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.).