Odborný obsah archívu a vážne riziko: článok zachováva historický popis stability svahu, symboly, vzorce a diagramy z pôvodného textu. Nejde o geotechnickú štúdiu, projekt výkopu alebo násypu, výpočet stability, plán odvodnenia, posúdenie zosuvu alebo pracovný návod. Nestabilný svah môže náhle pochovať ľudí, budovy a cesty; pozorované trhliny, vydutia, zakalená voda, náhle poklesnutie alebo premiestnenie by sa mali považovať za dôvod na vzdialenie sa z nebezpečnej zóny a na naliehavé odborné posúdenie.
Dnes sa Savo Kusić zameriava na drevené okná, drevo-hliníkové okná, vlastné okná, dvere a žiadosti o cenovú ponuku. Tento článok zostáva ako technický archív a nepredstavuje ponuku geotechnického návrhu, dozoru alebo vykonania zemných prác.
Pri vybudovaných zemných prácach, ako sú zárezy, násypy a kanály, sa konečné svahy niekedy zrútia. A prirodzený svah bez umelých prác sa môže pohybovať náhle a s veľkou silou alebo veľmi pomaly. Tieto javy sú dlhodobo predmetom geologických a geomechanických štúdií s cieľom vyhodnotiť stabilitu z fyzikálnych charakteristík pôdy a podmienok každého jednotlivého prípadu.
Príčiny pohybu zemských hmôt
Podmienkou stability akejkoľvek pôdy, či už umelého hlineného objektu alebo prírodnej pôdy, je rovnováha medzi vonkajšími silami a vnútorným odporom pôdy. Vonkajšie sily sú predovšetkým vlastnou váhou pôdy, ktorá je zvyčajne jedinou vonkajšou silou, po ktorej nasleduje akékoľvek iné vonkajšie zaťaženie pôsobiace na svah, trvalé alebo pohyblivé. Vnútorný odpor pozostáva zo súdržnosti a trenia vo viazanej pôde a iba z trenia v neviazanej pôde.
Obr. 1. Sklon násypu voľnej pôdy
Ak pozorujeme násyp výšky h vytvorený z úplne voľnej pôdy, napríklad suchého zhutneného piesku, určíme, že sklon tohto násypu je sklonený pod uhlom β k horizontále (obr. 1). Veľkosť uhla β závisí od viacerých faktorov ako je veľkosť zrna, tvar zrna a zhutnenie. Ak pri rovnakom neviazanom materiáli rovnakého zhutnenia zväčšíme výšku násypu h na h1, h2 atď., uhol β sa nezmení, sklon násypu zostane v rovnakom sklone až do neobmedzenej výšky h. Pre danú sypkú pôdu je prirodzený uhol sklonu β nezávislý od výšky svahu h. Veľkosť uhla β pre neviazanú zeminu závisí od uhla vnútorného trenia pôdy φ a predpokladá sa, že je o niečo menší, alebo sa mu rovná, β ≤ φ.
Obr. 2. Sklon kosenia vo viazanej pôde
Ak sa pozrieme na rez urobený vo viazanej pôde, zistíme, že sklon rezu je dodržaný pod silnejším sklonom1:m, teda pod väčším uhlom β v dôsledku toho, že vnútorný odpor viazanej zeminy je zvýšený súdržnosťou, ktorá v suchom piesku neexistuje (obr.2). V určitých typoch pôd, ako sú suché spraše, môže súdržnosť zvýšiť vnútorný odpor do takej miery, že pôdu možno držať zvisle zrezanou stranou, t.j. pod uhlom β =90°. Ak však zvýšime výšku kosenia h vo viazanej pôde na h1, h2 atď., treba zmenšiť uhol sklonu skosenia rezu β, aby sa skosenie udržalo v stabilite. Pre každý uhol sklonu β sklonu zárezu v danej ohraničenej pôde existuje jedna kritická výška hc. Ak túto výšku prekročíme, sklon AB sa neudrží v rovnováhe a bude sa kĺzať po klznej ploche CD (obr.3). K zosuvu došlo v dôsledku poruchy rovnováhy medzi vonkajšou silou, vlastnou hmotnosťou zemskej hmoty a vnútorným odporom, ktorá už nestačila odolávať zvýšenej vonkajšej sile, t.j. zvýšenej hmotnosti zemnej hmoty spôsobenej nárastom výšky svahu h.
Sl.3. Sklon rezu v súdržnej pôde
Z uvedeného vyplýva, že uhol prirodzeného sklonu pôdy nemožno pre danú pôdu prijať ako konštantnú hodnotu, keďže jeho hodnota za všetkých ostatných podmienok závisí od výšky svahu a s rastom tejto výšky klesá. Často sa však používa pre svahy malých výšok ako konštantná hodnota v závislosti od uhla vnútorného trenia pôdy φ.
Narušenie rovnováhy môže nastať aj bez zvýšenia výšky kosenia h, napríklad keď sa zníži vnútorný odpor pôdy. Prvky vnútorného odporu viazanej zeminy, súdržnosť a trenie, sú veľmi variabilné a závislé od množstva vody v pôde. Príčinou zosuvu je preto v mnohých prípadoch presýtenie vodou viazanej pôdy, ktoré môže byť také veľké, že pôda už nie je schopná podoprieť sa pod žiadnym svahom, ale zosúva sa vlastnou váhou.
Obr. 4. Kĺzanie pôdy v dôsledku vytvárania klzných plôch
Existujú rôzne prípady zosuvu pôdy v dôsledku zníženia vnútorného odporu, z ktorých tu spomenieme niekoľko charakteristických.
Vzdelávanie klzných plôch
Ak je na svahu pod povrchovou vrstvou priepustnej zeminy nepriepustná vrstva ílu (obr. 4a), alebo ak je v ílovitej vrstve naklonená vrstva piesku (obr. 4b), do ktorej môže zasahovať atmosferický alebo povrchový zosuv napr. Väčšie množstvo vody prechádza cez priepustnú vrstvu do ílovej vrstvy, ktorú silne zmáča, čím znižuje jej odpor na povrchu, kde sa vrchná vrstva šmýka.
Narušenie rovnováhy rezaním
Rezné rezy pri výstavbe železníc a ciest narúšajú predchádzajúci stav rovnováhy, pretože v profile rezu zostáva pôda bez opory a má tendenciu gravitáciou sa pohybovať smerom nadol. Rovnovážny stav možno udržať, ak je vnútorný odpor pôdy dostatočne veľký na to, aby čelil tejto tendencii, čo je tiež možné, keď pokosená zemina pozostáva zo silne naklonených vrstiev smerom k zárezu.
Obr. 5. Posúvanie terénu v dôsledku kosenia vo vrstvenej pôde
Ak sa však striedavo režú vrstvy nepriepustnej a priepustnej zeminy (obr. 5), existuje možnosť vylúhovania priepustnej zeminy a zamokrenia nepriepustnej zeminy, na ktorej môže dôjsť k zošmyknutiu.
Nehomogenita pôdy
Tenké vrstvy nepriepustného materiálu v násype z priepustnej zeminy, takzvané hlinené šošovky (obr. 6), môžu tiež spôsobiť skĺznutie, ak sa k nim dostane veľké množstvo vody a vytvorí klznú plochu.
Obr. 6. Prípad zosuvu násypu v dôsledku nehomogénneho zloženia
Účinok mrazu
Vplyvom mrazu sa v povrchovej vrstve hromadí voda vo forme ľadových šošoviek. Počas rozmrazovania sa ľadové šošovky menia na vodu, ktorá presýti pôdu až do hĺbky pôsobenia mrazu, v dôsledku čoho sa stáva tekutou hmotou a stráca svoju stabilitu.
Tento prípad sa vyskytuje len v pôde ohrozenej mrazom a s dlhším trvaním mrazu, pretože tvorba ľadových šošoviek si vyžaduje veľa času.
Zníženie hladiny podzemnej vody
Pri trvalom znížení hladiny podzemnej vody, napríklad pri prácach v zemi, pôda vysychá a ak ide o íl, ktorý má veľké napučiavanie, vznikajú trhliny. Dostáva sa do nich väčšie množstvo povrchovej a atmosférickej vody, ktorá zmáča pôdu a znižuje jej vnútorný odpor, čo môže viesť aj k zosuvom pôdy.
Existuje aj mnoho ďalších prípadov zosuvu terénu, takže možno uvažovať o tom, že každá súdržná zemina môže za určitých okolností vo väčšej či menšej miere stratiť svoj vnútorný odpor a vplyvom vonkajších síl sa dať do pohybu.
Nekoherentná zemina je stabilná, pokiaľ je uhol sklonu svahu menší ako uhol vnútorného trenia zeminy. Pri tomto type pôdy k zosuvu dochádza len vtedy, ak je uhol sklonu väčší ako uhol vnútorného trenia. Ak je však násyp vyrobený z neviazaného materiálu na ílovitej zemine, ílovitá zemina sa môže zošmyknúť a násyp sa zrúti a je potrebné skontrolovať stabilitu.
Testovanie stability zemných svahov
Tvar posuvnej plochy
Podmienku rovnováhy medzi vonkajšími silami a vnútorným odporom pôdy stanovil Coulomb svojou rovnicou
τ ≤ c + σ tgϕ
kde τ je šmykové napätie pôdy, c je súdržnosť, σ je normálové napätie na klznom povrchu, ϕ je uhol vnútorného trenia.
Ak vnútorný odpor pôdy, súdržnosť c a trenie σ tgϕ nie sú dostatočné na to, aby odolali šmykovému namáhaniu pôdy, na klznom povrchu vo vnútri pôdy dochádza k zosuvu. Existujú rôzne formy zosuvných plôch, ktoré závisia od fyzikálnych vlastností pôdy, stratifikácie, vlhkosti, vonkajšieho zaťaženia a iných faktorov.
Nasledovné typické posuvné prípady sa líšia podľa polohy:
Obr. 7. Typické prípady zosuvov pôdy
a) Posúvanie zvislých strán rezu. V prípade kanálov pre vodovod, kanalizáciu a pod., ktoré sú kopané so zvislými stenami (obr. 7a), pri prekročení kritickej výšky hc, ktorá závisí od fyzikálnych vlastností pôdy, dochádza k zosuvu po povrchu ADC. Tieto zosuvy zvyčajne nie sú po celej dĺžke kanála, ale sú lokalizované, čo sa vysvetľuje nerovnomernou pevnosťou pôdy v šmyku.
b) Čiastočné zosuvy svahov (obr. 7b). Tieto pošmyknutia sa často objavujú na jar na železničných a cestných zárezoch a sú výsledkom presýtenia pôdy vodou.
c) Kĺzanie svahov v noci (obr. 7c). Je to zosuv celého sklonu zárezu alebo násypu k ramenu C.
d) Sklon kĺzania pod nohami (obr. 7d). Ide o zosuv celého svahu zárezu alebo násypu a zeminy pod pätkou. Tento sklz sa tiež nazýva podložná zlomenina alebo švédska zlomenina podľa Švédov, ktorí ju popísali ako prví.
Pokiaľ ide o tvar zosuvnej plochy, možno len tvrdiť, že klzná plocha vo viazanej zemine nie je rovná, ale že ide o zakrivenú plochu. Niektorí autori používajú ako tvar klznej plochy kruhový oblúk (Fellenius), logaritmickú špirálu (Rendulić) alebo kombináciu týchto zakrivených čiar (Brinch Hansen).
Vplyv filtrácie vody na stabilitu svahu
Ak je pred svahom vonkajšia voda s úrovňou N1 (obr.8), dochádza v pôde za svahom k prúdeniu vody, čo spôsobuje vnútorný tlak vody v póroch, v dôsledku čoho sa znižuje trenie medzi pevnými časticami a zvyšuje sa šmykové napätie v pôde.
Ak je úroveň N1 vody pred svahom konštantný, vodný stĺpec H*γW spôsobuje tlak vody v póroch pôdy, čím sa znižuje trenie medzi pevnými časticami, v dôsledku čoho sa zvyšuje nebezpečenstvo zosuvu svahu. Keď je však úroveň N1 konštantná, tlak vodného stĺpca H*γW tlačí pevné častice smerom dovnútra pôdy, čím sa do určitej miery znižuje nebezpečenstvo zosuvu svahov. V tomto prípade pri konštantnej hladine vody N1 pred svahom hrozí zosuv dolného svahu, pretože vplyvom filtrácie vody v pôde dochádza k vytláčaniu pevných častíc smerom na vonkajšiu stranu dolného svahu.
Sl.8. Vplyv filtrácie na stabilitu svahu pôdy
Ak vonkajšia hladina vody prudko klesne z úrovne N1 na N2 vtedy je ohrozená stabilita návodného svahu. V tomto prípade voda z vnútorných pórov prúdi smerom k vonkajšej strane protiprúdneho svahu a tlačí pevné častice smerom k tejto strane.
Kvôli tomu všetkému, ak je svah pôdy ponorený do vody, treba pri testovaní stability svahu brať do úvahy aj vplyv filtrácie vody.
Efekt filtrácie vody v pôde závisí od viacerých faktorov, z ktorých najdôležitejšie sú priepustnosť pôdy, hydrostatický tlak vonkajšej vody, rýchlosť poklesu vonkajšej hladiny vody a homogenita pôdy.
Ak predpokladáme, že násyp na obr. 8 homogénne izotropnej hmoty bude vplyvom hydrostatického tlaku vonkajšej vody hladiny N1 stekať voda v póroch násypu v smere dolného svahu, pričom hladina podzemnej vody v násype bude s dĺžkou prejdenej cesty klesať. Ak zavedieme piezometrové rúrky AA’, BB’ a CC’ do násypu (obr. 9), voda z pórov pod vplyvom hydrostatického tlaku vnikne do týchto rúrok a vystúpi na úroveň N1, ktorá môže byť vo všetkých rúrach rovnaká, ak sú body __A v stĺpci vody zvolené tak, potrubia sú h1, h2 a h3.
Obr. 9. Ekvipotenciálne a prúdové vedenia
Ak označíme h výšku hladiny N1 vo vzťahu k niektorej ľubovoľne zvolenej rovine O-O, potom potenciál h pre všetky body 3, A, B a C je rovnaký. Čiara spájajúca tieto tri body je ekvipotenciálna čiara. Podzemná voda v pôde nemôže prúdiť pozdĺž tejto čiary, ale iba v smere bodov s nižším potenciálom.
Podobným spôsobom môžeme vybrať v rovnakej hmotnosti body D, E a F s nižším potenciálom h ― Δh. Čiara, ktorá spája tieto tri body, je ekvipotenciálna čiara potenciálu h ― Δh. Prúdenie vody z bodu A ekvipotenciálnej čiary ABC do nejakého nekonečne blízkeho bodu D ekvipotenciálnej čiary DEF bude existovať v smere najväčšieho hydraulického poklesu imin v smere najmenšej Δ = najmenšej vzdialenosti Δl. AD. To znamená, že čiara AD, pozdĺž ktorej voda tečie, je kolmá na obe ekvipotenciálne čiary, pretože
imax = Δh / Δlmin
kde Δlmin je normálna k obom ekvipotenciálnym čiaram. Tieto normály k ekvipotenciálnym čiaram sú smery toku vody v priepustnej hmote a nazývajú sa prúdové čiary. Spoločenstvo ekvipotenciálnych a prúdových vedení, navzájom kolmých na seba, tvorí sieť tokov.
Siete tokov majú rôzne tvary podľa priepustnosti hmoty. Najčastejším prípadom je násyp z priepustnej hmoty na nepriepustnú pôdu, teda na pôdu, ktorú možno urobiť nepriepustnou (obr. 10). V tomto prípade, ak je vonkajšia hladina vody konštantná, prúdnice sú v strednej časti paraboly.
Obr. 10. Prietočná sieť v priepustnom násype na nepriepustnej pôde
Na svahu proti prúdu sa paraboly spájajú s čiarami kolmými na svah, čo predstavuje ekvipotenciálnu čiaru, pretože pri konštantnej hladine N1 voda po svahu netečie. So sklonom po prúde končia paraboly tangenciálne k svahu, ktorý nie je ani ekvipotenciálnou čiarou, ani prúdovou čiarou. Povrch nepriepustnej pôdy pod násypom je prúdnicový, pretože voda na dne násypu tečie rovnobežne s týmto povrchom. V hornej časti je sieť prúdenia zakončená základnou parabolou nazývanou priesaková čiara, ktorá predstavuje hranicu pôdy pri pôsobení filtrácie. Pod touto hranicou je pôda pod vplyvom hydrostatického tlaku vonkajšej vody H*γW filtráciou, pričom v pôde nad ňou nie je žiadna filtrácia. Priesaková čiara sa tiež nazýva čiara nasýtenia, pretože sa predpokladá, že pôda pod ňou je úplne nasýtená vodou, zatiaľ čo nad ňou je čiastočne nasýtená.
Skutočné hodnotenie sklonu musí zahŕňať prieskum, stratifikáciu, pevnostné parametre, podzemnú a povrchovú vodu, zmeny hladiny, drenáž, seizmickú fázu, výkopové alebo výplňové fázy, priľahlé konštrukcie a dočasné podmienky. Výkopy bez náležitej ochrany a vstup do zóny možného zosuvu nie sú bezpečné na základe všeobecného textu alebo tvaru samotného svahu.