ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ ГРУНТОВЫХ СТРУКТУР : ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ІН'ЄКЦІЙНОГО ЗАКРІПЛЕННЯ ЗСУВОНЕБЕЗПЕЧНИХ ҐРУНТОВИХ СТРУКТУР

Краткое описание

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Донбасский государственный технический университет

На правах рукописи

КИРИЯК КОНСТАНТИН КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 624.121.537

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОПОЛЗНЕОПАСНЫХ ГРУНТОВЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.15.09 – Геотехническая и горная механика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Должиков Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Алчевск – 2012




 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..	3
РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ОБ АКТИВИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ОПОЛЗНЕВЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО БЕРЕГА КРЫМА………………………………………………………………	9
1.1.    Анализ инженерно-геологических свойств тела оползня и зоны скольжения. Общая характеристика оползней…………………..	9
1.2.    Причины и условия развития деформационных процессов оползневого грунтового массива…………………………………	18
1.3.    Анализ реологических процессов в вязкопластичных системах..	25
1.4.    Анализ способов стабилизации оползневых процессов…………	30
Выводы. Цель и задачи исследований, общая методика исследований…….	40
РАЗДЕЛ 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ                                     ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ОПОЛЗНЕВЫХ ГРУНТОВ……………………………………………………	43
2.1.    Аналитические исследования геомеханических процессов в области скольжения……………………………………………….	43
2.2.    Исследование наиболее рациональной области инъектирования	51
2.3.    Обоснование эффективности напорной цементации грунтов в зоне скольжения оползня …………………………………………	59
2.4.    Моделирование оползневого склона методом конечных элементов……………………………………………………………	66
Выводы………………………………………………………………………….	78
РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНЪЕКЦИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ………………………………………………..	79
3.1.    Исследование свойств оползневых грунтов южного берега  Крыма..................................................................................................	79
3.2.    Критерии подобия и физическое моделирование оползневых процессов……………………………………………………………	88
3.3.    Анализ кинетики оползневого процесса …………………………	95
3.4.    Исследования процессов консолидации оползневых грунтов…..	103
3.4.1. Общие положения процессов консолидации грунтов…….	103
3.4.2. Исследования процессов консолидации  грунтов…………	105
3.4.3. Исследования оползневых грунтов при их инъекционной стабилизации………………………………………………………	117
Выводы……………..……………………………………………………………	123
РАЗДЕЛ 4. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И                                         ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ РАБОТЫ ПО ИНЪЕКЦИОННОЙ                 СТАБИЛИЗАЦИИ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ	125
4.1.    Методика проектирования параметров инъекционной стабилизации оползня……………………………………………...	125
4.1.1. Пример расчета стабилизации оползневых процессов методом напорной цементации…………………………………...	133
4.2.    Технологическая схема производства инъекционных работ……	144
4.3.    Опытно-промышленные работы по стабилизации оползней методом напорной цементации…………………………................	147
4.3.1. Противооползневые сооружения на территории базы «Могаби» в п.г.т. Ливадия………………………………………...	148
4.3.2. Противооползневые сооружения по ул. 1-го Мая  в п.г.т. Алупка…………………………………………………….......	158
4.4.    Технико-экономическая эффективность результатов исследований……………………………………………………….	168
Выводы……………...………………………………………………………….	174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………	175
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………..	177
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………..	186

ВВЕДЕНИЕ

Большая часть территории Украины подвержена действию экзогенных геологических процессов, что обусловлено её геологическим строением и геоморфологическими условиями. Обширное распространение среди указанных опасных геологических процессов получили оползневые процессы, количество которых уже превысило 20 тыс. и постоянно увеличивается. Развитие и распространение оползневых явлений обусловлено влиянием эндогенных, экзогенных и техногенных факторов, особенно в Крыму.

Оползневые процессы на сегодняшний день распространены на территориях Черновицкой, Одесской, Закарпатской, Полтавской,                Ивано-Франковской областей, на побережьях Азовского и Черного морей. Так как на всей территории Украины развитие опасных инженерно-геологических процессов приводит к значительным разрушениям и катастрофическим последствиям, проводится изучение причин возникновения и степени опасности оползней.

На всей территории Украины выполняются комплексные мероприятия инженерной защиты по предотвращению и предупреждению активизации склоновых гравитационных процессов природного и техногенного характера.

Сегодня все виды сооружений инженерной защиты основываются на механической стабилизации гравитационных процессов за счет жесткости основных несущих элементов.

Однако существующие физико-химические способы закрепления грунтов позволяют увеличить их прочность и устойчивость. Так, применение напорной цементации грунтов для стабилизации оползней позволит увеличить физико-механические характеристики зоны скольжения и стабилизировать оползневые грунты.

Задача изменения физико-механических характеристик зоны скольжения оползня может быть решена на основе развития и применения метода напорной цементации грунтов совместно с методикой расчета устойчивости оползней.

Поэтому, актуальность работы состоит в обосновании технологических параметров способа инъекционного закрепления оползнеопасных грунтовых структур.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационная работа выполнена в ДонГТУ в соответствии с Государственной бюджетной программой по прикладным исследованиям и разработкам в высших учебных заведениях в рамках научно-исследовательской темы №194Д «Разработка способов стабилизации аварийно-опасных участков грунтовой толщи при строительстве и эксплуатации промышленных и гидротехнических объектов» (№ГР 0111U001744) и хоздоговорной темы №2915 «Исследования процесса стабилизации оползней методом напорной цементации в условиях ЮБК» (№ГР 0111U007436), в которых соискатель проводил исследования как исполнитель.

Цель работы – обоснование параметров способа инъекционной стабилизации оползнеопасных грунтовых структур.

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1.  Анализ состояния вопроса об активизации и стабилизации оползневых систем в условиях южного берега Крыма (ЮБК).

2.  Аналитические исследования геомеханических процессов при стабилизации оползневых грунтов.

3.  Исследования свойств грунтов и физическое моделирование инъекционной стабилизации оползневых процессов.

4.  Разработка методики проектирования стабилизации оползневых процессов методом напорной цементации.

5.  Проведение опытно-промышленных работ по стабилизации оползневых процессов в грунтах в условиях ЮБК.

Основная идея работы состоит в учете закономерности изменения деформационных характеристик зоны скольжения при разработке геомеханической модели и расчете параметров инъекционной стабилизации оползневого массива.

Объект исследований – напряженно-деформированное состояние массива оползневых грунтов.

Предмет исследований – физико-механические свойства грунтов и распределение касательных напряжений в зоне скольжения и в оползневом теле.

Методы исследований. Методическую основу исследований составляет комплексный подход, который включает в себя анализ и обобщение литературных данных по теме работы, аналитические, лабораторные и натурные исследования, выполненные с целью разработки методики инъекционного закрепления оползнеопасных грунтовых структур.

Основные научные положения, которые защищаются в диссертации.

1.  Значения касательных напряжений увеличиваются в 2-2,5 раза на начальном участке зоны продольного сдвига оползня и затухают в языковой части за счет инъекции, которая осуществляется в области равенства сдвигающих и удерживающих сил, при увеличении коэффициента устойчивости в 1,2-1, 3 раза, что позволяет определить рациональный участок закрепления оползневого грунта.

2.  Изменение приращений объемной массы скелета

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является завершённой научно-исследовательской работой, в которой на основе впервые установленных закономерностей повышения устойчивости оползневых грунтов способом напорной цементации, обоснованы рациональные геометрические и технологические параметры стабилизации оползней с учетом структурно-геологических, гидрогеологических и горно-технологических факторов, что позволило решить актуальную научно-техническую задачу по обоснованию технологических параметров инъекционной стабилизации оползнеопасных грунтовых структур, что имеет важное значение для поддержания безопасной эксплуатации объектов, находящихся на оползневых и оползнеопасных склонах в районе южного берега Крыма.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1.  Аналитически и экспериментально доказано существование в оползневом грунте вязкопластичной зоны скольжения и области с равенством сдвигающих и удерживающих сил, что позволило обосновать эффективность напорной цементации оползней и определить наиболее рациональную область инъектирования.

2.  Впервые методом компьютерного моделирования установлена закономерность изменения касательных напряжений и деформаций в зоне скольжения и в оползневом теле после инъекционного закрепления грунта.

3.  Доказано, что применение напорной цементации для стабилизации оползневых грунтов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния зоны скольжения и трансформации деформаций из вязкопластичных в упругожесткие. Впервые введен коэффициент повышения устойчивости оползневого грунта, составляющий 1,5-2,0.

4.  Экспериментально подтвержден колебательный процесс затухающего деформирования оползня и определены критерии развития деформаций грунта во времени.

5.  Лабораторными методами доказано изменение приращений объемной массы скелета  образцов грунта при фильтрационной консолидации в зависимости от влажности. Установлено, что значения объемной массы скелета оползневых грунтов в результате уплотнения при оптимальной влажности увеличиваются на 0,15-0,20 г/см³.

6.  Доказано изменение сдвиговых характеристик оползневых грунтов усиленных методом напорной цементации: удельное сцепление уплотненного водонасыщенного глинистого грунта увеличилось в 1,45-2,0 раза, угол внутреннего трения на 2-3⁰, модуль деформации увеличивается в 1,3-1,8 раза. Установленные эмпирио-аналитические зависимости позволяют определить изменение физико-механических характеристик и коэффициента консолидации грунта в зависимости от давления нагнетания раствора.

7.  Разработана новая методика проектирования параметров напорной цементации оползневых грунтов с целью стабилизации деформационного процесса.

8.  Выполнены опытно-промышленные работы по стабилизации оползневых грунтов на объектах «Могаби» и климатопавильона в п.г.т Алупка. Ожидаемый экономический эффект при применении метода напорной цементации, в условиях южного берега Крыма, составит