background image

Stateczność skarpy 

Stateczność skarp w gruntach spoistych   

 

Metoda Felleniusa 

 

 

 

 

Zakłada  się,  że 

obsunięcie

  skarpy  w  gruntach 

spoistych 

następuje 

wzdłuż 

powierzchni 

krzywoliniowej

,  zaś  w  gruntach  niejednorodnych 

wzdłuż powierzchni łamanej. 

 

 

 

Skarpy,  dla  których  wzdłuż  powierzchni  poślizgu 

istnieje  stan  graniczny,  co  oznacza,  że  naprężenia 
ś

cinające  są  równe  wytrzymałości  gruntu  na 

ś

cinanie, nazywane są skarpami granicznymi. 

 

 

Istnieje  wiele  metod  do  określania  warunków 
stateczności  skarp,  znacznie  różniących  się  od 
siebie założeniami. 

 

 

Metoda  Felleniusa  (szwedzka)  jest  jedną  z  metod 
zalecaną przez PN–83/B–03010. 

 

 
 
 
 
 

 

background image

Stateczność skarpy 

 

Metoda  Felleniusa  opiera  się  na  przyjęciu 
cylindrycznej powierzchni osuwiskowej. 

 

 

Bryłę osuwającego się gruntu w chwili rozpoczęcia 
się zsuwu uważa się za sztywną, jej podziału na „n” 
bloków dokonuje się w celach obliczeniowych. 

 

 

Wymiar  bloków  w  kierunku  prostopadłym  do 
powierzchni 

przekroju 

poprzecznego 

skarpy 

przyjmuje się = 1.  

 

 

O

O

1

β

1

 

 

 

Bryła osuwiskowa skarpy w gruncie spoistym 

background image

Stateczność skarpy 

N

1

B

1

T

1

G

1

B

2

T

2

T

3

N

2

N

3

G

2

G

3

B

3

B

i

T

i

G

i

N

i

α

1

α

2

α

3

α

i

O

 

 

Schemat sił działających na skarpę 

 

 

 

 

Ciężar G

i

 każdej z brył rozkłada się na dwie 

składowe: 

 

N

i

 – normalną do powierzchni zsuwu, 

 
B

i

 – styczną do powierzchni zsuwu. 

 
 

background image

Stateczność skarpy 

 

Przesuwowi bloków skarpy przeciwstawiają się siły 
tarcia  T

i

  (pochodzące  od  tarcia  na  granicy  bryły 

poślizgu  oraz  od  spójności  gruntu),  działające 
stycznie do powierzchni poślizgu. 

 

i

u

u

i

i

A

C

tgΦ

N

T

+

=

 

 

i

u

u

i

i

i

A

C

tgΦ

α

G

T

+

=

cos

 

 

gdzie: 

 

  

α

i

 – kąt nachylenia siły T

i

 do poziomu; 

 

l

i

  – długość podstawy bloku 

(łuku powierzchni  

poślizgu)

 

A

i

 – powierzchnia podstawy bloku;  

 

A

i

 = l

i

 • 1 m 

 

 

Równowaga  całej  bryły  zostanie  zachowana,  jeżeli 
suma  momentów  sił  zsuwających  (obracających) 
M

0

  będzie  równa  bądź  mniejsza  od  sumy 

momentów sił utrzymujących M

u

 

M

o

 ≤ ·M

u

  

 

 

background image

Stateczność skarpy 

 

Stosunek 

tych 

momentów 

nazywa 

się 

współczynnikiem stateczności skarpy

.  

 

u

o

M

M

m

 ,    

o

u

M

M

m

F

=

1

 

 

gdzie: 

 

M

o

 - 

moment obracający, względem punktu obrotu O,

 

 

M

u

 - 

moment utrzymujący, względem punktu obrotu O

 

 

W  celu  uzyskania  najniekorzystniejszej  wartości 
tego 

współczynnika 

należy 

ustalić 

najniebezpieczniejszy punkt obrotu

 

 

Dla  ułatwienia  obliczeń  wyznacza  się  linię 
najbardziej  niebezpiecznych  punktów  obrotu  O
Linia ta przebiega przez punkty O’ i O’’

 

o

 

Pierwszy z nich znajduje się na głębokości równej 
wysokości  skarpy  i  w  odległości  4,5-  krotnej  tej 
wysokości liczonej od dolnej krawędzi skarpy. 

 

o

 

Drugi  z  nich  leży  na  przecięciu  linii  biegnących 
pod kątami odpowiednio 

δ

1 

δ

2

 od dolnej i górnej 

krawędzi skarpy. 

background image

Stateczność skarpy 

Wielkości kątów 

δ

1 

δ

2 

w zależności od nachylenia 

skarpy 

 

 

β 

1 : m 

δ

1

 

δ

2

 

45

o

 

1 : 1 

28

o

 

37

 o

 

33

o

41’ 

1 : 1,5 

26

 o

 

35

 o

 

26

o

34’ 

1 : 2  

25

 o

 

35

 o

 

18

o

21’ 

1 : 3  

25

 o

 

35

 o

 

11

o

19’ 

1 : 5 

25

 o

 

37

 o

 

 

 

Po  wyznaczeniu  linii  O’  –  O’’  oblicza  się  n  wartości 
współczynnika  m

n

  dla  punktów  obrotu  O

n

,  tak  aby 

uzyskać sytuację gdy z trzech kolejnych środkowy ma 
wartość najmniejszą. 

 

 

Punkty  te  znajdujemy  w  ten  sposób,  że  współrzędną 
(x)  są  kolejne  kroki  na  linii  najniebezpieczniejszych 
punktów  obrotu,  a  (y)  wartość  współczynnika 
stateczności skarpy m. 

 

o

 

Stosując  funkcję  wielomianu  drugiego  stopnia, 
podstawiając  wartości  tych  trzech  punktów, 
wyznaczamy współczynniki kierunkowe funkcji, a 
następnie jej ekstremum. 

 

o

 

W  miejscu  ekstremum  obliczamy  minimalną 
wartość współczynnika m

background image

Stateczność skarpy 

 
 

 

4,5 H

H

H

O'

O''

δ

1

δ

2

β

O

1

O

2

O

n

x

y

F

1

F

2

F

n

F

m

in

 

 

 

Wyznaczenie linii najbardziej niebezpiecznych punktów obrotu 

 
 
 
 
 
 

 

background image

Stateczność skarpy 

 

Jeżeli  w  zboczu,  wskutek  różnicy  poziomów  wody 
gruntowej, 

występuje 

przepływ 

wody, 

przy 

sprawdzaniu  warunku  stateczności  do  wartości 
momentu obracającego M

o

 należy dodać dodatkowy 

moment 

M

o

.  

 

P

s

R

s

R

O

ψ

l

h

 

Stateczność skarpy przy działaniu ciśnienia spływowego 

 

 

 

Wartość tego przyrostu obliczamy ze wzoru: 

 

s

s

o

R

P

M

=

 

 

gdzie: 

 

 

R

s

 - promień działania siły P

s

 w stosunku do środka  

obrotu O

P

s

 - ciśnienie spływowe, 

 

   

w

s

ρ

i

P

=

 

i   - spadek hydrauliczny;   

i = 

h

 

/

 

l = sin 

ψ

 

background image

Stateczność skarpy 

Zadanie  

 
 

Okre

ś

li

ć

 współczynnik stateczno

ś

ci skarpy dla 

nast

ę

puj

ą

cych danych: 

 
 
 

rodzaj gruntu 

 

I

L, 

I

D

 

 

h [m] 

 

a [m] 

 

b [m] 

 

q [kN/m

2

 

nachylenie 

skarpy 

 

 

 

 

h

a

b

q

 

 
 
 
 
 
 

background image

Stateczność skarpy 

10 

 

 
 

 

background image

Stateczność skarpy 

11 

α

b

l

α

W

T

S

N

h

ś

r

h

L

h

P

 

background image

Stateczność skarpy 

12 

 

W

i

 = Q

i

 + G

i

 

Q

i

 – ci

ęż

ar bloku „i” 

G

i

 – ci

ęż

ar obiektu (podany jako obci

ąż

enie ci

ą

głe) na bloku „i” 

 
gdzie:

 

         b

i

    - szeroko

ść

 bloku (paska), 

         h

ś

r,i  

ś

rednia wysoko

ść

 bloku (paska), 

         l

i

     - długo

ść

 podstawy bloku (łuku powierzchni po

ś

lizgu), 

         A

i

   - pole powierzchni podstawy bloku = l

i

·1m, 

         V

i

   - obj

ę

to

ść

 bloku. 

 

Przykład obliczenia współczynnika m

1

 dla punktu obrotu O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

Ф

u  

R

1

 [m] 

h [m] 

q [kN/m

2

c

u

 [kPa] 

Ф

u

 [º] 

ϱ

 [kg·10

3

/m

3

g [m/s

2

 

0,0787017 

6,8 

3,9 

42 

29 

4,5 

1,8 

9,81 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

numer bloku 

b

i

 [m] 

h

ś

r,i

 [m] 

α

i

 [º] 

sin

α

i

 

cos 

α

i

 

l

i

 [m] 

A

i

 [m

2

V

i

 [m

3

0,80 

59,00 

0,8572 

0,5150 

1,94 

1,94 

1,55 

2,10 

45,00 

0,7071 

0,7071 

1,41 

1,41 

2,97 

0,5 

2,80 

37,00 

0,6018 

0,7986 

0,63 

0,63 

1,75 

2,95 

29,00 

0,4848 

0,8746 

1,14 

1,14 

3,37 

2,75 

20,00 

0,3420 

0,9397 

1,06 

1,06 

2,93 

2,35 

11,00 

0,1908 

0,9816 

1,02 

1,02 

2,39 

1,80 

3,00 

0,0523 

0,9986 

1,00 

1,00 

1,80 

1,10 

6,00 

0,1045 

0,9945 

1,01 

1,01 

1,11 

0,8 

0,35 

13,00 

0,2250 

0,9744 

0,82 

0,82 

0,29 

 

Suma: 

  

 

 

 

 

 

 

 

8,3 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Stateczność skarpy 

13 

W

i

 [kN] 

S

i

 [kN] 

N

i

 [kN] 

T

i

 [kN] 

Mu

i

 [kNm] 

Mo

i

 [kNm] 

m

1

 

 

 

69,43 

59,51 

35,76 

59,12 

402,02 

404,68 

 

 

52,44 

37,08 

37,08 

43,93 

298,73 

252,16 

 

 

30,95 

18,63 

24,72 

20,10 

136,69 

126,68 

 

 

59,56 

28,87 

52,09 

37,26 

253,35 

196,35 

 

 

51,68 

17,67 

48,56 

34,68 

235,84 

120,18 

 

 

42,27 

8,07 

41,50 

32,81 

223,10 

54,85 

 

 

31,83 

1,67 

31,78 

31,54 

214,48 

11,33 

 

 

19,53 

-2,04 

19,42 

30,69 

208,68 

-13,88 

 

 

5,07 

-1,14 

4,94 

24,20 

164,56 

-7,76 

0,54 

 

 

 

 

 

  

Suma 

Suma 

 

 

 

 

 

 

 

2137,45 

1144,57 

 

 

 

 
 
 

Przykład obliczenia współczynnika m

2

 dla punktu obrotu O

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

Ф

u  

R

2

 [m] 

h [m] 

q [kN/m

2

c

u

 [kPa] 

Ф

u

 [º] 

ϱ

 [kg·10

3

/m

3

g [m/s

2

 

0,0787017 

6,7 

3,9 

42 

29 

4,5 

1,8 

9,81 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

numer bloku 

b

i

 [m] 

h

ś

r,i

 [m] 

α

i

 [º] 

sin

α

i

 

cos 

α

i

 

l

i

 [m] 

A

i

 [m

2

V

i

 [m

3

0,85 

60,00 

0,8660 

0,5000 

2,00 

2,00 

1,70 

0,5 

2,00 

49,00 

0,7547 

0,6561 

0,76 

0,76 

1,52 

0,5 

2,55 

43,00 

0,6820 

0,7314 

0,68 

0,68 

1,74 

3,15 

34,00 

0,5592 

0,8290 

1,21 

1,21 

3,80 

3,40 

24,00 

0,4067 

0,9135 

1,09 

1,09 

3,72 

3,10 

15,00 

0,2588 

0,9659 

1,04 

1,04 

3,21 

2,60 

6,50 

0,1132 

0,9936 

1,01 

1,01 

2,62 

1,95 

2,00 

0,0349 

0,9994 

1,00 

1,00 

1,95 

1,20 

11,00 

0,1908 

0,9816 

1,02 

1,02 

1,22 

10 

0,8 

0,40 

18,50 

0,3173 

0,9483 

0,84 

0,84 

0,34 

 

Suma: 

  

 

 

 

 

 

 

 

8,8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

i

 [kN] 

S

i

 [kN] 

N

i

 [kN] 

T

i

 [kN] 

Mu

i

 [kNm] 

Mo

i

 [kNm] 

m

2

 

 

 

72,02 

62,37 

36,01 

60,83 

407,59 

417,88 

 

 

47,92 

36,16 

31,44 

24,58 

164,66 

242,29 

 

 

30,78 

20,99 

22,51 

21,60 

144,71 

140,66 

 

 

67,09 

37,52 

55,62 

39,36 

263,70 

251,37 

 

 

65,72 

26,73 

60,04 

36,47 

244,35 

179,09 

 

 

56,67 

14,67 

54,74 

34,33 

230,02 

98,27 

 

 

46,21 

5,23 

45,91 

32,80 

219,77 

35,05 

 

 

34,45 

-1,20 

34,43 

31,73 

212,58 

-8,06 

 

 

21,59 

-4,12 

21,19 

31,21 

209,11 

-27,60 

 

 

5,96 

-1,89 

5,65 

24,91 

166,89 

-12,67 

0,58 

 

 

 

 

 

  

Suma 

Suma 

  

 

 

 

 

 

2263,36 

1316,29 

  

 

 

 

background image

Stateczność skarpy 

14 

Przykład obliczenia współczynnika m

3

 dla punktu obrotu O

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg

Ф

u  

R3 [m] 

h [m] 

q [kN/m2] 

c

u

 [kPa] 

Ф

u

 [º] 

ϱ

 [kg·10

3

/m

3

g [m/s

2

 

0,0787017 

3,9 

42 

29 

4,5 

1,8 

9,81 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

numer bloku 

b

i

 [m] 

h

ś

r,i

 [m] 

α

i

 [º] 

sin

α

i

 

cos 

α

i

 

l

i

 [m] 

A

i

 [m

2

V

i

 [m

3

0,7 

0,60 

60,90 

0,8738 

0,4863 

1,44 

1,44 

0,86 

0,5 

1,50 

51,56 

0,7833 

0,6217 

0,80 

0,80 

1,21 

2,25 

44,00 

0,6947 

0,7193 

1,39 

1,39 

3,13 

2,70 

37,46 

0,6082 

0,7938 

1,26 

1,26 

3,40 

2,55 

31,26 

0,5189 

0,8548 

1,17 

1,17 

2,98 

2,15 

25,26 

0,4267 

0,9044 

1,11 

1,11 

2,38 

1,65 

19,54 

0,3345 

0,9424 

1,06 

1,06 

1,75 

1,05 

14,02 

0,2423 

0,9702 

1,03 

1,03 

1,08 

0,8 

0,35 

8,63 

0,1501 

0,9887 

0,81 

0,81 

0,28 

 

Suma: 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

W

i

 [kN] 

S

i

 [kN] 

N

i

 [kN] 

T

i

 [kN] 

Mu

i

 [kNm] 

Mo

i

 [kNm] 

m

3

 

 

 

44,65 

39,01 

21,71 

43,45 

304,15 

273,09 

 

 

21,30 

16,69 

13,24 

24,37 

170,56 

116,80 

 

 

55,23 

38,37 

39,73 

43,44 

304,09 

268,57 

 

 

60,06 

36,53 

47,68 

40,29 

282,00 

255,71 

 

 

52,68 

27,33 

45,03 

37,47 

262,28 

191,34 

 

 

41,98 

17,91 

37,96 

35,05 

245,38 

125,39 

 

 

30,92 

10,34 

29,14 

33,07 

231,46 

72,38 

 

 

19,11 

-4,63 

18,54 

31,35 

219,45 

-32,41 

 

 

5,00 

-0,75 

4,94 

23,85 

166,98 

-5,25 

0,58 

 

 

 

 

 

  

Suma 

Suma 

 

 

 

 

 

 

 

2186,35 

1265,63 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Stateczność skarpy 

15 

Algorytm postępowania 

 

1.

 

  

wyznaczyć linię najniebezpieczniejszych punktów obrotu, 

2.

 

  przyjąć pierwszy punkt obrotu (

pierwszy promień poślizgu

), 

3.

 

  określić płaszczyznę obojętną, 

4.

 

  dokonać podziału skarpy na bloki (

co 1m, ale i tak aby   

  

linie podziału wypadały pod punktami charakterystycznymi

), 

5.

 

  wyznaczyć parametry geometryczne bloków, 

6.

 

  obliczyć siły, 

7.

 

  obliczyć momenty, 

8.

 

  obliczyć wartość współczynnika stateczności skarpy, 

9.

 

  powtarzać cykl obliczeń dla kolejnych punktów obrotu, aż    

uzyska się mniejszą wartość współczynnika        

bezpieczeństwa w otoczeniu 2 o większej wartości, lub  

     

wyznaczyć ekstremum funkcji  F (R) lub m (R) określając 

wartość promienia poślizgu, przy którym „F” osiąga wartość      

minimalną, lub „m” – maksymalną. 

 
 
 
 

background image

Stateczność skarpy 

16 

Rysunki do wyznaczenia funkcji F(R) 

1 : 2

1

2

3

4 5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

 

 

1 : 2

1

2

3

4 5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

1 m

 

background image

Stateczność skarpy 

17 

 

1 : 2

1

2

3

4 5

6

7

8

9

10

11

12

14

15

16

17

18

19

21

20

22

23

24

25

26

27

28

2 m

13

 

 

1 : 2

1

2

3

4 5 6

7

8

9

10

11

12

14

15

16

17

18

19

21

20

22

23

24

25

26

27

3 m

13