Способ укрепления оползневых склонов на многолетнемерзлых грунтах

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации инженерных сооружений на оползневых склонах, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, и может быть использовано для предотвращения их деформаций, возникающих вследствие проявления оползневых процессов. Способ укрепления оползневых склонов на многолетнемерзлых грунтах включает выемку грунта верхней части склона. Толщину слоя грунта, вынимаемого в верхней части склона, выбирают равной глубине сезонного оттаивания грунтов склона. Выемку грунта производят с начала периода наступления положительных суточных температур, складирование извлеченного грунта осуществляют во временные насыпи, расположенные около трещин в нижней части склона. С начала периода наступления отрицательных суточных температур трещины, расположенные в нижней части склона и достигающие кровли многолетнемерзлых грунтов, расчищают с созданием уклона в направлении водосборного коллектора, при этом производят сплошное заполнение трещин фильтрующим теплопроводным материалом, с последующим прерывистым заполнением трещин складированным грунтом с уплотнением. По окончании периода сезонного промерзания грунтов осуществляют отсыпку грунта из насыпей с последующим уплотнением по всей поверхности нижней части склона, включая трещины. Технический результат состоит в укреплении оползневых склонов, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, с целью повышения их устойчивости и недопущения деформации оползневого массива грунтов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации инженерных сооружений на оползневых склонах, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов и может быть использовано для предотвращения их деформаций, возникающих вследствие проявления оползневых процессов.

Известен способ повышения устойчивости откосов и склонов путем создания уступчатого профиля с образованием горизонтальных площадок по высоте откоса (см. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник / С.Б. Ухов и др., М., 1994. - С. 158).

Недостатки известного способа заключаются в следующем:

- невозможность целенаправленно изменять температурный режим массива грунтов склонов;

- невозможность целенаправленно изменять гидрогеологический режим склонов;

- высокая стоимость и трудоемкость реализации способа.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ укрепления оползневых склонов путем изменения их очертания и переустройства, включающий выемку грунта в верхней части склона (см. Справочник по инженерной геологии. - 3-е изд., перераб. и доп. / Под ред. М.В. Чуринова. - М.: Недра, 1981. - С 94).

Недостатками известного способа являются:

- выемка грунта верхней части склона производится без учета глубины оттаивания сезонно промерзающих и многолетнемерзлых грунтов склонов, что не позволяет изменять положение поверхности скольжения и тем самым предотвратить оползнепроявление;

- отсутствие перемещения и отсыпки грунтов, подвергшихся срезке в верхней части склона, в нижнюю его часть для сохранения или поднятия верхней границы многолетнемерзлых грунтов;

- отсутствие перехвата и транспортировки надмерзлотных вод и исключение влияния поверхностных вод на многолетнемерзлые грунты.

Техническим результатом изобретения является укрепление оползневых склонов, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, с целью повышения их устойчивости и недопущения деформации оползневого массива грунтов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ укрепления оползневых склонов на многолетнемерзлых грунтах, включающий выемку грунта верхней части склона, отличается тем, что толщину слоя грунта, вынимаемого в верхней части склона, выбирают равной глубине сезонного оттаивания грунтов склона, выемку грунта производят с начала периода наступления положительных суточных температур, а складирование извлеченного грунта осуществляют во временные насыпи, расположенные около трещин в нижней части склона, а с начала периода наступления отрицательных суточных температур, трещины, расположенные в нижней части склона и достигающие кровли многолетнемерзлых грунтов, расчищают с созданием уклона в направлении водосборного коллектора, при этом производят сплошное заполнение трещин фильтрующим теплопроводным материалом, с последующим прерывистым заполнением трещин складированным грунтом с уплотнением, а по окончании периода сезонного промерзания грунтов осуществляют отсыпку грунта из насыпей с последующим уплотнением по всей поверхности нижней части склона, включая трещины.

Заявленный способ отличается от прототипа тем, что позволяет:

- полностью исключить деформации оползневых склонов, находящихся в предельном состоянии в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов;

- целенаправленно изменить форму и размеры оползневого массива грунтов, находящихся в предельном по устойчивости состоянии и расположенных выше верхней границы многолетнемерзлых грунтов, путем выемки грунта верхней части склона и отсыпки с уплотнением срезанных масс в нижнюю часть склона, с изменением положения поверхности скольжения за счет оттаивания многолетнемерзлых грунтов верхней части склона и промораживания грунтов нижней его части;

- принципиально изменить напряженно-деформированное состояние оползневого массива грунтов склона с целью перевода его из предельного состояния в устойчивое;

- исключить влияние на устойчивость склона поверхностных и надмерзлотных вод;

- целенаправленно изменить температурный режим грунтов склона с целью его укрепления.

Для реализации способа используют:

- срезку грунтов в верхней части склона и укладку их в насыпи с начала периода наступления суточных положительных температур;

- расчистку трещин, находящихся на поверхности склона, землеройными механизмами с созданием уклона в направлении водосборного коллектора с начала периода наступления отрицательных суточных температур;

- сплошное заполнение трещин фильтрующим теплопроводным материалом с начала периода отрицательных суточных температур;

- прерывистое (не сплошное, с оставлением в трещинах незаполненных грунтом промежутков) заполнение трещин с уложенным фильтрующим теплопроводным материалом грунтом из насыпей с уплотнением с начала периода наступления отрицательных суточных температур;

- окончательное заполнение трещин грунтом с уложенным фильтрующим теплопроводным материалом и отсыпка нижней части склона грунтом из насыпей по окончании периода сезонного промерзания поверхностного слоя грунтов склона с последующим уплотнением.

Управление устойчивостью оползневых склонов, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, можно объяснить следующим образом. Известно, что развитие оползневых процессов на склонах с многолетнемерзлыми грунтами обусловлено комплексом факторов, связанных с проявлением физико-геологических процессов, приводящих в т.ч. и к изменению температурно-влажностного режима грунтов и, как следствие, образованию прослоя талого грунта на верхней поверхности многолетнемерзлых грунтов, способствующего активизации оползневых процессов.

В связи с этим технические решения, базирующиеся только на срезке верхней части склона без учета времени года, мощности срезаемого слоя грунтов и его влияния на многолетнемерзлые грунты, могут оказаться неэффективными.

Например, срезка (выемка) талых грунтов верхней части склона в период наступления отрицательных температур воздуха и близкой к поверхности залегания склона верхней границы (кровли) многолетнемерзлых грунтов не дает возможности ее понижения и тем самым исключает реализацию главной цели - изменение размеров и формы оползневого тела. Неуправляемое перемещение масс срезанных грунтов верхней части склона, применяемое в традиционном решении, принятом за прототип, также не способствует достижению главной цели. Это связано с отсутствием комплекса мероприятий, направленных на повышение положения кровли многолетнемерзлых грунтов в нижней части склона, либо на недопущение ее понижения. Таким образом, необходима реализация комплексного подхода, а именно: управляемого понижения положения кровли многолетнемерзлых грунтов в верхней части склона за счет срезки слоя сезоннооттаивающего грунта, с последующим естественным оттаиванием слоя многолетнемерзлых грунтов в весенне-летний период и управляемого поднятия границы (кровли) многолетнемерзлых грунтов в нижней части склона. Достижение цели также осуществляется за счет изменения природного температурно-влажностного режима массива грунтов путем организации насыпей из срезанного (вынутого) в верхней части склона грунта, расчистки существующих на поверхности склона трещин с укладкой в них фильтрующего теплопроводного материала с последующим прерывистым заполнением их грунтом с уплотнением с начала периода наступления отрицательных суточных температур, а по окончании периода сезонного промерзания грунтов производится окончательное заполнение трещин и отсыпка нижней части склона грунтом из насыпей с уплотнением.

Физически процесс укрепления оползневых слонов на многолетнемерзлых грунтах можно представить следующим образом. Традиционный подход при расчете устойчивости оползневых склонов на многолетнемерзлых фунтах заключается в том, что положение поверхности скольжения склона принимается соответствующим положению кровли многолетнемерзлых грунтов. Исходя из этого рассчитывается величина оползневого давления и назначается тип и конструкция противооползневого сооружения. Динамика изменения положения кровли многолетнемерзлых грунтов во времени ввиду возможного изменения температурно-влажностного режима, как правило, в расчетах не учитывается. При этом положение склона принимается относительно устойчивым, т.е. при отсутствии трещин отрыва отдельных его блоков. В заявленном способе укрепления оползневых склонов на многолетнемерзлых грунтах рассматривается ситуация, когда на склоне имеются протяженные трещины отрыва отдельных блоков склона, свидетельствующие о его предельном состоянии и начальной стадии оползнепроявения. Усугубляет ситуацию с устойчивостью склона и то обстоятельство, что трещины отрыва являются причиной изменения температурно-влажностного режима многолетнемерзлых грунтов склона, т.к. имеется к ним доступ поверхностных вод и возможность теплообмена с атмосферным воздухом.

Известно, что при возрастании угла наклона поверхности скольжения оползающего массива (в рассматриваемом случае по кровле многолетнемерзлых грунтов) к горизонту (β) основную роль в процессе развития деформаций склона начинают играть силы гравитации. Таким образом, снижение величины упомянутого угла β в отдельных частях поверхности скольжения будет несомненно играть положительную роль в решении вопроса повышения устойчивости склона.

В заявленном способе эта идея может быть реализована путем организации оттаивания (деградации) многолетнемерзлых грунтов верхней части склона и повышения их верхней границы в нижней части склона (аградации). Таким образом, происходит изменение формы и размеров оползневого тела и, соответственно, величины оползневого давления грунтовых масс, что является принципиальным вопросом в укреплении оползневых склонов.

Повышение устойчивости оползневых склонов, находящихся в предельном состоянии, в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, можно объяснить следующим образом:

Для изменения размера и формы оползневого тела необходима реализация комплекса следующих мероприятий:

- срезка (выемка) слоя грунта в верхней части склона с начала периода наступления положительных суточных температур с укладкой срезанного грунта в насыпи, расположенные около трещин в нижней части склона. Толщина срезаемого слоя принимается равной глубине сезонного оттаивания грунтов склона, т.е. происходит обнажение кровли многолетнемерзлых грунтов, таким образом, в верхней части склона происходит управляемое изменение размеров и формы оползневого тела за счет понижения верхней границы многолетнемерзлых грунтов посредством их оттаивания в период положительных температур атмосферного воздуха;

- расчистка трещин, расположенных на поверхности нижней части склона и достигающих кровли многолетнемерзлых грунтов, землеройными механизмами с началом наступления отрицательных суточных температур с созданием уклона в направлении водосборного коллектора. При этом расчищенные трещины заполняются фильтрующим теплопроводным материалом с последующим прерывистым (не сплошным, с оставлением в трещинах незаполненных грунтом промежутков) заполнением трещин грунтом с уплотнением. Таким образом, создаются условия для перехвата надмерзлотных вод и транспортировки их в водосборный коллектор, а применение теплопроводного материала с прерывистым заполнением трещин поверх этого материала грунтом с уплотнением реализует возможность поступления холодного воздуха в зимний период к верхней границе многолетнемерзлых грунтов с целью ее поднятия (повышения уровня за счет промораживания грунтов). Применение временного прерывистого заполнения трещин грунтом с уплотнением необходимо для обеспечения устойчивости склона до момента полной реализации способа. Это связано с тем обстоятельством, что расчистка существующих трещин и оставление их открытыми может нарушить состояние неустойчивого равновесия как склона в целом, так и отдельных его частей;

- по окончании периода сезонного промерзания грунтов и изменения суточных температур воздуха грунтов склона производится окончательное заполнение трещин и отсыпка нижней части склона грунтом с уплотнением. Таким образом, создаются условия для теплоизоляции промороженного в зимний период слоя грунта, находящегося выше существующего уровня многолетнемерзлых грунтов, и недопущение фильтрации поверхностных вод по трещинам к кровле многолетнемерзлых грунтов;

- устройство временных насыпей около трещин в нижней части склона не позволяет поверхностным водам поступать по трещинам к кровле многолетнемерзлых грунтов в период, когда трещины открыты.

В результате реализации перечисленных мероприятий в нижней части склона изменяются форма и размеры оползневого тела за счет поднятия верхней границы многолетнемерзлых грунтов. В итоге в верхней и нижней частях оползневого склона происходит управляемое уменьшение угла наклона поверхности скольжения к горизонту, что, в свою очередь, повышает устойчивость склона в целом и даже исключает возможность оползнепроявлений.

На рис. 1 показан общий вид склона в разрезе; на рис. 2 - вид сверху на фрагмент склона.

На рис. 1 и 2 изображены: склон 1, срезаемый объем грунта 2, поверхность срезаемого объема грунта 3, верхняя граница многолетнемерзлых грунтов 4, насыпи 5, трещины 6, фильтрующий теплопроводный материал 7, грунт 8, отсыпанный в нижней части склона массив грунта 9, новое положение верхней границы многолетнемерзлых грунтов 10, угол наклона поверхности скольжения к горизонту 11; направление уклона дна расчищенных трещин в сторону водосборного коллектора 12.

Способ осуществляется следующим образом:

На склоне 1 с начала периода наступления положительных температур производится срезка (выемка) объема грунта 2 до поверхности 3, совпадающей с глубиной сезонного оттаивания грунтов склона. Срезаемый объем грунта 2 перемещается вниз по склону и вдоль него и укладывается в насыпи 5, расположенные около трещин 6 в нижней части склона

С начала периода наступления отрицательных суточных температур производится расчистка трещин 6 на поверхности склона с созданием уклона вдоль склона в направлении водосборного коллектора. Далее трещины заполняются фильтрующим теплопроводным материалом 7, с последующим прерывистым заполнением трещин 6 грунтом 8 из насыпей 5 с уплотнением. Таким образом, создаются благоприятные условия для поднятия поверхности многолетнемерзлых грунтов 4 в нижней части склона за счет свободного доступа холодного воздуха по трещинам 6 и теплопроводному материалу 7 к нижележащим слоям грунта и перехвату надмерзлотных вод с их отепляющим воздействием на многолетнемерзлые грунты склона.

Окончательное заполнение трещин 6 с уложенным фильтрующим теплопроводным материалом 7 и отсыпка нижней части склона грунтом 9 из насыпей 5 производится по окончании периода сезонного промерзания поверхностного слоя грунтов склона. Тем самым создаются условия для сохранения отрицательной температуры в грунтах в нижней части склона. Далее производится уплотнение грунтов 8, заполняющих трещины 6, и грунтов, отсыпанных в нижнюю часть склона 9. Таким образом, прекращается доступ поверхностных вод к многолетнемерзлым грунтам и, соответственно, ликвидируется возможность понижения поверхности многолетнемерзлых грунтов в нижней части склона.

Способ укрепления оползневых склонов на многолетнемерзлых грунтах, включающий выемку грунта верхней части склона, отличающийся тем, что толщину слоя грунта, вынимаемого в верхней части склона, выбирают равной глубине сезонного оттаивания грунтов склона, выемку грунта производят с начала периода наступления положительных суточных температур, складирование извлеченного грунта осуществляют во временные насыпи, расположенные около трещин в нижней части склона, а с начала периода наступления отрицательных суточных температур трещины, расположенные в нижней части склона и достигающие кровли многолетнемерзлых грунтов, расчищают с созданием уклона в направлении водосборного коллектора, при этом производят сплошное заполнение трещин фильтрующим теплопроводным материалом, с последующим прерывистым заполнением трещин складированным грунтом с уплотнением, а по окончании периода сезонного промерзания грунтов осуществляют отсыпку грунта из насыпей с последующим уплотнением по всей поверхности нижней части склона, включая трещины.