Архівний експертний вміст і серйозний ризик: стаття зберігає історичний опис стійкості схилів, символи, формули та діаграми з оригінального тексту. Це не геотехнічне дослідження, проект розкопок або насипу, розрахунок стійкості, план дренажу, оцінка зсувів або робочі інструкції. Нестійкий схил може раптово поховати людей, будівлі та дороги; спостережувані тріщини, опуклості, каламутна вода, раптове осідання або зміщення слід розглядати як причину для віддалення від небезпечної зони та термінової професійної оцінки.
Savo Kusić сьогодні зосереджується на дерев’яних вікнах, дерево-алюмінієвих вікнах, вікнах на замовлення, дверях та запитах на пропозиції. Ця стаття залишається технічним архівом і не є пропозицією геотехнічного проектування, нагляду або виконання земляних робіт.
Для збудованих земляних робіт, таких як виїмки, насипи та канали, кінцеві схили іноді руйнуються. А природний схил, без штучних робіт, може рухатися раптово і з великою силою або дуже повільно. Ці явища вже давно є предметом геологічних і геомеханічних досліджень з метою оцінки стабільності на основі фізичних характеристик ґрунту та умов кожного окремого випадку.
Причини руху земних мас
Умовою стабільності будь-якого ґрунту, незалежно від того, чи це штучний земляний об’єкт, чи природний ґрунт, є наявність балансу між зовнішніми силами та внутрішнім опором ґрунту. Зовнішні сили - це в першу чергу власна вага ґрунту, яка зазвичай є єдиною зовнішньою силою, а потім будь-яке інше зовнішнє навантаження, що діє на схил, постійне чи рухоме. Внутрішній опір складається з когезії та тертя у зв’язаному ґрунті та лише тертя у незв’язаному ґрунті.
Мал. 1. Ухил насипу з пухкого ґрунту
Якщо ми спостерігаємо насип висотою h, зроблений з абсолютно пухкого ґрунту, наприклад сухого утрамбованого піску, ми визначимо, що схил цього насипу нахилений під кутом β до горизонталі (рис. 1). Розмір кута β залежить від кількох факторів, таких як розмір зерна, форма зерна та ущільнення. Якщо ми збільшимо висоту насипу h до h1, h2 і т. д. з тим же незв’язаним матеріалом того самого ущільнення, кут β не зміниться, ухил насипу залишиться на тому самому ухилі до необмеженої висоти h. Для даного пухкого ґрунту природний кут укосу β не залежить від висоти укосу h. Розмір кута β для незв’язаного ґрунту залежить від кута внутрішнього тертя ґрунту φ і вважається трохи меншим за нього або рівним йому, β ≤ φ.
Мал. 2. Зрізання схилу у зв’язаному ґрунті
Якщо ми спостерігаємо розріз, зроблений у зв’язаному ґрунті, ми побачимо, що нахил розрізу зберігається під сильнішим нахилом 1:m, тобто під більшим кутом β через те, що внутрішній опір зв’язаного ґрунту збільшується когезією, якої немає в сухому піску (рис. 2). У деяких типах ґрунтів, таких як сухий лес, когезія може збільшити внутрішній опір до такої міри, що ґрунт можна утримувати вертикально зрізаною стороною, тобто під кутом β = 90°. Однак, якщо ми збільшуємо висоту зрізу h у зв’язаному ґрунті до h1, h2 тощо, кут нахилу схилу зрізу β потрібно зменшити, щоб підтримувати стабільність схилу. Для кожного кута нахилу β схилу зрізу в заданому обмеженому ґрунті існує одна критична висота hc. Якщо ми перевищимо цю висоту, схил AB не буде підтримуватися в рівновазі, і він буде ковзати по поверхні ковзання CD (рис. 3). Зсув стався через порушення балансу між зовнішньою силою, власною вагою земної маси та внутрішнім опором, якого вже не було достатньо для протидії збільшеній зовнішній силі, тобто збільшеній вазі ґрунтової маси, спричиненій збільшенням висоти схилу h.
Мал. 3. Ковзання схилів у зв’язному ґрунті
Зі сказаного вище випливає, що кут природного ухилу ґрунту не можна прийняти за постійну величину для даного ґрунту, оскільки його значення за всіх інших умов залежить від висоти ухилу і зменшується зі збільшенням цієї висоти. Однак його часто приймають для схилів невеликої висоти як постійне значення, що залежить від кута внутрішнього тертя ґрунту φ.
Порушення рівноваги також може виникнути без збільшення висоти зрізу h, наприклад, коли внутрішній опір ґрунту зменшується. Елементи внутрішнього опору зв’язаного ґрунту, когезія і тертя, сильно змінюються і залежать від кількості води в ґрунті. Тому в багатьох випадках причиною сповзання є перенасичення зв’язаного водою ґрунту, яке може бути настільки великим, що ґрунт уже не в змозі підтримувати себе під жодним схилом, а сповзає під дією власної ваги.
Мал. 4. Ковзання ґрунту за рахунок утворення поверхонь ковзання
Існують різні випадки ковзання ґрунту через зменшення внутрішнього опору, з яких ми згадаємо тут кілька характерних.
Освіта поверхонь ковзання
Якщо на схилі нижче поверхневого шару водопроникного ґрунту є водонепроникний шар глини (рис. 4a), або якщо в шарі глини є похилий шар піску (рис. 4b), в який може проникати атмосферна або поверхнева вода (наприклад, із запущеної дренажної канави), можуть виникнути зсуви. Більша кількість води проходить через водопроникний шар до шару глини, який вона сильно змочує, зменшуючи його опір на поверхні, де верхній шар сповзає.
Порушення рівноваги через поріз
Розрізання під час будівництва залізниць і доріг порушує попередній стан рівноваги, тому що в профілі розрізу ґрунт залишається без опори та прагне рухатися вниз під дією сили тяжіння. Стан рівноваги можна підтримувати, якщо внутрішній опір ґрунту достатньо великий, щоб протидіяти цій тенденції, що також можливо, коли зрізаний ґрунт складається з сильно нахилених шарів до зрізу.
Мал. 5. Зсув рельєфу внаслідок врізання шаруватого ґрунту
Однак, якщо шари водопроникного та водопроникного ґрунту зрізати по черзі (рис. 5), існує ймовірність вимивання водопроникного ґрунту та намокання водопроникного ґрунту, на якому може статися сповзання.
Неоднорідність ґрунту
Тонкі шари водонепроникного матеріалу в насипі з водопроникного ґрунту, так звані глиняні лінзи (рис. 6), також можуть спричинити ковзання, якщо велика кількість води досягає їх і утворює поверхню ковзання.
Мал. 6. Випадок зсуву насипу через неоднорідний склад
Вплив морозу
Під дією морозу вода накопичується в поверхневому шарі у вигляді крижаних лінз. Під час відтавання лінзи льоду перетворюються на воду, яка перенасичує ґрунт до глибини дії промерзання, внаслідок чого він стає рідкою масою і втрачає стійкість.
Цей випадок трапляється лише в морозонебезпечному ґрунті та при більшій тривалості заморозків, оскільки для утворення крижаних лінз потрібно багато часу.
Зниження рівня ґрунтових вод
Коли рівень ґрунтових вод постійно знижується, наприклад, через проведення робіт у землі, ґрунт висихає, і, якщо це глина, яка має велике спучування, з’являються тріщини. У них потрапляє більша кількість поверхневих і атмосферних вод, змочуючи ґрунт і зменшуючи його внутрішній опір, що також може призвести до зсувів.
Існує також багато інших випадків зсуву місцевості, тому можна вважати, що будь-який зв’язний ґрунт може за певних обставин більшою чи меншою мірою втратити свій внутрішній опір і під дією зовнішніх сил прийти в рух.
Незв’язний ґрунт стабільний, доки кут нахилу схилу менший за кут внутрішнього тертя ґрунту. При цьому типі грунту ковзання відбувається тільки в тому випадку, якщо кут нахилу більше кута внутрішнього тертя. Однак, якщо насип виготовлений із незв’язаного матеріалу на глинистому ґрунті, глинистий ґрунт може сповзти, а насип обвалитися, тому необхідно перевірити стійкість.
Перевірка стійкості земляних схилів
Форма поверхні ковзання
Умову рівноваги між зовнішніми силами та внутрішнім опором ґрунту було встановлено Кулоном за допомогою його рівняння
τ ≤ c + σ tgϕ
де τ – напруга зсуву ґрунту, c – когезія, σ – нормальна напруга на поверхні ковзання, ϕ – кут внутрішнього тертя.
Якщо внутрішній опір ґрунту, когезія c і тертя σ tgϕ недостатні для протидії напрузі зсуву ґрунту, ковзання відбувається на поверхні ковзання всередині ґрунту. Існують різні форми поверхонь ковзання, які залежать від фізичних властивостей ґрунту, шаруватості, вологості, зовнішнього навантаження та інших факторів.
Наведені нижче типові розсувні корпуси відрізняються залежно від положення:
Мал. 7. Типові випадки зсувів
a) Ковзання вертикальних сторін розрізу. У випадку каналів для водопостачання, каналізації тощо, які вириті з вертикальними сторонами (рис. 7a), якщо критична висота hc, яка залежить від фізичних властивостей ґрунту, перевищена, відбувається ковзання по поверхні ADC. Ці зсуви зазвичай не по всій довжині русла, а локалізовані, що пояснюється нерівномірною міцністю ґрунту на зсув.
b) Часткове ковзання схилу (рис. 7b). Ці зсуви часто виникають навесні на залізничних і автомобільних вирізах і є результатом перенасичення ґрунту водою.
c) Ковзання схилу вночі (мал. 7c). Це ковзання всього схилу виїмки або насипу до ноги C.
d) Ковзання схилу під ногами (Мал. 7d). Це зсув всього укосу врізки або насипу і ґрунту під основою. Цей зсув також називають розломом земляного полотна або шведським розломом на честь шведів, які першими його описали.
Що стосується форми поверхні ковзання, можна лише стверджувати, що поверхня ковзання у зв’язаному ґрунті не є прямою, а є криволінійною поверхнею. Деякі автори приймають дугу кола (Фелленіус), логарифмічну спіраль (Рендуліч) або комбінацію цих кривих ліній (Брінч Гансен) як форму поверхні ковзання.
Вплив фільтрації води на стійкість схилу
Якщо перед схилом є зовнішня вода з рівнем N1 (рис. 8), то в ґрунті за схилом виникає потік води, який викликає внутрішній тиск води в порах, внаслідок чого тертя між твердими частинками зменшується і напруга зсуву в ґрунті збільшується.
Якщо рівень води N1 перед схилом постійний, водяний стовп H*γW викликає тиск води в порах ґрунту, що зменшує тертя між твердими частинками, внаслідок чого зростає небезпека зсуву схилу. Однак, коли рівень N1 постійний, тиск водяного стовпа H*γW штовхає тверді частинки вглиб ґрунту, завдяки чому небезпека зсуву схилу певною мірою зменшується. У цьому випадку при постійному рівні води N1 перед схилом існує небезпека зсуву нижнього за течією схилу, оскільки дія фільтрації води в ґрунті призводить до виштовхування твердих частинок назовні нижнього за течією схилу.
Мал. 8. Вплив фільтрації на стійкість ґрунтового схилу
Якщо зовнішній рівень води різко падає від рівня N1 до N2, то стабільність схилу вище за течією знаходиться під загрозою. У цьому випадку внутрішня вода тече в порах до зовнішньої сторони верхнього схилу, штовхаючи тверді частинки до цієї сторони.
З огляду на все це, якщо ґрунтовий схил занурений у воду, ефект фільтрації води також слід брати до уваги під час перевірки стійкості схилу.
Ефект фільтрації води в ґрунті залежить від кількох факторів, найважливішими з яких є проникність ґрунту, гідростатичний тиск зовнішньої води, швидкість зниження рівня зовнішньої води та однорідність ґрунту.
Якщо припустити, що насип на рис. 8 однорідно ізотропної маси, під дією гідростатичного тиску зовнішньої води рівня N1, вода буде текти в порах насипу в напрямку схилу вниз за течією, при цьому рівень ґрунтових вод у насипі буде знижуватися з довжиною дороги. Якщо ми введемо в насип п’єзометричні труби AA’, BB’ і CC’ (рис. 9), то порова вода під дією гідростатичного тиску потрапить у ці труби і підніметься до рівня N1, який може бути однаковим у всіх трубах, якщо точки A, B і C вибрати так, щоб висоти води стовпці в каналах h1, h2 та h3.
Мал. 9. Еквіпотенціальні та лінії струму
Якщо ми позначимо через h висоту рівня води N1 по відношенню до якоїсь довільно обраної площини O-O, тоді потенціал h для всіх точок 3, A, B і C, буде однаковим. Лінія, що з’єднує ці три точки, є еквіпотенціальною лінією. Грунтові води в ґрунті не можуть протікати вздовж цієї лінії, а лише в напрямку точок із меншим потенціалом.
Подібним чином ми можемо вибрати в одній масі точки D, E і F з меншим потенціалом h ― Δh. Лінія, яка з’єднує ці три точки, є еквіпотенціальною лінією потенціалу h ― Δh. Потік води від точки A еквіпотенціальної лінії ABC до деякої нескінченно близької точки D еквіпотенціальної лінії DEF буде існувати в напрямку найбільшого гідравлічного падіння imax, тобто в напрямку найменшої відстані Δlmin = AD. Це означає, що лінія AD, по якій тече вода, перпендикулярна до обох еквіпотенціальних ліній, тому що
imax = Δh / Δlmin
де Δlmin нормаль до обох еквіпотенціальних ліній. Ці нормалі до еквіпотенціальних ліній є напрямками потоку води у проникній масі і називаються лінії струму. Спільнота еквіпотенціальних і струмових ліній, взаємно перпендикулярних одна одній, утворює мережу потоків.
Поточні мережі мають різні форми відповідно до масової проникності. Найпоширенішим випадком є насип із водопроникної маси на водонепроникному ґрунті, тобто на ґрунті, який можна зробити водонепроникним (рис. 10). У цьому випадку, якщо зовнішній рівень води постійний, лінії струму знаходяться в своїй середній частині параболи.
Мал. 10. Проточна мережа у водопроникній насипі на водонепроникному ґрунті
На схилі вище за течією параболи з’єднуються з лініями, перпендикулярними до схилу, що представляє лінію еквіпотенціалу, оскільки на постійному рівні N1 вода не тече вниз по схилу. При схилі вниз за течією параболи закінчуються по дотичній до схилу, який не є ні лінією еквіпотенціалу, ні лінією струму. Поверхня водонепроникного ґрунту під насипом є лінією потоку, тому що вода на дні насипу тече паралельно цій поверхні. У верхній частині потокова мережа закінчується основною параболою, яка називається лінією просочування, яка представляє межу ґрунту під дією фільтрації. Нижче цієї межі ґрунт знаходиться під дією фільтрації за рахунок гідростатичного тиску зовнішньої води H*γW, тоді як у ґрунті над нею фільтрація відсутня. Лінія просочування також називається лінією насичення, оскільки передбачається, що ґрунт під нею повністю насичений водою, а над нею – частково.
Фактична оцінка схилу повинна включати дослідження, стратифікацію, параметри міцності, ґрунтові та поверхневі води, зміни рівня, дренаж, сейсморозвідку, етапи земляних робіт або засипки, суміжні споруди та тимчасові умови. Земляні роботи без належного захисту та входження в зону можливого зсуву не є безпечними з огляду на загальний текст або форму самого схилу.