Устойчивость склонов: анализ и факторы влияния

Введение

Стабильность почвенных или скальных склонов

Стабильность склона – это способность наклонных почвенных или скальных склонов сопротивляться деформации или перемещению; противоположное состояние называется нестабильностью склона или обрушением склона. Условия устойчивости склонов являются предметом изучения и исследований в области механики грунтов, геотехнической инженерии и инженерной геологии. Анализы обычно направлены на понимание причин произошедшего обрушения склона или факторов, которые могут потенциально спровоцировать движение склона, приводящее к оползню, а также на предотвращение начала такого движения, замедление его или остановку посредством комплекса защитных мероприятий. Стабильность склона в основном определяется соотношением между доступной прочностью на сдвиг и действующим напряжением сдвига, которое может быть выражено в виде коэффициента запаса прочности, если эти величины интегрированы по потенциальной (или фактической) поверхности скольжения. Склон может считаться глобально устойчивым, если коэффициент запаса прочности, рассчитанный по любой потенциальной поверхности скольжения, проходящей от вершины склона до его подошвы, всегда больше 1. Наименьшее значение коэффициента запаса прочности принимается за показатель глобальной устойчивости склона. Аналогично, склон может быть локально устойчивым, если коэффициент запаса прочности, превышающий 1, рассчитан по любой потенциальной поверхности скольжения, проходящей через ограниченную часть склона (например, только в пределах его подошвы). Значения глобального или локального коэффициента запаса прочности, близкие к 1 (обычно в диапазоне от 1 до 1,3, в зависимости от нормативных требований), указывают на предельно устойчивые склоны, требующие внимания, мониторинга и/или инженерного вмешательства (стабилизации склона) для увеличения коэффициента запаса прочности и снижения вероятности движения склона. На ранее устойчивый склон может повлиять ряд предрасполагающих факторов или процессов, которые приводят к уменьшению коэффициента запаса прочности – либо за счет увеличения напряжения сдвига, либо за счет снижения прочности на сдвиг – и в конечном итоге могут привести к обрушению склона. Факторы, которые могут спровоцировать обрушение склона, включают гидрологические явления (такие как интенсивные или продолжительные осадки, быстрое таяние снега, постепенное насыщение грунта водой, увеличение давления воды внутри склона), землетрясения (включая афтершоки), внутреннюю эрозию (вымывание грунта), эрозию поверхности или подошвы, искусственную нагрузку на склон (например, из-за строительства здания), выемку грунта на склоне (например, для прокладки дорог, железных дорог или строительства зданий) или затопление склона (например, при заполнении искусственного водоема после строительства плотины).

Slope stability refers to the condition of inclined soil or rock slopes to withstand or undergo movement; the opposite condition is called slope instability or slope failure. The stability condition of slopes is a subject of study and research in soil mechanics, geotechnical engineering and engineering geology. Analyses are generally aimed at understanding the causes of an occurred slope failure, or the factors that can potentially trigger a slope movement, resulting in a landslide, as well as at preventing the initiation of such movement, slowing it down or arresting it through mitigation countermeasures. The stability of a slope is essentially controlled by the ratio between the available shear strength and the acting shear stress, which can be expressed in terms of a safety factor if these quantities are integrated over a potential (or actual) sliding surface. A slope can be globally stable if the safety factor, computed along any potential sliding surface running from the top of the slope to its toe, is always larger than 1. The smallest value of the safety factor will be taken as representing the global stability condition of the slope. Similarly, a slope can be locally stable if a safety factor larger than 1 is computed along any potential sliding surface running through a limited portion of the slope (for instance only within its toe). Values of the global or local safety factors close to 1 (typically comprised between 1 and 1.3, depending on regulations) indicate marginally stable slopes that require attention, monitoring and/or an engineering intervention (slope stabilization) to increase the safety factor and reduce the probability of a slope movement. A previously stable slope can be affected by a number of predisposing factors or processes that make the safety factor decrease either by increasing the shear stress or by decreasing the shear strength and can ultimately result in slope failure. Factors that can trigger slope failure include hydrologic events (such as intense or prolonged rainfall, rapid snowmelt, progressive soil saturation, increase of water pressure within the slope), earthquakes (including aftershocks), internal erosion (piping), surface or toe erosion, artificial slope loading (for instance due to the construction of a building), slope cutting (for instance to make space for roadways, railways or buildings), or slope flooding (for instance by filling an artificial lake after damming a river).

Примеры

На земляных склонах может развиться зона сферической слабости, склонная к сдвигу. Вероятность этого можно рассчитать заранее, используя простое 2D-программное обеспечение для кругового анализа. Основная сложность анализа заключается в определении наиболее вероятной плоскости сдвига для конкретной ситуации. Многие оползни анализируются только после их возникновения. В последнее время технология радиолокационного мониторинга устойчивости склонов стала применяться, особенно в горнодобывающей промышленности, для сбора данных в реальном времени и помощи в определении вероятности обрушения склона. Реальные обрушения в естественных отложениях смешанных грунтов не обязательно имеют круговую форму, но до появления компьютеров было гораздо проще анализировать такую упрощенную геометрию. Тем не менее, обрушения в "чистых" глинах могут быть довольно близки к круговым. Такие сдвиги часто происходят после периода сильных дождей, когда давление воды в порах на поверхности сдвига увеличивается, уменьшая эффективное нормальное напряжение и, следовательно, снижая удерживающее трение вдоль линии сдвига. Это сочетается с увеличением веса грунта из-за насыщения грунтовыми водами. Трещина усадки (образующаяся в предшествующую сухую погоду) в верхней части сдвига также может заполняться дождевой водой, подталкивая сдвиг вперед. В противоположном случае, пластинчатые сдвиги на склонах холмов могут удалять слой грунта с верхней части нижележащей скальной породы. И это, как правило, инициируется сильными дождями, иногда в сочетании с увеличением нагрузки от новых зданий или удалением опоры у основания (в результате расширения дороги или других строительных работ). Таким образом, устойчивость можно значительно повысить путем установки дренажных систем для уменьшения дестабилизирующих сил. Однако после произошедшего сдвига вдоль плоскости сдвига сохраняется слабость, которая может повториться в следующий сезон дождей.

Угол отдыха

Угол откоса связан с прочностью на сдвиг геологических материалов, что имеет значение в строительстве и инженерных расчетах. Для зернистых материалов размер и форма частиц могут существенно влиять на угол откоса. С увеличением округлости материала угол откоса уменьшается, так как трение между частицами грунта снижается. Превышение угла откоса может привести к оползням и обвалам горных пород. Для многих специалистов в области гражданского и геотехнического строительства важно знать угол откоса, чтобы предотвратить техногенные и природные катастрофы. В связи с этим, применение подпорных стен может помочь удержать грунт и предотвратить превышение угла откоса. На угол откоса и устойчивость склона влияют как климатические, так и неклиматические факторы.

Содержание воды

Содержание воды — важный параметр, который может изменять угол откоса. Сообщается, что более высокое содержание воды способно стабилизировать склон и увеличивать угол откоса. Содержание воды зависит от свойств грунта, таких как размер частиц, что влияет на скорость инфильтрации, поверхностный сток и водоудерживающую способность. Как правило, мелкозернистые грунты, богатые глиной и пылью, удерживают больше воды, чем крупнозернистые песчаные грунты. Этот эффект в основном обусловлен капиллярным действием, при котором силы адгезии между жидкостью, частицей и силы когезии самой жидкости противодействуют силе тяжести. Следовательно, меньший размер частиц приводит к уменьшению площади поверхности, на которую может действовать сила тяжести. Меньшая площадь поверхности также способствует более выраженному капиллярному действию, большему удержанию воды, большей инфильтрации и меньшему поверхностному стоку.

Растительность

Присутствие растительности не оказывает непосредственного влияния на угол откоса, но выступает в качестве стабилизирующего фактора на склоне, где корни деревьев проникают в более глубокие слои почвы и формируют почвенный композит, армированный волокнами, с повышенным сопротивлением сдвигу (механическое сцепление).

Классификация массы и рейтинг

Для проектирования склонов и оценки их устойчивости существуют различные системы классификации и ранжирования. Эти системы основаны на эмпирических зависимостях между параметрами горной массы и различными параметрами склона, такими как высота и угол наклона.