Problematyka stateczności skarp głębokich wykopów

Piotr Jermołowicz, Inżynieria Środowiska Szczecin
Problematyka stateczności skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów.
Stateczność zboczy lub skarp wykopów i nasypów uzależniona jest każdorazowo od
pewnej nadwyżki wytrzymałości gruntu na ścinanie nad siłami ścinającymi. Niejednorodność
ośrodków gruntowych, niekorzystne pochylenia warstw, układ zwierciadła wody gruntowej i
siły hydrodynamiczne z tym związane, zmienny udział facji litologicznych, olbrzymi rozrzut
parametrów fizyko-mechanicznych nawet w poszczególnych warstwach w podłożu oraz
dysypacja ciśnienia wody w porach gruntu, sprawiają, że problemy stateczności skarp są
interdyscyplinarne i z reguły wykraczają poza ogólnie przyjęte schematy.
Biorąc powyższe pod uwagę nie dziwi nikogo fakt, że pomimo olbrzymiej ilości
przeprowadzonych badań, brak jest do dzisiaj pełnej teorii, którą z powodzeniem można by
zastosować do analizy stateczności.
Przyczynia się do tego również trudność określenia stanu naprężenia i odkształcenia w ujęciu
rachunkowym. Należy podkreślić, że obliczenia wartości współczynnika stateczności F są
obarczone licznymi błędami począwszy od złego rozpoznania gruntów podłoża i wyznaczania
parametrów efektywnych, zastosowania współczynników redukcyjnych, materiałowych, a na
przyjętej metodzie obliczeń kończąc.
Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na stateczność skarp są:
•! nadanie odpowiedniego kąta nachylenia, co uzależnione jest od rodzaju gruntów
zalegających i ich stopnia wilgotności,
•! istnienia określonego zwierciadła wody gruntowej,
•! wody opadowe i zabezpieczenia przed ich erozyjnością,
•! zmienność temperatur otoczenia – wysychanie, skurcz, działanie mrozu,
•! obciążenie naziomu i
•! wibracje związane z ruchem lub robotami ziemnymi.
Rys. 1. Podstawowe schematy naruszenia równowagi skarp – osuwisko, zsuw i spływ.
1.! Dokumentowanie geotechniczne i geologiczno-inżynierskie.
Wszystkie ostatnio dokonane działania związane ze zmianami legislacyjnymi w zakresie
geotechniki są podporządkowane pełnemu wdrożeniu normy PN-EN 1997 (- 1 i – 2).
Począwszy od 2011 roku regulacjom prawnym poddano praktycznie cały proces
rozpoznania podłoża i przygotowania inwestycji na podstawie projektowania
1
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
geotechnicznego. Zgodnie z zapisami Rozporządzenia MTB i GM w sprawie ustalania
geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych z dn. 25.04.2012 roku
(Dz. U. z 2012 r., poz. 463), w zależności od przyjętej kategorii geotechnicznej wykonuje
się badania geotechniczne i sporządza w formie:
•! opinii geotechnicznej, dokumentacji badań podłoża gruntowego i dokumentacji
geologiczno-inżynierskiej ( zgodnie z zapisami Ustawy – Prawo geologiczne i
górnicze z 09.06.2011 r.)
2.! Kategorie geotechniczne a skarpy wykopów i nasypów.
Norma PN-EN 1997 ( - 1 i – 2 ) wydziela kategorie geotechniczne w zależności od
stopnia skomplikownia warunków gruntowych i możliwości potencjalnego zniszczenia
konstrukcji.
Do kategorii I przypisuje się :
•! skarpy wykopów do 1,5 m wysokości (nienawodnione),
•! skarpy nasypów do 3,0 m,
•! zbocza z gruntów sypkich lub spoistych, bez śladów osuwisk, do 6,0 m
(niezabudowane),
•! zbocza skalne i zwietrzelinowe, płaskie i łagodnie nachylone bez śladów aktywności
osuwiskowej.
W przypadku I kategorii geotechnicznej można projektować stateczność na podstawie
przepisów lub doświadczenia.
Kategoria II obejmuje:
•! ściany oporowe i inne konstrukcje utrzymujące grunt lub wodę,
•! wykopy,
•! nasypy i inne budowle ziemne.
Dla II kategorii geotechnicznej należy w badaniach uzyskać dane ilościowe o parametrach
wytrzymałościowych i sprawdzić stateczność metodą obliczeniową.
Kategoria III obejmuje konstrukcje:
•! narażone na nadzwyczajne ryzyko w wyjątkowych, trudnych warunkach gruntowych
lub obciążeniowych,
•! na obszarach, gdzie z dużym prawdopodobieństwem może wystąpić niestateczność
terenu lub długotrwałe ruchy podłoża, które wymagają osobnych badań lub podjęcia
specjalnych zabiegów.
Metody obliczania wskaźnika stanu równowagi należy dobierać w zależności od warunków
geotechnicznych i rodzaju parametrów uzyskanych z badań.
Należy rozpatrzyć wszelkie możliwe stany graniczne danego przypadku oraz spełnić
wymaganie stateczności, ograniczenia odkształceń, trwałości i niewymuszania przemieszczeń
sąsiednich budowli lub instalacji.
2
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Stany graniczne, które należy rozpatrzyć, to:
•! utrata stateczności ogólnej podłoża i budowli zlokalizowanych na nim,
•! nadmierne przemieszczenia w podłożu spowodowane odkształceniami od ścinania,
osiadania, pełzania i drgań,
•! zniszczenie lub utrata warunków stanu użytkowania sąsiednich obiektów, dróg lub
budowli, spowodowane przemieszczeniami podłoża.
Przy doborze oddziaływań do obliczeń stateczności należy wziąć pod uwagę skutki
okoliczności takich, jak:
•! procesy budowlane,
•! nowe wykopy lub konstrukcje, na terenie lub obok stoku,
•! istniejące lub wcześniejsze ruchy podłoża spowodowane różnymi przyczynami,
•! drgania,
•! zmiany klimatyczne, w tym wahania temperatur (zamarzanie i rozmarzanie), susze
i ulewy,
•! wpływ roślinności,
•! działalność człowieka lub zwierząt,
•! zmiany wilgotności gruntów lub ciśnienia wody w porach.
W stanach granicznych nośności, obliczeniowe poziomy wody powierzchniowej i wód
gruntowych lub ich kombinacje powinny być ustalone na podstawie danych hydrologicznych
i obserwacji w otworach rurowanych.
3.! Znaczenie badań „in situ”
W obowiązującym Rozporządzeniu MTBiGM z 25.04.2012 r. kluczowym punktem jest
pojęcie kategorii geotechnicznej i z tym związanych dalszych zapisów.
Ze względu na zapis w § 9 Rozporządzenia mówiący, iż badania i dokumentacja mają być
zgodne z Eurokodem 7, to badania terenowe i pobieranie próbek gruntów do badań
laboratoryjnych powinny odpowiadać odpowiednim klasom jakości, czyli od A1 do C5,
w zależności od rozpatrywanego parametru fizyko-mechanicznego gruntów.
Tym samym problem odpowiedniego pobierania prób o przelocie ciągłym (rdzeniowy)
dotyczy większości opracowań. Należy zwrócić szczególną uwagę na jakość robót
geologicznych z uwagi na warunki glacitektoniczne panujące na rozpatrywanym terenie.
Chcąc ustrzec się od typowej praktyki geotechnicznej, gdzie nadal (nieprawnie) parametry
gruntów są odczytywane z tablic lub są badane na próbkach dostarczanych w woreczkach z
naruszoną strukturą i wilgotnością, należy tym bardziej podkreślać ten problem.
Przed przystąpieniem do projektowania skarp wykopów i nasypów należy zaplanować i
dobrze rozpoznać rodzaj i stan podłoża gruntowego. Badania podłoża powinny obejmować
badania polowe z wierceniami, sondowaniem ( minimum CPTU) i dołami próbnymi z
pobieraniem prób gruntów o nienaruszonej strukturze (A1) oraz laboratoryjne.
Dla stanu budowlanego ustala się wytrzymałość podłoża, która jest definiowana poprzez
wytrzymałość na ścinanie bez odpływu wody ( Øu , Cu).
3
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Natomiast dla wszystkich innych działań i dla stanu użytkowania obiektu w obliczeniach
stateczności stosuje się parametry efektywne gruntu (Ø’ i C’) odnoszące się do wytrzymałości
szkieletu gruntowego.
Należy pamiętać, że grunt jest materiałem bardzo niejednorodnym, a jego właściwości
opisywane parametrami mają charakter losowy.
W tym stanie rzeczy identyfikacja warstw gruntowych i określenie ich właściwości dla
potrzeb projektowania statecznych skarp staje się zadaniem bardzo złożonym.
Każda pomyłka w interpretacji wartości obliczeniowych lub nie wychwycenie istnienia
powierzchni zlustrzeń może skutkować błędem systematycznym (narastającym) w kolejnych
fazach obliczeń i doprowadzić do osunięcia się skarpy lub jej zsuwu.
Także zakładanie powierzchni poślizgu o określonym kształcie i przebiegu w istniejącym
układzie warstw gruntowych może być przyczyną powstania bardzo poważnych następstw w
trakcie realizacji robót ziemnych.
Z reguły powierzchnie poślizgu uzależnione są od istniejących warunków gruntowowodnych, a zaniedbania i brak dokładnego rozpoznania kończy się dodatkowymi kosztami i
sporami na budowie.
Najczęściej do analiz przyjmuje się :
•! płaszczyzny poślizgu w formie zbliżonej do klina odłamu,
•! walcowe powierzchnie poślizgu oraz
•! złożone kształty powierzchni poślizgu.
Rzadziej rozpatrywane są obsunięcia górnej przypowierzchniowej warstwy gruntu zbliżone
do równoległego zsuwu terenu.
Rys.2. Kształty powierzchni poślizgu.
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,
4
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
•! 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.
•! 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 narażeni jesteśmy również na niekorzystnie działające
zjawiska geofiltracyjne.
Rys.3. Uogólnione siły działające na masyw osuwiska.
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.
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.
5
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys.4. Hydrodynamiczna siatka filtracji w skarpie.
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.
Tak też ruch wody w gruncie może spowodować duże zmiany w jego strukturze, a w
następstwie doprowadzić do zmian właściwości fizyko-mechanicznych i utraty stateczności
skarp.
4.! Podstawowe przyczyny utraty stateczności skarp
Zarówno sposób i dokładność rozpoznania podłoża, projektowanie i późniejsze
wykonawstwo mają wpływ na stateczność wykonywanych skarp głębokich wykopów i
wysokich nasypów.
Pojawiające się błędy na każdym etapie w konsekwencji całego procesu inwestycyjnego
nakładają się i walnie przyczyniają się do zsuwów i osuwisk, a w przypadku braku
jakiegokolwiek drenażu lub przeciwdziałania spływom powierzchniowym wody opadowej
nawet do spływania skarp.
Do podstawowych przyczyn utraty stateczności skarp na podstawie analizy wielu projektów i
analiz z tym związanych można zaliczyć:
•! układ warstw gruntowych równoległy do kształtu przekopu,
•! niekontrolowane obciążenie naziomu lub korony nasypu,
•! dopuszczanie do spływu wód po skarpie przy braku drenaży opaskowych i przeciw –
spadku na koronie,
•! rozmycie lub nadmierne podkopanie podstawy skarpy w wykopie,
•! wypór wody i ciśnienie spływowe w skarpie wykopu,
•! napór wody z przebiciem hydraulicznym w dnie wykopu przy braku pomiarów
zwierciadła wody gruntowej ustabilizowanego,
•! zmniejszenie wytrzymałości gruntów na ścinanie poprzez nawodnienie lub
upłynnienie w konsekwencji drgań od np. ruchu pojazdów,
•! nie zinwentaryzowanie w trakcie badań podłoża potencjalnych powierzchni poślizgu
(zlustrzeń) np. w iłach,
•! sufozja przy braku warstw filtrów odwrotnych lub braku przeciwdziałania
swobodnemu wpływowi wody ze skarp wykopów,
6
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
•! wyparcie gruntu podłoża po nadmiernym obciążeniu nasypem,
•! niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub zasypu dla określonego
układu gruntowego,
•! cykliczność przemarzania i odmarzania gruntów nawodnionych w rejonach
szczególnie położonych krzywych poślizgu.
Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wyżej wymienionych
przyczyn.
Fot.1. Proces osunięcia skarpy wywołany ciśnieniem spływowym.
Fot.2. Osuwisko powstałe na skutek nawodnienia gruntów w nasypie.
Dla zobrazowania treści tego artykułu przedstawiam prosty przykład obliczeniowy dotyczący
sprawdzenia stateczności projektowanej skarpy.
7
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Przykład liczbowy [5] :
!
!
a. Obliczenie współczynnika bezpieczeństwa skarpy bez zbrojenia geosyntetykami
b. Obliczenie współczynnika bezpieczeństwa skarpy z geosyntetykiem o dopuszczalnej
wytrzymałości na rozciąganie Fk = 40 kN/m (sumaryczny współczynnik redukcji = 3 )
c. Obliczenie współczynnika bezpieczeństwa z 10 warstwami tego samego materiału
umieszczonymi w rozstawie co 1m licząc od podstawy nasypu w górę. Przyjęto, że zakotwienie
geosyntetyków jest wystarczające aby zmobilizować pełną wytrzymałość na rozciąganie.
We wszystkich 3 podpunktach przykładu potrzebne będą następujące dane :
Wabed = 60 x 19 = 1140 kN/m
Wdefg = 55 x 20 = 1100 kN/m
Lad = 2 x 21 x Π (34/360 ) = 12,5 m
Ldf = 2 x 21 x Π ( 70/360 ) = 25,7 m
a.! Skarpa bez zbrojenia geosyntetykami :
f
s
=
(c ⋅ L + c ⋅ L )⋅ R (15 ⋅12,5 + 18 ⋅ 25,7)⋅ 21 13650
=
=
= 0,96 << 1,5
ad
r
W
abed
p
df
⋅12,5 + W defg ⋅ 0
1140 ⋅12,5
14250
warunek nie spełniony
8
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
b.! Skarpa z geosyntetykiem wzdłuż powierzchni ed przy odpowiednim zakotwieniu za
punktem d :
f
s
=
13550 + 40 ⋅ 17
= 1,01 << 1,5
14250
warunek nie spełniony
c.! Skarpa z 10 warstwami geosyntetyków w rozstawie co 1m od powierzchni ed w górę, z
których wszystkie mają odpowiednie zakotwienie za powierzchnią poślizgu :
f
s
=
13550 + 40 ⋅ (17 + 16 + 15 + ... + 9 + 8)
= 1,31
14250
warunkowo spełniony.
Podsumowanie
Przy ustalaniu bezpiecznego pochylenia skarp wykopów lub nasypów obiektów
komunikacyjnych należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
•! rodzaj gruntów, w których wykonywana będzie skarpa i warunki wodne,
•! wielkość przewidywanych obciążeń w sąsiedztwie skarpy, zarówno statycznych jak i
dynamicznych!
•! przewidywany czas użytkowania obiektu i zmienność warunków atmosferycznych,
•! skutki ewentualnej utraty stateczności skarp.
Braki w tego typu analizach skutkują wielokrotnymi zsuwami i osuwiskami skarp,
niejednokrotnie w tych samych miejscach.
Pamiętajmy, że zaniedbania na etapie projektowo-wykonawczym zawsze pociągają za sobą
skutki finansowe.
Rysunki i foto – autor.
Piśmiennictwo:
1.! PN-EN 1997-1:2004 Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne – Część 1: zasady
ogólne,
2.! PN-EN 1997-2: 2007. Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne – Część 2:
Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego,
3.! Instrukcja ITB Nr 424/2011 : Ocena stateczności skarp i zboczy. Zasady wyboru
zabezpieczeń.
4.! Jermołowicz P.: Osuwiska – sposoby określania zasięgu, obliczanie stateczności i
sposoby zabezpieczeń. POIIB – szkolenie 2012 r.
5.! Koerner R.M. Designing with geosynthetics, (Fifth edition) Prentice Hall 2005
9
Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl