Co wpływa na stateczność nasypów, skarp i zboczy?
Zachowanie stabilności podłoża ma duże znaczenie zarówno w przypadku przygotowywania inwestycji zlokalizowanych w miejscach zagrożonych wystąpieniem osuwiska, jak i w zabezpieczaniu ich bezpośredniego otoczenia. Skarpy i zbocza, a także wykonane sztucznie nasypy są często miejscami, w których mają być posadowione budowle inżynieryjne, ułożona infrastruktura lub wybudowana droga, a w wielu przypadkach także wzniesione budynki mieszkalne lub użytkowe.
Ocena ryzyka osunięcia się ziemi będzie kluczowym elementem przesądzającym o technicznych możliwościach przeprowadzenia niezbędnych prac, a także kosztach i sposobach wykonania potrzebnych zabezpieczeń. Dokładne sprawdzenie wszystkich czynników wpływających na stateczność planowanej inwestycji jest więc istotne z punktu widzenia doboru właściwych metod stabilizacji zbocza, skarpy lub nasypu i wykonania np. odpowiedniej palisady przez wiercenie pali CFA, kotwienie gruntu czy budowę ściany oporowej. Skala i zakres podejmowanych działań muszą być dopasowane do istniejących warunków geologicznych I wyników szczegółowego badania geotechnicznego. Przyjrzyjmy się bliżej mechanizmowi powstawania osuwisk, czynnikom, które mogą przyspieszyć ten proces oraz zobaczmy, w jaki sposób szacuje się stateczność i sprawdźmy metody wybierane do zapobiegania tego rodzaju zdarzeniom.
Mechanizm utraty stabilności zboczy, skarp i nasypów oraz czynniki mające wpływ na jej przyspieszenie
Utrata stabilności gruntu położonego na zboczu, skarpie lub nasypie wiąże się z utworzeniem się osuwiska, które jest przemieszczeniem dużej masy ziemi, powstałym wskutek poślizgu między warstwami gruntu, skośnie do nich albo poprzecznie, a także w obrębie jednej z nich. Osuwisko jest odmienne od innych rodzajów przemieszczeń takich jak obrywy czy spełzanie ze względu na swój gwałtowny przebieg oraz znaczny obszar, jaki obejmuje. Przemieszczająca się podczas powstania osuwiska masa gruntu zachowuje swoją częściową spójność, co odróżnia je od spływania, w czasie którego grunt ulega upłynnieniu i przemieszaniu. Podczas osuwiska przemieszczające się podłoże tworzy rodzaj podłużnej struktury poruszającej się w powstałej rynnie osuwiskowej. W zależności od budowy gruntu poza skarpą główną powstającą w miejscu poślizgu mogą się formować również skarpy wtórne, tam, gdzie przemieszczające się podłoże traci swoją spoistość. Czoło osuwiska to najczęściej jęzor powstający z przemieszanego materiału. Warto pamiętać, że osuwiska nie są jedynymi zagrożeniami dla skarp, zboczy i nasypów, poza spełzywaniem i spływaniem gruntu, grozi im również przyspieszona erozja związana z działaniem wód powierzchniowych, opadowych i gruntowych, a często także niszczące działanie wiatru.
Obszary zagrożone powstawaniem osuwisk mają bezpośredni związek z ukształtowaniem terenu. Kluczowym czynnikiem jest tu nadmierne pochylenie w stosunku do budowy geologicznej lub składu powstałego sztucznie nasypu. W przypadku tworów naturalnych najistotniejszy jest układ poszczególnych warstw oraz właściwości mechaniczne materiału, z jakiego się składają, a także rozmaite nieciągłości wynikające czy to z obecności różnych nietrwałych struktur, czy też ich niekorzystnego rozkładu. W przypadku tworów powstałych w wyniku działalność człowieka problemy wynikają zwykle z błędów projektowych lub wykonawczych albo diametralnej zmiany warunków zewnętrznych.
Największe znaczenie dla poziomu stateczności podłoża zagrożonego osunięciami ze względu na sposób ukształtowania terenu i oddziaływania grawitacyjne przekraczające spoistość gruntu wynikającą z sił kohezji oraz tarcia powstającego w wyniku nacisku masy gruntu mają czynniki statyczne, np. związane ze zwiększeniem obciążenia terenu oraz dynamiczne – sztuczne jak choćby wibracje wywoływane przez przebiegającą w pobliżu drogę czy prace budowlane, a także naturalne – jak aktywność sejsmiczna, nasilenie działania wód powierzchniowych lub opady zwiększające ciężar gruntu.
Czynnikiem zwiększającym ryzyko osunięcia ziemi jest również podniesiony poziom wód gruntowych, zwiększone ciśnienie hydrostatyczne, gwałtowne zmiany temperatury powodujące przemarzanie i powstawanie wysadzin czy związane z wysoką temperaturą przesuszanie podłoża. Znaczenie może mieć działanie chemikaliów, aktywność zwierząt i oddziaływanie korzeni roślin. Poważnym zagrożeniem jest też działalność człowieka – ingerencje w podłoże, nadmierne obciążenie obiektami budowlanymi czy awaria lub uszkodzenie odwodnień albo instalacji znajdujących się w pobliżu np. wodociągu, kanalizacji burzowej czy kolektora ściekowego.
Badania stateczności zboczy, skarp i nasypów
Metodą określenia stanu terenu w miejscu potencjalnego osuwiska jest przeprowadzenie badan geologicznych umożliwiających określenie tzw. współczynnika stanu równowagi (F). Parametr ten opisuje stosunek czynników wpływających na utrzymanie podłoża w dotychczasowym stanie – spójności gruntu i powstającymi między tworzącymi go cząsteczkami siłami tarcia z jednej strony, a parametrami wpływającymi na ryzyko osunięcia – oddziaływaniami grawitacyjnymi, jak również m.in. dodatkowym naciskiem na podłoże, sytuacją hydrogeologiczną czy siłami dynamicznymi. W zależności od wartości współczynnika stateczności można oszacować ryzyko zachwiania stabilności i powstania osuwiska. Wysokie wartości współczynnika będą pokazywały niski poziom prawdopodobieństwa przemieszczenia gruntu, niskie świadczą o tym, że jest ono dość wysokie i konieczne może być podjęcie odpowiednich działań. Gdy współczynnik stateczności jest mniejszy niż 1,0 przemieszczenie gruntu i powstanie osuwiska jest bardzo prawdopodobne. W przedziale od 1,3 do 1,0 uznaje się je za prawdopodobne. Wartości między 1,5 a 1,3 określa się jako mało prawdopodobne, a powyżej 1,5 przyjmuje się, że zagrożenie osunięciem jest bardzo mało prawdopodobne.
Wyliczenia pozwalające na uzyskanie współczynnika równowagi mogą być prowadzone różnymi metodami obliczeniowymi. Wśród tych, które wykorzystuje się najczęściej, znajdują się modele, które zakładają, że powierzchnia ulegającego przemieszczeniu podłoża jest zamkniętą bryłą o objętości definiowanej przez powierzchnię gruntu z jednej strony, a z drugiej tzw. powierzchnię poślizgu, czyli granicę między podłożem, które zmieni położenie, a tym, które zachowa spoistość z warstwami znajdującymi się w sąsiedztwie. Obszar potencjalnego osuwiska jest następnie dzielony na pionowe części (stąd nazwa tej grupy metod – metody paskowe), a następnie szacuje wielkość działających na nie sił. Pionierską metodą paskową jest metoda Felleniusa, w której powierzchnia poślizgu jest traktowana jako walec, zakładając jednocześnie brak wzajemnych oddziaływań między poszczególnymi wyodrębnionymi paskami. Element wzajemnych oddziaływań wprowadza metoda Bishopa, gdzie oddziaływanie między pasami gruntu są uwzględniane. Metodami dającymi lepsze przybliżenie są metody Nonvelliera, Janbu oraz Morgensterna-Price’a, w których można uzyskać wyniki dla dowolnego kształtu strefy poślizgu. Lepsze rezultaty dają jednak metody, w których uwzględnia się większą ilość elementów decydujących o równowadze np. w metodzie Barera-Garbera i Specncera.
Wraz z rozwojem technik badawczych ograniczających konieczność stosowania wierceń i sondowań, w tym tomografii elektrooporowej czy mikrosejsmiki powierzchniowej np. MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves), istnieje możliwość uzyskania większych ilości danych w krótszym czasie i przy niższych kosztach. Wśród nowszych i dokładniejszych numerycznych metod obliczeniowych będą to Metoda Różnic Skończonych, Metoda Elementów Skończonych czy Metoda Elementów Brzegowych.
Metody zabezpieczania stabilności zboczy, skarp i nasypów
Jeżeli wyniki prowadzonych badań geologicznych wskazują, że wielkość współczynnika stateczności jest na poziomie uprawdopodabniającym powstania osuwiska, niezbędne będzie przeprowadzenie odpowiednich prac zabezpieczających. Mogą one mieć różny zakres w zależności od rodzaju inwestycji czy planowanego sposobu wykorzystania terenu, a także skali istniejącego zagrożenia. Stosunkowo najprostszym rozwiązaniem jest wykonanie systemu odwodnień, który może odprowadzać zarówno wody opadowe, jak i ukierunkowywać spływ wód powierzchniowych i wpływać na poziom zwierciadła wód gruntowych. Możliwa jest także zmiana geometrii zbocza związana ze zmianą obciążeń czy nachylenia np. wraz z budową tarasów. W niektórych przypadkach zasadna może się okazać kompleksowa wymiana gruntu albo przeciwnie, jedynie zabezpieczenie jego powierzchni przy pomocy geosiatek. Prostym, a jednocześnie skutecznym rozwiązaniem jest używanie geowłóknin lub wprowadzanie roślinności z odpowiednimi systemami korzeniowymi, które pełnią funkcję naturalnych stabilizatorów podłoża.
Sposobem wzmacniania zboczy, skarp i nasypów może być wykonanie konstrukcji oporowych. W zależności od warunków i zagrożeń mogą to być stosunkowo proste rozwiązania w postaci ścianek szczelnych wykonanych ze stalowych grodzic, murków oporowych z żelbetu, wykorzystanie kaszyc – prefabrykowanych elementów żelbetowych wypełnianych gruntem – czy też gabionów – konstrukcji ze stalowych siatek wypełnianych materiałem skalnym. Przy mniejszych obciążeniach stosowane są ściany z prefabrykatów betonowych np. elementów T-kształtnych.
Sposobem na ochronę podłoża przed powstawaniem osuwisk, gdy powierzchnia poślizgu znajduje się na znacznej głębokości, jest stosowanie różnych konstrukcji wgłębnych lub odpowiednie kotwienie. Popularnym rozwiązaniem jest w takich przypadkach palowanie przy pomocy pali wierconych, co eliminuje szkodliwe oddziaływania związane z powstającymi drganiami, np. w technologii pali CFA czy mikropalowania. Sposobem jest też przygotowywanie studni wypełnianych betonem. Możliwe jest wykonywanie tzw. palościanek (palisad). Sposobem stabilizacji zboczy, skarp i nasypów może być kotwienie lub stosowanie gwoździ gruntowych. W takich przypadkach w podłożu osadzane są pręty lub liny stalowe łączone z obciążeniem stabilizującym je w gruncie na odpowiedniej głębokości oraz łączone z elementami ustawianymi na powierzchni w postaci bloków będących obciążeniem, płyt, ścianek, a nawet siatek lub różnych geosyntetyków.
Warto pamiętać, że dobór odpowiedniej metody zabezpieczenia terenu jest uzależniony od ukształtowania powierzchni, warunków geologicznych i hydrogeologicznych, a także występujących w danym miejscu oddziaływań zewnętrznych. W wielu przypadkach istotnym czynnikiem będzie także możliwość zastosowania określonej technologii oraz koszt wykonania prac.