книги из ГПНТБ / Опыт оценки устойчивости склонов сложного геологического строения методом конечных элементов и экспериментами на моделях

ванного

с т е н д а д л я

моделирования,

определило

д л я

и з у ­

чаемого

высокого

склона м а с ш т а б

моделирования

1:500.

Перечисленные

условия

моделирования

м е т о д о м

ф о ­

тоупругости вызвали

необходимость

последующей

г е н е ­

рализации сложного инженерно - геологического

р а з р е з а

оползневого склона

Д н е с т р а

и приведение его

не

к о д и н ­

надцати

пачкам с 3 - мя подпачками, а только к

пяти

условным пачкам, как это представлено в табл . 8—1.

Значения динамических

модулей

упругости

пород

( E(j

)

инженерно-геологических

пачек различаются

б о ­

лее чем

в

ЗО р а з . Технологические

возможности

м о д е ­

лирования на фотоупругих материалах не позволяют

о т ­

разить

в

модели колебания

модуля

деформации

более

чем

в

7

р а з .

Поэтому

при выборе характеристик

д е ф о р ­

мируемости д л я

условно

выделенных

пачек

исходили

из

анализа

их роли в возникновении и развитии

оползней,

приблизительно

сохраняя

соотношения

показателей

д е ф о ­

рмационных свойств

условных

пачек,

в м о д е л и .

Палеозойские

аргиллиты

и алевролиты

(У

пачка),

т о л щ а

пород сеномана и тортона

(пачки 1 У - 1 ) ,

с л а г а ю ­

роль пригрузки на

н и ж е л е ж а щ и й

терригенный

комплекс

протерозоя ,

с о д е р ж а щ и й

ослабленные

глинистые

прос ­

лои. Поэтому в модели они объединены

в

условную

п а ч ­

ку

"А",

со средними^значениями

модуля

деформации

Е„ =

25000

к г / с м

,

объемным

весом

у

=

2

г / с м

и

у* =

0,36.

М о ж н о

предполагать, что

разнородность

строения

верхней

части р а з р е з а

не

оказывает

влияния

на

распределение

напряжений

в

породах

нижней полови­

ны

склона . Д а л е е , в ы д е л е н и е

в

модели

нескольких

про­

слоев

с

разными

значениями

модулей деформации

в

верхней

части склона

значительно

и неоправдано

усло ­

жнит

технику

проведения

опыта

и

интерпретацию

р е з у л ь ­

татов . Обобщенный

модуль деформации

д л я

пачки

"А"

был выбран по сопоставлению с

показателями

объемного

веса,

одноосного

сжатия

и

динамического

модуля

упру­

гости

пород

остальных

пачек,

учитывая

возможности

подбора

материала

д л я

модели и сохраняя

вероятные

с о -

отношения

значений деформационных

свойств

разных

слоев.

Основной

интерес

представляют

алевролиты

и а р ­

гиллиты

У1~й и Х-й инженерно-геологических

пачек,

среди

которых

рассредоточено

залегают

многочисленные

тонкие прослои глин, в обобщенном виде

обозначенные

индексами У 1 а ; У 1 б

и Ха. Характеристики

прочностных и

деформационных

свойств

глин, значительно

отличаются

от

показателей

деформируемости

аргиллитов

и

алевроли­

тов. Воспроизвести все прослои глин в модели

невозмож -

но

и з - з а их

малой

мощности

и ограничения

в

выборе

фотоупругого

материала .

Поэтому

изменение

прочности

и

деформируемости

пород

У1 и X пачек

и з - з а

наличия

глинистых

прослоев

в модели

было учтено путем

н а з н а ­

чения

условным

пачкам

с

индексами

Ѵ В ^ " и

"В

*

сни­

женных значени^

показателей: модуля

д е ф о р м а ц м

Е0

=

=

1000 0

к г / с м

,

объемного

веса

"jf = 2,3

г / с м

и I м

=

=

0,4

(таблица

8 - 1 , рис .

8 - 1) .

Крепкие кварцдтовидные песчаники и алевролиты

инженерно-геологических

пачек

УП, УШ и I X с у щ е с т ­

венно

влияют

на распределение

скалывающих

напряжений

в массиве пород склона ,

вследствие

чего

они

о б ъ е д и н е ­

ны в модели

в

условную

пач^у "С " с высоким

м о д у л е м

деформации

Е =

5 0 0 0 0

к г / с м

и

^

= 0,25.

К в а р ц и т о -

видные

песчаники и гравелиты

протерозоя

и

архейские

граниты

X I - й пачки представляют прочное

основание,

которое

не з а х в а т ы в а е т с я

оползанием;

в

модели они

о б о ­

значены

под индексом

" Д " .

Приведенные в

таблице

8-1

значения

показателей

физико - механических

СВОЙСТВ

условных

пачек

являются

исходными

при выборе

материалов - эквивалентов д л я м о ­

дели . Определение показателей пород условных пачек,

указанных

в

таблице 8- 1, основывалось

на общих з а ­

висимостях

м е ж д у динамическим

модулем

упругости

( Е,| ) , экспериментально-установленным, и модулями

деформаций

(

Е„

) , а

т а к ж е

по

аналогии.

§ 2 . И н ж е н е р ы о - г е о

л о г и ч е с к а я

с х е м а

д л я

м о д е л и р о в а н и я

н а

э к в и в а л е н т н ы х

м а т е р и а л а х

Схематизация

исходного

инженерно - геологического

р а з р е з а д л я

моделирования на эквивалентных

материалах

иная, чем его

генерализация

при

экспериментах м е т о д о м

фотоупругости.

Составляя схему

д л я

моделирования на

ности и пределы применения этого

м е т о д а ,

роль

о т д е ­

льных инженерно—геологических пачек и прослоев

в р а з ­

витии

напряжений оползней

и общей

устойчивости

с к л о ­

на.

З а д а ч е й выполненных экспериментов было изучение

распределения напряженийі

деформаций и

устойчивости

склона

на

разных

стадиях

его

развития .

Воспроизводя

врезы

реки

Д н е с т р а

разной

глубины

и

склоны

различной

высоты

и

крутизны,

можно

изучать

на

модели

из

э к в и ­

валентных

материалов процессы

д е ф о р м а ц и и

массива

пород

вплоть д о их

разрушения .

Высота изучаемого склона и размеры

использован ­

ной

стендовой

установки определили условия

г е о м е т р и ­

ческого

подобия

и м а с ш т а б

модели

1:250.

Основные з а ­

труднения

возникли

при подборе

материалов - эквивален ­

стью на с ж а т и е

R

= Ц4

к г / с м ,

имитирующий

песчаники и известняки. Сложен был выбор

м а т е р и а л о в -

эквивалентов, удовлетворяющих условиям подобия по

прочностным

характеристикам д л я

глин, аргиллитов

и

аналогичных пород . В конкретном случае

м а т е р и а л - э к ­

вивалент д л я

глин,

алевролитов, аргиллитов

и мергелей

подбирался

по

подобию сдвиговых

характеристик, а

не

по

показателям

одноосного

с ж а т и я .

Реальные

возможности

проведения

экспериментов

на

модели из эквивалентных

материалов

обусловили

н е ­

обходимость

д а л ь н е й ш е й генерализации

геологического

р а з р е з а склона

р,Днестр и

объединение

и н ж е н е р н о - г е о ­

логических

пачек, представленных

в таблице

7 - 1 . Г р у п ­

пируя различные породы по литологическому

признаку,

включая сопротивляемость

выветриванию

и по ф и з и к о - м е -

ханическим свойствам, представилось

в о з м о ж н ы м

р а з ­

делить

150 - ти

метровую толщу

на

6 условных

пачек

( А,В,С,Д, Е

и

F )

, из которых

с л а г а е т с я

модель

( т а б л .

8-2

и

рис .

8 - 2) .

Относительно прочные породы - оолитовые

и з в е с т ­

няки неогена, песчаники с алевролитами палеозоя

и

п е ­

счаники протерозоя, выделенные в сводном

р а з р е з е

как инженерно - геологические пачки 1,У,УП

и I X

в

м о ­

дели

объединены,

несмотря на различия

в

свойствах,

в одну условную пачку, обозначенную индексом

"А".

Песчаники пачек У, УІ1 и IX характеризуются

сопро­

тивлением

одноосному сжатию д о

7 0 0 - 8 0 0

и д а ж е

1000

к г / с м

,

а прослои аргиллитов

в пятой

пачке

и м е ­

ся

R.

= 500

к г / с м

. Учитывая,

что

слоистость

я в л я е т ­

ют

фактором

ослабления прочности

массива

пород,

а

т а к ж е назначение

экспериментов

-

изучение

д е ф о р м а ­

"А"

д а н один показатель прочности

R.

= 550

к г / с м

,

что

соответствует

с

учетом

м а с ш т а б а

прочности м а т е ­

риала - эквивалента

в

модели

1,4

к г / с м

. Стремясь

и з б е ж а т ь усложнения

при

построении

м о д е л и ,

имея

в

R =

пачка 1) играют роль естественной пригрузки,

увеличи­

вая напряжения в прослоях глин протерозоя, было

приз­

нано

допустимым

не выделять их

в отдельную

пачку,

т е м

более, что

известняки

и

песчаники

имеют

близкие

значения

объемных

весов .

Неогеновые

и меловые

известковистые

глинистые

плотные

пески

с

конкрециями, выделенные

в

сводном

р а з р е з е

в в и д е

инженерно-геологических

пачек 11

и

1У

(табл . 7-1)

в

м о д е л и

объединены

в пачку

"В*

с

объемным весом

1.9 г / с м

,

углом

внутреннего

трения

24

и сцеплением

близким

к нулю (табл . 8-2).

Т о л щ а

сеноманских мергелей с объемным весом Y =

1,4

г / с м

углом внутреннего

трения

^ -

22

и

сцеплением

С =

0.1

к г / с м представляет

следующую

пачку,

обозначен -

ную

индексом

" С .

В условной пачке модели " Д " объединены

аргил

"

литы и

алевролиты протерозоя

трех

инженерно - геологи ­

ческих

пачек

У1,

УІП

и X,

д л я

которыхо рекомендуют -

ся показатели прочности - угол трения

20

и

сцепление

0,4

к г / с м

при объемном

весе 2,4

г / с м

. В

развитии

деформации особое значение имеют серо - зеленые и фи ­

олетово-коричневые глины, обладающие наименьшими

показателями

прочности и

з а л е г а ю щ и е

в

в и д е

м н о г о ­

численных тонких прослоев в У1 и

X и н ж е н е р н о - г е о л о ­

гических

пачках.

При

принятом м а с ш т а б е

м о д е л и р о в а ­

ния

не

представлялось

возможным

с о з д а т ь

20

тонких

прослоев глин. Поэтому в местах концентрации

просло ­

ев глин они были объединены в условную пачку

" Е " ,

состоящую из

3-х

частей,

к а ж д а я

мощностью

по

0 , 5 м .

По

намеченной методике

эксперимента

предполагалось

изменить свойства глин в процессе

опыта. Это

п о з в о ­

лило

выполнить моделирование при

разных

показателях

прочности

глин. Н а

первом этапе

эксперимента

были

средние

значения

угла

трения

Т =

13

и

сцепления

0,4

к г / с м

, а

после

введения

масла

в

прослои,

имити­

рующие глины7 величины трения и сцепления,

уменьшились

вследствие?=6°<х С*0их.

ВЫСОКОЙ прочности

)

=

1200

к г / с м

) ,

Граниты

архея,

гравелиты

и

песчаники

протерозоя^

при

моделировании рассматривались

как

недеформируе

-

R

мое

основелие ? и поэтому

они

выделены

в отдельную

пачку "

F

Моделирование

на эквивалентных

материалах

позволя ­

ет учесть трещины

в пород ах,имеющих большое

значение

д л я развития оползней. В модели воспроизведены

круп­

ные

тектонические трещины,

находящиеся

на

р а с с т о я ­

нии

25

м

д р у г от

д р у г а ;

в природной

обстановке

они

расположены

не строго равномерно

и

несколько

чаще .

Учесть

узкие

частые

вертикальные

и

наклонные

т р е щ и ­

ны при

принятом

м а с ш т а б е моделирования

не

имелось

возможности,

т . к . д а ж е м е ж д у

крупными

трещинами

в модели

расстояние

было

минимальное

-

10

с м .

И з -

з а возможностей техники

эксперимента

сцепление

и

трение

по

трещинам,

воспроизведенным

в м о д е л и ,

у с ­

ловно было принято

равным нулю.

§ 3 .

И н ж е н е р н о - г е о л о г и ч е с к а я

с х е м а

д л я

р а с ч е т о в

н а п р я ж е н ­

н о г о

с о с т о я н и я

п о р о д

и

у с т о й ­

ч и в о с т и

с к л о н а

м е т о д о м

к о н е -

ч н ы х э л е м е н т о в .

При

схематизации геологического

строения склона

д л я расчетов напряженного

состояния

и устойчивости

по м е т о д у конечных элементов важно

учесть

факторы,

модуля

деформации, крупные вертикальные

и

наклонные

трещины, оползневые

массивы,

зоны

выветривания

и о б ­

воднения.

Расчеты

выполнены

в трех вариантах с постепен ­

ным

усложнением

з а д а ч и .

Постановка

з а д а ч и ,

в о з м о ж ­

ности м е т о д а

конечных

элементов

и

счетной техники,

особенности геологического строения склона и физико -

механические свойства пород, определили степень

с х е ­

матизации д л я

к а ж д о г о

варианта

расчета .

Р а с ч е т ы

по

м е т о д у

конечных

элементов

п р е д п о л а ­

гали

использование одной

программы,

составленной

д л я

конкретной расчетной схемы с различными

вариантами -

изменение характеристик

пород,

строения

отдельных

'

частей

склона

и

более

д е т а л ь н ы й

учет

особенностей

трещин.

Использование

д л я

расчетов

Э Ц В М

Б Э С М - 6

с

оперативной памятью 32768 слов без привлечения

в н е ш ­

них запоминающих устройств наложило ограничение на

объем решаемой

з а д а ч и

в том числе

и

на объем

и с х о д ­

ной

информации,

которая

зависит

от

схематизации

р а з ­

р е з а

склона . Исходными

данными

д л я

составления

расчетной схемы

являлись

сводный геологический

р а з ­

рез

дочетвертичных

отложений,

приведенный

в т а б л и ­

це 7-1 , и схематические геологические разрезы

с к л о ­

нов

долины р 3 Д н е с т р

(рис .

6 - 1 , 6-2,

6-3).

Первый вариант расчета имел методическое

н а з ­

начение - определить напряженное состояние условно

однородного массива

пород

склона

с

учетом

крупных