ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА УДК 625.72 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА

Е.Б. Угненко, профессор, д.т.н., О.Н. Тимченко, аспирант, ХНАДУ

Аннотация: Рассмотрены методы исследования напряженно-деформированного состояния пород оползневого склона, а также методы исследования инженерно-геологических свойств пород, слагающих оползневый склон. Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, оползневый склон, прочностные и деформационные свойства, геологические свойства пород.

АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПОРІД ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНОГО СХИЛУ

Є.Б. Угненко, професор, д.т.н., О.М. Тимченко, аспірант, ХНАДУ

Анотація. Розглянуто методи дослідження напружено-деформованого стану порід зсуво-небезпечного схилу, а також методи дослідження інженерно-геологічних властивостей порід, які складають зсувонебезпечний схил. Ключові слова: напружено-деформований стан, зсувонебезпечний схил, міцні та деформаційні властивості, геологічні властивості порід. ANALYSIS OF EXISTING METHODS OF STUDY OF STRAIN-STRESS STATE OF

ROCKS ON SLIP SLOPE

Ye. Ugnenko, Professor, Doctor of Technical Science, O. Tymchenko, Postgraduate student, KhNAHU

Abstract. The methods for analysis of strain-stress state of rocks on slip slope as well as the methods of study of engineering and geological properties of rocks that compose the slip slope are considered. Key words: strain-stress state, slip slope, strength and deformational properties, geological properties of rocks.

Введение

В настоящее время в связи с интенсивным народнохозяйственным освоением значи-тельных территорий все большее значение приобретают инженерно-геологические иссле-дования экзогенных геологических процессов, среди которых особое место занимают ополз-невые. Оползневые процессы являются самы-ми распространенными и в то же время наиболее сложными, длительными и много-факторными, причиняющими народному хозяйству огромные убытки.

В последние годы накоплен значительный опыт проведения стационарных режимных исследований оползней. В то же время стационарное изучение режима оползней остается одной из наиболее важных и трудных проблем.

Анализ публикаций

Исследования динамики оползней неразрыв-но связано с изучением напряженного состояния пород оползневого склона [1]. Ха-рактер распределения напряжений в масси-

Автомобильный транспорт, вып. 26, 2010 119

вах горных пород должен учитываться и при характеристике их прочностных и деформа-ционных свойств. В настоящее время уста-новлено, что взаимоотношение напряжений и смещений зависит от геологических свойств пород [2]. Большой опыт изучения естественных напряжений в скальных поро-дах накоплен в горном деле как в нашей стране, так и за рубежом. Среди зарубежных исследований большой интерес представля-ют работы Н. Хаста (Швеция), А.Э. Шайдег-гера (США), А.В. Скеиптона (Англия), Л. Мюллера (Германия), П.Н. Панюкова, Г.С. Золотарева, Г.И. Тер-Степаняна, В.Д. Лом-тадзе (Россия).

Цель и постановка задачи

Цель работы – проведение анализа сущест-вующих методов исследования напряженно-деформированного состояния пород ополз-невого склона, а также методов исследования инженерно-геологических свойств пород, слагающих оползневой склон. Полученные в результате наблюдений количественные характеристики необходимы для обоснова-ния и выбора рентабельных противоополз-невых мероприятий, а также для прогнози-рования оползней. Такими характеристиками являются данные о механизме и динамике процесса, об инженерно-геологических свойствах пород, слагающих оползень, и изменении этих свойств в зависимости от влияния различных факторов, данные об изменении напряженного состояния внутри оползневого массива. Анализ вышеперечис-ленного вместе с изучением оползнеобра-зующих факторов позволяет понять сущ-ность оползневого процесса, выяснить основные геологические закономерности его развития.

Методы изучения напряженно-деформированного состояния пород

оползневых склонов

Метод повторной трещинной съемки являет-ся косвенным методом изучения напряжен-но-деформированного состояния горных по-род на оползневом склоне. Характер и тип оползневых трещин позволяет говорить о развитии различного рода напряжений – сжа-тия, растяжения и сдвига. При повторном изучении трещин представляется возможным судить о распределении напряжений в скло-не во времени на различных стадиях его раз-вития.

Электроразведочные методы основаны на зависимости электрических свойств пород от изменения напряженного состояния массива горных пород. Основными факторами, влия-ющими на электропроводность оползневых пород, являются состав, структурно-текс-турные особенности и влажность. Гидроло-гические условия должны быть стабильными во времени, чтобы можно было выявить влияние деформаций на электропроводность [1]. Использование параметров анизотропии по-зволяет избежать влияния гидрогеологиче-ского фактора и рассматривать величину и направление большой оси эллипса анизотро-пии с преимущественным ориентированием трещиноватости, т. е. с развитием оползнево-го процесса. При этом могут быть два вари-анта исследования: 1) определение направ-ления оползневого процесса и оконтуривание зон сжатия и растяжения, 2) режимные наблюдения за развитием оползневого про-цесса.

( )E E fϕ γ = ϕ , (1)

где ;U U

E EMN MN

ϕ γϕ γ

ϕ γ

∆ ∆= = ; (2)

Еφ и Еγ – азимутальная и радиальная состав-ляющие напряженности электрического по-ля; ∆Uφ и ∆Uγ – разности потенциалов, изме-ренные с помощью приемных линий MNφ и MNγ; φ – азимут наблюдения. Величина степени анизотропии К и коэффи-циент анизотропии λ определяется по мето-дике Н.М. Варламова. Результаты измерений величины К, среднеарифметические значе-ния ρК, полученные в каждой точке, наносят-ся на план и строятся карты изоом и пара-метра К. Во втором случае измерения выполняются по той же методике в закрепленных точках еже-дневно или с определенным интервалом. В каждой точке режимных наблюдений оп-ределяется среднеарифметическая величина ρК, степень анизотропии К и направление главных осей анизотропии. Результаты режимных наблюдений предла-гается оформлять в виде следующих зависи-мостей:

Автомобильный транспорт, вып. 26, 2010

120

( ); ( )кa кн a нf t K K f tρ ρ = = или lg( ) ( )a нK K f t= (3)

где ρкн и Кн – начальные значения измеряе-мых параметров; ρка и Ка – текущие значения параметров; t – календарное время в днях. Достоинством рассмотренного метода элек-троразведки является возможность фиксиро-вать изменения, происходящие в породах на стадии подготовки к смещению, а также вы-делить и оконтурить наиболее оползнеопас-ные участки, что невозможно сделать тради-ционными методами. Ограничение примене-ния метода связано с тем, что результаты искажаются при пересеченном рельефе зем-ной поверхности, при наличии неоднород-ных по составу горных пород, смятых в складки, и из-за технических помех, возбуж-дающих электрические токи как на поверх-ности, так и в глубине.

Методы исследования инженерно-геологических свойств пород, слагающих

оползневой склон

При исследованиях оползней особое внима-ние уделяется породам, слагающим оползне-вой склон, свойства которых являются важ-нейшим фактором образования оползней. Методам исследования инженерно-геоло-гических свойств пород придается большое значение как нашими, так и зарубежными учеными [2]. В последнее время широко применяются по-левые методы испытания пород. В горно-складчатых областях (Крым, Карпаты) боль-шое количество крупнообломочных включе-ний в оползневых отложениях во многих случаях исключает применение обычных ла-бораторных методов для изучения прочност-ных и деформационных свойств пород. Стандартные лабораторные приборы исполь-зуются здесь для исследования песчано-глинистого заполнителя, а при испытаниях пород применяются крупногабаритные при-боры и специальные методики.

Испытания методом выпирания

Метод основан на выпирании призматиче-ского блока породы под действием горизон-тальной нагрузки, приложенной к его боко-вой вертикальной стенке, отделенной от мас-сива прямоугольной выемкой и прорезями.

Размер вертикальной ступени 0,35-0,5 м, ши-рина призмы 1,0-1,5 м. Высота стенки приз-мы должна не менее, чем в 5 раз превышать размер наиболее крупных включений. Высо-та выпираемого массива 0,8-1,0 м. Ширина прорезов, заполненных перемятым грунтом, 0,05-0,1 м. После проходки шурфа и подготовки призмы вертикально (по отвесу) устанавливаются неподвижная и подвижная стенки, между которыми строго горизонтально устанавли-ваются домкраты с динамометрами. Гори-зонтальное давление передается до тех пор, пока не произойдет сдвиг. Этот момент соот-ветствует сдвигающему усилию Qmax. Далее испытания продолжается до выпирания призмы по поверхности скольжения на вели-чину 0,08-0,1 ширины призмы, после чего фиксируется усилие Qmin. После окончания испытаний обнажается по-верхность скольжения, в трех плоскостях замеряются ее координаты и вычисляются средние значения. В случае, когда координа-ты поверхности скольжения не удается заме-рить, форма ее принимается как круглоци-линдрическая. На миллиметровой бумаге в выбранном масштабе строится сечение сдви-нутой призмы, которое разбивается на ряд блоков в зависимости от размеров и формы поверхности скольжения. Массу блоков g вычисляют по формуле

1000

o fg γ ⋅= , (4)

где γо – средняя плотность породы, кг/см3; f – площадь блока, см2. Условие предельного равновесия имеет сле-дующий вид:

1 1

1

1 1

cos sin

tg ( sin

cos ) ,

П П

п п п п

П

п п

П П

п п п

P g gG

P gG

g C l

⋅ α − ⋅ α =

= ϕ ⋅ α +

+ ⋅ α +

∑ ∑

∑

∑ ∑

(5)

где Р – усилие сдвига, отнесенное к данному

блоку и равное max 1 смQS⋅ ; S – ширина приз-

мы; 1 2 ... nG g g g= + + + ; tgφ – коэффициент

Автомобильный транспорт, вып. 26, 2010 121

внутреннего трения; С – удельное сцепление; nl – длина дуги поверхности скольжения в пределах блока; α – угол наклона блока в градусах. Удельное сцепление определяют по разности усилий сдвига Р и перемещения Р1

1

1

П

n

P PCl

−=∑

, (6)

где min1

1смQPS⋅

= .

Путем подстановки найденного значения С в уравнение равновесия находят tgφ. Испытания методом обрушения целиков

пород

Метод основан на последовательном обру-шении нескольких целиков породы верти-кально приложенной нагрузкой. Целики представляют собой призмы с отношением основания призмы к высоте не менее 1,5. Обычно применяются размеры призмы 0,4х0,4х0,8 м. На призму устанавливают штамп, затем дом-крат, упирающийся в горизонтальную раму. Обрушение каждой призмы производят с фиксацией разрушающей нагрузки. После обрушения призмы обнажается поверхность скольжения, координируется и строится кри-вая, призма разбивается на блоки и составля-ется уравнение равновесия [3]. Для выделенных сечений первой и второй призм обрушения уравнения равновесия имеют следующий вид:

1 1 1

'2 2 2

1 1 1

1 1 1

;

,

n n n

n n n

m m m

m m m

T tg N T

T tg N T

= ϕ +

= ϕ +

∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ (7)

где n1 и m2 – соответственно число отсеков в 1-й и 2-й призмах обрушения; tgφ – коэффи-циент внутреннего трения. После подстановки действующих при обру-шении усилий условия предельного равнове-сия каждой из призм представляется сле-дующими уравнениями:

1 1

2 2

1

2

;

,n n

m m

A tg B C F

A tg B C F

= ϕ⋅ + ⋅

= ϕ ⋅ + ⋅ (8)

где

1 11 11 1 1 1

1 1 11

( ) sin .....( ) sin ;n

n n nn nA T P g P g= = + ⋅ α + + ⋅ α∑

1 11 11 1 1 1

1 1 11

( ) cos .....( ) cos ;n

n n nn nB N P g P g= = + ⋅ α + + ⋅ α∑

F1 и F2 – площади поверхностей скольжения первого и второго целиков; 1n

P – вертикаль-

ное давление, приходящееся на каждый от-сек;

1ng – масса каждого отсека. Решая систему двух уравнений, представ-ленных условиями предельного равновесия каждого обрушения цикла, получают показа-тели сдвига С и φ.

Выводы

Изучение геологических свойств пород пред-ставляет большой интерес для оценки устой-чивости склона и прогнозирования оползне-вого процесса. Напряженно-деформирован-ное состояние пород, вовлеченных в ополз-невый процесс, меняется под длительным воздействием напряжений. Основными пока-зателями механических свойств пород явля-ются значения деформационных и прочност-ных характеристик. Данные лабораторных исследований геологических свойств пород экстраполируются на сроки, во много раз превышающие продолжительность испыта-ний.

Литература

1. Рудько Г. И. Инженерная геодинамика За-падной Украины и Молдовы : моногр. / Г. Рудько, В. Осиюк. – Львов : «МАКЛАУТ», 2007. – 808 с.

2. Гулакян К.А. Инженерно-геологическое прогнозирование экзогенных геологиче-ских процессов / К.А. Гулакян, В.В. Зуев // Гидрогеол., инж. геология : Обзор МГП «Геоинформмарк». – 1992. – Вып. 3. – С. 9–11.

3. Золотарев Г.С. Методика инженерно-гео-логических исследований / Г.С. Золота-рев. – М. : МГУ, 1990. – 384 с.

Рецензент: В.И. Клименко, профессор, к.т.н., ХНАДУ. Статья поступила в редакцию 29 марта 2010 г.

Автомобильный транспорт, вып. 26, 2010

122