logo
Кон лк з ОТБТПуСУ ч ІІІ

6 Будівництво трубопроводів на зсувних ділянках

6.1 Загальні відомості та аналіз зсувних процесів ґрунту

Зсувним ґрунтом називаються масив ґрунту, що рухається по схилу або відкосу під дією сил власної ваги. Під схилом розуміють нахилений в одну сторону дільницю земної поверхні природного походження, а під відкосом – штучно утворену ділянку ґрунту, обмежену з однієї сторони нахилену до горизонту поверхню.

Вивчення проблеми деформацій ґрунтових мас проводились давно. Так, в 1846р. Коллін вказував, що в залежності від кліматичних та метеорологічних умов, зміщення ґрунтових мас, необхідно поділяти на два типи:

- поверхневі, котрі розвиваються в межах товщини шару внаслідок сезонних та багатолітніх коливань метеорологічних умов;

- глибинні.

Найбільший інтерес представляє механізм утворення та розвитку поверхневих зсуваючих процесів, внаслідок того, що він є найбільш розповсюдженим видом деформації ґрунтових товщ на схилах та косогорах, як в передгірських так і в гірських районах, а також на відкосах інженерних споруд (нарізання поличок при будівництві магістральних трубопроводів, влаштування тимчасових та постійних під’їзних доріг та інше).

Зсуваючі зміщення поверхневих шарів глиняних, пісково-глиняних ґрунтів та суглинків, як правило, мають клиноподібну або іншу форму з особливо вираженою поверхнею де чітко виражені наступні три зони:

В більшості робіт із вивчення механізму утворення, формування та розвитку поверхні зсуву ґрунту вказано, що вони утворюються внаслідок зміни консистенції ґрунту в зв’язку з швидким вивітрюванням, а також під впливом атмосферних опадів, перерозподіленням запасів зв’язаної води, яка знаходиться в ґрунті або під дією підземної води, яка фільтрується через схили, косогори або відкоси.

Так Е.П.Емельянова вважає, що причиною зсуваючого процесу є попередні процеси, які внесли зміни в природну обстановку. Частіше всього пов’язаних з кількісним та морфологічним взаємовідношенням твердих, рідких та газоподібних складових частинок ґрунту, що проходять внаслідок зміни їх напруженого стану.

І.С.Розгін підкреслює роль талих вод в утворенні та розвитку зсувних процесів, вважаючи, що крім зволоження ґрунту тала вода заповнює тріщини і при цьому вона створює хоч і короткочасні та дуже сильні гідростатичні тиски котрі можуть бути поштовхом для того, щоб вивести в рух поверхневий шар зсуваючого ґрунту любої ділянки схилу, косогору або відкосу.

В.А.Приклонський відмічає, що при вивітрюванні в зсувних процесах проходить направлена зміна мінералогічного і хімічного складу ґрунту, їхньої дисперсності, обмінної здатності та гідрофільності, вмісту розчинних солей, які знаходяться в ґрунті, як і в твердому стані так і в поровому фізичних, структурно-механічних та реологічних властивостей ґрунту.

Г.І.Тер-Степанян вказує, що причиною утворення зсувних процесів є фільтраційна сила, і на його думку заключається не в загальній зміні п’єзометричного рівня, а впливу місцевої тимчасової зміни цього рівня. Так, як в області тріщинуватості, що виникли на схилі або косогорі, різко підвищується загальна водопровідність ґрунту, внаслідок чого проходить місцеве нівелювання п’єзометричного рівня, тоді як у вище розміщеній частині, вона залишається незмінною. І тому виникають значення гідравлічного градієнта, який має місцевий та тимчасовий характер. Внаслідок чого збільшується гідродинамічний тиск тобто фільтраційна сила “j” і при цьому зменшується стійкість смуги ґрунту, розміщеного під тріщинуватою зоною. Якщо прийняти, що нахил місцевості рівний “”, а позатріщинуватому ґрунті поверхня потоку паралельна схилу тоді градієнт буде

. (6.1)

А в тріщинуватій зоні гідравлічний градієнт “і” буде набагато більший. Це приводить до того, що виникає різниця рівнів (від нетріщинуватої до тріщинуватої зони) і в цій перехідній зоні виникає та збільшується фільтраційна сила рівна

, (6.2)

де w – питома вага води.

На думку Г.І.Тер-Степаняна ця сила направлена паралельно поверхні п’єзометричного рівня, а її величина таким чином, щоб визвати зсувні процеси ґрунту.

На основі аналізу структури зразків ґрунту, проведеною за допомогою поляризаційного мікроскопа М.М.Маслов вказує, що характер деформації в різних областях (частинах) ґрунту, що зсувається не однаковий. І відрив ґрунту в зоні зсуву має характер (процес) повільного руху ґрунтових мас з порівняно суворою порядковою орієнтацією глиняних частинок. А у в’язкій частині, при розтріскуванні, швидкість руху збільшується і чітка орієнтація в глиняних частинах відсутня. При цьому рух їх становиться аналогічним руху безструктурної в’язкої рідини.

На рис. 6.1 показані різні форми природних схилів та відкосів, утворених при будівництві трубопроводу в гірській місцевості.

Рисунок 6.1 - Можливі форми природних та штучних схилів і відкосів

Схил (його називають відносно до будівництва трубопро-воду на поперечних схилах) може бути вгнутим (рис. 6.1,а), вигнутим (рис. 6.1,б), вгнуто-випуклим (рис. 6.1,в), випукло-вгнутим (рис. 6.1,г), складним (рис. 6.1,д), плоским (рисунок 6.1,е). Плоский відкос показаний на рис. 6.1,ж.

Однією із основних характеристик схилів та відкосів є його середня крутизна, яка визначається нахилом лінії до горизонту с.р проведений через берму та підошву. Як видно із рис. 6.1, в різних точках схилів а, б, в, в, г, д крутизна може суттєво відрізнятися від с.р , це наглядно показує, наприклад, точка k ( приймає значення і більше с.р та менше).

Відносно схилу д то в його межах можна виділити декілька малих схилів (1-2, 2-3, 3-4 та 4-5) з власною крутизною 1р,2 ,3 ,4.

Ґрунт, що зсувається може захоплювати весь схил або відкоси. В даному випадку можна говорити про нестійке положення схилу в цілому. Якщо ж весь схил стійкий, це не означає, що на ньому не може пройти зсув ґрунтової маси; процес зсуву ґрунту може мати локальний характер. Так на рис. 6.1 д показаний в загальному стійкий схил. Коефіцієнт запасу стійкості схилу kст >1однако, на ділянки 3-4 kст  1 спостерігається дуже повільне переміщення ґрунту вздовж поверхні ковзання mn. Постійно ця поверхня буде зміщуватися в глиб схилу до тих пір коли точка т не співпаде з точкою 2. В результаті, складний за формою багатоступінчастий схил трансформується в схил вгнутого типу (див. рис. 6.1,а). Якщо трубопровід буде покладено на виступі 2-3 то з часом може пройти зсув ґрунту.

Другою важливою характеристикою схилу або відкосу є показник стійкості, який визначається коефіцієнтом запасу стійкості.

Зсув ґрунту не пройде, якщо сили, які стараються зсунути масив ґрунту вниз вздовж схилу, менше сил, які утримують його в природному стані або в стані, що виникли після виконання робіт з будівництву трубопроводу.

Схил буде стійким або зсув ґрунту буде мати місце, якщо ці сили зрівнялися, а деформації зміщення мають характер, що встановився, або прогресуючої повзучості.

Оцінка стійкості зсувного ґрунту – найбільш складна задача, і рішення її потребує не тільки відповідного підходу, але й відповідного комплексу пошукових та досліджень в польових умовах.

При вишукуванню траси трубопроводу необхідно перш за все визначити явні зсувні ділянки. Це не означає, що їх можна визначити без використання спеціальних методів. Найбільш ефективний метод – аерофотозйомки (рис. 6.2).

Рисунок 6.2 – Розташування зсувних ділянки вздовж траси

Вона дозволяє чітко визначити межі зсуву не тільки діючих, а також древніх. В результаті зйомки місцевості вздовж вибраної траси трубопроводу шириною (1 – 2) км можна отримати картину розташування небезпечних ділянки зсуву ґрунту.

Причому вздовж лінії водорозділу можна також визначити напрям руху зсуву ґрунту. Інколи на вершині зсувного масиву є декілька ліній розриву, які на фотозйомках чітко фіксують їх напрям.

Крім того, при вишукових роботах на місцевості, необхідно звернути увагу на такий признак, як “п’яний” ліс в якому дерева в результаті деформації ґрунту нахилені в різні сторони. Звичайно, краще за все знайти видимі ознаки меж зсуву ґрунту – відрив рухомого ґрунту від нерухомого. Така межа часто має вигляд виступу за рахунок вертикального зміщення зсувного масиву ґрунту. Під станом, в даному випадку, розуміється кінематика та динаміка.

Вивчення кінематики зсуву ґрунту, тобто, геометричних характеристик його руху, представляє, хоч і трудоємку, але достатньо просту задачу. Визначається величини та направлення швидкостей руху V в різних точках зсувного ґрунту, й будується епюри швидкостей вздовж і поперек площі зсувного ґрунту (рис. 6.3).

Рисунок 6. 3 – Епюри швидкостей руху ґрунту, що зсувається

В точках 1 – 10 встановлюють поверхневі репера та замірюють переміщення (за величиною та напрямком) фіксованих точках через певні проміжки часу, прив’язуючи ці виміри до постійних реперів R1 - R4. Такі виміри бажано проводити перед початком будівництва, в період будівництва та після його завершення.

