Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Напряженное состояния массивов горных пород склонов и его анализ методами математического моделирования

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Напряженное состояния массивов горных пород склонов и его анализ методами математического моделирования"

Московский Государственный Университет ииени М.В.Ломоносова Геологический факультет кафедра инженерной геологии и охраны геологической среды

На правах рукописи

Эрнест Валентинович КАЛИНИН

УДК 624.131 .32

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД СКЛОНОВ И ЕГО АНАЛИЗ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-иинералогических наук

Москва, 1992.

Работа выполнена на кафедре-инженерной геологии и 4 охраны геологической среды Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Официальные оппоненты: .доктор геолого-минералогических • наук, профессор *

Комаров Игорь Сергеевич

доктор технических наук, профессор Казикаев Джек Мубаракович

ч

доктор геолого-минералогических наук Варга Александр Александрович

Ведущая организация: ПНИШС Минстроя Госсийской Федерации

Защита диссертации состоится 29 мая 1992 г. в 14.30 час на заседаний специализированного совета Д 053.05.27 при

Геологическом факультете МГУ (119899, Москва, Ленгоры, МГУ, Главное здание, аудитория.415.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ.

Автореферат разослан " 24 "арр<2/>Я 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор геол.-мин. наук

Л.С.Гарягуля

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем инженерной геологии является оценка устойчивости природных склонов. Не менее важна оценка ' устойчивости искусственных откосов, плотин, насыпей дамб и бортов карьеров и котлованов. Наибольшее значение необходимость оценки устойчивости склонов и откосов приобретает в условиях вовлечения склонов в сферу хозяйственной деятельности, когда предполагается подрезка или планировка склонов, когда на склонах или в склонах проектируется строительство сооружений различного назначения -плотин, трубопроводов, тоннелей, горных выработок и т.п., когда склоны становятся объектом сельскохозяйственного освоения и в других случаях.

Оценка устойчивости склонов на современном научном уровне невозможна без изучения напряженно-деформированного состояния массивов пород, слагающих склоны, "и обусловлена очень большим числом разнообразных 'факторов. Только детальное выявление зависимости величины напряжений и положения зон концентрации от морфологии, крутизны и высоты склонов,;геологического строения и свойств пород, слагающих склоны, от разнообразных внешних воздействий, как естественных, так и техногенных предоставит возможность уверенного решения вопроса оценки устойчивости природных склонов и искусственных откосов и позволит прогнозировать их поведение как в ходе их естественного развития, так и в случае проведения в пределах склонов строительных работ или при хозяйственном их освоении.

Изучение напряженно-деформированного состояния пород склонов необходимо выполнять на всех стадиях инженерно-геологических изысканий для решения таких вопросов как выбор места расположения сооружения и хозяйствешшх объектов, определение характера и степени влияния различных сооружений на перераспределение напряжений в породах склонов, проектирование комплекса мероприятий по защите территорий и сооружений от неблагоприятных последствий склоновых процессов.

Такш образом, проблема исследования напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов в силу ее

значимости для решения многих практических и научных вопросов представляется весьма актуальной.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению важной научной проблему - изучению .напряженно-деформированного состояния массивов пород природных склонов. Работа выполнялась автором, начиная с 197-2 года, на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды Геологического факультета МГУ в соответствии с планом научно-исследовательских работ по следующим госбюджетным и хоздоговорным темам: "Геологические закономерности развития обвалов, оползней и селей в горных районах Таджикистана и Киргизии" (Л г.р. 72032771, 1971-1980 г.г.); " Исследование устойчивости высоких склонов сложного геологического строения методами сравнительно-геологическими, инженерно-геологического моделирования и аналитическими" \№ г.р. 72025796, 1972-1980 г.г.)¡"Изучение устойчивости оползневых склонов района плотины и водохранилища Могилев-Подольского гидроузла р.Днестр" (№ г.р. 74062952, 1973-1975 г.г.); " Инженерно-геологические исследования для обоснования схемы инженерной защиты от оползней, обвалов и селей территории бассейна р.Зеравшан" (№ г.р. 76034056,. 1978-1981 г.г.); "Изыскательские тематические инженерно-геологические работы по изучению устойчивости склонов рек Днестра и Сокиряны в районе размещения сооружений Днестровской ГАЭС" (Л г.р. 80033583, 1979-1981 г.г.);"Разработка и совершенствование методов инженерно-геологического изучения и оценки устойчивости склонов" (Я г.р. 01816001082, План НИР АН СССР 3.1.13.7 т.3,с.13 и приказ МГУ Л 409 от 31.03.80 г., 1981-1985 г.г.); "Инженерно-геологическое изучение геологических процессов и прогноз их развития в связи с рациональным использованием и охраной геологической среда (Л г.р. 01870042286, 1986-1990 г.г.); "Изучение основных компонентов и режима геологической ■среды под влиянием природных и техногенных факторов на геодинамических полигонах Таджикистана (№ г.р. 01850000712, 1984-1989 г.г.); "Оце,нка устойчивости склона и фильтрации из верхнего бассейна на участке основных сооружений Средне-Волжской ТАЭС-2." (№ г.р. 01850000712, 1984-1989 г.г.); '"Изучение сейсмоустойчивости склонов и динамики сейсмогенных оползней в лессовых породах на примере Хаитского участка

Гарм-Сурхобского геодинамического полигона." (Пост. СМ СССР * 183 от 67.03.78 и СМ Тадк.ССР Л 152 от 15.05.Т8, ,1990-1991 г.г.) и ряда других, в выполнении которых автор принимал участив в качестве ответственного., исполнителя, а в последние года как научный руководитель. 1

Целью диссертационной работы является установление величин и закономерностей распределения напряжений в массивах пород природных склонов в зависимости от их строения и внешних воздействий и разработка-- методики изучения напряженно-деформированного состояния пород '"склонов сложного геологического строения на основе использования методов математического моделирования.

Основные задачи исследования следуотие с' 1. Установить величины и характер распределения напряжений в массивах пород склонов различного геологического строения.

2. Выявить влияние на напряженное состояние массивов пород склонов различных'факторов в количественном выражении.

3. Разработать методику изучения напряконно-деформированно-го состояния пород склонов на основа использования численного моделирования.

- Основная идея работы заключается в создании методики количественной оценки напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов', обладающих сложным геологическим строением и находящихся под воздействием различных внешних воздействий, с целью прогноза их устойчивости.

Методы, исследования включают полевое инженерно-геологическое изучение склонов и происходящих на них процессов, обобщение опыта изучения напряженно-деформированного состояния массива пород склонов полевыми и лабораторными способами, применение различных методов математического моделирования с широким использованием ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту, следующие:

Общее поле напряжений/ в массивах горных пород, слагающих склоны, формируется гравитационным полем Земли.и морфологией склона. Перераспределение напряжений в массивах пород склонов определяется их геологическим строением и свойствами: анизотропией, частым переслаиванием пород с различными упругими

свойствами и др. Закономерности в перераспределении напряжений вызываются совместным действием многочисленных факторов (формой склонов, силовыми причинами, особенностями внутреннего строения пород и техногенным вмешательством), реакция' на которые является локальной.

2. Величины напряжений и расположение зон их концентрации зависят от сочетания действующих в слагающих склоны , массивахч пород факторов. Концентрация напряжений возникает в основании и нижних частях склонов, а также на контактах пород с различными свойствами, вблизи трещин, местах приложения дополнительных нагрузок и т.д. Вклад каждого фактора в изменении величин напряжений оценивается с помощью коэффициента концентрации.

3.Сейсмическое воздействие формирует две зоны концентрации напряжений: в области, где падающая волна встречается с поверхностью склона, и там, где направление распространения волны' совпадает с касательной к склону. При взаимодействии падающих и отраженных волн первая зона концентрации перемещается вдоль поверхности ¡-склона вверх, а во второй напряжения, достигнув максимальных величин, уменьшаются до номинальных.Этот процесс периодически;повторяется.

4. В неоднородных массивах, состоящих из нескольких периодически переслаивающихся пород различной жесткости, распределение напряжений подчиняется закономерностям, характерным как для неоднородных, так и для анизотропных массивов. В этом случае расположение зон концентрации тесно связано с взаимным соотношением направления склона и плоскостей анизотропии, в том числе и при заложении долин вдоль осей складок. Концентрация напряжений в жестких породах слоистого массива происходит в нижних частях склона, где падение пород совпадает со склоном, а е мягких слоях того же массива -сна противоположном склоне.

5. Методика исследования напряженного состояния .массивов пород, слагающих склоны, основывается на.комплексном применении ' различных методов с широким использованием. математического моделирования, что позволяет проводить это изучение на всех стадиях инженерно-геологических изысканий. Существенным •методическим положением является последовательность учета всех факте ту .-в, обуславливающих распределение напряжений, так как оценк-! их влияния на напряженное состояние массивов горных

пород склонов требует применения различных подходов в разных модификациях численного моделирования.

Достоверность научных положений и выводов обосновывается применением современных методов математического (аналитического и численного) моделирования, включающих несколько разновидностей вариационно-рьзнрстных способов, метод конечных элементов и метод граничных элементов, сопоставимостью полученных результатов с данными полевых и лабораторных экспериментальных исследований и соответствием их физическим представлениям.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Т Обоснована и разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния массивов пород, слагающих природные сююноы, основанная ■ на комплексном использовании различных модификаций Математического моделирования и обеспеченная пакетом вычислительных программ.

2. Установлены закономерности распределения напряжен^ в массиве пород склонов в зависимости от его 'формы, неоднородности строения, условий залегания пород, анизотропии' их сеойств, степени трещиноватости и других факторов.

3. Определено влияние' на напряженно-деформированное состояние массива пород склонов таких факторов, как наличие трещин, тектонических сил, сейсмического воздействия, техногенных причин'" и других.

4. Установлено положение и размеры зон концентрации . напряжений в различных по строению и двойствам массивах пород по отношению к склону и впервые дана количественная оценка вклада каждого-фактора в формирование напряженного состояния массива пород склонов с помощью коэффициентов.

5. Впервые проанализирован характер перемещения юн концентрации напряжений при распространении в породйх склона сейсмических волн, образующихся при землетрясении, и дана оценка влияния.на напряженнее состояние пород склонов открытых трещин произвольной ориентации.

Личный вклад автора заключается: - в разработке методики изучения напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов, основанной на применении современных методов '"математического моделирования и

г

последовательном учете основных факторов, влияющих . на формирование шлей напряжений;

- в разработке математических моделей, описывающих напряженное состояние склонрв, сложенных слоистыми массивами пород; ^

в разработке программного обеспечения для расчетов напряженно-деформированного состояния неоднородных .массивов пород и осложненных открытыми трещинами; . -

- в анализе основных закономерностей распределения напряжений в , массивах пород изученных склонов, находящихся под воздействием внеширс природных и искусственных факторов;

- в установлении влияния на изменение напряжений в"'породах сюЬна различных факторов в количественном выражении;

- в выявлении характера перераспределения напряжений в породах склона при прохождении через них и "отражении от пЬверхности склора сейсмических волн.

Практическая ценность работы: Установлены закономерности в распределении напряжений в массивах пород склонов, имеющих различную форму, крутизну и высоту, отличающихся сложным геологическим строением, выраженным значительной неоднородностью, слоистостью и, складчатостью, анизотропией свойств слагающих их пород, пораженностыо тектоническими трещинами, и находящихся под воздействием тектонических сил и сейсмичности.

Установлен характер и определена степень влияния на величины напряжений в породах склонов различных факторов как естественных, так и искусственных, таких, например, как давление от водохранилища,• подрезка и планировка, склонов, проходка котлованов и подземных выработок.

Разработана методика изучения напряженно-деформированного состояния пород склонов, основанная на последовательном количественном учете влияния различных факторов на перераспределение напряжений.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при проектировании четырех крупных ■гидроэлектростанций (Токтогульская ГЭС на р.Нарын, Рогунская •ГЭС на р.Вахт, Богучанская ГЭС на р.Ангаре, Днестровская ГЭС) и двух гидроаккумулирующих станциях (Днестровская ГАЭС и Козловская ГАЭС на р.Волге) в связи с. необходимостью оценки

устойчивости склонов речных долин в естественном состоянии и при изменении условий в результате создания плотин, водохранилищ, напорных бабсейнов, строительных котлованов иг других сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на: IV и V научных отчетных конференциях' геологического факультета МГУ (Москва, 1969, 1970г.); Межведомственном совещании по инженерной геологии (Москва, 1970г.); Международном конгрессе ассоциации инженер-геологов ( Париж ,1970г.);'-школе-семинаре "Геологическая деятельность и охрана окружающей . среды " (Москва, 1978г.); VI и IX Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1978, 1989 г.г.); Всесоюзной школе-семинару "Измерение напряжений и их приложение в прогнозе землетрясений." (Апатиты, 1980г.); Международном" симпозиуме "Оползни и другие движения масс." (Чехословакия, Прага,1977г.); Региональном научно-практическом совещании "Оползни, обвалы и селевые потоки 'рейсмоактивщп областей, их прогнозирование и защита."(Душанбе, 1990г.); Всесоюзной научной конференции "Техногенные ^факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта." (Ташкент, 1990г.); Международной конференции по механике трещиноватых и складчатых" пород (Австрия, Вена, 1990г.); Ломоносовских чтениях (Москва, 1978, 1989, 1990 г.г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 34 опубликованных работах, в том числе в 6 монографиях и в двух работах, опубликованных за рубежом.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения трех "частей, содержащих 15 глав, и заключения, содержит 230 страниц машинописного текста, £>9 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 2э<3 наименований отечественных и зарубея^ных работ.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды Геологического факультета и кафедры механики композитов Механико-математического факультета МГУ за помощь при выполнении диссертационной работы и всем, кто содействовал ее написанию и принимал участие в обсуждении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование необходимости • применения /методов математического моде5лирования для исследования напряженно-деформированногог состояния природных склонов в связи с оценкой их устойчивости и отражает основные задачи, научные положения и новизну диссертационной работы.

1

Часть I.Методика исследования напряженно-деформированного состояния горных пород склонов. Напряженно-деформированное состояние верхних горизонтов земной коры широко обсуждается в литературе (И.Г.Айтматов, В .¿.Белоусов, С.А.Батугин, Н.П.Влох, М.В.Гзовский^" Ж.С.Ержанов, Г^С.Золотарев, Д.М.Казикаев, П.Н.Кропоткин, Г.А.Крупенников, М.В.Курленя, Г.А.Марков, Н.Р.Надирашвили, П.Н.Николаев, В.Я.Степанов, Д.Н.Осогаша, И.А.Турчанинов, З.Г.Тер- Мартиросян, Ч.Джегер, Л.Мюллер, Н.Хаст и др.) и определяется совместно действующими многочисленными факторами, имеющими глобальный, региональный или локальный^ характер. 1 1

Наиболее обоснованным является представление о том, что _> напряженное состояние пород в верхней части земной коры формируется в основном двумя причинами: действующей повсеместно гравитационной и изменяющейся от района к району тектонической силой. Однако существенный вклад в перераспределение напряжений вносит рельеф земной поверхности. Несмотря на то, что влияние рельефа распространяется на расстояние от поверхности не превышающее размеров ее неровностей, а концентрация напряжений наблюдается только на отдельных участках и только вблизи поверхности, изучение перераспределения напряжений, обусловленного рельефом, необходимо для оценки устойчивости природных склонов и искуственных откосов и решения вопросов проектирования и строительства наземных и подземных сооружений на склонах и в пределах речных долин как на равнинах, так и горно-складчатых областях. 1 ■ -'

В формировании напряженного состояния, Массивов горных пород, слагающих склоны или откосы, принимают участие многочисленные факторы. Кроме основных- причин возникающих в

породах напряжений - гравитационной й в некоторых районах тектонических сил', в массивах горных пород, слагающих склоны, распределение напряжений может быть обусловлено действием гидростатического взвешивания, гидродинамическим давлением, инерционными силами при прохождении сейсмической волны, поверхностными" силами от пригрузок при воздействии сооружений или наполнении водохранилищ, условиями залегания и строением горных пород, неоднородность» и анизотропией их свойств, микроформами рельефа, положением и формой подземных выработок или поверхностных планировок и другими факторами.

