Podstawowe aspekty stateczności 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.
Rys.1. Schemat osuwiska (wg PIG - 2008).
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.
Fot. 1. Osuwiska na skarpach drogowych
Współczynnik stanu równowagi F obliczamy ze wzoru :
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 :
przypadki predysponowane budową geologiczną, gdy powierzchnia poślizgu jest w zasadzie ustalona i obliczenia można prowadzić wg tej określonej powierzchni, 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.Algorytmy obliczeń metodami równowagi sił mogą ustalić w różny sposób zapas współczynnika stateczności. Może on być przedstawiony w postaci stosunku:
tangensa kąta tarcia wewnętrznego do tangensa kąta tarcia zmobilizowanego:
Możliwe są również inne definicje wskaźnika stanu równowagi. Z licznych istniejących w literaturze algorytmów w praktyce stosuje się tylko kilka. Jest oczywiste, że wykonanie obliczeń przy tym samym modelu obliczeniowym różnymi metodami, których rezultatem jest wartość tak czy inaczej zdefiniowanego wskaźnika stanu równowagi, daje różne wyniki. W stateczności zboczy skalnych, oprócz czynników zawsze występujących w analizie stateczności, występują jeszcze czynniki specyficzne, przy czym najistotniejszym jest orientacja powierzchni nieciągłości warstw, lub innych powierzchni osłabienia – uskoków i spękań międzywarstwowych – w stosunku do kierunków obciążeń. Mechanizm zniszczenia zbocza jest zatem funkcją wzajemnej orientacji powierzchni osłabienia i obciążeń, wynikających z kształtu zbocza. Efektem przedstawionej sytuacji jest zawsze powstawanie zsuwu. 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.
Rys.2. Stateczność skarpy w gruncie niespoistym bez obciążenia naziomu.
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:
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, jeśli warstwy zapadają się w kierunku zbocza, stateczność zbocza zależy wyłącznie od orientacji szczelin poprzecznych i wytrzymałości na ścinanie wzdłuż tych płaszczyzn , 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. W przypadku gruntów spoistych określenie bezpiecznego nachylenia skarp jest trudniejsze:
Przykład (wg Z. Wiłun):
Wysokość pionowego odcinka:
Z nomogramu (Rys.3) dla z’ i ΦF otrzymuje się x’ = 15,2 m
Rys.3. Nomogram wg Sokołowskiego.[28]
Zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.4 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.4. Uogólnione siły działające na masyw osuwiska
Rys. 5. Wyniki obliczeń stateczności uwarstwionego zbocza z wypływającą wodą gruntową u podstawy zbocza – met. Bishopa
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. 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.
Rys. 6. Analiza stateczności zbocza do planowanej zabudowy powierzchni naziomu
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 1,3. 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. 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.
Wykopy komunikacyjne W zależności od głębokości oraz kąta nachylenia ścian wykop jest wykonywany ze skarpami lub w obudowie. Obudowa wykopu może być usunięta po zakończeniu robót w wykopie (obudowa tymczasowa) lub pozostawiona w gruncie (obudowa trwała). Pochylenie skarp wykopu zgodnie z Rozporządzeniem (Dz.U. nr 43) powinno wynosić:
dla dróg klasy A i S - 1:3, gdy wysokość skarpy wykopu nie przekracza 1 m, 1:2 przy wysokości od 1 do 2 m lub 1:1,5, gdy wysokość skarpy wykopu wynosi więcej niż 2 m do 8 m, dla dróg klasy GP i niższych — 1:1,5.Pochylenie skarp wykopu może zostać zmniejszone, gdy nie występuje żaden z poniższych przypadków):
skarpa wykopu ma wysokość większą niż 8 m, skarpa wykopu ma wysokość większą niż 6 m, a zbocze ma pochylenie nie większe niż 1:3, wykop jest wykonany w gruncie wymagającym szczególnych procedur technicznych i technologicznych.W razie występowania któregoś z powyższych przypadków pochylenie skarpy i konstrukcja urządzeń wzmacniających powinna być ustalona na podstawie obliczeń stateczności. Skarpy podtorza linii kolejowej w wykopie powinny mieć nachylenie zapewniające ich stateczność. W przypadku podtorzy kolejowych biegnących w przekopach o głębokości przekraczającej 5 m stosuje się łagodniejsze nachylenie w dolnych partiach skarpy lub odsadzki. Podłoże gruntowe wykopów powinno posiadać zagęszczenie zgodne z wymaganiami normy PN-S-02205:1998 (rys.7).
Tab.1. Typowe nachylenia skarp podtorza w wykopie
Pozostało jeszcze 90% tekstu