1. Общие положения.

Полевые методы исследования прочностных, деформационных и реологических свойств пород в условиях Крыма имеют ряд преимуществ по сравнению с лабораторными: исследуется прочность пород в массиве без нарушения их естественного залегания, возможность изучения свойств пород с большим количеством обломочного материала и сильно трещиноватых элювиированных продуктов, которые невозможно отобрать без нарушения структуры для лабораторных испытаний. В Крыму практикуются на оползневых и других объектах различные полевые методы определения прочностных характеристик пород: метод выпирания, обрушения целиков пород, сдвиг призм горизонтальной нагрузкой, направленный сдвиг и др. Предварительно проводятся исследования геофизическим экспресс-методом ЕИЭМПЗ, устанавливаются границы распространения различных по напряженности пород. В выделенных аномалиях осуществляются опытные определения. Каждый из этих методов должен наиболее полно моделировать естественное напряженное состояние пород на склоне с учетом строения, динамики и типа оползня. Известно, что метод обрушения целиков пород целесообразно применять в головной части оползня, где происходит отрыв грунтовых масс и их дальнейшее движение по крутопадающей поверхности. В средней части оползня для получения прочностных характеристик зоны смещения наиболее применим метод направленного сдвига, а в языковой части -метод выпирания [3].

Для оползней, особенно южного берега Крыма (ЮБК), характерной особенностью является то, что они развиваются как в коренной основе, главным образом по контакту элювия с материнскими породами, так и в покровных отложениях, представленных различными литолого-генетическими комплексами пород. Часто оползни развиваются по берегам водохранилищ, а также поражают тела плотин (Старокрымское, Счастливенское и др.). Наибольшее распространение среди коренных пород имеют отложения таврической серии верхнего триаса-нижней юры. Это сильно перемятые, ритмично чередующиеся песчаники, алевролиты и аргиллиты. Породы эти занимают промежуточное положение между метаморфическими и осадочными, так как среди них встречаются разности обогащенные слюдистыми минералами-серицитом, мусковитом, тальком, хлоритом, имеющими упорядочное расположение, сланцеватость, свойственные сланцам, и пелитоморфные разновидности, размокающие в воде, проявляющие набухающие свойства, как слабоуплотненные глины.

Под влиянием физического выветривания породы сильно разрушены. Мощность выветрелой зоны в различных районах ЮБК неодинакова, что обусловлено, по-видимому, разным характером проявления неотектонических движений, особенностями рельефа, микроклимата, дренажа. По нашим наблюдениям в районе Массандры она достигает 80м, а к юго-западу от Ялты 100 и более метров. В зоне выветривания породы очень сильно разуплотнены благодаря очень высокой трещиноватости, общей пористости; они имеют низкие значения удельного сцепления (сотые и тысячные доли Мпа) и угла внутреннего трения. Кроме физического выветривания, наблюдается и более сложное, химическое изменение пород, которое проявляется внешне в осветвлении окраски, в развитии буровато-красных гидроокислов железа на поверхности трещин в алевролитах и песчаниках, в проявлении пленок из вторичных глинистых минералов в аргиллитах. Наличие в разрезе сильно выветрелых пород с низкими значениями прочностных характеристик создает благоприятные условия для развития оползней. Зоны смещения приурочены часто также к прослоям глинистых сланцев.

Покровные четвертичные отложения представлены делювиальными, пролювиально-делювиальными, обвальными образованиями, состоящими из суглинков и глин с дресвой, щебнем и глыбами разных пород. Среди них выделяются комплексы щебнисто-дресвяных грунтов с включениями глыб с желтовато-бурым и коричневато-бурым суглинистым заполнителем, щебнисто-дресвяных грунтов с включениями отдельных глыб с серым и темно-серым песчаным заполнителем. Обломки тех и других грунтов в различной степени выветрелые. Для грунтов первого комплекса характерно наличие среди обломков известняков, часто преобладающих по сравнению с другими породами. По степени выветрелости преобладают слабовыветрелые обломки, встречаются и невыветрелые.

В грунтах второго комплекса известняки встречаются значительно реже. Обломки пород в основном сильно выветрелые. Песчаная фракция заполнителя состоит также из сильно выветрелых пород тавричесого флиша. Мощность покровных четвертичных отложений меняется в зависимости от крутизны склонов и в среднем составляет несколько метров.

Несмотря на разнообразие литологического состава отложений, в которых развиваются оползни на ЮБК, существующие методы их изучения, в том числе и методы определения прочностных характеристик, не включают определения вещественного состава пород, их структурно-текстурных особенностей, степени изменения. В научно-технической и фондовой литературе приводятся описания главных типов пород без привязки их к конкретным инженерно-геологическим разрезам. Методические рекомендации по изучению оползней не учитывают региональные специфические их особенности. Результаты полевых испытаний пород на одном и том же массиве при одинаковых схемах постановки опыта зачастую дают очень большой разброс значений характеристик прочностных или деформационных свойств. Это в известной мере затрудняет выбор расчетных характеристик и получение данных, которые необходимы для определения коэффициента запаса устойчивости склона. Одной из основных причин такого разброса значений характеристик является отсутствие, на наш взгляд, подробных сведений о петрографических свойствах исследуемых пород, из которых вырезаются целики для опытных испытаний или отбираются монолиты для лабораторных определений. Практически не изучена изменчивость свойств пород в пространстве и времени (реология).

2. Моделирование оползневых подвижек при полевых испытаниях грунтов.

Одним из основных методов прогнозирования оползневых склонов и стационарного изучения режима оползней является расчет коэффициента запаса устойчивости. При производстве расчетов очень важно с одной стороны установить поверхности смещения оползня, с другой стороны получить прочностные характеристики пород в зоне смещения и в ослабленных зонах, по которым возможны подвижки при сочетании благоприятных для этого факторов. Производство сдвиговых испытаний по естественным плоскостям скольжения сопряжено с целым рядом трудностей. Оползни нередко имеют большую мощность и для вскрытия плоскостей скольжения необходим большой объем горнопроходческих работ в сложных горнотехнических условиях. Кроме того, оползни имеют, как правило, сложное внутреннее строение. Отдельные составные части оползневых тел имеют различный характер механизма и динамики смещения. Все это проводит к тому, что плоскости скольжения, сколы в оползневых телах располагаются беспорядочно и имеют различные углы падения. Сравнительно недавно появился новый способ обнаружения очагов напряжения на глубине по интенсивности электромагнитной эмиссии (метод ЕИЭМПЗ), запатентованный на Украине [1,2]. Очаги эти приурочены к поверхностям и зонам смещения. В разведочных выработках и скважинах устанавливаются также электромагнитные реперы-датчики на разных глубинах, работающие в стационарном режиме. Достаточно широко используется и электромагнитное зондирование с помощью опускаемого в скважину специального магнитного зонда-датчика. Такое же зондирование неоднократно применялось нами при исследовании шахтных стволов. Впервые такие исследования проводились в начале 80-х годов на Таштагольском руднике, затем в шахтных лифтоподъемниках в Ялте, Мисхоре, Симеизе.

Моделирование процесса оползневого смещения заключается в повторных сдвигах грунтов выше существующей и установленной поверхности скольжения. Для этого, используя методы минералого-петрографического анализа, главным образом микроскопическое изучение шлифов горных пород, выбираются грунты, аналогичные по всем своим свойствам тем, которые распространены в зоне смещения. Минералого-петрографические исследования являются основой для составления по опорным скважинам колонок, на которых выделяются слои, однородные по минеральному составу, структурно-текстурным особенностям, степени выветрелости пород, характеру включений, влажности и объединяемые по генетическому родству в литолого-генетические комплексы. Подробно на них дается характеристика зеркал скольжения и ослабленных зон. Кроме того, на колонках приводятся техническая характеристика и конструкция скважин, данные по мощности каждого слоя, выходу керна и т.д.

Горные выработки (шурфы, шахты) для полевых испытаний грунтов задаются вблизи скважин или обнажений. Проходка шурфов осуществляется до глубины распространения грунтов, аналогичных грунтам из глубоко залегающих зон смещения. В случае необходимости производится замачивание грунтов до влажности, соответствующей влажности грунтов в зоне скольжения. Продолжительность замачивания для щебенисто- глинистых отложений составляет 3-5суток, а элювиированных аргиллитов 7-10суток, если настоящая зона смещения обводнена. Процесс замачивания ускоряется при применении перфорированных обойм сдвигового прибора.

Искусственная поверхность скольжения создается путем выполнения повторных сдвигов обоймы с грунтом до получения одинакового значения величены сдвигающего усилия для каждого значения вертикальных нагрузок. При производстве сдвигов изучается и описывается плоскость скольжения, для чего из целиков и массива отбираются образцы для исследования их под бинокуляром и микроскопом. Вертикальное давление на сдвигаемый целик подается с помощью гидродомкратов и должно соответствовать бытовому давлению на глубине исследования. С целью повышения надежности и достоверности опыта испытания производятся по трем целикам, расположенным в шурфе по треугольнику.

Обработка результатов полевых испытаний прочностных свойств грунтов производится графическим или аналитическим методом. В зависимости от характера распределения полученных данных решаются системы уравнений, строятся графики зависимости от , усредняются полученные результаты. Если в плоскости сдвигов целиков и в зонах смещения по реальным плоскостям скольжения отмечается несоответствие грунтов, производится повторный опыт. При наличии крупных обломков в плоскости сдвига приходится отбраковывать часть результатов.

Совместное проведение опытных полевых работ и минералого-петрографических исследований с предварительной качественной оценкой напряженно-деформированного состояния массива при определении прочностных характеристик грунтов способом натурального моделирования оползневых подвижек было осуществлено на ряде объектов, расположенных в разных районах Крыма. Полученные при этом результаты были использованы в расчетных схемах, подтверждены в дальнейшем поведением оползней и принесли экономическую выгоду.

Литература.

  1. Бессмертный А.Ф., Саломатин В.Н. Решение инженерно-геологических задач на основании результатов наблюдения естественного импульсного электромагнитного поля Земли. Геофизический журнал Киев №1, т21, 1999. с119-126.
  2. Саломатин В.Н, Бессмертный А.Ф. Способ определения глубины залегания и геометрических параметров излучающих очагов горных пород. Патент от 15.04.1997г. №97041750.
  3. Саломатин В.Н., Эппель З.И. Методические рекомендации по применению минералого-петрографических методов и усовершенствованию методики полевых опытных определений прочностных свойств пород при исследовании оползней Крыма. ИМР, МГ УССР, Симферополь 1978. 54с.

В.Н. Саломатин, М.В. Саломатин, А.Ф. Бессмертный

Крымская академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь