Treści archiwalne i poważne ryzyko: w artykule zachowano historyczne opisy stateczności zboczy, symbole, wzory i diagramy z tekstu oryginalnego. Nie jest to badanie geotechniczne, projekt wykopalisk lub nasypów, obliczenia stateczności, plan odwadniania, ocena osuwisk ani instrukcje pracy. Niestabilne zbocze może nagle zakopać ludzi, budynki i drogi; Zaobserwowane pęknięcia, wybrzuszenia, mętna woda, nagłe osiadanie lub przemieszczenie należy traktować jako powód opuszczenia strefy zagrożenia i pilną fachową ocenę.
Savo Kusić koncentruje się dziś na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych, oknach na wymiar, drzwiach i zapytaniach ofertowych. Artykuł ten ma charakter archiwum technicznego i nie stanowi oferty projektowania geotechnicznego, nadzoru ani wykonania robót ziemnych.
W przypadku robót ziemnych, takich jak wykopy, nasypy i kanały, końcowe zbocza czasami się zawalają. A naturalne zbocze, bez sztucznych prac, może poruszać się nagle i z dużą siłą lub bardzo powoli. Zjawiska te od dawna są przedmiotem badań geologicznych i geomechanicznych, których celem jest ocena stabilności na podstawie właściwości fizycznych gleby i warunków w każdym indywidualnym przypadku.
Przyczyny ruchu mas ziemnych
Warunkiem stabilności każdego gruntu, niezależnie od tego, czy jest to sztuczny obiekt ziemny, czy grunt naturalny, jest równowaga pomiędzy siłami zewnętrznymi a oporem wewnętrznym gruntu. Siły zewnętrzne to przede wszystkim ciężar własny gruntu, który jest zwykle jedyną siłą zewnętrzną, po którym następuje każde inne obciążenie zewnętrzne działające na zbocze, stałe lub ruchome. Na opór wewnętrzny składają się spójność i tarcie w glebie związanej oraz tylko tarcie w glebie niezwiązanej.
Rys. 1. Nachylenie nasypu z luźnej gleby
Jeśli zaobserwujemy nasyp o wysokości h wykonany z całkowicie luźnej gleby, na przykład suchego ubitego piasku, ustalimy, że nachylenie tego nasypu jest nachylone pod kątem β do poziomu (rys. 1). Wielkość kąta β zależy od kilku czynników, takich jak wielkość i kształt ziaren oraz zagęszczenie. Jeśli wysokość nasypu h zwiększymy do h1, h2 itd. przy tym samym niezwiązanym materiale o tym samym zagęszczeniu, to kąt β nie ulegnie zmianie, nachylenie nasypu pozostanie na tym samym nachyleniu aż do nieograniczonej wysokości h. Dla danego gruntu luźnego naturalny kąt nachylenia β jest niezależny od wysokości nachylenia h. Wielkość kąta β dla gruntu niezwiązanego zależy od kąta tarcia wewnętrznego gruntu φ i przyjmuje się, że jest od niego nieco mniejsza lub mu równa, β ≤ φ.
Rys. 2. Nachylenie cięcia w związanej glebie
Jeśli zaobserwujemy przecięcie wykonane w gruncie związanym, okaże się, że nachylenie wykopu jest utrzymywane pod silniejszym nachyleniem 1:m, czyli pod większym kątem β ze względu na to, że opór wewnętrzny gruntu związanego zwiększa się przez spójność, która nie występuje w suchym piasku (rys. 2). W niektórych rodzajach gruntów, takich jak suchy less, spójność może zwiększyć opór wewnętrzny do tego stopnia, że grunt może być utrzymywany stroną ściętą pionowo, czyli pod kątem β = 90°. Jeśli jednak zwiększymy wysokość cięcia h w związanej glebie do h1, h2 itd., to kąt nachylenia zbocza wykopu β musi zostać zmniejszony, aby zachować stabilność zbocza. Dla każdego kąta nachylenia β nachylenia wykopu w danym gruncie ograniczonym istnieje jedna wysokość krytyczna hc. Jeśli przekroczymy tę wysokość, zbocze AB nie zostanie utrzymane w równowadze i będzie się ślizgać po powierzchni ślizgowej CD (rys. 3). Do poślizgu doszło na skutek zaburzenia równowagi pomiędzy siłą zewnętrzną, ciężarem własnym masy ziemnej i oporem wewnętrznym, który nie był już wystarczający, aby przeciwstawić się zwiększonej sile zewnętrznej, czyli zwiększonemu ciężarowi masy gruntowej spowodowanemu wzrostem wysokości zbocza h.