Якщо виявиться, що масив ґрунту, що зсувається, рухається безперервно або періодично (в залежності від зміни вологості ґрунту ), то краще за все винести трасу за межі зсуву ґрунту. Якщо цього зробити не можна, необхідно дослідити динаміку зсуву, тобто, встановити залежність геометрії й швидкості зсуву від сил, які зумовлюють цей рух.

Ця робота вимагає значних матеріальних витрат й часу.

Для визначення сил, що керують зсувом, необхідно встановити не тільки планові межі, але і глибину зсуву, а також фізико-механічні характеристики зсувного та корінного ґрунту (основа, по якій рухається ґрунт) та вивчити режим ґрунтових вод.

Виконавши ці дослідження, можна розраховувати стійкість, робити прогноз його розвитку, визначити силовий тиск на трубопровід.

Припустимо, всі необхідні дослідження проведенні. При цьому може бути встановлений один із двох основних випадків зсуву ґрунту: вздовж площі поверхні зміщення або вздовж викривленої.

Перший випадок. Зсув вздовж плоскій поверхні характерний для нашарування ґрунтів наприклад, глинистого над скельним, піскового над глинистим та тому подібне. Схема такого зсуву показана на рисунку 6.4 а, а розрахункова – на рис.6.4 б.

Рисунок 6.4 – Схема руху ґрунту, що зсувається.

Цей випадок найбільш простий у відношенні визначення коефіцієнту запасу стійкості kст .

Відповідно до схеми рисунку 6.4,б виділимо у зсувному шарі h елемента абвг зсув його по площині вг може відбутися під дією сили Н (складова сила ваги q ) та тиском ґрунту, розміщеного вище грані бг – q1 .

Силами, що чинять опір зміщенню, є дотичні напруження вздовж площини вг та опір ґрунту вздовж грані аб, розташованого нижче неї.

Можна припустити, що в любий момент часу q1 = Еакт , а q2 = Епасcos , де Еакт та Епас активний і пасивний тиск ґрунту, а  – кут нахилу схилу до горизонту.

Таки чином, умова стійкості отримує наступний вигляд

, (6.3)

де

; (6.4)

; (6.5)

пр – питома вага ґрунту в непорушеному стані;

с – зчеплення ґрунту вздовж лінії ковзання;

 - кут внутрішнього тертя ґрунту.

Якщо kст >1 то схил стійкий, а при kст =1 схил нестійкий і можливий його зсув.

Другий випадок. Зсув ґрунту проходить по криволінійній поверхні (див. рис. 6.1в,г). Загальний підхід до проблеми стійкості можна сформулювати наступним чином: запас стійкості визначається відношенням сумарного опору зсуву вздовж поверхні ковзання до повної зсуваючої сили тій же поверхні тобто

, (6.6)

де сі – середнє значення зчеплення ґрунту в межах l;

і – зсуваюча сила на одиницю довжини ділянки l.

Складність задачі полягає у визначенні можливої поверхні ковзання. Якщо в процесі проведення вишукових робіт вдалося визначити поверхню ковзання то визнання значення коефіцієнту стійкості не представляє особливої трудності. А якщо визначити поверхню ковзання безпосереднім вимірюванням неможливо, то необхідно її визначити хоча би орієнтовно, керуючись загальними закономірностями зсувних процесів. Так Е.П.Ємельянов пропонує розрізняти чотири основних види зсуву ґрунту на схилах.

1. Порушення загальної стійкості на всю висоту схилу. При цьому поверхня ковзання має звичайну вгнуту форму (див рис. 6.1,а), яка добре апроксимується колоциліндричною поверхнею.

При такому підході схил буде стійким, якщо момент утримуючих сил Мут буде більше моменту зсуваючи сил Мзс відносно центра кола. Значення коефіцієнту запасу стійкості розраховується за формулою

. (6.7)

2. Порушення стійкості яких не будь утворень на схилі. В даному випадку положення поверхні ковзання визначається достатньо чітко, так межа даних ділянки та утворень, розташовані вздовж всього силу. Поверхня ковзання їх переважно паралельна поверхні схилу (рис. 6.4,а) такі зсувні процеси називають покрівельними. Коефіцієнт запасу стійкості для них визначають за формулою (6.6).

3. Порушення стійкості ділянки де раніше пройшли зсувні процеси але з часом вони стабілізувалися (зсувні процеси другого порядку). Межі зсуву встановлюють згідно результатів аерофотозйомки, а поверхню ковзання при детальному обстеженні зсуву на місці. Коефіцієнт стійкості визначають за формулою (6.6).

4. Порушення стійкості частини схилу. Характер втрати стійкості аналогічний як і для першого випадку, але в зсувний процес задіються частини схилу (верхня або нижня) рис. 6.1,в,г. Коефіцієнт стійкості розраховують за формулою (6.6) або згідно колоциліндричній теорії, формула (6.7).