполнять свою социально-экономическую функцию (В.С. Преображенский); - способность природных систем не изменяться под внешней нагрузкой (З.В. Дашкевич) и быстро восстанавливаться после ее снятия (М. Одум);

Устойчивость - способность геосистемы противостоять воздействиям без изменения ее состояния и структуры, т.е. без таких изменений компонентов природного комплекса и взаимосвязи между ними, которые могли бы привести к недопустимым деформациям сооружения или к необратимому ухудшению экологической обстановки (Г.И. Гордеева и др.), способность системы воспринимать внешнее воздействие без разрушения, т.е. без перехода в новое качественное состояние (С.И. Пахомо, А.М. Монюшко);

Устойчивость - Т.П. Куприянова и М.А. Глазовская считают, что можно говорить не вообще об устойчивости, а лишь об устойчивости системы к конкретному воздействию, так как одна и та же система может быть устойчива к одним воздействиям и не устойчива к другим; - Г.А. Голодковская и Ю.Б. Елисеев считают, что не может конкретная природная среда обладать бесконечным множеством устойчивости. Однако положительным моментом при таком подходе является возможность оперировать такими критериями, как предельно допустимые концентрации (ПДК), порог устойчивости, критическое состояние системы

Устойчивость нельзя измерить непосредственно. Она определяется: - характером техногенных воздействий - свойствами самих природных систем (процессами взаимодействия компонентов в системе, взаимозависимостью и взаимообусловленностью компонентов системы) Три состояния устойчивости (М.Д. Гродзенский): 1) инертность – обеспечивает устойчивость при незначительной нагрузке; 2) восстанавливаемость – при усилении воздействия; 3) пластичность

Итоги рассмотрения понятия «устойчивость» 1. Понятие «устойчивость» чаще всего употребляется для оценки реакции геологической среды на техногенное воздействие в тех случаях, когда необходимо оценить пределы допустимых изменений в ней

Итоги рассмотрения понятия «устойчивость» 2. Единого определения устойчивости геологической среды нет. Чаще всего устойчивость определяется как: - способность системы сохранять свои особенности без перехода в новое состояние; - способность изменяться незначительно, в пределах допустимых величин; - способность возвращаться в ненарушенное состояние после устранения внешнего воздействия

Итоги рассмотрения понятия «устойчивость» 3. Большинство принятых определений устойчивости предполагает: 1) наличие в устойчивой системе инвариантов – таких свойств, которые остаются неизменными при последовательных изменениях системы; 2) предела допустимых изменений в системе; 3) предела допустимых нагрузок на нее

Устойчивость геосистем определяется способностью противостоять внешним воздействиям. Система считается «жизнеспособной» или устойчивой, если в ответ на внешнее воздействие, дестабилизирующее систему, в ней возникают процессы противодействия, компенсирующие или полностью ликвидирующие неблагоприятные последствия этого воздействия. Ослабление процессов сопротивления при возрастающем воздействии извне свидетельствуют о превышении допустимого порога воздействия на данную систему и потерю ее устойчивости

II Факторы, определяющие устойчивость геологической среды Категория устойчивости геологической среды устанавливается в зависимости от следующих основных факторов: - литологического состава пород и грунтов; - уровня грунтовых вод (мощности зоны аэрации); - степени защищенности грунтовых вод; - активности современных геологических процессов; - характера почвенного и растительного покрова

Комплексный анализ этих сведений позволяет оценить состояние геологической среды и выделить территории с высокой, средней, низкой и весьма низкой степенью устойчивости к техногенным нагрузкам по природным факторам

Высокой степени устойчивости соответствуют прочные грунты (супеси, суглинки) достаточной мощности, безводные или с низким уровнем грунтовых вод (5-10 м), ровной поверхностью со слабой или умеренной интенсивностью современных геологических процессов, относительной стабильностью территории в неотектоническом плане

Средняя степень устойчивости характеризуется прочными и средней прочности грунтами (супеси, пески), близким к поверхности залеганием уровнем грунтовых вод (3-5 м), относительно равнинным рельефом Низкая и весьма низкая степень устойчивости характеризуется слабыми грунтами (пески, супеси, торф), близким залеганием к поверхности (часто у поверхности) уровня грунтовых вод (0-2 м), значительно расчлененным рельефом, высокой интенсивностью современных геологических процессов

Пример Оценка устойчивости закарстованных территорий зависит от основных условий развития карста и факторов – естественных и техногенных (В.Н. Кожевникова, В.М. Кутепов). Основные условия («пассивные компонентами геологической среды») – инженерно-геологическая обстановка, которая сформировалась на протяжении длительной истории геологического развития. Факторы (активные компоненты) – действие статических, динамических, гидравлических и других внешних сил

При определении степени устойчивости систем большое значение имеет обоснованный выбор характеристик, используемых для расчета коэффициента устойчивости (С.И. Пахомов, А.М. Монюшко). При этом эти характеристики должны быть количественными и отражать важные особенности геосистемы, необходимые для ее существования

Классификация техногенных факторов, основанная на характере преобладающих в грунте процессов, возникающих под воздействием этих факторов, и типизацию глинистых грунтов (С.И. Пахомов, А.М. Монюшко). При существующем многообразии техногенных факторов единой типизации грунтов по степени устойчивости быть не может. Среди техногенных факторов выделяют: 1) факторы, вызывающие преимущественно механические процессы; 2) факторы, вызывающие физические процессы; 3) факторы, вызывающие преимущественно физико-химические процессы; 4) факторы, вызывающие химические (биохимические) процессы

Выводы 1. Практически все исследователи считают, что устойчивость геологической среды определяется двумя группами факторов: природными, характеризующими саму геологическую среду (как систему с протекающими в ней процессами, взаимосвязями между ее отдельными компонентами, положением и состоянием отдельных компонентов в системе), и техногенными, характеризующими техногенное воздействие на геологическую среду

3. К числу природных факторов, определяющих устойчивость геологической среды, большинство исследователей относит: - тип геологического строения (возраст, генезис, литологический состав отложений); - морфологию рельефа (расчлененность, крутизну склонов); - состав и свойства грунтов (слабые, неустойчивые грунты, карстующиеся породы, суффозионно неустойчивые, плывуны и т.п.); - геокриологические условия (для территорий развития многолетнемерзлых пород); - геодинамическую обстановку; - гидродинамические и гидрохимические параметры

4. Единая классификация природных факторов, определяющих устойчивость геологической среды, отсутствует. Трудности в ее составлении заключаются не только в их многообразии, но и в том, что геологическая среда является постоянно развивающейся (изменяющейся во времени и пространстве) динамической системой, что не позволяет разработать количественные показатели для оценки устойчивости геологической среды 4. Не выработана универсальная схема типизации техногенных воздействий на геологическую среду 5. Большинство исследователей считает, что большое многообразие как техногенных, так и природных факторов, определяющих устойчивость геологической среды, не дает возможности разработать единую классификацию геологической среды по степени ее устойчивости к техногенным воздействиям Низкая практическая ценность классификации Для сохранения устойчивости геологическая среда «включает» процессы сопротивления, нейтрализующие последствия внешнего воздействия и восстанавливающие равновесие (например, рост напряжений, сопровождающий накопление деформаций в породах при различных нагрузках). Возникающие в породах силы сопротивления приводят к формированию ослабленных зон, снимающих напряжение на локальных участках и обеспечивающих устойчивость остального массива горных пород в новых условиях. Однако, при снижении сопротивляемости горных пород это часто приводит к развитию негативных и опасных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений.

III Критерии оценки устойчивости геологической среды Три группы критериев оценки устойчивости: - количественные, - полуколичественные, - качественные

Качественная оценка используется для оценки геологической среды в региональном плане. Каждый из авторов предлагает свой метод оценки. Инженерно-геологический потенциал как оценочная категория устойчивости геологической среды (Г.А. Голодковская, Л.М. Демидюк). Чем выше потенциал (т.е. определенное сочетание свойств геологической среды), тем устойчивее геологическая среда

В качестве относительной – полуколичественной оценки устойчивости чаще всего используются баллы Количественные критерии оценки разработаны лишь для оценки устойчивости определенного компонента геологической среды к конкретному техногенному воздействию Общие выводы 1. До настоящего времени не выработано однозначного понятия термина «устойчивость геологической среды». Одни исследователи считают, что устойчивость геологической среды следует изучать как внутреннее свойство этой среды, другие – что исследование устойчивости геологической среды следует проводить в связи с внешним (техногенным) воздействием на нее. При этом установлено, что устойчивость геологической среды определяется, с одной стороны, природными факторами – составом, структурой и свойствами геологической среды, с другой – техногенными факторами, т.е. видом техногенного воздействия и его интенсивностью

2. Вследствие многообразия факторов, определяющих устойчивость геологической среды, трудно выработать единый интегральный критерий ее оценки. Существующие критерии оценки устойчивости геологической среды в инженерной геологии подразделяются на три группы: количественные, полуколичественные и качественные. Критериями оценки устойчивости могут служить состав, структура, состояние геологической среды, изменение которых под влиянием техногенных воздействий приводит к возникновению инженерно-геологических процессов, нарушающих функционирование природно-технических комплексов

Негативные и опасные геологические и инженерно-геологические процессы развиваются как следствие возникновения в геологической среде (стремящейся к равновесию) сопротивления внешнему воздействию. Наблюдая за динамикой и скоростью развития геологических и инженерно-геологических процессов (мониторинг инженерно-геологических процессов), можно оценить устойчивость геологической среды и ее способность адаптироваться к изменяющимся условиям, и проследить эволюцию геологической среды в условиях техногенного воздействия

Управление инженерно-геологическими процессами и инженерная защита территории Управление инженерно-геологическими процессами является важнейшей научно-практической задачей инженерной геодинамики и основано на знании самих процессов, инженерно-геологических условий территории, воздействий зданий и сооружений на грунты оснований, ответных реакций прилегающих участков на сооружаемый объект

Управление процессами возможно только на использовании мероприятий по предупреждению их развития и методов инженерной защиты территории Управление направлено на снижение количественного проявления негативных процессов и степени их опасности для сооружений и территории Влиять можно на причину возникновения процесса – радикальное решение, или на последствия его развития – пассивное решение

СНиП 22-02-2003 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения» Проектирование инженерной защиты следует выполнять на основе: - результатов инженерно-геодезических, инженерно-геологических, инженерно-гидрологических, инженерно-гидрометеорологических и инженерно-экологических изысканий для строительства; - планировочных решений и вариантной проработки решений, принятых в схемах (проектах) инженерной защиты;

- данных, характеризующих особенности использования территорий, зданий и сооружений как существующих, так и проектируемых, с прогнозом изменения этих особенностей и с учетом установленного режима природопользования (заповедники, сельскохозяйственные земли и т.п.) и санитарно-гигиенических норм При проектировании инженерной защиты следует учитывать ее градо- и объектоформирующее значение, местные условия, а также имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации сооружений инженерной защиты в аналогичных природных условиях

При проектировании инженерной защиты следует обеспечивать (предусматривать): - предотвращение, устранение или снижение до допустимого уровня отрицательного воздействия на защищаемые территории, здания и сооружения действующих и связанных с ними возможных опасных процессов; - производство работ способами, не приводящими к появлению новых и (или) интенсификации действующих геологических процессов

Мероприятия по инженерной защите и охране окружающей среды следует проектировать комплексно, с учетом прогноза ее изменения в связи с постройкой сооружений инженерной защиты и освоением территории. При этом мероприятия инженерной защиты от разных видов опасных процессов должны быть увязаны между собой

Границы защищаемых территорий, подверженных воздействию опасных геологических процессов, в пределах которых требуются строительство сооружений и осуществление мероприятий инженерной защиты, следует устанавливать по материалам рекогносцировочных обследований и уточнять при последующих инженерных изысканиях Строительство сооружений и осуществление мероприятий инженерной защиты не должны приводить к активизации опасных процессов на примыкающих территориях. В случае, когда сооружения и мероприятия инженерной защиты могут оказать отрицательное влияние на эти территории (заболачивание, разрушение берегов, образование и активизация оползней и др.), должны быть предусмотрены соответствующие компенсационно-восстановительные мероприятия. Работы по освоению вновь застраиваемых и реконструируемых территорий следует начинать только после выполнения первоочередных мероприятий по их защите от опасных процессов

ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫЕ И ПРОТИВООБВАЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И МЕРОПРИЯТИЯ К оползнеопасным относятся территории, на которых возможно возникновение оползневых смещений в течение периода строительства и эксплуатации объекта. В пределах оползнеопасных территорий отдельно выделяют оползневые зоны, где имеются или ранее возникали активные оползни Границы оползнеопасных территорий устанавливают по данным комплексных инженерных изысканий с использованием расчетов устойчивости склонов и материалов сравнительного инженерно-геологического анализа применительно к особенностям рельефа, геологического строения, гидрогеологических и сейсмических условий, характера растительного покрова и климата

При проектировании инженерной защиты от оползневых и обвальных процессов следует рассматривать целесообразность применения следующих мероприятий и сооружений, направленных на предотвращение и стабилизацию этих процессов: - изменение рельефа склона в целях повышения его устойчивости; - регулирование стока поверхностных вод с помощью вертикальной планировки территории и устройства системы поверхностного водоотвода; - предотвращение инфильтрации воды в грунт и эрозионных процессов; - искусственное понижение уровня подземных вод; - агролесомелиорация; - закрепление грунтов (в том числе армированием); - устройство удерживающих сооружений и т.д.

Если применение мероприятий и сооружений активной защиты полностью не исключает возможность образования оползней и обвалов, а также в случае технической невозможности или нецелесообразности активной защиты следует предусматривать мероприятия пассивной защиты (приспособление защищаемых сооружений к обтеканию их оползнем, улавливающие сооружения и устройства, противообвальные галереи и др.) При выборе защитных мероприятий и сооружений и их комплексов следует учитывать виды возможных деформаций склона (откоса), уровень ответственности защищаемых объектов, их конструктивные и эксплуатационные особенности

Изменение рельефа склона, регулирование стока подземных и поверхностных вод Искусственное изменение рельефа склона (откоса) следует предусматривать для предупреждения и стабилизации процессов сдвига, скольжения, выдавливания, обвалов, осыпей и течения грунтов Образование рационального профиля склона (откоса) достигается приданием ему соответствующей крутизны и террасированием склона (откоса), удалением или заменой неустойчивых грунтов, отсыпкой в нижней части склона упорной призмы (контрбанкета)

При проектировании уступчатой формы откоса размещение берм и террас следует предусматривать на контактах пластов грунтов и на участках высачивания подземных вод. Ширину берм (террас) и высоту уступов, а также расположение и форму банкетов следует определять расчетом общей и местной устойчивости склона (откоса), планировочными решениями, условиями производства работ и эксплуатационными требованиями. На террасах необходимо предусматривать устройство водоотводов, а в местах высачивания подземных вод – дренажей

Удаление неустойчивых грунтов следует предусматривать, если обеспечение их устойчивости оказывается неэффективным или экономически нецелесообразным На защищаемых склонах должен быть организован беспрепятственный сток поверхностных вод, исключено застаивание вод на бессточных участках и попадание на склон вод с присклоновой территории

Сброс талых и дождевых вод с застроенных территорий, проездов и площадей (за пределами защищаемой зоны) в водостоки, уложенные в оползнеопасной зоне, допускается только при специальном обосновании. При необходимости такого сброса пропускная способность водостоков должна соответствовать стоку со всей водосборной площади с расчетным периодом однократного переполнения не менее 10 лет (вероятность превышения 0,1)

Искусственное понижение уровня подземных вод (водопонижение) следует предусматривать для устранения или ослабления разупрочняющего и разрушающего воздействия подземных вод на грунты, снижения или устранения фильтрационного давления

Для достижения требуемого понижения уровня подземных вод надлежит применять следующие виды водопонизительных устройств: - траншейные дренажи (открытые траншеи и канавы); - закрытые дренажи (траншеи, заполненные фильтрующим материалом) для осушения оползневого тела, рассчитанные, как правило, на недолговременный срок службы; - трубчатые (в том числе мелкого заложения) дренажи - в устойчивой зоне за пределами смещающихся грунтов для перехвата подземного потока при продолжительном сроке службы; - пластовые дренажи на участках высачивания подземных вод на склонах (откосах) - для предотвращения суффозии и в основании подсыпок (банкетов); - водопонизительные скважины различных типов в сочетании с дренажами или взамен их в случае большей эффективности или целесообразности их применения

Удерживающие сооружения Удерживающие сооружения следует предусматривать для предотвращения оползневых и обвальных процессов при невозможности или экономической нецелесообразности изменения рельефа склона (откоса)

Удерживающие сооружения применяют следующих видов: - подпорные стены; - свайные конструкции и столбы - для закрепления неустойчивых участков склона (откоса); - анкерные крепления - в качестве самостоятельного удерживающего сооружения (с опорными плитами, балками и т.д.) и в сочетании с подпорными стенами, сваями, столбами; - поддерживающие стены - для укрепления нависающих скальных карнизов; - опояски (упорные пояса) - невысокие массивные сооружения для поддержания неустойчивых откосов; - облицовочные стены - для предохранения грунтов от выветривания и осыпания; - пломбы (заделка пустот, образовавшихся в результате вывалов на склонах) - для предохранения скальных грунтов от выветривания и дальнейших разрушений; - покровные сетки в сочетании с анкерными креплениями

Для свайных конструкций следует предусматривать, как правило, буронабивные железобетонные сваи. Применение забивных свай допускается в случаях, когда проведение сваебойных работ не ухудшает условий устойчивости склона (откоса) При наличии подземных вод следует предусматривать гидроизоляцию по верховой грани подпорных стен и устройство застенного дренажа с выводом вод за пределы подпираемого грунтового массива

Улавливающие сооружения Улавливающие сооружения и устройства (стены, сетки, валы, траншеи, полки с бордюрными стенами) следует предусматривать для защиты объектов от воздействия осыпей, вывалов, падения отдельных скальных обломков, а также обвалов объемом, определяемым расчетом, если устройство удерживающих сооружений или предупреждение обвалов, вывалов и камнепада путем удаления неустойчивых массивов невозможно или экономически нецелесообразно

Улавливающие стены и сетки располагают у подошвы склонов (откосов) крутизной 25° - 35° для защиты от воздействия осыпей, вывалов, падения отдельных скальных обломков и небольших обвалов. Прочность и устойчивость конструкций улавливающих стен проверяют на статическую нагрузку от обвальных масс, а также на удар обломков скального грунта Улавливающие траншеи и улавливающие полки с бордюрной стеной следует размещать у подошвы обвалоопасных склонов (откосов) высотой до 60 м и крутизной более 35° для защиты от вывалов отдельных обломков грунта объемом до 1 м³, улавливающие валы - у подошвы обнаженных обвалоопасных склонов большой протяженности

Улавливающие стены, траншеи и валы допускается располагать на склонах на высоте не более 30 м над защищаемым объектом при крутизне склона не более 25°. С низовой стороны нагорных (расположенных на склоне) улавливающих траншей следует устраивать валы из местного грунта с упорами из каменной или бутобетонной кладки Оградительные стены следует размещать у подошвы склонов (откосов) высотой до 30 м (50 м) и крутизной 40° - 45° для улавливания мелких (до 0,01 м³) обломков скального грунта или задерживания осыпающегося скального грунта

Барражные стены следует устраивать в крутопадающих тальвегах ложбин и распадков для задерживания скатывающихся по ним скальных обломков. В нижней части барражной стены должно быть предусмотрено отверстие для пропуска вод, стекающих по ложбине или распадку Покровные свободно висящие сетки надлежит применять для защиты объектов, близко расположенных к подошве склона (откоса), от падающих скальных обломков

При размещении на склоне (откосе) нескольких улавливающих сооружений или устройств, расположенных на разной высоте, необходимо предусматривать перекрытие их (в плане) на длину не менее 6 м В проектах улавливающих сооружений и устройств следует предусматривать возможность подъезда транспортных средств и очистки улавливающих пазух от скопления продуктов выветривания, осыпей и обвалов в условиях эксплуатации Размеры улавливающих сооружений и устройств следует назначать из условия исключения возможности перелета, выскакивания и выкатывания скальных обломков, падающих со склона (откоса)

Противообвальные галереи Противообвальные галереи необходимо размещать на обвальных участках железных, автомобильных и пешеходных дорог для защиты от падающих обломков и глыб На кровле противообвальных галерей необходимо устраивать амортизирующую грунтовую отсыпку, снижающую динамическое воздействие обвалов, предотвращающую повреждение конструкций и обеспечивающую скатывание обломков через галерею. В основании отсыпки необходимо укладывать гидроизоляцию, а также предусматривать отвод с кровли галерей поверхностных вод Для отвода подземных вод, поступающих к галерее с верховой стороны, должен быть устроен продольный застенный дренаж

Агролесомелиорация, защитные покрытия и закрепление грунтов Для обеспечения устойчивости склонов (откосов) в слабых и трещиноватых грунтах допускается применять цементацию, смолизацию, силикатизацию, электрохимическое и термическое закрепление грунтов Для защиты обнаженных склонов (откосов) от выветривания, образования вывалов и осыпей допускается применять защитные покрытия из торкретбетона, набрызг-бетона и аэроцема (вспененного цементно-песчаного раствора), наносимые на предварительно навешенную и укрепленную анкерами сетку Для снижения инфильтрации поверхностных вод в грунт на горизонтальных и пологих поверхностях склонов (откосов) допускается применять покрытия из асфальтобетона и битумоминеральных смесей