3329133091

Geoinżynieria

Geoinżynieria

Ocena stateczności skarp budowli ziemnych Podejście tradycyjne

Tradycyjnie, do oceny stateczności skarp budowli ziemnych stosowane były głównie dobrze sprawdzone i ugruntowane w praktyce projektowej metody równowagi granicznej, tzw. „metody pasków”, czyli uproszczona metoda Bishopa lub metoda szwedzka (metoda Felleniusa). W przypadku występowania uprzywilejowanych powierzchni (płaszczyzn) poślizgu analizowano stan równowagi bryły potencjalnego klina odłamu za pomocą metody wielkich brył, metody Kezdy’e-go, rzadziej Szachunianca. W ostatnich latach ubiegłego wieku z różnym powodzeniem rozpoczęto wdrażanie do oceny stateczności programy komputerowe opaite na metodzie elementów skończonych MES (np. Plaxis, ZSoil) bądź rzadziej wykorzystujące metodę różnic skończonych (np. FLAC).

W najbardziej popularnych metodach inżynierskich, zaliczanych do grupy metod równowagi granicznej, ocena stateczności polega na wykazaniu, iż minimalny wskaźnik (współczynnik) stateczności F_ra|n, zdefiniowany jako stosunek wszystkich charakterystycznych oddziaływań przeciwdziałających utracie stateczności oraz wszystkich charakterystycznych oddziaływań powodujących obrót lub zsuw klina odłamu jest większy od dopuszczalnej wartości wskaźnika stateczności F^, który wyraża zapas bezpieczeństwa analizowanego masywu gruntowego. Zatem warunek obliczeniowy w analizie stateczności określa formula:

gdzie:

E_M._n — suma wszystkich charakterystycznych oddziaływań przeciwdziałających obrotowi lub zsuwowi klina odłamu,

E_lfcan - suma wszystkich charakterystycznych oddziaływań powodujących obrót lub zsuw klina odłamu.

Poszczególne metody obliczeniowe różnią się m.in. kształtem powierzchni poślizgu, ilością rozważanych warunków równowagi, rodzajem przyjętych oddziaływań, którymi mogą być: siły wewnętrzne w klinie odłamu lub na powierzchni poślizgu, momenty sił, parcia i odpory, naprężenia styczne zmobilizowane na powierzchniach poślizgu.

Należy nadmienić, iż w niektórych przypadkach (np. analiza stateczności wysokich nasypów drogowych) przedmiotowe przepisy wymagają przyjęcia wartości obliczeniowych oddziaływań. Takie podejście dodatkowo zwiększa zapas stateczności, ale jest powszechnie krytykowane przez projektantów drogownictwa, gdyż powoduje to konieczność przyjmowania bardzo łagodnych nachyleń skarp gruntowych bądź nadmiernego przewymiarowania konstrukcji nasypu z gruntu zbrojonego.

Wielkości wymaganego zapasu stateczności regulowane są przez różne przepisy właściwe dla poszczególnych działów budownictwa ziemnego.

Wymagania dotyczące zapasów stateczności skarp budowli ziemnych

Ocena stateczności skarp nasypów, a w jeszcze większym stopniu skarp przekopów formowanych w naturalnie zmiennym masywie gruntowym, jest zadaniem złożonym i obarczonym dużą dozą niepewności, wynikającej ze znaczącej liczby trudnych do ustalenia niewiadomych. Dla niektórych typów budowli ziemnych, np. wysokie nasypy komunikacyjne, ziemne zapory hydrotechniczne i wały przeciwpowodziowe, nasypy kolejowe, przedmiotowe przepisy podają wymagane wartości zapasów stateczności. W wielu przypadkach brakuje takich wytycznych. Dotyczy to np. składowisk odpadów, budowli energetycznych, budowli ziemnych infrastruktury miejskiej oraz morskiej, budowli monumentalnych, odkrywkowej eksploatacji złóż kopalin użytecznych itd. W tych przypadkach branżowe rozporządzenia zawierają jedynie zalecenia oceny stateczności skarp zgodnie z Polskimi Normami.

Dla budowli ziemnych, dla których nie ma w przepisach krajowych precyzyjnych wytycznych dotyczących wielkości wymaganego zapasu stateczności, można przyjąć podejście zaproponowane przez L. Wysokińskiego [11, 16], w którym rozważane jest prawdopodobieństwo wystąpienia osuwiska:

-    bardzo mało prawdopodobne, gdy F_mUl > 1,5,

-    mało prawdopodobne, gdy 1,3 < F_min < 1,5,

-    prawdopodobne, gdy 1,0 < F_nlM < 1,3,

-    bardzo prawdopodobne, gdy F_m|n < 1,0.

Jako wielkość wskaźnika stateczności, przy której widoczne są pierwsze oznaki rozwijającego się procesu osuwiskowego, przyjmuje F_rain - 1,05 - 1,10.

Przykłady szczegółowych zaleceń dotyczących zapasów stateczności dla niektórych działów budownictwa ziemnego:

Ziemne budowle drogowe

W rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie 13), podano w §144 ust. 2 wymagania dotyczące zachowania współczynnika stateczności nie mniejszego niż 1,5, przyjmując jednocześnie wartości obliczeniowe sił i parametrów geotechnicznych. Podejście to jest powszechnie krytykowane, np. w [13], gdzie określono je jako przyjęte „chyba bez świadomości skutków, nieracjonalne". Należy nadmienić, iż wymagania takie zdecydowanie odbiegają od postanowień norm krajowych i zagranicznych.

aęjim.e-bu.d.Qalęliy.drotęęhnicżnę

W przypadku analizy stateczności skarp zapór ziemnych oraz wałów przeciwpowodziowych wytyczne dotyczące m.in. oceny stateczności zawiera Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie [4], Są to najbardziej precyzyjne wytyczne w przepisach krajowych, uwzględniają układy obciążenia, rodzaj metod analizy stateczności oraz warunki wodno-grunto-we podłoża analizowanej budowli ziemnej. Wg rozporządzenia [4] wartość współczynnika pewności niezależnie od klasy budowli hydrotechnicznej wynosi:

F<i<,p ⁼ 1>5 - dla podstawowego układu obciążeń,

Fdop ⁼ 1.3 - dla wyjątkowego układu obciążeń.

Podane wartości współczynnika pewności dotyczą obliczeń wykonywanych dokładnymi metodami, w tym metodami Morgensterna-Price’a, GLE (Generalized Limit Equlibrium Me-thod), Spencera oraz MES, przy przeciętnym rozpoznaniu podłoża. W przypadku dokładnego rozpoznania budowy podłoża w układzie warstw geotechnicznych i przeprowadzenia badań właściwości gruntów spoistych w poszczególnych warstwach podłoża, podane wartości mogą być zmniejszone do wartości: