ряд 2.7-5.5-11-22-88-176-880-1850 лет,

III ряд 3-6-9-18-90-180-900-1800 лет.

Особое значение придается внутривековым ритмам, в частнос­ти десяти- и одиннадцатилетиям. Одиннадцатилетний ритм извес­тен как период изменений солнечной энергии и активности мно­гих природных процессов (землетрясений, например) на террито­рии Восточной Европы. Для районов Москвы, Киева, Ульяновска, Волгограда и Сочи хорошо прослеживается внутривековой ряд ритмов по максимальной интенсивности оползней в 1956, 1966, 1975 гг. Для района Н. Новгорода установлен одиннадцатилетний ритм 1952—1963—1974 гг. Активизация оползней здесь наблюда­лась и ранее, в 1920, 1931 и 1941 гг. На рис. 14.29 приведены гра­фики активизации оползней, которые показывают определенные всплески, приуроченные к десятилетним ритмам (Современные методы..., 1981). Конечно, для достижения надежных результатов необходимо иметь информацию об имевших место оползневых яв­лениях, которую можно получать только при постоянно действую­щих мониторингах.

ление Н. Н. Маслов считает более перспективным при решении задач прогноза длительной устойчивости сооружений.

Основное уравнение, предложенное Н. Н. Масловым еще в 1949 году для оценки сопротивления сдвигу глинистых пород, х = a tg ф + C_w + С_с рассматривается как базис для оценки дли­тельной прочности этих пород, а именно:

для жестких глин ф О, C_w = О, С_ХФ 0;

для скрытопластичных глин ф * 0, C_w Ф 0, С_сФ 0 или С_с = 0; для пластичных глин ф = 0, C_w Ф 0, С_с = 0,

где ф — угол внутреннего трения; C_w — сцепление связности, вос­станавливающееся во время деформирования; С_с — сцепление за счет жестких,связей, не восстанавливающееся при сдвиге.

Критерии ползучести сформулированы следующим образом:

1. х > о tg ф + C_w + С_с — разрушение происходит в течение корот­кого промежутка времени, т. е. мы имеем дело с так называемой мгно­венной прочностью.

2. х < a tg ф + С_с — ползучести еще не возникает, и прочность обеспечивает эксплуатацию сооружения на весь период.

3. х > о 1£ф + С_с, но т < о tg ф + С,,, + С_с — появляется ползу­честь, прочность обеспечивается только на определенный период времени.

Необходимо обратить внимание на замечание Н. Н. Маслова к случаю 3, которое будет использовано впоследствии: «В связи с развитием деформации ползучести возможно нарушение сцепле­ния С_с во времени с общим падением прочности грунта». Отме­тим, что прочность за счет составляющей С_с в глинах высокой степени литификации представляет большую часть общего сопро­тивления сдвигу. Разрушение С_с приведет к резкому изменению баланса сил на поверхности скольжения оползневого склона.

Таким образом, Н. Н. Маслов установил пороговое значение сдвигающего напряжения т,_1т = о tg ф + С_с, превышение которого вызовет в глинистой породе деформации ползучести. В зависимос­ти от величины действующего касательного напряжения кривые деформации сдвига во времени будут разными. А. Я. Будин пока­зал на своей модели пять типов характерных кривых (рис. 14.30). Первый тип указывает на развитие только упругих деформаций, которые не имеют практического значения для глин. Пятый тип — это кривые сдвига, заканчивающегося прогрессирующей ползу­честью и срезом, наблюдаемым при лабораторных и полевых ис­пытаниях. Остальные кривые имеют сложный характер. Среди них особое место занимает кривая 3, разграничивающая затухаю­щую ползучесть, не доводящую до разрушения, от незатухающей. Большой объем экспериментальных исследований ползучести и длительной прочности глинистых пород, выполненных отечест­венными и зарубежными специалистами, показали большую слож­ность этих проблем, многофакторность реологического поведения глинистых (и не только глинистых) пород, противоречивость

I

данные наблюдений, подтверждающие эту особенность. Еще в 1940 го­ду Ф. П. Саваренский отмечал, что оползневой массив смещается по некоторой криволинейной поверхности, преодолевая по всей этой поверхности трение, или, по мнению других (Р. Крея, Дж. Фелле- ниуса, К. Терцаги), трение и сцепление. На самом деле, в различных частях откоса действуют разные силы и преодолеваются неодина­ковые сопротивления и притом неодинаковые в разные моменты оползневого процесса. На постадийный характер формирования поверхности скольжения указывали Г. И. Тер-Степанян (1961), Е. П. Емельянова (1977), Н. Н. Маслов (1977), И. П. Иванов (1996).

