Аналіз підходів щодо визначення міцнісних характеристик гірських порід для прогнозу зсувонебезпечності укосів

Abstract

Стаття базується на порівняльному аналізі сучасних підходів з використанням детерміністичних, статистичних та графоаналітичних моделей і методик визначення міцнісних властивостей м’яких гірських порід для прогнозу зсувонебезпечності укосів. Для оцінки стійкості природних схилів та техногенних укосів найчастіше використовується критерій руйнування Кулона-Мора, основними величинами якого є зчеплення (С) та кут внутрішнього тертя (φ). Детерміністичний підхід передбачає отримання значень цих характеристик в результаті лабораторних випробувань зразків м’яких порід на зсувних пристроях під впливом дотичних і нормальних навантажень. Проте ці розрахункові значення залежить від того, яким чином побудувати пряму дотичну до кругів Мора, що є суттєвим недоліком. Імовірнісний підхід щодо визначення міцнісних властивостей враховує певний діапазон значень С та φ порід в мінливих геокліматичних умовах для адекватного прогнозу стійкості і зсувонебезпечності укосів. В статті представлено результати розрахунків стійкості гіпотетичних укосів з висотами 20 м та 30 м отримані за допомогою детермінованих параметрів С і φ та ймовірнісними діапазонами значень цих показників. Запропоновано графоаналітичний підхід визначення міцнісних характеристик гірських порід. Обґрунтовано методику визначення міцнісних властивостей грунту чи гірських порід через побудову кривої граничних станів за трьома точками дотично до граничних кругів Мора, що відповідають межам міцності на розтягування, стискання і зрушення. Наукова новизна методики полягає у поєднанні результатів лабораторних випробувань зразків порід на стискання та зрушення, аналітичному визначенні межі міцності на розтягування за формулою та побудові кривої граничних станів. Практичне значення запропонованого способу побудови паспорта міцності гірських порід полягає в можливості більш точно обчислювати фізико-механічні властивості порід та прогнозувати процеси їх руйнування.

The paper is based on a comparative analysis of modern approaches using deterministic, statistical and graphicanalytical models and techniques for determining the strength properties of soft rocks to predict slope failure and landslide hazard. To assess the stability of natural and man-made slopes, the Mohr-Coulomb failure criterion is often used, the main values of which are the cohesion (C) and the angle of internal friction (φ). The deterministic approach involves obtaining the values of these properties as a result of laboratory testing of soft rock specimens on shearing devices under the impact of normal and tangent loads. However, these calculated values depend on how to draw a direct line tangent to Mohr circles, which is a significant disadvantage. The probabilistic approach for determining the strength properties takes into account a certain range of C and φ values for soft rocks in changing geo-climatic conditions for adequate prognosis of slope stability and landslide danger. The results of calculations of stability for hypothetical slopes with heights of 20 m and 30 m are obtained by means of determined parameters C and φ and with probabilistic values of these indicators. A graphic-analytical approach for determining the strength characteristics of mine rocks is proposed. The technique for determining the strength properties of soil or mine rocks through the construction of a curve of boundary states at three points tangential to the boundaries of the Mohr circles corresponding to the limits of tensile strength, compression strength and shear strength is substantiated. The scientific novelty of the technique is to combine the results of laboratory tests of rocks specimens due to compression and shear, the analytical determination of the tensile strength through the formula and drawing the boundary state curve. The practical value of the proposed technique of the plotting a passport of the rock strength is the ability to more accurately calculate the physical and mechanical properties of rocks and predict the processes of their failure.

Статья базируется на сравнительном анализе современных подходов с использованием детерминированных, статистических и графоаналитических моделей и методик определения прочностных свойств мягких горных пород для прогноза оползнеопасности откосов. Для оценки устойчивости природных склонов и техногенных откосов чаще всего используется критерий разрушения Кулона-Мора, основными величинами которого являются сцепления (С) и угол внутреннего трения (φ). Детерминистический подход предполагает получение значений этих характеристик в результате лабораторных испытаний образцов мягких пород на сдвиговых устройствах под влиянием касательных и нормальных нагрузок. Однако эти расчетные значения зависят от того, каким образом построить прямую касательную к кругам Мора, что является существенным недостатком. Вероятностный подход по определению прочностных свойств учитывает определенный диапазон значений С и φ в изменчивых геоклиматических условиях для адекватного прогноза устойчивости и оползнеопасности откосов. В статье представлены результаты расчетов устойчивости гипотетических откосов с высотами 20 м и 30 м полученные с помощью детерминированных параметров С и φ и вероятностными диапазонами значений этих показателей. Предложен графоаналитический подход определения прочностных характеристик горных пород. Обоснована методика определения прочностных свойств грунта или горных пород путем построения кривой предельных состояний по трем точкам касательной к предельным кругам Мора, соответствующим границам прочности на растяжение, сжатие и сдвиг. Научная новизна методики заключается в сочетании результатов лабораторных испытаний образцов пород на сжатие и сдвиг, аналитическом определении предела прочности на растяжение по формуле и построении кривой предельных состояний. Практическое значение предложенного способа построения паспорта прочности горных пород заключается в возможности более точно вычислять физико-механические свойства пород и прогнозировать процессы их разрушения.