Ocena stateczności skarpy

Osuwiska zaliczane są do jednych z najbardziej niszczących procesów geologicznych. Powstają one najczęściej na zboczach dolin rzecznych, na wybrzeżach morskich i zboczach górskich. Osuwiska skarp występują także w formach antropogenicznych tj. w większych wykopach, przekopach i nasypach. Zjawiska takie rejestrowane są na terenie całej Polski (fig. 1).

Do najczęstszych przyczyn utraty stateczności zalicza się:

upad warstw gruntów lub kierunek spękań skał zgodny z nachyleniem zbocza,
podmycie lub podkopanie zbocza,
obciążenie zbocza lub terenu nad nim przez obiekty budowlane,
wypełnienie wodą szczelin lub spękań ponad zboczem,
wypór wody i ciśnienie spływowe w masie gruntowej,
napór wody od dołu na górne warstwy,
nasiąkanie gruntu na skutek opadów deszczu,
wietrzenie i rozluźnienie skał u gruntów,
pofałdowanie terenu przez lodowce lub ruchu tektoniczne,
istnienie wygładzonych powierzchni poślizgu na terenach dawnych osuwisk,
wstrząsy,
sufozja tzn. wynoszenie z masy gruntu drobniejszych ziarn przez infiltrującą wodę,
wypieranie gruntu,
niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp.

Fig. 1. Osuwisko spowodowane utratą stateczności w małopolsce.

Eurokod 7, a analiza stateczności skarpy

Eurokod 7 wymaga sprawdzenia, czy w obrębie skarpy (zbocza) nie nastąpi utrata stateczności. Obowiązek ten dotyczy także konstrukcji, będących w zasięgu oddziaływania stanu granicznego ze względu na stan graniczny nośności GEO. Utratę stateczności ogólnej można uznać za dostatecznie mało prawdopodobną jeżeli spełniony zostanie warunek:

Ed ⩽ Rd

gdzie:

Ed – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań destabilizujących zbocze, zagrażających stateczności.

Rd – wartość obliczeniowa oporu od gruntu przed utratą stateczności.

W analizie stateczności ogólnej, jako efekt oddziaływań z reguły przyjmuje się momenty sił ścinających, występujących wzdłuż przewidywanej powierzchni poślizgu względem wybranego punktu. Oporem gruntu nazywa się zwykle maksymalny moment siły, jaką grunt jest w stanie przenieść wzdłuż przewidywanej płaszczyzny poślizgu. Podczas sprawdzania stanu granicznego GEO, wartości obliczeniowe efektu oddziaływań ustala się z obliczeniowych wartości obciążeń działających na zbocze oraz danych geometrycznych kształtu zbocza. Wartość obliczeniową oporu gruntu na ścięcie wyznacza się na podstawie założeniu obliczeniowych wartości sił wewnętrznych, obliczeniowych wartości parametrów gruntu i obliczeniowych wartości danych geometrycznych.

Wartości obliczeniowe oddziaływań

W analizie stateczności skarpy uwzględniane są obciążenia generowane przez ciężar gruntu i ciśnienie wody gruntowej oraz siły przekazywanej na podłoże od obciążeń działających od konstrukcji obiektów budowlanych, dróg lub przemieszczających się pojazdów w rejonie zbocza. Wartości charakterystyczne oddziaływań, w tym obciążeń naziomu, ustala się według zasad podanych w PN-EN 1991, natomiast wartości współczynników kombinacyjnych do oddziaływań zmiennych z PN-EN 1990. Charakterystyczne wartości oddziaływań od gruntu należy wyznaczać przy założeniu charakterystycznych wartości parametrów geotechnicznych.

Wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych

Wyprowadza się je z wartości charakterystycznych zgodnie z tablicą zamieszczoną w normie. Parametry obliczeniowe na postawie parametrów charakterystycznych wyprowadza się zwykle jedynie dla projektowanych skarp, wykopów i nasypów. W sytuacjach istniejących osuwisk, parametry należy obliczyć z obliczeń wstecz. Jedynie w takim przypadku mamy możliwość ustalenia parametrów w momencie wystąpienia osuwiska.

Dane geometryczne

Kształt zbocza i granice warstw Eurokod 7 pozwala przyjmować jako wartości obliczeniowe na poziomie wynikającym z założeń projektu lub badań. Odchylenia w wartościach tych parametrów uwzględniane są w wartościach współczynnika bezpieczeństwa. W trakcie analizy brany jest pod uwagę poziom wód gruntowych.

Wykonanie analizy stateczności

Jedną z najpopularniejszych metod jest metoda Felleniusa, która wykorzystuje najpopularniejsze parametry efektywne gruntu (γ, φ’ i c’). Jedną z najlepszych metod do określenia w terenie wytrzymałościowych parametrów efektywnych są sondowania CPTU, wykorzystujące parametr ciśnienia porowego w gruncie.

W metodzie Felleniusa wybiera się środek o kołowej linii poślizgu i następnie dzieli bryłę ograniczoną zboczem i powierzchnią poślizgu na pionowe paski o szerokości 0,1R, objętości Vi (fig.2). Wymiar bryły w kierunku prostopadłym przyjmuje się jako 1. W kolejnym etapie obliczane są ciężary poszczególnych pasków. Na powierzchni poślizgu rozkłada się ja na składowe – normalną Ni i styczną Si do okręgu. Bryłę osuwającego gruntu uznaje się za sztywną w chwili rozpoczęcia ruchu. Poślizg bryły rozpatruje się dla każdego paska z osobna. Po znalezieniu wskaźnika bezpieczeństwa (lub określeniu stopnia wykorzystania) dla wybranej powierzchni poślizgu należy sprawdzić czy przy innych jej położeniach i innych promieniach, wskaźnik ten nie będzie mniejszy. Reasumując, poszukiwany jest najmniejszy wskaźnik bezpieczeństwa dla Fmin poślizgu danego zbocza, wybierając różne środki obrotu (fig. 3). Wartości współczynnika wahają się między 1,1, a 1,5. Niekiedy, w zależności od zagadnienia, przyjmuje się wartość 2,0.

Fig. 2. Schemat sił działających na oddzielny blok i na całą bryłę osuwiskową (Wiłun, 1976 r.)

Fig. 3. Przykład obliczenia stateczności skarpy.

Innymi metodami umożliwiającymi wykonanie analizy stateczności jest metoda Bishopa, Janbu, Morgensterna-Price’a lub Spencera. Metoda Bishopa jest modyfikacją metody Felleniusa polegająca na różnym określeniu wskaźnika bezpieczeństwa i odmiennym sposobie określenia sił działających na bokach każdego bloku. W metodzie Bishopa zakłada się, że siły działające na boczne ściany wydzielonych pasków są poziome. Wskaźnik stateczności wyznacza się dla pojedynczego paska jako stosunek wytrzymałości na ścinanie do rzeczywistych naprężeń ścinających w podstawie paska.

Zabezpieczenie stateczności zboczy i skarp nasypów

Wybór zabezpieczenia zależy od typu osuwiska i przyczyny, która wywołać może utratę stateczności. Przyczynami powstania osuwiska mogą wynikać ze zwiększonych sił osuwających (od ciężaru gruntu lub dodatkowego obciążenia obiektem lub wstrząsami, od ciśnienia spływowego i hydrostatycznego) oraz z niedostatecznej wytrzymałości gruntu na ścinanie. Stanisław Pisarczyk w książce Mechanika gruntów przedstawia sposoby zabezpieczeń inżynierskich terenu przed powstaniem osuwisk ze względu na przyczyny osuwiska. Sposobami na zabezpieczenie skarpy są m.in. zmniejszenie nachylenia skarpy lub jej wysokości, wykonanie drenaży, osuszanie gruntu, mury oporowe, zastrzyki, pale lub studnie opuszczane, kotwie (fig. 4).

Fig. 4. Przykład zabezpieczenia skarpy przed utratą stateczności.

Wnioski

Do obliczeń analizy stateczności należy dostarczyć odpowiednie dane w postaci parametrów efektywnych z sondowań CPTU. Jednym z kluczowych elementów to także geodezyjne wyznaczenie profilu skarpy, przy szczególnym uwzględnieniu skaningu laserowego. Dopiero po zebraniu powyższych danych można przystąpić do analizy stateczności, która jest w niektórych przypadkach (zbocza, urwiska, doliny, wykopy) konieczna do bezpiecznego zaprojektowania konstrukcji. Firma GEOdev wykonuje wszystkie z powyższych punktów, łącznie z analizą stateczności skarpy, a w szczególnie trudnych przypadkach współpracuje z najlepszymi biurami konstrukcyjnymi w Polsce. Naszą całą ofertę znajdą Państwo tutaj.