Awarie skarp - Piotr Jermołowicz

Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska
Awarie skarp nasypów i wykopów.
Samoczynne ruchy mas gruntu na zboczach i skarpach zwane osuwiskami uważa się za
jeden z istotnych procesów w inżynierii geotechnicznej. Utrata stateczności skarp i zboczy,
będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia
wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły
powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie :
• sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy,
• sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem
się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza .
Przyczyny powstawania osuwisk :
• układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza,
• rozmycie lub podkopanie zbocza,
• niekontrolowane dociążenie naziomu,
• nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych,
• wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu,
• napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne
powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie,
• nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie
gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie,
• zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie,
• istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach,
• drgania wywołane np. ruchem drogowym,
• sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez
infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów,
• przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy
spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy,
• cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji
wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie,
• wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu,
• niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu.
Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych
przyczyn.
Na zboczach i skarpach mogą występować następujące rodzaje przemieszczeń mas
gruntowych
• spełzywanie,
• spływy,
• obrywanie,
• zsuwy i osuwiska
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Problem zabezpieczenia przed osuwiskami można rozpatrywać w dwóch różnych stanach :
• gdy osuwisko się uaktywniło,
• osuwisko nie jest aktywne, ale potencjalnie możliwe.
W pierwszym przypadku problem jest oczywisty, natomiast w drugim przypadku konieczna
jest ocena stanu zagrożenia.
Można się posłużyć współczynnikiem stanu równowagi F, obliczanym ze wzoru:
𝐹=
𝛴𝑈%
𝛴𝑍%
gdzie:
U1 – uogólnione siły utrzymujące, wywołane tarciem i spójnością materiału,
Z1 – uogólnione siły zsuwające wywołane siłami grawitacji, siłami filtracji oraz obciążeniami
zewnętrznymi.
Ze względu na postać powierzchni poślizgu można wyróżnić :
1. Przypadki predysponowane budową geologiczną, gdy powierzchnia poślizgu jest w
zasadzie ustalona i obliczenia można prowadzić wg tej określonej powierzchni,
2. brak jest predyspozycji, a ze względu na jednorodność gruntów budujących masywy
zbocza lub podobieństwa cech wytrzymałościowych gruntów, analizę stateczności
prowadzi się metodami, z których oblicza się najniekorzystniejszą kołowo –
cylindryczną powierzchnię poślizgu.
Obliczenie stateczności zboczy i skarp w przypadku możliwości przyjęcia założenia płaskiego
stanu odkształceń sprowadza się do sprawdzenia warunku równowagi rzutów sił i przybiera
postać nierówności, w której siła utrzymująca (T) powinna być większa od siły zsuwającej
(S).
Przy ustalaniu stateczności skarpy posługujemy się współczynnikiem stanu równowagi Fs.
𝐹' =
𝑠𝑖ł𝑦𝑢𝑡𝑟𝑧𝑦𝑚𝑢𝑗ą𝑐𝑒
𝑠𝑖ł𝑦𝑝𝑜𝑤𝑜𝑑𝑢𝑗ą𝑐𝑒𝑜𝑠𝑢𝑛𝑖ę𝑐𝑖𝑒
Rys.1. Stateczność skarpy w gruncie niespoistym bez obciążenia naziomu.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W warunkach równowagi granicznej przy βmax. możemy zapisać:
S=T
tgβmax = tgØ
czyli maksymalny kąt nachylenia skarpy w gruncie niespoistym równy jest kątowi tarcia
wewnętrznego gruntu budującego skarpę.
W zależności od kąta nachylenia płaszczyzny osłabienia w stosunku do płaszczyzny stoku i
kąta tarcia rozpatrywać można różne przypadki.
Mechanizmy przemieszczania mas skalnych i zasady obliczeń stateczności w różnych
przypadkach budowy geologicznej można uporządkować następująco:
1. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od
układów warstwowych i parametrów wytrzymałościowych tych układów; należy
niezależnie rozpatrywać stateczność zbocza dla obu układów powierzchni osłabienia
zbocza – kontaktów warstw i kontaktów szczelin,
2. jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od
orientacji szczelin poprzecznych i wytrzymałości na ścinanie wzdłuż tych płaszczyzn ,
3. mechanizmy zsuwania i obrotu odbywających się łącznie należy rozpatrywać, jak w
przypadkach dla gruntów nieskalistych.
Przy niezbyt wysokich zboczach, tzn. niedużych wartościach naprężeń normalnych, można
założyć, że kąt tarcia wewnętrznego masywu skalnego jest równy kątowi tarcia na
płaszczyznach spękań lub płaszczyznach kontaktów warstw. W przypadku ogólnym wartość
kąta tarcia wewnętrznego masywu skalnego zależy od :
• szorstkości szczelin,
• rozstawu szczelin,
• ciągłości szczelin,
• wytrzymałości materiału, z którego zbudowany jest masyw,
• rozwarcia i wypełnienia szczelin.
Wartości kąta tarcia i spójności określa się najczęściej w badaniach bezpośredniego ścinania
w terenie lub w laboratorium.
Gdy budowa geologiczna nie pozwala na przyjęcie płaskiej powierzchni poślizgu obliczenia
należy prowadzić przyjmując wynikający z pomiarów model budowy.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze:
Przykład (wg Z. Wiłun):
Wysokość pionowego odcinka:
Z nomogramu (Rys.2) dla z’ i ΦF otrzymuje się x’ = 15,2 m
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys.2. Nomogram wg Sokołowskiego.[1]
Zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 15 na masyw potencjalnego osuwiska w
ogólnym przypadku działają trzy siły, a mianowicie:
Q – wypadkowa sił pochodzących od ciężaru gruntu, od obciążeń zewnętrznych i ciśnienia
spływowego,
P – wypadkowa reakcji podłoża na powierzchni poślizgu,
S – wypadkowa sił oporu tarcia i spójności, działających wzdłuż powierzchni poślizgu.
Rys.3. Uogólnione siły działające na masyw osuwiska [1].
Z analizy stosowanych w praktyce metod obliczeniowych wynika, że każda z nich niezależnie
od przyjętego modelu ośrodka gruntowego, mechanizmu osuwiska i sposobu rozwiązania,
sprowadza się do wyznaczenia tych sił i określenia wynikającego stąd zapasu bezpieczeństwa
w zboczu.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Takie podejście daje zadowalające wyniki przy rozwiązywaniu większości problemów
inżynierskich, tym niemniej należy liczyć się z przypadkami, w których zastosowanie
konwencjonalnych metod obliczeniowych może prowadzić do istotnych błędów i stanowić
zagrożenie stateczności zbocza. Specjalnego potraktowania w analizie stateczności zboczy
wymaga między innymi, zjawisko postępującego niszczenia zbocza i wpływ drgań
sejsmicznych.
Postępujące niszczenie może rozwinąć się w zboczach zbudowanych z prekonsolidowanych
lub spękanych iłów, jak również w tych zboczach gdzie istnieją powierzchnie osłabienia,
będące pozostałością dawnych ruchów osuwiskowych. W takich przypadkach stwierdzono
powstawanie osuwisk, mimo to że analiza stateczności wykazała istnienie odpowiedniego
zapasu bezpieczeństwa.
W zależności od wartości współczynnika F wystąpienie osuwiska można uznać za :
• bardzo mało prawdopodobne
- F > 1,5 ,
• mało prawdopodobne
- 1,3 F ≤ 1,5,
• prawdopodobne
- 1,0 F ≤ 1,3,
• bardzo prawdopodobne
- F < 1,0.
Należy w tym miejscu zaznaczyć, że obliczenia wartości współczynnika F są obarczone
licznymi błędami począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża, ich właściwości fizyko
– mechanicznych, zastosowanych współczynników redukcyjnych i materiałowych i przyjętej
metody obliczeń kończąc.
Wartości współczynników stateczności zboczy i skarp powinny być większe od 1,5. Dla
takiej wartości F określa się na etapie projektowania zasięg potencjalnej powierzchni poślizgu
na koronie drogi. W zależności od posiadanego oprogramowania i od rodzaju
uwzględnianych sił oraz sprawdzanych warunków równowagi stosuje się następujące metody:
•
•
•
•
•
Feleniusa – nie uwzględnia sił między paskami.
Wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów, przyjmuje
powierzchnię poślizgu kołowo – cylindryczną,
Bishopa – uwzględnia pionowe i poziome oddziaływanie sąsiednich pasków.
Również wykorzystuje tylko warunek równowagi momentów,
powierzchnia poślizgu kołowo – cylindryczna,
Nonveillera - uwzględnia oddziaływania międzypaskowe.
Korzysta z warunków równowagi momentów, umożliwia obliczenia
przy dowolnej powierzchni poślizgu,
Janbu – uwzględnia oddziaływania międzypaskowe .
Warunek równowagi opiera się na sumie rzutów sił na oś poziomą,
umożliwia obliczenia dla dowolnego kształtu powierzchni poślizgu,
Morgensterna-Price’a – w równowadze pojedynczych pasków uwzględnia siły
poziome i pionowe.
Korzysta z warunków na sumę momentów i sil poziomych,
umożliwia obliczenie dla dowolnej powierzchni poślizgu.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
•
Barera-Garbera, Spencera – korzysta z trzech warunków równowagi.
Jest więc pierwszą do końca poprawną pod względem statyki metodą
analizy stateczności zboczy, umożliwia obliczenia dowolnej
powierzchni poślizgu.
Pomijając metodę Felleniusa stosowanie pozostałych metod powinno być co najmniej
dublowane dla wyeliminowania nałożenia się różnych błędów i stwierdzenia zbieżności
wyników obliczeń.
W trakcie wykonywania wykopów o skarpach niepodpartych narażeni jesteśmy na
niekorzystnie działające zjawiska geofiltracyjne.
W przypadku gdy rozpoznanie podłoża jest przeprowadzone w stopniu niedostatecznym i
pominięto zarówno pomiar zwierciadła wody gruntowej nawierconej i ustabilizowanej, w
projektach pojawiają się rozwiązania z tzw. błędem systematycznym.
W wyniku tego typu działań, późniejsze skarpy wykopów ulegają zsuwom, spływom i
deformacjom kształtu. Szczególnie przy przecięciu warstwy wodonośnej.
Literatura
1. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ, Warszawa 1982 r.
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl