книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве

ближении, очевидно, следует рассматривать более сложную задачу с учетом взаимодействия земляной плотины, основания и бортов каньона, что может быть осуществлено численными методами ме­ ханики деформируемой среды. В узких каньонах будет, по-види­ мому, проявляться арочный эффект.

Влияние, подземных сооружений и горных выработок. Подзем­ ная разработка месторождений способствует изменению геостатических и геодинамических полей напряжений в окружающем мас­ сиве горных пород. Эти изменения могут вызвать сдвижение гор­ ных пород, оседание земной поверхности, «стреляние» горных по­ род и т. п., что может усложнить условия эксплуатации наземных и подземных сооружений и горных разработок. Поскольку харак­ тер изменения геодинамического и геостатического полей напря­ жений существенно отличается, рассмотрим их в отдельности.

И з м е н е н и е г е о д и н а м и ч е с к и х п о л е й н а п р я ж е ­ ний. Нарушение сплошности горного массива в результате про­ ходки туннелей, шахт, горных разработок на большой глубине.при­ водит к концентрации этих напряжений в окружающем массиве горных пород.

Для количественных оценок концентрации геодинамических по­ лей напряжений вокруг выработок можно пользоваться известны­ ми решениями соответствующих задач механики деформируемого тела для различных конфигураций горных выработок и для раз­ личных случаев действия геодинамических напряжений сжатия (растяжения) и сдвига (Ж- С. Ержанов, 1964; Ж. С. Ержанови др., 1969, 1975; Айзаксон, 1961; Г. Н. Савин, 1974, 1968; А. Н. Динник, 1957; Г. Нейбер, 1947).

И з м е н е н и е г е о с т а т и ч е с к и х п о л ей н а п р я ж е н и й . Эта проблема стала актуальной в связи с освоением подземного пространства в пределах больших городов — строительством мет­ рополитенов, разного рода коллекторов и коммуникаций, а также строительством промышленных и гражданских сооружений на под­ рабатываемых территориях. Изменение геостатических полей на­ пряжений, вызванное подземными выработками на небольшой глубине, носит более сложный характер, чем на большой, так как на небольшой глубине на характер этих изменений существенное влияние оказывает близость земной поверхности. Традиционные методы оценки напряженного состояния вокруг горных выработок на большой глубине в этом случае неприменимы.

Наиболее важной проблемой здесь следует считать оседание земной поверхности, что приводит к сдвигающим и растягивающим напряжениям в наземных сооружениях и в конечном итоге к пере­ напряжениям и недопустимым деформациям, вплоть до аварий. Поэтому остановимся в основном на этом вопросе.

Прогнозирование оседания земной поверхности при проходке горных выработок на небольшой глубине может быть осуществле­ но как с учетом собственного веса, так и без него.

Однако при небольшой глубине горной выработки собственный вес массива.горных пород является определяющим при образова-

Грандиозные по объему и катастрофически развивающиеся оползни, обвалы, селевые потоки, прошедшие в текущем столетии

вразных странах, привели к огромному материальному ущербу и гибели людей. Оползень, образовавший в 1911 г. Сарезское озеро на Памире, имел объем 2,2 млрд, м3; оползень в долине р. Войонт

вИталии, приведший к гибели людей и огромному материальному ущербу, имел объем 250 млн. м3; оползневые массы в осадочных породах в районе гидроузлов на р. Вахш в Таджикистане имеют общий объем 300 млн. м3; Атчинский оползень в долине р. Ангрен, образовавшийся вследствие подземной разработки угольных пла­

стов путем выжигания, имеет объем порядка 600—700 млн. м3 (Р. А. Ниязов, 1976).

Перечисленные и многие другие современные оползни пред­ ставляют, по-видимому, закономерное проявление экзогенных геомеханических процессов, которые следует ожидать в горно-складча­ тых областях, и, значит, их необходимо прогнозировать с целью предотвращения опасных последствий, а также для разработки мер по стабилизации склонов.

Надо отметить, что крупные оползни внешне имеют много об­ щего с формами, являющимися следствием тектонических движе­ ний. К ним относятся различные типы разрывных нарушений, ко­ торые вызываются оползнями и внешне напоминают дизъюнктив­ ные дислокации: сбросы, сдвиги, надвиги. Поэтому проблема изу­ чения и прогноза оползней, обвалов и селевых потоков по сложно­ сти и практическому значению становится соизмеримой с пробле­ мами тектонофизики и прогноза землетрясений.

Вместе с тем множество типов оползневых склонов различает­ ся строением и составом пород, размерами и формой, глубиной захвата и геометрией поверхности скольжения, что затрудняет создание единой теории прогнозирования динамики развития опол­ зневого процесса в пространстве и во времени. Поэтому в каждом конкретном случае следует выбрать расчетную схему, отвечающую механизму данного оползневого процесса и учитывающую основ­ ные оползнеобразующие факторы. Такой метод прогнозирования яв­ ляется детерминированным.

При стохастическом методе прогнозирования полагают, что оползневый процесс многообразный и многофакторный и, следова­ тельно, случайный. Это верно только в тех случаях, когда случай­ ные факторы (сейсмика, паводки и т. п.) являются определяющи­ ми для данного типа оползня. В большинстве же случаев оползне­ вый процесс детерминированный, осложненный, однако, случайны­ ми составляющими (например, геометрия трещин в скале, измене­ ние напора в водоносных горизонтах, ошибки в определении свойств пород и т. п.). Наличие таких случайных факторов огра­ ничивает степень обоснованности и достоверности прогнозирования оползневого процесса и делает его, вообще говоря, только вероят­ ным. В связи с этим правильнее говорить не об однозначном про­ гнозе показателей оползневого процесса, а о вероятных пределах их изменений (Е. П. Емельянова, 1972).

В этом разделе остановимся только на детерминированном ме­ тоде, полагая, что случайные факторы могут быть учтены путем наиневыгодиейшего их сочетания в расчетной схеме. Наиболее важ­ ными вопросами прогноза оползневого процесса для инженерной практики являются устойчивость и деформируемость склонов.

В первом случае инженер должен выявить следующее: I) вероят­ ность потери устойчивости склона и образования катастрофическо­ го «оползня; 2) объем единовременно смещающейся оползневой массы; 3) время оползневого смещения; 4) скорость оползневого смещения и характер ее изменения во времени.

Во втором случае необходимо: 1) установить, в каком напря­ женном состоянии находится склон и какова вероятность перерас­ пределения напряжений; 2) выявить механизм оползневого про­ цесса и выделить оползневые факторы на основе анализа напря­ женного состояния; 3) оценить величины и направления оползне­ вых смещений и их скоростей во времени.

Вообще говоря, деление склонов на устойчивые и неустойчивые условно, если учитывать фактор времени. Устойчивый в короткий промежуток времени склон может стать неустойчивым по истече­ нии длительного времени. С практической точки зрения целесооб­ разно рассматривать кратковременную и длительную устойчивость склонов, так как в различных случаях ставятся разные требования относительно длительности их существования. Это позволяет при­ нимать более экономичные решения для склонов, не рассчитанных на длительное существование.

Оценка кратковременной и длительной устойчивости естествен­ ных склонов, как правило, связана со строительством и эксплуата­ цией инженерных сооружений. Для обеспечения устойчивости и нормальных условий эксплуатации сооружений, взаимодействую­ щих с оползневыми склонами, необходимо оценить устойчивость данного склона с учетом оползнеобразующих факторов.

Кратковременная устойчивость естественных склонов. Оценка кратковременной устойчивости склонов заключается в определе­ нии коэффициента устойчивости приближенными и точными мето­ дами механики грунтов: 1) метод заданных поверхностей скольже­ ния (Н. Н. Маслов, 1968; Н. А. Цытович, 1963, и др.); 2) определе­ ние критических нагрузок и геометрических параметров склона методами теории предельного равновесия (В. В. Соколовский, I960). Наряду с этим в последнее время для оценки кратковремен­ ной устойчивости определяют напряженное состояние склона, пользуясь методами теории линейно деформируемой среды (3-й ме­ тод) (3. Г. Тер-Мартиросян, Д. М. Ахпателов, 1969, 1972; Н. А. Цы­ тович и др., 1977; В. В. Семенов, 1973). Для оценки кратковремен­ ной устойчивости при этом пользуются коэффициентом прочности пород в точке [в формуле (3.16)], что позволяет выделить оползне­

вые очаги.

Первый метод универсален и широко применяется в инженер­ ной практике. Предположение о круглоцилиндрической форме по­ верхности скольжения в первом методе во многих случаях оправ­

дано. Действительно, анализ напряженного состояния массивов горных пород с криволинейной поверхностью показал, что на скло­ новых частях Д О Л И Н И гор поверхности Tmax = const И Т ) = const близ­ ки к круглоцилиндрическим (см. рис. 3.3, 3.13, 3.14, 3.15). В то же время на произвольно проведенной поверхности скольжения каса­ тельные и нормальные напряжения, определенные приближенным

методом и на основании те­ ории упругости, существен­ но отличаются (рис. 3.25). Однако сравнение коэффи­ циентов устойчивости, опре­

что они почти совпадают и соответственно равны 1,49 и 1,59. Таким образом, метод круглоцилиндрических по­ верхностей дает достаточно удовлетворительную для практики точность при опре­ делении коэффициента ус­ тойчивости.

Вместе с тем для анали­ за состояния устойчивости и

пологих склонах существуют также более сложные поверхности у основания крутых откосов.

Второй метод менее универсален, так как предполагает, что массив находится в предельном состоянии, которое трудно дости­ жимо.

Третий метод также ограничен в связи с наличием в оползне­ вом массиве локальных зон предельного состояния. Лишен этих недостатков метод оценки кратковременной устойчивости склонов, основанный на теории нелинейно деформируемых сред и разрабо­ танный для расчетов высоких земляных плотин (Ю. К. Зарецкий, 1978; А. Л. Крыжановский, 1977; А. Л. Гольдин, 1976, и др.).

Длительная устойчивость естественных склонов. Оценка дли­ тельной устойчивости склонов по деформациям связана с расчета­ ми величин оползневых смещений и скоростей их развития во вре-

мени на основе напряженного состояния и теории ползучести гор­ ных пород [см. формулы (3.17д) и (3.17е)]. При этом необязатель­ но, чтобы в склоне отсутствовала поверхность скольжения. Наобо­ рот, наличие поверхностей скольжения в значительной степени облегчает задачу прогноза оползневых смещений во времени, так

Рис. 3.26. Пример расчета напряженного состояния горного массива с криво­ линейной поверхностью. Изолинии коэффициентов прочности т]п рассчитаны по формуле (3.16) на ЭВМ для следующих параметров:

как они локализуются вокруг этой поверхности и легко могут быть описаны уравнениями вязкого или вязкопластического течения [см. ниже уравнение (4.118)]. Конечно, в этом случае предполагается, что по всей поверхности скольжения сопротивление сдвигу моби­ лизовано полностью.

Очевидно, что в наиболее общем случае сопротивление сдвигу по потенциальной поверхности скольжения устойчивого склона

мобилизуется не полностью и не на всех ее участках. Это приводит к непрерывному перераспределению напряжений в оползневом склоне в пространстве и во времени. В случае ограниченных раз­ меров зон, где полностью мобилизовано сопротивление сдвигу, можно пользоваться упругими решениями для определения напря­ женного состояния, а для определения деформаций, смещений и скоростей их развития во времени — формулами (3.17), (3.17д) и (ЗД7е).

В настоящее время прогнозирование длительной устойчивости склонов в общепринятом смысле этого термина затруднительно, тем более для природных склонов. Провести аналогию между фор­ мированием длительной прочности образцов грунта и длительной устойчивости склонов нам не представляется возможным, хотя такие попытки и имеются. Определение времени до разрушения откосов и склонов обосновывается известными результатами реоло­ гических испытаний глинистых грунтов. С. С. Вяловым (1955) и М. Н. Гольдштейном (1957) было высказано предположение, что разрушение грунта наступает тогда, когда накопление пластиче­ ской деформации сдвига у р достигает некоторого постоянного пре­ дела уркр, превышение которого ведет к разрушению, т. е. уркр является константой для грунта. Однако последующие исследова­ ния показали, что величина уркр зависит от времени до разруше­ ния tp по экспоненциальной зависимости. Кроме того, было уста­

новлено, что произведение скорости деформации у на время до

разрушения также является постоянной величиной, т. е. y^p=const. Это условие вытекает из первого, так как величину деформации установившейся ползучести всегда можно определить таким об­ разом.

Результаты лабораторных испытаний, полевых наблюдений и крупномасштабных экспериментов показали также справедливость следующих предположений (С. С. Вялов, 1978): зависимость меж­ ду временем до разрушения tp и скоростью деформации представ­

ляется возможным принимать в виде lg tv= \g c + b lg y или tv ==cfyb (где c=const). Значение b колеблется в пределах от 0,92 до 1,08

(С. С. Вялов, 1978), поэтому можно считать, что tp=cjy. Величина с, по данным М. Сиато, равна 0,023, а по У. Финну — 0,017, т. е. из­ меняется в небольших пределах. Однако вряд ли она постоянна для всех видов грунтов.

для установившейся ползучести с момента нагружения до момен­ та разрушения. Однако малые изменения позволяют распростра­ нить последние условия на общий случай ползучести, полагая, что отсчет времени идет с момента начала установившегося течения iT.

т. е. у=ут = const или tp—ir =c[y. Если же стадия течения явно не выражена, то можно исходить из минимальной скорости ползуче­ сти, соответствующей моменту to (С. С. Вялов, 1978).

ростью показали, что принцип постоянства ytp=const сохраняется. Однако использование этих теорий для прогнозирования време­ ни до разрушения оползневых склонов нам представляется затруд­ нительным, так как механизм разрушения грунтовых образцов, ис­ пытываемых при заданных режимах нагружения в условиях одно­ родного напряженного состояния и допускающих полный конт­

роль, совершенно отличен от механизма разрушения массива. Действительно, разрушение склона означает, что в нем завер­

шен процесс формирования поверхности скольжения и сопротивле­ ние сдвигу по всей этой поверхности мобилизовано полностью. До тех пор пока поверхность скольжения не сформирована и на отдельных ее участках сопротивление сдвигу не мобилизовано пол­ ностью, склон будет находиться в устойчивом состоянии. Это озна­ чает, что сумма касательных напряжений на поверхности скольже­ ния уравновешивается суммой сопротивления сдвигу грунта на этой поверхности:

где Li и 1г — участки интегрирования по потенциальной поверхно­ сти скольжения, где сопротивление сдвигу грунта мобилизовано полностью и частично; сдл, срдл»Смгн» фмгн— параметры длительной и мгновенной прочности грунта на поверхности скольжения; г|у — коэффициент устойчивости; pw— пбровое давление.

Очевидно, что коэффициент устойчивости % достигнет единицы тогда, когда по всей поверхности сопротивление сдвигу будет моби­ лизовано полностью, что может произойти как вследствие увеличе­ ния порового давления, так и вследствие изменения соотношения длины L 1/L2. Чем больше это отношение, тем меньше коэффициент устойчивости, и наоборот. Однако определение коэффициента устойчивости таким образом встречает серьезные трудности, так как определение Lx и L2 связано с решением сложнейшей упругопластической'задачи.

В случае склона бесконечной длины условие (3.34) упрощается:

(3 -3 4 а )

Это означает, что бесконечный склон (наклоненный пласт на жестком основании) может сползать, когда действующие касатель­ ные напряжения превысят предел длительной прочности или поровое давление на контактной поверхности увеличится до критических значений. При этом скорость смещения будет зависеть от вязкого сопротивления глин сдвигу.

Механизм формирования поверхностей скольжения в простран­ стве и во времени и наступление моментов разрушения склонов бу-

дут зависеть не только от закономерностей разрушения образцов во времени, но и от напряженно-деформированного состояния склона, обусловленного его геометрией, составом и строением и другими оползнеобразующими факторами. Для оценки длительной устойчивости склонов и откосов исследование закономерностей разрушения образцов во времени необходимо, но недостаточно.

Длительная устойчивость естественных склонов может быть рас­ смотрена с позиции переработки их рельефа вследствие эрозии в течение длительного времени. В этом случае изменение крутизны природных склонов обусловливает увеличение градиентов каса­ тельных напряжений, образование зон пластического течения в основании склона (глубинной ползучести, по Г. И. Тер-Степаняну)

ив конечном итоге формирование поверхности скольжения и раз­ рушение склона. На рис. 3.27 показан характер изменения изоли­ ний максимальных касательных напряжений и коэффициентов прочности горных пород в массиве при различных формах рельефа

иих трансформации вследствие изменения первоначальной формы рельефа. Как видно из рисунка, с увеличением крутизны откоса зона концентрации максимальных касательных напряжений и объ­ ем массива, находящегося в неустойчивом состоянии, увеличива­ ются. Эти примеры рассмотрены нами на основе решения задач, приведенных в предыдущем параграфе.

Устойчивость оснований и бортов котлованов. Принципиальное

отличие этих задач от рассмотренных в предыдущем пункте заклю­ чается в том, что формирование оползневого процесса начинается с момента начала работ и в зависимости от их интенсивности и масштабов может иметь различный характер и направленность во времени.

Кратковременная устойчивость оснований и бортов глубоких карьеров и котлованов под сооружения, а также откосов, отвалов и земляных плотин может быть оценена традиционными методами механики грунтов. Однако для точных расчетов устойчивости целе­ сообразно исходить из напряженного состояния массива на основе решения -соответствующей задачи численным или аналитическим методом. На рис. 3.17 и 3.18 показаны некоторые результаты реше­ ний по определению напряженно-деформированного состояния в основании и бортах выемки. Поскольку в таких случаях склоны и откосы являются молодыми (по сравнению с природными), то про­ цесс формирования полей напряжений и деформаций в них, как правило, не завершен и следует учитывать возможность возникно­ вения избыточного порового давления вследствие дополнительных напряжений. Для рассеивания порового давления в молодых скло­ нах и в их основаниях иногда требуется значительное время. По­ этому при оценке кратковременной устойчивости целесообразно исходить из условия «закрытой системы», полагая, что дополни­ тельное поровое давление соответствует начальному значению.

В инженерной практике для оценки кратковременной устойчи­ вости можно поступать также следующим образом. Не учитывать поровое давление, так как его определение связано с большими