Rys. 3. Nachylenie zbocza przesuwające się w gruncie spoistym
Z powyższego wynika, że kąta nachylenia naturalnego gruntu nie można przyjąć jako wartości stałej dla danego gruntu, gdyż jego wartość we wszystkich innych warunkach zależy od wysokości skarpy i maleje wraz ze wzrostem tej wysokości. Często jednak przyjmuje się go dla zboczy o małych wysokościach jako wartość stałą zależną od kąta tarcia wewnętrznego gruntu φ.
Zaburzenie równowagi może również wystąpić bez zwiększania wysokości cięcia h, na przykład gdy zmniejsza się opór wewnętrzny gruntu. Elementy oporu wewnętrznego gruntu związanego, spójności i tarcia są bardzo zmienne i zależne od ilości wody w gruncie. Dlatego w wielu przypadkach przyczyną osuwania się jest przesycenie gleby związanej wodą, które może być tak duże, że gleba nie jest już w stanie utrzymać się pod żadnym nachyleniem i osuwa się pod własnym ciężarem.
Rys. 4. Osuwanie się gleby w wyniku tworzenia się powierzchni ślizgowych
Są różne przypadki osuwania się gruntu na skutek zmniejszenia oporów wewnętrznych, z których wymienimy tutaj kilka charakterystycznych.
Edukacja powierzchni ślizgowych
Jeśli na zboczu poniżej powierzchniowej warstwy przepuszczalnej gleby znajduje się nieprzepuszczalna warstwa gliny (rys. 4a) lub jeśli w warstwie gliny znajduje się nachylona warstwa piasku (rys. 4b), do której może przedostać się woda atmosferyczna lub powierzchniowa (na przykład z zaniedbanego rowu melioracyjnego), może dojść do osunięcia się ziemi. Większa ilość wody przedostaje się przez warstwę przepuszczalną do warstwy gliny, którą silnie zwilża, zmniejszając jej opór na powierzchni, gdzie warstwa górna się ślizga.
Zakłócenie równowagi przez przecięcie cięcia
Wycinki podczas budowy linii kolejowych i dróg zakłócają dotychczasowy stan równowagi, ponieważ w profilu cięcia grunt pozostaje bez podparcia i ma tendencję do przesuwania się w dół pod wpływem grawitacji. Stan równowagi można zachować, jeśli opór wewnętrzny gruntu jest na tyle duży, aby przeciwdziałać tej tendencji, co jest możliwe również wtedy, gdy grunt cięty składa się z warstw silnie nachylonych w kierunku cięcia.
Rys. 5. Osuwanie się terenu w wyniku cięcia warstwowej gleby
Jeśli jednak przecinane będą naprzemiennie warstwy gruntu nieprzepuszczalnego i przepuszczalnego (rys. 5), istnieje możliwość wypłukania gruntu przepuszczalnego i zwilżenia gruntu nieprzepuszczalnego, na którym może nastąpić poślizg.
Niejednorodność gleby
Cienkie warstwy nieprzepuszczalnego materiału w nasypie wykonanym z przepuszczalnej gleby, tak zwane soczewki gliniaste (rys. 6), mogą również powodować poślizg, jeśli dotrze do nich duża ilość wody i utworzy powierzchnię ślizgową.
Rys. 6. Przypadek osunięcia się nasypu na skutek niejednorodnego składu
Wpływ mrozu
Pod wpływem mrozu woda gromadzi się w warstwie powierzchniowej w postaci soczewek lodowych. Podczas rozmrażania soczewki lodowe zamieniają się w wodę, która przesyca glebę do głębokości działania mrozu, w wyniku czego staje się ona płynną masą i traci swoją stabilność.
Przypadek ten występuje tylko na glebach niebezpiecznych dla mrozu i przy dłuższym czasie trwania mrozu, ponieważ tworzenie się soczewek lodowych zajmuje dużo czasu.
Obniżenie poziomu wód gruntowych
W przypadku trwałego obniżenia się poziomu wód gruntowych, np. w wyniku podjęcia prac w ziemi, gleba wysycha, a jeśli jest to glina posiadająca duże spęcznienie, pojawiają się pęknięcia. Dostają się do nich większe ilości wody powierzchniowej i atmosferycznej, zwilżając glebę i zmniejszając jej opór wewnętrzny, co może również prowadzić do osuwisk.
Istnieje także wiele innych przypadków osuwania się terenu, można zatem uznać, że każdy grunt spoisty może w pewnych okolicznościach utracić w większym lub mniejszym stopniu swoje opór wewnętrzny i pod wpływem sił zewnętrznych zostać wprawiony w ruch.
Grunt niespójny jest stabilny tak długo, jak kąt nachylenia skarpy jest mniejszy niż kąt tarcia wewnętrznego gruntu. W przypadku tego typu gleby poślizg występuje tylko wtedy, gdy kąt nachylenia jest większy niż kąt tarcia wewnętrznego. Jeżeli jednak nasyp jest wykonany z niezwiązanego materiału na glebie gliniastej, gleba gliniasta może się osunąć i nasyp zawalić, w związku z czym konieczne jest sprawdzenie stateczności.
Badanie stateczności skarp ziemnych
Kształt powierzchni ślizgowej
Warunek równowagi sił zewnętrznych i wewnętrznego oporu gruntu został wyznaczony przez Coulomba za pomocą równania
τ ≤ c + σ tgϕ
gdzie τ to naprężenie ścinające gruntu, c to spójność, σ to naprężenie normalne na powierzchni ślizgowej, ϕ to kąt tarcia wewnętrznego.
Jeśli opór wewnętrzny gruntu, spójność c i tarcie σ tgϕ nie są wystarczające, aby przeciwstawić się naprężeniom ścinającym gruntu, poślizg następuje na powierzchni ślizgowej wewnątrz gruntu. Istnieją różne formy powierzchni ślizgowych, które zależą od właściwości fizycznych gleby, rozwarstwienia, wilgotności, obciążenia zewnętrznego i innych czynników.
Następujące typowe obudowy przesuwne różnią się w zależności od pozycji:
Rys. 7. Typowe przypadki osuwisk
a) Przesuwanie pionowych boków nacięcia. W przypadku kanałów wodociągowych, kanalizacyjnych itp., wykopanych ze ścianami pionowymi (rys. 7a), w przypadku przekroczenia wysokości krytycznej hc, która zależy od właściwości fizycznych gruntu, następuje poślizg po powierzchni ADC. Osunięcia te zwykle nie występują na całej długości kanału, ale są zlokalizowane, co tłumaczy się nierównomierną wytrzymałością gruntu na ścinanie.
b) Poślizgi na częściowym zboczu (rys. 7b). Osunięcia te często pojawiają się wiosną na wycinkach kolejowych i drogowych i są efektem przesycenia gleby wodą.
c) Osuwanie się zbocza w nocy (rys. 7c). Jest to zsunięcie całego zbocza wykopu lub nasypu na nogę C.
d) Zbocze przesuwające się pod stopami (Rys. 7d). Jest to osunięcie się całego zbocza wykopu lub nasypu oraz gruntu pod stopę. To osunięcie nazywane jest również pęknięciem podłoża lub pęknięciem szwedzkim, od nazwiska Szwedów, którzy je opisali jako pierwsi.
Jeśli chodzi o kształt powierzchni ślizgowej, można jedynie stwierdzić, że powierzchnia ślizgowa w związanym gruncie nie jest prosta, ale jest to powierzchnia zakrzywiona. Niektórzy autorzy przyjmują jako kształt powierzchni ślizgowej łuk kołowy (Fellenius), spiralę logarytmiczną (Rendulić) lub kombinację tych zakrzywionych linii (Brinch Hansen).
Wpływ filtracji wody na stabilność zbocza
Jeśli przed skarpą występuje woda zewnętrzna o poziomie N1 (rys. 8), w glebie za skarpą następuje przepływ wody, co powoduje wewnętrzne ciśnienie wody w porach, w wyniku czego zmniejsza się tarcie pomiędzy cząstkami stałymi i wzrasta naprężenie ścinające w glebie.
Jeżeli poziom wody N1 przed zboczem jest stały, to słup wody H*γW powoduje ciśnienie wody w porach gruntu, co zmniejsza tarcie pomiędzy cząstkami stałymi, w efekcie czego zwiększa się niebezpieczeństwo osuwania się skarpy. Jeżeli jednak poziom N1 jest stały, ciśnienie słupa wody H*γW wypycha cząstki stałe do wnętrza gruntu, przez co w pewnym stopniu zmniejsza się niebezpieczeństwo osunięcia się zbocza. W tym przypadku przy stałym poziomie wody N1 przed zboczem istnieje niebezpieczeństwo osuwania się dolnego zbocza, ponieważ działanie filtracji wody w gruncie powoduje wypychanie cząstek stałych na zewnątrz dolnego zbocza.
Rys. 8. Wpływ filtracji na stabilność skarpy gruntu
Jeśli poziom wody zewnętrznej gwałtownie spadnie z poziomu N1 do N2, wówczas zagrożona jest stabilność zbocza powyżej. W takim przypadku woda wewnętrzna przepływa w porach w kierunku zewnętrznej strony zbocza powyżej, wypychając cząstki stałe w tę stronę.
Z tego powodu, jeśli skarpa gruntowa jest zanurzona w wodzie, przy badaniu stabilności skarpy należy również uwzględnić efekt filtracji wody.
Efekt filtracji wody w glebie zależy od kilku czynników, z których najważniejsze to przepuszczalność gleby, ciśnienie hydrostatyczne wód zewnętrznych, szybkość opadania poziomu wód zewnętrznych i jednorodność gleby.
Jeśli założymy, że nasyp na ryc. 8 o jednorodnie izotropowej masie, pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego wód zewnętrznych poziomu N1, woda będzie przepływać w porach wału w kierunku dolnego zbocza, przy czym poziom wód gruntowych w nasypie będzie się zmniejszał wraz z długością przebytej drogi. Jeśli w nasyp wprowadzimy rury piezometryczne AA’, BB’ i CC’ (rys. 9), woda porowa pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego przedostanie się do tych rur i podniesie się do poziomu N1, który może być taki sam we wszystkich rurach, jeśli punkty A, B i C zostaną tak dobrane, aby wysokości słupa wody w rurach były równe h1, h2 i h3.
Rys. 9. Linie wyrównawcze i prądowe
Jeśli oznaczymy przez h podniesienie poziomu wody N1 względem jakiejś dowolnie wybranej płaszczyzny O-O, to potencjał h dla wszystkich punktów 3, A, B i C jest taki sam. Linia łącząca te trzy punkty to linia ekwipotencjału. Wody gruntowe w glebie nie mogą płynąć tą linią, a jedynie w kierunku punktów o niższym potencjale.
W podobny sposób możemy wybrać w tej samej masie punkty D, E i F o niższym potencjale h ― Δh. Linią łączącą te trzy punkty jest linia ekwipotencjalności potencjału h Δh. Przepływ wody z punktu A linii ekwipotencjalnej ABC do jakiegoś nieskończenie bliskiego punktu D linii ekwipotencjalnej DEF będzie istniał w kierunku największego spadku hydraulicznego imax, czyli w kierunku najmniejszej odległości Δlmin = AD. Oznacza to, że linia AD, wzdłuż której przepływa woda, jest prostopadła do obu linii ekwipotencjalnych, ponieważ
imax = Δh / Δlmin
gdzie Δlmin jest normalne do obu linii ekwipotencjalnych. Te normalne do linii ekwipotencjalnych są kierunkami przepływu wody w masie przepuszczalnej i nazywane są liniami prądu. Wspólnota linii ekwipotencjalnych i prądowych, wzajemnie prostopadłych do siebie, tworzy sieć przepływową.
Sieci przepływowe mają różne kształty w zależności od przepuszczalności masy. Najczęstszym przypadkiem jest nasyp z masy przepuszczalnej na gruncie nieprzepuszczalnym, czyli na gruncie, który można uczynić nieprzepuszczalnym (rys. 10). W tym przypadku, jeśli zewnętrzny poziom wody jest stały, linie prądu znajdują się w środkowej części paraboli.
Rys. 10. Sieć przepływowa w przepuszczalnym nasypie na glebie nieprzepuszczalnej
Na zboczu górnym parabole łączą się z liniami prostopadłymi do zbocza, co reprezentuje linię ekwipotencjalną, ponieważ na stałym poziomie N1 woda nie spływa w dół zbocza. Przy zboczu w dół parabole kończą się stycznie do zbocza, które nie jest ani linią ekwipotencjalną, ani linią prądu. Powierzchnia gruntu nieprzepuszczalnego poniżej nasypu jest opływowa, gdyż woda w dnie nasypu przepływa równolegle do tej powierzchni. W górnej części sieć przepływowa kończy się podstawową parabolą zwaną linią przesączania, która reprezentuje granicę gruntu pod działaniem filtracji. Poniżej tej granicy gleba podlega filtracji pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego wody zewnętrznej H*γW, natomiast w glebie powyżej nie następuje filtracja. Linię przesiąkania nazywa się również linią nasycenia, ponieważ zakłada się, że gleba poniżej jest całkowicie nasycona wodą, natomiast powyżej jest częściowo nasycona.
Rzeczywista ocena nachylenia musi obejmować badania, stratyfikację, parametry wytrzymałościowe, wody gruntowe i powierzchniowe, zmiany poziomu, drenaż, badania sejsmiczne, fazy wykopów lub nasypów, sąsiednie konstrukcje i warunki tymczasowe. Wykopy bez odpowiedniego zabezpieczenia i wejście w strefę możliwego osuwiska nie są bezpieczne ani w świetle ogólnego tekstu, ani samego kształtu skarpy.