Способ укрепления оползнеопасного массива склона

Изобретение относится к строительству, горному делу, в частности к противооползневым мероприятиям, предусматривающим повышение устойчивости склона и предотвращение развития оползневых деформаций. Технический результат - управляемое повышение устойчивости оползнеопасного грунтового массива до требуемого уровня и эффективное использование подземного пространства. Это достигается тем, что способ укрепления оползнеопасного массива склона путем управляемого повышения запаса устойчивости до требуемого уровня оползнеопасного коренного массива склона включает определение глубины до потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона, структурной прочности при сжатии грунта в этом горизонте, удельного веса грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом, для управляемого повышения запаса устойчивости оползнеопасного коренного массива склона, в нем образуют секущую выемку, ось которой ориентируют нормально к бровке склона, шириной

глубиной

и длиной L≥2·H, где В, Н, L - соответственно ширина, глубина и длина секущей выемки /м/; К - коэффициент запаса устойчивости; Z_d - глубина до потенциально деформирующегося горизонта /м/; σ_str - структурная прочность грунта потенциально деформирующегося горизонта при сжатии /кПа/; γ - удельный вес грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом /кН/м³/. При этом на склоне с существующим оползневым цирком выемку в оползнеопасном коренном массиве размещают по оси цирка и выполняют шириной

где В - ширина выемки /м/; К - коэффициент запаса устойчивости оползнеопасного коренного массива с выемкой относительно его предельного состояния в существующем оползневом цирке; R - радиус изгиба бровки оползнеопасного коренного массива в существующем оползневом цирке /м/. В выемке могут возвести подземное эксплуатируемое сооружение, жесткий каркас которого прикрепляют к устойчивому массиву в тыловой части выемки, например, посредством анкеров, с возможностью дренирования подземных вод. Со дна выемки можно произвести укрепительные работы по повышению структурной прочности на сжатие грунта потенциально деформирующегося горизонта в окружающих выемку бортовых частях оползнеопасного коренного массива, например, путем инъекции укрепляющего раствора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к строительству, горному делу, в частности к противооползневым мероприятиям, предусматривающим повышение устойчивости склона и предотвращение развития оползневых деформаций.

Известен способ укрепления оползневого склона путем осуществления пригрузки у основания оползнеопасного коренного грунтового массива в виде анкерного крепления с возможностью его натяжения или контрфорса с расположением ее между межоползневыми гребнями с интервалом, меньшим длины оползневого блока [1].

В данном способе повышение устойчивости оползнеопасного коренного массива и соответственно оползневого склона обеспечивают пригрузкой основания оползнеопасного коренного массива в виде искусственного гребня в существующем оползневом цирке, устраняя условия образования нового оползневого блока в коренном массиве.

Недостатком данного способа является, с одной стороны, сохранение в исходном виде оползнеопасного коренного грунтового массива и, с другой стороны, требуются дорогостоящие и трудоемкие работы по созданию анкерного крепления или по сооружению контрфорса на подвижном оползневом склоне для повышения устойчивости оползнеопасного коренного массива. Кроме того, данные противооползневые мероприятия могут ограничивать хозяйственное использование склоновой территории.

Известен способ укрепления оползнеопасного склона путем удаления (срезки) грунта с коренного массива, уположения его и таким образом повышения устойчивости склона [2].

К недостаткам данного способа относятся:

- сохранение фронтальности очертания спланированного откоса оползнеопасного коренного массива и тем самым возможности активизации оползневого процесса с образованием оползневого блока в оставшейся части коренного массива при возможной глубокой подсечке его основания, например при подвижке примыкающей к коренному массиву верхней части оползневого тела;

- большая трудоемкость выполнения работ по удалению верхних пластов прибровочной части оползнеопасного коренного массива на всем его протяжении (в г.Одессе протяженность берега, захваченного катастрофическими подвижками, достигала 2 км и более [3]);

- невозможность реализации данного способа в условиях тесной городской застройки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ укрепления оползневого склона путем преобразования потенциального оползневого блока в устойчивое подземное эксплуатируемое сооружение [4]. Недостатком этого способа является большая трудоемкость и стоимость работ, что бывает оправдано только при большой стоимости земли и необходимости использования подземного пространства, например, в таких мегаполисах, как Москва.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков, управляемое повышение устойчивости оползнеопасного массива склона до требуемого уровня с возможностью использования образуемого подземного пространства под соответствующие инженерные сооружения и сохранения исходного ландшафта склоновой территории.

Это достигается тем, что способ укрепления оползнеопасного массива склона путем повышения запаса устойчивости до требуемого уровня потенциально деформирующегося горизонта в грунтовом основании склона включает определение структурной прочности при сжатии грунта этого горизонта, удельного веса грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом, причем для достижения запаса устойчивости потенциально оползнеопасного коренного массива склона в нем образуют секущую выемку, ось которой ориентируют нормально к бровке склона, шириной

глубиной

и длиной L≥2H,

где B, H, L - соответственно ширина, глубина и длина выемки /м/, Z_d - глубина до потенциально деформирующегося горизонта /м/, σ_str - структурная прочность грунта потенциально деформирующегося горизонта /кН/м²/, γ - удельный вес грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом /кН/м³/, K - требуемый коэффициент запаса устойчивости. При этом в выемке возводят подземное эксплуатируемое сооружение, жесткий каркас которого прикрепляют к устойчивому массиву в тыловой части выемки. Кроме того, в выемке организуют дренаж подземных вод из оползнеопасного массива, а в оползневом цирке радиусом R выемку шириной

размещают по оси цирка.

Способ предназначен для укрепления оползнеопасных грунтовых массивов как на склонах, где уже имеет место развитие оползневого процесса, в надоползневых уступах оползневых цирков, так и на участках относительно высоких и крутых откосов, состояние которых близко к предельному, которые не обладают достаточной устойчивостью.

Нарушение устойчивости склонового грунтового массива с развитием гравитационных оползневых деформаций может происходить, если в коренном грунтовом массиве имеется потенциально деформирующийся горизонт, на котором грунты имеют структурную прочность, меньшую вертикального давления от веса вышележащей толщи. При этом вследствие снижения пригрузки на потенциально деформирующийся горизонт со стороны склона, например путем удаления склоновых отложений при воздействии эрозионных и абразионных процессов, техногенной срезки грунта при строительстве сооружений, прокладке коммуникаций, или перемещения оползневых масс, примыкающих к оползнеопасному массиву, изменяется напряженно-деформированное состояние исследуемого горизонта. Снижение пригрузки (вертикального давления) на горизонт со стороны склона может привести к достижению предельного равновесия в потенциально деформирующемся горизонте между активным горизонтальным давлением - это значения бокового распора от вертикального давления вышележащих масс, и пассивным горизонтальным давлением - это противодействие склонового массива с учетом действующей пригрузки для протяженного склона, радиус изгиба бровки которого R→∞.

Уравнение равновесия, определяющее параметры массива, когда создается предельное состояние в потенциально деформирующемся горизонте массива, выглядит следующим образом:

где Z_d - глубина до потенциально деформирующегося горизонта /м/; σ_str - структурная прочность грунта на глубине Z_d /кН/м²/; γ - удельный вес грунтовой толщи, залегающей над исследуемым горизонтом на глубине Z_d /кН/м³/; H_lim - предельная высота откоса исследуемого оползнеопасного массива.

Установлено, что циркообразный склон имеет большую устойчивость, чем склон с R→∞, причем устойчивость увеличивается с уменьшением радиуса искривления его бровки.

На фиг.1 изображен участок склона с оползнеопасным грунтовым массивом в верхней части склона, радиусом R и искусственной выемкой шириной В.

Способ осуществляют следующим образом. В соответствии с материалами инженерных изысканий производят анализ устойчивости коренного массива (1) высотой H с возможностью деформирования грунтов с последующим образованием оползневого блока на испытываемом горизонте, например используя выражение (1) или другой какой либо способ оценки устойчивости.

Устанавливается, что в соответствии с фактическими условиями (вертикальным давлением, высотой уступа и структурной прочностью σ_str при сжатии грунта на глубине Z_d) состояние устойчивости массива (1) наиболее близко к предельному при рассмотрении потенциально деформирующегося слоя (2) на глубине Z_d, угрожая формированием поверхности скольжения (3) и образованием нового оползневого блока (5) в коренном массиве (1). Для протяженного склона уравнением, определяющим предельное состояние, является выражение (1), а соответственно коэффициент устойчивости K=1.

Определяют размеры выемки (4) в соответствии с требуемым коэффициентом запаса устойчивости K относительно предельного (1), значением структурной прочности на сжатие грунта потенциально деформирующегося горизонта и среднего значения удельного веса грунтов, залегающих выше этого горизонта:

длина

ширина

глубина

где L, B, H - размеры выемки в оползнеопасном массиве; Z_d - глубина до потенциально деформирующегося горизонта /м/; σ_str - структурная прочность грунта потенциально деформирующегося горизонта /кН/м²/; γ - среднее значение удельного веса грунтов, залегающих над потенциально деформирующимся горизонтом /кН/м³/; K - требуемый коэффициент запаса устойчивости.