- Изучение напрятанного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, представляют собой сложную задачу, что определяется правде всего необходимостью одновременного учета двух факторов: рельефа и гравитационной силы, требующего использования ' соответствующих методов ' исследования. Это объстоятельство играет не последнюю роль в том, что изучению напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, уделяется .недостаточно, внимания. Для исследования напряженного состояния горных пород 'склонов используются полевые методы (В.М.Кутепов, А.Е.Крылов, Д.П.Прочухан, В.Я.Степанов, Г.К.Вдовин, С.Мартинете, Р.Рибачи), лабораторное моделирование, которое включает метод эквивалентных материалов (Л.А.Шарий, Ю.А.Мамаев, К.А.Гулакян и др.), поляризационпо-оптические методы (С.Н.Максимов, Ю.А.Каменова, А.А.Мвхорин и др.), электрическое моделирование (И.П.Зелинский и др.), л методы математического моделирований, использующие как аналитические (Д.М-.Ахлателов, Б.Жумабаев, С.Н.Савченко, З.Г.Тер-Мартиросян, S.A.Thau и др.), так и численные (С.Б.Ухов, П.З.Роот, В.Я.Степанов и др.) способы решения поставленной задачи. В данной диссертационной работе изучение напряженного состояния массивов горных ■ пород, слагающих склоны, - осуществляется методами математического моделирования, среди которых основная роль принадлежит численному моделированию.

Реальные массивы горных пород не являются сплошными. Однако, в том случае, когда размер элементарного по отношению к исследуемому массиву блока, к которому относят результаты расчета, будет существенно больше размеров элементов, нарушающих сплошность массива, то такой массив можно

/ <- 1 рассматривать в качестве сплошного. И тогда для изучения напряженного состояния таких массивов можно использовать метода механик^ сплошной среды, что'и реализуется в настоящей работе.

Решение поставленной задачи осуществляется в рамках хорошо разработанной математической модели линейной теории упругости (Н.И'.Безухов, Г.В.Колосов, Н.И.Мусхелишвили, С. П. Тимошенко, М.Е.Харр и Использование для изучения напряженного

состояния массива горных пород теории гупругости является обоснованным, так как в большом числе реальных случаев внешние усилия, которым подвержен ^массив горных пород, невелики, и вызванные ими внутренние напряжения не превышают предела упругости порбд, и, следовательно, их можно рассматривать как линейно-упругие тела.''

Исследование напряженного состояния осуществлялось аналитическими и численными методами. Аналитические методы широко применяются для .изучения распределения напряжений в , склонах, сложенных однородными и изотропными породами. Они также применимы при исследовании распределения напряжений в анизотропных массива^ пород, для оценки влияния на напряженное состояние пород сейсмического воздействия или потока подземных вод и в некоторых других случаях. Использование аналитических методов возможнр тогда, когда внешние поверхности, ограничивающие изучаемый массив горных пород, могут быть аппроксимированы гладкими поверхностями или при решении плоской задачи гладкими кривыми, что в большинстве реальных случаев не представляется возможным. Поэтому аналитические решения используются'для выявления общих закономерностей распределения напряжений в массивах горнцх пород, для исследования зависимости напряженного состояния от факторов, его обуславливающих, и в качестве тестовых примеров. Наиболее плодотворным для исследования напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, являете^ метод Колосова-Мусхелешвили, который и применяется в настоящей работе.

Наиболее перспективными для исследования напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, являются численные методы, которые позволяют значительно расширить возможности математического моделирования. В работе используются раз1шчные модификации .вариационно-разностных

метбдов (А.А.Самарский, Б.Е.Победря и др.), метод конечных элементов (О.К.Зенкевич, Л.А.Розин, с.Б.Ухов, Г.Стренг, Э.Митчел, Р.Уэйт и др.) и метод граничных элементов (С.Крауч, А.Старфилд и др.). Основным преимуществом численных Методов является возможность их использования при изучении напряженного состояния неоднородных массивов--горных пород, имеющих сложные внешние и внутренние границы, когда массивы пород обладают анизотропией, являются "слоистыми или складчатыми, при решении динамических задач, например,когда массив, пород подвергается сейсмическому воздействию, и в других случаях. Метод граничных, элементов позволяет изучать распределение напряжений,в массивах / горных пород с трещинами, так как с его -домощью . кжно естественным образом отразить "-достаточно сложные условия взаимодействия на соприкасающихся -границах тел, а так же он применим для исследования полубесконечщх областей.

Методы математического моделирование с целью изучения напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, могут и должны применяться на различных стадиях шввэкерно-гео-логических изысканий. Осйовное место математйчэского моделирования при!детальных исследованиях, когда имеется богатый материал по геологическому строению, гидрогеологическим условиям, свойствам пород и т.п., необходимый для' составления расчетных ■ схем, и когда должны быть получены количественные характеристики изучаемых процессов. С 'другой стороны» расчетное метода могут быть с успехом ¡использованы на ранних стадиях исследования с целью получения предварительных количественных оценок ни основе перебора при расчетах возможных параметров, характеризующих морфологию, строение и свойства объектов, подлежащих изучению.

Применение того или иного расчетного метода для изучения-напряженного состояния массивов горных пород склонов определяется поставленной задачей, особенностями изучаемого объекта и возможностями метода. Только владея комплексом метбдс-з, можно расчитывать на успешное решение возникающих, задач, так как различия в строении исследуемых объектов и задачах требуют применения соответствующих способов их решения.

Анализ возможностей различных численных методов показывает, что каждый из них с наибольшим успехом может быть

использован при решении только некоторого круга вопросов и обладает определенной точностью. Установлено, что наибольшие погрешности при использовании числе$шых методов имеют место в точках на контурах иссле_дуемой области, что существенно снижает эффективность их использования при необходимости оценивать-напряженное состояние массивов пород в приповерхностной зоне, что часто делается в связи с расчетами устойчивости склонов. Сравнение данных', полученныхч ^ численными методами, с результатами аналитического решения показывает, что наибольшей точностью (10%) обладают предлагаемые к применению"модификацию! вариационно- разностный методов и метод граничных элементов, а наибольшие отклонения (до 20%) в величинах напряжений от расчитанных аналитически наблюдаются при использовании метода конечных йЛёментов.

Анализ и применение численных методов показывают, что их разумное сочетание ,позволяет решать самые сложные^ задачи, возникающие при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов пород, которое является непременным этапом при оценке устойчивости склонов. Используя возможности, современной техники, с помощью численных методов можно изучать НДС как угодно построенных неоднородных и анизотропных массивов пород с неровными внутренними и внешними границами, имеющих включения или полости, рассеченных закрытыми >или открытыми трещинами, испытывающих сжатие или растяжение, подверженных воздействию сейсмических сил, находящихся в условиях обводнения -и изменяющихся температур, а также - в случаях трехмерной постановки задачи, с учётом развивающихся пластических деформаций и при техногенном вмешательстве..

При значительных размерах- изучаемой области исследование напряженного состояния выполняется для отдельных ее частей. Такое деление - следует производить с перекрытием, ¿величина которого должна определяться количеством рядов точек на границе, где наблюдается искажение результатов расчетов.

При необходимости изучения напряженного состояния с большей детальностью используется прием последовательного 'уменьшения расчетной области, с назначением в каждом последующем расчете граничных условий по данным предыдущего расчета. о • -

\

Исследование напряженного состояния массивов горных пород склонов сложного геологического строения, подверженных влиянию различных силовых воздействий, представляет собой сложную задачу, и поэтому ее решение следует осуществлять путем последовательного учета влияния на перераспределение напряжений различных факторов, используя при этом и различные методы их анализа, выбирая наиболее подходящие. В связи- с этим производится серия расчетов для одной и той же исследуемой области, с анализом в кавдом расчете одного из' факторов, с после дующим определением их суммарного влияния. -Для выявления степени влияния на напряженное состояние массивов горных пород склонов их формы, геологического строения и внешних воздействий были выполнены расчеты для серии идеализированных склонов. Представленные в работе расчетные' модели склонов не охватывают всевозможных случаев, однако позволяют учесть большинство основных факторов. Разделение склонов производится по признакам, которые являются осноеными с точки зрения их влияния на распределение напряжений в склонах: геологическое строение ("условия залегания,наруиенность трещинами, свойства пород), морфометрия (крутизна, форма), внешние воздействия (тектонические силы, сейсмичность, движущиеся подземные вода), техногенное влияние (пригрузки, подрезки) и др.

