Arhivska strokovna vsebina in resno tveganje: članek ohranja zgodovinski prikaz stabilnosti pobočij, simbole, formule in diagrame iz izvirnega besedila. Ne gre za geotehnični elaborat, projekt izkopa ali nasipa, stabilnostni izračun, načrt odvodnjavanja, oceno plazljivosti ali navodila za delo. Nestabilno pobočje lahko nenadoma pokoplje ljudi, zgradbe in ceste; opažene razpoke, izbokline, motno vodo, nenadno posedanje ali premik je treba obravnavati kot razlog za odmik od nevarnega območja in nujno strokovno oceno.
Savo Kusić se danes osredotoča na lesena okna, les-alu okna, okna po meri, vrata in prošnje za ponudbe. Ta članek ostane kot tehnični arhiv in ne predstavlja ponudbe geotehničnega projektiranja, nadzora ali izvedbe zemeljskih del.
Pri grajenih zemeljskih delih, kot so useki, nasipi in kanali, se končna pobočja včasih zrušijo. In naravno pobočje, brez umetnih del, se lahko premakne nenadoma in z veliko silo ali zelo počasi. Ti pojavi so že dolgo predmet geoloških in geomehanskih študij, katerih cilj je oceniti stabilnost na podlagi fizikalnih značilnosti tal in pogojev vsakega posameznega primera.
Vzroki gibanja zemeljskih mas
Pogoj za stabilnost katere koli zemljine, ne glede na to, ali gre za umetni zemeljski objekt ali naravno zemljo, je, da obstaja ravnovesje med zunanjimi silami in notranjim uporom zemlje. Zunanje sile so predvsem lastna teža tal, ki je običajno edina zunanja sila, sledijo ji vse druge zunanje obremenitve, ki delujejo na pobočje, stalne ali gibljive. Notranji upor je sestavljen iz kohezije in trenja v vezanih tleh, in samo trenja v nevezanih tleh.
Sl. 1. Nagib nasipa rahle zemlje
Če opazujemo nasip višine h iz popolnoma zrahljane zemlje, na primer iz suhega zbitega peska, ugotovimo, da je pobočje tega nasipa nagnjeno pod kotom β glede na horizontalo (slika 1). Velikost kota β je odvisna od več dejavnikov, kot so velikost zrn, oblika zrn in zgoščenost. Če povečamo višino nasipa h na h1, h2 itd. z enakim nevezanim materialom enake zbitosti, se kot β ne spremeni, naklon nasipa bo ostal v enakem naklonu do neomejene višine h. Za dano zrahljano zemljo je naravni kot naklona β neodvisen od višine pobočja h. Velikost kota β za nevezana tla je odvisna od kota notranjega trenja tal φ in se predpostavlja, da je nekoliko manjši od njega ali enak, β ≤ φ.
Sl. 2. Rezanje naklona v vezani zemlji
Če opazujemo rez v vezani prsti, bomo ugotovili, da je naklon zareza ohranjen pod močnejšim naklonom 1:m, to je pod večjim kotom β zaradi dejstva, da je notranji upor vezane zemlje povečan zaradi kohezije, ki je v suhem pesku ni (slika 2). V določenih vrstah tal, kot je suhi les, lahko kohezija poveča notranji upor do te mere, da se tla lahko držijo z navpično prerezano stranjo, to je pod kotom β = 90°. Če pa povečamo višino košnje h v vezani zemlji na h1, h2 itd., je treba zmanjšati kot nagiba pobočja reza β, da ohranimo pobočje v stabilnosti. Za vsak kot naklona β naklona reza v dani omejeni zemlji obstaja ena kritična višina hc. Če presežemo to višino, naklon AB ne bo ostal v ravnovesju in bo drsel po drsni površini CD (slika 3). Do zdrsa je prišlo zaradi motenj v ravnovesju med zunanjo silo, lastno težo zemeljske mase in notranjim uporom, ki ni bil več zadosten za zoperstavljanje povečani zunanji sili, to je povečani teži zemeljske mase zaradi naraščanja višine pobočja h.
