Opis powierzchni poślizgu skarpy i zbocza

Elżbieta K O K O C IŃ SK A - PAKIET*

Politechnika O polska

OPIS POWIERZCHNI POŚLIZGU SKARPY I ZBOCZA

Streszczenie. A rtykuł m a na celu zebranie podstaw ow ych w iadom ości, dotyczących powstawania pow ierzchni poślizgu w zboczach naturalnych i skarpach pow stających w wyniku działalności człow ieka w zależności od użytej m etody obliczeniow ej. Podaje zarówno podstaw ow e definicje poszczególnych elem entów , ja k rów nież krótko opisuje sposoby badań terenow ych i określania położenia pow ierzchni poślizgu za ich pomocą.

DESCRIPTION OF SLIP SURFACE FOR FILL SLOPE AN D NATURAL SLOPE

Summary. The aim o f this paper was to collect the basic inform ation about form ing slip surfaces o f natural slopes and o f slopes, w hich w ere form ed by a hum an activity by applying different calculating m ethods. In the article various fundam ental definition o f particular elements w ere given as w ell as short descriptions o f outdoor researches on the basis o f w hich the slip surfaces w ere determ ined.

1. Wstęp

Osuwisko je s t najniebezpieczniejszym zjaw iskiem geotechnicznym . W przypadku konstrukcji geotechnicznych dość dokładnie m ożna określić przestrzeń deformacji i prognozować w artości ich w czasie. W przypadku osuw isk zagadnienie je s t znacznie trudniejsze, poniew aż przestrzeń je s t znacznie w iększa, a deform acje i przem ieszczenia nieprzewidywalne. N a podstaw ie badań geologicznych i geotechnicznych nie m a praktycznych m ożliw ości zdefiniow ania granic obszaru, na którym zachodzi proces deformacji. G eodezyjne obserw acje przem ieszczeń dopiero udzielają nam w iarygodnych informacji o zakresie zjaw iska.

♦Opiekun naukowy: Dr hab. inż. W ojciech A nigacz, prof. Politechniki Opolskiej

172 E. K o k o c iń sk a - Pakiet

A by dokładnie zrozum ieć problem , należy poznać podstaw ow e pojęcia dotyczące osuw isk. O znaczenia poszczególnych elem entów osuw ającego się zbocza pokazano na rysunku 1.

L

Rys. 1. Schemat oznaczeń elementów osuwiska [10]

Fig. 1. Designation scheme o f slope failure elements [10]

P rzyczyn osunięcia się zbocza je s t w iele. Czasam i pojedynczy czynnik, a zazwyczaj grupa przyczyn pow odują osunięcie. M ożem y w yróżnić w iele czynników w zbudzających osuwisko.

Szczegółow o określa je Instrukcja ITB nr 304 [10].

W zależności od m ateriału budującego zbocze lub skarpę oraz sił pow odujących osuwanie się m ateriału w yróżniam y następujące typy osuwisk: - obryw, - osyp, - osuwisko, - zsuw, - pełzanie, - spływ [10].

2. Pow ierzchnie poślizgu w różnych m etodach obliczeniow ych

C elem podstaw ow ym w w yznaczaniu stateczności skarp i zboczy je s t określenie w łaściw ego m odelu obliczeniow ego. Tradycyjne sposoby oceny stateczności w stosowanych w praktyce m etodach obliczeniow ych polegają na określeniu usytuow ania i kształtu pow ierzchni poślizgu oraz ocenie bilansu sił działających na masyw.

W w ielu przypadkach nieznane je s t położenie potencjalnej pow ierzchni poślizgu. Często do oceny stateczności przyjm uje się pew ien kształt pow ierzchni, np.: płaski, w alcow y lub

łamany. Istniejące w przyrodzie osuw iska pokazują, że nie zaw sze pow ierzchnie te pokryw ają się z istniejącymi w rzeczyw istości. Stosow ane są różne procedury poszukiw ania pow ierzchni poślizgu, których lokalizacja je s t uzależniona od w ielu czynników charakteryzujących zbocze. Czasami losow ość zaistniałych przyczyn pow oduje rów nież przypadkow ość kształtu i położenia pow ierzchni poślizgu. [6]

W praktyce inżynierskiej najszersze zastosow anie znalazły rozw iązania, opierające się na metodzie pasków. S ą one podstaw ą w iększości m etod polegających na poszukiw aniu potencjalnych pow ierzchni poślizgu. M etoda pasków je s t często krytykow ana ze w zględu na nieścisłości w założeniach oraz niejednoznaczność rozw iązań. Pom im o tych defektów je st najczęściej stosow aną m etodą do obliczania stateczności skarp budow li ziem nych i skarp oraz zboczy naturalnych. P odstaw ą realizacji obliczeń je s t ocena stateczności m asyw u osuw iska podzielonego na elem enty pionow e, tzw. paski. A nalizuje się w arunki rów now agi pasków w zasięgu strefy ograniczonej usytuow aniem pow ierzchni poślizgu. Celem końcow ym je s t ustalenie najniekorzystniejszego położenia pow ierzchni poślizgu.

Podstawowym elem entem ustalania stateczności je s t obliczenie w spółczynnika stateczności skarp i zboczy w edług wzoru:

Ui - uogólniona sum a sił utrzym ujących w yw ołanych tarciem i spójnością m ateriału,

Zi - uogólniona sum a sił zsuw ających, które w yw ołane są siłam i graw itacyjnym i i siłami

Wartość tego w spółczynnika w m etodzie pasków je s t determ inow ana kształtem i usytuowaniem pow ierzchni poślizgu oraz stosunkiem rzeczyw istej w ytrzym ałości gruntu do wytrzymałości niezbędnej do w zbudzenia stanu rów now agi granicznej w zasięgu powierzchni poślizgu. Przyjm uje się stałą w artość w spółczynnika d la całej pow ierzchni [3],

2.1. Pow ierzchnia poślizgu w m etodzie Felleniusa (szw edzkiej)

W m etodzie Felleniusa przyjm uje się kołow o-w alcow ą pow ierzchnię poślizgu , i dla niej określa się m inim alną w artość w spółczynnika stateczności Fmj„. W spółczynnik ten w metodzie szwedzkiej ustalany je s t w edług następujących założeń: w ypadkow e AWj

(

)

gdzie:

filtracji.

174

w każdym pasku są rów noległe do je g o podstawy, co oznacza rów noległość do sił oporów ścinania S i, z czego w ynika, że siły norm alne do pow ierzchni określa się:

gdzie:

Ni - siła norm alna dla i-tego paska, Gi - ciężar i-tego paska,

a j - nachylenie podstaw y i-tego paska do poziomu.

W w yniku przyjętych założeń w spółczynnik stateczności skarp przedstawiony jest w następującej zależności:

gdzie:

<|>i

li - poszczególne odcinki linii poślizgu odpow iadające (|)j i Ci,

Ui - w ielkość ciśnienia w ody w porach gruntu na rozpatryw anym fragm encie powierzchni poślizgu [3].

2.2. Pow ierzchnia poślizgu w m etodzie Bishopa

W m etodzie Bishopa zakładam y, że pom iędzy poszczególnym i elem entam i podziału m asyw u osuw iskow ego w ystępują tylko siły E;, czyli w ypadkow a w zajem nych oddziaływań AEj je s t rów nież siłą poziomą. W artość w spółczynnika stateczności określa się następująco:

N j =G ; cosaj ₍2)

n

ŻKGi

a; —

-t-

]

F = —_F

(3)

J ^ G j s in a .

(4)

gdzie:

m a = c o s a + (tg(t>j s i n a , )

Fb (5)

pozostałe oznaczenia ja k w yżej [3],

Ponieważ m a zależy od FB, w uproszczonej m etodzie B ishopa obliczenia w ykonujem y metodą kolejnych przybliżeń, a do określania w artości m a stosujem y nom ogram y. M etoda Bishopa zastosow ana w obliczeniach określa płytsze położenie pow ierzchni poślizgu niż metoda Felleniusa. Przyjm uje się je j kształt ja k o w alcow o-cylindryczny.

2.3. Pozostałe m etody pasków

Zestawienie założeń oraz przyjm ow anych pow ierzchni poślizgu dla w ym ienionych metod oraz kilku pozostałych ze w zględu na ograniczenia liczby stron artykułu podano w tabeli 1.

Tabela 1 Podstawowe charakterystyki m etody pasków z uw zględnieniem pow ierzchni poślizgu

Lp. Metoda

W arunki

rów now agi Siły

m iędzypaskow e

P ow ierzchnia poślizgu

I X S Y I M

1 Fellenius ^{— —} Tak brak w alcow a

2 Biśhop

— — Tak poziom e

i pionow e

w alcow o - cylindryczna

3 N onveiller ^{— —} Tak poziom e dow olna

4 Janbu tak tak ^— nachylone dow olna

5 Korpus inżynierów

USA tak tak — nachylone dow olna

6 Lowe i K arafiath tak tak ^— nachylone dow olna

7 Spencer tak tak Tak nachylone dow olna

8 Sarma tak tak Tak nachylone dow olna

9 M orgenstern - Price tak tak Tak nachylone dow olna

10 Baker - G arber tak tak Tak nachylone dow olna

2.4. Metoda dużych brył

Powierzchnia poślizgu składa się z kilku (najczęściej 2 lub 3) płaszczyzn przecinających się, czyli w idoczna w przekroju linia poślizgu je s t łam aną. Spraw dzenie stateczności wykonuje się analitycznie bądź graficznie, tylko zam iast pasków przyjm uje się całe bryły.

Wzdłuż linii poślizgu działa siła spójności oraz siła w ynikająca z oporów tarcia odchylona od siły norm alnej o kąt q> [2].

176 E. K o k o c iń sk a - Pakiet

Rys. 2. Przykład powierzchni poślizgu i sił działających w metodzie dużych brył [2]

Fig. 2. The example o f slip surfaces and forces acting on them in big blocks method [2]

2.5. M etody pom iarów

M etodam i w ykonyw ania pom iarów , w celu określenia m ożliw ości powstania i potencjalnego położenia pow ierzchni poślizgu są:

• m etoda niw elacji o podw yższonej dokładności (precyzyjnej) - opiera się na pomiarze przem ieszczeń pionowych. Jest to je d n a z najtańszych m etod o dokładności rzędu nawet dziesiętnych części milim etra,

• m etoda tachim etryczna - opiera się na w yznaczaniu jednoczesnym w spółrzędnych XYH.

Jedynym ograniczeniem je s t w idoczność lustra,

• m etoda G PS - posługuje się układem w spółrzędnych geograficznych, czyli je s t niezależna od układu geodezyjnego odniesienia, M ożna taki pom iar zautom atyzować, ale jest to, niestety, m etoda bardzo kosztowna. Jest ona też za mało dokładna dla niektórych rodzajów budow li geotechnicznych (w ysokość mierzy 3x mniej dokładnie niż B i L),

• m etoda inklinom etryczna - pom iar przem ieszczeń poziom ych na różnych głębokościach.

D zieli się na geodezyjną (pom iar kształtu otworu w górotw orze), geotechniczną (pomiar deform acji podłoża gruntow ego) i budow laną (pom iar deform acji elem entów konstrukcji).

Problem em je s t jedynie ustalenie układu odniesienia,

• metoda piezom etru zam kniętego - do pom iaru ciśnienia w ody w porach gruntu, gdy nasyp np. posadow iony je s t na gruntach bardzo ściśliw ych [8,9].

Wszystkie przedstaw ione m etody opisują zew nętrzny w ygląd zbocza przed, w trakcie czy po zaistnieniu poślizgu pod w pływ em różnych czynników . Tylko je d n a m etoda - m etoda inklinometryczna m oże określić głębokość położenia i kształt pow ierzchni poślizgu. Zasadę pomiaru i przykład zastosow ania inklinom etrów pokazano na rysunku 3.

Rys. 3. Metoda inklinometryczna: a) zasada pomiaru, b) wykorzystanie pomiaru do ustalenia powierzchni poślizgu [8]

Fig. 3. The inclinometer method: a) principle measurement, b) using o f measurements to locate slip surface [8]

3. Podsum owanie

Badania geotechniczne i geodezyjne oraz m etody obliczeń m a ją na celu określenie położenia pow ierzchni poślizgu, w zdłuż której nastąpi przem ieszczenie w zajem ne w arstw, a co za tym idzie poznanie zasięgu przebiegu procesu, ja k im je s t osuw isko. O prócz znanych powierzchni poślizgu w osuw iskach ju ż zaistniałych, przebiegających po pow ierzchniach osłabień w gruncie, nie jesteśm y w stanie bez odpow iednich pom iarów w yznaczyć powierzchni, po których m o g ą nastąpić przem ieszczenia.

178 E. K o k o ciń sk a - Pakiet

LITER A TU R A

1. C zyżew ski K., W olski W., W ójcicki S., Żbikow ski A.: Z apory ziem ne, Arkady, W arszaw a 1973.

2. D erski W., Izbicki R., Kisiel I., M róz Z.: M echanika skał i gruntów , PWN, W arszaw al982.

3. Litw inow icz L.: Stateczność skarp budow li ziem nych w w arunkach w pływ u poziomych deform acji podłoża, W ydaw nictw a U czelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 2003.

4. M adej J.: M etody spraw dzania stateczności zboczy, W ydaw nictw a Komunikacji

¡Ł ączności, W arszaw a 1981.

5. W iłun Z.: Zarys geotechniki, W ydaw nictw a K om unikacji i Łączności, W arszaw a 2000.

6. Przew łocki J.: K ilka uw ag o ocenie stateczności zboczy. C zęść I, Analiza determ inistyczna, Inżynieria M orska i G eotechnika n r 2/2004, 2004, s. 89 - 97.

7. Przew łócki J.: K ilka uw ag o ocenie stateczności zboczy. C zęść II, Analiza probabilistyczna, Inżynieria M orska i G eotechnika n r 3/2 0 0 4 ,2 0 0 4 , s. 141 - 149.

8. N adborczyk J., W olski B.: M onitoring geotechniczny i geodezyjny w naprawach i w zm ocnieniach konstrukcji zagłębionych w gruncie, XVI O gólnopolska Konferencja W arsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, 21-24 lutego 2001 , s. 229 - 245.

9. N adborczyk J., W olski B.: M onitoring przem ieszczeń i deform acji obiektów geotechnicznych, XX O gólnopolska K onferencja W arsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, W isła - U stroń, 01-04 m arca 2005, s.131 -1 4 5 .

10. Instrukcja ITB nr 304: Posadow ienie obiektów budow lanych w sąsiedztw ie skarp i zboczy, W arszaw a 1991.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Leszek Litwinowicz