ТЕМА 5.  ДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД  НА СКЛОНАХ.

Горные породы, слагающие склоны, очень часто находятся в неус­тойчивом состоянии. При определенных условиях и под влиянием силы тяжести они начинают смещаться вниз по склонам. В результате этого возникают осыпи, курумы, обвалы и оползни.

Осыпи и курумы

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, где развиты скальные породы, активно действует процесс физического вы­ветривания. Породы растрескиваются, обломки скатываются и сползают вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Этот процесс называется осыпанием.                                

В состав осыпей входят обломки тех горных пород, которые сла­гают склоны.

Характерной особенностью осыпей является их подвижность. По признаку подвижности их подразделяют на действующие, находящиеся в стадии интенсивного движения, затухающие и неподвижные.

Действующиеосыпи обнажены и лишены всякой растительности. Для затухающихосыпей свойственно развитие растительности (кустар­ники, слабый дерновый слой). Неподвижныеосыпи полностью задернова­ны, покрыты кустарником и даже лесом.

Осыпи значительно осложняют строительство. Обломочный материал засыпает сооружения, полезные площади. Для решения вопроса о защите сооружений от осыпей важно знать скорость их движения. С небольшими щебеночными осыпями борьба сводится к уборке той части обломочного материала, который расположен выше сооружения по склону.

Из инженерных сооружений применяют улавливающие и подпорные стенки. В особо опасных местах, где развиты мощные медленно соскаль­зывающие осыпи, устраивают галереи и тоннели для дорог, организуют службу наблюдения.

Курумы. В результате разрушения скальных пород у подошвы склонов скапливаются крупные обломки и глыбы. По своему местоположе­нию обломки более всего тяготеют к пологим склонам. Так образуются каменные россыпиили курумы.

Курумы распространены в тех же районах, что и осыпи. Характер­ной особенностью их является передвижение. Это обусловлено тем, что глыбы лежат на глинисто-суглинистом слое. В результате смачивания водой глинистой подстилки, глыбы получают возможность под действи­ем собственного веса смещаться вниз по склонам.

Курумы при своем движении разрушают сооружения, засыпают выем­ки и полезные площади. Наиболее часто в борьбе с курумами используют взрывные работы. Остановить курумы можно осушением их глинистой подстилки.

                                    5. 2. Обвалы.

Обрушение более или менее крупных масс горных пород с опроки­дыванием и дроблением получило название  обвала.

Обвалы возникают на крутых склонах (более 45-50°) и обрывах естественных форм рельефа (склоны речных долин, ущелья, побережье морей и т.д.), а также в строительных котлованах, траншеях, карьерах.

При крупных обвалах, как это бывает в горах, масса обломков устрем­ляется вниз по склону, дробясь на более мелкие фракции и увлекая за собой попутный рыхлый материал. Образуется облако пыли, масса обломков падает в долины, разрушая здания дороги, запруживая реки.

В большинстве случаев обвалы проявляются в периоды дождей, тая­ния снега, весенних оттепелей. Атмосферные и талые воды ослабляют связи в выветренных породах, утяжеляют массы грунта, оказывают давле­ние на стенки трещин.

По объему и характеру обрушения обвалы весьма различны. Это мо­гут быть отдельные глыбы или масса пород в десятки кубических метров. В природных условиях нередко наблюдаются катастрофические обвалы, когда обрушиваются миллионы кубических метров пород. История знает много таких примеров. Гигантский обвал произошел в 1911 году на Памире. Обрушилось свыше 7 млрд. т пород. В результате запруживания реки образовалось Саредское озеро. Таким же путем возникло озеро Рица на Кавказе.

Борьба с обвалами, особенно крупными, весьма затруднительна. Все мероприятия по борьбе с ними сводятся к предупреждению их воз­никновения и осуществлению защитных мероприятий.

                               5. 3. Оползни.

Оползнем называется относительно медленное перемещение (скольжение) к базису эрозии земляных масс под влиянием силы тяжести в связи с изменением физических свойств грунтов при участии поверх­ностных и подземных вод, а также атмосферных агентов.

Оползни явление частое и свойственно склонам долин, оврагов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Они приносят огромный вред, разрушая здания и сооружения на самих склонах и ниже их.

Известно немало примеров оползневых явлений катастрофического характера. Так, 9 октября 1963 года на севере Италии оползень разрушил плотину Вайонт, высотой в 265,5 м. Погибло более 3000 человек, при­чинен огромный материальный ущерб.

Горные массы, смещающиеся при оползании, называют телом оползня. Поверхность, по которой происходит смещение, назы­вается поверхностью скольжения или повер­хностью оползания. Рассматривая расположение ополз­ня в целом по его движению сверху вниз, устанавливаются понятия правого и левого бортов оползня, а также его верхней и нижней грани­цы. Часть поверхности скольжения расположена над телом оползня в виде уступа. Её хорошо видно после того, как произошло некоторое смещение. Этот видимый участок называют оползневым сры­вом или оползневым уступом. Верхняя грань оползневого срыва называется бровкой срыва. Площадка, образовавшаяся в результате смещения части склона, называется оползневой ступенью. Углубление в склоне, образо­ванное после смещения оползневого тела, называют оползневым цирком или оползневой чашей (рис.5.1.).

Рис. 5. 1. Схема общего строения и отдельных  элементов оползня :

1 - деформация основания оползня; 2 - трещины вспучивания ;

3 - зеркала скольжения; 4 - оползневые ступени; 5 - трещина разрыва; 6 - стенка срыва; 7 - бровка сброса.

Причины образования оползней.Оползни вызываются совокупным действием ряда причин, указан­ных в таблице 5.1.

                                                                                    Таблица 5.1.

Общие условия (пассивные причины) лишь способствуют образова­нию оползней, а активные причины непосредственно их вызывают.

Геологическое строение может способство­вать образованию оползней при наличии пород, обладающих способ­ностью деформироваться и оползать в связи с минералогическим соста­вом, структурой, характером цемента и родом материала.

Примером служат меотические, майкопские, сарматские, юрские и другие глины. Оползни образуются там, где эти глины вскрываются оврагами и выемками.

Новейшие, или молодые тектонические движе­ния оказывают прямое влияние на развитие оползневых процессов на склонах. При подъеме какой-либо части территории увеличивается высота склонов, и тем самым, энергия всех денудационных процессов, в том числе и оползней. При опускании береговой полосы возрастает активность абразии и, как следствие, развиваются оползня.

Условия рельефа, т.е. высота, крутизна склонов и расчлененность местности, очень часто благоприятствует развитию оползней. Чем выше и круче склон, при прочих равных условиях, тем больше возможностей для образования оползней.

Изменение напряженного состояния глинистых пород проявляет себя главным образом путем перепада дав­ления, когда давление у подножия крутого склона гораздо меньше, чем в  массиве. Деятельность подземных вод, увлажняющих оползне­вые накопления и грунты несмещенной присклоновой зоны, является одной из важных причин, вызывающих оползни. Увлажнение подземными водами, выклинивающихся на склоне ранее оползших пород, всегда не­равномерно и приводит к непрерывным смещениям отдельных частей опол­зня.

Деятельность поверхностных вод состоит из ра­боты рек (боковая эрозия) и волноприбоя моря (образия). Действие волноприбоя вдоль побережья моря является главным фактором, пре­пятствующим выработке устойчивого профиля.

Атмосферные осадки и выветривание оказывают большое влияние на ход денудационных процессов, в том числе на оползни.

Землетрясения силой от 7 баллов и выше в резуль­тате толчков и сотрясений вызывают оползни. При землетрясениях си­лой менее 7 баллов ослабляется монолитность пород, и тем самым под­готавливаются оползни.

Деятельность человека по подсечке склонов, пригрузки их, увлажнению из различных искусственных источников, а также вырубка деревьев и кустарников, снятие дернового покрова, неправильная распашка, земляные работы и т.д. могут вызвать круп­ные оползни.

Механическая устойчивость склона или степень устойчивости склона определяется соотношением сил, стре­мящихся столкнуть массу пород вниз по склону и сил, которые сопро­тивляются этому.

Рис. 5.2. Схема сил, действующих на склоне:

I - параллелограмм сил; II - при К_уст. > I; III- при К_уст. = I ; IY - при К_уст. < I.

Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением:

     Числитель отражает сумму сил, которые сопротивляются возникновению сползания, в знаменателе - сталкивающие силы.

Сопротивление оползню оказывают сцепление и внутреннее трение пород. К сдвигающим силам относят вес массы породы, расположенных на них зданий и сооружений, гидростатическое и гидродинамическое давление подземных вод и т.д.

При К_уст.  ^> I - склон находится в устойчивом состоянии;

К_уст.  = I - это состояние называют предельным равновесием; при определенных условиях склон может стать оползневым; если К_уст. < I - склон находится в неустойчивом положении, происходит оползень.

Принципиально все оползни можно разделить на соскаль­зывающие и постепенно сползающие. При соскальзывании тело оползня перемещается мгновенно, в один прием. Большинство оползней смещается постепенно, хотя и с различной ско­ростью - от долей миллиметра в сутки до нескольких десятков метров в час.

Классификация оползней предусматривает выделение: собственно оползней, а также их разновидностей в виде сплывов и оползней - обвалов.

Собственно оползни происходят только путем скольжения земляных масс по склону. Плоскость скольжения обычно располагается на значительных глубинах.

Сплывы - смещения земляных масс на небольшой площади (сотни квадратных метров) вследствие водонасыщения верхних слоев. Глубина залегания плоскости скольжения до I м. Свойственным весенне­му периоду времени года.

Оползни - обвалы представляют собой смещение земляных масс одновременно по типу скольжения и обвала. Такие оползни ипичны для крутых склонов.

Борьба с оползнями представляет сложную задачу. Это связано с многообразием причин, порождающих этот процесс.

Противооползневые мероприятия назначают с учетом активности оползня. Различают оползни действующие и недей­ствующие.

Недействующие оползни движений не проявляют. Спол­зание произошло очень давно. Поверхность оползневого тела и следы смещения сглажены геологической деятельностью атмосферных вод. При подработке такие склоны могут приходить в движение.

Действующие оползни требуют применения противоопол­зневых мероприятий. Выбор того или иного мероприятия или комплекса мероприятий зависит от причины, которая порождает данный оползень.

Все меры борьбы можно разделить на пассивные  и ак­тивные.

Пассивная борьба включает мероприятия профилактического порядка, запрещающие те или иные действия. Так запрещается: подрезать оползневые склоны; строить на склонах и около их бровок; производить взрывные и горные работы вблизи оползневой зоны; быстрое движение транспорта в оползневой зоне; уничтожение растительности на склонах; полив земельных участков и сброс на оползневые склоны поверхностных и подземных вод.

Активные меры - это устройство инженерных сооружений и специаль-ные меры по закреплению пород оползневого склона или отко­са выемки. Эти меры разделяют на 4 группы: I) борьба с процессами, вызывающими оползание; 2) удержание сползающих земляных масс; 3) увеличение сопротивления пород  сдвигающему усилию; 4) съем опол­зневых масс до устойчивых пород.

К первой группе относят следующие мероприятия: устройство регу­лируемого стока поверхностных вод, устройство дренажей.

К мероприятиям второй группы относится устройство подпорных стенок, свай-шпонок и др. Основание подпорных стен должно быть за­глублено ниже поверхности скольжения. За стенами устраивается дре­наж для отвода подземных вод.

К третьей группе мероприятий можно отнести сравнительно редко применяемые способы закрепления пород с целью увеличения сдвигающим усилиям. Сюда относят силикатизацию, цементацию и другие способы.

Съем оползневых масс - эффективный способ, но дорогостоящий и трудоемкий. Его применяет в случаях небольших оползневых тел. При строительстве Мингичаурской ГЭС, например, был смыт гидромониторами оползень довольно крупных размеров.

Суффозия.В процессе фильтрации вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их частицы. Это сопровождается осе­данием поверхности земли, образованием провалов, воронок и т.д. Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией (от латинского - подкапывание).

Различают два вида суффозии - механическую и химическую. При механической суффозии фильтрующая вода отры­вает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы. При химической суффозии вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения.

При одновременном действии этих двух видов суффозии иногда применяют термин - химико-механическая суффозия. Такая суффозия может быть в лессовых породах, где растворяется кар­бонатное, цементирующее вещество и одновременно выносятся глинистые частицы.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возник­новение в подземных водах значительных сил гидродинами­ческого давления и превышения некоторой крити­ческой скорости воды. Это вызывает отрыв частиц и вынос их во взвешенном состоянии.

Суффозия наиболее свойственна неоднородным породам и может происходить в глубине массива пород или вблизи поверхности земли.

В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водой из одних пластов в другие или в пределах одного пласта. Это приводит к изменению состава пород этих пластов, образованию подземных каналов.

Как механическая, так и химическая суффозия активно проявля­ется также вблизи поверхности земли при естественном или искусствен­ном изменении гидродинамических условий.

Химическая суффозия может протекать длительное время и выщела­чивать не только карбонаты и другие сравнительно легко раствори­мые вещества, но кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.

При исследовании пород, в которых наблюдается или возможна фильтрация воды, необходимо выявлять их способность к суффозии. Следует учитывать, что при малом гидродинамическом давлении в по­родах может происходить только фильтрация воды, при повышении дав­ления начинается суффозия и при еще большем давлении – возникает плывун. Для выяснения этих свойств определяют критические градиенты и давление воды, при которых начинается процесс суффозии.

Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчивости зданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятий является прекращение фильтрации воды. Это дости­гается различными путями: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием мес­та выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устрой­ством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтра­ции воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами сили­катизации, цементации, глинизации и т.д.; применением особых видов фундаментов, например, свайных.

Плывуны.Плывунами в строительной практике называют водонасыщенные, рыхлые породы, обычно пески, которые при вскрытии различными вы­работками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости.

Плывунные свойства, кроме песков, при определенных условиях могут проявлять пылеватые суглинки, супеси, гравийные отложения, т.е. породы, обладающие значительной пористостью.

Основной причиной проявления у пород плывунных свойств явля­ется гидродинамическое давление поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскры­тии котлована (траншей и т.д.). В связи с обычно малой водопрони­цаемостью плывунных пород гидравлический градиент вызывает фильтрационное давление на частицы породы, обусловливая их движение по направлению градиента, или , иначе говоря, в сторону разгрузки в котлован.

В плывунном состоянии породы утрачивают всякие структурные связи. Частицы переходят во взвешенное состояние.

Интенсивность плывунных явлений в породах зависит от величины градиента, гранулометрического и минералогического состава, формы частиц, плотности породы и других факторов.

Плывуны, находящиеся в покое, слабо отдают воду и мало водо­проницаемы.

А.Ф.Лебедев разделил плывуны на ложные(псевдоплывуны) и истинные.

Ложные плывуны - породы, не имеющие структурных связей, различные пески и гравелистые отложения. Переход в плывунное сос­тояние происходит под действием высокого гидродинамического потока подземных вод. Коэффициент фильтрации достигает 1-2 м/сут., и более. Частицы породы находятся во взвешенном состоянии. Трение между ними сводится к нулю.

Пески этого вида плывуна очень легко оплывают. Объемная масса в безводном состоянии колеблется от 1,5 до 1,75 т/м³. Вода светлая или слабо мутная.

Характерной особенностью ложных плывунов является довольно лег­кая отдача ими воды. При высыхании они образуют рыхлую или слабо сцементированную массу.

Истинные плывуны - породы с коагуляционными или смешан­ными связями - глинистые пески, а также супеси, суглинки. Переход в плывунное состояние определяется невысоким гидродинамическим давле­нием и присутствием притягивающих к себе влагу (гидрофильных) кол­лоидных и глинистых частиц. Вокруг этих частиц формируются пленки связанной воды, что ослабляет структурное сопротивление и уменьшает водопроницаемость пород. Объемная масса истинных плывунов в безвод­ном состоянии равна 1.8-2.2 т/м³. При высыхании истинные плывуны, вследствие склеивающего действия коллоидных частиц образуют доволь­но сильно сцементированные массы, обычно необратимые. Характерной особенностью истинных плывунов является слабая отдача воды. Они "плывут" в основном за счет физически связанной воды.

Плывуны осложняют строительство. Они создают большие трудности в переходе строительных выработок, стремясь заполнить выработанное пространство. Так, в 1932 г. в одном из угольных карьеров в Германии катастрофический поток плывуна переместил 1,5 млн. т песка, засыпав разрабатываемый пласт угля слоем рыхлой породы мощностью 19 м. Этот поток за несколько минут затопил экскаватор и другие механизмы.

При условии замкнутого пространства плывуны могут быть надежны­ми основаниями, но создавать такой контур трудно. Возможно выпирание плывунов из-под фундаментов. Это вызывает оползни, провалы поверх­ности, деформацию зданий и сооружений. Открытый водоотлив из котло­ванов опасен появлением суффозии на окружающей территории. Опасна подрезка склона, дающая выход плывунам. Примером может служить случай со 100-метровым трамплином на Ленинских горах в Москве. После строительства трамплина строители начали подрезать грунт в нижней части склона, чтобы придать ему необходимую кривизну для безо­пасного приземления лыжников. Были вскрыты плывуны, которые стреми­тельно заполнили выемку и затопили экскаватор, они вызвали оседание откоса.

Плывуны крайне чувствительны к вибрации и динамическим ударам. Это вызывает повреждение сооружений, даже значительно удаленных  от места возмущения.

Все способы борьбы с плывунами можно разделить на следующие 3 группы:

а) искусственное осушение плывучих пород в период строитель­ства (открытая откачка из котлованов, иглофильтры и т.п.);

б) крепление плывунов путем ограждения (шпунты);

в) закрепление самих плывунов путем изменения их физических свойств (силикатизация, цементация, замораживание, электро­химические способы закрепления и т.д.).