Arhivski stručni sadržaj i ozbiljan rizik: članak čuva istorijski prikaz stabilnosti nagiba, simbole, formule i dijagrame iz originalnog teksta. To nije geotehnička studija, projekat iskopa ili nasipa, proračun stabilnosti, plan drenaže, procjena klizišta ili uputstvo za rad. Nestabilna padina može iznenada zatrpati ljude, zgrade i puteve; uočene pukotine, izbočine, mutna voda, iznenadno slijeganje ili pomjeranje treba tretirati kao razlog za udaljavanje iz opasne zone i hitnu stručnu procjenu.
Danas je Savo Kusić fokusiran na drvene prozore, drvo-aluminijum prozori, prilagođeni prozori, vrata i zahtjevi za ponudu. Ovaj članak ostaje tehnički arhiv i ne predstavlja ponudu geotehničkog projektovanja, nadzora ili izvođenja zemljanih radova.
Za izgrađene zemljane konstrukcije kao što su usjeci, nasipi i kanali, završne padine ponekad se urušavaju. A prirodna padina, bez umjetnih radova, može se kretati naglo i velikom snagom ili vrlo sporo. Ovi fenomeni su dugo bili predmet geoloških i geomehaničkih studija, s ciljem procjene stabilnosti na osnovu fizičkih karakteristika tla i uslova svakog pojedinačnog slučaja.
Uzroci kretanja zemaljskih masa
Uslov za stabilnost bilo kojeg tla, bilo da se radi o vještačkom zemljanom objektu ili prirodnom tlu, je da postoji ravnoteža između vanjskih sila i unutrašnjeg otpora tla. Vanjske sile su prvenstveno sopstvena težina tla, koja je obično jedina vanjska sila, praćena bilo kojim drugim vanjskim opterećenjem koje djeluje na padinu, trajno ili pokretno. Unutrašnji otpor se sastoji od kohezije i trenja u vezanom tlu i samo od trenja u nevezanom tlu.
Sl. 1. Nagib rastresitog nasipa zemlje
Ako posmatramo nasip visine h napravljen od potpuno rastresitog tla, na primjer suvog zbijenog pijeska, utvrdićemo da je kosina tog nasipa nagnuta pod uglom β prema horizontali (sl. 1). Veličina ugla β zavisi od nekoliko faktora kao što su veličina zrna, oblik zrna i zbijenost. Ako povećamo visinu nasipa h na h1, h2, itd. sa istim nevezanim materijalom iste zbijenosti, ugao β se neće promijeniti, nagib nasipa će ostati na istom nagibu do neograničene visine h. Za dato rastresito tlo, prirodni ugao nagiba β je nezavisan od visine nagiba h. Veličina ugla β u rastresitom tlu zavisi od ugla unutrašnjeg trenja tla φ i pretpostavlja se da je nešto manji od njega, ili jednak njemu, β ≤ φ.
Sl. 2. Nagib sečenja u kohezivnom tlu
Ako pogledamo usjek napravljen u vezanom tlu, vidjet ćemo da se nagib usjeka drži pod jačim nagibom1:m, odnosno pod većim uglom β zbog činjenice da se unutrašnji otpor vezanog tla povećava kohezijom, koja ne postoji u suhom pijesku (sl.2). Kod određenih vrsta tla, kao što je suhi les, kohezija može povećati unutrašnji otpor do te mjere da se tlo može držati okomito sječenom stranom, tj. pod kutom β =90°. Međutim, ako povećamo visinu rezanja h u vezanom tlu na h1, h2 itd., ugao nagiba iskosa reza β mora se smanjiti da bi se kosina održala u stabilnosti. Za svaki ugao nagiba β nagiba usjeka u datom omeđenom tlu postoji jedna kritična visina hc. Ako prekoračimo ovu visinu, nagib AB neće biti u ravnoteži i klizit će po kliznoj površini CD (sl.3). Do klizanja je došlo zbog poremećaja ravnoteže između vanjske sile, vlastite težine zemljine mase i unutrašnjeg otpora, koji više nije bio dovoljan da se suprotstavi povećanoj vanjskoj sili, odnosno povećanoj težini zemljišne mase uzrokovanoj povećanjem visine nagiba h.
Sl.3. Nagib usjeka u kohezivnom tlu
Iz navedenog proizilazi da se ugao prirodnog nagiba tla ne može usvojiti kao konstantna vrijednost za dato tlo, jer njegova vrijednost u svim ostalim uslovima zavisi od visine nagiba i opada sa povećanjem ove visine. Međutim, često se usvaja za kosine malih visina kao konstantna vrijednost, ovisno o kutu unutrašnjeg trenja tla φ.
Poremećaj ravnoteže može se pojaviti i bez povećanja visine rezanja h, na primjer kada se smanji unutrašnji otpor tla. Elementi unutrašnjeg otpora vezanog tla, kohezija i trenje, vrlo su varijabilni i zavisni od količine vode u tlu. Stoga je u mnogim slučajevima uzrok klizanja prezasićenost tla vezanog za vodu, koja može biti toliko velika da se tlo više ne može izdržavati ni pod kojim nagibom, već klizi zbog vlastite težine.
Sl. 4. Klizanje tla zbog formiranja kliznih površina
Postoje različiti slučajevi klizanja tla zbog smanjenja unutrašnjeg otpora, od kojih ćemo ovdje spomenuti nekoliko karakterističnih.
Edukacija kliznih površina
Ako na padini ispod površinskog sloja propusnog tla postoji nepropusni sloj gline (sl. 4a), ili ako u sloju gline postoji kosi sloj pijeska (sl. 4b), u koji atmosferska ili površinska voda može doprijeti (sl. može doći do klizišta. Veća količina vode prolazi kroz propusni sloj do glinenog sloja, koji on jako vlaži, smanjujući njegov otpor na površini, gdje gornji sloj klizi.
Poremećaj ravnoteže rezanjem
Sječenjem usjeka prilikom izgradnje željezničkih pruga i puteva narušava se prethodno stanje ravnoteže, jer u profilu usjeka tlo ostaje bez oslonca i teži da se pomjera naniže zbog gravitacije. Stanje ravnoteže može se održati ako je unutrašnji otpor tla dovoljno velik da suprotstavi ovu tendenciju, što je moguće i kada se posječeno tlo sastoji od jako nagnutih slojeva prema usjeku.
Sl. 5. Klizanje terena zbog usjecanja u slojevito tlo
Međutim, ako se preseku slojevi naizmjeničnog nepropusnog i propusnog tla (sl. 5), postoji mogućnost ispiranja propusnog tla i vlaženja nepropusnog tla, na kojem može doći do klizanja.
Nehomogenost tla
Tanki slojevi nepropusnog materijala u nasipu napravljenom od propusnog tla, takozvana glinena sočiva (sl. 6), također mogu uzrokovati klizanje ako do njih dođe velika količina vode i formira kliznu površinu.
Sl. 6. Slučaj klizanja nasipa zbog nehomogenog sastava
Efekat mraza
Pod dejstvom mraza, voda se akumulira u površinskom sloju u obliku ledenih sočiva. Tokom odmrzavanja, ledena sočiva se pretvaraju u vodu, koja prezasićenje tlo do dubine djelovanja mraza, zbog čega ono postaje tečna masa i gubi svoju stabilnost.
Ovaj slučaj se javlja samo na zemljištu opasnom od mraza i sa dužim trajanjem mraza, jer je potrebno dosta vremena za formiranje ledenih sočiva.
Snižavanje nivoa podzemne vode
Kada se nivo podzemne vode trajno snizi, na primjer zbog izvođenja radova u zemlji, dolazi do isušivanja tla i, ako se radi o glini koja ima veliko bubrenje, pojavljuju se pukotine. U njih ulaze veće količine površinske i atmosferske vode, vlažeći tlo i smanjujući njegov unutrašnji otpor, što može dovesti i do odrona.
Postoje i mnogi drugi slučajevi klizanja terena, pa se može smatrati da svako koherentno tlo pod određenim okolnostima može u većoj ili manjoj mjeri izgubiti unutrašnji otpor i pod utjecajem vanjskih sila pokrenuti se.
Nekoherentno tlo je stabilno sve dok je ugao nagiba padine manji od ugla unutrašnjeg trenja tla. Kod ove vrste tla do klizanja dolazi samo ako je ugao nagiba veći od ugla unutrašnjeg trenja. Međutim, ako je nasip napravljen od nevezanog materijala na glinovitom tlu, glineno tlo može kliziti i nasip se urušiti, te je potrebno provjeriti stabilnost.
Ispitivanje stabilnosti zemljanih kosina
Oblik klizne površine
Uslov ravnoteže između vanjskih sila i unutrašnjeg otpora tla postavio je Coulomb svojom jednačinom
τ ≤ c + σ tgϕ
gdje je τ posmično naprezanje tla, c je kohezija, σ je normalni napon na kliznoj površini, ϕ je ugao unutrašnjeg trenja.
Ako unutrašnji otpor tla, kohezija c i trenje σ tgϕ nisu dovoljni da se suprotstave posmičnom naprezanju tla, dolazi do klizanja na kliznoj površini unutar tla. Postoje različiti oblici kliznih površina, koji zavise od fizičkih svojstava tla, slojevitosti, vlažnosti, vanjskog opterećenja i drugih faktora.
Sljedeće tipične futrole se razlikuju u zavisnosti od položaja:
Sl. 7. Tipični slučajevi klizišta
a) Klizanje vertikalnih strana reza. U slučaju kanala za vodosnabdijevanje, kanalizaciju i sl., koji se kopaju sa vertikalnim stranicama (sl. 7a), ako se prekorači kritična visina hc, koja zavisi od fizičkih svojstava tla, dolazi do klizanja po površini ADC. Ova klizišta obično nisu duž cele dužine kanala, već su lokalizovana, što se objašnjava neujednačenom čvrstoćom tla na smicanje.
b) Parcijalni nagibi (sl. 7b). Ova klizanja se često pojavljuju u proljeće na željezničkim i putnim usjecima i rezultat su prezasićenosti tla vodom.
c) Proklizavanje na nagibu noću (sl. 7c). To je klizanje cijele padine usjeka ili nasipa do kraka C.
d) Padina klizna pod nogama (sl. 7d). To je klizanje cijele padine usjeka ili nasipa i tla ispod temelja. Ovaj tobogan se također naziva fraktura podloge ili švedska fraktura, po Šveđanima koji su ga prvi opisali.
Što se tiče oblika klizne površine, može se samo tvrditi da klizna površina u vezanom tlu nije ravna, već zakrivljena površina. Neki autori prihvataju kružni luk (Fellenius), logaritamsku spiralu (Rendulić) ili kombinaciju ovih zakrivljenih linija (Brinch Hansen) kao oblik klizne površine.
Utjecaj filtracije vode na stabilnost padine
Ako se ispred kosine nalazi vanjska voda sa nivoom N1 (sl. 8), dolazi do strujanja vode u tlu iza padine, što uzrokuje unutrašnji pritisak vode u porama, uslijed čega se trenje između čvrstih čestica smanjuje i napon u njoj se smanjuje. povećava.
Ako je nivo vode N1 ispred kosine konstantan, vodeni stub H*γW izaziva pritisak vode u porama tla, čime se smanjuje trenje između čvrstih čestica, zbog čega se povećava opasnost od klizanja padine. Međutim, kada je nivo N1 konstantan, pritisak vodenog stuba H*γW potiskuje čvrste čestice prema unutrašnjosti tla, zbog čega je opasnost od klizanja padine donekle smanjena. U ovom slučaju, uz konstantan vodostaj N1 ispred padine, postoji opasnost od klizanja nizvodne padine, jer djelovanje filtracije vode u tlu uzrokuje potiskivanje čvrstih čestica prema van nizvodne padine.
Sl. 8. Uticaj filtracije na stabilnost nagiba tla
Ako vanjski nivo vode naglo padne sa nivoa N1 na N2 tada je ugrožena stabilnost uzvodne padine. U tom slučaju, unutrašnja voda teče u porama prema vanjskoj strani uzvodne padine, gurajući čvrste čestice prema toj strani.
Zbog svega toga, ako je kosina tla potopljena u vodu, treba uzeti u obzir i efekat filtracije vode prilikom testiranja stabilnosti nagiba.
Efekat filtracije vode u tlu zavisi od nekoliko faktora, od kojih su najvažniji propusnost tla, hidrostatski pritisak spoljne vode, brzina opadanja nivoa spoljne vode i homogenost tla.
Ako pretpostavimo da je nasip na sl. 8 homogeno izotropne mase, pod dejstvom hidrostatskog pritiska spoljne vode nivoa N1, voda će strujati u pore nasipa u pravcu nizvodne padine, pri čemu će se nivo podzemnih voda u nasipu smanjivati sa dužinom pređenog puta. Ako piezometarske cijevi AA’, BB’ i CC’ uvedemo u nasip (sl. 9), porna voda će pod dejstvom hidrostatskog pritiska ući u ove cijevi i porasti na nivo N1, koji može biti isti u svim cijevima, ako su tačke B_A tako odabrane tačke B_A, u cijevima su h1, h2 i h3.
Sl. 9. Ekvipotencijalni i strujni vodovi
Ako sa h označimo elevaciju nivoa vode N1 u odnosu na neku proizvoljno odabranu ravan O-O, tada je potencijal h za sve 3 tačke, A, B i C isti. Prava koja povezuje ove tri tačke je ekvipotencijalna linija. Podzemne vode u tlu ne mogu teći duž te linije, već samo u pravcu tačaka sa manjim potencijalom.
Na sličan način možemo izabrati u istoj masi tačke D, E i F sa nižim potencijalom h ― Δh. Prava koja spaja ove tri tačke je ekvipotencijalna linija potencijala h ― Δh. Protok vode od tačke A ekvipotencijalne linije ABC do neke beskonačno bliske tačke D ekvipotencijalne linije DEF postojaće u pravcu najvećeg hidrauličkog pravca, najmanjeg hidrauličkog pravca i. Δlmin = AD. To znači da je linija AD duž koje teče voda okomita na obje ekvipotencijalne linije, jer
imax = Δh / Δlmin
gdje je Δlmin normalan na obje ekvipotencijalne linije. Te normale na ekvipotencijalne linije su pravci strujanja vode u propusnoj masi i nazivaju se strujne linije. Zajednica ekvipotencijalnih i strujnih vodova, međusobno okomitih jedni na druge, formira mrežu protoka.
Protočne mreže imaju različite oblike prema propusnosti mase. Najčešći slučaj je nasip od propusne mase na nepropusnom tlu, odnosno na tlu koje se može učiniti nepropusnim (sl. 10). U ovom slučaju, ako je vanjski nivo vode konstantan, strujne linije su u svom srednjem dijelu parabole.
Sl. 10. Protočna mreža u propusnom nasipu na nepropusnom tlu
Na uzvodnoj padini, parabole spajaju linije okomite na nagib, što predstavlja ekvipotencijalnu liniju, jer na konstantnom nivou N1 voda ne teče niz padinu. Sa nizvodnim nagibom, parabole završavaju tangencijalno na nagib, koji nije ni ekvipotencijalna linija ni strujna linija. Površina nepropusnog tla ispod nasipa je strujna linija, jer voda na dnu nasipa teče paralelno sa ovom površinom. U gornjem dijelu protočna mreža završava osnovnom parabolom zvanom procjedna linija, koja predstavlja granicu tla pod djelovanjem filtracije. Ispod ove granice tlo je pod dejstvom filtracije zbog hidrostatskog pritiska vanjske vode H*γW, dok u tlu iznad nje nema filtracije. Procjedna linija se još naziva i linija zasićenja, jer se pretpostavlja da je tlo ispod nje potpuno zasićeno vodom, dok je iznad nje djelomično zasićeno.
Stvarna procjena nagiba mora uključiti istraživanje, stratifikaciju, parametre čvrstoće, podzemne i površinske vode, promjene nivoa, drenažu, seizmiku, faze iskopa ili zatrpavanja, susjedne strukture i privremene uslove. Iskop bez odgovarajuće zaštite i ulazak u zonu mogućeg klizišta nisu sigurni ni na osnovu opšteg teksta ni oblika same padine.