1. Введение

Устойчивость откосов при наличии трещин в массиве грунтов и горных пород представляет собой сложную и практически значимую задачу геотехники. Для транспортных сооружений в горных районах потеря устойчивости, особенно в глубоких выемках с высокими откосами, часто обусловлена совместным воздействием разработки и дождевых вод. Трещины служат путями фильтрации, увеличивают поровое давление и снижают сопротивление сдвигу, способствуя развитию оползней. После интенсивных осадков рост порового давления на поверхности скольжения уменьшает эффективные напряжения и удерживающее трение, одновременно увеличивается вес грунта. Верхние «усадочные» трещины могут заполняться водой и дополнительно активизировать сдвиг. Гидродинамическое давление вызывает фильтрационные разрушения (оплывание, суффозию), а обводнение контактных зон снижает прочность и приводит к деформациям откосов и возможным внезапным прорывам воды.

Многочисленные исследования показывают, что процесс разработки откосов вызывает перераспределение напряжений, формирование зон концентрации касательных напряжений у подошвы откоса и растягивающих напряжений в его верхней части, что способствует развитию трещин растяжения [1, 2]. При длительных осадках вода инфильтрируется через трещины и поверхности выветривания, что приводит к снижению всасывающего давления в ненасыщенных грунтах и увеличению порового давления, вследствие чего существенно уменьшается сопротивление сдвигу грунтов и пород [3, 4, 5]. Совместное воздействие процесса разработки и дождевых вод часто вызывает повторяющиеся разрушения, при этом поверхность скольжения развивается от локального уровня до масштабных форм.

Исследование Dou et al. [6], выполненное для высоких выемочных откосов в провинции Фуцзянь (Китай), показало, что разработка откоса является основным триггером за счёт разгрузки напряжений, тогда как осадки приводят к подъёму уровня грунтовых вод и снижению коэффициента устойчивости; трещины растяжения в верхней части откоса выступают предпосылкой разрушения. Одновременно задержка или нерациональное выполнение работ по укреплению может приводить к расширению зоны скольжения, что свидетельствует о том, что устойчивость откосов является не только задачей обеспечения коэффициента запаса, но и связана с управлением рисками и контролем водного режима.

В геологических условиях Вьетнама, особенно в горных районах севера страны, грунты и горные породы характеризуются сильной выветрелостью, сложной слоистостью и наличием многочисленных ослабленных поверхностей. При разработке откосов эти поверхности легко становятся потенциальными плоскостями скольжения. Развитие трещин изменяет механизм передачи напряжений и создаёт условия для глубокого проникновения воды, что повышает риск потери устойчивости. В связи с этим моделирование трещин и оценка их влияния на устойчивость откосов являются актуальными как с научной, так и с практической точки зрения.

В настоящее время при анализе методом конечных элементов (FEM) широко применяются модели Mohr-Coulomb и Hardening Soil (HS). Однако влияние трещин часто учитывается упрощённо — посредством снижения прочностных характеристик или задания предполагаемой поверхности скольжения. Современные исследования показывают необходимость более полного учёта взаимодействия трещин, подземных вод и нелинейного поведения грунтов и пород для точного прогнозирования механизмов разрушения [7].

На основе проведённого анализа можно сделать следующие выводы: (I) разработка откоса приводит к формированию трещин растяжения; (II) осадки и подземные воды снижают сопротивление сдвигу; (III) трещины выступают фактором, усиливающим риск оползания; (IV) эффективность мероприятий по укреплению зависит от их схемы и сроков выполнения.

Исходя из этого, в статье рассматривается анализ устойчивости откосов с учётом наличия трещин с использованием численного моделирования в программе Plaxis 2D, а также оценивается эффективность усиления с применением свайных систем. Полученные результаты направлены на уточнение механизмов потери устойчивости при наличии трещин и разработку рациональных технических решений для глубоких выемочных откосов во Вьетнаме.

2. Обзор методов моделирования трещин при расчёте устойчивости откосов

2.1. Моделирование трещин в методе предельного равновесия

В методе предельного равновесия трещины обычно учитываются путём корректировки формы поверхности скольжения или снижения прочностных характеристик на сдвиг вдоль предполагаемой ослабленной поверхности. Ряд авторов предлагает вводить в модель «растягивающие трещины» (tension cracks) в верхней части откоса для отражения развития растягивающих напряжений [8] (Duncan & Wright, 2005). Однако данный подход позволяет учитывать влияние трещин лишь в упрощённом виде и не даёт возможности описать распределение напряжений и деформаций в массиве грунтов и горных пород.

2.2. Моделирование трещин методом конечных элементов

Метод конечных элементов позволяет детально описывать напряжённо-деформированное состояние массива грунтов и горных пород, а также учитывать взаимодействие между различными зонами материалов. В рамках FEM трещины могут моделироваться следующими подходами:

a) Локальное снижение прочности (local strength reduction)

Трещина рассматривается как область материала с пониженной прочностью по сравнению с основным массивом. Параметры, такие как сцепление c и угол внутреннего трения φ, уменьшаются в соответствии со степенью ослабления. Данный подход прост и удобен для реализации в Plaxis 2D, однако он не отражает в явном виде механизм контакта и скольжения между поверхностями трещины.

b) Контактные элементы (interface elements)

Это распространённый метод моделирования поверхностей раздела между различными материалами или ослабленных зон в массиве. В Plaxis 2D контактные элементы характеризуются коэффициентом снижения прочности Rinter, что позволяет регулировать трение и сцепление между поверхностями. Такой подход эффективен, когда трещина имеет определённую геометрию и может рассматриваться как чётко выраженная поверхность раздела.

c) Континуальные модели повреждения (continuum damage models)

Континуальные модели повреждения позволяют моделировать зарождение и распространение трещин в процессе нагружения. Однако применение таких моделей требует задания сложных параметров материала и связано с высокими вычислительными затратами.

3. Оценка устойчивости откоса (верхового откоса) сооружения в районе Фук Тхуан — Тхай Нгуен

Район площадью около 58 га характеризуется сильно расчленённым рельефом с перепадом высот до 200 м; длина склона превышает 400 м, средний уклон 26–27°. В связи со строительством складского сооружения нижняя часть откоса срезана, устроены внутренние дороги. Выше площадки сформировался оползневой массив шириной ~50 м с системой параллельных трещин; одна из них образует основную поверхность скольжения от вершины к подошве. Вертикальное смещение превышает 1,2 м, горизонтальное достигает ~2,0 м. Размеры массива: высота ~20 м, площадь ~1500 м², объём ~27 850 м³; он разделён вторичными трещинами. Поверхность скольжения проходит через водонасыщенные зоны раздробленных пород, вызывая выход грунтовых вод у подножия откоса. Расход составляет 4–5 л/мин (сухой сезон) и 5–7 л/мин (дождливый сезон), что указывает на существенное влияние подземных вод на устойчивость откоса.

Рис. 1. Ступени скольжения внутри основного оползневого массива откоса складского сооружения

Физико-механические характеристики слоёв грунтов и пород

Физические и механические характеристики грунтовых слоёв в пределах района исследования определены на основе результатов лабораторных испытаний в водонасыщенном состоянии. Рассматривались следующие параметры: естественная плотность, насыщенная плотность, модуль деформации, сцепление и угол внутреннего трения. Полученные результаты обобщены на основе отчёта инженерно-геологических изысканий и непосредственно использованы в качестве исходных данных для расчётной модели.

Для скальных слоёв (обозначения 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b, 7a, 7b) физико-механические характеристики определялись на основе лабораторных испытаний в сочетании с оценкой качества скального массива в полевых условиях. В связи с большим количеством слоёв и параметров детализированная таблица данных в статье не приводится, а результаты обобщены и напрямую использованы в расчётной модели. Следует отметить, что скальный массив в районе исследования характеризуется развитой трещиноватостью, поэтому модуль деформации принимается не напрямую по модулю упругости интактного образца, а корректируется с учётом коэффициента снижения, отражающего влияние трещиноватой структуры.

В пределах зоны исследований скальные слои залегают на значительной глубине, а степень трещиноватости оценивается преимущественно по качеству керна (RQD) в сочетании с полевыми наблюдениями на откосах той же геологической толщи. Оценка качества скального массива выполнена на основе обобщения данных буровых работ, анализа структурных особенностей в натуре и сопоставления с аналогичными массивами в данном районе.

Параметры прочности на сдвиг скального массива (сцепление c и угол внутреннего трения φ) определены на основе классификации RMR с использованием программного обеспечения Roclab. Данный подход позволяет оценивать механические параметры на основе одноосной прочности образцов породы на сжатие с учётом таких факторов, как степень трещиноватости, тип породы, степень нарушенности при строительстве и условия эксплуатации сооружения. Несмотря на определённую вариативность результатов различных методов, интегрированный подход, реализованный в Roclab, считается более надёжным, поскольку учитывает совокупное влияние структурных особенностей массива и условий строительства, поэтому он принят для обоснования параметров, используемых в расчётной модели.

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов и пород

3.2. Результаты моделирования и обсуждение

Откос был смоделирован в программном комплексе Plaxis 2D, при этом наблюдаемые трещины заданы в виде контактных элементов (interface elements). Обобщённые данные буровых изысканий показали, что слой 1 обладает наименьшими физико-механическими характеристиками. Полевые наблюдения зафиксировали наличие заполнения трещин грунтом, а также существование зон раздробленных пород вдоль геологического разреза. Для упрощения расчётов в работе принято, что физико-механические характеристики трещин эквивалентны характеристикам слоя 1.

Расчётное сечение задано, как показано на рис. 2. Использована треугольная конечно-элементная сетка с рациональным сгущением в зонах, представляющих наибольший интерес; в области трещин и вокруг усиливающих свай сетка дополнительно сгущена для повышения точности расчёта. Грунтовые и скальные слои моделировались с использованием модели Моора-Кулона (Mohr-Coulomb, MC). В качестве меры усиления предусмотрены буронабивные сваи диаметром D = 1,0 м и длиной L = 25 м. Кроме того, для обеспечения локальной устойчивости поверхности откоса применена система грунтовых гвоздей в сочетании с набрызг-бетоном. Данная система в основном обеспечивает стабилизацию поверхностного слоя и не участвует в сдерживании крупномасштабной поверхности скольжения.

Рис. 2. Геометрические характеристики откоса (прогнозируемая линия уровня грунтовых вод — основание в водонасыщенном состоянии)

Рис. 3. Перемещения откоса при варианте усиления одним рядом буронабивных свай (диаметр свай D = 1,0 м; шаг свай в ряду — 2,0 м)

Задача устойчивости откоса была проанализирована в наиболее неблагоприятном состоянии (полное водонасыщение материала) с использованием метода снижения прочности (SRM) в программе Plaxis 2D. Результаты показали коэффициент общей устойчивости FS = 1,52, при этом механизм разрушения представлен общей поверхностью скольжения (круговой дугой), как показано на рис. 3, что соответствует особенностям откоса с наличием ослабленных зон/трещин и влиянием подземных вод. Согласно ТСVN 4054:2005 [8], для откосов высотой более 12 м расчёт должен выполняться для неблагоприятного состояния, при этом минимально допустимый коэффициент устойчивости составляет FS ≥ 1,25. Таким образом, значение FS = 1,52 > 1,25 свидетельствует о том, что откос после усиления удовлетворяет требованиям общей устойчивости в водонасыщенном состоянии, с запасом устойчивости около 22 %.

С точки зрения эффективности усиления, форма поверхности скольжения показывает, что ряд буронабивных свай играет ключевую роль в ограничении механизма глубокого сдвига (поверхность скольжения пересекается и корректируется в зоне расположения свай), тогда как система грунтовых анкеров (грунтовых гвоздей) в сочетании с набрызг-бетоном преимущественно обеспечивает локальную стабилизацию приповерхностного слоя и не является основным элементом сопротивления сдвигу для крупномасштабной поверхности скольжения, что соответствует принятой расчётной модели.

4. Заключение

В работе предложен подход к моделированию трещин при анализе устойчивости откосов с использованием контактных элементов в программе Plaxis 2D, при предположении, что физико-механические характеристики трещин эквивалентны свойствам наиболее слабого слоя грунта. Такой подход позволяет адекватно учитывать роль ослабленных зон и трещин в механизме общего сдвига, одновременно обеспечивая простоту и практическую реализуемость расчётов.

Результаты анализа для водонасыщенного состояния — как наиболее неблагоприятного в соответствии с действующими нормативами показывают, что откос после усиления удовлетворяет требованиям общей устойчивости. Полученный механизм разрушения соответствует геологическим условиям и наблюдаемому фактическому состоянию, что подтверждает обоснованность применения решения по усилению с использованием буронабивных свай в сочетании с поверхностной стабилизацией.

Предложенный метод и полученные результаты могут служить основой для анализа и проектирования устойчивости откосов в условиях наличия трещин и влияния подземных вод, особенно в районах со сложным геологическим строением.

Литература:

1. Bjerrum, L. (1967). Engineering geology of Norwegian normally consolidated marine clays as related to settlements of buildings. Norwegian Geotechnical Institute Publication No. 81, Oslo. pp. 1–54.
2. Dawson, E.M.; Roth, W.H.; Drescher, A. (1999). Slope stability analysis by strength reduction.Géotechnique, 49(6). pp. 835–840.
3. Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., Widger, R.A. (1978). The shear strength of unsaturated soils. Canadian Geotechnical Journal, 15(3), 313–321.
4. Fredlund, D.G., Rahardjo, H. (1993). Soil Mechanics for Unsaturated Soils. John Wiley & Sons.
5. Cho, S.E., Lee, S.R. (2001). Instability of unsaturated soil slopes due to infiltration. Computers and Geotechnics, 28(3), 185–208.
6. Dou, H.Q., Huang, S.Y., Wang, H., Jian, W.B. (2022). Repeated failure of a high cutting slope induced by excavation and rainfall: a case study in Fujian, Southeast China. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81:227. https://doi.org/10.1007/s10064–022–02707-x.
7. Alonso, E.E., Gens, A., Josa, A. (1990). A constitutive model for partially saturated soils. Géotechnique, 40(3), 405–430.
8. Вьетнамский стандарт TCVN 4054:2005. Автомобильные дороги — Нормы проектирования.