Исследование механизма оползневого процесса в слоистой среде с учетом деформируемости слагающих пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Путикова, Мария Олеговна

• Путикова, Мария Олеговна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Путикова, Мария Олеговна

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы изучения механизма оползневых деформаций в склонах и откосах.

1.1 Общие сведения и краткий обзор истории изучения оползневых явлений с начала XIX века по середину XX века.

1.2 Третья четверть XX века. Проблемы устойчивости откосов глубоких карьеров.И

1.3 Конец XX века. Проблема длительной устойчивости откосных сооружений и поведения различных пород в оползневом процессе.

1.4 Выводы по 1 главе и постановка задач исследований.

Глава 2. Инженерно-геологическая характеристика опорных объектов исследований.

2.1 Общие положения.

2.2 Техногенные откосы:

Лебединское железорудное месторождение КМА.

Михайловское железорудное месторождение КМА.

Оползни на карьерах Никопольского марганцевого бассейна.

Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария).

2.3 Естественные склоны:

Саблинский полигон. Оползневые явления на берегах pp. Саблинки и Тосны.

Правый оползневой берег р. Дунай (г. Оряхово, Болгария) 2.4 Выводы по 2 главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования деформаций сдвига грунтов.

3.1 Постановка задач и обоснование схемы экспериментов.

3.2 Характеристика исследованных пород.

3.3 Анализ результатов. Классификация пород по степени компетентности.

3.4 Выводы по 3 главе.

Глава 4. Пример оценки длительной устойчивости откосов с учётом деформационного поведения слагающих пород.

Введение.

4.1 Построение инженерно-геологической модели и выбор расчётной схемы.

4.2 Определение расчётных показателей.

4.3 Выбор метода расчёта.

4.4 Результаты расчёта длительной устойчивости откосов.

4.5 Рекомендации по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга на слоистых склонах и откосах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизма оползневого процесса в слоистой среде с учетом деформируемости слагающих пород»

Негативное влияние оползневых явлений, происходящих на естественных склонах и искусственных откосах, по величине социально-экономического ущерба, наносимого природе и обществу, сравнимо с действием землетрясений, вулканических извержений и наводнений. Согласно статистическим данным, по числу людей, погибших от различных опасных геологических и других природных процессов в России с 1963 по 1992 г., оползни и обвалы занимают второе место после наводнений (21% от общего числа жертв); а по сумме экономических потерь оползни и обвалы находятся на 4-ом месте после процессов эрозии, подтопления территорий и наводнений (около 11%). Судя по количеству катастрофических ситуаций, связанных с нарушениями устойчивости массивов горных пород, можно утверждать, что надёжность и достоверность их прогнозирования не удовлетворяют современным требованиям.

Актуальность диссертационной работы. Необходимой теоретической основой прогноза оползневого процесса служит выявление его механизма для установления связи между физической природой этого процесса и применяемым при его моделировании математическим аппаратом. Однако многие исследователи (К. Терцаги, JI. Бьеррум, К. Заруба, А. Скемптон, Ф.П. Саваренский, В.Д. Ломтадзе, Н.Н. Маслов, Г.И. Тер-Степанян, Е.П. Емельянова, Г.С. Золотарёв, Г.Л. Фисенко, М.Н. Гольдштейн, А.Я. Будин, В.В. Кюнтцель, Г.П. Постоев, А.Л. Рагозин, И.П. Иванов и др.) отмечают недостаточную изученность механизма и динамики деформирования приоткосных массивов, что ведёт к неправильному выбору и применению расчётных методов оценки их устойчивости.

Одним из самых сложных объектов для прогнозирования является горный массив, неоднородный по своему геологическому строению. Широкое распространение инсеквентных оползней обуславливает практическую заинтересованность в дальнейшем совершенствовании методов их прогнозирования.

Цель работы - повышение достоверности и надёжности прогнозов длительной устойчивости природных склонов и техногенных откосов на основе анализа специфики совместного деформирования слагающих пород с учётом их деформационных характеристик при сдвиге.

Основные задачи исследований: 1) анализ имеющейся информации по изучению и прогнозированию оползневых явлений на склонах и откосах в условиях техногенеза; 2) исследование механизма развития оползневого процесса в неоднородной слоистой толще; 3) экспериментальные исследования компетентности горных пород с позиций её влияния на оползневой процесс; 4) выявление закономерностей деформирования пород в зависимости от их состава, свойств и физического и напряжённого состояний.

Методика исследований. При выполнении работы применялись лабораторные методы изучения сопротивления сдвигу глинистых пород, аналитические методы оценки и прогноза устойчивости склонов и откосов, естественно-исторический анализ оползневых процессов; использовались результаты физического и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1) установлен механизм разрушения компетентных и некомпетентных слоёв при совместном деформировании; 2) обоснован новый способ прогноза длительной устойчивости склонов и откосов в случае потенциальных инсеквентных оползней на базе выявленного механизма деформирования слоистой среды; 3) теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены количественные критерии оценки компетентности горных пород в оползневом процессе; 4) разработана классификация горных пород по степени их компетентности, определяемой при помощи предложенных количественных показателей.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Длительная устойчивость природных склонов и техногенных откосов определяется деформационным поведением слагающих их пород в течение всего периода формирования поверхности скольжения, когда породы на разных её участках находятся в различных (допредельном, предельном и запредельном) состояниях. Длительная устойчивость откосов и длительная прочность слагающих их пород не всегда взаимообусловлены.

2. Инсеквентные оползни в различных инженерно-геологических условиях характеризуются общим механизмом поочередного разрушения пород, имеющих хрупкий либо пластичный характер деформирования. Деформационные особенности пород зависят от их состава, структурных связей и степени литификации, а в склонах и откосах ещё и от их напряжённо-деформированного состояния.

3. Степень компетентности глинистых пород можно оценить с помощью двух количественных показателей, определяемых при исследовании сопротивления сдвигу. По значениям этих показателей глинистые породы подразделяются на 4 группы.

4. В результате прогнозирования длительной устойчивости склонов и откосов с учётом влияния компетентности слагающих пород установлено, что в различных геологических условиях их коэффициент устойчивости уменьшается на 10-30 % и более.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обуславливается большим объёмом теоретических и экспериментальных исследований, а также анализом реальных опасных ситуаций на конкретных объектах (оползневых склонах и откосах, где проводились детальные инженерно-геологические исследования).

Практическая значимость работы:

Предложенная методика изучения деформационных кривых сдвига и учёта характера этих кривых повышает точность и надёжность расчётов при определении коэффициента длительной устойчивости природных склонов и искусственных откосов.

Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы в инженерных прогнозах, осуществляемых с учётом степени компетентности различных пород.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на рассмотрение Всероссийского молодёжного научного Форума «Интеллектуальный потенциал России - в XXI век» (Санкт-Петербург, 1995 г.), ежегодных научных конференций студентов и молодых учёных СПбГГИ (ТУ) им. Плеханова - «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 24-25 апреля 1996 г. и 23-24 апреля 1997 г.), XI Российской конференции по механике горных пород (с иностранным участием) (Санкт-Петербург, 1997 г.) и Международного Симпозиума «Инженерная геология и охрана окружающей среды» (Афины, Греция, 23-27 июня 1997 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) им. Г.В. Плеханова.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю зав. кафедрой инженерной геологии, д. г.-м.н., проф. И.П. Иванову за постоянное деятельное внимание к работе, д. г.-м.н., проф. Р.Э. Дашко за полезные советы по существу работы, а также всем сотрудникам кафедры ИГ за помощь во время подготовки диссертации. Автор особенно признательна доц. каф. МВТС СПбТУ И.Л. Плечковой и аспиранту каф. ИГ СПбГГИ И.В. Лакову за содействие при выполнении экспериментов, а асс. каф. ПГиФ СПбГГИ В.В. Петрову - за помощь в компьютерном оформлении работы.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение», Путикова, Мария Олеговна

3.4 Выводы по 3 главе.

Исследования, которые были проведены, дают основание выделить в класс:

1) некомпетентных глинистых пород разновидности, которые характеризуются следующими особенностями:

- имеют предельно малую, малую и реже среднюю степень литификации;

- по своему физическому состоянию являются текучими, скрытотекучими, вязкопластичными и реже пластичными грунтами;

- имеют весьма высокую или высокую степень гидратированности;

- имеют плавный, выходящий на постоянное значение ту характер деформационных кривых при сдвиге, причём этот характер определяется природой и видом структурных связей в породе, которые в данном случае являются тиксотропно-коагуляционными (или водно-коллоидными), а по природе - молекулярными и магнитными;

- обычно обладают небольшим трением (ф<20°, а чаще ф<10°).

2) компетентных глинистых пород разновидности, которые характеризуются следующими особенностями:

- имеют предельно высокую, высокую и реже среднюю степень литификации;

- по своему физическому состоянию являются твёрдыми, полутвёрдыми и реже пластичными породами;

- имеют очень малую или малую степень гидратированности;

- их разрушение носит хрупкий характер с проявлением эффекта «пиковой» прочности, что объясняется преобладанием в этих породах жёстких цементационных (кристаллизационно - конденсационных) связей, не восстанавливающихся при сдвиге. По физической природе это ионные и атомные связи.

- всегда обладают высокими значениями сцепления. Что касается углов трения, то для компетентных пород они могут варьировать в широких пределах в зависимости от гранулометрического состава, плотности и влажности.

Возможность перехода одной и той же породы из класса компетентных в класс некомпетентных видна на примере юрских и кембрийских глин, которые в результате набухания, изменения естественного сложения и напряжённого состояния теряли свою компетентность (рис. 3.7). Что касается обратного перехода, то следует отметить, что в лабораторных условиях не удалось повысить компетентность образцов в процессе уплотнения, но только путём создания новых цементационных связей.

Результаты испытаний на сдвиг искусственных смесей.

Заключение

По результатам проведённых исследований можно сформулировать следующие положения:

1. Формирование поверхности скольжения в слоистых откосах происходит скачкообразно в течение всего подготовительного периода. Этот процесс обуславливается изменением напряжённо-деформированного состояния массива и последовательным разрушением в разные промежутки времени отдельных разновидностей пород, характеризующихся разными прочностными и деформационными свойствами.

2. Механизм инсеквентных оползней, происходящих в разных инженерно-геологических условиях, характеризуется рядом общих черт, определяющих динамику и морфологию оползней, а также подход к прогнозу длительной устойчивости сооружения. Специфика механизма деформирования слоистой среды определяется наличием в ней компетентных и некомпетентных слоёв, их мощностью и пространственным положением в склоновом (откосном) массиве.

3. По характеру деформирования при сдвиге породы разделяются на компетентные и некомпетентные. Исследования пород разной степени компетентности показали, что она зависит от состава, видов структурных связей, физического и напряжённого состояний пород и может быть оценена при помощи двух показателей, которые определяются по деформационным кривым сдвига.

4. По предложенным показателям степени компетентности породы разделяются на 4 группы:

-высокой степени компетентности с Кт>0,6 и Ki>0,8 -средней степени компетентности с Кт=0,3-0,6 и К|=0,5-0,8 -низкой степени компетентности с Кт=0,1-0,3 и Kf=0,3-0,5 и некомпетентные с Кт<0,1 и Ki<0,3.

5. Прогноз длительной устойчивости неоднородных склонов и откосов является более точным, если в расчётах показатели сопротивления сдвигу пород выбираются с учётом сравнения деформационных кривых этих пород.

6. На основе определения сдвиговых деформаций пород, допускаемых в неоднородном массиве, можно осуществить управление его длительной устойчивостью.

7. Возможность проведения надёжных и достоверных прогнозов длительной устойчивости склонов и откосов с учётом деформационных особенностей слагающих их пород может быть реализована на основе данных функционирования локального инженерно-геологического мониторинга.

8. Дальнейшие исследования механизма оползневых деформаций в неоднородных склонах и откосах представляют интерес с точки зрения рационального освоения территорий и предупреждения опасных геологических явлений. Дополнительных разработок требуют вопросы определения прочностных показателей пород с учётом характера их деформирования; уточнения и детализации классификации пород по степени компетентности; организации локального литомониторинга на откосных сооружениях и другие важные аспекты затронутой проблемы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Путикова, Мария Олеговна, 1997 год

1. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975.-143 с.

2. Веселков В. И. Изучение ползучести глинистых горных пород при испытании на срез и сдвиг // Сборник трудов ВНИМИ горной механики и маркшейдерского дела. № 70, 1968.- 114 с.

3. Веселков В.И. Никопольский марганцевый бассейн с описанием оползней.// Сборник трудов ВНИМИ горной геомеханики и маркшейдерского дела. №70, 1978. 168 с.

4. Вопросы геологии КМА // Сборник статей / Воронеж, вып.1, 1977.-111 с. вып.2, 1978.-123 с.

5. Вопросы геологии, инженерной геологии и гидрогеологии месторождений КМА // Сборник статей /Под ред. В.И. Терентьева/ М.: Изд-во АН СССР, 1961.-93 с.

6. Вялое С. С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978.-447 с.

7. Гальперин A.M., Стрельцов В.И. Литомониторинг на железорудных карьерах КМА//Инженерная геология, №3 М.:Наука, 1987.-c.3-13.

8. Гальперин A.M., Шафаренко Е.М. Геологические расчеты горнотехнических сооружений. М.: Недра, 1977.-446 с.

9. Геология, минералогия и Инженерная геология КМА // Сборник статей / М., АН СССР,1963.-142 с.

10. Гидрогеологические и инженерно-геологические условия железорудных месторождений КМА/ И.Н. Павлов, С.Г. Прохоров, Г.Г. Скворцов и др./ М.: Госгеолтехиздат, 1959.-272с.

11. ХЪ.Гулакян К.А., Кюнтцель В.В. Классификация оползней по механизму их развития. // Тр. ВСЕГИНГЕО, М.: ВСЕГИНГЕО, 1970, вып. 23, с.109-126.

12. Гулакян К.А., Кюнтцель В.В., Постоев Г.П. Прогнозирование оползневых процессов. М.: Недра, 1977.-157 с.

13. ХЪ.Гуменский Б.М., Комаров Н.С., Воронин М.И. К истории геологических исследований для строительства дорог в России в 1817-1870 гг.//Тр. Инст-та истории естествознания и техники. Т.7. М.: Изд-во АНСССР, 1956, с.3-22.

14. Демин A.M., Шукшина О.И. Напряженное состояние и устойчивость отвалов в карьерах. М: Недра, 1975.-159 с.

15. Емельянова Е.П. Методическое руководство по стационарному изучению оползней. М.: Госгеолтехиздат, 1956.-244 с.

16. Емельянова Е.П. Основные закономерности оползневых процессов. М.: Недра, 1972.-310 с.

17. Ефрон И. И., Митинский А.Н. Механические испытания в целях разведочного дела. //В кн.:Тр. Первого Всероссийского съезда деятелей по практической геологии и разведочному делу. СПб: 1908, с.401-406.

18. Золотова А.В. Указатель литературы по КМА с 1976 по 1983 г.г. Воронеж, 1984.21 .Иванов Д.Л. Исследования в Ставропольской губернии в 1886 г. //Горн, журнал, 1887, т.2, с.453-475.

19. Иванов И.П. Условия деформирования слоистого грунтового массива, / Вестник ЛГУ, 1973. -с.37-43.

20. Иванов И.П. Устойчивость откосов в глинистой слоистой и трещиноватой среде. Дис. докт. г.-м.н.-София: АН Болгарии, 1971.-430с.31 .Иванов И.П. Устойчивость откосов в слоистой среде/ ЛГИ 1970.-8 с.

21. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений.- М.: Высшая школа, 1991.-448 с.

22. Изучение режима оползневых процессов.-М.: Недра, 1982.-255 с.

23. ЪА.Илъин А.И., Гальперин A.M., Стрельцов В.И. Управление долговременнойустойчивостью откосов на карьерах. М.: Недра, 1985.-248с.

24. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия района КМА (применительно к разработке месторождений открытым способом) / под ред. И. В. Попова М.: Изд-во АН СССР, 1960.-168 с.

25. Инженерно-геологические свойства глинистых пород и процессы в них // Выпуск 3 / МГУ, 1973.-145 с.

26. Инженерно-геологический анализ применения противооползневых мероприятий на Черноморском побережье Крыма и Кавказа / под ред. Н.И. Кригера.-М.: Стройиздат, 1976.-233 с.

27. Исследования по геологии, горному делу и обогащению руд КМА/ Под ред. В.И. Терентьева.- М.: Ростехиздат, 1962.-472 с.

28. Комплексное освоение месторождений бассейна КМА // Сборник статей / М., АН СССР. 1990.-147 с.

29. Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Л.: Недра, 1984.-511 с.41 .Малюшицкий Ю.Н. Устойчивость насыпей отвалов, Киев: Будивельник 1975.-173 с.

30. Маслов Н.Н. Изучение режима оползневых процессов . М.: Недра, 1982.-135 с.

31. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними). М., Стройиздат, 1977.-320 с.

32. Материалы совещания по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними/ Орг. Комитет Денисов Н.Я. и др.- Киев: Изд-во Киевского Университета, 1964.-368 с.

33. А1.Месчян С.Р. Реологические процессы в глинистых грунтах с учётом особых воздействий.-Ереван: Айастан, 1992.-395 с.

34. Мироненко В. А., Норватов Ю.А. и др. Обводненность месторождений КМА. Гидрогеологические исследования в горном деле. М., Недра,1976.-352 с.

35. Мироненко В.А., Фисенко Г.Л. Дренаж карьерных полей. М.: Недра, 1972.185 с.

36. Оползни и борьба с ними/под ред. Пантелеева И.Я. Ставрополь:-Ставропольское книжное изд-во, 1964.-450 с.

37. Открытая разработка железорудных месторождений КМА / В.В. Лосицкий, Б.Ф. Грицаев, Т.М. Зоненко и др. М: Недра, 1969.-231с.

38. Павлов А.П. Оползни Симбирского и Саратовского Поволжья// Материалы к познанию России. Вып. 2. М.,1903.

39. Паффенгольц Н.К. Региональная инженерно-геологическая характеристика пород осадочной (надрудной) толщи КМА. -Ереван: Изд-во АН Арм. ССР, 1974. 276 с.

40. Певзнер М.Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах. М., Недра, 1978.-255 с.

41. Писанец Е.П., Мироненко В.А. Водопонижение на карьерах КМА.-М.: Недра, 1968.-135 с.

42. Плетнев А.А., Разоренков В.Ф. Комплекс программ для расчета взаимосвязи между показателями физического состояния и механическими свойствами связных грунтов. М., ВСЕГИНГЕО, ротапринт, сер.229, 1973. 79 с.

43. Проблемы классифицирования склоновых гравитационных процессов/ под ред. Чуринова М.В., М.:Наука, 1985.-204 с.

44. Рогозин КС. Оползни Ульяновска и опыт борьбы с ними.-М.: Изд-во АН СССР, 1961.-149 с.61 .Саваренский Ф.П. Избранные сочинения/под ред. Н.Н. Славянова М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950.-412 с.

45. Сборник научных трудов по проблемам КМА. Ростехиздат, М.,1962. -194с.

46. Сборник трудов по вопросам исследования горного давления и сдвижения горных пород: Сборник 43/ Редколл.: А.Н. Омельченко (отв. ред.) и др./ ВНИМИ.-Л.:1961.- 356с.

47. Славянов В.Н. Инженерно-геологические прогнозы устойчивости откосов. М., Стройиздат, 1964. -155 с.

48. Страус А.Э. Исследование слабых грунтов с помощью дифференциальных бетонных свай, устроенных по способу докладчика. -В кн.: Тр. Первого Всероссийского съезда деятелей по практической геологии и разведочному делу. СПб,1908 г., с.353-356.

49. Теоретические основы инженерной геологии / под ред. Сергеева Е.М. М.: Недра, 1986.-250 с.

50. Тер-Степанян Г.И. и др. Ползучесть грунтов и склонов //Проблемы геомеханики. -Ереван: Изд-во АН Арм. ССР, 1985.-67 с.

51. Тер-Степанян Г.И. Новые методы изучения оползней. -Ереван:Изд-во АН Арм. ССР, 1978.-167 с.

52. Тер-Степанян Г.И. О длительной устойчивости склонов. -Ереван:Изд-во АН Арм. ССР, 1961.-42 с.71 .Тер-Степанян Г.И. Теория прогрессирующего разрушения в грунтовых и скальных средах. -Ереван:Изд-во АН Арм. ССР, 1975.-150 с.

53. И.Терцаги К. Инженерная геология. Берлин, 1929.(в русском переводе J1.-M. Главн.ред.геол.разв. и геодез.лит-ры, 1935.-452 с.)

54. Труды по вопросам горного давления, сдвижения горных пород и методики маркшейдерских работ: Сборник 52/ Редколл.: А.Н. Омельченко (отв. ред.) и др./ ВНИМИ.-Л.: 1964.- 359с.7А.Фшоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности. М.:МГУ,1961.-1961с.

55. Фисенко Г.Л., Иванов И.П., Мироненко В. А. К вопросу об устойчивости бортов Лебединского карьера КМА // Ж-л Шахтное строительство , № 7, 1959.-с.16-21.

56. Фисенко Г.Л., Пустовойтова Т.К. Определение предельного R-я сдвигу слоев горных пород с различными деформационными характеристиками // Сборник трудов ВНИМИ горной геомеханики и маркшейдерского дела. № 70, 1968.

57. Фисенко Г.И., Иванов И.П., Веселков В.И. Оползни и дренаж на карьерах Никопольского бассейна // Сборник трудов ВНИМИ горной геомеханики и маркшейдерского дела / № 52, 1964.

58. Цитович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983.-288 с.81 .Шукле Л. Реологические проблемы механики грунтов.-М.: Стройиздат, 1976.-240 с.

59. Щеголев И.Н., Селезнев В.И. и др. Научн. ред. Щербаков А.П. Основы рационального освоения недр КМА, Воронеж. 1991,-175 с.

60. Bishop A.W. Shear strength parameters for undisturbed and remolded soil specimens. Stress-strain behavior of soil. 1972.-120 pages.

61. Cojean R. Les mouvements des versants et la stabilite des talus/ Ecole des Mines de Paris. Paris, 1993.-96p.

62. Tisot J.-P. Comportement mecanique a l'appareil de cisaillement de Casagrande de trois graveleux lateritiques compactes provenant du Senegal Occidental// Bulletin de geologie de l'ingenieur. 1995, №52.-p.59-73.