Архивно експертно съдържание и сериозен риск: статията запазва историческия разказ за стабилността на склона, символи, формули и диаграми от оригиналния текст. Това не е геотехническо проучване, проект за изкоп или насип, изчисляване на стабилността, дренажен план, оценка на свлачище или работни инструкции. Нестабилният наклон може внезапно да погребе хора, сгради и пътища; наблюдавани пукнатини, издутини, мътна вода, внезапно слягане или изместване трябва да се третират като причина за отдалечаване от опасната зона и спешна професионална оценка.
Саво Кусич днес се фокусира върху дървени прозорци, дърво-алуминиеви прозорци, прозорци по поръчка, врати и заявки за оферта. Тази статия остава като технически архив и не представлява оферта за геотехническо проектиране, надзор или изпълнение на земни работи.
За изградени земни конструкции като изрези, насипи и канали, крайните склонове понякога се срутват. И естественият склон, без изкуствени съоръжения, може да се движи внезапно и с голяма сила или много бавно. Тези явления отдавна са обект на геоложки и геомеханични изследвания, с цел да се оцени стабилността от физическите характеристики на почвата и условията на всеки отделен случай.
Причини за движение на земни маси
Условието за стабилност на всяка почва, независимо дали е изкуствен земен обект или естествена почва, е да има баланс между външните сили и вътрешното съпротивление на почвата. Външните сили са предимно собственото тегло на почвата, което обикновено е единствената външна сила, последвано от всяко друго външно натоварване, действащо върху наклона, постоянно или движещо се. Вътрешното съпротивление се състои от кохезия и триене в свързаната почва и само триене в несвързаната почва.
Фиг. 1. Наклон на насип от рохкава почва
Ако наблюдаваме насип с височина h, направен от напълно рохкава почва, например сух уплътнен пясък, ще определим, че наклонът на този насип е наклонен под ъгъл β спрямо хоризонталата (фиг. 1). Размерът на ъгъла β зависи от няколко фактора като размер на зърното, форма на зърното и уплътняване. Ако увеличим височината на насипа h до h1, h2 и т.н. със същия несвързан материал със същото уплътняване, ъгълът β няма да се промени, наклонът на насипа ще остане при същия наклон до неограничена височина h. За дадена рохкава почва естественият ъгъл на наклона β не зависи от височината на наклона h. Размерът на ъгъла β в рохкава почва зависи от ъгъла на вътрешното триене на почвата φ и се приема, че е малко по-малък от него или равен на него, β ≤ φ.
Фиг. 2. Рязане на наклон в кохезивна почва
Ако наблюдаваме срез, направен в свързана почва, ще открием, че наклонът на среза се поддържа под по-силен наклон 1:m, т.е. под по-голям ъгъл β поради факта, че вътрешното съпротивление на свързаната почва се увеличава от кохезията, която не съществува в сухия пясък (фиг. 2). В някои видове почви, като сух льос, кохезията може да увеличи вътрешното съпротивление до такава степен, че почвата да може да се държи с вертикално отрязана страна, т.е. под ъгъл β = 90°. Въпреки това, ако увеличим височината на рязане h в свързаната почва до h1, h2 и т.н., ъгълът на наклона на наклона на среза β трябва да бъде намален, за да се поддържа наклонът в стабилност. За всеки ъгъл на наклона β на наклона на среза в дадена ограничена почва има една критична височина hc. Ако превишим тази височина, наклонът AB няма да се поддържа в равновесие и той ще се плъзга върху плъзгаща се повърхност CD (фиг. 3). Хлъзгането е настъпило поради нарушаване на баланса между външната сила, собственото тегло на земната маса и вътрешното съпротивление, което вече не е достатъчно, за да се противопостави на повишената външна сила, т.е. на увеличената тежест на почвената маса, причинена от увеличаването на височината на откоса h.
Фиг. 3. Плъзгане на склонове в кохезивна почва
От горното следва, че ъгълът на естествения наклон на почвата не може да се приеме като постоянна величина за дадена почва, тъй като стойността му при всички други условия зависи от височината на откоса и намалява с нарастването на тази височина. Въпреки това, често се приема за склонове с малки височини като постоянна стойност, зависима от ъгъла на вътрешното триене на почвата φ.
Нарушение на равновесието може да възникне и без увеличаване на височината на рязане h, например когато вътрешното съпротивление на почвата намалее. Елементите на вътрешното съпротивление на свързаната почва, кохезията и триенето са силно променливи и зависят от количеството вода в почвата. Следователно в много случаи причината за плъзгането е пренасищането на свързаната с вода почва, което може да бъде толкова голямо, че почвата вече не може да се поддържа под никакъв наклон, а се плъзга поради собственото си тегло.
Фиг. 4. Плъзгане на почвата поради образуване на плъзгащи се повърхности
Има различни случаи на свличане на почвата поради намаляване на вътрешното съпротивление, от които ще споменем тук няколко характерни.
Обучение на плъзгащи се повърхности
Ако има непропусклив слой глина на склон под повърхностния слой на пропусклива почва (фиг. 4a), или ако има наклонен слой пясък в глинестия слой (фиг. 4b), в който може да достигне атмосферна или повърхностна вода (например от занемарен дренажен канал), могат да възникнат свлачища. По-голямо количество вода преминава през пропускливия слой към глинестия слой, който силно намокря, намалявайки съпротивлението му на повърхността, където горният слой се свлича.
Нарушаване на баланса чрез порязване
Нарязването на изрези по време на строителството на железопътни линии и пътища нарушава предишното състояние на баланс, тъй като в профила на изрязване почвата остава без опора и се стреми да се движи надолу поради гравитацията. Състояние на равновесие може да се поддържа, ако вътрешното съпротивление на почвата е достатъчно голямо, за да противодейства на тази тенденция, което също е възможно, когато изрязаната почва се състои от силно наклонени слоеве към среза.
Фиг. 5. Плъзгане на терена поради рязане в слоеста почва
Въпреки това, ако се изрежат слоеве от редуващи се непроницаема и пропусклива почва (фиг. 5), има възможност за излугване на пропускливата почва и намокряне на непроницаемата почва, върху което може да възникне приплъзване.
Нехомогенност на почвата
Тънки слоеве от непропусклив материал в насип, направен от пропусклива почва, така наречените глинени лещи (фиг. 6), също могат да причинят приплъзване, ако голямо количество вода достигне до тях и образува плъзгаща се повърхност.
Фиг. 6. Случай на свличане на насип поради нехомогенен състав
Ефект от замръзване
Под въздействието на замръзване водата се натрупва в повърхностния слой под формата на ледени лещи. По време на размразяването ледените лещи се превръщат във вода, която пренасища почвата до дълбочината на действие на замръзване, в резултат на което тя се превръща в течна маса и губи своята стабилност.
Този случай възниква само в опасна от замръзване почва и при по-голяма продължителност на замръзване, тъй като отнема много време за образуването на ледени лещи.
Понижаване нивото на подземните води
Когато нивото на подпочвените води е трайно понижено, например поради извършване на работа в земята, настъпва изсъхване на почвата и, ако е глина, която има голямо подуване, се появяват пукнатини. В тях навлизат по-големи количества повърхностни и атмосферни води, които намокрят почвата и намаляват вътрешното й съпротивление, което също може да доведе до свлачища.
Има и много други случаи на свличане на терена, така че може да се счита, че всяка кохерентна почва може при определени обстоятелства да загуби вътрешното си съпротивление в по-голяма или по-малка степен и под въздействието на външни сили да бъде приведена в движение.
Некохерентната почва е стабилна, докато ъгълът на наклона на склона е по-малък от ъгъла на вътрешното триене на почвата. При този тип почва хлъзгането се получава само ако ъгълът на наклона е по-голям от ъгъла на вътрешно триене. Въпреки това, ако насипът е направен от несвързан материал върху глинеста почва, глинестата почва може да се свлече и насипът да се срути и е необходимо да се провери стабилността.
Тестване на стабилността на земни склонове
Форма на плъзгаща се повърхност
Условието за баланс между външните сили и вътрешното съпротивление на почвата е зададено от Кулон с неговото уравнение
τ ≤ c + σ tgϕ
където τ е напрежението на срязване на почвата, c е кохезията, σ е нормалното напрежение върху плъзгащата се повърхност, ϕ е ъгълът на вътрешно триене.
Ако вътрешното съпротивление на почвата, кохезията c и триенето σ tgϕ не са достатъчни, за да се противопоставят на напрежението на срязване на почвата, възниква плъзгане върху плъзгаща се повърхност вътре в почвата. Има различни форми на плъзгащи се повърхности, които зависят от физичните свойства на почвата, наслояването, влажността, външните натоварвания и други фактори.
Следните типични случаи на приплъзване се различават според позицията:
Фиг. 7. Типични случаи на свлачища
a) Плъзгане на вертикалните страни на разреза. При канали за водоснабдяване, канализация и др., които се изкопават с вертикални страни (фиг. 7a), при превишаване на критичната височина hc, която зависи от физичните свойства на почвата, се получава плъзгане по повърхността ADC. Тези пързалки обикновено не са по цялата дължина на канала, а са локализирани, което се обяснява с неравномерната якост на срязване на почвата.
b) Частично приплъзване на наклона (фиг. 7b). Тези свличания често се появяват през пролетта по железопътни и пътни изрезки и са резултат от пренасищане на почвата с вода.
c) Наклон на склона през нощта (фиг. 7c). Това е плъзгането на целия наклон на изрезката или насипа към крака C.
d) Плъзгащ се наклон под краката (фиг. 7d). Това е свличане на целия откос на изкопа или насипа и почвата под основата. Това плъзгане се нарича още фрактура на подземния слой или шведска фрактура, на името на шведите, които първи го описват.
По отношение на формата на плъзгащата се повърхност, може да се твърди само, че плъзгащата се повърхност в свързаната почва не е права, а по-скоро извита повърхност. Някои автори приемат кръгова дъга (Fellenius), логаритмична спирала (Rendulić) или комбинация от тези извити линии (Brinch Hansen) като форма на плъзгащата се повърхност.
Ефект от филтрирането на водата върху стабилността на склона
Ако има външна вода с ниво N1 (фиг. 8) пред склона, водният поток възниква в почвата зад склона, което причинява вътрешното налягане на водата в порите, в резултат на което триенето между твърдите частици намалява и напрежението на срязване в почвата увеличава.
Ако нивото на водата N1 пред ската е постоянно, водният стълб H*γW предизвиква водно налягане в почвените пори, което намалява триенето между твърдите частици, в резултат на което се увеличава опасността от свличане на откоса. Въпреки това, когато нивото N1 е постоянно, налягането на водния стълб H*γW изтласква твърдите частици към вътрешността на почвата, поради което опасността от свличане на склона се намалява до известна степен. В този случай, при постоянно ниво на водата N1 пред склона, съществува опасност от свличане на склона надолу по течението, тъй като действието на филтрацията на водата в почвата води до изтласкване на твърди частици към външната страна на склона надолу по течението.
Фиг. 8. Ефектът на филтрацията върху стабилността на почвения наклон
Ако външното водно ниво спадне рязко от нивото на N1 до N2, тогава стабилността на склона нагоре по течението е застрашена. В този случай вътрешната вода тече в порите към външната страна на склона нагоре по течението, изтласквайки твърдите частици към тази страна.
Поради всичко това, ако почвеният наклон е потопен във вода, ефектът от филтрирането на водата също трябва да се вземе предвид при тестване на стабилността на наклона.
Ефектът от филтрирането на водата в почвата зависи от няколко фактора, най-важните от които са пропускливостта на почвата, хидростатичното налягане на външната вода, степента на спад на нивото на външната вода и хомогенността на почвата.
Ако приемем, че насипът на фиг. 8 с хомогенна изотропна маса, под въздействието на хидростатично налягане на външна вода от ниво N1, водата ще тече в порите на насипа в посока на склона надолу по течението, при което нивото на подземните води в насипа ще намалява с дължината на изминатия път. Ако въведем пиезометрични тръби AA’, BB’ и CC’ в насипа (фиг. 9), водата от порите под въздействието на хидростатично налягане ще навлезе в тези тръби и ще се издигне до нивото N1, което може да бъде еднакво във всички тръби, ако точките A, B и C са избрани така, че височините на водния стълб в тръбите са h1, h2 и h3.
Фиг. 9. Еквипотенциални и токови линии
Ако означим с h котата на нивото на водата N1 по отношение на произволно избрана равнина O-O, тогава потенциалът h за всички точки 3, A, B и C е един и същ. Линията, свързваща тези три точки, е еквипотенциалната линия. Подпочвените води в почвата не могат да текат по тази линия, а само в посока на точки с по-нисък потенциал.
По подобен начин можем да изберем в същата маса точките D, E и F с по-нисък потенциал h ― Δh. Линията, която свързва тези три точки, е еквипотенциалната линия на потенциала h ― Δh. Водният поток от точка A на еквипотенциалната линия ABC до някаква безкрайно близка точка D на еквипотенциалната линия DEF ще съществува в посоката на най-големия хидравличен спад imax, т.е. в посоката на най-малкото разстояние Δlmin = AD. Това означава, че линията AD, по която тече водата, е перпендикулярна на двете еквипотенциални линии, защото
imax = Δh / Δlmin
където Δlmin е нормално към двете еквипотенциални линии. Тези нормали към еквипотенциалните линии са посоките на водния поток в пропускливата маса и се наричат _текущи линии_. Общността от еквипотенциални и токови линии, взаимно перпендикулярни една на друга, образува поточна мрежа.
Проточните мрежи имат различни форми според масовата пропускливост. Най-често срещаният случай е насип, направен от пропусклива маса върху непропусклива почва, тоест върху почва, която може да бъде направена непропусклива (фиг. 10). В този случай, ако външното водно ниво е постоянно, токовите линии са в средната си част на параболата.
Фиг. 10. Проточна мрежа в пропусклив насип върху непропусклива почва
При наклона нагоре по течението параболите свързват линиите, перпендикулярни на наклона, което представлява еквипотенциалната линия, тъй като при постоянно ниво N1 водата не тече надолу по склона. При наклона надолу по течението параболите завършват тангенциално към наклона, който не е нито еквипотенциална линия, нито линия на тока. Повърхността на водонепропускливата почва под насипа е линия на поток, тъй като водата в дъното на насипа тече успоредно на тази повърхност. В горната част мрежата на потока завършва с основна парабола, наречена линия на просмукване, която представлява границата на почвата под действието на филтрация. Под тази граница почвата е под действието на филтрация поради хидростатичното налягане на външната вода H*γW, докато в почвата над нея филтрация няма. Линията на просмукване се нарича още линия на насищане, тъй като се приема, че почвата под нея е напълно наситена с вода, докато над нея е частично наситена.
Действителната оценка на наклона трябва да включва проучване, стратификация, якостни параметри, подпочвени и повърхностни води, промени в нивото, дренаж, сеизмични, фази на изкоп или обратно насипване, съседни структури и временни условия. Изкопни работи без подходяща защита и навлизане в зоната на възможно свлачище не са безопасни въз основа на общия текст или формата на самия склон.