Содержание к диссертации
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 8
1.2 Третья четверть XX века. Проблемы устойчивости откосов глубоких карьеров 11
1.3 Конец XX века. Проблема длительной устойчивости откосных сооружений и поведения различных пород в оползневом процессе 24
1.4 Выводы по 1 главе и постановка задач исследований 39
Глава 2. Инженерно-геологическая характеристика опорных объектов исследований .
2.1 Общие положения 44
2.2 Техногенные откосы:
Лебединское железорудное месторождение КМА 45
Михайловское железорудное месторождение КМА 59
Оползни на карьерах Никопольского марганцевого бассейна 78
Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария) 85
2.3 Естественные склоны: Саблинский полигон. Оползневые явления на берегах pp. Саблинки и Тосны 90
Правый оползневой берег р. Дунай (г. Оряхово, Болгария) 102
2.4 Выводы по 2 главе 108
Глава 3. Экспериментальные исследования деформаций сдвига грунтов .
3.1. Постановка задач и обоснование схемы экспериментов 112
3.2. Характеристика исследованных пород 119
3.3. Анализ результатов. Классификация пород по степени компетентности 124
3.4. Выводы по 3 главе 132
Глава 4. Пример оценки длительной устойчивости откосов с учётом деформационного поведения слагающих пород .
4.1. Построение инженерно-геология ее кой модели и выбор расчётной схемы 153
4.2 Определение расчётных показателей 156
4.3 Выбор метода расчёта 158
4.4 Результаты расчёта длительной устойчивости откосов 161
4.5 Рекомендации по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга на слоистых склонах и откосах 162
Заключение 164
Список литературы 165
- Конец XX века. Проблема длительной устойчивости откосных сооружений и поведения различных пород в оползневом процессе
- Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария)
- Анализ результатов. Классификация пород по степени компетентности
- Рекомендации по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга на слоистых склонах и откосах
Введение к работе
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, Л. Бьеррум, К. Заруба, А. Скемптон, Ф.П. Саваренский, В.Д. Ломтадзе, КН. Маслов, Г.И. Тер-Степанян, Е.П. Емельянова, Г.С. Золотарёв, Г.Л. Фисенко, М.К Гольдиггейн, 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 про гноз ир ования.
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 техногенез а; 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 слоев 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
равных 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,
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.
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.
Достоеерность 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.), XT 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 асе. каф. ПГиФ СПбГГИ В.В. Петрову - за помощь в компьютерном оформлении работы.
показателей сопротивления сдвигу по экспериментальному определению длительной прочности. Если вспомнить известное правило Феллениуса, по которому расчётные показатели сцепления и трения представляют собой дробь, в знаменателе которой фигурировал коэффициент запаса устойчивости (больше 1,0), а в числителе некоторое среднее значение данного показателя, то становится ясно, что длительная устойчивость определялась некоторым запасом прочности слагающих пород. Но как стало известно из экспериментов многих авторов, длительная прочность в результате ползучести оказывалась как меньше «стандартной», так и больше её. Понятно, что центр тяжести проблемы был перенесён на изучение длительной прочности пород (главным образом, глинистых).
Начиная с 1957 г. появились результаты экспериментальных исследований ползучести и длительной прочности известных специалистов -оползневиков М.Н. Гольдштейна, Н.Н. Маслова, Н.А. Цытовича, Г.И. Тер-Степаняна, Н.Я. Денисова, С.С. Вялова, СР. Месчяна, Я.Л. Когана, Г.Л. Фисенко, А.Я. Будина, а также К. Терцаги, А. Скемптона, Л. Бьеррума, Д. Хенкеля, Л. Шукле и др. Было проведено много конференций, на которых вопросам реологии грунтов отводилось центральное место. В теоретическом плане было разработано большое количество реологических моделей глинистых грунтов. Однако эти модели при прогнозировании оползневых явлений использовались довольно редко. Так, например, на совещании по оползням, которое происходило в 1960 г. в г. Ставрополе на Кавказе с участием 15-ти НИИ, 12-ти вузов и 86-ти проектно-изыскательских и производственных организаций, вопрос длительной прочности пород и устойчивости откосов и склонов рассматривался в докладе Г.Л. Фисенко «Исследование пластических свойств грунтов при изучении оползней» [52] по материалам экспериментальных исследований, выполненных под руководством автора доклада и И.П. Иванова во ВНИМИ.
На следующем «Совещании по вопросам изучения оползней и мер борьбы с ними», которое состоялось в Киеве в 1964 г., проблеме «реологических свойств и длительной прочности глинистых грунтов и их значению в развитии оползневых явлений» был посвящен генеральный доклад Н.Н. Маслова, а также три доклада на III секции В.В. Жихович, Б.Ф. Рельтова и Г.Л. Фисенко [44]. Во всех докладах длительная устойчивость склонов и откосов связывается с длительной прочностью глинистых пород. Н.Н. Маслов рекомендует реологическую модель, в соответствии с которой записывает 4-х членное уравнение начального (стандартного) сопротивления сдвигу с двумя показателями сцепления в виде: г0 =
сцепления за счёт водно-коллоидных и цементационных связей соответственно. Ползучесть по Н.Н. Маслову наступает при г) сг tg <р + ct , а длительная прочность, которую необходимо закладывать в расчётах, характеризуется уравнением:
тд = ст tg <р +ct. или т., =
глин;
тд = 0 для пластичных глин;
и тд = т(1 для жёстких глин, которые, по мнению автора, не склонны к
ползучести.
Г.Л. Фисенко рекомендует принимать в расчётах устойчивости откосов карьеров длительную прочность на сдвиг, которая «соответствует пределу ползучести».
Интересно отметить заключение Н.Н. Маслова к его генеральному докладу (1964 г.) «В противовес зарубежной практике в нашей стране вопросу о возможной роли в развитии оползневых процессов реологических явлений до сего времени уделялось относительно мало внимания».
В 1967 г. в г.Белгороде на базе института ВИОГЕМ состоялось специальное «совещание по вопросам изучения устойчивости откосов на
карьерах», в котором приняли участие 122 специалиста из 51 организации. Из опубликованных 108 докладов только два были посвящены вопросу о длительной устойчивости откосов карьеров [65]. При этом в докладе Н.Н. Куваева длительная устойчивость рассматривается как результат потери прочности глин в результате их набухания во времени. В реологическом аспекте длительная устойчивость в докладе А.Н. Могилко оценивается на примере определения длительной прочности обратными расчётами по оползневым деформациям на откосах разного срока службы ( от 3 месяцев до 10 лет). В результате всех проведённых исследований автор делает вывод о том, что в расчётах длительной устойчивости откосов необходимо учитывать только сопротивление сдвигу за счёт трения, то есть пренебрегать сцеплением.
Анализируя результаты исследования длительной устойчивости склонов и откосов, нельзя не отметить большое влияние на них работы мирового сообщества специалистов в области механики грунтов и фундаментостроения. За рассматриваемый период было подготовлено и проведено шесть международных конгрессов (с 111 в 1953 г. по VIII в 1973 г.), на которых всегда происходили дискуссии по вопросам реологического поведения глинистых грунтов и его влияния на длительную устойчивость склонов и откосов.
В трудах к IV-VIII Конгрессам советских учёных, опубликованных в период с 1957 по 1973 гг., этим вопросам посвящены статьи известных уже специалистов: М.Н. Гольдпгтейна, Г.И. Тер-Степаняна, С.С. Вялова, Н.Н. Маслова, СР. Месчяна, А.Я. Будина, взгляды которых нам уже известны.
Проблемам длительной устойчивости откосов уделялось внимание в докладах Н.Н. Маслова и Г.Л. Фисенко на первом конгрессе международной ассоциации по инженерной геологии МАИГ (1970 г.)
Наряду с изучением реологических свойств, исследования на искусственных откосах давали возможность вести наблюдения за их деформациями по мере их формирования и длительного стояния в самых разнообразных геологических условиях. Наблюдаемый механизм оползневых
деформаций в неоднородной по геологическому строению среде указывал на особую специфику формирования поверхностей скольжения во времени. На примере карьеров КМА, Никопольского, Марганцевого и Подмосковного угольного бассейнов, Казахстана и некоторых других, для которых характерно слоистое строение бортов, отмечалась некоторая закономерная последовательность разрушения пород различного литологического состава, физического состояния и местоположения в откосе. В лаборатории устойчивости бортов карьеров ВНИМИ, в которой проводились исследования ползучести и длительной прочности глинистых пород (Г.Л. Фисенко, И.П. Иванов, В.И. Веселков), появилась идея нового подхода к изучению длительной устойчивости откосов, которая базировалась на предположении о том, что длительная прочность в различных породах может быть как и меньше, так и больше кратковременной (стандартной), а длительная устойчивость всегда меньше начальной. В 1965 г. И.П. Иванов опубликовал первую статью, в которой рассмотрел в новом аспекте проблему длительной устойчивости природных склонов и искусственных откосов, а в 1971 г. он защитил докторскую диссертацию, большая часть которой была посвящена этой проблеме [30].
Оригинальность этого аспекта заключается в двух специфических особенностях оползневого процесса. Во-первых, все оползни проходят в своём развитии через несколько стадий, т. е. все они реализуются во времени, а следовательно, прогноз устойчивости - это всегда прогноз длительной устойчивости. Во-вторых, механизм оползневого процесса и его динамика определяются деформационным поведением слагающих пород при их сдвиге по формирующейся прогрессивно поверхности скольжения.
Каждое из перечисленных направлений развивалось самостоятельно и перерастало в раздел по изучению общей проблемы устойчивости откосов карьеров и отвалов, по которому работали и работают большие исследовательские коллективы. Так, например, по оценке гидрологических
Рельеф дневной поверхности представляет всхолмлённую равнину, прорезанную балками, речками и оврагами; абсолютные отметки изменяются от 164 м. до 230 м. Общий уклон поверхности с северо-востока на юго-запад. Р. Свапа, самая крупная в районе, имеет следующие характеристики: её длина 190км.? ширина русла в среднем течении 20-40 м.; скорость течения воды составляет 0,1-0,3 м/сек; расход достигает 5,0 м /сек.
Аналогично Лебединскому, геологический разрез Михайловского месторождения включает два структурных этажа: нижний представлен метаморфическими, сильно дислоцированными породами архея и протерозоя, к которым приурочены залежи богатых руд и железистых кварцитов, а верхний представлен осадочной толщей пород девона, юры, мела и четвертичными отложениями (рис. 2.3).
Докембрийские породы на Михайловском месторождении залегают в виде купола; поэтому глубина их залегания в центральной части месторождения составляет 25-40 м., а к периферии увеличивается до 150-200 м. По составу это в основном железистые кварциты, продуктом выветривания которых являются богатые руды. Богатые железные руды Михайловского месторождения представлены остаточными и осадочными разностями; среди остаточных руд преобладают рыхлые мартитовые.
Слаботретциноватые породы докембрия не оказывают существенного влияния на устойчивость бортов карьера.
Докембрийские образования перекрываются с резким несогласием породами верхнего структурного этажа.
Мощность отложений девона, перекрывающих докембрийский фундамент, варьирует в зависимости от рельефа его поверхности и от степени размыва самих девонских пород. В центральной части месторождения она составляет 20-30 м, (или равна 0), а к периферии увеличивается до 150 м.
*+ Щ* Ш2 Ш3 ^4Ш5Ш^ Ш?Ш-? ^^Ї^^{Ш^^^Ш^Ш^ЕБ!'Ш^^^
Рис. 23 Геологический разрез центральной части Михайловского месторождения КМА вкрест простирания [10]: 1-сутлинки; 2-пески с галькой; 3-пески глинистые; 4-глины песчаные; 5-глины плотные; б-пески разные, в основном тонко- и мелкозернистые, реже средне- и разнозернистые; 7-глины плотные, пестроцветные с алевритами; 8-алевриты; 9-известняки плотные, от кавернозных и трешиноватых вверху до слабо трещиноватых и монолитных внизу; 10-граниты; 11-сланцы, гнейсы; 12-кварциты; 13-богатые руды; 14-переотложенные руды; 15-уровепь грунтовых вод мелового комплекса; 16-пьезометрический уровень подземных вод подкелловейского комплекса; 17-характер нижней границы водоносной трещиноватости железистых кварцитов и других выветрелых пород протерозоя.
Диалогический состав пород девона довольно разнообразен: в верхней части это глины и алевриты, а нижняя часть состоит из глин и песков. Кроме того, непосредственно на коренных рудах и железистых кварцитах залегают переотложенные руды, а за пределами рудной залежи встречаются пески и известняки щигровских и старооскольских слоев.
Глины девона имеют твёрдую, полутвёрдую или тугопластичную консистенцию; состав глинистых минералов гидрослюдисто-каолинитовый. Водоносные пески могут обладать свойствами плывунов. Физико-механические свойства отложений девона приведены в табл.2.4(*),
В толще девона из-за обводнённости некоторых пород (см. гидрогеологические условия Михайловского месторождения), как и в батских отложениях, могут возникнуть деформации выдавливания, суффозии и оползни по контактам между песчаными и глинистыми разностями.
Юрские отложения широко распространены в пределах Михайловского месторождения и отсутствуют только в центральной его части, где железистые кварциты подступают близко к поверхности. Юрская толща сложена породами батского, келловейского и нижневолжского ярусов.
(*) Верхний индекс у приведённых в табл.2.4 значений показателей указывает на источник информации. Так, нумерация индексов соответствует следующим источникам:
1 - Гидрогеологические и инженерно-геологические условия
железорудных месторождений КМА [10]
-Н.К. Паффенгольц [55]
- Исследования по геологии, горному делу и обогащению руд КМА. [38]
4 - Инженерно-геологические и гидрогеологические условия района
КМА., [35]
Таблица 2.4
Показатели ФМС основных типов пород осадочной над руд ной толщи Михайловского месторождения КМА.
Отложения бата, по происхождению континентальные, представлены в основном мелкозернистыми кварцевыми песками, переелаиваюшимися с чёрными глинами. Горизонтальная слоистость батских песков обусловлена чередованием в них более или менее унифицированных прослоев, выделяющихся по цвету - от светло-серого до тёмно-серого.
Так как батские отложения залегают на размытой поверхности девона, их мощность невидержана и изменяется в пределах 0-50 м., увеличиваясь от центра месторождения к его периферии. В среднем она составляет 15-20 м.
Пески бата представлены на месторождении четырьмя разновидностями: песками мелкозернистыми и тонкозернистыми, песками мелкозернистыми и тонкозернистыми глинистыми, песками раз н озер н истыми, песками разнозернистыми глинистыми. Физико-механические свойства преобладающих мелкозернистых песков приведены в табл.2А
Глинистая толща бата представлена главным образом тяжёлыми глинами и глинами, подчинённое положение занимают глины алевритовые и песчано-алевритовые. Глины чёрные, углистые, тонкодисперсные, пластичные, слабо уплотнённые, способные легко переходить в текучее состояние. По двум определениям Славяпова [55] угол внутреннего трения для глин составляет 1926'. Угол внутреннего трения для тяжёлых глин по данным Н.К. Паффенгольца составляет 2322', а сцепление С=0,540 кгс/см2. Глины бата слабо- или сред несжимаемые.
Устойчивость толщи бата в откосах может быть гарантирована лишь при его падёжном предварительном осушении. В таких неоднородных, сильно обводнённых породах помимо песков-плывунов опасность представляет возможное развитие таких явлений, как суффозионные деформации и деформации выдавливания, а также возникновение оползней по глинам вблизи контакта с водоносными песками.
Отложения келловея, морские по происхождению, снизу вверх можно разделить на следующие горизонты:
1) песчаные» у подошвы переходящие в i-равелистые, глины (мощностью до
5 м.);
плотные серые известковые глины с большим содержанием кальцита и морской макро- и микрофауны (мощность 20-25 м.);
светло-серые плотные глины (мощностью до 5 м.)
Общая мощность келловейских глин в среднем составляет 30 м. В них иногда встречаются маломощные линзы известняков, а в песчаных глинах нижнего горизонта - тонкие прослойки алевритов. Содержание глинистой фракции в среднем по всей толще 58,47 %.
Физические свойства всех глин келловея довольно однообразны (табл.2.4). По гранулометрическому составу это в основном тяжёлые глины, встречаются также песчаные алевритистые глины. Глины келловея вые око пластичные (1р около 40 %),имеют твердую или полутвердую консистенцию, уплотненные, средне- и слабосжимаемые (а-0,0072 ем2/кге). Они практически негидрофильны. Глины верхнего горизонта не реагируют с соляной кислотой. Глины нижнего и среднего горизонтов по составу гидрослюдистые с прослоями кальций-монтмориллонита. Глины нижнего горизонта трещиноватые, а среднего горизонта - сштьнотретциноватые.
Прочностные свойства пород нижнего и особенно среднего горизонтов при увлажнении могут ухудшаться. Это объясняется наличием в них прослоев с горизонтальной ориентировкой глинистых минералов, а также возможным присутствием в этих прослоях ориентированно расположенных обломков кальцитизированных раковин и примесей монтмориллонита, что ослабляет внутренние связи в глинах. В случае дополнительного увлажнения возможно возникновение оползней по таким ослабленным прослоям. Горизонтальная трешиповатость нижнего горизонта и горизонтальная и вертикальная трещиноватость среднего горизонта также представляют опасность для устойчивости бортов карьера. По результатам сравнения сдвиговых
66 характеристик всех глин келловея наиболее устойчивым является горизонт верхних глин.
Нижневолжские отложения (средняя мощность около 7 м.) распространены практически повсеместно. Они также представляют собой литологически пёструю толщу песчано-глин истых отложений и по своим физико-механическим свойствам близки к породам неокомского яруса. Отти отличаются от пород неокома зеленоватой окраской, обусловленной большим содержанием в них глауконита. Снизу вверх прослеживаются следующие разности:
Глина зеленовато-серая, алевритовая, плотная, трещиноватая- Порода слабоводоустойчивая . (М^ І,0 м.).
Алеврит зеленовато-серый, с глинистыми прослоями, уплотнённый. В кровле переходит в зеленовато-серую алевритовую глину. Встречаются линзы светло-серого мелкозернистого песка. (М=1,0-1,5м.),
Песок мелкозернистый серо-зелёный, горизонтально-слоистый, водоносный. (М=0Д-0,3 м.).
Глина зеленовато-тёмно-серая, плотная, горизонтально-слоистая5 неводоустойчивая. (N1=1,0 м,).
Алеврит зеленовато-тёмно-серый, глинистый, слюдистый, переходящий в кровле в зеленовато-серую глину. (М=3,0-4?0 м/).
Меловые отложения на месторождении представлены песчано-глинистыми породами апта и неокома и сеноман-альбскими песками. Их общая мощность в среднем составляет 20 м. В меловых отложениях встречаются также линзы и прослои кварцевых (в сеноман-альбских и аптских песках) и сидеритовых (в нсокомских породах) песчаников.
Неокомские отложения, как и нижневолжские, распространены практически повсеместно, за исключением речных долин, где они размыты. Для них характерно частое переслаивание глинистых песков и песчаных глин,
но обычно сверху залегают тонкозернистые тёмно-серые с зеленоватым оттенком глинистые пески, которые переходят у подошвы слоя в плотные серые глины, жирные на ощупь.
В районе Михайловского карьера выделяются снизу вверх следующие отложения неоком а:
Глина черная, алевритовая, горизонтально-слоистая. По составу слюдистая. Имеет мягкопластичную консистенцию. Порода трещиноватая и слабоводоустойчивая. (М=1 м.).
Песок чёрный, сильно глинистый, слюдистый, неводоустойчивый. Снизу вверх в нём возрастает количество прослоев светло-серого песка. (M=i ,5-2 м.).
Сильно алевритовая глина чёрная, мягкопластичная. Может переходить в сильно глинистый песок. Порода относительно водоустойчивая. (М^ 1,0 м.).
Породы апта представлены тонкозернистыми слюдистыми песками и песчаными глинами светло-серого цвета. Для них характерна очень тонкая горизонтальная слоистость, проявляющаяся в песках сменой цвета, а в глинах сменой более песчаных либо глинистых разностей. Породы апта не имеют широкого распространения, а их мощность на превышает 6-7 м.
Консистенция аптских глин зависит от близости водоносного горизонта, В естественном залегании ниже уровня грунтовых вод аптские глины являются сравнительно устойчивыми породами с тугопластичной консистенцией, их влажность близка к влажности на пределе пластичности (табл.2.4). Текстура глин горизонтально-ориентированная, по гранулометрическому составу они песчанисто-алевритистые.
Перекрывающие их аптские слабо сцементированные пески в естественных обнажениях представляют довольно устойчивую породу. Однако в своей водоносной части они слабо устойчивы и обладают свойствами плывучести.
Среди аптских и неокомских песчано-глинистых отложений встречаются прослои истинных плывунов,
Сетюмап-альбские (в основном мелкозернистые по гранулометрическому составу) пески зеленовато-жёлтого цвета очень невыдержаны но мощности. Она колеблется в пределах месторождения от 0 до 25 м. Эти отложения развиты практически повсеместно и выходят на поверхность на склонах долин рек Чернь и Речица.
В целом среди песков сеноман-альба выделяются следующие разновидности:
пески мелкозернистые, глинистые;
пески мелкозернистые и тонкозернистые, глинистые;
пески разнозернистые, пылеватые и глинистые, гравелистые (их физико-механические свойства представлены в табл,2.4)
Обводнённые пески сеноман- альба являются неустойчивыми в откосах породами, в них наблюдаются суффозия и оплывание, В целях сохранения устойчивости бортов карьера необходимо постоянное осуигепие нижней, водоносной части сеноман-альбских песков.
Четвертичные отложения распространены повсеместно, их мощность варьирует от 0 до 25 м., возрастая в направлении к водоразделам и составляя в среднем 10-12 м.. В основном они представлены делювиальными лёссовидными суглинками. К речным долинам приурочены современные и древние аллювиальные отложения. В целом выделяются три основных горизонта четвертичных отложений [38]:
косослоистые пески с линзами гравийно-галечникового материала, переходящие в мягкопластичные суглинки и озёрные глины;
лёссовидные непросадочные суглинки;
лёссовые суглинки и современные почвы
По своему гранулометрическому составу все четвертичные суглинки относятся к алевритам, причём содержание алевритовой фракции (0,1-0,01 мм.)
в лёссовых суглинках достигает 79%. Лёссовые суглинки при замачивании обнаруживают просадочные свойства.
Среди породообразующих глинистых минералов у озерных глин преобладает монтмориллонит, а у лёссовидных и лёссовых суглинков -гидрослюда. Песчаная фракция четвертичных отложений имеет кварцевый состав,
В верхней части разреза суглинки более лёгкие, карбонатизированные, их текстура горизонтально-слоистая (в лёссах - беспорядочная). Нижняя часть сложена более тяжёлыми разностями; здесь четвертичные отложения имеют косослоистую текстуру. Плотность пород увеличивается сверху вниз по разрезу. Средний угол внутреннего трения практически одинаков для всех четвертичных суглинков, а наибольшим сцеплением обладают лёссовидные суглинки (табл.2.4).
На территории Михайловского месторождения выделяются два водоносных комплекса, изолированных друг от друга келловейскими глинами. Надкеллов ейский водоносный комплекс с безнапорным режимом включает аллювиальный, сеноман-альб-аптский, неокомский и нижневолжский водоносные горизонты. Подкелловейский водоносный комплекс объединяет батский, девонский и рудно-кристаллический напорные водоносные горизонты.
Подкелловейский водоносный комплекс.
Все горизонты этого комплекса имеют между собой тесную гидравлическую связь, так как среднеюрские пески и девонские водоносные прослои в центральной части месторождения вплотную прилегают к куполообразно возвышающимся грядам железистых кварцитов и богатых руд.
Большую роль в обводнении месторождения играет рудно-кристаллический водоносный горизонт. Он приурочен к грещиыоваюй зоне железистых кварцитов и к рыхлым мартитовым рудам. Фильтрационные свойства этих пород различны; они меняются в зависимости от степени
трещиноватости пород, В центральной части месторождения, где кварциты не окислены или мощность окисленной зоны мала, водоносная трещиповатость отсутствует или проявляется слабо. Вообще же она затухает на глубине 25-40 м. от кровли кварцитов.
Коэффициент фильтрации для гематито-мартитовых руд составляет 0,44 м/сут,, а для железистых кварцитов 0,1-1,17 м/сут.. У сильнотрещиноватых разностей он достигает 12,4 м/сут.. Среднее значение коэффициента фильтрации для горизонта принимается 0,4-0,5 м/сут..
Пьезометрический уровень вод рудно-кристаллических пород совпадает с уровнем гидравлически связанного с ними батского водоносного горизонта.
Среди пород девона обводнены только приуроченные к периферии месторождения линзы и прослои песка, а также известняки, рудные брекчии и переотложенные руды. Водоносность горизонта незначительная; коэффициент фильтрации составляет 0,36 м/сут.
Самым водообильным из водоносных горизонтов подкелловейского комплекса является батский. Распространённый по всей площади месторождения, за исключением центра, он приурочен к двум прослоям средне- и разнозернистых батских песков, мощностью 3-Ю м. каждый. Фильтрационные свойства горизонта изменяются довольно широко в зависимости от гранулометрического состава песков. Так, коэффициент фильтрации колеблется от 0,43-3,88 до 13-15 м/сут. (наибольшие значения характерны для верхнего слоя песков бата). Величина водоотдачи составляет в среднем 7,9 %. Водоприток в карьер из батских песков значителен и составляет около 80 % от суммарной величины водопритока.
Горизонт напорный, величина напора до производства эксплуатационного водопонижения достигала 35-50 м.
Надкеллавейский водоносный комплекс.
Нижневолжский водоносный горизонт приурочен к линзам песков и алевритов средней части отложений. Коэффициент фильтрации пород
достигает 4,62 м/сут. На южном и восточном бортах карьера отмечен большой водоприток из этого горизонта.
Неоком с кий водоносный горизонт характеризуется небольшой водообильностью и низкой водопроницаемостью. Он приурочен к прослоям глинистых песков, встречающихся в породах неокома. Коэффициент фильтрации таких песчаных прослоев составляет 0,5 м/сут., а средняя величина водоотдачи - 8,6 %.
Самым в одо об ильным в над келлове иском комплексе является водоносный горизонт, приуроченный к пескам сеноман-альба и апта. Эти пески в центральной части месторождения занимают возвышенные участки. Верхняя часть песчаной толщи является сухой, сдренированной. Суммарная мощность обводнённой части песков мела составляет в среднем 3,9-5,8 м.; к северу она возрастает до 12-15 м. Зеркало грунтовых вод в основном повторяет рельеф поверхности земли и в пределах карьера находится на отметках 186-192 м., понижаясь в целом к юго-востоку, а на локальных участках - в сторону долин дренируюшдх рек.
Средний коэффициент фильтрации толши сеноман-альбских и аптских песков составляет 1,06 м/сут. (по данным откачек), а по данным лабораторных испытаний он изменяется от 0,057 до 5,07 м/сут. Водоотдача песков не превышает 18 % и в среднем равна примерно 8,4%, Питание водоносного горизонта осуществляется за пределами месторождения, на севере, где пески частично прорезаются долинами рек Чернь и Речица.
Аллювиальные воды, приуроченные к пескам долин pp. Речицы и Черни, не играют большой роли в обводнении месторождения. Их режим зависит от количества и характера распределения в году атмосферных осадков, от сезонного колебания уровня воды в реках, а также от режима связанных с ними вод сеноман-альб-аптского и неокомского горизонтов. Коэффициент фильтрации водоносных песков современного аллювия составляет всего 0,051-0,22 м/сут.
При разработке проекта системы осушения Михайловского карьера учитывались различные гидравлические режимы и фильтрационные свойства основных водосодержащих толщ - сеноман-альб-аптских, неоком-нижневолжских, батских и рудно-кристаллических. Для осушения сеноман-альб-аптских песков и неоком-нижневолжских отложений во время их вскрытия применялись открытый водоотлив и лёгкие иглофильтровые установки, причём важной задачей являлось ограждение неоком-нижневолжска от обводнения вышележащим горизонтом сеноман-альб-апта в целях сохранения устойчивости откосов. В дальнейшем дренаж аптских и неоком-нижневолжских пород на нерабочих бортах осуществлялся при помощи песчано-гравийной пригрузки откосов на высоту высачивания грунтовых вод и водоотводящих канавок. Что касается дренирования рудно-кристаллического горизонта и песков бата, то здесь используется система подземных дренажных штреков и сквозных и забивных фильтров.
Что касается геодинамической обстановки, то ежегодно на Михайловском карьере КМ А происходит в среднем до 30 различных по объёму нарушений устойчивости уступов, причём 95 % всех деформаций составляют оползни, переходяшие в оплывины. Общий объём оползающей горной массы достигает
І ашіица2.5
Примеры нарушений устойчивости, имевших место на бортах Михайлове кого карьера КМА.
500 м1 в год и более. В табл.2.5 приведены характеристики некоторых оползней, происшедших в период с 60-х, по 80-е гг.
Геологические явления на бортах Михайловского карьера КМА, имевшие место в течение его строительства и эксплуатации, исследовались многими организациями. В результате накоплен большой фактический и научный материал, анализ которого позволяет сделать некоторые обобщения. Замечено, например, что на карьере, как правило, деформациям подвергаются отдельные (один или несколько) уступы , но не весь борт, сложенный песчано-глинистыми отложениями. При этом глинистые породы теряют свою прочность не мгновенно, а в течение определённого промежутка времени, начиная с момента нарушения естественного напряжённого состояния уступа при его разработке. Длительная устойчивость уступов находится в тесной связи с параметрами самого уступа и с прочностными свойствами слагающих его пород и зависит прежде всего от инженерно-геологических и гидрогеологических условий данного участка. Доказано, что длительная устойчивость уступов и бортов карьера с большими углами наклона не может быть обеспечена за счёт естественной прочности слагающих их песчано-глинистых отложений. [74]. По результатам выполнявшихся с 1971 по 1978 г. ВИОГЕМОМ съёмок оползней и инструментальных наблюдений за деформациями уступов в четвертичных суглинках, апт-неокомских и келловейских глинах на Михайловском карьере были определены из обратных расчётов параметры длительной прочности и сдвиговой ползучести этих пород [74]. В числе прочих закономерностей выявлена связь оползневых деформаций уступов с формой поверхности древнего погребённого рельефа в осадочных породах и найдены следующие корреляционные зависимости между показателем оползневой поражённости Поп и уклоном кровли стратиграфического горизонта 1к (по В.А. Котову, 1984) [74]:
Поп=2,36 1к а53 - для батских отложений (корреляц. отношение 0,90);
Пои=0,9 1к h - для келловейских отложений (корреляц. отношение 0,998);
ПоП=206,2 Ік 2-2,4 1к+0,25 - для апт-неокомских отложений (корреляц. отношение 0,94).
Среди инженерно-геологических факторов, характеризующих сложную структуру надруднои осадочной толщи Михайловского месторождения, на устойчивость откосов значительное влияние оказывают следующие:
неоднородный состав надруднои толщи, для которой характерно постоянное переслаивание песчано-алевритовых пород с глинами, часто пластичными и слюдистыми;
неблагоприятный состав глинистых минералов и следовательно, возможность набухания глинистых пород при увлажнении;
значительная трендиноватость келловейских, неокомских и нижнє волжских пород;
наличие надкелловейского водоносного комплекса, в котором обводнённые породы перемежаются с водоупорными, что затрудняет его осушение, и наличие подкеловейского водоносного комплекса напорных вод.
Кроме того, в геологическом разрезе месторождения выделяются породы, которые по своим физико-механическим свойствам и гидрогеологическим условиям являются потенциальными очагами оползнеобразования. Это четвертичные суглинки в районе древних ложбин стока и породы апта, неокома и нижневолжского яруса, к которым приурочено подавляющее большинство всех нарушений устойчивости на Михайловском карьере {рис. 2.4). Там, где поверхностные или погребённые ложбины стока при выходе в борта карьера образуют зоны ослабления с повышенной влажностью пород, происходят интенсивные нарушения устойчивости уступов. Смещение переувлажненных масс приводит к обнажению откоса и дальнейшему развитию обрушений. А деформации бортов, связанные с
уменьшением несущей способности неоком-нижневолжских отложений, могут
возникать при их обводнении
Ш' S3 И' s< га* в< s?
Рис. 2.4 Схематический разрез оползня вблизи Михайловского карьера КМА [35]: 1-почвенный слой; 2-суглинок делювиальный; 3-супесь жёлтая; 4-глина серая брекчиевидная; 5-сферосидерити; 6-поверхности скольжения; 7-глина серая пластичная, влажная.
вышележащими водами апта. В период дождей массы вымытых апт-неокомских глин образуют конуса выноса на нижних площадках уступов. Это провоцирует локальные обрушения и оползни в вышележащих породах. Таким образом, одной из главных причин потери устойчивости откосов Михайловского карьера является уменьшение прочности пород на контактах7 происходящее во времени в результате увлажнения атмосферными или подземными водами.
В табл.2,6 приведён перечень деформаций бортов карьера, которые имеют или могут иметь место в тех или иных породах осадочной толщи.
С учётом возможного проявления суффозии, оплывания, перехода пород в плывунное состояние и трещиноватости некоторых пород, генеральный угол наклона плоского профиля Михайловского карьера выбирается от 16 до 19е в зависимости от высоты уступа, коэффициента запаса и азимута простирания трещин. Минимальный коэффициент запаса рекомендуется принимать равным 1,4.
Таблица 2.6
Виды возможных деформаций на бортах Михайловского карьера КМА и их потенциальные причины [38],
Как следует из приведённых, выше замечаний, механизм оползней, происходящих на Михайловском карьере, выглядит примерно следующим образом: во-первых, как уже было сказано» оползни затрагивают отдельные уступы, сложенные песчано-глинистыми отложениями. Это легко объяснимо, так как даже по сравнению с неоднородным разрезом Лебединского карьера разрез Михайловского является ещё более литологически пёстрым и слабые пластичные глинистые прослои могут встретиться практически в любой части толщи юрских и меловых отложений (будем считать девонские глины устойчивыми, хотя при увлажнении и в них могут возникать деформации выдавливания). Поэтому если в основании какого-либо уступа окажутся пластичные глины, возможно обладающие свойством ползучести, то в залегающей выше неоднородной песчано-глинистой толще будут развиваться характерные инссквентные оползни, где роль компетентных и некомпетентных будут иірать соответственно более и менее прочные слои пород. К некомпетентным породам в данном случае можно отнести мягкопластичные, слабые глины неокома, нижневолжска и келловея - потенциальные очаги ололзнеобразования, где развивается длительная ползучесть. Компетентными являются более прочные прослои песчано-глинистых отложений (твёрдые и полутвёрдые глины девона, глины верхнего горизонта келловея, уплотнённые глины и алевриты нижневолжска и т.д.). В верхних уступах вертикальные трещины, маркирующие ширину оползневой призмы, могут появляться в четвертичных лёссовидных суглинках. В остальном механизм инсеквентных оползней на Михайловском карьере аналогичен рассмотренному ранее примеру для оползневого борта Лебединского карьера.
Оползли на карьерах Никопольского марганцевого бассейна. Никопольский марганцевый бассейн является одним из крупнейших районов в мире по добыче марганцевой руды. Около 90% всей руды здесь добывается за счёт открытых горных работ. В эксплуатации в настоящее время
находятся более девяти карьеров при двух горно-обогатительных комбинатах -Орджоникидзевском и Марганецком,
Рудные пласты средней мощностью около 2 м. залегают горизонтально внутри толши пес чано-алеврито-глинистых пород.
Изучение устойчивости бортов карьеров Никополь-Марганцевского бассейна проводилось специалистами ВНИМИ наиболее интенсивно в 60-е гг. В этот период на бортах Шевченковского и Богдановского карьеров произошла серия оползней, характерных для слоистых массивов, сложенных породами различного состояния и свойств (табл. 2.7)- В строении надрудной толщи, мощность которой на оползневых участках колебалась от 35 до 15 м,, принимают участие следующие три пачки пород (снизу вверх):
надрудные яблочно-зелёные глины, жирные, с высоким содержанием мелкодисперсной фракции (верхний палеоген);
неогеновые отложения, представленные нижнесарматскими мелко- и сред незернистыми кварцевыми песками, сред несарматскими чёрными сланцеватыми глинами с прослоями известняка-ракушечника, нерасчленённой сарматской мергельно-глинистой толщей (в которой светло-серая и тёмно-серая мергельная глина чередуется с прослоями пестроцветной пластичной глины) и верхнесарматскими мергельными серовато-зелёными комковатыми глинами;
четвертичные лёссовидные суглинки и красно-бурые загипсованные глины (рис. 2,5),
На рис. 2.7 показаны диаграммы сдвига для некоторых из вышеназванных пород.
К нижнесарматским мелкозернистым пескам приурочен сарматский водоносный шризонт, коэффициент фильтрации котрої о составляет 3-4 м/сут.
Таблица 2.7 Обобщенные показатели ФМС пород надрудыой толщи месторождений Ннкополь-Марганцевского бассейна, [63]
Рис. 2.5 Схематический разрез борта Шевченковского карьера Никопольского
марганцевого бассейна [73]: 1-марганцевая руда; 2-глина яблочно-зелёная, надрудная; 3-песок мелкозернистый и среднезернистыи, кварцевый; 4-глина чёрная, сланцеватая с прослоями ракушечника; 5-глина мергельная светло-серая и тёмно-серая с прослоями пластичной глины; 6-лёссовидный суглинок.
і — і
Рис. 2.6 Схематический разрез оползня надрудного уступа на Шевченковском
карьере Никопольского марганцевого бассейна [73]: 1-надрудные глины с поверхностью ослабления между двумя пачками; 2-пески; 3-чёрные глины; 4-светло-серые мергельные глины.
Неоднородный разрез надрудной толщи пород, залегающих мульдообразно с наклоном в 4-5 в сторону выработанного пространства, создаёт благоприятные условия для развития оползневых деформаций в случае уменьшения прочности одного из глинистых прослоев. Это может произойти в результате набухания глин при их увлажнении подземными либо поверхностными водами. Кроме того, опасными факторами являются поверхности ослабления - контакт между двумя пачками, составляющими слой надрудных зелёных глин, а также древние поверхности скольжения, возникшие в своё время под воздействием эрозионных процессов.
Рассмотрим в качестве примеров несколько типичных оползней, захвативших один или несколько уступов карьеров, и причины их возникновения.
В 1959-60 гг. на Шевченковском карьере произошла серия оползней верхнего вскрышного уступа. Оползни были приурочены к пониженным участкам земной поверхности, местам скопления дождевых и талых вод. Эти воды, просачиваясь через покрывающие лёссовидные суглинки, увлажняли мергельные комковатые глины. Глины вблизи откоса набухали, теряли прочность и переходили в пластичное состояние. Таким образом, причиной оползней явилось изменение свойств залегающих в подошве уступа мергельных комковатых глин.
Второй пример касается оползней, происходящих на всём протяжении нижнего вскрышного (надрудного) уступа на Шевченковском и Богдановском карьерах (рис.2.6). Вскоре после выемки пород на этом уступе на обоих карьерах возникал надвиг в 2-3 см. с гладкой поверхностью скольжения по контакту между двумя пачками надрудных глин.
Л г 0.4 0.6 0.8 QtMHu
«J
0.4 0.6 Q.8
S)
to ЄМПа
МП&
0.2 OA 0.6 0,8 tP (5,Wa
Рис. 2.7 Результаты испытаний пород, слагающих откосы карьеров Никопольского марганцевого бассейна, в срезном приборе и в стабилометре (пунктиром проведены линии по установившимся значениям т) (по исследованиям ВНИМИ):
а) четвертичный лёссовый суглинок; б) четвертичная бурая песчаная глина; в) неогеновая плотная тяжёлая глина.
Следует отметить, что при возникновении подобных оползней песок располагается в нижней части откоса оползневых пород и создаётся впечатление, что именно суффозионное оплывание песка явилось причиной нарушения устойчивости. Между тем оползание и в этом случае происходило по контакту в надрудных глинах, что было подтверждено наблюдениями на расчистках оползневого борта.
Очень крупный оползень (объёмом около 1 млн.м3) произошел по древней поверхности скольжения в результате увлажнения глинистых пород атмосферными водами, скопившимися на широкой верхней площадке уступа. По результатам лабораторных исследований, увлажнённые просочившимися дождевыми и талыми водами и набухшие глины теряли свою прочность (их сопротивление сдвигу уменьшалось) в 1,5-2 раза по сравнению с глинами в естественном залегании.
Грунтовые воды сарматского водоносного горизонта также способствуют возникновению деформаций надрудного уступа. Наличие подземных вод в мелко- и среднезернистых кварцевых песках нижнего сармата приводит к набуханию подстилающих эти пески надрудных яблочно-зелёных глин.
Специфика механизма рассмотренных оползней имеет много общего с приведёнными случаями для Лебединского и Михайловского карьеров КМА. Здесь образуются инсеквентные оползни, переходящие частично в консеквентные (в ситуации, когда сдвиг в основании откоса происходит по контакту в надрудных глинах). Но сам процесс формирования во времени поверхности скольжения также является результатом развития длительной ползучести глин, залегающих в подошве деформирующегося уступа и дальнейшего последовательного разрушения более хрупких слоев, берущих на себя основную нагрузку, и накапливающих деформации ползучести пластичных глинистых разновидностей. Быстрее всех в данном случае могут разрушаться залегающие сверху четвертичные глины и суглинки.
Компетентными также являются наиболее прочные прослои (разности) мергельных сарматских глин.
Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария).
Для специалистов нашей страны месторождение лигнитных углей «Марица - Восток» является известным примером больших сложностей, связанных с оценкой условий устойчивости откосов карьеров. Проекты открытой разработки месторождения были выполнены в институте Ленгипрошахт, а консультации по борьбе с огромными оползнями на откосах 3-х карьеров и их внешних отвалах проводили специалисты таких крупных НИИ как ВНИМИ, УкрНИИпроект, ПНИУИ и многих горных ВУЗов -(Московский, Ленинградский, Тульский горные институты) и другие организации.
В геологическом отношении угольное месторождение Марица - Восток
площадью 240 км2 занимает восточную часть Загорской впадины (в пределах
Фракийской низменности), заполненной осадочным комплексом
кайнозойского возраста общей мощностью более 1000 м. В этом комплексе
условно выделяют три толщи неогена: подугольную, угольную (продуктивную)
и надугольную. Подугольная толща мощностью 50-60 м. представлена песчано-
глинистыми отложениями. Продуктивная толща представлена глинистыми
породами плиоцена, в которых залегают три угольных пласта. Средний
(второй) пласт - основной промышленный - имеет мощность от 10 до 25 м. (его
средняя мощность составляет 15 м.). Надугольная толща представлена
плиоценовыми песчано-глинистыми отложениями общей мощностью от 10 до
120 м. (с преобладанием мощностей от 50 до 100 м). Геологический разрез
заканчивается делювиально-аллювиальными песчано-глинистыми
отложениями четвертичного покрова незначительной мощности (от 2-3 до 8-10 м.).
По мнению ряда специалистов данное угольное месторождение представляет собой структурный блок, ограниченный разломами, по которым продолжается современная неотектоническая деятельность (сейсмичность, грязевые вулканы, аномальные напряжения, диапировые формы и т. д.).
В результате воздействия геологических процессов все глинистые породы и угольные пласты характеризуются интенсивной трещиноватостью и расслоением по литологическим контактам и другим элементам неоднородности. Залегание пород и пластов угля практически горизонтальное.
Подземные воды приурочены к песчаным линзам и прослоям подстилающих и перекрывающих продуктивную толщу пород неогена и образуют два водоносных горизонта: подугольный, напорный, и надугольный, безнапорный. Гидравлическая связь между этими горизонтами, а также между водами, приуроченными к отдельным линзам песка в пределах одного горизонта не доказана однозначно.
Напоры воды подугольного горизонта составляют 100-150 м., коэффициенты фильтрации песчаных линз изменяются от 10-10"' до 15-Ю'5 м/сек. Воды слабоминерализованные, гидрокарбонатно- натриевые, неагрессивные по отношению к бетонным сооружениям. Водоносный горизонт в надугольной толще выделен условно. Вода приурочена к отдельным линзам песка, распространённым спорадически. Надугольный горизонт не имеет практического значения для водоснабжения и не оказывает влияния на устойчивость откосов карьеров.
Месторождение разрабатывается тремя карьерами до подстилающих второй угольный пласт глин. Глубина карьеров достигает 80-100 м., на 6-8 вскрышных и угольных уступах работают роторные и многоковшовые экскаваторы, вывоз пород вскрыши на внешние и внутренние отвалы осуществляется железнодорожным транспортом.
-*****-
У*
'------^„-„-jym
W/M4VS№WA№V/S.
.^ A
?&OWAMWA&AWyf^^
Рис. 2.8 Восточно-Марицкое угольное месторождение [26]:
й-расчётная схема; б-угольный карьер
Призмы: ї-активная; П-пассивная; III- предполагаемая слабая поверхность.
1-суглинки; плиоценовые глины: 2-зеленовато-серые, 3-чёрные; 4-уголный пласт; подугольные глины: 5-слоистые,
6-е линзами песка, содержащими напорные воды (плиоцен); профили рабочего борта: 7-до деформирования, 8-после
деформирования; 9-наблюдаемая поверхность скольжения.
Борта карьеров характеризуются одной очень важной особенностью. Хотя породы и уголь сохраняют устойчивость в рабочих уступах под технологическими углами откосов до 90, оползни, захватывающие весь борт вместе с угольным пластом (а таких было более 10) происходили при генеральном угле наклона борта в 5-8 , не достигнув проектных значений 15-18 (высота борта составляла от 50 до 80 м). На рис. 2.8 показан разрез оползневого борта, на котором положение оползневых поверхностей уточнено в результате проведения специальных наблюдений при разработке оползневого участка.
Детальные исследования условий устойчивости откосов карьеров проводились в течение многих лет, в результате чего был накоплен большой объём информации по результатам изучения физико-механических свойств пород и закономерностей оползневых явлений.
Приведём некоторые данные, представляющие интерес с позиции нашей работы. В разрезе оползневых бортов выделены сверху вниз 8 инженерно-геологических разновидностей (табл. 2.8). Прежде всего отметим, что для всех глинистых пород разреза характерен однородный, с преобладанием каолинита, минеральный состав глинистой фракции. По гранулометрическому составу это тяжёлые глины, содержащие более 50 % глинистых частиц и обладающие числом пластичности более 0,40. Исключение представляют жёлтые глины, завершающие разрез, у которых содержание глинистой фракции составляет 40 %, а число пластичности - 0,25. Все глины водонасыщенные, низкой плотности (пористость более 50 %, и только у жёлтых глин п<40 %). Состав и состояние глин определяют их прочность и деформационное поведение. Все глины, по данным испытаний образцов в стабилометре и сдвиговом приборе, характеризуются высоким сцеплением (более 0,1 МПа) и незначительными углами трения (1-10); для угольного пласта угол трения составляет более 30 при сцеплении в образце более 0,3 МПа. Изучение деформаций сдвига
Таблица 2.8 Обобщённые показатели ФМС плиоценовых отложений угольного месторождения «Марица-Восток»
показало, что угольный пласт и жёлтые глины обладают явно выраженным эффектом пиковой и остаточной прочностей, т. е. они являются компетентными слоями, а глины, залегающие над и под угольным пластом таким эффектом не обладают и ведут себя как некомпетентные породы. Критические деформации разрушения при сдвиге для различных пород изменяются в широком интервале. Для одной и той же разновидности значение критической деформации растёт с увеличением нормальных напряжений в плоскости сдвига.
Особенности геологического строения откосов и деформационное поведение слагающих пород определяют специфику механизма оползневого процесса. В период формирования поверхностей скольжения на разных участках зоны сдвига происходит последовательное разрушение пород с переменой напряжённо-деформированного состояния в зависимости от свойств слагающих пород на этих участках. В результате формируются инсеквентно-консеквентные оползни (реже инсеквентные при малых глубинах и более крутых откосах), с образованием призмы активного давления в толще пород всего откоса и плоскости сдвига по наслоению в подугольных глинах.
По результатам изучения сдвиговых деформаций различных пород, слагающих борта в зонах формирующихся поверхностей скольжения, и с помощью обратных расчётов уточнены характеристики сопротивления сдвигу пород, применяющиеся для прогнозных расчётов параметров устойчивых откосов действующих карьеров.
2.3 Естественные склоны.
Саблинский полигон. Оползневые явления на берегах pp. Саблинки и Тосны.
Район находится в 40 км. к югу от г. Санкт-Петербурга недалеко от ст. Саблино Октябрьской ж. дороги; в административном отношении он
принадлежит к Тосненскому району Ленинградской области. Начиная с 50-х гг. здесь организован полигон для прохождения учебных практик студентами инженерно-геологической и гидрогеологической специальностей Горного института.
В геоморфологическом плане рассматриваемая территория относится к северо-западной окраине Русской платформы и охватывает северную оконечность Ордовикского плато, глинт и юг Приневской низменности. Абсолютные отметки поверхности района в пределах Ордовикского плато составляют 30-35 м. Рельеф поверхности представляет собой плоскую равнину, которая прорезается долинами рек Тосны и Саблинки и расчленена овражно-балочной сетью. Общая густота этой сети составляет около 0,45 км/км2, а глубина расчленения колеблется от нескольких метров до 20-25 м. Для территории характерно наличие большого количества мелких источников, ручьёв, родников и т. д. Заболоченность полигона составляет около 5 %, на заболоченных участках встречаются слои торфа мощностью до 1-2 м. и заторфованные супеси с включениями слабо переработанных растительных остатков. Питание болот атмосферно-грунтовое.
Таким образом, основными элементами рельефа здесь являются долины рек Тосны Саблинки с их пойменными и надпойменными террасами, а также формы рельефа, обязанные своим происхождением ледниковой деятельности -эрозионные останцы, являющиеся в большинстве случаев ледниковыми отторженцами.
В свете наших исследований в первую очередь интерес представляют склоны рек Саблинки и Тосны, широко известные своими классическими обнажениями палеозойских пород и подверженные действию различных {происходящих на них} гравитационных процессов. Долина р. Тосны в верховье имеет ящикообразную форму; террасы здесь структурно - цокольного типа. Русло извилистое, с многочисленными меандрами, старицами и перекатами, углубляющееся в сторону глинта до 20-25 м. Течение спокойное,
медленное, скорость потока в среднем около 0,5 м/сек. Ниже глинта террасы р, Тосны имеют как цокольный, так и аккумулятивный характер, мощность аллювия достигает здесь 3-4 м. Русло по-прежнему меандрирующее.
Долина р. Саблинки до водопада имеет извилистый характер. Ниже водопада долина реки приобретает прямолинейную ящикообразную форму с шириной поверху до 100 м. и глубиной до 20-25 м. Ширина русла здесь составляет 2-3 м., а глубина не превышает нескольких десятков см.. Мощность аллювия составляет 1 -2 м. На протяжении всей долины хорошо выражены пойменные и надпойменные террасы.
Вдоль склонов долины р. Саблинки отмечаются многочисленные участки оседания и смещения крупных блоков пород, а также мелкие оползни, приуроченные к песчано-глинистым делювиальным отложениям. Причиной наблюдаемого здесь солифлюкционного течения песчано-глинистого материала является пластовый дренаж нижнего водоносного горизонта.
В геолого-структурном отношении рассматриваемая территория сложена двумя этажами: кристаллическим фундаментом и залегающим моноклинально на его размытой поверхности осадочным чехлом. Поверхность фундамента плавно понижается в юго-восточном направлении, и в районе Саблинского полигона он уже находится на значительной глубине, поэтому в дальнейшей характеристике объекта имеет смысл рассматривать только осадочную толщу, сложенную породами кембрия, ордовика и четвертичными отложениями.
Кембрийские отложения на полигоне представлены породами сиверскоЙ (нижний кембрий), саблинской (средний кембрий) и ладожской (верхний кембрий) свит.
Сиверские серо-голубые (известные в строительной практике как «синие» кембрийские) глины обнажаются по берегам и руслам рек Тосны и Саблинки. Видимая мощность верхней части горизонта глин от нескольких десятков
сантиметров на юге возрастает на севере полигона до 10-15 м. Глины в естественном залегании плотные, маловлажные. Текстура глин тонкослоистая или массивная. В сиверских глинах встречаются включения пирита, редкие маломощные прослои песчаников и алевролитов, иногда - органические остатки.
В связи с тем, что на полигоне верхняя зона глин затронута гляциодислокациями (на правом берегу р,Тосны можно даже наблюдать перевёрнутое залегание отдельных блоков), глины здесь сильно изменены.
Люкатиская свита на полигоне представлена темно-серыми тонкозернистыми кварцевыми песчаниками с тонкими прослоями серых пластичных глин. Максимальная мощность свиты составляет 4 м.; местами эти отложения отсутствуют.
Отложения саблинской свиты (так называемые «ижорские пески») залегают на размытой поверхности сиверских глин или на люкатиских песчано-глинистых отложениях. Это розоватые и желтовато-бурые, в обнажениях по р. Саблинке красноватые песчаники. Песчаники хорошо отсортированные, ел абосцементиро ванные, мелкозернистые, по составу кварцевые. В них отчётливо выражена слоистость. Мощность саблинских песчаников в пределах полигона изменяется от 8 до 13 м.
Ладожская свита залегает со стратиграфическим несогласием на саблинской. Она обнажается на р. Тосне и состоит из косослоистых красноватых песчаников, содержащих в нижней части прослойки железистых конкреций. В ладожских песчаниках встречаются многочисленные обломки раковин брахиопод. Максимальная мощность свиты 1 м.
Ордовикские отложения на территории полигона включают тосненскую и копорскую свиты, породы леэтсеского, волховского и кундаского горизонтов (нижний ордовик), а также известняки таллинского горизонта (средний ордовик).
Пёстроокрашенные (чаще всего буровато-красные, сильно ожелезнённые) песчаники тосненской свиты носят название «оболовых», так как они содержат большое количество обломков и целых створок фосфатных раковин брахиопод Obolus. В подошве оболовых песчаников прослеживается слой конгломератов^ мощностью 0,1 -0,3 м., с галькой, представленной сидеритовыми конкрециями. Песчаники разнозернистые, косослоистые, слабосцементированные, кварцевые по составу. Глинистость этого горизонта повышена.
Мощность оболовых песчаников в пределах полигона варьирует от 2 до 8 м., увеличиваясь в южном направлении. В районе р. Саблинки она составляет 2,6 м.
Толща песчаников саблинской, ладожской и тосненской свит согласно перекрывается пачкой диктионемовых сланцев копорской свиты мощностью 0,10-0,15 м. В западных районах предглинтовой полосы мощность этой пачки увеличивается до 1 м. Сланцы представляют собой буровато-чёрную или тёмно-коричневую тонкослоистую аргиллитоподобную породу, состоящую на 70-90% из глинистого материала и на 10-30% из органического вещества. В увлажнённом состоянии они выглядят как вязкая тёмнофиолетовая масса.
На диктионемовых сланцах копорской свиты с размывом залегают песчано-глинистые отложения леэтсеского горизонта. Они представляют собой переслаивание мелкозернистых глинистых известковых песчаников и глин, содержащих большое количество глауконита, придающего породам зеленоватую окраску. Внизу песчаники слабо сцементированы, вверх по разрезу они упрочняются. Обогащаясь карбонатным цементом, песчаники постепенно переходят в глауконитовые известняки волховского горизонта.
Мощность леэтсеских отложений не превышает 1,0 м. и в среднем составляет около 0,4 м.
В разрезе карбонатных пород волховского горизонта выделяются снизу вверх две пачки известняков:
Нижнюю пачку слагают толстошштчатьге доломигизированные глауконитовые известняки зеленовато-серого цвета, так называемые «дикари».
Верхнюю - известняки массивной текстуры, переслаивающиеся с мергелями и глинами, так называемые «желтяки».
Их суммарная мощность составляет от 1,5 до 6,5 м.
Выше водопада по р. Саблинке и в верхнем течении р. Госны наблюдаются выходы серовато-жёлтых плитчатых эндоцератитовых известняков кундаского горизонта (нижний ордовик) мощностью 2,5-2,8 м. и согласно залегающих на них эхиносферитовых известняков таллинского горизонта (средний ордовик) мощностью 0,5-1,5 м. Эти породы здесь подробно не характеризуются, так как на рассматриваемых ниже оползневых участках они отсутствуют.
Четвертичные отложения залегают с размывом на породах палеозоя и широко распространены в пределах полигона. Среди них выделяются ледниковые отложения верхневалдайского горизонта, аллювиальные отложения верхнего плейстоцена и современные делювиальные, аллювиальные и болотные отложения.
Ледниковые отложения лужской стадии валдайского оледенения представлены моренными суглинками и озёрно-ледниковыми накоплениями. Мощность этих пород составляет 5-10 м. Моренные суглинки имеют коричневую или серую окраску и содержат гравий, гальку, щебень и валуны кристаллических пород фундамента и палеозойских известняков. Местами морена чередуется с озерно-ледниковыми отложениями, представленными тонкими и мелкими хорошо отсортированными песками и ленточными глинами, реже суглинками и супесями.
Современные и плейстоценовые аллювиальные отложения развиты вдоль долин рек Тосны и Саблинки. Их мощность не превышает 4 м. К аллювиальным отложениям плейстоцена приурочен водоносный горизонт. Литологический состав аллювия очень разнообразен. Пойму и первую
надпойменную террасы слагают пески, супеси и суглинки, реже глины, а русловая фация рек Саблинки и Тосны представлена гравийно-галечным материалом с песчаным наполнителем. Многочисленные перекаты образованы скоплениями моренных валунов.
Делювиальные отложения, развитые на склонах коренных пород, откосах речных долин и эрозионных врезах, представляют собой продукты выветривания песчаников, глин, известняков. Их мощность составляет 1-2 м.
Болотные отложения, залегающие на морене или озёрно-ледниковых накоплениях, приурочены к Тосненско-Саблинскому водоразделу и к пойме и террасам рек Саблинки и Тосны. Представлены торфами и заторфованными супесями и суглинками. Мощность болотных отложений 1,0-1,5 м.
Обобщённые показатели физико-механических свойств основных слагающих естественные склоны Саблинского полигона пород приведены в табл. 2.9.
Главные водоносные горизонты рассматриваемого района можно условно объединить в два водоносных комплекса.
Первый комплекс включает кембро-ордовикский и ордовикский межпластовые безнапорные горизонты, а второй комплекс - воды четвертичных отложений.
Кембро-ордовикский водоносный горизонт приурочен к песчаникам саблинской, ладожской и тосненской свит. Мощность горизонта не превышает 10-20 м; водоупором являются подстилающие синие кембрийские глины. Состав вод преимущественно гидрокарбонатный магниево-кальциевый, по типу же они относятся к порово-трещинно-пластовым. Их минерализация достигает 0,5 г/л. Питание кембро-ордовикского горизонта осуществляется из вышележащего ордовикского. Можно предположить, что воды этого горизонта будут обладать углекислотной и общекислотной агрессивностью к бетонам.
Ордовикский водоносный горизонт приурочен к песчаникам и известнякам леэтсеского и волховского горизонтов. Наиболее водообильными
породами являются глауконитовые известняки. Воды этого горизонта карстово-трещинно-пластового типа, по составу гидрокарбонатные магниево-кальциевые. Они более жёсткие, чем воды залегающего ниже кембро-ордовикском горизонта. Широко используются для местного водоснабжения. Возможна связь этих вод с обводнёнными линзами моренных отложений.
Водоупором ордовикского водоносного горизонта являются диктионемовые сланцы, мощность горизонта (как и кембро-ордовикского) составляет! 0-20 м. Оба горизонта первого водоносного комплекса дренируются глинтом и долинами рек Саблинки и Тосны. Вдоль береговых склонов наблюдается пластовое высачивание и стекание подземных вод по стенкам обнажений, обнаружены многочисленные источники.
Четвертичный водоносный комплекс включает в первую очередь горизонт аллювиальных вод, приуроченный к пескам и гравийно-щебенисто-галечному материалу пойменных и надпойменных террас рек Саблинки и Тосны. Его мощность составляет 2-3 м., питание атмосферное, а также за счёт кембро-ордовикского горизонта, с которым он гидравлически связан. Разгружается аллювиальный водоносный горизонт непосредственно в реки Саблинку и Тосну. В пределах полигона воды этого горизонта не изучены и не эксплуатируются.
В связи со спорадическим распространением болотных и элювиально-делювиальных четвертичных отложений, самостоятельные водоносные горизонты, приуроченные к ним, здесь не выделяются.
Как уже было отмечено выше, на Саблинском полигоне инженерам-геологам представляется редкая возможность изучить не только значительную часть разреза палеозойских пород Ленинградской области, но и весьма широкий спектр различных геологических процессов и явлений. Среди последних к гравитационным относятся осыпи, обвалы, оползни, а также солифлюкционное течение водонасыщенного делювия.
Осыпи и обвалы коренных пород характерны для берегов р. Тосны в районе водопада и ниже по течению. Очевидно, что обрушение массивных и плитчатых известняков волховского горизонта вызвано нарушением устойчивости склонов за счёт интенсивного выветривания нижележащей толщи слабосцементированных песчаников, а также из-за образования трещин бортового отпора, наблюдаемых здесь вдоль бровок откосов.
Медленное солифлюкционное течение делювиальных песчано-глинистых пород по поверхности синих кембрийских глин обусловлено постоянным дренажем подземных вод кембро-ордовикского и ордовикского водоносных горизонтов руслом реки. Такие явления наблюдаются на всём протяжении правого берега р. Саблинки от водопада до места её впадения в р. Тосну. Их можно проследить по наклонным (10-15) слабовыпуклым переувлажненным участкам склона, покрытым так называемым «пьяным» лесом.
Что касается оползневых явлений, то на полигоне следует выделить два основных наиболее часто встречающихся типа оползней - асеквентные и инсеквентные. Асеквентные оползни, захватывающие, как правило, верхние 10-15 м сиверских глин и перекрывающую их морену, характерны для северной части полигона. Такие оползни приурочены к вогнутым берегам р. Тосны (начиная от места впадения в неё р. Саблинки и ниже по течению); их активизация определяется циклической эрозионной деятельностью реки. По объёму смещаемых пород (до сотен м3) они относятся к крупнейшим на полигоне. Подготовительная стадия асеквентных оползней связана с развитием процессов выветривания, растрескивания, разупрочнения пород. Если при благоприятном влажностном режиме возможна временная стабилизация таких оползней, то в условиях, например, весеннего паводка в пределах старых оползневых цирков могут развиться вторичные оползни-потоки объёмом до нескольких десятков м .
Инсеквентные оползни (активные и временно стабилизировавшиеся) наблюдаются на левом берегу р. Тосны в зоне глинта. Вдоль правого берега долины Тосны профиль подобных оползневых склонов в значительной степени сглажен в результате деятельности человека.
Оползни инсеквентного типа захватывают слоистые толщи горизонтально залегающих пород кембрия и ордовика и перекрывающую их морену. Принимая во внимание рассмотренное выше геологическое строение участка, следует подчеркнуть влияние на морфологию оползней прежде всего чередования в этих склонах слоев более и менее прочных пород. Помимо этого несомненное влияние на формирование поверхности скольжения будет оказывать наличие в подошве склонов синих пластичных глин (в особенности изменённых).
Так, например, на склоне, расположенном недалеко от места впадения р. Саблинки в р. Тосну, наблюдается инсеквентный оползень, захвативший породы сиверской, люкатиской, саблинской, тосненской свит, а также волховские глауконитовые известняки и моренные суглинки (рис. 2.9). Залегающие в основании склона синие глины в своей верхней части увлажнены и находятся в пластичном состоянии. В расположенной над ними толще песчано-глинистых пород люкатиской свиты и саблинских и тосненских песчаников могут встречаться более прочные прослои (например, лучше сцементированные песчаники), и некомпетентные, слабые прослои. Достаточно прочные волховские известняки являются самыми компетентными породами в разрезе, слабовлажные моренные суглинки - породы средней степени
Рис. 2.9 Схематический разрез оползня у места впадения р. Саблинки в р. Тосну: 1-современные аллювиальные отложения; 2-моренные суглинки (лужская стадия валдайского оледенения); 3-волховские известняки; 4-песчаники (тосненская свита); 5-пески саблинской свиты; 6-песчаники с прослоями глин (люкатиская свита); 7-сиверские серо-голубые глины.
компетентности. Перед нами типичная модель деформирования слоистой среды, когда породы различной степени компетентности залегают практически горизонтально и чередуются между собой, а в основании склона залегают пластичные глинистые породы. В этих глинах постепенно накапливались сдвиговые деформации, провоцируя изменение напряжённого состояния склона в целом. Первые практически вертикальные трещины (как видно по форме поверхности скольжения) возникли в волховских, наиболее прочных и хрупких, породах. Разрушение этих известняков и перекрывающих их морены привело к постепенному формированию поверхности скольжения,
пересекающей чередующиеся между собой слои более и менее прочных пород, слагающих основную часть склона.
Высота склонов, затронутых инсеквентными оползнями, составляет 15-20 м., активное давление на кровлю подстилающих глин достигает 4-5 кгс/см .
Таким образом, среди основных геологических факторов, оказывающих влияние на устойчивость оползневых склонов Саблинского полигона можно назвать следующие:
наличие в нижней части разреза синих пластичных, часто изменённых глин сиверской свиты;
наличие обводнённых песчаников и известняков в нижней и верхней частях разреза соответственно;
интенсивные процессы выветривания, в том числе дефляционного, характерные для данного района;
сезонное изменение гидрологического режима рек Саблинки и Тосны;
техногенное воздействие;
слоистое строение склонов.
Таблица 2.9 Обобщённые показатели ФМС пород Саблинского полигона.
Правый оползневой берег р. Дунай (г. Оряхово, Болгария).
На всём протяжении среднего и нижнего течения р. Дунай его правый берег поражён оползнями. Многие из островов, расположенных в русле Дуная, являются современными образованиями вокруг оползневых языков - мест выпора подстилающих плиоценовых глин. Резкая активизация гравитационных явлений, как правило, связана с воздействием сейсмических процессов, характерных для этого района. Оползни типично инсеквентные, обладающие чертами цикличного развития и блоковой ступенчатой морфологии.
Геологическое строение правого склона речной долины в данном районе определяется чередованием горизонтально залегающих слоев пород разного литологического состава и физического состояния. В основании склона залегают сарматские известняки значительной мощности, трещиноватые. Они перекрываются горизонтально-слоистой песчано-глинистой толщей плиоцена, мощность которой изменяется от 70-100 м. на водораздельном плато до 20-30 м. на оползневых террасах. К трещиноватым известнякам приурочен сарматский напорный водоносный горизонт, верхним водоупором которого является залегающий непосредственно на известняках слой плотных плиоценовых глин мощностью около 10 м.
Плиоценовая толща перекрыта сплошным лёссовым покровом, мощность которого варьирует в широких пределах в зависимости от рельефа территории, достигая 100 м.. По своему составу и состоянию эти породы являются типичными лёссами. Угол внутреннего трения лёссов составляет 27-29, а сцепление 0,05-0,1 МПа.
Рассматриваемый здесь оползневой склон (рис. 2.10) высотой в 70 м. над уровнем воды в р. Дунае перекрыт 20-метровым лёссовым покровом, а речной аллювий залегает на водоупорных глинах плиоцена. По своему гранулометрическому составу плиоценовые глины весьма неоднородны.
МНОЮ
ПШІ] і \^ш з Е233 5
Рис. 2.10 Правый оползневой берег р. Дунай [30]: 1-лёсс; 2-песок; 3-глина; 4-известняк; 5-оползневые отложения; 6-аллювий.
Содержание в них глинистой фракции колеблется от 10 до 50% при числе пластичности, изменяющемся от 17 до 26%. Плотность их увеличивается с глубиной, о чём свидетельствует изменение их пористости сверху вниз от 48 до 30 % и влажности при полном водонасыщении соответственно от 30 до 15 %. Показатель уплотнённости глин с глубиной возрастает от 1,89 до 2,20. Подобное изменение физического состояния определяет и непостоянную прочность глин. Угол внутреннего трения глин плиоцена составляет 10-12 при изменении величины сцепления от 0,06 до 0,12 МПа. По показателям компетентности в разрезе можно выделить (по косвенным данным) весь спектр, начиная с пород высокой степени компетентности (лёссы) и заканчивая
абсолютно некомпетентными породами (пластичные глины, залегающие на разных глубинах между песчаными водоносными горизонтами).
Первые оползни происходили с ярко выраженной спецификой последовательного формирования оползневой поверхности. В результате длительной ползучести в некомпетентных глинистых слоях происходило изменение напряжённо-деформированного состояния в зоне будущей поверхности скольжения. Это изменение последовательно создавало очаги концентрации и релаксации напряжений в более хрупких и более пластичных слоях соответственно. В итоге появились первые крутые трещины в толще лёсса, которые существенно уменьшили степень устойчивости речного берега и ускорили рост оползневых деформаций (в пределах лёссовой толщи было полностью потеряно сопротивление сдвигу).
В зависимости от мощности лёсса (компетентного слоя) после его разрушения происходит быстрое сползание берегового склона, как окончание процесса прогрессирующей ползучести в подстилающих пластичных глинах плиоцена.
Приведём ещё несколько примеров инсеквентных оползней на естественных склонах, неоднородных по своему геологическому строению. Механизм этих оползней также определяется последовательностью чередования в откосе и мощностью компетентных и некомпетентных слоев. Часто некомпетентные породы залегают в нижней части разреза и тогда момент реализации процесса смещения пород по круглоцилиндрическои поверхности совпадает с разрушением компетентных слоев, а вертикальные трещины, определяющие положение и размеры оползневой призмы, появляются при разрушении первого от поверхности склона компетентного слоя.
Одним из ярких примеров такого рода является волжский оползневой склон в районе г. Ульяновска. Оползни эти начал исследовать ещё в начале XX века А.П. Павлов [54]. До настоящего времени они представляют реальную
серьёзную опасность для городских построек, шоссе и прочих объектов человеческой жизнедеятельности. Рассмотрим разрез слагающих оползневой склон Волги пород. Коренной массив водораздела сложен почти целиком тёмно-серыми, частично песчанистыми глинами нижнего мела. В подошве склона, подстилаемые отложениями юры, залегают готеривские глины (рис. 2.11). Это чёрные слюдистые глины, содержащие гипс и большие конкреции чёрного доломита. Они перекрываются песчано-глинистой толщей барремского яруса, которая представляет собой переслаивание плотной глины и песчанистой глины с зелёным и зелёно-серым сильно глинистым песком. Залегающие выше отложения апта включают мощную пачку очень плотных серых глин с включениями пирита, песчанистую глину, сланцевую глину оливкового цвета и тёмно-серую слюдистую глину. В аптекой толще в верхней её части находятся обводнённые слои известняка и доломита максимальной мощностью около 2 м. Разрез коренных пород заканчивается альбекими отложениями, представленными песчаной и глинистой толщами. Эти толщи разделены между собой маркирующим горизонтом - слоем фосфоритов. Аптские пески, в нижней части зеленовато-серые, мелкозернистые и слюдистые, выше по разрезу сменяются крупнозернистыми кварцевыми песками желтоватого цвета. Глины апта тёмно-серые, плотные, с прослоями глинистого зелёного глауконитового песка. К песчаной толще приурочен альбекий водоносный горизонт.
мгор 1:10 000 мверт1:2 000
Горизонт Высоких до&
Горизонт низких дод .
ІДЙМІШ
(бнг
линии разреза)
Рис 2.11 Схематический разрез правого оползневого берега р. Волги в районе г. Ульяновска [60]: (1) - юрские песчаники и конгломераты; (2) - готеривские чёрные глины с гипсом и конкрециями чёрного известняка; (3) - песчано-глинистая толща баррема; (4) - глины и известняки апта; (5) - песчано-глинистая толща альба.
Характерными примерами инсеквентных оползней являются также оползни на обоих берегах р. Кубани на участке между г. Карачаевском и станицей Усть-Джегутинской. По характеру смещения горных масс оползни срезающего, или скалывающего, типа. При оползневом процессе в движение приходят очень крупные пачки. Поверхность скольжения крутая, почти вертикальная у поверхности земли; она срезает здесь слои связных и скальных пород (рис. 2.12). У подошвы склона поверхность скольжения выполаживается и выходит практически горизонтально на дневную поверхность в подстилающих глинистых сланцах. Геологическое строение данного участка оползневого берега р. Кубани таково: две мощные пачки глинистых сланцев разделены известняковой толщей, а далее вверх по разрезу залегают: гипсоносная глинисто-мергелистая толща; известняк; выветрелые глинистые сланцы и тяжёлые суглинки и глины (рис. 2.12).
Огромные оползни-обвалы (или глыбовые оползни) илимского типа захватывают всего несколько литологических разновидностей пород. Они возникают в глинистых пластичных породах верхоленской толщи кембрия и вышележащих скальных породах ордовика (рис. 2.13). Процесс деформации склона начинается смещениями вращательного типа в аргиллитах и заканчивается глыбовыми обвалами вышележащих песчаников, известняков и других жёстких пород. Перед нами классический пример зарождения инсеквентного оползня в некомпетентных подстилающих слоях. Процесс длительной ползучести в верхоленских аргиллитах вызывает потерю прочности и обрушение за счёт собственного веса компетентных известняков, в которых с момента появления трещин растяжения полностью отсутствует сцепление.
Рис. 2.12 Срезающий (скалывающий) оползень на правом берегу р. Кубани в районе пос. Важного [52]: 1-тяжёлые суглинки и глины; 2-выветрелые глинистые сланцы; 3-известняк; 4-гипсоносная глинисто-мергелистая толща (алебастр); 5-глинистые сланцы; 6-известняки, доломиты, мергели.
80 160 240 320 400 450 м
Рис. 2.13 Схема развития глыбовых оползней илимского типа [44]: 1-устькутские песчаники и известняки; 2-верхоленские аргиллиты; 3-известняки и песчаники; 4-глыбовый материал; 5-уровень трещинно-карстовых вод; 6-источник; 7-поверхность смещения.
В образовании грандиозного горного оползня в ущелье р. Риони (Закавказье) основная роль также принадлежит деформации мощной толщи подстилающих слабых некомпетентных пород - пестроцветных глин и листоватых сланцев. Налегающие на них прочные известняки мела обусловили возникновение больших напряжений в обнажившейся широкой полосе слабых пород подошвы откоса. Выдавливанию пестроцветных вулканогенных глин и глинистых сланцев в подошве склона в некоторой степени препятствовал выступ туфогенных песчаников (рис. 2.14), но окончательное оформление оползня совпало с завершением процесса прогрессирующей ползучести в слабых глинистых отложениях.
Рис. 2.14 Ущелье р. Риони. Оползень комплекса меловых известняков [44]: 1-трещиноватые, слоистые известняки апта, баррема и неокома; 2-вулканогенные глины пестроцветной свиты кимериджа; 3-листоватые глинистые и углистые сланцы бата; 4-туфогенные песчаники порфиритовой свиты байоса; 5-оползневой уступ в толще делювия; 6-оползневые накопления, состоящие преимущественно из известняков (с обратным уклоном слоев); 7-вторичные накопления, состоящие из разрушенных, оглинившихся известняков.
2.4 Выводы по II главе:
Несмотря на то, что рассмотренные объекты находятся в совершенно различных инженерно-геологических условиях, сразу обращает на себя внимание наличие между ними ряда схожих черт, оправдывающих подход к объяснению условий возникновения и развития оползневых деформаций на данных объектах с одних и тех же позиций.
Во-первых, по классификации Ф.П. Саваренского, главными признаками разделения в которой являются структура оползневого склона и характер поверхности скольжения, все оползни относятся к инсеквентному типу. Это оползни, «врезающиеся в толщу склона, сложенного различными породами, состоящими из чередования разных слоев или пород разного состава, причём поверхность смещения режет эти породы»[61]. Поверхность смещения здесь
неоднородна по своей форме, что связано с отрывом пород в верхней части и собственно скольжением нижней части. В верхней части эта поверхность крутая, иногда почти вертикальная, а в нижней - более пологая. Примечательно, что Ф.ГХ. Саваренский характеризует инсеквентные оползни как «врезающиеся в горизонтальные или наклонно залегающие слои пород с отрывом верхней части и скольжением нижней по глинистой породе» или «с отрывом верхней части и сплыванием нижней части» опять же по глинистой породе.
Во-вторых, все рассмотренные оползневые склоны и откосы являются по своему геологическому строению неоднородной средой, где можно различить слои компетентные и некомпетентные. К компетентным, как правило, относятся плотные и слабовлажные глинистые разновидности, а также некоторые полускальные породы. Роль некомпетентных слоев играют малопрочные, влажные песчано-глинистые разновидности, глины мягко- и текучепластичнои консистенции и т.д. В данной ситуации представляется необходимым ставить вопрос о компетентности пород в связи с определяющим её влиянием на специфику механизма протекания оползневого процесса в подобной среде.
Наиболее показательным объединяющим звеном для всех объектов является сам механизм оползневых деформаций. Его специфика как раз определяется наличием и расположением в склоне или откосе компетентных и некомпетентных пород и особенностями их совместного деформирования. На всех объектах ярко проявляется последовательный характер разрушения пород и видна стадийность оползневого процесса, связанная с постепенным изменением напряжённо-деформированного состояния склона или откоса. Как правило, очаги оползнеобразования - слабые, пластичные (некомпетентные) глинистые породы, залегающие в подошве склона (или отдельного оползневого уступа на карьере). Здесь постепенно накапливаются сдвиговые деформации, провоцирующие изменение напряжённого состояния склона в целом. В первую
очередь же разрушается первый от поверхности наиболее прочный и хрупкий (компетентный) слой, в котором наблюдаются вертикальные трещины отрыва.
Наконец, сама морфология оползневых тел, которая видна на прилагающихся схемах (из прилагающихся рисунков) (рис. 2.12,2.13,2.14, и т.д.), также говорит о схожем строении подобных инсеквентных оползней. Все они имеют террасовидный облик. По типу смещения горной массы многие из них можно отнести к структурно-пластическим. В большинстве случаев (особенно при больших высотах откосов) после оползания хотя бы частично сохраняются элементы первоначальной макроструктуры массива. Поверхность скольжения на большей части близка к круглоцилиндрической.
Таковы первоочередные выводы о специфических чертах последовательного разрушения неоднородных массивов горных пород на основании анализа общих признаков этого процесса в различных инженерно-геологических условиях (на различных природных и искусственных объектах).
Конец XX века. Проблема длительной устойчивости откосных сооружений и поведения различных пород в оползневом процессе
Отложения бата, по происхождению континентальные, представлены в основном мелкозернистыми кварцевыми песками, переелаиваюшимися с чёрными глинами. Горизонтальная слоистость батских песков обусловлена чередованием в них более или менее унифицированных прослоев, выделяющихся по цвету - от светло-серого до тёмно-серого.
Так как батские отложения залегают на размытой поверхности девона, их мощность невидержана и изменяется в пределах 0-50 м., увеличиваясь от центра месторождения к его периферии. В среднем она составляет 15-20 м.
Пески бата представлены на месторождении четырьмя разновидностями: песками мелкозернистыми и тонкозернистыми, песками мелкозернистыми и тонкозернистыми глинистыми, песками раз н озер н истыми, песками разнозернистыми глинистыми. Физико-механические свойства преобладающих мелкозернистых песков приведены в табл.2А
Глинистая толща бата представлена главным образом тяжёлыми глинами и глинами, подчинённое положение занимают глины алевритовые и песчано-алевритовые. Глины чёрные, углистые, тонкодисперсные, пластичные, слабо уплотнённые, способные легко переходить в текучее состояние. По двум определениям Славяпова [55] угол внутреннего трения для глин составляет 1926 . Угол внутреннего трения для тяжёлых глин по данным Н.К. Паффенгольца составляет 2322 , а сцепление С=0,540 кгс/см2. Глины бата слабо- или сред несжимаемые.
Устойчивость толщи бата в откосах может быть гарантирована лишь при его падёжном предварительном осушении. В таких неоднородных, сильно обводнённых породах помимо песков-плывунов опасность представляет возможное развитие таких явлений, как суффозионные деформации и деформации выдавливания, а также возникновение оползней по глинам вблизи контакта с водоносными песками.
Отложения келловея, морские по происхождению, снизу вверх можно разделить на следующие горизонты: 1) песчаные» у подошвы переходящие в i-равелистые, глины (мощностью до 5 м.); 2) плотные серые известковые глины с большим содержанием кальцита и морской макро- и микрофауны (мощность 20-25 м.); 3) светло-серые плотные глины (мощностью до 5 м.) Общая мощность келловейских глин в среднем составляет 30 м. В них иногда встречаются маломощные линзы известняков, а в песчаных глинах нижнего горизонта - тонкие прослойки алевритов. Содержание глинистой фракции в среднем по всей толще 58,47 %. Физические свойства всех глин келловея довольно однообразны (табл.2.4). По гранулометрическому составу это в основном тяжёлые глины, встречаются также песчаные алевритистые глины. Глины келловея вые око пластичные (1р около 40 %),имеют твердую или полутвердую консистенцию, уплотненные, средне- и слабосжимаемые (а-0,0072 ем2/кге). Они практически негидрофильны. Глины верхнего горизонта не реагируют с соляной кислотой. Глины нижнего и среднего горизонтов по составу гидрослюдистые с прослоями кальций-монтмориллонита. Глины нижнего горизонта трещиноватые, а среднего горизонта - сштьнотретциноватые. Прочностные свойства пород нижнего и особенно среднего горизонтов при увлажнении могут ухудшаться. Это объясняется наличием в них прослоев с горизонтальной ориентировкой глинистых минералов, а также возможным присутствием в этих прослоях ориентированно расположенных обломков кальцитизированных раковин и примесей монтмориллонита, что ослабляет внутренние связи в глинах. В случае дополнительного увлажнения возможно возникновение оползней по таким ослабленным прослоям. Горизонтальная трешиповатость нижнего горизонта и горизонтальная и вертикальная трещиноватость среднего горизонта также представляют опасность для устойчивости бортов карьера. По результатам сравнения сдвиговых характеристик всех глин келловея наиболее устойчивым является горизонт верхних глин. Нижневолжские отложения (средняя мощность около 7 м.) распространены практически повсеместно. Они также представляют собой литологически пёструю толщу песчано-глин истых отложений и по своим физико-механическим свойствам близки к породам неокомского яруса. Отти отличаются от пород неокома зеленоватой окраской, обусловленной большим содержанием в них глауконита. Снизу вверх прослеживаются следующие разности: 1) Глина зеленовато-серая, алевритовая, плотная, трещиноватая- Порода слабоводоустойчивая . (М І,0 м.). 2) Алеврит зеленовато-серый, с глинистыми прослоями, уплотнённый. В кровле переходит в зеленовато-серую алевритовую глину. Встречаются линзы светло-серого мелкозернистого песка. (М=1,0-1,5м.), 3) Песок мелкозернистый серо-зелёный, горизонтально-слоистый, водоносный. (М=0Д-0,3 м.). 4) Глина зеленовато-тёмно-серая, плотная, горизонтально-слоистая5 неводоустойчивая. (N1=1,0 м,). 5) Алеврит зеленовато-тёмно-серый, глинистый, слюдистый, переходящий в кровле в зеленовато-серую глину. (М=3,0-4?0 м/).
Меловые отложения на месторождении представлены песчано-глинистыми породами апта и неокома и сеноман-альбскими песками. Их общая мощность в среднем составляет 20 м. В меловых отложениях встречаются также линзы и прослои кварцевых (в сеноман-альбских и аптских песках) и сидеритовых (в нсокомских породах) песчаников.
Неокомские отложения, как и нижневолжские, распространены практически повсеместно, за исключением речных долин, где они размыты. Для них характерно частое переслаивание глинистых песков и песчаных глин, но обычно сверху залегают тонкозернистые тёмно-серые с зеленоватым оттенком глинистые пески, которые переходят у подошвы слоя в плотные серые глины, жирные на ощупь.
Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария)
Следует отметить, что при возникновении подобных оползней песок располагается в нижней части откоса оползневых пород и создаётся впечатление, что именно суффозионное оплывание песка явилось причиной нарушения устойчивости. Между тем оползание и в этом случае происходило по контакту в надрудных глинах, что было подтверждено наблюдениями на расчистках оползневого борта.
Очень крупный оползень (объёмом около 1 млн.м3) произошел по древней поверхности скольжения в результате увлажнения глинистых пород атмосферными водами, скопившимися на широкой верхней площадке уступа. По результатам лабораторных исследований, увлажнённые просочившимися дождевыми и талыми водами и набухшие глины теряли свою прочность (их сопротивление сдвигу уменьшалось) в 1,5-2 раза по сравнению с глинами в естественном залегании.
Грунтовые воды сарматского водоносного горизонта также способствуют возникновению деформаций надрудного уступа. Наличие подземных вод в мелко- и среднезернистых кварцевых песках нижнего сармата приводит к набуханию подстилающих эти пески надрудных яблочно-зелёных глин.
Специфика механизма рассмотренных оползней имеет много общего с приведёнными случаями для Лебединского и Михайловского карьеров КМА. Здесь образуются инсеквентные оползни, переходящие частично в консеквентные (в ситуации, когда сдвиг в основании откоса происходит по контакту в надрудных глинах). Но сам процесс формирования во времени поверхности скольжения также является результатом развития длительной ползучести глин, залегающих в подошве деформирующегося уступа и дальнейшего последовательного разрушения более хрупких слоев, берущих на себя основную нагрузку, и накапливающих деформации ползучести пластичных глинистых разновидностей. Быстрее всех в данном случае могут разрушаться залегающие сверху четвертичные глины и суглинки. Компетентными также являются наиболее прочные прослои (разности) мергельных сарматских глин.
Оползневые явления на откосах угольных карьеров месторождения «Марица-Восток» (Болгария). Для специалистов нашей страны месторождение лигнитных углей «Марица - Восток» является известным примером больших сложностей, связанных с оценкой условий устойчивости откосов карьеров. Проекты открытой разработки месторождения были выполнены в институте Ленгипрошахт, а консультации по борьбе с огромными оползнями на откосах 3-х карьеров и их внешних отвалах проводили специалисты таких крупных НИИ как ВНИМИ, УкрНИИпроект, ПНИУИ и многих горных ВУЗов -(Московский, Ленинградский, Тульский горные институты) и другие организации. В геологическом отношении угольное месторождение Марица - Восток площадью 240 км2 занимает восточную часть Загорской впадины (в пределах Фракийской низменности), заполненной осадочным комплексом кайнозойского возраста общей мощностью более 1000 м. В этом комплексе условно выделяют три толщи неогена: подугольную, угольную (продуктивную) и надугольную. Подугольная толща мощностью 50-60 м. представлена песчано глинистыми отложениями. Продуктивная толща представлена глинистыми породами плиоцена, в которых залегают три угольных пласта. Средний (второй) пласт - основной промышленный - имеет мощность от 10 до 25 м. (его средняя мощность составляет 15 м.). Надугольная толща представлена плиоценовыми песчано-глинистыми отложениями общей мощностью от 10 до 120 м. (с преобладанием мощностей от 50 до 100 м). Геологический разрез заканчивается делювиально-аллювиальными песчано-глинистыми отложениями четвертичного покрова незначительной мощности (от 2-3 до 8-10 м.). По мнению ряда специалистов данное угольное месторождение представляет собой структурный блок, ограниченный разломами, по которым продолжается современная неотектоническая деятельность (сейсмичность, грязевые вулканы, аномальные напряжения, диапировые формы и т. д.). В результате воздействия геологических процессов все глинистые породы и угольные пласты характеризуются интенсивной трещиноватостью и расслоением по литологическим контактам и другим элементам неоднородности. Залегание пород и пластов угля практически горизонтальное.
Подземные воды приурочены к песчаным линзам и прослоям подстилающих и перекрывающих продуктивную толщу пород неогена и образуют два водоносных горизонта: подугольный, напорный, и надугольный, безнапорный. Гидравлическая связь между этими горизонтами, а также между водами, приуроченными к отдельным линзам песка в пределах одного горизонта не доказана однозначно.
Напоры воды подугольного горизонта составляют 100-150 м., коэффициенты фильтрации песчаных линз изменяются от 10-10" до 15-Ю 5 м/сек. Воды слабоминерализованные, гидрокарбонатно- натриевые, неагрессивные по отношению к бетонным сооружениям. Водоносный горизонт в надугольной толще выделен условно. Вода приурочена к отдельным линзам песка, распространённым спорадически. Надугольный горизонт не имеет практического значения для водоснабжения и не оказывает влияния на устойчивость откосов карьеров.
Месторождение разрабатывается тремя карьерами до подстилающих второй угольный пласт глин. Глубина карьеров достигает 80-100 м., на 6-8 вскрышных и угольных уступах работают роторные и многоковшовые экскаваторы, вывоз пород вскрыши на внешние и внутренние отвалы осуществляется железнодорожным транспортом.
Анализ результатов. Классификация пород по степени компетентности
Несмотря на то, что рассмотренные объекты находятся в совершенно различных инженерно-геологических условиях, сразу обращает на себя внимание наличие между ними ряда схожих черт, оправдывающих подход к объяснению условий возникновения и развития оползневых деформаций на данных объектах с одних и тех же позиций.
Во-первых, по классификации Ф.П. Саваренского, главными признаками разделения в которой являются структура оползневого склона и характер поверхности скольжения, все оползни относятся к инсеквентному типу. Это оползни, «врезающиеся в толщу склона, сложенного различными породами, состоящими из чередования разных слоев или пород разного состава, причём поверхность смещения режет эти породы»[61]. Поверхность смещения здесь неоднородна по своей форме, что связано с отрывом пород в верхней части и собственно скольжением нижней части. В верхней части эта поверхность крутая, иногда почти вертикальная, а в нижней - более пологая. Примечательно, что Ф.ГХ. Саваренский характеризует инсеквентные оползни как «врезающиеся в горизонтальные или наклонно залегающие слои пород с отрывом верхней части и скольжением нижней по глинистой породе» или «с отрывом верхней части и сплыванием нижней части» опять же по глинистой породе.
Во-вторых, все рассмотренные оползневые склоны и откосы являются по своему геологическому строению неоднородной средой, где можно различить слои компетентные и некомпетентные. К компетентным, как правило, относятся плотные и слабовлажные глинистые разновидности, а также некоторые полускальные породы. Роль некомпетентных слоев играют малопрочные, влажные песчано-глинистые разновидности, глины мягко- и текучепластичнои консистенции и т.д. В данной ситуации представляется необходимым ставить вопрос о компетентности пород в связи с определяющим её влиянием на специфику механизма протекания оползневого процесса в подобной среде.
Наиболее показательным объединяющим звеном для всех объектов является сам механизм оползневых деформаций. Его специфика как раз определяется наличием и расположением в склоне или откосе компетентных и некомпетентных пород и особенностями их совместного деформирования. На всех объектах ярко проявляется последовательный характер разрушения пород и видна стадийность оползневого процесса, связанная с постепенным изменением напряжённо-деформированного состояния склона или откоса. Как правило, очаги оползнеобразования - слабые, пластичные (некомпетентные) глинистые породы, залегающие в подошве склона (или отдельного оползневого уступа на карьере). Здесь постепенно накапливаются сдвиговые деформации, провоцирующие изменение напряжённого состояния склона в целом. В первую очередь же разрушается первый от поверхности наиболее прочный и хрупкий (компетентный) слой, в котором наблюдаются вертикальные трещины отрыва.
Наконец, сама морфология оползневых тел, которая видна на прилагающихся схемах (из прилагающихся рисунков) (рис. 2.12,2.13,2.14, и т.д.), также говорит о схожем строении подобных инсеквентных оползней. Все они имеют террасовидный облик. По типу смещения горной массы многие из них можно отнести к структурно-пластическим. В большинстве случаев (особенно при больших высотах откосов) после оползания хотя бы частично сохраняются элементы первоначальной макроструктуры массива. Поверхность скольжения на большей части близка к круглоцилиндрической.
Таковы первоочередные выводы о специфических чертах последовательного разрушения неоднородных массивов горных пород на основании анализа общих признаков этого процесса в различных инженерно-геологических условиях (на различных природных и искусственных объектах).
В настоящее время, как известно, расчёт устойчивости откосных сооружений производится методами теории предельного равновесия и предельного напряжённого состояния с использованием показателей прочности пород при сдвиге - удельного сцепления и коэффициента внутреннего трения или общего сопротивления сдвигу (метод касательных напряжений). При этом следует обратить внимание на две особенности, имеющие большое значение для изучения прочности слагающих сооружения пород. У всех природных склонов и откосов в естественных геологических массивах названные выше показатели характеризуют обыкновенно природную (естественную) прочность или прочность пород нового физического состояния, приобретённого в результате разгрузки приоткосного массива.
На рис.3.1 показана схема изменения напряжённого состояния в зоне формирующейся поверхности скольжения, из которой следует, что максимальные главные напряжения в разных точках не превышают главные максимальные напряжения, при которых формировалась порода (см. табл. 4,2), На отдельных уступах глубоких выемок в зоне вероятного сдвига глинистые породы могут приобрести новое физическое состояние в результате их набухания. Превышение природных уплотняющих давлений является редким исключением, связанным с техногенным воздействием (нагрузка от горнотранспортного оборудования, зданий и сооружений; сейсмические толчки; дренаж водоносных горизонтов и т.д.).
Рекомендации по организации и функционированию локального инженерно-геологического мониторинга на слоистых склонах и откосах
Оба показателя удобны тем, что их определение проводится с достаточной точностью по опытным деформационным кривым, а их значения изменяются в пределах от 0 до 1. Породы высокой степени компетентности характеризуются высокими (но разными) значениями обоих показателей, а слабые, пластичные породы (некомпетентные) - показателями, близкими или равными 0. По своей физической сущности показатели Кх и К ан&тогичны показателям чувствительности глин, предложенным К. Терцаги и другими авторами.
На основе проведённых автором опытов и данных других исследований предлагается следующая классификация пород по степени их компетентности: (1)—породы высокой степени компетентности (аргиллиты, алевролиты, плотные глины) с Кг 0,6 и К] 0,8 (2)-породы средней степени компетентности (слабовлажные, плотные глины и суглинки) с K.t=0,3-0,6 и К—0,5-0,8 (З)-породьт низкой степени компетентности (слабые, водонасыщенные глинистые разности) с 1 =0,1-0,3 и Кр0,3-0,5 (4)-породы некомпетентные (осадки, илы) с Kt 0,l и К; 0,3 Как видно из таблиц 3.1 и 3.2, часть исследованных образцов представлена супесями и суглинками из р-на г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Для указанных пород в силу невысокой степени их литификации, а, соответственно, повышенной влажности и небольшой плотности, эффект пиковой прочности наблюдался лишь примерно в 20 % случаев. По приведённой классификации часть из них следует отнести к породам низкой степени компетентности (1 =0,1-0,3 и К=0,3-0,5), а часть - к абсолютно некомпетентным (с 1 =1 =0). Рассматривая поведение всех изученных разновидностей в совокупности, в том числе тех глинистых пород, где эффект пиковой и остаточной прочности присутствовал, а также данные по испытаниям мела и глин, отобранных на карьерах, и опытных смесей с добавлением цемента, можно сделать следующие выводы:
Степень компетентности конкретной породы может варьировать с изменением влажности и плотности этой породы, то есть с изменением ее" физического состояния. Здесь соблюдается следующая закономерность: с увеличением влажности породы (здесь и в дальнейшем речь будет идти о влажности на плоскости сдвига) показатели К, и К] уменьшаются, что говорит об уменьшении степени компетентности породы (см. табл.3.2). Увеличение плотности одной и той же породы, напротив, вызывает повышение показателей степени компетентности грунта. Следует отметить, что, если анализировать зависимость степени компетентности одной и той же породы от её влажности и плотности, последнюю зависимость Kr f(p) и Ki=f(p) проследить сложнее, так как образцы разной плотности обладают и разной влажностью, что снижает возможность правильной оценки степени влияния на компетентность породы каждого из этих показателей, а именно, плотности.
Особый интерес представляют данные об изменении степени компетентности породы при постоянных влажности и плотности, но различных значениях величины нормального напряжения в плоскости сдвига. В данном случае практически однозначно можно утверждать, что при увеличении прилагаемой в процессе испытания нормальной нагрузки на образец значения Кг и Kf уменьшаются (при этом значения показателя степени компетентности породы по деформациям могу и увеличиваться), но всё это говорит о том, что перегиб деформационной кривой как бы сглаживается, выполаживается, а соответственно, степень проявления эффекта пиковой прочности, или компетентность породы, уменьшается. Таким образом, для породы, находяшейся в неизменном физическом состоянии (w,p=const), изменение её компетентности может быть обусловлено тем, в каком напряжённом состоянии находилась данная порода при сдвиге.
Предварительную оценку пород, слагающих склон или откос, по степени компетентности можно осуществить косвенным путём по показателям их физического состояния: влажности, плотности, водонасышенню, хрупкости, пластичности, чувствительности и др. Анализ данных испытаний различных глинистых пород и искусственных смесей показал сложность и многофакторность проблемы установления взаимосвязи и взаимообусловленности показателей физического состояния пород и их степени компетентности, что затрудняет прогнозирование их поведения при сдвиге. Даже разделение пород по этим признакам на две категории -компетентные и некомпетентные -выполняется весьма условно. Некомпетентные глинистые разновидности характеризуются малой степенью литификации, высокой влажностью, как правило, полным водо насыщением и прочностью, обусловленной ВОДІ ю-коллоидными структурными связями. Примером некомпетентных пород, как уже говорилось, являются суглинки и супеси четвертичного возраста, а также глины дислоцированные, переотложенные и недоуплотнё нные. Для некомпетентных глинистых разностей характерны также однородность физического состояния и наличие корреляционных зависимостей между отдельными показателями физических свойств и их прочностью.
