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

Р а з в и т ие напряжений и деформаций модели

р е г и ­

стрировались регулярно по 18-ти

т е н з о д а т ч и к а м .

П о с ­

ле

к а ж д о г о

э т а п а эксперимента

проводилась ф о т о с ъ е м ­

ка

модели

специальной камеройі

ж е с т к о соединенной

со

стендовой установкой . К а ж д ы й тензодатчик

был

предварительно протарирован и

д л я

них

составлена т а -

рировочная кривая. Измерения

величин

смещения

р е ­

перов осуществлялось

по сопоставлению

фотоснимков

на стеклометре, с точностью О.Ol

мм,

что

в пересчете

на натуру составляло

12.5 мм.

К р о м е измерений

прово ­

дилось описание и зарисовка наблюдаемых

деформаций

модели

- образование

и расширение трещин, выпор и

т . д .

В

течение всех

этапов эксперимента

м о д е л ь

не

имела боковых деформаций; проволочные

т я ж и с п л а с ­

тинами предотвратили

их. Д в е н а д ц а т ь

т е н з о д а т ч и к о в ,

заложенные

в м о д е л ь ,

не работали

нормально и их

п о ­

казания были исключены при обработке

р е з у л ь т а т о в .

Рез^льт_ат_ы_ экспериментов . Д а н н ы е

измерений

напряжений

и смещений по реперам,

возникших при

вырезах

в

м о д е л и

на

первом этапе

экспериментов,по ­

казанных

на р и с .

10-2

линиями профилей

1»2 и 3,

не

были

небольшими

и

не

представляли интереса д л я

х а ­

рактеристики

изменения

устойчивости

относительно

н е ­

высокого

склона

(85

м ) .

Н а

втором

этапе

экспериментов

при

создании

в

модели предполагаемых

склонов р . Д н е с т р в эпоху

н а ­

ибольшего вреза и подмыва правого берега в конце

среднего

и

начале верхнего плейстоцена,

к о г д а

в ы с о ­

та склона д о с т и г а л а

125 м,

а средняя

крутизна

д о

40-45 (профили

4,5 и 6 на рис. 10 - 2), выявилась

с л е ­

д у ю щ а я

картина

развития деформаций

и

напряжений:

- Постепенное увеличение крутизны склона от

л и ­

нии

профиля

4 к

профилям

5 и особенно

6, имитирую -

щ е е

процесс

п о д м ы в а

его

основания,

привело к

о б р а -

расширилось несколько трещин,

особенно № 4,

р а с ­

крытие которой у поверхности склона составило

0>3м.

Раскрытие трещин" № 5,6»7 и 8

было меньшим по ш и ­

рине

и глубине, но достаточно

отчетливым (рис . Ю - 8 ) .

-

Соответственно развитию

трещин и выпора

наб ­

(пачка Е ) в зоне выпора, показал смещение

" в л е в о -

вверх*.

-

Горизонтальные

и вертикальные

напряжения

пос ­

ле, в р е з а

этого этапа

существенно изменились» что б ы ­

ло

отмечено

по т ѳ нзодатчикам № № 4,30,34 и д р .

( р и с .

10 - 4) . Д л я многих

точек

в модели

характерно

нарастание напряжений

с последующим их одад ом,

свидетельствующим

о

Начале разрывных

деформаций .

Эксперименты

заканчивались

при неизменных

показа ­

ниях тѳнзодатчиковч Судя

по д а т ч и к а м

№ №

18,8 и

18,

заложенным В Н е

влияния врезов,

соответствующих

глубинам

154,125 и 63 м,

вертикальны^

напряжения

( éjL

)

равны: 27,5»

17,5

я

13 к г / с м ,

а

горизонталь ­

ные

(

(Öx )

по д а т ч и к у

№

5 равны 5 к г / с м

. В н и ж ­

нем

прослое

глин (пачка

Е

) горизонтальные

н а п р я ж е ­

ния имели значения 13-20

к г / с м

в зависимости

от

удаления

от

поверхности

склона

(датчики №

25 и Ѳ) .

Вблизи поверхности 125-ти метрового склона верти ­

кальные напряжения, зафиксированные по датчикам

№ 2 4 ,

19 и 22

в раузплотненных

вследствие

вреза по ­

р о д а х ,

уменьшились примерно на 5 к г / с м

,

а

горизон ­

тальные напряжения возросли по верхнему

датчику

на

6

к г / с м

(рис . 10-4) по

сравнению

с

более глубо ­

ко

расположенными участками массива .

Приведенные д а н н ы е

об изменениях

напряжений

характеризуют

состояния

м а с с и в а пород

после з а в е р -

шѳния

д ѳ формац ий,

вызванных

врезом . Наблюдения по

т е м

ж е

д а т ч и к а м

з а нарастанием напряжений во

времени

д о начала

частичных

разрывов показывают,что

ных

и г о р и з о н т а л ь н ы х

были выше,

примерно,

на

9-12

к г / с м

(датчики № №

24

34)

П о д ы т о ж и в а я

данные второго

э т а п а

эксперимен ­

тов, можно заключить, что склон высотой в 125 м и

большой крутизны

находится

в состоянии

близком

к

возникновению

оползневых

смещений,

что

п о д т в е р ж д а ­

ется расширением многих трещин и выпором в его

основании. Если иметь в

виду, ч то строение

склона

существенно схематизировано и в модели не учтено

влияние : а) подземных вод

как

силового

фактора,

б) зоны выветривания

и

в) показателей

свойств

п о ­

р о д , характеризующих их

прочность, а т а к ж е

в ы н у ж ­

денное некоторое з а в ы ш е н и е показателей

м е х а н и ч е с ­

ких свойств эквивалентных материалов, то

можно

п р е д ­

полагать,

что

реальный склон р . Д н е с т р

подобной

в ы с о ­

ты

и

крутизны

является

неустойчивым.

Развитие

деформаций в

породах

на _3 ^ т а п е

. э к с -

пери MeHTo_Bj_ к о г д а

в

модели

был

создан

аналог

с о в р е ­

менного склона

Д н е с т р а ,

высотой

в 154

м

н е п р е д е л ь ­

ной наблюдаемой в натуре крутизны (40-45 ) , было

н а ­

иболее значительным и эффективным .

К а к

указывалось

выше

наблюдения з а

деформациями и

напряжениями

были проведены прН различных показателях трения и

сцепления

трех

прослоев

глин

( в модели пачки Е^ . Е^

и Е

) І сниженные

значения

сопротивления

с д в и г у

(

f

= 6

и

С »

О)

можно

считать

минимально

в о з ­

можными,

с учетом факторов, определяющих

д л и т е л ь ­

ную прочность пород . Создание в модели

склона наи­

большей высоты и

крутизны производилось

п о с л е д о в а ­

тельно и о т р а ж а е т

с я на схеме профилями

№Ne 7,8,9 и

рывно велись

наблюдения

з а

развитием деформаций по

реперам и з а

напряжениями

по

т е н з о д а т ч и к а м .

В о с ­

произведение

на модели

склона

высотой 154 м

вызвало

р а з в и т ие следующих деформаций

(рис . І О - З ) .

- Образовался

выпор

нижней

половины

с к л о н а , д о -

стпший 5-метровой высоты

и е щ е увеличившийся

в

конце

эксперимента

после

уменьшения

прочности

про­

слоев

глин

при инъекции

масла

в пачки

E j ,

и Е^.

Значительно

раскрылись

и углубились

вертикальные

трещины

№ №

5,6,7,9 и особенно

8

и в

м е н ь ш е й с т е п е ­

ни № №

Ю

и

11, находящиеся

з а

бровкой

склона,ко -

торые

разделили массив

пород

на блоки, испытавшие

слои глин трещины ещ е больше расширились,

р а с ч л е ­

нили

практически

весь

массив

пород

склона на

блоки

и произошло

их перемещение,

чт о

свидетельствует о

начальной

ф а з е оползневых

явлений

склона.

Наиболее

чёткие

деформации

отмечались

д л я

блоков

п о р о д . о г -

раниченных

трещинами

5,6,7

и 8.

- Развитие деформаций, фиксируемое по реперам,

наблюдалось в глубине массива на значительно - боль -

иие

расстояния

от

склона,

чем это отмечено по р а с ­

крытию трещин . Направления

перемещений

реперов с о ­

ответствовали общей

картине

деформирования

модели .

ГЬсле инъекциии масла в прослои глин величины

п е р е ­

мещений реперов

резко

воросли,

но

неодинаково,всле ­

д с т в и е

чего обособлялись три зоны : первая

у

поверх­

ности

склона

(репера

№ № 2 2,6,7,35,36 и 19), г д е они

сместились максимально 6-6.5

м

в пересчете

на

н а т у ­

ру; вторая средняя зона расположена примерно

от в е р ­

тикали

под

бровкой

склона и

д а л е е

вглубь

м а с с и в а , г д е

перемещения

реперов

( № № 23,24,8,9,10,37,38

и

др . )

составляли

1 м,

и третья ,

наиболее

удаленная

от

склона,

начинающая

ся,

примерно,

в 8 Ö - 9 0

м от

бров ­

ки

(у

трещины

№

13)прослеживаемая

д а л е е

на

р а с с т о ­

янии

Ю 0 - 1 2 0 м ,

г д е

смещения

реперов ( N<№

25,26,

4 0-42,24-26

и др'.)

составили

0,3-0,5 метра .

При бо ­

лее

высоких

показателях трения

и

сцепления

глин(пач -

ки

Е . ,

И Е

) ,

д о

инъекции

в

них масла,

величины

перемещений большинства реперов были значительно

меньшими,

но общий

характер

направления

векторов

сохранился. Таким образом, проведенные

эксперимен ­

т ы показывают наличие пластических

деформаций

в о т ­

носительно

слабых

пачках

пород склона, в

первую

о ч е ­

р е д ь ,

в прослоях

глин и,

в м е н ь ш е й

степени, в а л е в ­

ролитах и их решающую роль в нарушении общей

у с ­

тойчивости

склона.

-

Наблюдения

по т е н з о д а т ч и к а м

з а изменениями н а ­

при

высоких

показателях троения

и

сцепления

у

глин

(

Y =

13°

и С

= 0.4 к г / с м

) , а

т а к ж е при

их

у м е н ь ­

шении (

*р =

6

и С = 0 ) в

разных

частях

массива

ряжений (рис .

10 - 4),

При

максимальной

высоте

и к р у ­

тизне склона в стадии завершения деформирования

по ­

род

под

влиянием наибольшего в р е з а

значения

у с т а н о ­

вившихся горизонтальных напряжений

в

прослоях

глин

( пачки

Е д

и Е^)

и в прослое

песков

(пачка

Е^)

о к а ­

зались одинаковыми, несмотря на различия

в п о к а з а ­

теля X трения

и

сцепления

( д а т ч и к и

№ №

2 5,9,42,

36) .

Величины

этих ж е

напряжений существенно

в о з ­

растают с глубиной. Непосредственно у поверхности

склона

происходит падение

горизонтальных

напряжений

( д а т ч и к

№ 2 8 )

по

сравнению с

более

глубокими

ч а с т я ­

ми

массива .

П о д в е д е м некоторые

итоги

экспериментов

на

м о ­

д е л я х

из

эквивалентных

материалов .

1. Воспроизведение в моделях склонов сложного

строения разной высоты

и

крутизны,

отвечающих

р а з ­

личным

с т а д и я м

их формирования, позволяет

просле ­

дить развитие в породах склонов напряжений и

д е ф о р ­

маций,

выявить

роль

отдельных

' с л а б ы х "

прослоев

и

трещин

в возникновении оползней. Наблюдения

з а

о б ­

разованием

новых

и расширением

существующих

трещин,

з а характером

и величинами выпора по внешним

п р и з ­

накам деформирования модели и по смещениям

реперов

мэгут быть

основой д л я

изучения

механизма

и

типов

оползней.

2. Возникновение оползневых смещений на склонах

неоднородного

геологического

строения

длительный и

Л И Т Е Р А Т У Р А К 3 Ч А С Т И

Зелинский И . П . ,

Золотарев

Г . С . ,

Максимов

С . Н . , М в -

хорин

А. А. Проблемы

моделирования

в и н ж е ­

нерной

геологии .Вестник М Г У ,

сер . геология,

1969,

№

б.

Кирпичев М . В . Теория подобия . М . ,

И а д .

АН

С С С Р ,

1Ѳ53.

Кузнецов Г . Н .

и д р .

Изучение проявления

горного

давления

на

м о д е л я х . М . ,

У г л е т е х и з д а т , 1

958.

Кузнецов Г . Н .

и д р .

М о д е л и р о в а н и е

проявлений

г о р ­

ного

д а в л е н и я .

М . ,

*Недра г ,1 Ѳ 8 8 .

М а к с и м о в

С . Н .

и

д р .

Изучение

напряженного

с о с т о ­

яния

массивов пород

в и н ж е н е р н о - г е о л о г и ч е с ­

ких целях.

М . ,

и з д .

М Г У ,

1968,

ротапринт.

Трумбачев В . Ф . , M олодцева A.C. Применение о п т и ­

ческого

м е т о д а

д л я

исследования

напряженно ­

го состояния

пород

в©круг

горных

выработок.

М . , и з д . АН

С С С Р ,

1983.

Х а и м о в а - М а л ь к о в а

Р . И . М е т о д и к а исследования

н а ­

пряжений

поляр из ационно—оптическим

м е т о д о м .

М . , ' Н а у к а * ,

1970.

Шарий A . A. ,

М а к с и м о в С . Н .

Изучение

напряженного

состояния

массивов

пород,

слагающих высокие

склоны

речных

долин,

м е т о д о м эквивалентных

материалов .

Вестник

М Г У ,

сер . геология, 1988,

№ 6.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Основная

з а д а ч а н а с т о я щ е й работы,

как указано

в предисловии,

заключается

в том,

чтобы.используя

современные д о с т и ж е н и я инженерной геологии,

г е о м е ­

ханики, экспериментальной и вычислительной техники

показать возможности аналитических и модельных

и с ­

следований напряженно - деформированного

состояния

склонов сложного геологического

строения

д л я оцен ­

ки их устойчивости.

Р а б о т а

имеет,

п р е ж д е

в с е г о , м е ­

тодический характер и не предполагает

д е т а л ь н о г о , д о ­

веденного д о

практических

рекомендаций,

изучения

конкретного склона. Выбранный в качестве

объекта

и с ­

следований высокий

оползневой склон р . Д н е с т р

в р а й ­

оне проектируемого

г и д р о у з л а интересен

по г е о л о г и ­

ческому строению - разнообразные породы, р а з в и т а я

тектоническая

трещиноватость и сложная

история

ф о р ­

мирования. Исследования на конкретном

объекте

п о з ­

воляют более наглядно продемонстрировать

принципи­

альный подход

к решению

поставленной

з а д а ч и ,

п о к а ­

з а т ь основные

этапы исследований

и их

с о д е р ж а н и е ,

включая сбор инженерно - геологических и

г е о м е х а н и ­

ческих данных, составление

инженерно - геологических

рассмотрение методики и техники р а с ч е т о в

и э к с п е р и ­

ментов и анализ

полученных

р е з у л ь т а т о в .

Многие важные вопросы расчетов напряженно -

деформированного

состояния

высоких

природных скло ­

н о в м е т о д о м

конечных

элементов лишь

поставлены и

необходимо их всестороннее

д а л ь н е й ш е е

развитие . Ос -

новной особенностью

работы

является

комплексность

п о д х о д а при

оценке

устойчивости природных

склонов

сложного геологического строения и формирования,

позволившая рассмотреть э т у проблему

во

в з а и м о с в я ­

зи с применением инженерно - геологических,

г е о м е х а -

ничеСких и экспериментально - теоретических

м е т о д о в

исследований на примере реального объекта .

Получен ­

ные данные

позволяют

с д е л а т ь некоторые

обобщения.

ментального и аналитического

изучения

устойчивости

высоких

оползневых

склонов

сложного

геологического

строения

необходимо

четко определить

з а д а ч и ,

д е т а ­

льность

их

решения ,

возможности используемых

м е т о ­

д о в исследования и

достоверность исходных м а т е р и а ­

лов. Отсутствие продуманной взаимосвязи

на

о т д е л ь ­

ных этапах исследований или необходимых

специалис­

тов м о ж е т

привести

к неоправданным

з а т р а т а м

с р е д с т в

и времени

или к неточным

решениям поставленной з а ­

д а ч и . Необходимо, чтобы

объем и д е т а л ь н о с т ь

данных

к а ж д о г о

этапа исследований

находились в

соответствии

с их использованием

на последующих

этапах

решения

проблемы,

способствовали

уточнению дальнейших

прора ­

целом.

Например, очевидно,что ни при экспериментальных,

ни

при

расчетных

исследованиях

нет

возможности

о т о ­

бразить в модели или расчетной схеме в с е

многообра ­

зие

особенностей

геологического

строения,

р а с п р е д е л е ­

ния

подземных

в о д , свойств и

состояния пород,

и с ­

тории развития природного склона, различные

силовые

воздействия

и т . п . Во

всех случаях

м о д е л ь или р а с ­

четная схема лишь в какой-то мере

а д е к в а т н а

р е а л ь ­

ному объекту

и требуются д е т а л ь н ы е

и н ж е н е р н о - г е о л о ­

гические изыскания, от которых зависит

обоснованная

генерализация геологического строения склона и его

история

развития, выбор

показателей

свойств

пород и

других

важных особенностей изучаемого

объекта.

От­

с ю д а -

обоснованность

построения м о д е л е й

и р а с ч е т ­

ных

схем.

2. Р а с ч е т ы напряженного состояния массивов пород

склонов

м е т о д о м

конечных элементов

в е с ь м а перспек ­

тивны. Это обусловлено

п р е ж д е

всего возможностями и

и процедурой

м е т о д а , позволяющего

рассчитывать

н е ­

однородные,

анизотропные, рассеченные

трещинами

массивы, с переменными

характеристиками

механичес ­

ких свойств пород, со сложным сочетанием

д е й с т в у ю -

248