Arhivski stručni sadržaj i ozbiljan rizik: članak čuva povijesni prikaz stabilnosti padina, simbole, formule i dijagrame iz izvornog teksta. To nije geotehnički elaborat, projekt iskopa ili nasipa, proračun stabilnosti, plan odvodnje, procjena klizišta ili uputa za rad. Nestabilna padina može iznenada zatrpati ljude, zgrade i ceste; uočene pukotine, ispupčenja, zamućenu vodu, naglo slijeganje ili pomicanje treba tretirati kao razlog za udaljavanje od opasne zone i hitnu stručnu procjenu.
Savo Kusić danas se fokusira na drvene prozore, drvo-aluminijske prozore, prozore po narudžbi, vrata i zahtjeve za ponudu. Ovaj članak ostaje kao tehnička arhiva i ne predstavlja ponudu geotehničkog projektiranja, nadzora ili izvođenja zemljanih radova.
Za izgrađene zemljane strukture kao što su usjeci, nasipi i kanali, završne padine se ponekad urušavaju. I prirodna padina, bez umjetnih radova, može se pokrenuti naglo i velikom snagom ili vrlo sporo. Ovi fenomeni su dugo bili predmet geoloških i geomehaničkih studija, s ciljem procjene stabilnosti iz fizičkih karakteristika tla i uvjeta za svaki pojedinačni slučaj.
Uzroci kretanja zemljinih masa
Uvjet za stabilnost svakog tla, bilo da se radi o umjetnom zemljanom objektu ili prirodnom tlu, je da postoji ravnoteža između vanjskih sila i unutarnjeg otpora tla. Vanjske sile prvenstveno su vlastita težina tla, koja je obično jedina vanjska sila, a potom sva druga vanjska opterećenja koja djeluju na kosinu, stalna ili pokretna. Unutarnji otpor sastoji se od kohezije i trenja u vezanom tlu, a samo od trenja u nevezanom tlu.
Sl. 1. Nagib nasipa rastresitog tla
Promatramo li nasip visine h od potpuno rastresite zemlje, npr. suhog zbijenog pijeska, utvrdit ćemo da je kosina tog nasipa nagnuta pod kutom β u odnosu na horizontalu (sl. 1). Veličina kuta β ovisi o nekoliko čimbenika kao što su veličina zrna, oblik zrna i zbijenost. Ako povećamo visinu nasipa h na h1, h2, itd. s istim nevezanim materijalom iste zbijenosti, kut β se neće promijeniti, nagib nasipa će ostati na istom nagibu do neograničene visine h. Za određeno rastresito tlo prirodni kut nagiba β ne ovisi o visini nagiba h. Veličina kuta β u rahlom tlu ovisi o kutu unutarnjeg trenja tla φ i pretpostavlja se da je nešto manji od njega, ili mu je jednak, β ≤ φ.
Sl. 2. Usjecanje nagiba u kohezivnom tlu
Ako promatramo rez napravljen u vezanom tlu, ustanovit ćemo da se nagib usjeka održava pod jačim nagibom 1:m, tj. pod većim kutom β zbog činjenice da je unutarnji otpor vezanog tla povećan kohezijom, koja ne postoji u suhom pijesku (sl. 2). U određenim vrstama tla, kao što je suhi les, kohezija može povećati unutarnji otpor do te mjere da se tlo može držati okomito odrezanom stranom, tj. pod kutom β = 90°. Međutim, ako povećamo visinu rezanja h u vezanom tlu na h1, h2, itd., kut nagiba kosine reza β mora se smanjiti kako bi se kosina održala stabilnom. Za svaki kut nagiba β nagiba usjeka u danom ograničenom 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 unutarnjeg otpora koji više nije bio dovoljan da se suprotstavi povećanoj vanjskoj sili, odnosno povećanoj težini zemljine mase uzrokovane povećanjem visine kosine h.
Sl. 3. Klizanje padine u kohezivnom tlu
Iz navedenog proizlazi da se kut prirodnog nagiba tla ne može usvojiti kao konstantna vrijednost za dano tlo, jer njegova vrijednost u svim drugim uvjetima ovisi o visini nagiba i opada s povećanjem te visine. Međutim, često se usvaja za kosine malih visina kao konstantna vrijednost, ovisna o kutu unutarnjeg trenja tla φ.
Poremećaj ravnoteže također se može dogoditi bez povećanja visine rezanja h, na primjer kada se smanji unutarnji otpor tla. Elementi unutarnjeg otpora vezanog tla, kohezija i trenje, vrlo su promjenjivi i ovisni o količini vode u tlu. Stoga je u mnogim slučajevima uzrok klizanja prezasićenost vodom vezanog tla, koja može biti tolika da se tlo više ne može podnijeti ni pod kojim nagibom, već klizi zbog vlastite težine.
Sl. 4. Klizanje tla zbog formiranja kliznih površina
Postoje različiti slučajevi klizanja tla zbog smanjenja unutarnjeg otpora, od kojih ćemo ovdje spomenuti nekoliko karakterističnih.
Obrazovanje kliznih površina
Ako se na kosini nalazi nepropusni sloj gline ispod površinskog sloja propusnog tla (sl. 4a), ili ako postoji nagnuti sloj pijeska u sloju gline (sl. 4b), u koji može dospjeti atmosferska ili površinska voda (na primjer iz zapuštenog odvodnog jarka), mogu se pojaviti klizišta. Veća količina vode prolazi kroz propusni sloj do sloja gline, koju jako kvasi, smanjujući joj otpor na površini, gdje gornji sloj klizi.
Poremećaj ravnoteže posjekotinom
Usjecanjem usjeka tijekom izgradnje željezničkih pruga i cesta narušava se prijašnje stanje ravnoteže, jer u profilu usjeka tlo ostaje bez oslonca i gravitacijski se teži pomicanju prema dolje. Stanje ravnoteže može se održati ako je unutarnji otpor tla dovoljno velik da se suprotstavi ovoj tendenciji, što je također moguće kada se posječeno tlo sastoji od slojeva koji su jako nagnuti prema usjeku.
Sl. 5. Klizanje terena zbog usjeka u slojevitom tlu
Međutim, ako se režu 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
Tani slojevi nepropusnog materijala u nasipu od propusnog tla, takozvane glinene leće (sl. 6), također mogu uzrokovati klizanje ako velika količina vode dospije do njih i formira kliznu površinu.
Sl. 6. Slučaj klizanja nasipa zbog nehomogenog sastava
Učinak mraza
Pod djelovanjem mraza voda se nakuplja u površinskom sloju u obliku ledenih leća. Tijekom odmrzavanja, leće leda se pretvaraju u vodu, koja prezasićuje tlo do dubine djelovanja mraza, zbog čega ono postaje tekuća masa i gubi svoju stabilnost.
Ovaj slučaj se događa samo u tlu opasnom od mraza i kod dužeg trajanja mraza, jer je potrebno dosta vremena za stvaranje ledenih leća.
Snižavanje razine podzemne vode
Kada je razina podzemne vode trajno snižena, primjerice zbog izvođenja radova u zemlji, dolazi do isušivanja tla i, ako se radi o glini koja ima veliko bubrenje, dolazi do pojave pukotina. U njih dospijeva veća količina površinske i atmosferske vode koja vlaži tlo i smanjuje njegov unutarnji otpor, što također može dovesti do klizišta.
Postoje i brojni drugi slučajevi klizanja terena, pa se može smatrati da svako koherentno tlo može pod određenim okolnostima u većoj ili manjoj mjeri izgubiti unutarnji otpor i pod utjecajem vanjskih sila pokrenuti se.
Nekoherentno tlo je stabilno sve dok je kut nagiba kosine manji od kuta unutarnjeg trenja tla. Kod ove vrste tla do klizanja dolazi samo ako je kut nagiba veći od kuta unutarnjeg trenja. Međutim, ako je nasip napravljen od nevezanog materijala na glinenom tlu, može doći do klizanja glinenog tla i urušavanja nasipa, te je potrebno provjeriti stabilnost.
Ispitivanje stabilnosti zemljanih kosina
Oblik klizne površine
Uvjet ravnoteže između vanjskih sila i unutarnjeg otpora tla postavio je Coulomb svojom jednadžbom
τ ≤ c + σ tgϕ
gdje je τ smični napon tla, c kohezija, σ normalni napon na kliznoj površini, ϕ kut unutarnjeg trenja.
Ako unutarnji otpor tla, kohezija c i trenje σ tgϕ nisu dovoljni da se suprotstave smičnom naprezanju tla, dolazi do klizanja na kliznoj površini unutar tla. Postoje različiti oblici kliznih površina, koji ovise o fizikalnim svojstvima tla, slojevitosti, vlažnosti, vanjskom opterećenju i drugim čimbenicima.
Sljedeći tipični slučajevi klizanja razlikuju se prema položaju:
Sl. 7. Tipični slučajevi klizišta
a) Klizanje okomitih strana reza. Kod kanala za vodoopskrbu, kanalizaciju i sl. koji se kopaju s okomitim stranama (sl. 7a), ako se prekorači kritična visina hc, koja ovisi o fizikalnim svojstvima tla, dolazi do klizanja po površini ADC. Ti klizići obično nisu duž cijele duljine kanala, već su lokalizirani, što se objašnjava nejednakom čvrstoćom tla na smicanje.
b) Djelomična klizanja nagiba (sl. 7b). Ova klizišta često se pojavljuju u proljeće na željezničkim i cestovnim usjecima i posljedica su prezasićenosti tla vodom.
c) Klizanje padine noću (sl. 7c). To je klizanje cijele kosine usjeka ili nasipa do kraka C.
d) Krzina klizi pod nogama (sl. 7d). To je klizanje cijele kosine usjeka ili nasipa i tla ispod temelja. Ovo klizište se također naziva fraktura podloge ili švedska fraktura, prema Šveđanima koji su je prvi opisali.
Što se tiče oblika klizne plohe, može se samo tvrditi da klizna ploha u vezanom tlu nije ravna, već zakrivljena ploha. Pojedini autori kao oblik klizne plohe prihvaćaju kružni luk (Fellenius), logaritamsku spiralu (Rendulić) ili kombinaciju ovih zakrivljenih linija (Brinch Hansen).
Učinak filtracije vode na stabilnost padine
Ako se ispred padine nalazi vanjska voda razine N1 (sl. 8), u tlu iza padine dolazi do strujanja vode, što uzrokuje unutarnji tlak vode u porama, uslijed čega se smanjuje trenje između krutih čestica i smični napon u tlu. povećava.
Ako je razina vode N1 ispred kosine konstantna, vodeni stupac H*γW uzrokuje pritisak vode u porama tla, čime se smanjuje trenje između krutih čestica, zbog čega se povećava opasnost od klizanja padine. Međutim, kada je razina N1 konstantna, tlak vodenog stupca H*γW gura krute čestice prema unutrašnjosti tla, zbog čega je opasnost od klizanja padina donekle smanjena. U tom slučaju, uz stalnu razinu vode N1 ispred padine, postoji opasnost od klizanja nizvodne padine, jer djelovanje filtracije vode u tlu uzrokuje potiskivanje krutih čestica prema vanjskoj strani nizvodne padine.
Sl. 8. Utjecaj filtracije na stabilnost nagiba tla
Ako vanjska razina vode naglo padne od razine N1 do N2 tada je ugrožena stabilnost uzvodne padine. U tom slučaju unutarnja voda teče u porama prema vanjskoj strani uzvodne padine, gurajući krute čestice prema toj strani.
Zbog svega toga, ako je kosina tla potopljena u vodu, pri ispitivanju stabilnosti kosine treba uzeti u obzir i učinak filtracije vode.
Učinak filtracije vode u tlu ovisi o nekoliko čimbenika, od kojih su najvažniji propusnost tla, hidrostatski tlak vanjske vode, brzina opadanja razine vanjske vode i homogenost tla.
Ako pretpostavimo da je nasip na sl. 8 homogeno izotropne mase, pod djelovanjem hidrostatskog tlaka vanjske vode razine N1, voda će teći u porama nasipa u smjeru nizvodne padine, pri čemu će razina podzemne vode u nasipu opadati s duljinom prijeđene ceste. Ako u nasip uvedemo pijezometarske cijevi AA’, BB’ i CC’ (sl. 9), pora će voda pod djelovanjem hidrostatskog tlaka ući u te cijevi i popeti se do razine N1, koja može biti ista u svim cijevima, ako su točke A, B i C odabrane tako da visine vodenog stupca u cijevima su h1, h2 i h3.
Sl. 9. Ekvipotencijalni i strujni vodovi
Ako s h označimo kotu razine vode N1 u odnosu na neku proizvoljno odabranu ravninu O-O, tada je potencijal h za sve 3 točke, A, B i C isti. Pravac koji povezuje ove tri točke je ekvipotencijalni pravac. Podzemna voda u tlu ne može teći duž te linije, već samo u smjeru točaka s nižim potencijalom.
Na sličan način možemo odabrati u istoj masi točke D, E i F s nižim potencijalom h ― Δh. Pravac koji spaja ove tri točke je ekvipotencijalni pravac potencijala h ― Δh. Tok vode od točke A ekvipotencijalnog pravca ABC do neke beskonačno bliske točke D ekvipotencijalnog pravca DEF postojat će u smjeru najvećeg hidrauličkog pada imax, tj. u smjeru najmanje udaljenosti Δlmin = AD. To znači da je linija AD po kojoj 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 smjerovi toka vode u propusnoj masi i nazivaju se strujne linije. Zajednica ekvipotencijalnih i strujnih linija, međusobno okomitih jedna na drugu, tvori mrežu toka.
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 tom slučaju, ako je vanjska razina vode konstantna, strujnice se nalaze u svom srednjem dijelu parabole.
Sl. 10. Protočna mreža u propusnom nasipu na nepropusnom tlu
Na uzvodnoj padini parabole spajaju linije okomite na padinu, što predstavlja ekvipotencijalnu liniju, jer pri konstantnoj razini N1 voda ne teče niz padinu. S nizvodnim nagibom parabole završavaju tangencijalno na nagib, koji nije niti ekvipotencijalna linija niti strujna linija. Površina nepropusnog tla ispod nasipa je strujnica, jer voda na dnu nasipa teče paralelno s tom površinom. U gornjem dijelu strujna mreža završava osnovnom parabolom koja se naziva procjedna linija, koja predstavlja granicu tla pod djelovanjem filtracije. Ispod te granice tlo je pod djelovanjem filtracije zbog hidrostatskog tlaka vanjske vode H*γW, dok u tlu iznad nje nema filtracije. Linija procjeđivanja naziva se i linija zasićenja, budući da se pretpostavlja da je tlo ispod nje potpuno zasićeno vodom, dok je iznad nje djelomično zasićeno.
Stvarna procjena nagiba mora uključivati ispitivanje, stratifikaciju, parametre čvrstoće, podzemnu i površinsku vodu, promjene razine, drenažu, seizmiku, faze iskopavanja ili zatrpavanja, susjedne strukture i privremene uvjete. Iskopi bez odgovarajuće zaštite i ulazak u zonu mogućeg odrona nisu sigurni ni prema općem tekstu ni prema obliku same padine.