- Влияние различных факторов на напряженное состояние массивов пород склонов оценивается путем анализа перераспределения компонент (вертикальной, горизонтальной, касательной) или интенсивности напряжений. При этом выявляется положение зон концентрации напряжений, а изменение величин напряжений оценивается с помощью коэффициентов концентрации. Под коэффициентом концентрации понимается отношегате действующего в массиве пород максимального напряжения к номинальному, определенных в одной и той же точке. За номинальное принимается вертикальное напряжение, которое было бы в однородном изотропном массиве горных пород, ограниченном горизонтальной поверхностью, расположенной на уровне, водораздела, находящегося под действие^ только .гравитационных сил, и, следовательно, равное в рассматриваемой точке весу вышележащих пород. С помощью коэффициента, концентрации оценивается вклад.каждого фактора в формирование напряженного состояния массива горных пород, слагающих склон.

)

Часть II. Напряженное состояние массивов горных пород склонов. Влияние формы, высоты и крутизны склонов на напряженное состояние слагающих их массивы горных пород может быть оценено на - примере изучения распределения напряжений в окресности каньонообразной речной долцны, прорезающей весомый однородный и изотропный массив горны? пород. Во-первых, в этом случае анализируется влияние на напряженное состояние пород только морфологии склона и, во-вторых, полученные результаты могут быть приняты за .исходные, по сравнению с^ которыми будет оцениваться роль других факторов. ,

Представление об однородном и изотропном массиве горных пород, особенно, если такой массив слагает склон и выходит на поверхность, является идеальным. Однако, если элементарные объемы, по отношению к которым выполняете^ расчет, во много раз больше средних размеров неоднородностей, осложняющих массив пород, и нет преимущественных направлений в их распределении, то такие массивы/ можно рассматривать в качестве однородных и изотропных. Таким условиям в первом приближении удовлетворяет участок долины р.Нарын в створе Токтогульской ГЭС, расположенный в пределах единого структурного блока, сложенного однообразными в петрографическом отношении и близкими по физико-механическим свойствам породами,, подробная инженерно-геологическая^ характеристика которого, дана в диссертационной работе.

Участок долины р/Нарын в месте возведения Токтогульской плотины на значительном протяжении представляет собой узкое глубокое ущелье практически неизменной , формы, что позволило изучить напряженное состояние слагающих его горных пород в плоском сечении. Для решения этого вопроса - можно использовать любой метод, но для простоты был выбран аналитический способ, , .основанный на использовании метода комплексных потенциалов КолосоваЧЛусхелешвили. В результате -установлены закономерности распределения напряжений в окресности Долины, имеющей вогнутые склоны. " '

Основным участком концентрации напряжений. является основание и нижняя часть склона, размеры которого составляют одну десятую часть от глубины долины. В основании склона (пoд^ дном долины) происходит угйшьшение до нулевых значений вертикальных и резкое возрастание горизонтальных напряжений. В,

Г

- 16

нижней части склона вблизи основания- концентрируются касательные напряжения, максимальные касательные напряжения достигают наибольших значений под дном долины, а на некотором расстоянии от ее основания обращаются в нуль, где вертикальные и горизонтальные напряжения становятся равными между собой. Такой характер распределения напряжений имеет место только в основании глубоких долин с крутыми склонами. В случае пологих склонов ярко I выраженные зоны концентрации напряжений отсутствуют. Величины напряжений определяются высотой склона, его средней крутизной и свойствами слагающих склон пород: их Плотностью и коэффициентом поперечной деформации. Напряжения тем больше, чем больше высота и крутизна склона и плотность слагающих склон пород. Особое влияние на величины напряжений оказывает коэффициент поперечной деформации. При значениях коэффициента .Пуассона близких к 0,5 (коэффициент бокового распора стремится к единице) напряжения достигают максимальных значений. Если коэффициент Пуассона близок к нулевому значению (коэффициент бокового распора стремится к -нулю) в основании долины могут появиться растягивающие напряжения.

Коэффициент концентрации является функцией средней крутизны -склона и коэффициента Пуассона слагвюйих склон пород. Например, если при изучении распределения напряжений в окресности долины она аппроксимируется параболической кривой, то коэффициент концентрации в самой низкой точке долины определяется формулой:

к = пшах = М1.7 tga + 1 )-1 . nom

где А, - коэффициент бокового распора, а а - средний угол "вогнутого склона: При коэффициенте бокового распора А.=0,4 (соответствует коэффициенту Пуассона v=0,29)^ концентрация напряжений (к>1) будет при средней крутизне вогнутого склона больше 66°. Например, для приведенного в диссертации случая в основании симметричной долины ' со средней крутизной склонов а=74° концентрация напряжений характеризуется величиной К=1,8, а максимальное касательное напряжение х =29,4 МПа. При крутизне склона а<41* и том же коэффициенте бокового распора А.=0,4 в основании склона возникают растягивающие напряжения.

Вклад в перераспределение напряжений анизотропии упругих

свойств пород, слагающих склоны, весьма существенный. Ддя выявления влияния этого фактора рассматривалась та же глубокая симметричная долина, > но склоны и основание которой сложены слоистыми породами, обладающими трансверсальной изотропией. Для того, чтобы влияние анизотропии проявилось наиболее отчетливо, предполагалось, во-первых, что свойства анизотропных пород вдоль слоистости и"перпендикулярно ей отличаются в два раза и, во-вторых, что плоскость изотропии, совпадающая с пластами слоистой толщи, ' перпендикулярна расчетному сечений. Было рассмотрено несколько возможных вариантов, когда слои залегают горизонтально, наклонно (под углом 45°) и вертикально. Наклонное .залегание массива горных пород отвечает реальным условиям створа Токтогульской ГЭС в долине рекк_ Нарын, где слагающие склоны мраморизованные известняки залегают моноклинально. ^ -1

С помощью расчета, для чего применялась одна из модификаций вариационно-разностного метода, было установлено распределение напряжений в склонах и ¿сновании глубокой симметричной долины, , сложенных анизотропными по"/ упругим свойствам, породами. '' ,

При горизонтальном залегании слоев вертикальные, напряжения по характеру распределения и величинам практически совпадают с напряжениями в изотропном массиве. Горизонтальные напряжения в горизонтально слоистом анизотропном массиве отличаются большими значениями, которые в отдельных точках превышают более, -чем в 3 раза, горизонтальные напряжения в аналогичном^, но изотропном массиве. В самой нижней точке долины при горизонтальном залегании пород коэффициент концентрации, достигает величины 4,8. Характер распределения касательных напряжений на горизонтальных и вертикальных площадках практически не зависит от положения плоскости изотропии, но лри горизонтальном -расположении слоев величины касательных напряжений меньше, 'чем -в изотропном массиве. 1

При вертикальном расположении слоев характер распределения всех компонент напряжений в анизотропном массиве практически аналогичен распределению напряжений в изотропном. Причем величины, напряжений (особенно вертикальных и касательных)

заметно меньше, чем в изотропном массиве. В этом случае

ч .■

коэффициент концентрации минимален и равен 1,4.

Наибольшие изменения в величинах и распределении напряжений наблюдаются при наклонном (угол падения 45°) залегании пород. В этом случае распределение напряжений носит асимметричный характер и находится в большой -зависимости от соотношения падения пород со склонам! речной долины. Величины напряжений при наклонном залегании имеют, как правило, большие значения, чем в изотропном массиве.

Вертикальные напряжения, достигают наибольших, значений на />-том склоне, где падение пород совпадает со склоном (рис.1 а). В точках у основания этого склона вблизи поверхности вертикальные напряжения в 2-4 раза превышают те же напряжения в изотропном массиве. На противоположном склоне, где порода падают в склон, вертикальные напряжения - значительны, тю имеют величины, соизмеримые с вертикальными напряженшбли в изотропном массиве.

Максимальная концентрация горизонтальных напряжений наблюдается в основании того склона, где породы падают по склону (рис.1 б). Здесь горизонтальные напряжения более, чем в 4 раза, превышают те же напряжения в изотропном массиве. Горизонтальные напряжения на противоположном склоне, где породы падают в склон, в 2 раза больше аналогичных напряжений изотропного массива.

Касательные напряжения при падении пород по склону в его основании превышают .касательные напряжения в- изотропном массиве более, чем в 4 раза, а в случае, когда породы падают в.склон, касательные напряжения в его нижней части больше аналогичных напряжений в изотропном массиве почти' в 2. раза (рис .1 в). При наклонном залегании пород зона концентрации напряжений перемещается в точку, ¿де падение пород направлено по касательной к склону. Здесь.коэффициент концентрации достигает величины '4,2.

Найденные в- результате числййного моделирования напряжения дают общее представление о влиянии ,на' перераспределение напряжений анизотропии ^массива тогда, когда ёго анизотропия ярко выражена. В промежуточных случаях, по-видимому, влияние анизотропии будет меньше, но при сохранении закономерностей распределения напряжений/' обусловленных степенью различия свойств пород'по разным "направлениям. %

т 19 - ч л

1-мс. 1. Распределение вертикальных (а), горизонтальных (0) и касательных (в) напряжений в склонах и основании долины, сложенных анизотропными породами (ф=45°).

Большинство склонов сложено неоднородными по упругим свойствам массивами пород. Изучение распределения и величин напряжений в таких склонах может быть осуществлено только численными методами. Для этого исследуемые массивы пород представляются кусочно однородными, когда в соответствии с геологическим строением массив делится tía однородные части, но отличающиеся друг от друга по упругим свойствам. Свойства задаются в'фиксированных} точках (узлах се тки), которые располагаются произвольно, как в методе конечных элементов, или закономерно. Но во всех случаях этот способ позволяет задавать в узлах любые свойства и т^м самым описывать неоднородные массивы.

Исследование напряженного состояния неоднородных склонов выполнено на примерах -Изучения распределения напряжений в склонах долины р.Днестр на-участке строительства Днестровской . ГАЭС, в правом склоне долины р.Ангары в створе БогучанснгоД ГЭС, на левом склоне р.Ваш в мест&чвозвед^ния Рогунской ГЭС, правом склоне- р.Волги на- участке строительства Козловской ГАЭС, подробная инженерно-геологическая характеристика которых дана ^ в диссертационной работе. При изучении этих склонов рсследова-лось влияние на напряженное состояние их неоднородного стро-"ения, которое обуславливается переслаиванием различных по упругим свойствам пород, нарушенностью их тектоническими трещинами, наличием ^а склоне зон выЕетрелых пород и оползневых тел и т.д.

Характерной особенностью геологического строения склона долины р.Днестр.является пересечение горизонтально залегающих переслаивающихся пород, обладающих, различными свойствами, с вертикальными зонами тектонического дробления". Вертикальные трещины делят горизонтально залегающие прослои жестки?: пород на отдельные части, в пределах которых .„распределение .напряжений подчиняется определенным закономерностям. В кровле- жестких. пачек вблизй трещины, расположенной дальше, от салона,, формируется зона растягивающих горизонтальных напряжений величиной до 0,1 МПа, а в подощве тех же пачек вблизи трещины, расположенной ближе к склону, наблюдается резкая концентрация горизонтальных напряжений в 2 и более раз превышающих средний уровень горизонтальных напряжений на этой, глубине. 'Ц'аким --образом, каждая часть жестких прослоевзаключенная между двумя тектоническими трещинами, изгибается, наклонялись в' сторону

долины. Наибольшая концентрация вертикальных напряжений наблюдается в прослоях с высокими значениями модуля деформации вблизи тектонических трещин, причем со стороны склона.Там же возрастают и касательные напряжения.

Склон долины р.Ангары отличается наклонным залеганием пород, падающими в\сторону долины. Наличие в толще слабых глинистых прослоев, по-видимому, приводит к тому, что в основании склона и под рекой породы -испытывают горизонтальное сжатие, превышающее по величине вертикальное напряжение. В верхней части склона породы напротив испытывают растяжение в горизонтальном направлении.

' Напряженное состояние высокого склона р.Вахш определяется его сложным геологическим строением, где различные по свойствам мощные пачки пород имеют падение в склон и рассечены разноориентированными тектоническими разломами и трещинами.

Самые низкие значения вертикальных напряжений наблюдаются в основании долины, что связано, во-первых, с влиянием .самой долины и, во-вторых, с присутствием в ее основании пород с низкими значениями модуля деформации: верхне-юрских аргиллитов, ' солей и пород Зоны дробления Ионахшского разлома.

Наибольших значений горизонтальные напряжения достигают в основании долины, где зона повышенных напряжений распространяется на глубину около 150 м и имеет такую же ширину, но и здесь максимальные значения напряжений наблюдаются в аргиллитах, а минимальные - в раздробленных породах и соляном куполе.

В целом распределение напряжений в склонах, сложенных неоднородйыми массивами пород, характеризуются увеличением вертикальных напряжений в слоях, представленных ' жесткими породами, при относительном уменьшении напряжений в слоях,, сложенных породами с низкими значениями модуля деформации; резким перепадом всех компонент напряжений на границе 'раздела слоев, который тем больше, чем значительнее различаются их деформационные свойства; выравниванием величин горизонтальных и вертикальных напряжений в легко деформируемых прослоях и т.п.

Напряженное состояние склонов, сложенных неоднородными массивами, состоящими из часто переслаивающихся различных по свойствам пород или с большим числом слабых прослоев, было изучено с помощью вариационно-разностного способа с использова-

Ш1ем метода осреднения (Б.Е.Победря), позволяющего свести задачу неоднородной теории упругости к более просты^, например, к задаче, изучения анизотропной среда. С помощью этой методики можно изучить .напряженное состояние флишеподобных толщ, отложений с многочисленными Прослоями, которые резко отличаются от массива свойствами. Применение этого способа рассмотрено щ примере, когда массив пород состоит Из" двух различных по упруг™ характеристикам часто переслаивающихся пород. Пусть слои пород, из которых сложен массив, имеют примерно одинаковую мощность, являются однородными и их "упругие свойства характеризуются модулями упругости, отличающимися на порядок. В результате расчета в каждой точке исследуемой области определяются три величины: среднее значение напряжений в этой точке, которое отвечает случаю анизотропии, и еще две ¿величины, одна из .которых характеризует напряжение, если точка попадает на жесткий ,прослой, а другая, если точка соответствует мягкому прослою.

В склонах, сложенных неоднородными массивами горных пород, состоящих из часто и ритмически переслаивающихся слоев с различными упругими характеристиками, распределение напряжений подчиняется закономерностям, характерным для склонов, сложенных как неоднородными, так и анизотропными породами. Распределение напряжений зависит также и от соотношения направления падения пород со' склоном.

Рассмотренный пример двухслойной неоднородной среды позволяет установить основные закономерности в распределении напряжений в склонах, сложенных наклонно залегающими массивами пород, состоящими из повторяющихся ритмов, которые содержат два прослоя одинаковой мощности с- различными упругими характеристиками. В прослоях с наибольшими значениями модуля упругости напряжения распределяются точно тай же, как в анизотропных средах. Однако, величины Напряжений в жестких слоях двухслойной среды больше, чем в анизотропном массиве, максимальные упругие свойства которого аналогичны свойствам жестких прослоев. Наибольшие величины напряжений наблюдаются на том склоне, где породы падают по склону', и коэффициент концентрации там достигает максимальной величины 5,2.

Совершенно иначе происходит распределение напряжений в прослоях, обладающих минимальным значением модуля.упругости, В

мягких _слоях напряжения в основном меньше, чем в жестких. Но у основания долины, на склоне, где 1 породы падают в склон, в мягких прослоях наблюдается концентрация напряжений (к=1,Т), а их величины превышают напряжения, которые в этих точках имеют место в жестких слоях. .

Распределение напряжений в массиве пород с тонкими наклонно залегающими прослоями, обладающими очень низкими значениями модуля упругости, определяется свойствами основной части --массива и практически совпадает с распределением напряжений в изотропном массиве, породы которого имеют те же свойства, что жесткие слои двуслойного, массива. В тонких слабых прослоях-концентрация напряжений происходит Jy дна долины в основании того склона, где породы падают^ в склон. Здесь коэффициент концентрации имеет величину равную 2,1.

В случай заложения долины вдоль оси синклинальной или-антиклинальной складки при симметричный, склонах распределение напряжений, во-первых, одинаково на противолежащих склонах долины,jH, во-вторых, концентрация напряжений наблюдается в основании и в нижних частяхг склонов у дна долины. При прочих равных условиях концентрация напряжений в основании долины, зал^еннбй по оси синклинальной складки ( к=2,65),"больше, чем когда долина,заложена вдоль оси антиклинали (к=1,9). б нижних , частях склонов напряжения больше в случае падения пород вглубь склона (долина заложена вдоль антиклинали), й меньше, когда породы падают по склону, т.е. когда долина (совпадает с осью

синклинальной структуры. ~ \

/

1 , Часть III. Изменение напряженного состояния склонов под

воздействием природных и тектонических факторов. Большую роль в 1 формировании'напряженно-деформированного состояния массивов пород склонов ^играют локально или регионально, постоянно или временно' действующие факторы, изменяющие, деформационные свойства -пород, конфигурацию fcклона и др., обусловленные как природными, так и техногенными причинами.

Для изучения распределения напряжений в трещиноватых массивах пород склонов применяются как сплошные модели массивов, в которых трещиноватость определяет их неоднородность, так и модели, включающие полые- трещины. Для анализа напряженного

состояния неоднородных трещиноватых массивов используются различные модификации вариационно-разностных методов, для оценки влияния на перераспределение напряжений полых трещин применимы аналитические методы и метод граничных элементов.

Распределение напряжений в трещиноватых массивах, когда они рассматриваются в качестве сплошной неоднородной среды, подчиняется тем закономерностям, какие характерны для неоднородных массивов. В зонах дробления и широких трещинах и' разломах, заполненных рыхлым материалом, наблюдается резкое уменьшение всех компонент напряжений при одновременном возрастании ' напряжений в неизмененном трещиноватостыо окружающем трещину массиве. Основными чертами распределения напряжений в массиве пород с трещинами являются: небольшие по ширине и вытянутые вдоль трещин зоны измененных ее влиянием напряжений, значительные градиенты, обусловленные перепадом напряжений, и резкая концентрация напряжений в концевых участках трещин.

В-целом влияние трещин на напряженное состояние массивов пород, слагающих склоны, носит локальный характер, однако в со-, четании с другими факторами: неоднородностью слагающего склон массива пород, реАьефом склона и т.п.,присутствие в склоне тре^ щин может существенно отразится на его напряженном состоянии.

В склоне, нижняя часть которого. осложнена открытой вертикальной трещиной, например, трещиной бортового отпора, не происходит значительного перераспределения напряжений. Такая трещина практически не влияет на распределение напряжений под дном долины, а в массиве пород, где заканчивается трещина, распределение напряжений подчиняется тем же закономерностям, которые наблюдаются в основании глубоких долин: вертикальные напряжения уменьшаются , а горизонтальные несколько возрастают.

Открытая наклонная трещина, падающая в склон, ■ оказывает существенное влияние на перераспределение напряжений. Оно выражается в уменьшении напряжений в породах, расположенных между трещиной и склоном, и под дном долины и значительном возрастании напряжений в породах со стороны водораздела вблизи конца наклонной трещины. В этом случае зона 'резкой концентрации напряжений перемещается "Из-под - основания долины к концу наклойной трещины, где увеличиваются как горизонтальные, так и ' вертикальные напряжения, а коэфЕициент концентрации достигает

величины, превышающей 2,32. (

Влияние на напряженное состояние массивов пород склонов действующих в настоящее ^ремя тектонических сил проявляется ниже эрозионного вреза, а концентрация напряжений вознйкает в породах, слагающих днища речных долин. Так, в основании ^ глубокой симметричной долины при сжатии массива гррных пород постоянной по глубине тектонической силой перпендикулярно долине увеличиваются и горизонтальная, вертикальная

составляющие напряжений. Возрастание, горизонтальных напряжений прЪисходит на величину, более, чем в 3 раза, превышающую интенсивность приложенной тектонической силы, уа приращение вертикальны? напряжений составляет 1-1,5 величины этой силы. Влияние долины на изменение горизонтальных напряжений распространяется на большую глубину, чем в случае вертикальных "Напряжений. В самой нижней точке глубокой симметричной долины коэффициент концентрации при действии сжимающей тектонической силы интенсивностью 10 МПа возрастает до 3,5. -

Оценка величины тектонической ошш, действующей в массиве горных пород , слагающих окресности речных долин, возможна путем сопоставления напряжений, измеренных в породах экспериментально, с напряжениями, определенными' расчетными методами. Сравнение результатов определения . естественных -напряжений в массиве пород левобережного склона долины р.Вахш в 1 створе Вэгунской плотины, проведенного сотрудниками Института физики и механики'горных пород ( В.Я.Степанов, Г.К.Вдовин ' и др.), с данными серии расчетов напряжений в том же ^створе, выполненных)>при различных значениях тектонической силы, показало, что наибольшее совпадение результатов определения горизонтальных напряжений экспериментами и расчетом имеет место в случае равенства сжимающей тектонической силы примерно 12 МПа.

Изучение перераспределения., напряжений в массивах горных пород, слагающих склоны, при сейсмическом воздействии осущест-' у"Влялось аналитическими и численными методами. Влияние на напряженное состояние однородного изотропного массива пород в ^крес-ности -глубокой 'симметричной долины параболической формы горизонтально поляризованной сейсмической волны сдвига оценивалось в плоском сечении перпендкулярном. долине с помощью аналитического . метода (Э'.А.ТЬаи,, А.Н.Гузь). .При отражении

( х

'

)

, падащей волны от поверхности склонов долины и сложении волн в породах возщжают касательные напряжения]- на площадках ^ перпендикулярных рассматриваемому сечению, распределение и величины которых зависят от, направления подхода волны, ее параметров и формы долины. При распространении волн снизу вверх в "породах, слагающих -склоны симметричной долины, формируется симметричное поле касательных напряжений. Если волна подходйт к долине под углом, зона концентрации напряжений, возникает в той части контура долины, где падающая волна распространяется по касательной к нему. 1

Абсолютная величина касательных напряжений в зоне концентрации зависит^от угла подхода волны, и она тем больше, чем ближе волна к горизонтальному направлению распространения.

- Величины касательных напряжений увеличиваются при возрастании / частоты волны, а так же при сужении симметричной долины.

Влияние на перераспределение напряжений в массиве пород в_ окресности той же симметричной глубокой долины плоской волны сжатия^ изучалось в шгаком сечении численным методом (Б.Е.Победа), который позволяет решать' поставленную задачу для областей с произвольной границей.- Полученные результаты позволяют не только выявдть величины и йеста концентрации напряжений в ^зависимости от параметров и направления -подхода вблны и конфигурации отражающей поверхности, но и проследить развитие процесса • перераспределения напряжений во времени. Когда волна, распространяющаяся под ^углом к горизонту, встречаете выемку, которая--отвечает форме долины, возникают ^ве зоны концентрации напряжений: <,одна вблизи точки, где направление распространения волны совпадает с касательной к выемке, и вторая в месте,"где падающая волна набегает на нее

- (рис.2). При .огибании волной выемки, -зона концентрации напряжений , возникшая перед ней, перемещается вдоль ее контура вверх, а в точках, где волна распространяется по касательной к выемке, напряжения сначала достигают максимальных значений, а затем, когда зона концентрации перед выемкой переместится в ее верхнюю часть, уменьшаются до1 номинальных, и далее процесс повторяется. Значения напряжений в зонах концентрации не велики и не превышают более, чем в 3 раза, напряжений в падающей волне. При распространении волны в направлении близком к

а ^

Рис. 2. Перемещение зон концентрации интенсивности напряжений (МПа) вдоль склона симметричной долины при прохождении сейсмической волны сжатия, распространяющейся под углом 45° к горизонту - (интервал между изображениями составляет .V 30 мс).

)

горизонтальному значения напряжений в зонах концентрации больше, чем когда волна подходит к выемке снизу. с

Изучение перераспределения напряжений в Массивах пород, " слагающих склоны, при сейсмическом воздействии возможно в квазистатической постановке. Для этого весь массив подвергается действию горизонтальной'объемной силы, величина и направление которой подбирается исходя из наиболее неблагоприятных с точки зрения ее влияния н[а изменение общей устойчивости , склона условий. В результате приложения горизонтально направленной в сторону свободной поверхности склона сейсмической4- силы, величина которой соответствует интенсивности ее проявления на поверхности в 9 баллов, в основании глубокой симметричной долины происходит увеличение горизонтальных напряжений на 30-40% по сравнению с теми напряжениями, которые были обусловлены только гравитацией. Вертикальные и -.касательные напряжения при этом практически не изменяются, несколько возрастая на противоположном направлению действия горизонтальной силы склоне. Коэффициент^концентрации напряжений е основании глубокой симметричной долины в этом - случае 'увеличивается до 2,2.

Изменение напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, происходит при техногенном воздействии, например, в результате подрезки или планировки склонов, при строительстве подземных и наземных сооружений на склонах, при заполнении водохранилищ и т.д. В большинстве случаев искуст-венные сооружения - дорожные полки, подземные выработки - занимают только часть склона и их влияние на перераспределение напряжений в склоне проявляется локально,в массиве пород, прилегающему к сооружению,где изменение напряжений может быть значительным, но общие закономерности в распределении напряжений, обусловленных склоном, при этом практически не меняются.

Заполнение водохранилищ приводит к дополнительной нагрузке на массив пород, слагающих склоны и дно долины, которая вызывает перераспределение напряжений. В• основании долины происходит возрастание вертикальных напряжений, в соответствии с глубиной водохранилища, и некоторое уменьшение горизонтальных напряжений. В бортах долины ниже уровня водохранилища , горизонтальные напряжения увеличиваются на 10-15% по сравнению

Таблица 1.

Коэффициенты концентрации напряжения в основании глубокой симметричной долины, обусловленные различными факторами.

Склоны, сложенные однородными породами

изотропными анизотропными, залегающая!

горизонтально вертикально / наклонно

по склону Е СКЛОН

в дне долины в нижней чатсти склона

к 1,8 4,8 1,4 4,2 1.8

х , шах МПа 29,4 79,2 22,2' 67,7 28,7

Склоны, сложенные неоднородными породами

с двухслойным строением со слабыми прослоями

в жестких слоях, падающих по склону в мягких слоях, падающих в склон в слабых прослоях в жестких проолоях

в нижней части склона в дне долины

' к 5.2 ^ ч -2,5 2,1 1,6 - 1,6

х , тах МПа 88,4 ч 41 ,1 33,5 27,2 26,5 '

в дне долины, заложенной по оси в дне долины

антиклинали ч синклиналих при сжатии1 горизонтальной тектонической силой 10 МПа при заполнении водохранилища

к 1 ,9 _ 2,65 4 1,7

х , тах МПа 13,5 33,7

с состоянием до заполнения водохранилища. Коэффициент концентрации напряжений в самой низкой точке глубокой симметричной долины при заполнении водохранилища уменьшается до 1,7.

Представление о степени влияния различных факторов на Ееличины максимальных напряжений, которые возникают в основании одной и той же глубокой симметричной долины, имеющей параболическую форму, дает таблица 1, в которой приведены рассчитанные коэффициенты концентрации. Коэффициент концентрации, равный 1.8,определяет степень влияния 'на напряженное состояние массива пород в самой нижней точке долины ее формы и размеров. Сравнивая его с другими коэффициентами, возможно оценить участие остальных факторов в формировании напряженного состояния массива пород в основании долины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные научные, методические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Напряженное состояние массивов горных пород, слагающих склоны или откосы, определяется совместным действием многочисленных факторов, основными из которых являются гравитационное поле Земли и форма ее поверхности. В формировании поля напряжений, в' склонах принимают участие« строение, свойства и условия залегания слагающих склоны пород; силы, обусловленные тектоникой, сейсмичностью, движущимися подземными водами, пригрузками от сооружений, водохранилищ и т.п.; изменение формы, крутизны и высоты склонов', вызванное как природными - абразией, эрозией, так и техногенными причинами -планировкой или подрезкой склонов, проходкой выработок и Многообразие действующих факторов определяет сложность изучения напряженного состояния склонов, что приводит к необходимости разработки более совершенной методики его исследования.

2. Для исследования напряженного состояния массивов горных пород, слагающих склоны, могут быть применены методы механики сплошной среды и теории упругости. Возможности методов математического моделирования значительно расширяются га счет использования различных способов численного моделирования, позволяющих изучать напряженное состояние склонов с учетом всех выше

)

!

перечисленных факторов . Методы математического моделирования с целью изучения напряженного состояния массивов пород в склонах, должны применяться на всех стадиях инженерно-геологических изысканий.

3. Выбор расчетного метода для изучения напряженного состояния массивов пород, слагающих склоны, определяется поставленной задачей, особенностями изучаемого объекта и возможностями метода. Для- успешного решения возникающих при этом4задач необходимо пользоваться комплексом методов, позволяющих при оптимальном их сочетании добиваться всестороннего изучения напряженного состояния исследуемых объектов. При значительных размерах области ее напряженное состояние следует изучать по частям с соответствующим перекрытием. При необходимости более детального исследования напряженного состояния используется прием последовательного уменьшения расчетной области с заданием граничных условий из предыдущего решения. Для сложных задач необходимо производить серию расчетов по одному и тому же объекту, анализируя в каждом расчете только один фактор с последующей оценкой их суммарного влияния.

4. Предложена классификация основных расчетных схрм, которые отвечают наиболее часто встречающимся природным условиям, и даны рекомендации по использованию математических методов при изучении напряженного состояния пород, слагающих склоны, оценка влияния различных факторов на напряженное состояние склонов строится на основе анализа распределения всех компонент напряжений, интенсивности напряжений или производится с помощью коэффициентов концентрации.

5., Влияние склона на напряженное состояние массива пород распространяется на расстояние соизмеримое с его высотой, а концентрация напряжений наблюдается в основании и нижней части склона, где возрастают горизонтальные и максимальные касательные и уменьшаются вертикальные напряжения.' Перераспределение напряжений в основании склона зависит от коэффициента Пуассона пород(V), крутизны и формы склона. При V, приближающемся к 0,5, напряжения в основании склона достигают максимальных значений, если коэффициент Пуассона достаточно мал - возможны ' растягивающие напряжения. Концентрация напряжений в основании склона возможна только при значительной крутизне склона, и зависит от

его форш и свойств слагающих склон пород. В пологих склонах вираженше зоны концентрации отсутствуют.

6. Анизотропия упругих свойств пород, слагающих склоны, существенно влияет на перераспределение напряжений в их основании и зависит от соотношения свойств вдоль и поперек слоистости и от угла и направления падения слоев. При горизонтальном залегании однородных слоев резко возрастают горизонтальные напряжения и коэффициент концентрации достигает величины 4,8. Вертикальная слоистость практически не влияет на величины напряжений. При падении пород по склону происходит существенное увеличение по сравнению с изотропным массивом горизонтальных, вертикальных и касательных напряжений, и коэффициент концентрации напряжений составляет 4.2. Если породы падают в склон, горизонтальные и касательные напряжения также увеличиваются, но меньше.

7. При исследовании напряженного состояния склонов в ' неоджк родных массивах пород используется их представление как кусочно-однородных. Напряженное состояние в таких склонах, осложняется относительным возрастанием напряжений в жестких и уменьшением их в более деформируемых слоях; резким уменьшением напряжений в зонах тектонических нарушений и концентрацией их в породах Еблизи трещин и т.п. Сложное сочетание разнообразных факторов, влияющих на формирование поля напряжений в неоднородных склонах, приводит, например, к возникновению растягивающих напряжений в склонах с наклонным в сторону долины залеганием пород, чередованием зон сжатия и растяжения в горизонтально залегающих пластах, рассеченных вертикальными трещинами, и т.д.

8. В склонах, сложенных неоднородными массивами пород, состоящих из часто и ритмически переслаивающихся слоев с различными упругими характеристиками, распределение напряжений подчиняется закономерностям характерным для склонов, сложенных как неоднородными, так и анизотропными породами. В жестких прослоях распределение напряжений подчиняется закономерностям характерным для анизотропных сред с концентрацией на том склоне, где падение пород совпадает с ним. В мягких прослоях напряжения меньше и концентрация их происходит на склоне, где породы падают в склон. При заложении речных долин вдоль осей складок концентрация напряжений наблюдается в низших частях склонов и основании долины, а величины напряжений- зависят от

соотношения падения пород со склоном.

9. Влияние трещин на напряженное состояние массивов пород, слагающих склоны, носит локальный характер и проявляется в значительных градиентах напряжений вблизи трещины, концентрации напряжений в концевых участках трещин и т.п. Присутствие в массивах пород открытых трещин определенного Направления приводит к перераспределению напряжений, которое выражается в формировании новых зон концентрации волизи трещины с одновременным уменьшением напряжений в зонах концентрации, обусловленных склоном.

10. Действие тектонических сжимающих сил приводит к возрастанию горизонтальных напряжений в склонах, главным образом, ниже эрозионного вреза, а под ' дном долины горизонтальные напряжения возрастают на величину более, чем в 3 раза, превышающую приложенную тектоническую силу.

11. Дри сейсмическом воздействии зона концентрации напряжений сначала возникает в той части склона, где падающая волна распространяется по касательной к нему, и в месте, где она встречается с отраженной волной от поверхности склона и прдисходит их сложение. При огибании волной долины зона концентрации напряжений, возникшая перед ней,' перемещается вдоль поверхности склона вверх, а в точках, где волна распространяется по касательной к склону, напряжения, достигнув сначала максимальных значений, уменьшаются до номинальных, и далее процесс повторяется. Значения напряжений в зонах концентрации не превышают более, чем в 3 раза, напряжений в падающей волне.

12. Техногенные воздействия, выражающиеся в подрезке или планировке склона, в проходке подземных горных выработок и др., оказывают на перераспределение напряжений заметное влияние, но проявляются локально, изменяя напряженное состояние массивов пород той части склона, где- выполняются строительные работы. При заполнении водохранилищ .р дне долины возрастают вертикальные, а в склонах увеличиваются горизонтальные напряжения.

Результаты работы использованы при проектировании пяти крупных гидротехнических комплексов на горных и равнинных реках и в учебной работе.

основное содержание диссертации изложено в следующих опубликованных работах: , <

Об аналитическом решении задачи о распределении напряжений в основании и бортах глубоких речных долин. //Сб."IV научная конференция геологического факультета МГУ". Из-во МГУ, 1969.

Опыт применения аналитического , метода для оценки напряженного состояния массива горных пород в бортах ' и основании глубоких речных, долин (соавт. Р.В.Гольдштейн). //Вестник.МГУ, серия Геология, Л 5, 1969, с.54=65.

Инженерно-геологическое изучение обвалов и других гравитационных явлений на горных''склонах (соавт.Г.С.Золотарев, В.С.Федоренко и др.). //Изд-во МГУ, 1969^139 с.

Неотектонические движения как фактор формирования обвалов и оползней на горных склонах (соавт. В.С.Федоренко, , Т.Ю.Пиотровская). //Тезисы докл. межведомств, совещ. по инж. геологии. Изд-во МГУ, 1970.

О распределении напряжений в массиве горных пород на склонах речных долин.- //Сб. "У научн. отчетн. конф. геол. ф-та МГУ". Изд.^МГУ, 1970.

Об аналитическом методе изучения распределения напряжений в массиве горных пород. //Совр. метода иссл. влгидрогеол.- и инж. геологии. М., ВСЕГИНГЕО, 1970, с.18-22.

Распределение напряжений в массиве пород в основании глубокой речной долины. //Докл. сов. ученых к Междунар. конгр. Мевд. Ассоциации инк. геол. М., 1970.

Изменение напряженного состояния массива горных пород в основании глубоких речных долин при заполнении 'водохранилища. //Вопросы формирования и устойчивости высоких склонов. Изд. МГУ, 1970, с.81-87. _ '

Неотектонические движения как фактор формирований обвалов и оползней на горных склонах. (соавт. В.О.Федоренко, Т,Ю.Пиотровская). //Проблемы инж. геологии. Изд. МГУ, 1970.

^Учебное пособие по инженерной геологии (соавт. Г.С.Золотарев, А.В.Минервин). Изд. МГУ, 1970 , 383 е.,

О модели пластического упрочнения горных пород (соавт. В.В.Зуев, В.А.ИоселеЕич). //Сб. "Инженерная геология скальных массивов". "Наука", М., 1976, с.42-51.

Изучение оползневый деформаций склонов на моделях (сояет.

_ тс; _

ю.А.Мамаев». //Сб. "Инженерные изыскания в строительстве". Серия XV, вып. 2(67). М., 1978, с.12-16.

Особенности мехашческого поведения горных пород и способы их описания (соавт. В.В.Зуев). //Материалы школы-семинара "Геологическая деятельность и охрана окружающей среды", Изд. МГУ, 1979, с.160-164.

Изучение физико-механических свойств протерозойских глин в связи с оценкой устойчивости оползневых склонов района Днестровского гидроузла (соавт. Ю.А.Мамаев). //Материалы школц-семинара "Геологическая деятельность и охрана окружающей средаГ, Изд. МГУ, 1979, с. 152-155.

Анализ напряженно-деформировацного состояния склонов с учетом особенностей механического поведения горных пород (соавт. В.В.Зуев). //Труды "VI Всес. конф. по механике горных пород". Изд. Илим, Фрунзе,1979, с.88-92.

Механизм смещения крупных горных оползней (соавт. В.С.Федоренко, Д.В.Никулин и др.). //"Инженерная геология", йб, 1979, с.30-45.

Методика инженерно-геологических исследований высоких обвальных и оползневых слонов (соавт. Г.С.Золотарев, Ю.А.Мамаев и др.). //Изд. МГУ, 1980. 184 с. .

Напряженное состояние массива горных пород склона в районе Рогунской плотины и опыт, оценки тектонических сил (соавт. Ю.А.Мамаев, В.Я.Степанов, Г.К.Вдовин). //Сб. Природа ' и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. Изд. КФАН СССР, Апатиты, 1982, с.127-132.

Анализ устойчивости высоких склонов сложного строения на основе результатов изучения напряженного состояния с помощью расчетов и моделирования (соавт. Ю.А.Мамаев, П.Э.Роот). //"Инж. геология",' № 5, 1982-, с.ь4-71.

Проблемы инженерной геологии ГАЭС и водохранилищ с нестационарным режимом-(соавт. Г.С.Золотарев, П.Э.Роот и др.). //Изд. МГУ, 1983. 265 с.

Исследование напряженного состояния склонов в горно-складчатых областях ;соавт. Ю.А.Мамаев). //Вопросы инж. геолопш и грунтоведенил. bun.5, Изд. МГУ, I983, с.2Ы-270.

Методическое пособие по инженерно-геологическому .'изучению горных пород. Том I. Полевые методы. //Изд. Недра, М..1УУ4.

Теоретические основы инженерной- геологии. Геологические основы. Главы 11, 14, 15. //Изд.^Недра» М., 1985.

Теоретические основы инженерной геологйи. Механико-математические основы. Главы 3, ю (соавт. Р.С.Зиангиров). //Изд. Недра,-М., 1986.

Напряженно-деформированное состояние массива перед при сдвиге в подстилающих отложениях (соавт. Л.Л.Панасьян, М.Г.Гаджиев). //"Инженерная геология", А 3,^1987, с.64-69.'

Напряженное состояние высоких горных склонов в сейсмически активных районах Исоавт. И.Э.Роот). //Вопросы инж.геологии и грунтоведения. Вып.6, Изд.'МГУ, 1988, с.237-243.

Проблемы моделирования в инженерной геодинамике (соавт. Г.С.Золотарев и др.). //Вестник МГУ, Сер. геология, № 1, 1988, с.69-78.

Напряженное состояние анизотропных массивов горных пород (соавт. С.В.Шешенин). V/"Инженерная геология",N1, 1991,с.35-43.

Учебное гг пособие по инженерной геологии (соавт. Г.С.Золотарев). //Изд. МГУ, 1990, 294 с.

Изменение напряженно-деформированного состояния пород склонов долин и искусственных выемок при . сейсмическом воздействии. //Всес. научная конф. "Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта", посвященная 80-летию акад. ДН Уз.ССР Г.А.Мавлянова.Изд. ФАН, Ташкент, 1990, с.67-69.

Численные мётоды моделирования и их применение для исследования напрженно-деформироваиного состояния склонов. //Сб. Механика горных склонов, откосов и поземных сооружений. Освоение подземного пространства. Изд.Илим, Бишкек, 1990, с.59-66.

Определение напряженного состояния в грунтовой „толще над карстовой полостью (соавт. А.В.Аникееев,' . Ф.И.Тараканов). //"Инженерная геология", J65, 1991, с. 64-70.'

' Estimation oí the stress deformation state of slopes In stratified sedimentary rocks by the finite • element method (with V.V.'Zuev). //Bulletin of the I AEG. J616.P.219-221.

The state of stress of anlzotropic rock mass (with S.V.Sheshenln). Mechanics of Jointed and Faulted Rock. Balkema, Rotterdam, 1990. ISBN 90 6191 1559. P.£89-594.

! .

ШШИС^эак- 81-92,тшр ICO.