Рассмотрим проблему прогнозирования устойчивости склона, в котором потенциально возможно развитие оползня инсеквентного типа в слоистой среде, где опасная поверхность скольжения имеет круглоцилиндрическую форму. Обратим внимание, что при опреде­лении сопротивления сдвигу породы, слагающие склон, показали разное деформационное поведение. Слой 1, сложенный лёссовыми суглинками, показал эффект пиковой прочности с четко выраженны­ми значениями максимального и минимального касательных напряже­ний с характерными для них деформациями сдвига (рис. 14.31). Слой 2 увлажненных суглинков тоже показал подобный, но более слабый эффект. Соответствующие значения карательных напряже­ний ниже, но деформации, вызванные ими, больше, чем в первом слое. Наконец, слой 3, представленный пластичными глинами, по­казал другое деформационное поведение. Его кривая сдвиговых де­формаций является пологой, без пикового эффекта и без заметной

деформации разрушения. Анализируя данные сдвиговых деформа­ций, можно сделать два важных вывода: разрушение (срез) пород происходит не только при разных сдвигающих усилиях (при а = const), но и по достижении критических деформаций разной ве­личины (/,, /₂ и /₃ на рис. 14.31, я); время достижения разрушающих деформаций и разрушающих касательных напряжений разное для трех видов пород.

Рассмотрим реальный естественный склон, изображенный схе­матично на рис. 14.31, б и сложенный тремя разновидностями гли­нистых пород, для которых характерны показанные на рис. 14.31, а деформационные кривые сдвига. Поставим себе задачу прогноза длительной устойчивости по наиболее вероятной круглоцилинд­рической поверхности скольжения с учетом деформационных осо­бенностей слагающих пород. Чтобы выяснить механизм развития оползневых деформаций, выберем две характерные точки с и d на пересечении поверхности скольжения с границами между слоями (рис. 14.31, б). Напряженное состояние этих точек характеризуется составляющими веса вышележащих пород. В точке с оно имеет оди­наковые параметры для основания лёссового слоя и кровли суглин­ков, а в точке d величины вертикального давления и его составляю­щих одинаковы для основания суглинков и верха подстилающих их глин. Несмотря на совпадение уровней напряженного состояния, в различных породах произойдет накопление неодинаковых по ве­личине деформаций, причем попеременно будут происходить их концентрация в менее деформируемых породах и их релаксация в более деформируемых. В результате такого режима критическая деформация разрушения будет достигнута у менее деформируемого слоя раньше, чем у более деформируемого. Так, например, в точке с при достижении величины деформации сдвига 1, произойдет раз­рушение лёссов, а подстилающие их суглинки будут продолжать де­формироваться, и только когда деформации сдвига достигнут вели­чины /₂, они тоже разрушатся. Подобная картина будет наблюдаться и в точке d, но уже между суглинками и глинами. Где произойдет оформление первой трещины, в первом или во втором слое, будет зависеть от уровней напряженного состояния в этих точках и от де­формационных свойств пород.

Таким образом, разрушение отдельных слоев произойдет пос­ледовательно, а коэффициент устойчивости откоса будет также скачкообразно уменьшаться вместе с выходом из баланса удержи­вающих сил (целиком или частично). При достижении неустойчи­вого равновесия откос сползет. Подготовительная стадия ограни­чена деформированием и разрушением наиболее прочного и наи­более хрупкого слоя. В нашем примере это слой 1, у которого значительное сопротивление сдвигу связано со сцеплением С_с. Такие глинистые и слабые полускальные породы являются компе­тентными, и у них т_к = atg ф + C_w + С_с. Глинистые породы третьего слоя в нашем примере являются некомпетентными, и их сопротив­ление сдвигу т_нк = atg ф + C_w.

о

Можно исключить из суммы удерживающих сил сцепление самого хрупкого слоя, имеющего самую малую величину деформа­ции разрушения (в нашем примере /,), исходя из предположения, что при совместном деформировании он разрушается в первую очередь. В случае, когда этот слой находится в пределах верти­кальной трещины высотой А₉₀, необходимо исключить из суммы удерживающих сил не только сцепление, но и силу трения. Полу­ченные значения коэффициента устойчивости будут соответство­вать длительной устойчивости склона. Этим же способом необхо­димо определять параметры долговременных откосов при проек­тировании откосных сооружений.

Прогнозирование оползневого процесса методами физичес­кого моделирования. Моделированию геологических процессов всегда уделялось много внимания в научных исследованиях и при решении инженерных задач. Изучение оползневых явлений и про­

гнозирование устойчивости откосных сооружений часто сопро­вождаются моделированием разными методами. В инженерной геодинамике можно сформулировать две группы задач, решаемых с помощью моделирования. Первая группа — это прямые задачи, в которых по заданным показателям инженерно-геологических ус­ловий и внешнего воздействия на них определяется реакция объ­екта в пространстве и во времени, т. е. по заданным свойствам горных пород и их напряженному состоянию прогнозируется ус­тойчивость склонов и откосов, исследуется механизм оползневого процесса, морфология оползня, характер поверхности скольжения и др. Вторая группа — это обратные задачи, в которых по харак­теру явления можно судить о напряженном состоянии пород и оценивать их свойства (трение и сцепление).

Методологической основой моделирования является осуществ­ление принципа подобия моделей и исследуемого объекта. Теория этого принципа изложена в трудах JI. И. Седова и М. В. Кирпиче- ва. Большое распространение получили методы центробежного моделирования в статических и динамических условиях, эквива­лентных материалов, геологического (натурного) подобия, фото­механики. Отметим, что многие авторы включают в группу мето­дов моделирования и математическое моделирование (детермини­рованное и вероятностно-статистическое), которое традиционно относят к расчетно-аналитическим методам. Г. С. Золотарев (1983) делит все методы прогнозов на три класса: расчетные, экспери­ментальные (собственно физическое моделирование на эквивалент­ных материалах и в центрифугах) и экспериментально-расчетные, основанные на предварительном определении напряженно-дефор­мированного состояния пород на моделях (методы фотоупругости, тензолетки и др.).

Метод центробежного моделирования был разработан Н. Н. Дави- денковым, Г. И. Покровским и И. С. Федоровым на базе механичес­кого подобия, условия которого выводятся из второго закона Ньюто­на. Он получил большое распространение при решении следующих задач: 1) проверки устойчивости откоса при заданных параметрах аиА; 2) определении угла откоса а при заданной высоте h\ 3) опре­делении угла внутреннего трения пород по углу устойчивого откоса; 4) исследовании устойчивости земляной плотины на слабом основа­нии; 5) исследовании устойчивости земляной плотины с глинистым ядром; 6) исследовании устойчивости отвалов пород при разработке полезных ископаемых (в варианте Ю. Н. Малющицкого и Н. Н. Ку- ваева); 7) исследовании деформации железнодорожных насыпей (в разработке М. Н. Гольдштейна).

Метод моделирования на эквивалентных материалах, разрабо­танный Г. Н. Кузнецовым, А. А. Борисовым и др., нашел примене­ние при решении многих задач в горном деле. Оползневые явле­ния в особо сложных условиях исследовались Г. С. Золотаревым, Г JI. Фисенко, И. П. Ивановым и др. Применение оптически ак­тивных материалов при моделировании встречается редко.

Моделирование на базе геологического подобия было обоснова­но и впервые применено JI. Б. Розовским при исследовании про­блем переработки берегов искусственных водохранилищ на рав­нинных реках. В. А. Жилка применил этот метод для определения параметров устойчивых откосов карьеров по аналогичным объек­там. В качестве определяющих критериев подобия он принял сле­дующие безразмерные отношения: ЛГ, = yh/C (критерий напряжен­ного состояния), К_г = Ф (критерий литологического подобия) и К₃ = С"/С' (критерий неоднородности массива пород), где h — высота откоса, у, С и <р — характеристики пород.

Подробное рассмотрение методов моделирования в инженер­ной геодинамике выполнено в специальном учебном пособии (Иванов, Хромых, 1991).

Вероятностно-статистические методы прогнозирования ополз­невых явлений. К настоящему моменту для прогнозирования оползневых явлений в пространстве без привязки ко времени раз­работаны три метода, базирующихся на формулах теории вероят­ности: 1) метод В. К. Кучая, использующий формулу Байеса;

2. метод Г. JI. Круковского, основанный на умножении вероятнос­тей; 3) метод К. А. Гулакяна, В. В. Кюнтцеля и Г. П. Постоева, ис­пользующий формулу определения вероятностей «оползневого по­тенциала» (Современные методы..., 1981).

На начальных стадиях инженерно-геологических изысканий, как следует из табл. 14.11, вероятностное прогнозирование выпол­няется методами прогнозного картирования, которые сводятся к обработке геологической информации и определению вероятнос­ти возникновения оползневого процесса по алгоритму распознава­ния, позволяющего выделить однородные по ряду условий и факторов участки, для которых оценивается степень оползнеопасности. Макет карты оползневого районирования показан на рис. 14.33 для террито­рии, переходной отГиссарского хребта к Гиссарской впадине.

На втором этапе технического проектирования рекомендуется применять методы определения частоты возникновения (активи­зации) оползней. В этом случае вероятностные модели используют для прогноза развития оползневых процессов во времени и их ин­тенсивности. Это более детальное региональное картирование с учетом данных стационарных исследований и наблюдений. Общим для всех вероятностно-статистических методов является необходимость массива данных, достаточного для статистической обработки.

ОБВАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Обвалы — это особый вид гравитационных явлений, возникаю­щих на крутых склонах, сложенных твердыми скальными порода­ми. Среди них различают собственно обвалы, оползни-обвалы, вы­валы, камнепады, осыпи, осовы. У всех обвальных процессов, ха­рактерных для горных стран, общими чертами являются большая скорость перемещения блоков пород с преобладанием их свобод­ного падения и опрокидыванием, внезапность проявления, полное отчленение от основного скального массива, дробление горной массы при движении и падении, необратимость. Все эти особен­ности представляют большую опасность для сооружений и людей. Определим каждое из перечисленных обвальных явлений.

Обвалы (собственно) — обрушение блоков, пакетов и глыб скальных пород с обнажений, расположенных в верхних частях крутых склонов или откосов или на отвесных и подрезанных от­косах дорожных выемок и уступов карьеров (рис. 14.34, а). По объему обвалившихся скальных масс различают крупные обвалы (от нескольких сотен до нескольких тысяч кубических метров). Известны также единичные случаи грандиозных обвалов. 31 мая 1970 года с горного хребта в районе р. Рио-Санта в Перу с отмет­ки 5500—6650 м обрушились скальные породы вместе' со льдом объемом 50—100 млн м³. В долине р. Нарын (Киргизия) в 1946 го­ду у бровки горного склона на высоте 1500 м произошел обвал из трещиноватых известняков карбона объемом 1.5—2млнм³. Гран­диозные обвалы в своем развитии переходят в селевые каменные потоки, создают запруды в долинах рек и могут быть причиной других явлений. На склонах, в которых пройдены дорожные выем-

выветрелыми и мелкотрещиноватыми скальными и полускальны- ми породами. Часто вываливаются отдельные блоки пород, залега­ющих между песчано-глинистыми отложениями (рис. 14.34, б).

Камнепады — скатывание отдельных кусков и обломков скаль­ных пород, отчленяющихся от выветрелых массивов, по верхней части склона и их падение в его подножие (рис. 14.34, в). Иногда это явление связано с падением отдельных кусков пород, отлетаю­щих от взорванного скального массива на больших глубинах или на соседних участках.

Скальные осыпи — скатывание массы мелкообломочных вывет­релых пород по склону в результате нарушения их устойчивости сейсмическими воздействиями естественного или техногенного происхождения (рис. 14.34, г). Осыпи создают сложности при эк­сплуатации дорожных магистралей. После ливневых дождей и та­яния снега обломочный материал превращается в текущую массу, которая смещается вниз по склону в виде так называемых осов.

Оползни-обвалы — комбинированное смещение горных пород по склону или откосу, в котором сначала происходит сползание по выдержанной трещине, тектонической зоне или по напластова­нию (сланцеватости) пород, падающих в сторону склона и распо­ложенных над крутой нижней его частью. После нависания и от- членения от склонового массива оползневое тело опрокидывается и падает вниз с большой скоростью и силой удара (рис. 14.34, д).

Значение обвальных явлений для инженерной практики опре­деляется их распространением, характером проявления и опасны­ми последствиями для жизнедеятельности, сложностью и дорого­визной освоения территорий с обвальными явлениями, трудностя­ми их изучения и прогнозирования нарушений устойчивости склонов и откосов и т. п.

Распространение обвальных явлений растет с каждым годом в связи с освоением горных и предгорных территорий, где они проявляются под влиянием естественных и искусственных факто­ров и где дальнейшее освоение приводит к активизации старых обвальных районов и к формированию новых объектов, угрожаю­щих безопасности людей. В России такими районами являются Предкавказье и Кавказ, Урал, горные области Сибири и Дальнего Востока. К этому добавляется большое количество глубоких карь­еров с искусственными обнажениями в скальных породах.

Опасность обвальных явлений создается неожиданностью их проявления, большой скоростью и силой падения блоков породы. Проследить подготовительные стадии обвалообразования исклю­чительно сложно. Скорость V свободно падающих тел равна V = У2gh, а сила падающего блока Р_б = mV²/2, где h — высота па­дения; т — масса падающего блока; g — ускорение свободного падения.

Чтобы понять сложности и прогнозирования обвальных явле­ний, проанализируем обстановку, в которой они возникают, и рас­смотрим факторы, которые их вызывают.

Условия, в которых возникают обвальные явления, определя­ются геолого-геоморфологическими особенностями горных рай­онов, тектонической и сейсмической обстановкой. Благоприятны­ми для возникновения обвалов являются в первую очередь высо­кие крутые склоны, сложенные трещиноватыми и выветрелыми скальными горными породами. В отличие от оползней механизм обвалов характеризуется хрупким разрушением пород при отрыве, сколе, изгибе, вращении (редко в условиях одноосного сжатия). Это означает, что главную роль в формировании условий устойчи­вости играют различные элементы нарушения сплошности масси­ва горных пород — трещины различного происхождения, слоис­тость, сланцеватость, кавернозсть, тектонические и техногенные нарушения, выветрелость.

Напряженное состояние в склонах и откосах, сложенных скальными и полускальными породами, определяется профилем откосной поверхности, плотностью пород, статическими и дина­мическими воздействиями, гидростатическим и гидродинамичес­ким давлением, аномальными напряжениями, характерными для горных областей.

Таким образом, условиями, способствующими возникновению обвальных явлений, как и всех других геологических явлений, яв­ляются элементы геологической среды. К числу факторов, приво­дящих к реализации потенциально возможных нарушений равно­весного состояния скальных склонов и откосов, следует отнести те из них, которые ухудшают состояние горных пород, в результа­те чего ослабляется их связь со скальным массивом, и изменяют напряженное состояние последнего. Первую группу составляют агенты выветривания, изменяющие состав, состояние и свойства горных пород, — солнечная энергия, атмосферные осадки, темпе­ратура воздуха, проходящая через нулевой порог, растительный и животный мир. Сюда же относится человеческий фактор в виде строительных, горных и буровзрывных работ, вырубки лесов. Во второй группе факторов существенную роль играет строительная деятельность человека по изменению склоновых профилей, со­зданию статических и динамических нагрузок, изменению режима поверхностных и подземных вод. Аномальные напряжения в гор­ных породах и сейсмичность территории также относятся к фак­торам, определяющим напряженное состояние горного массива, хотя многие авторы причисляют их к условиям естественной об­становки.

Необходимо отметить, что в специальной литературе часто можно встретить такое понятие, как «причины, вызывающие гор­нообвальные явления» (Ройнишвили, 1973), которое охватывает пассивные или естественноисторические причины (геологическое строение и рельеф района), создающие благоприятные условия для возникновения обвалов, И активные причины (агенты выветрива­ния, деятельность поверхностных и подземных вод, сейсмические толчки, деятельность человека). Выявить главную причину обвала

очень сложно, но даже если это удается, то устранить ее практи­чески невозможно. В связи с этим борьба с обвальными явления­ми носит специфический характер.

Прогнозирование обвальных явлений следует рассматривать по двум взаимосвязанным направлениям. Одно из них включает про­гноз устойчивости склона или откоса методами, применяемыми при изучении оползневых явлений. В механике грунтов и горных пород в гидротехническом, дорожном и горном строительстве получили развитие и успешно применяются расчетно-аналитичес­кие методы и методы физического моделирования для прогноза устойчивости скальных массивов на базе детерминированных мо­делей. Любое откосное сооружение в скальных горных массивах может быть обеспечено устойчивыми параметрами, разработанны­ми в свете теории предельного равновесия и отраженными в нор­мативных документах и инструкциях. Второе направление непос­редственно связано с прогнозом различных видов обвальных явле­ний. Используя данные инженерно-геологических исследований, можно прогнозировать угрожаемость обвальных явлений конкрет­ным сооружениям и объектам и разрабатывать предупредительные мероприятия. Для этого надо тщательно изучить условия, которые характеризуются потенциальной возможностью для проявления обвалов, провести районирование по степени угрожаемое™ и на­метить меры безопасности при эксплуатации этих сооружений. При проектировании новых сооружений необходимо выявить на­иболее опасные районы, в которых строительные работы могут су­щественно повлиять на развитие обвальных явлений. Это крутые склоны, которые нельзя подрезать, наличие выветрелых, раздроб­ленных, трещиноватых пород, плоскостей ослабления, направлен­ных в сторону выемки, и т. д. В этих условиях количественные методы прогнозирования малоэффективны. Прогнозы приходится делать со значительными запасами безопасности, поскольку не все факторы обвального процесса известны и доступны для исследова­ния и надежной оценки. Незначительный обвал, вывал, камнепад на железнодорожном полотне могут привести к серьезным послед­ствиям из-за неожиданности и большой скорости перемещения, неподдающихся экстренному предупреждению.

ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫЕ И ПРОТИВООБВАЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Большое распространение оползневых и обвальных явлений на природных склонах и искусственных откосах, а также перспекти­вы освоения неустойчивых территорий и строительства новых от­косных сооружений различного назначения являются, по нашему мнению, достаточным основанием для создания нового направле­ния на стыке инженерной геодинамики и геомеханики, основным предметом которого будет обоснование, проектирование противо­оползневых мероприятий и управление ими. Это направление яв­

ляется разделом прикладной дисциплины «Инженерная защита». Участившиеся аварийные ситуации на откосных сооружениях, со­провождающиеся иногда человеческими жертвами, являются до­полнительным подтверждением необходимости развития этого на­правления.

В специальной литературе и во многих ведомственных доку­ментах подчеркивается неэффективность противооползневых ме­роприятий. Причинами этого являются их недостаточная геологи­ческая обоснованность при проектировании, строительстве и эк­сплуатации (Ройнишвили, 1973; ПНИИС, 1976; Ломтадзе, 1977; Золотарев, 1983, и др.). Выполненный большим коллективом ин­ститута ПНИИС инженерно-геологический анализ применения противооползневых мероприятий на Черноморском побережье Кавказа и Крыма (1968—1973 гг.) дал возможность сделать важ­ный вывод: «Главной причиной низкой эффективности противо­оползневых мероприятий является плохая изученность природы оползневых процессов и недоучет проектами в связи с этим ряда важных особенностей природной обстановки» (ПНИИС, 1976). Несмотря на значительные успехи в изучении оползневых процес­сов за последние 20—30 лет, проблема эффективности противо­оползневых мероприятий остается по-прежнему решенной неудов­летворительно, что связано с огромными масштабами и высокой интенсивностью деятельности человека по освоению территорий и акваторий.

Говоря на современном этапе о управленческих защитных фун­кциях жизнедеятельности, следует рассматривать следующие ка­тегории мероприятий, обеспечивающих рациональное использо­вание земельных ресурсов и безопасность строительства и эксплу­атации инженерных сооружений (табл. 14.12):

1. мероприятия, предупреждающие нарушение устойчивого равновесия естественных склонов и откосов;

мероприятия, ограничивающие развитие гравитационных процессов и обеспечивающие безопасность жизнедеятельности, в том числе экологическую;