Stabilitet av jordsluttningar

Arkivexpertinnehåll och allvarlig risk: artikeln bevarar den historiska redogörelsen för sluttningsstabilitet, symboler, formler och diagram från originaltexten. Det är inte en geoteknisk undersökning, schakt- eller invallningsprojekt, stabilitetsberäkning, dräneringsplan, skredbedömning eller arbetsinstruktion. En instabil sluttning kan plötsligt begrava människor, byggnader och vägar; observerade sprickor, utbuktningar, grumligt vatten, plötslig sättning eller förskjutning bör behandlas som skäl för att flytta bort från farozonen och brådskande professionell utvärdering.

Idag är Savo Kusić fokuserad på träfönster, trä-aluminiumfönster, anpassade fönster, dörr och offertförfrågningar. Denna artikel förblir ett tekniskt arkiv och representerar inte ett erbjudande om geoteknisk projektering, övervakning eller utförande av markarbeten.

För konstruerade jordstrukturer som skärningar, vallar och kanaler kollapsar de slutliga sluttningarna ibland. Och en naturlig sluttning, utan konstgjorda verk, kan röra sig plötsligt och med stor kraft eller mycket långsamt. Dessa fenomen har länge varit föremål för geologiska och geomekaniska studier, i syfte att utvärdera stabiliteten utifrån markens fysiska egenskaper och förhållandena i varje enskilt fall.

Orsaker till rörelse av jordmassor

Förutsättningen för stabiliteten i varje jord, oavsett om det är ett konstgjort jordobjekt eller en naturlig jord, är att det finns en balans mellan yttre krafter och inre jordmotstånd. Yttre krafter är i första hand markens egen vikt, som vanligtvis är den enda yttre kraften, följt av någon annan yttre last som verkar på sluttningen, permanent eller rörlig. Det inre motståndet består av kohesion och friktion i bunden jord, och endast friktion i obunden jord.

Fig. 1. Lutning av lös markvall

Om vi ​​observerar en vall på höjden h gjord av helt lös jord, till exempel torr packad sand, kommer vi att bestämma att lutningen på den vallen lutar i en vinkel β mot horisontalplanet (fig. 1). Storleken på vinkeln β beror på flera faktorer såsom kornstorlek, kornform och packning. Om vi ​​ökar banvallshöjden h till h1, h2, etc. med samma obundna material av samma packning, kommer vinkeln β inte att förändras, invallningslutningen kommer att förbli i samma lutning upp till en obegränsad höjd h. För en given lös jord är den naturliga lutningsvinkeln β oberoende av lutningshöjden h. Storleken på vinkeln β i lös jord beror på vinkeln för den inre jordfriktionen φ och antas vara något mindre än den, eller lika med den, β ≤ φ.

Fig. 2. Skär sluttning i sammanhållen jord

Om vi ​​tittar på ett snitt som gjorts i bunden jord, kommer vi att finna att snittets lutning hålls under en starkare lutning1:m, d.v.s. i en större vinkel β på grund av att det inre motståndet i den bundna jorden ökas av kohesion, som inte finns i torr sand (fig.2). I vissa typer av jord, såsom torr löss, kan kohesion öka det inre motståndet så mycket att jorden kan hållas med en vertikalt avskuren sida, dvs i en vinkel β =90°. Men om vi ökar klipphöjden h i bunden jord till h1, h2 etc., måste lutningsvinkeln för avfasningen av snittet β reduceras för att bibehålla avfasningen i stabilitet. För varje lutningsvinkel β av snittets lutning i en given avgränsad jord finns det en kritisk höjd hc. Om vi ​​överskrider denna höjd kommer lutningen AB inte att hållas i balans och den kommer att glida på en glidyta CD (fig.3). Glidningen inträffade på grund av en rubbning i balansen mellan den yttre kraften, jordmassans egenvikt och det inre motståndet, vilket inte längre var tillräckligt för att motverka den ökade yttre kraften, d. v. s. den ökade vikten av jordmassan orsakad av sluttningens höjdökning h.

Sl.3. Skärlutning i sammanhållen jord

Det följer av ovanstående att vinkeln på markens naturliga lutning inte kan antas som ett konstant värde för den givna jorden, eftersom dess värde under alla andra förhållanden beror på lutningens höjd och minskar med ökningen av denna höjd. Det används dock ofta för sluttningar med små höjder som ett konstant värde, beroende på vinkeln för inre jordfriktion φ.

Jämviktsstörning kan även uppstå utan att klipphöjden h ökas, till exempel när den inre jordmotståndet minskar. Elementen av inre motstånd hos bunden jord, kohesion och friktion, är mycket varierande och beroende av mängden vatten i jorden. Därför är orsaken till glidningen i många fall övermättnaden av vattenbunden jord, som kan vara så stor att jorden inte längre klarar av att bära upp sig under någon sluttning, utan glider på grund av sin egen vikt.

Fig. 4. Markglidning på grund av bildning av glidytor

Det finns olika fall av jordglidning på grund av minskningen av inre motstånd, av vilka vi kommer att nämna några karakteristiska här.

Utbildning av glidytor

Om det finns ett ogenomträngligt lager av lera på en sluttning under ytskiktet av permeabel jord (fig. 4a), eller om det finns ett lutande lager av sand i lerlagret (fig. 4b), i vilket atmosfäriska skikt kan rinna ut i dikes (t.ex. ytvatten), t.ex. inträffa. En större mängd vatten passerar genom det permeabla skiktet till lerskiktet, som det väter kraftigt, vilket minskar dess motstånd på ytan, där det övre skiktet glider.

Störning av balansen genom att skära ett snitt

Skärningen av skärningar under byggandet av järnvägar och vägar stör det tidigare balanstillståndet, eftersom jorden i skärprofilen förblir utan stöd och tenderar att röra sig nedåt på grund av gravitationen. Ett jämviktstillstånd kan upprätthållas om jordens inre motstånd är tillräckligt stort för att motverka denna tendens, vilket också är möjligt när den avskurna jorden består av kraftigt lutande lager mot skäret.

Fig. 5. Glidning av terräng på grund av skärning i lagerjord

Men om lager av omväxlande ogenomtränglig och permeabel jord skärs (fig. 5), finns det en möjlighet för urlakning av den permeabla jorden och vätning av den ogenomträngliga jorden, på vilken glidning kan ske.

Jordinhomogenitet

Tunna lager av ogenomträngligt material i en bank gjord av permeabel jord, de så kallade lerlinserna (fig. 6), kan också orsaka glidning om en stor mängd vatten når dem och bildar en glidyta.

Fig. 6. Fall av banvallsglidning på grund av inhomogen sammansättning

Effekt av frost

Under inverkan av frost ansamlas vatten i ytskiktet i form av islinser. Under upptining förvandlas islinser till vatten, vilket övermättar jorden till djupet av frostverkan, vilket resulterar i att den blir en flytande massa och förlorar sin stabilitet.

Detta fall inträffar endast i frostfarlig jord och med en längre frostvaraktighet, eftersom det tar mycket tid för bildandet av islinser.

Sänkning av grundvattennivån

När grundvattennivån sänks permanent, till exempel på grund av arbete i marken, uppstår uttorkning av jorden och om det är lera som har stor svullnad uppstår sprickor. Större mängder ytvatten och atmosfäriskt vatten kommer in i dem, vilket väter jorden och minskar dess inre motstånd, vilket också kan leda till jordskred.

Det finns även många andra fall av terrängglidning, så det kan anses att varje sammanhängande jord under vissa omständigheter kan förlora sitt inre motstånd i större eller mindre utsträckning och under påverkan av yttre krafter sättas i rörelse.