Sl. 3. Drsenje pobočja v kohezivnih tleh
Iz navedenega sledi, da kota naravnega naklona tal ne moremo sprejeti kot konstantne vrednosti za dano zemljo, saj je njegova vrednost pri vseh drugih pogojih odvisna od višine naklona in pada z naraščanjem te višine. Vendar se pogosto uporablja za pobočja majhnih višin kot konstantna vrednost, odvisna od kota notranjega trenja tal φ.
Motnje v ravnovesju se lahko pojavijo tudi brez povečanja višine reza h, na primer, ko se zmanjša notranji upor tal. Elementi notranjega upora vezane zemljine, kohezija in trenje, so zelo spremenljivi in odvisni od količine vode v zemljini. Zato je velikokrat vzrok za zdrs prenasičenost z vodo vezanih tal, ki je lahko tako velika, da se tla ne morejo več držati pod nobenim naklonom, ampak zdrsnejo zaradi lastne teže.
Sl. 4. Drsenje tal zaradi oblikovanja drsnih površin
Obstajajo različni primeri drsenja tal zaradi zmanjšanja notranjega upora, od katerih bomo tukaj omenili nekaj značilnih.
Izobraževanje drsnih površin
Če je na pobočju pod površinsko plastjo prepustnih tal neprepustna plast gline (slika 4a) ali če je v plasti gline nagnjena plast peska (slika 4b), v katero lahko seže atmosferska ali površinska voda (na primer iz zanemarjenega drenažnega jarka), lahko nastanejo zemeljski plazovi. Večja količina vode prehaja skozi prepustno plast v glineno plast, ki jo močno zmoči in zmanjša njen upor na površini, kjer zgornja plast drsi.
Motnja ravnotežja zaradi ureznine
Zaseki pri gradnji železnic in cest porušijo prejšnje stanje ravnotežja, saj v profilu zareza zemljina ostane brez podpore in se zaradi gravitacije pomika navzdol. Stanje ravnovesja je mogoče vzdrževati, če je notranji upor tal dovolj velik, da prepreči to težnjo, kar je tudi mogoče, če je posekana zemlja sestavljena iz močno nagnjenih plasti proti rezu.
Sl. 5. Zdrs terena zaradi useka v plastovito zemljo
Če pa izmenično režemo plasti neprepustne in prepustne zemlje (slika 5), obstaja možnost izpiranja prepustne zemlje in namočenja neprepustne zemlje, na kateri lahko pride do zdrsa.
Nehomogenost tal
Tanke plasti neprepustnega materiala v nasipu iz prepustne zemlje, tako imenovane glinene leče (slika 6), lahko povzročijo tudi zdrs, če jih doseže velika količina vode in tvori drsno površino.
Sl. 6. Primer zdrsa brežine zaradi nehomogene sestave
Učinek zmrzali
Pod vplivom zmrzali se voda nabira v površinski plasti v obliki ledenih leč. Med odtaljevanjem se ledene leče spremenijo v vodo, ki prenasiči zemljo do globine delovanja zmrzali, zaradi česar postane tekoča masa in izgubi stabilnost.
Ta primer se pojavi samo v zmrzali nevarnih tleh in pri daljšem trajanju zmrzali, ker je potrebno veliko časa za nastanek ledenih leč.
Znižanje nivoja podtalnice
Ko je gladina podzemne vode trajno znižana, na primer zaradi izvajanja del v zemlji, se zemlja izsuši in, če gre za ilovico, ki ima veliko nabreklost, nastanejo razpoke. Vanje pridejo večje količine površinske in atmosferske vode, ki omočijo zemljo in zmanjšajo njen notranji upor, kar lahko vodi tudi do zemeljskih plazov.
Obstajajo tudi številni drugi primeri drsenja terena, zato lahko štejemo, da lahko vsaka koherentna zemljina pod določenimi pogoji v večji ali manjši meri izgubi svoj notranji upor in se pod vplivom zunanjih sil premakne.
Nekoherentna zemljina je stabilna, dokler je kot naklona pobočja manjši od kota notranjega trenja zemljine. Pri tej vrsti tal pride do drsenja le, če je kot naklona večji od kota notranjega trenja. Če pa je nasip iz nevezanega materiala na ilovnatih tleh, lahko pride do zdrsa ilovnatih zemljin in porušitve nasipa, zato je treba preveriti stabilnost.
Testiranje stabilnosti zemeljskih pobočij
Oblika drsne površine
Pogoj ravnovesja med zunanjimi silami in notranjim uporom tal je postavil Coulomb s svojo enačbo
τ ≤ c + σ tgϕ
kjer je τ strižna napetost tal, c je kohezija, σ normalna napetost na drsni površini, ϕ je kot notranjega trenja.
Če notranji upor tal, kohezija c in trenje σ tgϕ ne zadostujejo za zoperstavljanje strižni napetosti tal, pride do drsenja na drsni površini znotraj tal. Obstajajo različne oblike drsnih površin, ki so odvisne od fizikalnih lastnosti tal, slojevitosti, vlažnosti, zunanjih obremenitev in drugih dejavnikov.
Naslednja tipična drsna ohišja se razlikujejo glede na položaj:
Sl. 7. Tipični primeri zemeljskih plazov
a) Drsenje navpičnih stranic reza. Pri kanalih za vodovod, kanalizacijo ipd., ki so vkopani z navpičnimi stranicami (slika 7a), če je prekoračena kritična višina hc, ki je odvisna od fizikalnih lastnosti tal, pride do drsenja po površini ADC. Ti zdrsi običajno niso po celotni dolžini kanala, ampak so lokalizirani, kar je razloženo z neenakomerno strižno trdnostjo tal.
b) Delni zdrsi pobočij (slika 7b). Ti zdrsi se pogosto pojavijo spomladi na železniških in cestnih usekih in so posledica prenasičenosti tal z vodo.
c) Drzenje pobočja ponoči (slika 7c). Gre za zdrs celotnega pobočja useka ali nasipa do kraka C.
d) Drzanje pobočja pod nogami (slika 7d). Gre za zdrs celotnega brežine vkopa oziroma nasipa in zemljine pod temeljem. Ta zdrs se imenuje tudi podzemni prelom ali švedski prelom, po Švedih, ki so ga prvi opisali.
Glede oblike drsne ploskve lahko trdimo le, da drsna ploskev v vezani zemljini ni ravna, ampak da gre za ukrivljeno ploskev. Nekateri avtorji kot obliko drsne površine sprejmejo krožni lok (Fellenius), logaritemsko spiralo (Rendulić) ali kombinacijo teh ukrivljenih linij (Brinch Hansen).
Vpliv filtracije vode na stabilnost pobočij
Če je pred pobočjem zunanja voda z nivojem N1 (sl. 8), pride v tleh za pobočjem do toka vode, ki povzroči notranji pritisk vode v porah, zaradi česar se zmanjša trenje med trdnimi delci in strižna napetost v tleh. poveča.
Če je gladina vode N1 pred pobočjem stalna, vodni stolpec H*γW povzroči pritisk vode v porah tal, kar zmanjša trenje med trdnimi delci, posledično se poveča nevarnost zdrsa pobočja. Ko pa je gladina N1 stalna, tlak vodnega stolpca H*γW potiska trdne delce proti notranjosti tal, zaradi česar se nevarnost zdrsa pobočij nekoliko zmanjša. V tem primeru ob stalnem vodostaju N1 pred pobočjem obstaja nevarnost zdrsa dolvodnega pobočja, saj delovanje filtracije vode v tleh povzroči potiskanje trdnih delcev proti zunanjosti dolvodnega pobočja.
Sl. 8. Vpliv filtracije na stabilnost pobočja tal
Če zunanji vodostaj močno pade od nivoja N1 do N2, je stabilnost gorvodnega pobočja ogrožena. V tem primeru notranja voda teče v porah proti zunanji strani gorvodnega pobočja in potiska trdne delce proti tej strani.
Zaradi vsega tega, če je pobočje tal potopljeno v vodo, je treba pri testiranju stabilnosti pobočja upoštevati tudi učinek filtracije vode.
Učinek filtracije vode v tleh je odvisen od več dejavnikov, med katerimi so najpomembnejši prepustnost tal, hidrostatični tlak zunanje vode, stopnja upadanja nivoja zunanje vode in homogenost tal.
Če predpostavimo, da je nasip na sl. 8 homogeno izotropne mase bo pod vplivom hidrostatičnega pritiska zunanje vode nivoja N1 voda tekla v porah nasipa v smeri dolvodnega pobočja, pri čemer se bo gladina podzemne vode v nasipu zniževala z dolžino prevožene ceste. Če v nasip uvedemo piezometrske cevi AA’, BB’ in CC’ (sl. 9), bo pora voda pod vplivom hidrostatičnega tlaka vstopila v te cevi in se dvignila do nivoja N1, ki je lahko enak v vseh ceveh, če so točke A, B in C izbrane tako, da višine vode stolpec v cevi so h1, h2 in h3.
Sl. 9. Ekvipotencialni in tokovni vodi
Če z h označimo višino nivoja vode N1 glede na neko poljubno izbrano ravnino O-O, potem je potencial h za vse 3 točke, A, B in C enak. Premica, ki povezuje te tri točke, je ekvipotencialna premica. Podtalnica v tleh ne more teči vzdolž te črte, ampak samo v smeri točk z nižjim potencialom.
Na podoben način lahko v isti masi izberemo točke D, E in F z nižjim potencialom h ― Δh. Premica, ki povezuje te tri točke, je ekvipotencialna premica potenciala h ― Δh. Tok vode od točke A ekvipotencialne premice ABC do neke neskončno bližnje točke D ekvipotencialne premice DEF bo obstajal v smeri največjega hidravličnega padca imax, to je v smeri najmanjše razdalje Δlmin = AD. To pomeni, da je premica AD, po kateri teče voda, pravokotna na obe ekvipotencialni premici, ker
imax = Δh / Δlmin
kjer je Δlmin normala na obe ekvipotencialni črti. Te normale na ekvipotencialne črte so smeri toka vode v prepustni masi in se imenujejo tokovne črte. Skupnost ekvipotencialnih in tokovnih vodov, medsebojno pravokotnih drug na drugega, tvori tokovno mrežo.
Pretočne mreže imajo različne oblike glede na masno prepustnost. Najpogostejši primer je nasip iz prepustne mase na nepropustnih tleh, torej na tleh, ki jih je mogoče narediti neprepustne (slika 10). V tem primeru, če je zunanja gladina vode konstantna, so tokovne črte v svojem srednjem delu parabole.
Sl. 10. Pretočno omrežje v prepustnem nasipu na neprepustnih tleh
Na gorvodnem pobočju se paraboli povežeta s premicami, pravokotnimi na pobočje, ki predstavljajo ekvipotencialno premico, saj pri konstantnem nivoju N1 voda ne teče po pobočju. Pri dolvodnem pobočju se parabole končajo tangencialno na pobočje, ki ni niti ekvipotencialna niti tokovna črta. Površina neprepustnih zemljin pod nasipom je potočna, ker voda na dnu nasipa teče vzporedno s to površino. V zgornjem delu se točna mreža zaključi z osnovno parabolo, imenovano procedna linija, ki predstavlja mejo tal pod delovanjem filtracije. Pod to mejo so tla pod vplivom filtracije zaradi hidrostatičnega tlaka zunanje vode H*γW, medtem ko v tleh nad njo filtracije ni. Linija pronicanja se imenuje tudi črta nasičenosti, saj se predpostavlja, da so tla pod njo popolnoma nasičena z vodo, nad njo pa delno nasičena.
Dejanska ocena naklona mora vključevati raziskavo, stratifikacijo, parametre trdnosti, podtalnico in površinsko vodo, spremembe nivoja, drenažo, potres, faze izkopa ali nasutja, sosednje strukture in začasne razmere. Izkop brez ustrezne zaščite in vstop v cono možnega plazu nista varna glede na splošno besedilo ali samo obliko pobočja.