Выемку ориентируют нормально к бровке откоса и осуществляют шириной B, средней по глубине выемки, и длиной L, превышающей или равной удвоенному значению высоты откоса оползнеопасного массива в предельном его состоянии, что обеспечивает выход тыловой части выемки за пределы оползневой зоны, т.е. возможного нового оползневого блока (5). В оползневом цирке радиусом R ось выемки I-I располагают по оси цирка, а ширину выемки корректируют с учетом радиуса R и требуемым коэффициентом К запаса устойчивости по сравнению с предельным состоянием в исходных условиях,

В выемке может быть размещено эксплуатируемое подземное сооружение с жестким прочным каркасом (6) (фиг.2). При этом каркас сооружения прикрепляют к устойчивому грунтовому массиву за пределами оползневой зоны, например, посредством анкеров (7). И осуществляют дренирование (8) подземных вод с понижением их уровня (9), повышая устойчивость прилегающих грунтовых массивов.

Со дна выемки бурят скважины и осуществляют инъекцию (10) укрепляющего раствора для повышения структурной прочности потенциально деформирующегося горизонта.

В качестве потенциального деформирующегося горизонта может рассматриваться региональный основной деформирующийся горизонт (ОДГ), под которым понимается литологическая разность, в которой в данном регионе в основном формируются поверхности скольжения оползней, преимущественно блоковых. Например, для Московского региона региональным ОДГ являются юрские глины [5].

На участке с активным развитием оползневых деформаций ОДГ может быть определен по данным глубинных реперов и инклинометрических измерений [6].

Пример

В Москве на берегу р.Москвы у Карамышевского проезда произошла катастрофическая активизация глубокого оползня в старом оползневом цирке протяженностью 350 м. От плато отделился новый оползневой блок с захватом краевой части плато шириной до 12 м, длиной около 250 м и глубиной 31 м. Высота откоса оползнеопасного массива прибровочной части плато к моменту активизации оползневого процесса составила 16 м (в осевой части цирка), что соответствует критическому значению, определяющему предельное состояние оползнеопасного массива. Проект противооползневых мероприятий включал дренажные сооружения на оползневом склоне (прорези, колодцы), отсыпку бермы высотой 3-5 м (средняя и нижняя часть склона) и устройство удерживающего свайного ростверка протяженностью 350 м. Стоимость укрепительных работ по проекту составила около 700 млн. руб.

Основные постройки на прибровочной части плато (коттеджный поселок, Храм Животворящей Троицы) находятся на удалении 40-50 м от оси цирка. Бровка откоса удалена на 60 м от проезжей части улицы Карамышевский проезд. Эти условия позволяют использовать предложенный способ укрепления оползнеопасного массива. Определяем параметры выемки в соответствии с требуемым запасом устойчивости К_з=1.2 относительно исходного предельного состояния прибровочной части плато к моменту активизации оползневого процесса.

Глубина выемки принимается равной критической высоте откоса оползнеопасного массива, т.е. H_cr=16 м. Ширина выемки

Длину выемки (по продолжению оси цирка на плато) L=50 м, отступив на 10 м от края проезжей части улицы. Радиус изгиба бровки цирка составляет R=180 м. Ширина выемки с учетом радиуса

В выемке-котловане глубиной 16 м, шириной 21 м и длиной 50 м можно разместить подземное сооружение с устройством, например, многоуровневого гаража, потребность в котором в условиях такого мегаполиса, как Москва, чрезвычайно велика. Соответственно строительство такого сооружения, с учетом льгот со стороны муниципальных властей по предоставлению земли, может быть выполнено за счет частных инвестиций. Таким образом, сооружение указанной выемки по оси существующего оползневого цирка позволяет повысить устойчивость оползнеопасного массива до требуемого значения K=1.2 только за счет повышения локального значения радиуса участка

по сравнению с исходным значением R=180 м. При этом запас устойчивости дополнительно повышается путем сооружения подземного сооружения, жесткий каркас которого прикрепляется к устойчивому массиву плато, а также вследствие снижения уровня подземных вод в укрепляемом оползнеопасном массиве и соответственно увеличения прочности грунтов. Кроме того, выемка рассекает оползнеопасный массив в наиболее опасном сечении (по оси), где формируется наиболее массивная часть нового протяженного оползневого блока, устраняя необходимый элемент фронтальности для развития оползней блокового типа.

Выполнение укрепительных работ по данному способу позволяет повысить устойчивость оползнеопасного массива прибровочной части плато оползневого цирка со значительно меньшим объемом земляных работ и затрат по сравнению с прототипом и предотвратить активизацию оползневого процесса с ликвидацией угрозы ее возможности и в будущем.

Второй пример

На карьерах по разработке месторождений твердых полезных ископаемых открытым способом существует проблема обеспечения устойчивости бортов карьеров и предотвращения оползневых подвижек. Борта карьеров выполняют в виде ряда уступов, причем необходимо обеспечивать устойчивость как каждого из уступов, так и борта в целом. В Болгарии на Восточно-Марицком угольном месторождении произошел глубокий оползень при глубине карьера 55 м [7] (фиг.3). Генеральный угол наклона борта около 6°. Борт карьера выполнен в виде 4-х уступов, шириной каждый свыше 100 м, причем нижний уступ представлен угольным пластом высотой 15,4 м (глубина разработки пласта). Поверхность скольжения оползня образовалась в подугольных глинах, имеющих сравнительно низкую прочность - угол внутреннего трения 5°, сцепление 0,08 МПа [7]. Оказалось, что практически в исходном положении нижние уступы и борт в целом оказались в предельном состоянии и при подработке угля по фронту длиной 700 м борт пришел в движение (см. фиг.3).

Оползневые деформации можно было бы избежать, если бы на каждом из уступов или хотя бы на нижних I и II на фронте длиной 700 м сделать ряд выемок в соответствии с фиг.1 и размерами, учитывающими высоту уступа Н и требуемый коэффициент запаса устойчивости (K_з≥1,2). Для обеспечения общей устойчивости борта необходимо устройство 7-9 выемок на длине 700 м. При этом разработку угля вести в виде «гребенки», сохраняя наличие выемок в уступах с целью обеспечения устойчивости борта в процессе разработки угля.

Источники информации

1. SU 1794145 A3, 18.04.91.

2. Оползни. Исследование и укрепление / Под редакцией Р.Шустера и Р.Кризека (пер. с англ.). М.: «Мир». 1981. С.255-256.

3. Науменко П.Н. Условия формирования и инженерно-геологическая характеристика оползней Черноморского побережья Одессы // Оползни Черноморского побережья Украины. М.: Недра. 1977. С.57-100.

4. Патент на изобретение RU №2340729 C1.

5. Москва. Геология и город. Под ред. В.И.Осипова и О.П.Медведева. М.: Моск. учебники и картография. 1997. 400 с.

6. Изучение режима оползневых процессов / Г.П.Постоев, А.И.Шеко, В.В.Кюнтцель и др. М.: Недра. 1982. 255 с.

7. Иванов И.П. Инженерно-геологические исследования в горном деле (для обоснования рационального использования и охраны недр). Л.: Недра. 1987. 255 с.

1. Способ укрепления оползнеопасного коренного массива склона путем управляемого повышения запаса устойчивости до требуемого уровня К, включая определение глубины до потенциально деформирующегося горизонта в оползнеопасном коренном массиве склона, структурной прочности при сжатии грунта потенциально деформирующегося горизонта, удельного веса грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом, причем для достижения требуемого запаса устойчивости К в оползнеопасном коренном массиве склона образуют секущую выемку, ось которой ориентируют нормально к бровке откоса оползнеопасного коренного массива, со следующими размерами выемки: ширина , глубина , длина L≥2·H,
где В, Н, L - соответственно ширина, глубина и длина секущей выемки, м; К - коэффициент запаса устойчивости; Z_d - глубина до потенциально деформирующегося горизонта, м; σ_str - структурная прочность грунта потенциально деформирующегося горизонта при сжатии, кПа; γ - удельный вес грунтовой толщи, залегающей над потенциально деформирующимся горизонтом, кН/м³;
с возможностью дренирования подземных вод в выемке, а на участке склона с существующим оползневым цирком выемку размещают по оси цирка и выполняют ее шириной

где В - ширина выемки в оползнеопасном коренном массиве, м; К - коэффициент запаса устойчивости оползнеопасного коренного массива с выемкой относительно его предельного состояния в существующем оползневом цирке; R - радиус изгиба бровки оползнеопасного коренного массива в существующем оползневом цирке, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в выемке возводят подземное эксплуатируемое сооружение, жесткий каркас которого прикрепляют к устойчивому массиву в тыловой части выемки, например, посредством анкеров.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что со дна выемки производят укрепительные работы по повышению структурной прочности на сжатие грунта потенциально дренирующегося горизонта в окружающих выемку бортовых частях оползнеопасного коренного массива, например, путем инъекции укрепляющего раствора.