Osammanhängande jord är stabil så länge som lutningsvinkeln på lutningen är mindre än markens inre friktionsvinkel. Med denna typ av jord sker glidning endast om lutningsvinkeln är större än den inre friktionsvinkeln. Men om en vall är gjord av obundet material på lerjord kan lerjorden glida och vallen kollapsa och det är nödvändigt att kontrollera stabiliteten.

Testar stabiliteten hos jordsluttningar

Glidytas form

Tillståndet för balans mellan yttre krafter och inre markmotstånd sattes av Coulomb med sin ekvation

τ ≤ c + σ tgϕ

där τ är markens skjuvspänning, c är kohesionen, σ är normalspänningen på glidytan, ϕ är den inre friktionsvinkeln.

Om jordens inre motstånd, kohesion c och friktion σ tgϕ inte är tillräckliga för att motverka jordens skjuvspänning sker glidning på en glidyta inne i jorden. Det finns olika former av glidytor, som beror på jordens fysiska egenskaper, skiktning, luftfuktighet, yttre belastning och andra faktorer.

Följande typiska glidfall skiljer sig beroende på position:

Fig. 7. Typiska fall av jordskred

a) Glidning av snittets vertikala sidor. Vid kanaler för vattenförsörjning, avlopp etc. som grävs med vertikala sidor (fig. 7a), om den kritiska höjden hc, som beror på jordens fysiska egenskaper, överskrids, uppstår glidning på ytan ADC. Dessa glidningar är vanligtvis inte längs hela kanalens längd utan är lokaliserade, vilket förklaras av jordens ojämna skjuvhållfasthet.

b) Delvis lutning (fig. 7b). Dessa halkar uppstår ofta på våren på järnvägs- och vägklippningar och är resultatet av övermättnad av jorden med vatten.

c) Slutning på natten (fig. 7c). Det är glidningen av hela lutningen av snittet eller banvallen till benet C.

d) Lutningsglidning under fötterna (fig. 7d). Det är glidningen av hela lutningen av snittet eller banvallen och jorden under foten. Denna rutschbana kallas även undergrundsfraktur eller svensk spricka, efter de svenskar som först beskrev den.

Angående glidytans form kan man bara hävda att glidytan i bunden jord inte är rak utan snarare en krökt yta. Vissa författare använder en cirkelbåge (Fellenius), en logaritmisk spiral (Rendulić) eller en kombination av dessa krökta linjer (Brinch Hansen) som formen på glidytan.

Effekt av vattenfiltrering på sluttningsstabiliteten

Om det finns externt vatten framför sluttningen med nivån N1 (fig.8), uppstår vattenflöde i marken bakom sluttningen, vilket orsakar inre vattentryck i porerna, vilket gör att friktionen mellan fasta partiklar minskar och skjuvspänningen i marken ökar.

Om nivån är N1 av vatten framför sluttningen orsakar en konstant, vattenpelare H*γW vattentryck i markens porer, vilket minskar friktionen mellan fasta partiklar, varigenom risken för sluttningsglidning ökar. Men när nivån är N1 konstant trycker vattenpelarens tryck H*γW de fasta partiklarna mot markens inre, varigenom risken för sluttningsglidning i viss mån minskar. I detta fall, vid konstant vattennivå N1 framför sluttningen finns det risk för glidning av nedströmssluttningen, eftersom effekten av vattenfiltrering i marken orsakar att fasta partiklar trycks i riktning mot utsidan av nedströmssluttningen.

Sl.8. Effekten av filtrering på stabiliteten av marksluttningen

Om den yttre vattennivån sjunker kraftigt från nivån N1 på N2 då är uppströmssluttningens stabilitet hotad. I det här fallet strömmar det inre porvattnet mot den yttre sidan av uppströmssluttningen och trycker de fasta partiklarna mot den sidan.

På grund av allt detta, om marksluttningen är nedsänkt i vatten, bör effekten av vattenfiltrering också beaktas när man testar sluttningens stabilitet.

Effekten av vattenfiltrering i marken beror på flera faktorer, av vilka de viktigaste är jordens permeabilitet, hydrostatiskt tryck hos externt vatten, hastigheten för minskningen av nivån av externt vatten och jordens homogenitet.

Om vi antar att vallen i fig. 8 med homogen isotrop massa, under inverkan av hydrostatiskt tryck från externt vatten av nivån N1, kommer vatten att strömma i banvallens porer i riktning mot nedströmssluttningen, varvid nivån av grundvatten i banvallen kommer att minska med längden på vägen. Om vi inför piezometerrören AA’, BB’ och CC’ i banvallen (fig. 9), kommer porvatten under inverkan av hydrostatiskt tryck att komma in i dessa rör och stiga till nivån N1, vilket kan vara lika i alla rör, om punkterna B_A är valda B_A och höjden på vattnet, _ rören är h1, h2 och h3.

Fig. 9. Ekvipotential och strömlinjer

Om vi betecknar med h höjden av vattennivån N1 i förhållande till något godtyckligt valt plan O-O, så är potentialen h för alla 3 punkter, A, B och C densamma. Linjen som förbinder dessa tre punkter är ekvipotentiallinjen. Grundvatten i jorden kan inte rinna längs den linjen, utan bara i riktning mot punkter med lägre potential.

På ett liknande sätt kan vi i samma massa välja punkterna D, E och  F med en lägre potential h ― Δh. Linjen som förenar dessa tre punkter är potentialutjämningslinjen h ― Δh. Vattenflöde från punkt A på potentialutjämningslinjen ABC till någon oändligt nära punkt D av potentialutjämningslinjen DEF kommer att finnas i riktningen för det största i det största hydrauliska fallet i._imax. Δlmin = AD. Det betyder att linjen AD längs vilken vattnet rinner är vinkelrät mot båda potentialutjämningslinjerna, eftersom

imax = Δh / Δlmin

där Δlmin är normal till båda ekvipotentiallinjerna. Dessa normaler till ekvipotentiallinjerna är riktningarna för vattenflödet i den permeabla massan och kallas strömlinjer. Gemenskapen av ekvipotential- och strömlinjer, ömsesidigt vinkelräta mot varandra, bildar ett flödesnätverk.

Flödesnätverk har olika former beroende på masspermeabilitet. Det vanligaste fallet är en invallning gjord av permeabel massa på ogenomtränglig mark, det vill säga på mark som kan göras ogenomtränglig (fig. 10). I det här fallet, om den yttre vattennivån är konstant, är strömlinjerna i sin mittdel av parabeln.

Fig. 10. Flödesnät i en permeabel vall på ogenomtränglig mark

I uppströmssluttningen sammanfogar parabolerna linjerna vinkelräta mot lutningen, vilket representerar ekvipotentiallinjen, eftersom det vid en konstant nivå N1 inte rinner nedför sluttningen. Med nedströmssluttningen slutar parabolerna tangentiellt mot lutningen, som varken är en ekvipotentiallinje eller en strömlinje. Ytan på den ogenomträngliga jorden under vallen är en strömlinje, eftersom vattnet i botten av vallen rinner parallellt med denna yta. I den övre delen avslutas flödesnätverket med en grundläggande parabel som kallas läckagelinjen, som representerar markens gräns under inverkan av filtrering. Under denna gräns är jorden under påverkan av filtrering på grund av det hydrostatiska trycket från det externa vattnet H*γW, medan det inte finns någon filtrering i jorden ovanför den. Släckningslinjen kallas också för mättnadslinjen, eftersom man antar att jorden under den är helt mättad med vatten, medan den ovanför den är delvis mättad.

Den faktiska lutningsbedömningen måste omfatta undersökning, skiktning, hållfasthetsparametrar, grund- och ytvatten, nivåförändringar, dränering, seismik, schaktnings- eller återfyllningsfaser, intilliggande strukturer och tillfälliga förhållanden. Utgrävning utan ordentligt skydd och inträde i zonen för eventuellt jordskred är inte säker baserat på den allmänna texten eller formen på själva sluttningen.