Приложение 20. Устойчивость откосов в многолетнемерзлых породах

Приложение 20

Устойчивость откосов в многолетнемерзлых породах

В районах распространения многолетнемерзлых пород возникают специфические инженерно-геологические условия, которые необходимо изучать и учитывать при оценке устойчивости бортов и уступов разрезов [1, 44, 45].

В зависимости от пространственного распространения многолетнемерзлых пород (от размещения в плане, мощности, прерывистости) выделяют:

- сплошное развитие многолетней мерзлоты;

- наличие таликов в толще мерзлых пород (прерывистую мерзлоту);

- островную мерзлоту.

Прочность массива многолетнемерзлых пород больше прочности массива тех же пород в талом состоянии. Увеличение прочности массива при замерзании происходит за счет увеличения прочности мерзлых пород в образце и за счет смерзания контактов по поверхностям ослабления (наслоению, трещинам, тектоническим нарушениям) и зависит от температуры и криогенных особенностей пород: льдистости (влажности) и криогенной структуры [1, 44].

Так, величина сцепления мерзлых рыхлых несвязных и мягких связных пород более чем в 10 раз превышает величину сцепления тех же пород в талом состоянии. Значения сцепления глин и песков в мерзлом и талом состоянии приведены в табл. 1.

Значения прочности (сцепления в образце) скальных и полускальных пород в талом и мерзлом состояниях приведены в табл. 2.

Нужно отметить, что не всегда прочность пород в образце в мерзлом состоянии больше, чем в немерзлом. Прочность пород в образце в талом и мерзлом состояниях практически не изменяется при влажности образцов менее 0,2%; это относится к скальным породам, характеризующимся низкой пористостью, т.е. скальные породы в этом случае являются сухими и при отрицательной температуре находятся в морозном (охлажденном) состоянии.

В естественных условиях трещины в массиве многолетнемерзлых пород могут быть заполнены льдом; в зависимости от степени различают сплошное и пятнистое или вкрапленное заполнение.

Результаты лабораторных испытаний на мгновенный сдвиг по трещинам, заполненным льдом, в породах Нерюнгринского каменноугольного месторождения приведены в табл. 3 [45].

Таблица 1

Прочность мерзлых (замороженных) и талых рыхлых несвязных и мягких связных пород в образце

Породы	Мерзлые породы			Талые породы
	Угол внутреннего трения , (...°)	Сцепление в образце ,	Влажность W, %	Угол внутреннего трения , (...°)	Сцепление в образце ,	Влажность W, %
Глина ("Якуталмаз")	30	36,5	-	27	3,5	-
Мерзлые образцы глины ("Якуталмаз", длительные испытания)	26	17,0	-	-	-	-
Пески тонкомелкозернистые (Кангаласский угольный разрез)	-	5,5	23	39	0,4	21
Алевриты (Кангаласский разрез)	-	7,8	23	38	0,6	23
Пески тонкозернистые с углем (Кангаласский разрез)	-	9,1	16	-	0,7	16

Таблица 2

Прочность в образце мерзлых и талых скальных и полускальных пород

Породы	Мерзлые	породы	Талые породы		Влажность W, %	Месторождения
	Сцепление в образце ,	Угол внутреннего трения , (...°)	Сцепление в образце ,	Угол внутреннего трения , (...°)
Диабазы	300	36,5	230	36	0,66	ПО "Якуталмаз"
Известняки глинистые	160	37	106	37	1,6	То же
Известняки песчанистые	90	36	58	36	1,4	- " -
Алевролиты	100	30	50	30	6,5	- " -
Мергель с прослоями песчаника	110	32	75	26	4,6	- " -
Мергель	37	35	8	35	12,0	ПО "Якуталмаз"
Песчаник крупнозернистый (цемент железистогидрослюдистый)	208	-	160	33	-	Нерюнгринское каменно-угольное
Песчаник мелкозернистый (цемент карбонатный)	260	-	250	33	-	То же

Таблица 3

Значения сцепления и углов трения по трещинам

Породы	Сплошное заполнение трещин льдом		Частичное заполнение трещин льдом		Немерзлые породы
	,	, (...°)	,	, (...°)	,	, (...°)
Уголь	14	10	10	14	2	15
Углистый аргиллит	30	15	10	15	2	15
Углистый песчаник	22	18	10	20	4	20

Таким образом, определение оптимальных параметров уступов и бортов разрезов (карьеров) в многолетнемерзлых породах должно увязываться с температурным режимом массивов слагающих их пород и прогнозом его изменения при открытой разработке.

Устойчивость отдельных уступов в многолетнемерзлых породах определяется прочностью талых пород в связи с деградацией мерзлоты вследствие образования в летнее время зон сезонного и многолетнего протаивания. Устойчивость же бортов разрезов в целом будет определяться прочностью мерзлых пород, так как наиболее слабая поверхность расположена на расстоянии нескольких метров (или десятков метров) от поверхности откоса [44].

Учитывая высокие пластические свойства пород в замороженном состоянии, а также смерзшихся контактов, к расчетам рекомендуется принимать характеристики прочности мерзлых пород, соответствующие длительному действию нагрузки. Длительная прочность мерзлого массива скальных и полускальных пород составляет примерно 80% от прочности кратковременной [44].

В случае, когда к расчетам устойчивости бортов, сложенных массивом многолетне мерзлых пород, принимают показатели прочности, характеризующие талый массив, коэффициент запаса следует принимать равным n = 1,00-1,05 [44].

Длительная прочность мерзлого массива рыхлых несвязных и мягких связных пород составляет 0,2-0,3 от кратковременной прочности мерзлого массива.

При островном развитии многолетнемерзлых пород в общем случае расчет устойчивости бортов разрезов может производиться по прочностным характеристикам талых пород.