stringtranslate.com

Устойчивость склона

Реальный оползень на склоне

Устойчивость склона относится к состоянию наклонных грунтовых или каменных склонов, способных выдерживать движение или подвергаться движению ; противоположное состояние называется нестабильностью склона или провалом склона . Состояние устойчивости склонов является предметом изучения и исследования в области механики грунтов , геотехнической инженерии и инженерной геологии . Анализ обычно направлен на понимание причин произошедшего обвала склона или факторов, которые потенциально могут спровоцировать движение склона, приводящее к оползню , а также на предотвращение начала такого движения, его замедление или остановку с помощью мер по смягчению последствий. .

Устойчивость уклона по существу контролируется соотношением между доступной прочностью на сдвиг и действующим напряжением сдвига , которое можно выразить через коэффициент запаса , если эти величины интегрированы по потенциальной (или фактической) поверхности скольжения. Склон может быть глобально устойчивым, если коэффициент запаса прочности, рассчитанный вдоль любой потенциальной поверхности скольжения, проходящей от вершины склона до его основания, всегда больше 1. Наименьшее значение коэффициента запаса будет считаться представляющим условие глобальной устойчивости. склона. Аналогичным образом, склон может быть локально устойчивым, если коэффициент запаса прочности, превышающий 1, рассчитывается вдоль любой потенциальной поверхности скольжения, проходящей через ограниченную часть склона (например, только в пределах его основания). Значения глобальных или локальных коэффициентов безопасности, близких к 1 (обычно от 1 до 1,3, в зависимости от правил), указывают на незначительно устойчивые склоны, которые требуют внимания, мониторинга и/или инженерного вмешательства ( стабилизация склонов ) для увеличения коэффициента безопасности и снижения вероятность наклонного движения. На ранее стабильный склон может повлиять ряд предрасполагающих факторов или процессов, которые приводят к снижению коэффициента безопасности - либо за счет увеличения напряжения сдвига, либо за счет уменьшения прочности на сдвиг - и в конечном итоге могут привести к разрушению откоса. Факторы, которые могут спровоцировать разрушение склона, включают гидрологические явления (такие как интенсивные или продолжительные дожди, быстрое таяние снега, прогрессирующее насыщение почвы, увеличение давления воды внутри склона), землетрясения (включая афтершоки ), внутреннюю эрозию (трубопроводов), поверхностную или носовую эрозию, искусственная нагрузка на склон (например, в результате строительства здания), срезание склона (например, для освобождения места под автомобильные дороги, железные дороги или здания) или затопление склона (например, путем заполнения искусственного озера после перекрытия реки плотиной).

Примеры

Простая секция уклона

На земляных склонах могут образовываться слабые места сферической формы. Вероятность этого можно рассчитать заранее, используя простой пакет двумерного кругового анализа. [1] Основная трудность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости скольжения для любой конкретной ситуации. [2] Многие оползни были проанализированы только постфактум. Совсем недавно , особенно в горнодобывающей промышленности, стала применяться радиолокационная технология стабилизации склонов для сбора данных в реальном времени и определения вероятности обрушения склонов.

Реальные сбои в естественно отложившихся смешанных грунтах не обязательно имеют круглую форму, но до появления компьютеров анализировать такую ​​упрощенную геометрию было гораздо проще. Тем не менее, провалы в «чистой» глине могут быть весьма близки к круговым. Такие скольжения часто происходят после периода сильного дождя, когда давление поровой воды на поверхности скольжения увеличивается, уменьшая эффективное нормальное напряжение и, таким образом, уменьшая удерживающее трение вдоль линии скольжения. Это сочетается с увеличением веса почвы из-за добавления грунтовых вод. «Усадочная» трещина (образовавшаяся во время предшествующей засушливой погоды) в верхней части стапеля также может заполняться дождевой водой, толкая слип вперед. С другой стороны, оползни в форме плит на склонах холмов могут удалить слой почвы с верхней части подстилающей скалы. Опять же, это обычно происходит из-за сильного дождя, иногда в сочетании с увеличением нагрузки от новых зданий или снятием опоры на подошве (в результате расширения дороги или других строительных работ). Таким образом, устойчивость можно значительно улучшить, установив дренажные пути для уменьшения дестабилизирующих сил. Однако после того, как скольжение произошло, вдоль круга скольжения остается слабость, которая затем может повториться во время следующего сезона дождей.

Угол откоса

Угол естественного откоса связан с прочностью геологических материалов на сдвиг , что актуально в строительном и инженерном контексте. [3] Для сыпучих 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 потеря массы и камнепад . Для многих инженеров-строителей и инженеров-геотехников важно знать угол естественного откоса, чтобы избежать структурных и стихийных бедствий . В результате применение подпорных стенок может помочь удерживать почву так, чтобы угол естественного откоса не превышался. [5]

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

Содержание воды

Содержание воды является важным параметром, который может изменить угол естественного откоса. Сообщается, что более высокое содержание воды может стабилизировать уклон и увеличить угол естественного откоса. [5] Однако насыщение водой может привести к снижению устойчивости откоса, поскольку оно действует как смазка и создает отслоение, в результате которого может произойти массовая потеря . [6]

Содержание воды зависит от свойств почвы, таких как размер зерен, которые могут влиять на скорость инфильтрации , сток и удержание воды. Как правило, более мелкозернистые почвы, богатые глиной и илом, удерживают больше воды, чем более крупные песчаные почвы. Этот эффект обусловлен главным образом капиллярным действием , когда силы сцепления между жидкостью, частицей и силы сцепления самой жидкости противодействуют гравитационному притяжению. Следовательно, меньший размер зерна приводит к меньшей площади поверхности, на которую могут действовать гравитационные силы. Меньшая площадь поверхности также приводит к усилению капиллярного действия, 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 уклона. Чем округлее зерно, тем меньше угол естественного откоса. Уменьшение округлости или увеличение угловатости приводит к блокировке посредством контакта частиц. Эту линейную зависимость между углом естественного откоса и округлостью зерна также можно использовать в качестве показателя угла естественного откоса, если измеряется округлость зерна. [5]

Стабилизация склона

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

Применение растительности

Применение растительности для повышения устойчивости склонов против эрозии и оползней — это форма биоинженерии , которая широко используется в районах, где глубина оползней невелика. Растительность повышает устойчивость склона механически, укрепляя почву корнями растений, которые стабилизируют верхнюю часть почвы. Растительность также стабилизирует склон посредством гидрологических процессов за счет снижения содержания влаги в почве за счет перехвата осадков и транспирации . В результате получается более сухая почва, которая менее подвержена массовому истощению. [9]

Стабильность склонов также можно улучшить за счет:

Рисунок 1. Разрушение уклона при вращении на круглой поверхности скольжения.

Методы анализа

Метод срезов

Анализ устойчивости склонов - это статический или динамический, аналитический или эмпирический метод оценки устойчивости откосов грунтовых и каменно-насыпных плотин, насыпей, выкопанных откосов и естественных откосов в почве и скалах. Он выполняется для оценки безопасности проектирования искусственных или естественных склонов (например , насыпей , выемок дорог , открытых горных работ , раскопок, свалок и т. д.) и условий равновесия. [10] [11] Устойчивость склона – это устойчивость наклонной поверхности к разрушению в результате скольжения или обрушения. [12] Основными задачами анализа устойчивости склонов являются поиск зон, находящихся под угрозой исчезновения, исследование потенциальных механизмов отказа, определение чувствительности склонов к различным пусковым механизмам, проектирование оптимальных склонов с точки зрения безопасности , надежности и экономики , а также разработка возможных мер по устранению недостатков. например, барьеры и стабилизация . [10] [11]

Для успешного проектирования склона необходима геологическая информация и характеристики площадки, например, свойства почвы / горной массы, геометрия склона , состояние грунтовых вод , чередование материалов в результате разломов , систем трещин или разрывов , движений и напряжений в суставах, сейсмической активности и т. д. [13] [14] Наличие воды отрицательно влияет на устойчивость склона. Давление воды, действующее в поровых пространствах, трещинах или других неоднородностях материалов, составляющих откос карьера, снижает прочность этих материалов. [15] Выбор правильного метода анализа зависит как от условий на месте, так и от потенциального характера отказа, при этом тщательное внимание уделяется различным сильным , слабым сторонам и ограничениям, присущим каждой методологии . [16]

До компьютерного возраста анализ стабильности проводился 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 анализу пределов (например, анализ пределов конечных элементов , оптимизация схемы разрывов ) и заканчивая сложными и сложными численными решениями ( коды конечных / отдельных элементов). . [10] Инженер должен полностью понимать ограничения каждого метода. Например, наиболее часто используемым и простым методом решения является предельное равновесие, но оно может стать неадекватным, если склон разрушается по сложным механизмам (например, внутренняя деформация и хрупкое разрушение , прогрессирующая ползучесть , разжижение более слабых слоев грунта и т. д.). В этих случаях следует использовать более сложные методы численного моделирования . Кроме того, даже для очень простых наклонов результаты, полученные с помощью типичных методов предельного равновесия, используемых в настоящее время (Бишоп, Спенсер и т. д.), могут значительно отличаться. Кроме того, сегодня расширяется использование концепции оценки рисков . Оценка риска касается как последствий разрушения склона, так и вероятности разрушения (оба требуют понимания механизма разрушения). [17] [18]

Массовая классификация и рейтинг

Существуют различные системы классификации и рейтинга для проектирования склонов и оценки устойчивости склонов. Системы основаны на эмпирических отношениях между параметрами горных пород и различными параметрами склонов, такими как высота и угол уклона.

Классификация вероятностей

Система вероятностной классификации устойчивости склонов (SSPC) [19] [20] представляет собой систему классификации горных пород для проектирования склонов и оценки устойчивости склонов. Система представляет собой трехступенчатую классификацию: классификацию горных массивов «обнажение» , «эталон» и «наклон» с коэффициентами преобразования между тремя этапами в зависимости от существующего и будущего выветривания и ущерба, вызванного методом раскопок. Устойчивость склона выражается как вероятность различных механизмов разрушения.

Массив горных пород классифицируется в соответствии со стандартизированным набором критериев по одному или нескольким обнажениям ( классификация «воздействий» ). Эти значения преобразуются для каждого обнажения в «эталонную» горную массу путем компенсации степени выветривания обнажения и метода раскопок, который использовался для обнажения, т. е. на «эталонные» значения горной массы не влияют местные влияния. такие как выветривание и метод раскопок. Затем можно спроектировать новый откос в «эталонной» горной массе с компенсацией ущерба, вызванного методом земляных работ, который будет использоваться для создания нового откоса, и компенсацией разрушения горной массы из-за будущего выветривания ( «наклон» горный массив). Если оценивается устойчивость уже существующего склона, значения «обнажения» и «наклона» горной массы одинаковы.

Механизмы разрушения делятся на ориентационно-зависимые и ориентационно-независимые . Механизмы разрушения, зависящие от ориентации, зависят от ориентации склона по отношению к ориентации неоднородностей горной массы, т.е. скольжение (плоское и клиновое скольжение) и опрокидывание. Независимость от ориентации относится к возможности того, что склон разрушается независимо от его ориентации, например, полное круговое разрушение из-за вновь образовавшихся разрывов сплошности в неповрежденных блоках породы или частичное разрушение после существующих разрывов и частично новых разрывов.

Кроме того, можно определить прочность на сдвиг вдоль разрыва («критерий скольжения») [19] [20] [21] , а также «сплоченность горной массы» и «трение горной массы». Система использовалась напрямую или модифицировалась в различных геологических и климатических условиях по всему миру. [22] [23] [24] Система была модифицирована для оценки устойчивости откосов при добыче угля открытым способом. [25]

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы, связанные с категорией: Анализ устойчивости склонов.

Рекомендации

  1. ^ «Калькулятор устойчивости склона» . Проверено 14 декабря 2006 г.
  2. ^ Чу, Ашок К. (2002). «Метод определения критических поверхностей скольжения при анализе устойчивости склонов: обсуждение». Канадский геотехнический журнал . 39 (3): 765–770. дои : 10.1139/t02-042.
  3. ^ Ким, Донхви; Нам, Бу Хён; Юн, Хиджон (декабрь 2018 г.). «Влияние содержания глины на прочность сдвига глинисто-песчаной смеси». Международный журнал геоинженерии . 9 (1): 19. дои : 10.1186/s40703-018-0087-x . ISSN  2092-9196. S2CID  139312055.
  4. ^ Сантамарина, Дж. Карлос (13 января 2003 г.). «Поведение почвы на микромасштабе: силы частиц». Поведение почвы и конструкция мягкого грунта . Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей: 25–56. дои : 10.1061/40659 (2003)2. ISBN 978-0-7844-0659-5.
  5. ^ abc Беакави Аль-Хашеми, Хамза М.; Багхабра Аль-Амуди, Омар С. (май 2018 г.). «Обзор об угле естественного откоса сыпучих материалов». Порошковая технология . 330 : 397–417. дои : 10.1016/j.powtec.2018.02.003 .
  6. ^ Баласубраманиан А (2011). «МАССОВОЕ ИЗТРЕБЛЕНИЕ». дои : 10.13140/RG.2.2.10405.50407. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  7. ^ Козицки, Дж.; Донзе, ФВ (9 октября 2009 г.). «YADE-OPEN DEM: программное обеспечение с открытым исходным кодом, использующее метод дискретных элементов для моделирования сыпучего материала». Инженерные расчеты . 26 (7): 786–805. дои : 10.1108/02644400910985170. ISSN  0264-4401.
  8. ^ Ким, Джон Х.; Фурко, Тьерри; Журдан, Кристоф; Маэ, Жан-Люк; Мао, Чжун; Метайер, Джеймс; Мейлан, Луиза; Пьере, Ален; Рапидель, Бруно; Рупсар, Оливье; де Ру, Аннеке (28 мая 2017 г.). «Растительность как движущая сила временных изменений устойчивости склонов: влияние гидрологических процессов: переменная устойчивость склонов, покрытых растительностью». Письма о геофизических исследованиях . 44 (10): 4897–4907. дои : 10.1002/2017GL073174.
  9. ^ Мулёно, А; Субарджа, А; Экасари, я; Лаилати, М; Судирья, Р; Нингрум, W (февраль 2018 г.). «Гидромеханика растительности для стабилизации склонов». Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 118 (1): 012038. Бибкод : 2018E&ES..118a2038M. дои : 10.1088/1755-1315/118/1/012038 . ISSN  1755-1307. S2CID  134151880.
  10. ^ abc Эберхардт 2003, с. 4
  11. ^ Аб Абрамсон 2002, с. 2
  12. ^ Кличе 1999, с. 2
  13. ^ USAArmyCorps 2003, стр. 1–2.
  14. ^ Абрамсон 2002, с. 1
  15. ^ Бил, Джефф; Прочтите, Джон, ред. (2014). Рекомендации по оценке уровня воды в устойчивости откосов карьера . Издательство CSIRO. ISBN 9780643108356.
  16. ^ Стед 2001, с. 615
  17. ^ Карденас, IC (2019). «Об использовании байесовских сетей в качестве подхода к метамоделированию для анализа неопределенностей при анализе устойчивости склонов». Геориск: оценка и управление рисками для инженерных систем и опасных геологических процессов . 13 (1): 53–65. Бибкод : 2019GAMRE..13...53C. дои : 10.1080/17499518.2018.1498524. S2CID  216590427.
  18. ^ Лю, Синь; Ван, Ю (2023). «Аналитические решения для определения годовой вероятности обрушения склона, вызванного дождями на определенном склоне, с использованием двумерного распределения интенсивности и продолжительности осадков». Инженерная геология . 313 : 106969. Бибкод : 2023EngGe.31306969L. дои : 10.1016/j.enggeo.2022.106969. S2CID  254807263.
  19. ^ Аб Хак, Р. (1996). Классификация вероятностей устойчивости склонов (SSPC) (PDF) . Публикация ITC 43. Технический университет Делфта и Университет Твенте — Международный институт аэрокосмических исследований и наук о Земле ( ITC Энсхеде ), Нидерланды. п. 258. ИСБН 978-90-6164-154-4.
  20. ^ аб Хак, Р.; Прайс, Д.; Ренгерс, Н. (2003). «Новый подход к устойчивости горных откосов - вероятностная классификация (SSPC)». Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 62 (2): 167–184. дои : 10.1007/s10064-002-0155-4. S2CID  140693335.
  21. ^ Андраде, PS; Сарайва, А.А. (2008). «Оценка коэффициента совместной шероховатости неоднородностей, обнаруженных в метаморфических породах» (PDF) . Бюллетень инженерной геологии и окружающей среды . 67 (3, номер 3): 425–434. дои : 10.1007/s10064-008-0151-4. hdl : 10316/7611. S2CID  129119508.
  22. ^ Филипелло, А.; Джулиани, А.; Мандрон, Г. (2010). «Анализ склонности горных пород к разрушению: от измерений дистанционного зондирования до растровых модулей географической информационной системы». Американский журнал наук об окружающей среде . 6 (6): 489–494. дои : 10.3844/ajessp.2010.489.494 .
  23. ^ Хайлемариам, GT; Шнайдер, Дж. Ф. (2–7 мая 2010 г.). «Классификация карстового рельефа горных пород на склонах водохранилища гидроэнергетического проекта Текезе» (PDF) . Генеральная ассамблея ЕГУ 2010 . ЭГУ2010-831, 2010. Том. 12. Вена, Австрия. п. 831.
  24. ^ Дакал, С.; Упрети, Б.Н.; Ёсида, М.; Бхаттараи, Теннесси; Рай, С.М.; Гаджурель, АП; Улак, П.Д.; Дахал, РК (2005). «Применение системы SSPC на некоторых выбранных склонах трекового маршрута от Джомсома до Кагбени, центрально-западный Непал». Ин Ёсида, М.; Упрети, Б.Н.; Бхаттараи, Теннесси; Дакал, С. (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 Трибхуван , Катманду, Непал. стр. 79–82.
  25. ^ Линдси, П.; Кэмпбелл, Р.Н.; Фергюссон, Д.А.; Гилларда, Греция; Мур, Т.А. (2001). «Классификация вероятности устойчивости склона, Waikato Coal Measures, Новая Зеландия». Международный журнал угольной геологии . 45 (2–3): 127–145. Бибкод : 2001IJCG...45..127L. дои : 10.1016/S0166-5162(00)00028-8.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки