Odborný obsah archivu a vážné riziko: článek zachovává historický popis stability svahu, symboly, vzorce a diagramy z původního textu. Nejedná se o geotechnickou studii, projekt výkopu nebo násypu, výpočet stability, plán odvodnění, posouzení sesuvu nebo pracovní návod. Nestabilní svah může náhle pohřbít lidi, budovy a silnice; pozorované trhliny, vybouleniny, zakalená voda, náhlý pokles nebo posunutí by měly být považovány za důvod pro odsunutí z nebezpečné zóny a naléhavé odborné posouzení.
Dnes se Savo Kusić zaměřuje na dřevěná okna, dřevohliníková okna, vlastní okna, dveře a žádosti o cenovou nabídku. Tento článek zůstává jako technický archiv a nepředstavuje nabídku geotechnického návrhu, dozoru nebo provádění zemních prací.
U stavebních zemních prací, jako jsou zářezy, násypy a kanály, se někdy konečné svahy zhroutí. A přirozený svah bez umělých děl se může pohybovat náhle a s velkou silou nebo velmi pomalu. Tyto jevy jsou dlouhodobě předmětem geologických a geomechanických studií s cílem vyhodnotit stabilitu z fyzikálních charakteristik půdy a podmínek každého jednotlivého případu.
Příčiny pohybu zemských mas
Podmínkou stability jakékoliv zeminy, ať už umělého hliněného objektu nebo přirozené zeminy, je rovnováha mezi vnějšími silami a vnitřním odporem zeminy. Vnější síly jsou především vlastní tíhou zeminy, která je většinou jedinou vnější silou, následuje jakékoli další vnější zatížení působící na svah, trvalé nebo pohyblivé. Vnitřní odpor tvoří soudržnost a tření ve vázané zemině a pouze tření v nevázané zemině.
Obr. 1. Sklon násypu volné půdy
Pokud pozorujeme násep o výšce h vytvořený ze zcela volné zeminy, například suchého zhutněného písku, určíme, že sklon tohoto náspu je nakloněn pod úhlem β k horizontále (obr. 1). Velikost úhlu β závisí na několika faktorech, jako je velikost zrna, tvar zrna a zhutnění. Pokud při stejném nevázaném materiálu stejného zhutnění zvýšíme výšku násypu h na h1, h2 atd., úhel β se nezmění, sklon násypu zůstane ve stejném sklonu až do neomezené výšky h. U dané volné půdy je přirozený úhel sklonu β nezávislý na výšce svahu h. Velikost úhlu β pro nevázanou zeminu závisí na úhlu vnitřního tření zeminy φ a předpokládá se, že je o něco menší než úhel β ≤ φ, nebo se mu rovná β ≤ φ.
Obr. 2. Svah sečení ve svázané půdě
Podíváme-li se na řez provedený ve vázané půdě, zjistíme, že sklon řezu je udržován pod silnějším sklonem1:m, tedy pod větším úhlem β vzhledem k tomu, že vnitřní odpor vázané zeminy je zvýšen kohezí, která v suchém písku neexistuje (obr.2). V určitých typech půd, jako jsou suché spraše, může soudržnost zvýšit vnitřní odpor natolik, že půdu lze držet svisle řezanou stranou, tedy pod úhlem β =90°. Pokud však zvýšíme výšku sečení h ve vázané půdě na h1, h2 atd., je nutné snížit úhel sklonu úkosu řezu β, aby se zkosení udrželo ve stabilitě. Pro každý úhel sklonu β sklonu zářezu v dané ohraničené zemině existuje jedna kritická výška hc. Pokud tuto výšku překročíme, sklon AB se neudrží v rovnováze a bude klouzat po kluzné ploše CD (obr.3). K sesuvu došlo v důsledku poruchy rovnováhy mezi vnější silou, vlastní tíhou zemské hmoty a vnitřním odporem, která již nestačila vzdorovat zvýšené vnější síle, tj. zvýšené hmotnosti zemní hmoty způsobené zvýšením výšky svahu h.
Sl.3. Sklon řezu v soudržné půdě
Z výše uvedeného vyplývá, že úhel přirozeného sklonu zeminy nelze převzít jako konstantní hodnotu pro danou zeminu, neboť jeho hodnota za všech ostatních podmínek závisí na výšce svahu a s nárůstem této výšky klesá. Často se však používá pro svahy malých výšek jako konstantní hodnota, závislá na úhlu vnitřního tření zeminy φ.
Narušení rovnováhy může také nastat bez zvýšení výšky řezu h, například když se sníží vnitřní odpor zeminy. Prvky vnitřního odporu vázané zeminy, soudržnosti a tření, jsou velmi variabilní a závislé na množství vody v zemině. Příčinou sesuvu je proto v mnoha případech přesycení vodou vázané zeminy, které může být tak velké, že půda již není schopna podpírat se pod žádným svahem, ale sesouvá se vlastní tíhou.
Obr. 4. Sesuv půdy v důsledku tvorby kluzných ploch
Existují různé případy sesuvu půdy v důsledku snížení vnitřního odporu, z nichž zde zmíníme několik charakteristických.
Výuka kluzných ploch
Pokud je na svahu pod povrchovou vrstvou propustné zeminy nepropustná vrstva jílu (obr. 4a), nebo je-li v jílovité vrstvě nakloněná vrstva písku (obr. 4b), do které se může zanedbávat atmosférická nebo povrchová drenáž z povrchových vod. Větší množství vody prochází propustnou vrstvou do jílové vrstvy, kterou silně smáčí, čímž snižuje její odpor na povrchu, kde svrchní vrstva klouže.
Narušení rovnováhy řezem
Řezné řezy při stavbě železnic a silnic narušují předchozí stav rovnováhy, protože v profilu řezu zůstává půda bez podpory a má tendenci se vlivem gravitace pohybovat směrem dolů. Rovnovážný stav lze udržet, pokud je vnitřní odpor zeminy dostatečně velký, aby čelil této tendenci, což je také možné, když posekaná zemina sestává ze silně nakloněných vrstev směrem k řezu.
Obr. 5. Sesuv terénu v důsledku řezání ve vrstvené půdě
Pokud jsou však střídavě řezány vrstvy nepropustné a propustné zeminy (obr. 5), existuje možnost vyplavování propustné zeminy a zavlhčení nepropustné zeminy, na které může docházet ke skluzu.
Nehomogenita půdy
Tenké vrstvy nepropustného materiálu v náspu z propustné zeminy, tzv. hliněné čočky (obr. 6), mohou také způsobit prokluz, pokud se k nim dostane velké množství vody a vytvoří kluznou plochu.
Obr. 6. Případ sesuvu náspu v důsledku nehomogenního složení
Vliv mrazu
Vlivem mrazu se v povrchové vrstvě hromadí voda ve formě ledových čoček. Během tání se ledové čočky mění ve vodu, která přesycuje půdu až do hloubky působení mrazu, v důsledku čehož se stává tekutou hmotou a ztrácí stabilitu.
Tento případ se vyskytuje pouze v mrazu nebezpečné půdě a s delším trváním mrazu, protože tvorba ledových čoček zabere hodně času.
Snížení hladiny podzemní vody
Při trvalém snížení hladiny podzemní vody, například při provádění prací v zemi, půda vysychá a pokud se jedná o hlínu, která má velké bobtnání, vznikají trhliny. Dostává se do nich větší množství povrchové a atmosférické vody, která smáčí půdu a snižuje její vnitřní odpor, což může vést i k sesuvům půdy.
Existuje i mnoho dalších případů sesuvu terénu, lze tedy uvažovat o tom, že jakákoliv soudržná zemina může za určitých okolností ve větší či menší míře ztratit svůj vnitřní odpor a vlivem vnějších sil se uvést do pohybu.
Nekoherentní zemina je stabilní, pokud je úhel sklonu svahu menší než úhel vnitřního tření zeminy. U tohoto typu zeminy dochází ke skluzu pouze tehdy, je-li úhel sklonu větší než úhel vnitřního tření. Pokud je však násep vyroben z nevázaného materiálu na jílovité zemině, jílovitá zemina se může sesunout a násep se zřítit a je nutné zkontrolovat stabilitu.
Testování stability zemních svahů
Tvar kluzné plochy
Podmínku rovnováhy mezi vnějšími silami a vnitřním odporem zeminy stanovil Coulomb svou rovnicí
τ ≤ c + σ tgϕ
kde τ je smykové napětí zeminy, c je soudržnost, σ je normálové napětí na kluzné ploše, ϕ je úhel vnitřního tření.
Pokud vnitřní odpor zeminy, soudržnost c a tření σ tgϕ nepostačují k tomu, aby odolávaly smykovému napětí zeminy, dochází k sesuvu na kluzném povrchu uvnitř zeminy. Existují různé formy kluzných ploch, které závisí na fyzikálních vlastnostech půdy, stratifikaci, vlhkosti, vnějším zatížení a dalších faktorech.
Následující typické posuvné případy se liší podle polohy:
Obr. 7. Typické případy sesuvů půdy
a) Posouvání svislých stran řezu. U kanálů pro vodovod, kanalizaci apod., které jsou raženy se svislými stranami (obr. 7a), dochází při překročení kritické výšky hc, která závisí na fyzikálních vlastnostech zeminy, k sesuvu po povrchu ADC. Tyto sesuvy obvykle nejsou po celé délce kanálu, ale jsou lokalizované, což se vysvětluje nerovnoměrnou pevností zeminy ve smyku.
b) Částečné sesuvy svahu (obr. 7b). Tyto sesuvy se často objevují na jaře na železničních a silničních zářezech a jsou výsledkem přesycení půdy vodou.
c) Posuv svahu v noci (obr. 7c). Jde o sesunutí celého sklonu zářezu nebo násypu k rameni C.
d) Svah klouzání pod nohama (obr. 7d). Jde o sesuv celého svahu zářezu nebo násypu a zeminy pod základovou patkou. Tomuto skluzu se také říká podúrovňová zlomenina nebo švédská zlomenina podle Švédů, kteří ji poprvé popsali.
Ohledně tvaru smykové plochy lze pouze tvrdit, že smyková plocha ve vázané zemině není rovná, ale že se jedná o zakřivenou plochu. Někteří autoři přijali jako tvar kluzné plochy kruhový oblouk (Fellenius), logaritmickou spirálu (Rendulić) nebo kombinaci těchto zakřivených čar (Brinch Hansen).
Vliv filtrace vody na stabilitu svahu
Pokud je před svahem vnější voda o hladině N1 (obr.8), dochází v zemině za svahem k proudění vody, které způsobuje vnitřní tlak vody v pórech, v důsledku čehož klesá tření mezi pevnými částicemi a zvyšuje se smykové napětí v zemině.
Pokud je úroveň N1 vody před svahem konstantní, vodní sloupec H*γW způsobuje tlak vody v pórech půdy, čímž se snižuje tření mezi pevnými částicemi, v důsledku čehož se zvyšuje nebezpečí sesuvu svahu. Když je však úroveň N1 konstantní, tlak vodního sloupce H*γW tlačí pevné částice směrem dovnitř půdy, čímž se do určité míry snižuje nebezpečí sesuvu svahu. V tomto případě při konstantní hladině vody N1 před svahem hrozí sesuv návazného svahu, protože působením filtrace vody v půdě dochází k vytlačování pevných částic směrem k vnější straně návazného svahu.
Sl.8. Vliv filtrace na stabilitu svahu půdy
Pokud vnější hladina vody prudce klesne z hladiny N1 na N2 pak je ohrožena stabilita návodního svahu. V tomto případě voda z vnitřních pórů proudí směrem k vnější straně svahu proti proudu a tlačí pevné částice směrem k této straně.
Kvůli tomu všemu, pokud je svah půdy ponořen do vody, je třeba při testování stability svahu vzít v úvahu také vliv filtrace vody.
Vliv filtrace vody v půdě závisí na několika faktorech, z nichž nejdůležitější jsou propustnost půdy, hydrostatický tlak vnější vody, rychlost poklesu vnější hladiny a homogenita půdy.
Pokud předpokládáme, že násep na Obr. 8 homogenně izotropní hmoty bude vlivem hydrostatického tlaku vnější vody hladiny N1 proudit voda v pórech násypu ve směru po proudu svahu, přičemž hladina podzemní vody v násypu bude klesat s délkou ujeté komunikace. Zavedeme-li piezometrové trubky AA’, BB’ a CC’ do násypu (obr. 9), pórová voda pod účinkem hydrostatického tlaku vstoupí do těchto trubek a stoupne na úroveň N1, která může být ve všech trubkách stejná, jsou-li body ve sloupci B__C zvoleny tak, A. trubky jsou h1, h2 a h3.
Obr. 9. Ekvipotenciální a proudové vedení
Pokud h označíme nadmořskou výšku hladiny N1 ve vztahu k nějaké libovolně zvolené rovině O-O, pak je potenciál h pro všechny body 3, A, B a C stejný. Přímka spojující tyto tři body je ekvipotenciální čára. Podzemní voda v půdě nemůže proudit podél této linie, ale pouze ve směru bodů s nižším potenciálem.
Podobným způsobem můžeme vybrat ve stejné hmotnosti body D, E a F s nižším potenciálem h ― Δh. Přímka, která spojuje tyto tři body, je ekvipotenciální čára potenciálu h ― Δh. Tok vody z bodu A ekvipotenciální čáry ABC do nějakého nekonečně blízkého bodu D ekvipotenciální čáry DEF bude existovat ve směru největšího hydraulického poklesu imin ve směru Δ nejmenší_, tj. AD. To znamená, že přímka AD, podél které voda protéká, je kolmá na obě ekvipotenciální čáry, protože
imax = Δh / Δlmin
kde Δlmin je kolmá k oběma ekvipotenciálním čarám. Tyto normály k ekvipotenciálním čarám jsou směry toku vody v propustné hmotě a nazývají se proudové čáry. Společenství ekvipotenciálních a proudových vedení, vzájemně kolmých na sebe, tvoří síť toků.
Sítě toků mají různé tvary podle propustnosti hmoty. Nejčastějším případem je násyp z propustné hmoty na nepropustnou zeminu, tedy na zeminu, kterou lze učinit nepropustnou (obr. 10). V tomto případě, pokud je vnější hladina vody konstantní, jsou proudnice ve střední části paraboly.
Obr. 10. Průtoková síť v propustném násypu na nepropustné půdě
Na svahu proti proudu se paraboly spojují s čarami kolmými ke svahu, což představuje ekvipotenciální čáru, protože při konstantní hladině N1 voda po svahu neteče. Se sklonem po proudu končí paraboly tečně ke svahu, což není ani ekvipotenciální čára, ani proudová čára. Povrch nepropustné zeminy pod násypem je proudnicový, protože voda na dně náspu teče rovnoběžně s tímto povrchem. V horní části je proudová síť zakončena základní parabolou zvanou průsaková čára, která představuje hranici zeminy při působení filtrace. Pod touto hranicí je půda pod vlivem hydrostatického tlaku vnější vody H*γW filtrací, zatímco v půdě nad ní žádná filtrace není. Linie průsaku se také nazývá linie nasycení, protože se předpokládá, že půda pod ní je zcela nasycena vodou, zatímco nad ní je nasycena částečně.
Skutečné posouzení sklonu musí zahrnovat průzkum, stratifikaci, pevnostní parametry, podzemní a povrchovou vodu, změny hladiny, drenáž, seizmickou fázi, fázi výkopu nebo zásypu, přilehlé konstrukce a dočasné podmínky. Výkopy bez řádné ochrany a vstup do zóny možného sesuvu nejsou bezpečné na základě obecného textu ani tvaru samotného svahu.