Устойчивость склонов с наклонными структурными плоскостями: большой или малый угол наклона?

Устойчивость склона с наклонными наружу структурными плоскостями не определяется однозначно величиной угла наклона этих плоскостей, а зависит от сочетания нескольких факторов.

Ниже представлен подробный анализ этого вопроса.

I. Влияние угла наклона структурных плоскостей на устойчивость

Наименее благоприятный угол наклона: Когда угол наклона наклонной наружу структурной плоскости приближается к 45°+φ/2 (где φ — угол внутреннего трения структурной плоскости), вероятность сдвига по этой плоскости максимальна. Этот угол наклона называется наименее благоприятным.

Устойчивость массива горных пород при таком угле наклона минимальна. Поэтому вблизи этого значения изменение угла наклона оказывает особенно сильное влияние на устойчивость склона.

Влияние увеличения и уменьшения угла наклона:

Увеличение угла наклона: Когда угол наклона структурной плоскости превышает наименее благоприятное значение и продолжает увеличиваться, потенциально неустойчивая зона массива горных пород может смещаться с глубины к поверхности. Это может привести к изменению устойчивости склона, но для определения, будет ли она повышаться или понижаться, необходимо учитывать другие факторы.

Уменьшение угла наклона: Когда угол наклона структурной плоскости меньше наименее благоприятного значения, его уменьшение может повысить устойчивость склона. Однако это не является абсолютным правилом, поскольку на устойчивость также влияют состояние структурных плоскостей, рельеф местности и воздействие воды.

II. Другие факторы влияния

Состояние структурных плоскостей: такие характеристики, как раскрытие трещин и наличие заполнителя, также являются важными факторами, влияющими на устойчивость склона. Структурные плоскости с очень малым раскрытием, хорошо сцементированные, без заполнителя или заполненные железистым или кремнистым цементом, имеют наилучшую степень сцепления и, следовательно, наиболее устойчивы. Напротив, гладкие, несцементированные структурные плоскости или плоскости, заполненные глинистым материалом или размягченными прослойками, с большим раскрытием, обладают относительно низкой устойчивостью.

Рельеф местности: Высота, форма и крутизна склона определяют распределение напряжений внутри него, что, в свою очередь, влияет на устойчивость склона и характер его деформации и разрушения. Выпуклые склоны имеют большую открытую поверхность, чем вогнутые, и поэтому более подвержены разрушению.

Влияние воды: Проникновение дождевой воды увеличивает массу горных пород и грунта, что увеличивает сдвигающую силу на плоскости скольжения и одновременно снижает сопротивление массива горных пород сдвигу, повышая вероятность оползня.

III. Комплексная оценка

Таким образом, устойчивость склона с наклонными наружу структурными плоскостями нельзя определить только по величине угла наклона этих плоскостей. Необходимо провести комплексную оценку, учитывая угол наклона, состояние структурных плоскостей, рельеф местности и воздействие воды.

На практике для определения состояния устойчивости склона следует проводить детальные исследования и анализ, а также принимать соответствующие меры по обеспечению его безопасности и устойчивости.

Азимут и угол наклона структурных плоскостей: как правило, склоны с пологим падением в одном направлении (угол наклона структурной плоскости меньше угла наклона склона) менее устойчивы; горизонтальные слои горных пород обладают хорошей устойчивостью.

Простирание структурных плоскостей: чем больше угол между простиранием структурной плоскости и простиранием склона, тем лучше.

Количество и число структурных плоскостей: когда склон рассечен несколькими пересекающимися структурными плоскостями, это не только увеличивает свободу деформации массива горных пород и количество плоскостей среза, скольжения и открытых поверхностей, но и существенно влияет на размер блоков горных пород, поэтому чем больше количество и число структурных плоскостей, тем ниже устойчивость.

Непрерывность структурных плоскостей: в основном влияет на общую прочность массива горных пород на сдвиг.

Волнистость и характеристики поверхности структурных плоскостей: в основном влияют на величину заполнения и трения структурных плоскостей.

Форма и размеры склона включают форму поперечного сечения, крутизну и общую высоту. Как правило, чем круче склон, тем он менее устойчив, а чем больше высота склона, тем хуже его устойчивость.

В случае скальных склонов структура и свойства массива горных пород оказывают значительное влияние на устойчивость склона. Когда угол наклона структурной плоскости меньше угла наклона склона, структурная плоскость представляет собой естественную плоскость скольжения; свойства структурной плоскости, включая ее положение, расстояние между плоскостями, непрерывность, состав и свойства заполнителя, шероховатость и содержание воды, влияют на ее прочность на сдвиг.

И наоборот, когда угол наклона структурной плоскости внутри скального склона больше угла наклона склона, это способствует устойчивости склона.

Величина угла наклона структурных плоскостей горных пород оказывает существенное влияние на устойчивость массива. Ниже перечислены преимущества и недостатки больших и малых углов наклона.

Преимущества большого угла наклона:

1. Повышенная устойчивость массива горных пород: при большом угле наклона слои горных пород менее склонны к сползанию, поэтому в некоторых случаях больший угол наклона может означать лучшую устойчивость.

2. Снижение риска сдвигового разрушения: в фундаментных работах, когда угол наклона слабой структурной плоскости близок к 90°, даже при небольшой ширине этой плоскости ее негативное влияние на массив горных пород основания будет незначительным.

Недостатки большого угла наклона:

1. Повышенная сложность строительства: в подземном строительстве большой угол наклона слабой структурной плоскости может усложнить строительство, увеличить его стоимость и риски.

2. Влияние на устойчивость склона: в случае склоновых работ, если угол наклона слабой структурной плоскости массива горных пород больше угла наклона склона, склон становится более подвержен оползням по пластам.

Преимущества малого угла наклона:

1. Снижение риска строительства: малый угол наклона слабой структурной плоскости может означать меньший риск строительства, поскольку массив горных пород обладает большей целостностью и менее подвержен крупномасштабным оползням или обрушениям.

2. Упрощение строительства: при строительстве туннелей или подземных сооружений меньший угол наклона может сделать строительство более простым и безопасным.

Недостатки малого угла наклона:

1. Возможное негативное влияние на устойчивость склона: если угол наклона склона меньше угла наклона слоев горных пород, это может сделать слои более склонными к сползанию, что повлияет на устойчивость склона.

2. Увеличение деформации массива горных пород: малый угол наклона слабой структурной плоскости может сделать массив горных пород более подверженным деформации под воздействием внешней нагрузки, что повлияет на безопасность и устойчивость инженерных сооружений.

Таким образом, нет однозначного ответа на вопрос, какой угол наклона структурных плоскостей горных пород лучше — большой или малый. Необходимо учитывать конкретные инженерно-геологические условия и требования проекта.

На практике инженеры используют детальные геологические исследования, испытания горных пород на механические свойства и численное моделирование для оценки влияния различных углов наклона на устойчивость массива горных пород и принимают соответствующие инженерные меры для обеспечения безопасности и экономичности сооружений.