Введение к работе
Основные трудности в изучении геологических процессов заключаются в том, что эти процессы многофакторны и протекают в геологических объектах, которые отличаются неоднородностью состава и строения слагающих пород. Указанные сложности привели к необходимости использования различного рода моделей и методов моделирования в инженерной геологии и, в частности, в инженерной геодинамике. А это, в свою очередь, требует: разработки путей и методов отыскания наиболее общих закономерностей и характеристик, составления лабораторных схем природных процессов; разработки л единой методической постановки вопросов математического обоснования моделирования; разработки более точных и экономичных методов моделирования; перенесения результатов этих исследований на натуру.
Актуальность работы. Оползневые процессы относятся к наиболее сложным и малоизученным инженерно-геологическим процессам, а оползноведение является одним из наиболее важных в народнохозяйственном отношении разделов, связанных с освоением природных склонов и созданием искусственных откосов. К числу важнейших проблем этой дисциплины относится дальнейшая разработка теоретических основ моделирования оползней, включая аналитические методы, позволяющая решать задачи о напряженном состоянии массивов пород оползневых склонов и откосов и прогнозировать их устойчивость. Разработанная автором теория и методика моделирования, основывающаяся на представленнях механики сплошной среды, теории поля, теории подобия и моделирования, с применением в широком плане современного математического аппарата, позволяет в аналитической форме решать задачи о напряженном состоянии и устойчивости оползневых склонов и откосов сложного геологического строения с учетом наличия жестких и слабых слоев, различного рода природных и искусственных воздействий. Эта методика, благодаря новым математическим методам и возможностям вычислительной техники, эффективна, экономична и оказывает большую помощь при проектировании, строительстве и прогнозировании. Оползневые процессы развиты во многих областях Украины, но особенно важным представляется изучение Черноморского побережья Украины, имеющего благоприятное географическое положение и климатические условия, которое также является ценнейшей территорией
в курортном и сельскохозяйственном отношениях. В последние десятилетия освоение территории приобрело особый размах и связано со строительством портов, культурных и санаторных комплексов, разработкой на шельфе полезных ископаемых и т.д. Однако, состояние современной изученности побережья отстает от темпов и планов его освоения. Кроме этого, изучение природных (начальных) условий имеет большое экологическое значение, особенно теперь, в настоящее время, когда решение задач экологической геологии взяла на себя инженерная геология как научная дисциплина геологического цикла, наиболее подготовленная в этом отношении и тесно связанная с техногенным воздействием человека на земную кору.
Соображения о единстве природных процессов и о единой методической постановке вопросов их инженерно-геологической схематизации, т.е. отыскания их наиболее общих закономерностей и характеристик для составления лабораторных схем, привели к абстрактной геологической модели, представляющей собой краевую задачу для уравнения Лапласа.
Такими моделями можно не только изучать оползневые процессы, но и решать большое разнообразие задач механики грунтов, гидро-геомеханики, геокриологии и многие другие; при этом эффективность практического использования таких моделей во многом обеспечивается разработанными автором новыми аналитическими методами решения краевых задач. Все вышесказанное предопределяет актуальность и своевременность настоящей работы.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является разработка теоретических и методических основ моделирования оползней аналитическими методами и практическая реализация разработанной методики для изучения напряженного состояния и устойчивости природных склонов северо-западного побережья Черного моря.
Основные задачи в соответствии с целевым назначением работы сводятся к следующим:
-
Исследование и определение количественных и качественных характеристик факторов, влияющих на развитие оползней и определяющих формирование напряженно-деформируемого состояния пород и устойчивость склонов.
-
Построение на базе теории геодинамического поля абстрактной геологической модели, учитывающей влияние основных факторов на значение геодинамического потенциала.
-
Усовершенствование методов вычисления компонентов поля напряжений и устойчивости массивов пород через геодинамический потенциал.
-
Разработка новых аналитических математических методов решения краевых задач инженерной геологии.
-
Решение с помощью аналитических методов моделирования задач о напряженном состоянии пород и устойчивости склонов для оценки относительной роли природно-техногенных факторов, определяющих закономерности развития оползней.
-
Исследование аналитическими методами напряженного состояния и устойчивости природных склонов северо-западного побережья Черного моря.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые в инженерной геологии геодинамическое поле описано комплексным потенциалом;
разработана методика определения напряжений в массивах пород через потенциал геодинамического поля;
выявлена и доказана аналогия геодинамического и электромагнитного полей, описана методика определения оползневых смещений через геодинамический потенциал;
построена в виде краевой задачи модель для изучения оползней, учитывающая влияние основных природных и техногенных факторов;
разработан ряд новых аналитических методов решения краевых задач инженерной геологии;
получены в аналитической форме решения задач оценки напряженного состояния и устойчивости склонов и откосов, отличающихся различной степенью сложности геологического строения и морфометрических особенностей;
установлены закономерности формирования напряженного состояния пород оползневых склонов, положение и размеры зон концентраций напряжений в зависимости от морфометрии склона, степени неоднородности (соотношения физико-механических
свойств) слагающих массив пород, условий расположения жесткого слоя относительно склона и слабых - в пределах основного деформируемого горизонта;
исследованы аналитическими методами различные природные склоны северо-западного побережья Черного моря.
Теоретическая ценность работы. Разработанные автором аналитические методы моделирования вносят значительный вклад в развитие теории моделирования инженерно-геологических процессов и делают этот вид научных исследований еще более эффективным и всеобъемлющим. Тем самым расширяется и усиливается вклад в новое научное направление инженерной геологии - аналитические методы математического моделирования геологических процессов.
Расширен класс краевых задач, допускающих аналитические решения в виде математических формул, что позволяет решать новые задачи инженерной геологии и смежных с ней наук: теории упругости, механики грунтов, фильтрации, гидрогеомеханики, гидроакустики, теплопроводности, геокриологии, электростатики, аэростатики, термоупрутости и многих других.
Практическая значимость. Предложенная методика может быть эффективно использована при решении многих задач инженерной геологии в целях изучения природных процессов, строительства, решения экологических проблем и, в частности, для оценки напряженно-деформируемого состояния и устойчивости склонов и откосов, а следовательно, и для проектирования и оценки эффективности противооползневых, берегозащитных и портовых сооружений, для прогнозирования устойчивости бортов карьеров, котлованов, дорожных и других выемок и насыпей и др.
Работа во всех ее аспектах используется в учебном процессе Одесского государственного университета при чтении курсов инженерной геологии, механики грунтов, по курсу инженерно-геологические прогнозы и моделирование.
Результаты диссертации могут широко использоваться различными проектными, строительными и другими производственными организациями для самых широких практических целей.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается строгой обоснованностью теорий геодинамического поля и подобия, корректностью постановки моделирующих краевых задач и строгостью математических методов,
применяемых при их решении.
Апробация работы и публикации. Основные материалы и теоретические положения диссертационной работы докладывались на научном семинаре "Смешанные задачи математической физики" кафедры методов математической физики Одесского госуниверситета (Одесса, 1983-1993), на III Всесоюзной конференции "Смешанные задачи механики деформируемого тела" (Харьков, 1985), на научном семинаре кафедры высшей математики Одесской государственной морской академии (Одесса, 1986), на Республиканской научной конференции "Дифференциальные и интегральные уравнения и их приложения" (Одесса, 1987), на научном семинаре кафедры высшей математики Одесского института инженеров морского флота (Одесса, 1988), на научном семинаре Института прикладных проблем механики и математики АН Украины (Львов, 1988), на IV Всесоюзной конференции "Смешанные задачи механики деформируемого тела" (Одесса, 1989), на III Всесоюзной конференции по механике разрушении (Владивосток, 1990), на научном семинаре Всесоюзного научно-исследовательского института "Оргэнергострой" (Москва, 1989-1991), на научном семинаре Проектного технологического института (Подольск, 1988-1990), на научном семинаре Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС, Москва, 1990), на III Всесоюзной конференции по механике неоднородных структур (Львов, 1991), на научном семинаре Института археологии АН Украины (Киев, 1992-1994), на научном семинаре кафедры инженерной геологии и гидрогеологии Одесского госуниверситета (Одесса, 1990, 1993-1996), на научном семинаре проектно-исследовательского института "ЧерноморНИИпроект" (Одесса, 1996), на Седьмом Международном Симпозиуме по оползням (Норвегия, Тронхейм, 1996), на ежегодных конференциях молодых ученых (Одесса, 1985-1987) и профессорско-преподавательского состава Одесского государственного университета (Одесса, 1979-1981, 1984-1996) и других совещаниях.
По теме диссертации опубликовано 22 научных работы, в том числе монография "Математические методы в инженерной геологии", вышедшая в 1993 году в соавторстве с И.П.Зелинским и В.Ю.Пангаевым.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, объединенных по смыслу изложения в две части, заключения и списка литературы. В первой части излагают-
