stringtranslate.com

Устойчивость склона

Реальный оползень на склоне

Устойчивость склона относится к состоянию наклонных почвенных или скальных склонов, чтобы выдерживать или подвергаться движению ; противоположное состояние называется неустойчивостью склона или обрушением склона . Состояние устойчивости склонов является предметом изучения и исследования в области механики грунтов , геотехнической инженерии и инженерной геологии . Анализы, как правило, направлены на понимание причин произошедшего обрушения склона или факторов, которые потенциально могут вызвать движение склона, приводящее к оползню , а также на предотвращение начала такого движения, его замедление или остановку с помощью мер по смягчению последствий .

Устойчивость склона по существу контролируется соотношением между доступной прочностью на сдвиг и действующим напряжением сдвига , которое может быть выражено в терминах коэффициента безопасности, если эти величины интегрированы по потенциальной (или фактической) скользящей поверхности. Склон может быть глобально устойчивым, если коэффициент безопасности, вычисленный вдоль любой потенциальной скользящей поверхности, проходящей от вершины склона до его подножия, всегда больше 1. Наименьшее значение коэффициента безопасности будет принято в качестве представляющего глобальное условие устойчивости склона. Аналогично, склон может быть локально устойчивым, если коэффициент безопасности больше 1 вычисляется вдоль любой потенциальной скользящей поверхности, проходящей через ограниченную часть склона (например, только в пределах его подножия). Значения глобальных или локальных коэффициентов безопасности, близкие к 1 (обычно составляют от 1 до 1,3, в зависимости от правил), указывают на предельно устойчивые склоны, которые требуют внимания, мониторинга и/или инженерного вмешательства ( стабилизация склона ) для увеличения коэффициента безопасности и снижения вероятности движения склона.

Ранее стабильный склон может быть подвержен влиянию ряда предрасполагающих факторов или процессов, которые уменьшают коэффициент безопасности - либо за счет увеличения касательного напряжения, либо за счет уменьшения прочности на сдвиг - и в конечном итоге могут привести к обрушению склона. Факторы, которые могут спровоцировать обрушение склона, включают гидрологические события (такие как интенсивные или продолжительные ливни, быстрое таяние снега, прогрессирующее насыщение почвы, увеличение давления воды внутри склона), землетрясения (включая афтершоки ), внутреннюю эрозию (трубопровод), поверхностную или подошвенную эрозию, искусственную нагрузку склона (например, из-за строительства здания), срез склона (например, для освобождения места для дорог, железных дорог или зданий) или затопление склона (например, путем заполнения искусственного озера после перекрытия реки плотиной).

Примеры

Простая секция скольжения по склону

Земляные склоны могут образовывать срезанно-сферическую область слабости. Вероятность этого события можно рассчитать заранее с помощью простого пакета 2-D кругового анализа. [1] Основная сложность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости скольжения для любой заданной ситуации. [2] Многие оползни анализировались только постфактум. В последнее время технология радаров устойчивости склонов применяется, особенно в горнодобывающей промышленности, для сбора данных в реальном времени и помощи в определении вероятности обрушения склона.

Реальные провалы в смешанных почвах естественного отложения не обязательно являются круглыми, но до появления компьютеров было намного проще анализировать такую ​​упрощенную геометрию. Тем не менее, провалы в «чистой» глине могут быть довольно близки к круглым. Такие оползни часто происходят после периода сильного дождя, когда давление поровой воды на поверхности оползня увеличивается, уменьшая эффективное нормальное напряжение и, таким образом, уменьшая сдерживающее трение вдоль линии оползня. Это сочетается с увеличением веса почвы из-за добавленных грунтовых вод. «Усадочная» трещина (образовавшаяся во время предшествующей сухой погоды) на вершине оползня также может заполняться дождевой водой, толкая оползень вперед. С другой стороны, оползни в форме плиты на склонах холмов могут удалить слой почвы с верхней части подстилающей коренной породы. Опять же, это обычно инициируется сильным дождем, иногда в сочетании с повышенной нагрузкой от новых зданий или удалением опоры у подошвы (в результате расширения дороги или других строительных работ). Таким образом, устойчивость может быть значительно улучшена путем установки дренажных путей для уменьшения дестабилизирующих сил. Однако после того, как сдвиг произошел, вдоль круга сдвига сохраняется слабость, которая может повториться во время следующего муссона.

Угол естественного откоса

Угол естественного откоса связан с прочностью на сдвиг геологических материалов, что имеет значение в строительном и инженерном контексте. [3] Для гранулированных материалов размер и форма зерен могут существенно влиять на угол естественного откоса. По мере увеличения округлости материалов угол естественного откоса уменьшается, поскольку трение между зернами почвы уменьшается. [4]

При превышении угла естественного откоса может произойти осыпание массы и камнепад . Для многих инженеров-строителей и геотехников важно знать угол естественного откоса, чтобы избежать структурных и стихийных бедствий . В результате применение подпорных стенок может помочь удержать почву так, чтобы угол естественного откоса не был превышен. [5]

На угол естественного откоса и устойчивость склона влияют климатические и неклиматические факторы.

Содержание воды

Содержание воды является важным параметром, который может изменить угол естественного откоса. Как сообщается, более высокое содержание воды может стабилизировать склон и увеличить угол естественного откоса. [5] Однако насыщение водой может привести к снижению устойчивости склона, поскольку оно действует как смазка и создает отрыв, где может произойти потеря массы . [6]

Содержание воды зависит от свойств почвы, таких как размер зерна, который может влиять на скорость инфильтрации , сток и удержание воды. Как правило, более мелкозернистые почвы, богатые глиной и илом, удерживают больше воды, чем более крупнозернистые песчаные почвы. Этот эффект в основном обусловлен капиллярным действием , где адгезионные силы между жидкостью, частицами и когезионные силы самой жидкости противодействуют гравитационному притяжению. Поэтому меньший размер зерна приводит к меньшей площади поверхности, на которую могут действовать гравитационные силы. Меньшая площадь поверхности также приводит к большему капиллярному действию, большему удержанию воды, большей инфильтрации и меньшему стоку. [7]

Растительность

Наличие растительности не влияет напрямую на угол естественного откоса, но действует как стабилизирующий фактор на склоне холма , где корни деревьев закрепляются в более глубоких слоях почвы и образуют армированный волокнами почвенный композит с более высоким сопротивлением сдвигу (механическое сцепление). [8]

Округлость зерен

Форма зерна может влиять на угол естественного откоса и устойчивость склона. Чем более округлым является зерно, тем меньше угол естественного откоса. Уменьшение округлости или увеличение угловатости приводит к сцеплению посредством контакта частиц. Эта линейная зависимость между углом естественного откоса и округлостью зерна также может использоваться в качестве предиктора угла естественного откоса, если измеряется округлость зерна. [5]

Стабилизация склона

Поскольку на устойчивость склона могут влиять внешние события, такие как осадки , важной задачей в гражданском/ геотехническом строительстве является стабилизация склонов.

Применение растительности

Применение растительности для повышения устойчивости склона к эрозии и оползням является формой биоинженерии , которая широко используется в районах, где глубина оползня невелика. Растительность повышает устойчивость склона механически, укрепляя почву корнями растений, которые стабилизируют верхнюю часть почвы. Растительность также стабилизирует склон через гидрологические процессы, уменьшая содержание влаги в почве за счет перехвата осадков и транспирации . Это приводит к более сухой почве, которая менее подвержена массовому истощению. [9]

Устойчивость склонов можно также повысить за счет:

3D-эскиз вращательного обрушения склона на круговой поверхности скольжения

Методы анализа

Метод нарезки

Анализ устойчивости склона — это статический или динамический, аналитический или эмпирический метод оценки устойчивости склонов плотин из грунта и камня, насыпей, вырытых склонов и естественных склонов в почве и скале. Он выполняется для оценки безопасной конструкции искусственных или естественных склонов (например , насыпей , дорожных выемок , открытых горных работ , раскопок, свалок и т. д.) и условий равновесия. [10] [11] Устойчивость склона — это сопротивление наклонной поверхности разрушению путем скольжения или обрушения. [12] Основными целями анализа устойчивости склона являются поиск опасных зон, исследование потенциальных механизмов разрушения, определение чувствительности склона к различным механизмам срабатывания, проектирование оптимальных склонов с учетом безопасности , надежности и экономичности , а также проектирование возможных мер по исправлению положения, например, барьеров и стабилизации . [10] [11]

Успешное проектирование склона требует геологической информации и характеристик участка, например, свойств почвы / скального массива, геометрии склона , условий грунтовых вод , чередования материалов из-за разломов , систем соединений или разрывов , перемещений и напряжений в соединениях, сейсмической активности и т. д. [13] [14] Наличие воды оказывает пагубное влияние на устойчивость склона. Давление воды, действующее в поровых пространствах, трещинах или других разрывах в материалах, из которых состоит склон карьера, снизит прочность этих материалов. [15] Выбор правильного метода анализа зависит как от условий участка, так и от потенциального режима разрушения, при этом тщательное рассмотрение должно быть уделено различным сильным сторонам , слабым сторонам и ограничениям, присущим каждой методологии . [16]

До компьютерной эры анализ устойчивости выполнялся графически или с помощью ручного калькулятора. Сегодня у инженеров есть много возможностей использовать программное обеспечение для анализа , начиная от простых методов предельного равновесия и заканчивая подходами к вычислительному предельному анализу (например, предельный анализ конечных элементов , оптимизация компоновки разрывов ) и заканчивая сложными и замысловатыми численными решениями ( коды конечных / отдельных элементов). [10] Инженер должен полностью понимать ограничения каждого метода. Например, предельное равновесие является наиболее часто используемым и простым методом решения, но он может стать недостаточным, если склон разрушается из-за сложных механизмов (например, внутренняя деформация и хрупкое разрушение , прогрессирующая ползучесть , разжижение более слабых слоев почвы и т. д.). В этих случаях следует использовать более сложные методы численного моделирования . Кроме того, даже для очень простых склонов результаты, полученные с помощью типичных методов предельного равновесия, используемых в настоящее время (Бишоп, Спенсер и т. д.), могут значительно отличаться. Кроме того, сегодня все чаще используется концепция оценки риска . Оценка риска касается как последствий обрушения склона, так и вероятности обрушения (оба требуют понимания механизма обрушения). [17] [18]

Массовая классификация и рейтинг

Существуют различные системы классификации и рейтинга для проектирования склонов и оценки их устойчивости. Системы основаны на эмпирических соотношениях между параметрами скального массива и различными параметрами склона, такими как высота и падение склона.

Вероятностная классификация

Система классификации вероятности устойчивости склона (SSPC) [19] [20] представляет собой систему классификации скального массива для проектирования склонов и оценки устойчивости склонов. Система представляет собой трехступенчатую классификацию: классификация скального массива «экспозиция» , «эталон» и «уклон» с коэффициентами преобразования между тремя шагами в зависимости от существующего и будущего выветривания и в зависимости от ущерба, нанесенного выемкой. Устойчивость склона выражается как вероятность различных механизмов разрушения.

Скальный массив классифицируется по стандартизированному набору критериев в одном или нескольких воздействиях ( классификация «воздействия» ). Эти значения преобразуются для каждого воздействия в «эталонный» скальный массив, компенсируя степень выветривания в обнажении и повреждения от выемки. Затем можно спроектировать новый склон в «эталонном» скальном массиве с компенсацией, предвосхищающей дальнейшие повреждения из-за выемки и будущего выветривания. Если оценивается устойчивость существующего склона, то значения скального массива «воздействия» и «уклона» одинаковы.

