Stateczność skarp wykopów i nasypów  pod obciążeniem statycznym i dynamicznym różni się diametralnie. Wpływ obciążeń dynamicznych może zmienić wytrzymałość statyczną nawet o około 30 % na niekorzyść. Dlatego też problem właściwego zabezpieczenia skarp nasypów i wykopów nabiera szczególnego znaczenia w przypadku poddania ich obciążeniom dynamicznym (cyklicznym). 

Rys. 1.  Obliczenie stateczności skarpy nasypu drogowego z obciążeniem dynamicznym

Geotechniczna prognoza zjawisk w podłożu, to inaczej wstępne przewidywanie oceny współpracy obiektu budowlanego z podłożem, uwzględniające zmiany w podłożu, jakie mogą powstać wskutek wykonywania i eksploatacji obiektu (PN-B-02479:1998). W niektórych źródłach literaturowych obciążenie dynamiczne pochodzące od:

ruchu kolejowego, drogowego, pracy sprzętu budowlanego, zwłaszcza z efektem wibracyjnym (płyty, żaby i walce), maszyn (młoty, prasy), eksplozje, wybuchy,

nazywa się również parasejsmicznym. Ogólnie z czynników wpływających na stateczność zboczy należy wymienić:

zdarzenia kolizyjne obciążenie statyczne – ciężarem własnym i obciążeniem zewnętrznym, obciążenie dynamiczne – drgania spowodowane ruchem pojazdów, wstrząsy wywołane robotami strzałowymi, wbijaniem pali, pracą maszyn, zagęszczaniem dynamicznym (udarowym), wpływ wody – wsiąkanie wód opadowych, powstanie ciśnienia hydrostatycznego   w porach, działanie wód podziemnych, a w szczególności ciśnienia spływowego, falowania, erozja, czynniki tektoniczne – powolne ruchy skorupy ziemskiej, trzęsienia ziemi, wpływ temperatury – wysychanie, skurcz, działanie mrozu, wpływ wiatru – deflacja i korozja, wpływy chemiczne – utlenianie, uwodnienia, redukcja, uwęglanie, działanie biologiczne zwierząt, roślin i bakterii.

Te różne czynniki uwzględnia się przez właściwe wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych, zastosowanie odpowiednich metod obliczeniowych oraz przyjęcie określonej wartości współczynnika bezpieczeństwa. Zgodnie z „EBGEO” obciążenia dynamiczne można podzielić i rozpatrywać zgodnie z poniższym schematem:

Rys. 2. Schemat  wpływów dynamicznych w ośrodkach gruntowych 

 

Czas, w którym poziom naprężeń i odkształceń w gruncie zmienia się pod wpływem działania obciążenia można nazwać czasem działania obciążenia. Charakterystyka zmienności obciążenia w czasie może być różna - od bardzo szybkich zmian po zmiany wolne w czasie, a szybkość i poziom amplitud tych zmian wywołują różne zmiany w gruncie. Na rysunku 3 przedstawiono ogólną charakterystykę obciążeń dynamicznych działających na grunt w zależności od czasu działania i od szybkości zmian (częstotliwości zmian = liczby cykli zmian w jednostce czasu).

Rys.3.  Klasyfikacja obciążeń dynamicznych działających na grunt [29]

W większości przypadków przyjmuje się występowanie obciążeń cyklicznych (obciążeń harmonicznych). Jednak takie obciążenia jak wybuchy czy obciążenia udarowe nie można zaliczyć do obciążeń harmonicznych i powinny być rozpatrywane oddzielnie. Obciążenia dynamiczne wywołują różny poziom odkształceń w gruncie - od bardzo małych (10-6 do 10-4), dla których przyjmuje się liniowe związki konstytutywne, do dużych odkształceń (10-2 do 10-1), dla których przyjmowane są związki nieliniowe dużych odkształceń.

Ocena wpływów obciążeń dynamicznych nigdy nie powinna być intuicyjna. Dlatego też kontrola i monitoring jest procedurą, którą należy wdrażać na obiektach, których stateczność może być zagrożona.

 

1. Problematyka stateczności skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów w zależności od rodzaju obciążenia.

Niejednorodność ośrodków gruntowo-skalnych, niekorzystne pochylenia warstw, układ zwierciadła wód gruntowych, zaburzenia glacitektoniczne, zmienny udział frakcji litologicznych, olbrzymi rozrzut parametrów fizyko-mechanicznych nawet w poszczególnych warstwach w podłożu oraz dysypacja ciśnienia wody w porach gruntu sprawiają, że problemy stateczności zboczy i skarp są interdyscyplinarne i z reguły wykraczają poza ogólnie przyjęte schematy. Osuwiskiem nazywamy nagłe przemieszczenie się mas ziemnych, w tym mas skalnych podłoża i powierzchniowej zwietrzeliny spowodowane zjawiskami zachodzącymi w przyrodzie i okolicy, np.:

wzrostem wilgotności gruntów podłoża spowodowanym długotrwałymi i intensywnymi opadami lub roztopami,  budową geologiczną ,  działalnością człowieka ( podkopanie stoku lub jego znaczne obciążenie poprzez zabudowę), podcięcie stoku przez erozję , np. w dolinie rzecznej lub w zakolach, wibracje związane z robotami ziemnymi, ruchem ciężkich pojazdów, eksplozjami, trzęsienia ziemi.

Osuwisko jest to rodzaj ruchów masowych, polegający na przesuwaniu się materiału wzdłuż powierzchni poślizgu, połączone często z obrotem. Procesy te zachodzą pod wpływem siły ciężkości. Osuwiska są częste na obszarach, gdzie warstwy gruntów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych występują naprzemiennie. Prędkości mierzalne poszczególnych rodzajów ruchu zmieniają się w bardzo szerokim zakresie. Ruch może być niezauważalny ( pełznięcie ), ale może być także gwałtowny rzędu kilku km/ godz. Z podstawowych opisów i charakterystyki ruchów masowych, można wywnioskować, że ich występowanie uzależnione jest od budowy geologicznej, rzeźby terenu oraz warunków klimatycznych. 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 lub stoku, 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, robotami ziemnymi, wybuchami, 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.

 

Uwzględnienie obciążeń statycznych w analizie stateczności i nośności gruntów nie nastręcza większych problemów. Uwzględnienie natomiast obciążeń dynamicznych i działań sejsmicznych lub „parasejsmicznych” w mechanice gruntów nie odbywa się bez trudności. Z reguły do rozwiązywania tego typu zadań wykorzystuje się metody uproszczone. Umożliwiają one zastosowanie równomiernych współczynników sejsmicznych wewnątrz ośrodka gruntowego.  Zgodnie z przyjętymi podziałami obciążenie można podzielić na:

dynamiczne (o wysokiej częstotliwości), cykliczne ( o małej częstotliwości ≤ 1 ÷ 2 Hz) cykliczne ( o niskiej powtarzalności liczonej od mili sekund do kilku sekund)

Obciążenia dynamiczne w funkcji czasu można zobrazować na 4 nomogramach:

Pozostało jeszcze 90% tekstu