768
.pdfего сжатия при охлаждении [26]. Согласно термореологической модели С.Е. Гречищева [54], трещина возникает в сплошном массиве тогда, когда температурные напряжения, зависящие от температуры грунта, начинают превосходить прочность грунта на разрыв.
Наиболее четко морозобойные трещины выражены в районах
срезко континентальным климатом, суровой зимой и незначительной толщиной снежного покрова и приурочены большей частью к суглинистым грунтам и торфяникам. На дорогах образуется система параллельных трещин, перпендикулярных оси дороги,
сраскрытием 7–25 мм [26]. Летом эти трещины практически закрываются.
Солифлюкция представляет собой процесс вязкого и вязкопластического смещения оттаивающего грунта на склонах. Она может развиваться в пределах сезонно-талого слоя мощностью 0,4–1,0 м повсюду, где происходит оттаивание супесчано-сугли- нистых тонкодисперсных пород в условиях избыточного увлажнения. Вязко-пластические и вязко-текучие деформации глинистых пород (суглинков, супесей, пылеватых песков) на склонах обусловлены рядом особенностей, связанных с их многократным промерзанием, физическим выветриванием, физико-химическими и микробиологическими процессами [26].
Медленная солифлюкция распространена большей частью в лесотундре и тайге. Для тундровых ландшафтов Крайнего Севера более характерна быстрая солифлюкция, выраженная оплывинным течением оттаивающих грунтов и сплывами.
Интенсивность солифлюкции определяется составом и льдистостью (влажностью) покровных отложений, глубиной оттаивания пород, крутизной склона, прочностью дернового покрова и другими факторами природной обстановки. При этом течение рыхлых отложений по поверхности склона формирует своеобразный солифлюкционный рельеф.
Опасные проявления солифлюкции наблюдаются на трассах наземных магистральных трубопроводов, автомобильных и железных дорог, на склонах открытых горных выработок. Солифлюкция проявляется в виде языков, полос, террас, нарушая проектные очертания земляного полотна и провоцируя более опасные деформации, например сплывы. В ряде случаев ее влияние
51
испытывают насыпи и выемки, расположенные на склонах, так как под ними или в непосредственной близости от них глубина протаивания увеличивается [55].
2.2.2. Деформации земляного полотна на болотах и слабых грунтах
Опыт показывает, что при использовании слабых грунтов в основании насыпей деформации насыпи в той или иной мере возникают практически всегда [56]. В одних случаях деформации развиваются медленно, носят длительный характер и не нарушают общей устойчивости земляного полотна. В других они протекают достаточно быстро, приобретают катастрофический характер и часто приводят к полному разрушению отсыпанной насыпи.
Как правило, деформации земляного полотна на болотах происходят по организационно-техническим причинам [57].
В области изысканий причины чаще всего кроются в недостаточном объеме геотехнических изысканий. Дефекты возникают при невыявленной анизотропности и неоднородной слоистости болотной залежи, неправильном определении механических свойств слабых грунтов, отсутствии прогноза изменения гидрогеологического режима болота в процессе последующей эксплуатации насыпи.
Наиболее часто встречающимся недостатком проектирования является применение конструктивных типов земляного полотна за пределами рекомендуемой для них области [57].
При строительстве основными нарушениями являются отступления от проектов, особенно в отношении используемых технологий и механизмов, а также сроков строительства объектов, неполное и некачественное выторфовывание, устройство выемок в полосе отвода, использование некондиционных материалов для отсыпки насыпи и т.д.
Недостатками эксплуатации часто бывают нарушение работы дренажных и водоотводных сооружений, непродуманное осушение болот, прилегающих к трассе, пропуск более высоких по сравнению с расчетными нагрузок и т.д.
Оседания насыпи из-за уплотнения основания, как правило,
наблюдаются при отсыпке насыпи без удаления или отжатия слабых грунтов, при недостаточной глубине выторфовки. Причиной
52
деформаций в этом случае является медленное уплотнение в процессе эксплуатации основания из неразложившегося ила, слоборазложившегося торфа, либо других слабых грунтов, в том числе переувлажненных глин и суглинков с низкой плотностью. Иногда оседание насыпей происходит при изменении водного режима болота, вызывающем осушение слабой толщи основания.
При таком характере деформаций бокового выдавливания слабого грунта не происходит или оно компенсируется боковым уплотнением зон основания, примыкающих к насыпи [56]. Деформации носят характер главным образом вертикальных смещений, вызванных доуплотнением грунта под воздействием нормальных напряжений от веса насыпи.
Деформации такого типа протекают неопределенно долго. На первом этапе из-за неоднородности сжимаемой толщи они носят неравномерный характер. С течением времени интенсивность деформаций снижается, неравномерность постепенно сглаживается, и на последующем этапе происходит более или менее равномерная осадка. И хотя этот процесс всегда носит затухающий характер, время завершения деформаций может быть весьма длительным [56].
Внешними признаками деформаций из-за уплотнения основания являются: постепенная просадка основной площадки, продольные и поперечные трещины в покрытии, осадка и деформирование обочин и
откосов, понижения и трещины у подошвы насыпи, иногда сопровождающиеся появлением и застоями воды (рис. 10).
Просадки насыпи в результате отжатия в стороны и выпи-
рания слабого грунта наблюдаются при наличии в основании водонасыщенных высокопористых глин и суглинков мягкотекучепластичной консистенции, органических либо минеральных илов, разложившегося торфа, заторфованных или иольдиевых
53
глин, солончаков и т.д. Пластическое выдавливание более свойственно болотным грунтам с малой водопроницаемостью и низким углом внутреннего трения [57]. Кроме того, причинами деформаций земляного полотна с выдавливанием и выпором грунтов могут быть переувлажнение основания из-за природной обводненности или длительного стояния поверхностных вод при плохом стоке, большое количество осадков и малая испаряемость, а также устройство у подошвы откосов насыпи траншей, котлованов, канав и т.д. Выдавливанию способствует слоистое строение залежи, наличие мягких пластических прослоек, более высокая горизонтальная проницаемость. Опасность выдавливания повышается при использовании для насыпи связных малопроницаемых грунтов.
Внешними проявлениями деформаций, связанных с просадками, являются трещины в асфальтобетонном покрытии, просадки железобетонных плит, зауженное земляное полотно, оседание обочин, продольные и косые трещины на обочинах и откосах, поперечные трещины, разбивающие земляное полотно на отдельные блоки, искажение профиля откосов, продольные валы выпирания или общее выпучивание поверхности у подошвы откосов. Другими признаками служат искривление в плане, сжатие сечения и выпучивание дна резервов и водоотводных канав, застаивание в них воды, на-
клоны опор линий электропередачи и связи, проседание и отрывы оголовков водопропускных труб и выпусков дренажей (рис. 11).
Смещение части насыпи с боковым выпором грунта по определенной поверхности скольжения более характерно для одно-
родных пластов с низким сцеплением, чаще всего имеет односторонний характер и отличается интенсивностью уже в процессе сооружения насыпи, особенно при быстрой ее отсыпке. Как правило, такие деформации происходят при отсыпке высоких насы-
54
пей с крутыми откосами еще в период строительства или в первое время после его окончания.
Началу процесса смещения отсека насыпи почти всегда предшествует вздутие грунта у ее подошвы. Само смещение длится недолго, иногда проходя в несколько этапов с непродолжительными интервалами [57].
Погружение и провалы насыпи в нижний слабый грунт про-
исходят в случае устройства «плавающих» насыпей или возведения насыпей на сплавине (со сланями или без них) вследствие неправильного проектирования и расчета таких насыпей и сланей, неудовлетварительного производства работ или неблагоприятного изменения режима болота, ухудшающего сопротивляемость сплавины [58]. Условием возникновения провальных деформаций является наличие в основании насыпи мощных (5– 10 м) толщ слабых грунтов, перекрытых относительно прочным слоем: на болотах – неразложившиеся торфы, илы, сапропели, на низменных территориях – слабые озерно-лагунные отложения, на побережьях пресных водоемов – неуплотненные илы.
Признаками начала таких деформаций являются: образование у подошвы откосов изолированных, вытянутых вдоль насыпи воронок, ям, понижений поверхности болота, заполненных водой; деформирование, сжатие и искривление в плане и профиле продольных водоотводных канав, смещение их откосов; возникновение вдоль основания откоса и за понижениями местных подня-
тий и бугров вы-
Рис. 12. Погружение и провалы насыпи в нижний слабый грунт пирания с обра-
зованием трещин и продольных разрывов сплавины. Параллельно протекают скоротечные деформации земляного полотна, вначале в форме его медленного неравномерного оседания, а затем в виде внезапного образования прорывов по основанию насыпи с выпорами на рас-
55
стоянии 5–15 м от подошвы откосов и быстрым опусканием частей тела насыпи в прорывы покровной части болота (рис. 12).
В настоящее время деформации такого типа – явление довольно редкое, так как насыпи на болотах со сплавиной обязательно «сажаются» на минеральное дно болота и провал может возникнуть только в случае неудовлетворительных инженерногеологических изысканий, когда неправильно классифицируется тип болота.
Скольжение насыпи по наклонному минеральному дну встре-
чается в практике не менее часто, чем пластическое выдавливание. Причиной бокового скольжения почти всегда являются значительные поперечные уклоны дна болота и наличие в нем мощного слоя илистых осадков. Смещению способствует малая проницаемость нижних пластов, так как в этом случае сопротивление сдвигу в контактной зоне оказывается близким к нулю [57]. Наличие внутреннего стока в направлении уклона минерального дна способствует сдвигу. Часто причиной начала скольжения оказы-
ваются фильтрационные потоки через основание насыпи, а в паводковый период – подпор с верховой стороны.
Смещение насыпи сопровождается возникно-
вением продольных трещин в насыпи (по бровкам и на откосах) и просадками покрытия (рис. 13).
Выпирание слабого грунта в выемке происходит при наличии в основании выемки или в нижней части откосов слабых глинистых грунтов, выдавливающихся под тяжестью масс вышележащих слоев с образованием зон неравномерного поднятия грунта. Спровоцировать такие деформации может также увеличение веса грунтов на бортах откосов из-за впитывания дождевой или талой воды, а также из-за резкого повышения уровня грунтовых вод и связанного с этим избыточного увлажнения выпираемого грунта.
56
При подобных деформациях происходят поднятие вверх (выпирание) дорожного покрытия и обочин с развитием продольных трещин, искажение продольного профиля кюветов, сжатие их сечения с нарушением укреп-
Рис. 14. Выпирание слабого грунта в выемке лений и появ-
лением застоев воды, искажение очертаний откосов выемки в плане и профиле, появление на них отколов и циркообразных трещин (рис. 14).
2.2.3.Гравитационные процессы
Кгравитационным относятся процессы, связанные с нарушением равновесия земляного полотна или прилегающего грунтового массива в результате изменения напряженного состояния или снижения прочностных характеристик грунтов.
Расползание насыпей представляет собой довольно редкую деформацию, присущую свежеотсыпанным насыпям [58].
Расползание может быть результатом использования для возведения земляного полотна переувлажненных глинистых грунтов
инедостаточного их уплотнения. К подобным результатам приводят нарушение технологии возведения земляного полотна в зимнее время, укладка в тело насыпи грунтов с повышенным содержанием мерзлых комьев или попадание в него вместе с грунтом снега и льда. При весеннем оттаивании такие грунты приобретают пластично-текучую консистенцию, и насыпь начинает деформироваться, расползаясь в низовую сторону и теряя высоту.
Причинами расползания могут быть также переувлажнение поверхностными водами тела насыпи, сооруженной из пересушенных недоуплотненных глинистых грунтов, заболоченность основания насыпи, наличие в основании илов, плывунных и водонасыщенных глинистых грунтов, тиксотропные явления грунтов подтопляемой насыпи под воздействием транспорта.
Расползание насыпи сопровождается изменением ее первоначальных очертаний, постепенной просадкой основной площад-
57
ки, искажением очертаний откосов и обочин с образованием на них продольных трещин и нарушением формы растительности. Иногда образуются небольшие валы выпирания у подошвы с одной или обеих сторон насыпи (рис. 15).
Рис. 15. Полное разрушение земляного полотна в результате расползания насыпи на болоте
Сплывы –
смещения потерявших свою структуру верхних слоев (толщиной до 1–2 м) грунта при локальном увлажнении с сохранением общей устойчивости откоса. От оползней они отличаются малой глубиной захвата грунта
(рис. 16).
Эти деформации наиболее характерны для молодого земляного полотна, более половины деформаций такого типа происходят в течение первых пяти лет после его устройства [59].
Причиной
сплывов являет-
Рис. 16. Обширный сплыв откоса насыпи
ся резкое снижение прочности
грунтов вследствие происходящих в них физико-химических процессов, связанных с промерзанием и оттаиванием, попере-
58
менным высушиванием и увлажнением, нарушением сплошности в результате выветривания. Сплывам способствуют выходы грунтовых вод на поверхность откосов, неупорядоченный поверхностный сток, отсутствие или нарушение укрепления откосов.
Сплывы откосов чаще всего возникают в откосах, сложенных влагоемкими глинистыми и пылеватыми грунтами, особенно при несвоевременном их укреплении.
Поверхностные сплывы наиболее характерны для откосов выемок и в основном связаны с сезонным промерзанием и оттаиванием грунтов, причем чаще поражаются откосы, имеющие большую влажность [59].
В многолетнемерзлых грунтах сплывы оттаивающего массива, как правило, происходят по фиксированной поверхности мерзлого слоя.
Нередко благоприятные для сплывов условия создаются в результате нарушения технологии возведения и правил эксплуатации земляного полотна. Такими нарушениями являются отсыпка земляного полотна из переувлажненных или мерзлых глинистых грунтов, недостаточное их уплотнение, неудовлетворительное содержание водоотводных сооружений и т.д.
Внешними признаками произошедших сплывов являются деформированные откосы, более крутые в верхней части и пологие внизу. Сплывающая масса загромождает кюветы и лотки, которые часто деформируются со смещением их откосов внутрь, в выемках грунт иногда наползает на проезжую часть. На ранних стадиях развития сплывов на обочинах и прибровочных частях откосов возникают продольные трещины, характерны появление влаголюбивой растительности и выход воды в виде мочажин, местные вздутия поверхности откоса, выпоры у его основания.
Оползни. В общем представлении к оползневым явлениям относятся скользящие смещения горных масс на склонах и откосах под действием силы тяжести и, чаще всего, при участии поверхностных или подземных вод [60].
Основными причинами возникновения и развития оползневых явлений бывают боковая эрозия, суффозионные явления при быстром спаде паводковых вод и оттаивание многолетнемерзлых грунтов. Активизируются оползни, как правило, весной и в первой половине лета.
59
Среди всех гравитационных процессов оползни наиболее разнообразны по типам, факторам образования и механизму развития. Многообразие причин и форм оползней создает большие трудности для их классификации. Классифицирование осуществляется с использованием различных исходных признаков [61–63]: по возрасту и фазам развития оползней, механизму и форме оползневых смещений, размерам и глубине захвата и т.д. Трудности усугубляются тем, что отдельные типичные формы оползней связаны между собой многочисленными переходами. Поэтому, несмотря на все многообразие существующих классификаций, удовлетворительной нет. Основным классификационным признаком оползней принято считать генетический, отражающий обстановку их развития. При разделении оползней на генетические типы используют два взаимосвязанных признака: механизм смещения оползня и строение оползневых масс [64].
Формирование оползней представляет собой сложный и многофакторный процесс. Факторы, определяющие появление и развитие оползневых смещений, достаточно четко разделяются на две основные группы [26].
К первой группе относятся факторы, отражающие исходное состояние геологической среды, в которой формируются оползни, – рельеф, литология, условия залегания и свойства пород, положение водоносных горизонтов, фильтрационные градиенты и величина напоров подземных вод и т.д.
Вторую группу представляют факторы и воздействия, изменяющие напряженное состояние склонов и откосов, – речная и овражная эрозия, абразия, выветривание, тектонические движения. Очень часто причиной возникновения оползней являются техногенные воздействия: подрезка склонов при строительстве дорог, нарушение условий поверхностного стока, пригрузка склонов, техногенная суффозия, динамические воздействия от движущегося транспорта, сейсмические явления и др.
При оценке развития оползней на склонах и откосах необходимо учитывать возможность нарушения как общей, так и местной устойчивости. При этом следует различать нарушения устойчивости откосов самого земляного полотна, нарушения устойчивости природного склона выше или ниже земляного полотна и смещения оползневого склона вместе с дорожной конструкцией.
60