Механизмы разрушения делятся на зависящие от ориентации и независимые от ориентации . Механизмы разрушения, зависящие от ориентации, зависят от ориентации склона к разрывам в массиве горных пород, т. е. скольжение (плоское и клиновое скольжение) и опрокидывание. Независимость от ориентации относится к возможности того, что склон рушится независимо от своей ориентации, например, круговое разрушение полностью через вновь образованные разрывы в неповрежденных блоках горных пород или частичное разрушение вслед за существующими и частично новыми разрывами.

Кроме того, можно определить прочность на сдвиг вдоль разрыва («критерий скольжения») [19] [20] [21] и «сцепление скального массива» и «трение скального массива». Система использовалась напрямую или модифицирована в различных геологических и климатических условиях по всему миру. [22] [23] [24] Система была модифицирована для оценки устойчивости склонов при открытой добыче угля. [25]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме Анализ устойчивости склонов .

Ссылки

  1. ^ "Калькулятор устойчивости склона" . Получено 2006-12-14 .
  2. ^ Чуг, Ашок К. (2002). «Метод определения критических поверхностей скольжения при анализе устойчивости склонов: обсуждение». Канадский геотехнический журнал . 39 (3): 765–770. doi :10.1139/t02-042.
  3. ^ Ким, Донхви; Нам, Бу Хён; Юн, Хиджунг (декабрь 2018 г.). «Влияние содержания глины на прочность на сдвиг смеси глины и песка». Международный журнал геоинженерии . 9 (1): 19. doi : 10.1186/s40703-018-0087-x . ISSN  2092-9196. S2CID  139312055.
  4. ^ Сантамарина, Дж. Карлос (2003-01-13). "Поведение грунта в микромасштабе: силы частиц". Поведение грунта и строительство на мягких грунтах . Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей: 25–56. doi :10.1061/40659(2003)2. ISBN 978-0-7844-0659-5.
  5. ^ abc Beakawi Al-Hashemi, Hamzah M.; Baghabra Al-Amoudi, Omar S. (май 2018 г.). «Обзор угла естественного откоса гранулированных материалов». Powder Technology . 330 : 397–417. doi : 10.1016/j.powtec.2018.02.003 .
  6. ^ Баласубраманян А (2011). «МАССОВОЕ РАСТРАЧЕНИЕ». doi :10.13140/RG.2.2.10405.50407. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ Kozicki, J.; Donzé, FV (2009-10-09). "YADE-OPEN DEM: программное обеспечение с открытым исходным кодом, использующее метод дискретных элементов для моделирования зернистого материала". Engineering Computations . 26 (7): 786–805. doi :10.1108/02644400910985170. ISSN  0264-4401.
  8. ^ Ким, Джон Х.; Фурко, Тьерри; Журдан, Кристоф; Магт, Жан-Люк; Мао, Чжун; Метайе, Джеймс; Мейлан, Луиз; Пьерре, Ален; Рапидель, Бруно; Рупсар, Оливье; де Рув, Аннеке (28.05.2017). «Растительность как движущая сила временных изменений устойчивости склонов: влияние гидрологических процессов: переменная устойчивость склонов, покрытых растительностью». Geophysical Research Letters . 44 (10): 4897–4907. doi :10.1002/2017GL073174.
  9. ^ Mulyono, A; Subardja, A; Ekasari, I; Lailati, M; Sudirja, R; Ningrum, W (февраль 2018 г.). "Гидромеханика растительности для стабилизации склонов". Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 118 (1): 012038. Bibcode : 2018E&ES..118a2038M. doi : 10.1088/1755-1315/118/1/012038 . ISSN  1755-1307. S2CID  134151880.
  10. ^ abc Эберхардт 2003, стр. 4
  11. ^ ab Абрамсон 2002, стр. 2
  12. ^ Кличе 1999, стр. 2
  13. ↑ Корпус армии США 2003, стр. 1–2
  14. ^ Абрамсон 2002, стр. 1
  15. ^ Бил, Джефф; Рид, Джон, ред. (2014). Руководство по оценке устойчивости склонов карьеров с водой . Издательство CSIRO. ISBN 9780643108356.
  16. ^ Стед 2001, стр. 615
  17. ^ Карденас, IC (2019). «Об использовании байесовских сетей в качестве подхода к метамоделированию для анализа неопределенностей в анализе устойчивости склонов». Georisk: Оценка и управление рисками для инженерных систем и геологических опасностей . 13 (1): 53–65. Bibcode : 2019GAMRE..13...53C. doi : 10.1080/17499518.2018.1498524. S2CID  216590427.
  18. ^ Лю, Синь; Ван, Юй (2023). «Аналитические решения для годовой вероятности обрушения склона, вызванного осадками на определенном склоне, с использованием двумерного распределения интенсивности и продолжительности осадков». Инженерная геология . 313 : 106969. Bibcode : 2023EngGe.31306969L. doi : 10.1016/j.enggeo.2022.106969. S2CID  254807263.
  19. ^ abc Hack, R. (1996). Классификация вероятности устойчивости склона (SSPC) (PDF) . Публикация ITC 43. Технический университет Делфта и университет Твенте - Международный институт аэрокосмической съемки и наук о Земле ( ITC Enschede ), Нидерланды. стр. 258. ISBN 978-90-6164-154-4.
  20. ^ abc Hack, R.; Price, D.; Rengers, N. (2003). «Новый подход к устойчивости скальных склонов – вероятностная классификация (SSPC)». Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 62 (2): 167–184. doi :10.1007/s10064-002-0155-4. S2CID  140693335.
  21. ^ ab Андраде, PS; Сарайва, AA (2008). «Оценка коэффициента шероховатости соединений разрывов, обнаруженных в метаморфических породах» (PDF) . Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 67 (3, номер 3): 425–434. doi :10.1007/s10064-008-0151-4. hdl :10316/7611. S2CID  129119508.
  22. ^ ab Filipello, A.; Giuliani, A.; Mandrone, G. (2010). «Анализ восприимчивости склонов скал к разрушению: от измерений с помощью дистанционного зондирования до растровых модулей географической информационной системы». American Journal of Environmental Sciences . 6 (6): 489–494. doi : 10.3844/ajessp.2010.489.494 .
  23. ^ ab Hailemariam, GT; Schneider, JF (2–7 мая 2010 г.). «Классификация скального массива карстового рельефа на склонах водохранилища проекта гидроэлектростанции Текезе» (PDF) . Генеральная ассамблея EGU 2010 . EGU2010-831, 2010. Том 12. Вена, Австрия. стр. 831.
  24. ^ ab Dhakal, S.; Upreti, BN; Yoshida, M.; Bhattarai, TN; Rai, SM; Gajurel, AP; Ulak, PD; Dahal, RK (2005). «Применение системы SSPC на некоторых выбранных склонах вдоль маршрута треккинга от Джомсома до Кагбени, центрально-западный Непал». В Yoshida, M.; Upreti, BN; Bhattarai, TN; Dhakal, S. (ред.). Смягчение последствий стихийных бедствий и вопросы передачи технологий в Южной и Юго-Восточной Азии; материалы регионального семинара JICA . Катманду, Непал: Департамент геологии, кампус Три-Чандра, Университет Трибхувана , Катманду, Непал. стр. 79–82.
  25. ^ ab Lindsay, P.; Campbellc, RN; Fergussonc, DA; Gillarda, GR; Moore, TA (2001). "Классификация вероятности устойчивости склона, угольные измерения Вайкато, Новая Зеландия". International Journal of Coal Geology . 45 (2–3): 127–145. Bibcode :2001IJCG...45..127L. doi :10.1016/S0166-5162(00)00028-8.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки