Działanie wody gruntowej.

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska Szczecin
Działanie wody gruntowej.
Ze względu na to, że woda gruntowa jest jedną z głównych przyczyn powstawania
osuwisk w zboczach wymaga tym samym szczególnej uwagi, dokładnego rozpoznania i
uwzględnienia w analizach stateczności.
Wyznaczenie ustalonego przepływu wody w zboczach to zadanie dla hydrogeologów z
dużym doświadczeniem. Jak pokazuje dotychczasowa praktyka, ilość awarii i katastrof jest
wynikiem braku wiedzy w tym zakresie i ograniczania się tylko do własnych umiejętności i
doświadczenia. Woda gruntowa wpływa na układ sił i naprężeń w zboczu, powodując w
warunkach ustalonego przepływu dodatkowe obciążenie gruntu siłami hydrodynamicznymi
lub zmniejszając siły oporu ścinania (jako wynik wzrostu ciśnienia porowego) w strefie
potencjalnego poślizgu. Z drugiej strony woda gruntowa zwiększając w przypadku braku lub
nieprawidłowego odwodnienia lub zmniejszając w procesie konsolidacji wilgotność gruntu w
zboczu, oddziałuje w istotny sposób na wytrzymałość gruntu decydującą o stateczności
zbocza.
Można rozważać trzy zasadnicze przypadki działania wody gruntowej w zboczu, a
mianowicie:
1. zbocze podtopione wodą,
2. ustalony przepływ wody w zboczu,
3. ciśnienie wody w porach, wywołane szybkim wykonywaniem nasypu lub wykopu w
gruncie spoistym.
Przy częściowym lub całkowitym podtopieniu zbocza wodą następuje zmiana układu sił,
które działają na masyw potencjalnego osuwiska.
Rys.1. Siły działające na masyw osuwiska w zboczu podtopionym wodą.[1]
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Dochodzi dodatkowo parcie wody U i gęstość objętościowa gruntu z uwzględnieniem
wyporu wody.
Zmieniające się układy sił naruszają normalny porządek i zmniejszają ogólną stateczność w
zależności oczywiście od tempa stabilizacji zwierciadła wody wewnątrz masywu gruntowego.
Tak więc moment sił względem dowolnego punktu obrotu O naruszających równowagę
zbocza będziemy liczyć według równania:
M0 = W1 · x1 + W’2 · x2
gdzie:
W’2 = W2 – U
Zjawisko ustalonego przepływu wody w gruncie występuje w wielu obiektach sztucznych,
którymi są zapory ziemne o różnym przeznaczeniu, jak i w zboczach naturalnych.
Ruch wody w gruncie powoduje powstanie sił hydrodynamicznych, działających zgodnie z
kierunkiem przepływu wody, o wartości określonej wzorem:
J = V · i · Ɣw
gdzie:
V – objętość gruntu przez który przepływa woda,
i – spadek hydrauliczny,
Ɣw - ciężar objętościowy wody
Siły hydrodynamiczne są siłami wewnętrznymi, dążącymi do przesunięcia szkieletu
gruntowego.
W celu poprawnego określenia sił hydrodynamicznych konieczne jest wyznaczenie
hydrodynamicznej siatki filtracji. Siatka hydrodynamiczna umożliwia określenie sił
hydrodynamicznych w analizowanym zboczu.
Rys.2.
Hydrodynamiczna siatka filtracji w zboczu.[2]
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W zależności od zastosowanej metody sprawdzania stateczności zbocza oblicza się
wypadkową sił hydrodynamicznych, działających na masyw osuwiska, lub też siły działające
na poszczególne elementy tego masywu (np. w metodzie pasków).
Analizując stateczność zbocza metodą stanu granicznego uwzględnia się dodatkowe siły
masowe, wywołane przepływem wody w gruncie.
Występowanie wody w zboczach, zarówno w przypadku podtopienia wodą jak i w przypadku
przepływu wody przez grunt, jest związane z istnieniem ciśnienia wody i powietrza,
wypełniającego pory gruntu, które jest nazywane ciśnieniem porowym. Ciśnienie to zależy od
poziomu zwierciadła wody gruntowej, którą w tym przypadku można potraktować jako
obciążenie wewnętrzne.
Analizując różne przypadki działania wody gruntowej, można zauważyć że rozkład ciśnienia
porowego w zboczu nie ma praktycznie wpływu na siły naruszające równowagę zbocza. Siła
masowa będzie zależeć tylko od gęstości objętościowej gruntu o różnym stopniu nasycenia
wodą, tworzącego masyw potencjalnego osuwiska, oraz od położenia swobodnego
zwierciadła wody gruntowej lub od sił hydrodynamicznych. Ciśnienie porowe będzie miało
natomiast zasadniczy wpływ na siły oporu ścinania działające wzdłuż założonej powierzchni
poślizgu i gwarantujące zachowanie stateczności zbocza. Stąd wniosek, że w celu
prawidłowej oceny stateczności zbocza konieczne jest określenie rozkładu wartości ciśnienia
porowego, przynajmniej w strefie potencjalnego poślizgu.
W zboczu podtopionym wodą ciśnienie porowe u będzie wprost proporcjonalne do wysokości
słupa wody hw , działającego na analizowany punkt lub odcinek powierzchni poślizgu.
Rys.3. Wyznaczanie ciśnienia porowego w zboczu nawodnionym a- zbocze podtopione, b- ustalony przepływ
wody
Ciśnienie porowe w warunkach ustalonego przepływu wody można dość dokładnie określić
na podstawie siatki hydrodynamicznej wyznaczonej jedną z metod analitycznych lub
doświadczalnych. W praktyce inżynierskiej postępowanie takie stosuje się jednak rzadko,
natomiast najczęściej wysokość słupa wody hw określa się tak, jak gdyby linie
ekwipotencjalne były pionowe.
W związku z powyższym należy podkreślić rangę parametrów c i Ø dla gruntów budujących
zbocze, skarpę lub stok naturalny. Te parametry wytrzymałościowe charakterystyczne dla
gruntów zależą przecież od wielu czynników.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Jednym z najważniejszych czynników jest stopień wilgotności gruntu Sr , od którego w
głównej mierze zależy rozkład obciążenia na naprężenia efektywne σ’, przenoszone przez
szkielet gruntowy, oraz ciśnienie porowe u, przenoszone przez wodę i powietrze w porach.
Sformułowana przez Terzaghiego zasada naprężeń efektywnych wymaga uwzględnienia tego
zjawiska w analizie stanu granicznego. Wynika stąd konieczność wyróżnienia parametrów cu
i Φu, określających wytrzymałość gruntu w naprężeniach całkowitych, oraz parametrów c’ i
Φ’, odpowiadających wytrzymałości gruntu w naprężeniach efektywnych.
Stąd też bierze się postulat w większości opracowań dotyczących obliczeń stateczności
potencjalnych osuwisk o bardzo dokładne i głębokie rozpoznanie podłoża i wyznaczanie
właściwości fizyko-mechanicznych nawiercanych gruntów.
Literatura :
1. Dembicki E.: Zagadnienia geotechniczne budowli morskich. Wyd. Morskie, Gdańsk
1987 ,
2. Wieczysty A.: Hydrogeologia inżynierska. PWN, Warszawa 1982 r.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl