Arkivekspertindhold og alvorlig risiko: artiklen bevarer den historiske beretning om hældningsstabilitet, symboler, formler og diagrammer fra den originale tekst. Der er ikke tale om geoteknisk undersøgelse, grave- eller inddæmningsprojekt, stabilitetsberegning, afvandingsplan, skredvurdering eller arbejdsanvisning. En ustabil skråning kan pludselig begrave mennesker, bygninger og veje; observerede revner, buler, grumset vand, pludselige sætninger eller forskydninger skal behandles som begrundelse for at flytte væk fra farezonen og akut faglig vurdering.
I dag er Savo Kusić fokuseret på trævinduer, træ-aluminium vinduer, tilpassede vinduer, dør og anmodninger om tilbud. Denne artikel forbliver som et teknisk arkiv og repræsenterer ikke et tilbud om geoteknisk projektering, tilsyn eller udførelse af jordarbejder.
For konstruerede jordarbejder såsom nedskæringer, volde og kanaler kollapser de sidste skråninger nogle gange. Og en naturlig hældning, uden kunstige værker, kan bevæge sig pludseligt og med stor kraft eller meget langsomt. Disse fænomener har længe været genstand for geologiske og geomekaniske undersøgelser med det formål at evaluere stabiliteten ud fra jordens fysiske karakteristika og forholdene i hvert enkelt tilfælde.
Årsager til bevægelse af jordmasser
Betingelsen for stabiliteten af enhver jord, hvad enten det er en kunstig jordgenstand eller en naturlig jord, er, at der er balance mellem ydre kræfter og jordens indre modstand. Ydre kræfter er primært jordens egen vægt, som normalt er den eneste ydre kraft, efterfulgt af enhver anden ydre belastning, der virker på skråningen, permanent eller i bevægelse. Den indre modstand består af sammenhæng og friktion i bundet jord, og kun friktion i ubundet jord.
Fig. 1. Skråning af løs jordvold
Hvis vi observerer en dæmning i højden h lavet af helt løs jord, for eksempel tørt komprimeret sand, vil vi bestemme, at hældningen af den dæmning hælder i en vinkel β i forhold til vandret (fig. 1). Størrelsen af vinklen β afhænger af flere faktorer såsom kornstørrelse, kornform og komprimering. Hvis vi øger dæmningshøjden h til h1, h2 osv. med det samme ubundne materiale af samme komprimering, vil vinklen β ikke ændre sig, dæmningshældningen forbliver i samme hældning op til en ubegrænset højde h. For en given løs jord er den naturlige hældningsvinkel β uafhængig af hældningshøjden h. Størrelsen af vinklen β for ubundet jord afhænger af vinklen for indre jordfriktion φ og antages at være lidt mindre end den, eller lig med den, β ≤ φ.
Fig. 2. Skærehældning i bundet jord
Hvis vi ser på et snit lavet i bundet jord, vil vi opdage, at snittets hældning holdes under en stærkere hældning1:m, dvs. i en større vinkel β på grund af, at den bundne jords indre modstand øges af kohæsion, som ikke findes i tørt sand (fig.2). I visse jordtyper, såsom tør løsmasse, kan kohæsion øge den indre modstand i en sådan grad, at jorden kan holdes med en lodret skåret side, dvs. i en vinkel β =90°. Men hvis vi øger klippehøjden h i bundet jord til h1, h2 osv., skal hældningsvinklen af affasningen af det afskårne β reduceres for at opretholde affasningen i stabilitet. For hver hældningsvinkel β af snittets hældning i en given afgrænset jord er der én kritisk højde hc. Hvis vi overskrider denne højde, vil hældningen AB ikke blive holdt i balance, og den vil glide på en glidende overflade CD (fig.3). Skridningen skete på grund af en forstyrrelse i balancen mellem den ydre kraft, jordmassens egenvægt og den indre modstand, som ikke længere var tilstrækkelig til at modvirke den øgede ydre kraft, altså den øgede vægt af jordmassen forårsaget af stigningen i højden af skråningen h.
Sl.3. Skæringshældning i sammenhængende jord
Af ovenstående følger det, at vinklen på jordens naturlige hældning ikke kan vedtages som en konstant værdi for den givne jord, da dens værdi under alle andre forhold afhænger af hældningens højde og falder med stigningen af denne højde. Imidlertid anvendes det ofte for skråninger med små højder som en konstant værdi, afhængig af vinklen på den indre jordfriktion φ.
Ligevægtsforstyrrelser kan også forekomme uden at øge klippehøjden h, for eksempel når den indre jordmodstand falder. Elementerne af indre modstand af bundet jord, kohæsion og friktion, er meget variable og afhængige af mængden af vand i jorden. Årsagen til glidning er derfor i mange tilfælde overmætning af vandbundet jord, som kan være så stor, at jorden ikke længere er i stand til at støtte sig under nogen skråning, men glider på grund af sin egen vægt.
Fig. 4. Jordglidning på grund af dannelse af glidende overflader
Der er forskellige tilfælde af jordglidning på grund af reduktionen af indre modstand, hvoraf vi her vil nævne et par karakteristiske.
Uddannelse af glidende overflader
Hvis der er et uigennemtrængeligt lag af ler på en skråning under overfladelaget af gennemtrængelig jord (fig. 4a), eller hvis der er et skrå lag af sand i lerlaget (fig. 4b), hvori en atmosfærisk overflade kan forsømmes, f.eks. jordskred kan forekomme. En større mængde vand passerer gennem det permeable lag til lerlaget, som det fugter kraftigt, hvilket reducerer dets modstand på overfladen, hvor det øverste lag glider.
Forstyrrelse af balancen ved at skære et snit
Skæring af snit under anlæg af jernbaner og veje forstyrrer den tidligere balancetilstand, fordi jorden i snitprofilen forbliver uden støtte og har tendens til at bevæge sig nedad på grund af tyngdekraften. En ligevægtstilstand kan opretholdes, hvis jordens indre modstand er stor nok til at modvirke denne tendens, hvilket også er muligt, når den afskårne jord består af stærkt skrånende lag mod snittet.
Fig. 5. Glidning af terræn på grund af skæring i lagdelt jord
Men hvis lag af uigennemtrængelig og permeabel jord skæres på skift (Fig. 5), er der mulighed for udvaskning af den permeable jord og befugtning af den uigennemtrængelige jord, hvorpå der kan forekomme glidning.
Jordens inhomogenitet
Tynde lag af uigennemtrængeligt materiale i en vold lavet af permeabel jord, de såkaldte lerlinser (fig. 6), kan også forårsage glidning, hvis en stor mængde vand når dem og danner en glidende overflade.
Fig. 6. Tilfælde af dæmningsglidning på grund af uhomogen sammensætning
Effekt af frost
Under påvirkning af frost ophobes vand i overfladelaget i form af islinser. Under optøning bliver islinserne til vand, som overmætter jorden til dybden af frostpåvirkning, hvorved den bliver til en flydende masse og mister sin stabilitet.
Dette tilfælde forekommer kun i frostfarlig jord og med længere frostvarighed, fordi det tager meget tid at danne islinser.
Grundvandsniveausænkning
Når grundvandsstanden sænkes permanent, for eksempel på grund af arbejde i jorden, tørrer jorden ud, og hvis det er ler, der har en stor hævelse, opstår der revner. Større mængder overfladevand og atmosfærisk vand kommer ind i dem, fugter jorden og reducerer dens indre modstand, hvilket også kan føre til jordskred.
Der er også mange andre tilfælde af terrænglidning, så det kan vurderes, at enhver sammenhængende jord under visse omstændigheder kan miste sin indre modstand i større eller mindre grad og under påvirkning af ydre kræfter sættes i gang.
Inkohærent jord er stabil, så længe hældningsvinklen på skråningen er mindre end jordens indre friktionsvinkel. Med denne type jord opstår glidning kun, hvis hældningsvinklen er større end den indre friktionsvinkel. Men hvis en vold er lavet af ubundet materiale på lerjord, kan den lerholdige jord glide og volden falde sammen, og det er nødvendigt at kontrollere stabiliteten.
Test af stabiliteten af jordskråninger
Form af glidende overflade
Betingelsen for balance mellem ydre kræfter og indre jordmodstand blev fastsat af Coulomb med hans ligning
τ ≤ c + σ tgϕ
hvor τ er jordens forskydningsspænding, c er kohæsionen, σ er den normale spænding på glidefladen, ϕ er vinklen for indre friktion.
Hvis jordens indre modstand, kohæsion c og friktion σ tgϕ ikke er tilstrækkelig til at modvirke jordens forskydningsspænding, sker der glidning på en glidende overflade inde i jorden. Der findes forskellige former for glideflader, som afhænger af jordens fysiske egenskaber, lagdeling, fugtighed, ekstern belastning og andre faktorer.
Følgende typiske glidekasser adskiller sig alt efter position:
Fig. 7. Typiske tilfælde af jordskred
a) Glidning af de lodrette sider af udskæringen. Ved kanaler til vandforsyning, kloakering etc., der graves med lodrette sider (fig. 7a), sker der glidning på overfladen ADC, hvis den kritiske højde hc, som afhænger af jordens fysiske egenskaber, overskrides. Disse skred er normalt ikke i hele kanalens længde, men er lokaliseret, hvilket forklares af jordens ujævne forskydningsstyrke.
b) Delvise skråninger (fig. 7b). Disse skred opstår ofte om foråret på jernbane- og vejafskæringer og er resultatet af overmætning af jorden med vand.
c) Glidning af skråninger om natten (fig. 7c). Det er glidningen af hele skråningen af snittet eller volden til benet C.
d) Skråning under fødderne (Fig. 7d). Det er glidningen af hele skråningen af skæringen eller dæmningen og jorden under foden. Denne rutsjebane kaldes også undergrundsbrud eller svensk fraktur, efter de svenskere, der først beskrev det.
Vedrørende glidefladens form kan det kun hævdes, at glidefladen i bundet jord ikke er lige, men at der er tale om en buet overflade. Visse forfattere anvender en cirkulær bue (Fellenius), en logaritmisk spiral (Rendulić) eller en kombination af disse buede linjer (Brinch Hansen) som formen på den glidende overflade.
Effekt af vandfiltrering på skråningsstabilitet
Hvis der er eksternt vand foran skråningen med niveauet N1 (fig.8), sker der vandstrømning i jorden bag skrænten, hvilket medfører indre vandtryk i porerne, hvorved friktionen mellem faste partikler aftager og forskydningsspændingen i jorden øges.
Hvis niveauet er N1 af vand foran skrænten forårsager en konstant, vandsøjle H*γW vandtryk i jordens porer, hvilket mindsker friktionen mellem faste partikler, hvorved faren for skråningsglidning øges. Men når niveauet er N1 konstant skubber vandsøjlens tryk H*γW de faste partikler mod jordens indre, hvorved faren for skråningsglidning i nogen grad mindskes. I dette tilfælde ved konstant vandstand N1 foran skrænten er der fare for glidning af nedstrømsskråningen, fordi virkningen af vandfiltrering i jorden medfører, at faste partikler skubbes i retning af ydersiden af nedstrømsskråningen.
Sl.8. Effekten af filtrering på stabiliteten af jordskråningen
Hvis den ydre vandstand falder kraftigt fra N-niveauet1 på N2 så er stabiliteten af opstrømsskrænten truet. I dette tilfælde strømmer det indre porevand mod ydersiden af opstrømsskråningen og skubber de faste partikler mod den side.
På grund af alt dette, hvis jordskråningen er nedsænket i vand, bør effekten af vandfiltrering også tages i betragtning ved test af skråningens stabilitet.
Effekten af vandfiltrering i jorden afhænger af flere faktorer, hvoraf de vigtigste er jordens permeabilitet, hydrostatisk tryk af det ydre vand, nedgangshastigheden for den ydre vandstand og jordens homogenitet.
Hvis vi antager, at volden i fig. 8 af homogen isotrop masse, under påvirkning af hydrostatisk tryk af eksternt vand af niveau N1, vil vand strømme i dæmningens porer i retning af nedstrømsskråningen, hvorved niveauet af grundvand i dæmningen vil falde med længden af den tilbagelagte vej. Hvis vi indfører piezometerrør AA’, BB’ og CC’ i volden (fig. 9), vil porevandet under påvirkning af hydrostatisk tryk komme ind i disse rør og stige til niveauet N1, hvilket kan være det samme i alle rør, hvis punkterne B_A er valgt i vandets B_A punkter og C_B_A. i rørene er h1, h2 og h3.
Fig. 9. Ekvipotential- og strømlinjer
Hvis vi med h angiver højden af vandstanden N1 i forhold til et vilkårligt valgt plan O-O, så er potentialet h for alle 3 punkter, A, B og C det samme. Linjen, der forbinder disse tre punkter, er ekvipotentiallinjen. Grundvandet i jorden kan ikke strømme langs den linje, men kun i retning af punkter med lavere potentiale.
På lignende måde kan vi i samme masse vælge punkterne D, E og F med et lavere potentiale h ― Δh. Linjen, der forbinder disse tre punkter, er ækvipotentiallinjen for potentialet h ― Δh. Vandstrøm fra punkt A af ækvipotentiallinjen ABC til et eller andet uendeligt tæt punkt D af ækvipotentiallinjen DEF vil eksistere i retningen af det største i det største hydrauliske fald i._imax. Δlmin = AD. Det betyder, at linjen AD, langs hvilken vandet strømmer, er vinkelret på begge ækvipotentiallinjer, fordi
imax = Δh / Δlmin
hvor Δlmin er normal for begge ækvipotentiallinjer. Disse normaler til ækvipotentiallinjerne er retningerne for vandstrømmen i den permeable masse og kaldes strømlinjer. Fællesskabet af ækvipotential- og strømlinjer, indbyrdes vinkelrette på hinanden, danner et aktuelt netværk.
Flownetværk har forskellige former i henhold til massepermeabilitet. Det mest almindelige tilfælde er en vold lavet af permeabel masse på uigennemtrængelig jord, altså på jord der kan gøres uigennemtrængelig (fig. 10). I dette tilfælde, hvis den ydre vandstand er konstant, er strømlinjerne i deres midterste del af parablen.
Fig. 10. Flownetværk i en permeabel dæmning på uigennemtrængelig jord
Ved opstrømsskråningen forbinder parablerne sig med linjerne vinkelret på skråningen, hvilket repræsenterer ækvipotentiallinjen, fordi der på et konstant niveau N1 ikke strømmer vand ned ad skråningen. Med nedstrømshældningen slutter parablerne tangentielt til hældningen, som hverken er en potentialudligningslinje eller en strømlinje. Overfladen af den uigennemtrængelige jord under volden er en strømlinje, fordi vandet i bunden af volden løber parallelt med denne overflade. I den øverste del ender strømningsnettet med en grundlæggende parabel kaldet sivningslinjen, som repræsenterer jordens grænse under påvirkning af filtrering. Under denne grænse er jorden under påvirkning af filtrering på grund af det hydrostatiske tryk af det eksterne vand H*γW, mens der ikke er nogen filtrering i jorden over det. Nedsivningslinjen kaldes også for mætningslinjen, da det antages, at jorden under den er fuldstændig mættet med vand, mens den over den er delvist mættet.
Faktisk hældningsvurdering skal omfatte undersøgelse, lagdeling, styrkeparametre, grund- og overfladevand, niveauændringer, dræning, seismik, udgravnings- eller fyldningsfaser, tilstødende strukturer og midlertidige forhold. Udgravning uden ordentlig beskyttelse og ind i zonen med muligt jordskred er ikke sikker baseret på den generelle tekst eller formen på selve skråningen.