Jak obliczyć stateczność skarpy?

Ocena nośności i stabilności terenu są jednymi z kluczowych zagadnień przy projektowaniu nowych inwestycji oraz prowadzeniu prac remontowych i modernizacyjnych istniejących obiektów. Zagrożenie powstawaniem osuwisk może być w wielu sytuacjach poważną przeszkodą, która zwykle może być usunięta za pomocą właściwej metody stabilizacji gruntu. By można było ją prawidłowo dobrać, konieczne są jednak wcześniejsze badania stateczności.

Dlaczego obliczenia stateczności skarp i zboczy są tak istotne?

Osuwiska są poważnym zagrożeniem dla wszystkich obiektów i osób znajdujących się w ich pobliżu. Przemieszczające się masy ziemi mogą doprowadzić do zniszczenia wszystkich istniejących konstrukcji budowlanych oraz stać się zagrożeniem dla ludzi i sprzętu jeszcze w trakcie realizacji prac. Na terenach, gdzie mogą pojawić się tego typu zdarzenia, niezbędne będzie więc przeprowadzenie odpowiednich badań, które pozwolą na określenie czy potrzebne będzie zastosowanie którejś z metod zabezpieczających.

Potrzeba sprawdzenia stabilności gruntu pojawia się zwłaszcza tam, gdzie mamy do czynienia z występowaniem mocniej nachylonych zboczy powstałych w sposób naturalny, np. w wyniku działalności erozyjnej cieków wodnych albo skarp sztucznych. Problem stateczności potencjalnych osuwisk dotyczy również powstałych obiektów inżynieryjnych, wszelkiego rodzaju nasypów i wałów. Ze zwiększonym ryzykiem osunięć należy liczyć się na terenach, na których prowadzone są prace górnicze oraz tam, gdzie występuje niezbyt korzystna budowa terenu. W grę może tu wchodzić skomplikowany układ warstw geologicznych czy obecność gruntów ściśliwych, nienośnych zapadowych lub zwietrzelinowych. Problemem może być również niekorzystna sytuacja hydrogeologiczna – wyjaśnia przedstawiciel firmy Geoxx, która specjalizuje się w wykonywaniu badan geologicznych i geotechnicznych.

Badanie stabilności gruntu jest często niezbędnym elementem przygotowań do realizacji inwestycji związanych z budownictwem liniowym – budową dróg czy linii kolejowych w terenie pagórkowatym i górzystym. Podobna sytuacja ma miejsce w pobliżu cieków wodnych – potoków czy rzek. Weryfikacji stabilności terenu jest również konieczna w przypadku rozważana lokalizacji obiektów kubaturowych, które mają być posadowione w pobliżu skarpy czy zbocza.

Jakimi metodami można się posługiwać przy obliczaniu stateczności skarpy lub zbocza?

Badanie stateczności potencjalnego osuwiska ma na celu określenie współczynnika stanu równowagi, który określa stosunek sił, które utrzymują znajdujące się na danym obszarze warstwy za sprawą spójności tworzącego je materiału oraz pojawiających się sił tarcia, a siłami zsuwającymi, mogącymi doprowadzić do powstania osuwiska, tj. grawitacją, naciskiem spowodowanym obciążeniem zewnętrznym oraz występującymi siłami filtracji.

Współczynnik stateczności wyliczany na podstawie badania podłoża gruntowego wskazuje na prawdopodobieństwo pojawienia się osuwiska. Im uzyskana wartość jest wyższa, tym potencjalne osunięcie mniej prawdopodobne. Przyjmuje się, że dla współczynnika większego od 1,3 takie zdarzenie jest mało prawdopodobne, a powyżej 1,5 bardzo mało prawdopodobne. W sytuacji, gdy współczynnik stateczności osiąga wartości niższe od 1,3, ryzyko przemieszczenia mas ziemi jest prawdopodobne, a poniżej 1,0 bardzo prawdopodobne.

W miejscach, gdzie współczynnik jest poniżej wartości granicznej i zachodzi realna obawa dojścia do osuwiska, teren powinien być zabezpieczony jedną z dostępnych metod, dobranych do panujących warunków geologicznych. Do dyspozycji jest zarówno całkowita wymiana gruntu oraz zmiana geometrii zbocza, jak i stosowanie rozmaitych konstrukcji stabilizujących, od umieszczania pali czy budowania kolumn lub studni wypełnianych odpowiednim materiałem. Niekiedy możliwe jest również stosowanie stabilizacji powierzchniowej przez budowę dociążeń czy mocowanie specjalnych siatek. Często stosuje się również konstrukcje oporowe, od ścianek stalowych po kaszyce czy gabiony.

Badanie stateczności skarp może być przeprowadzone różnymi metodami, a ich dobór powinien zależeć od istniejących na danym terenie warunków geologicznych. Przy wyborze metody badania muszą być brane pod uwagę zarówno możliwe w konkretnej sytuacji mechanizmy osunięcia, stopień komplikacji warunków gruntowych, złożoność obiektu budowlanego, jaki ma być posadowiony w pobliżu skarpy, jak i istniejące warunki wodne. Niezwykle ważna jest też praktyczna możliwość weryfikacji istniejącej budowy geologicznej oraz zmienność istniejących warunków.

Do najczęściej stosowanych metod badawczych należą metody paskowe, w których powierzchnię potencjalnego osuwiska określa się jako bryłę zamkniętą z jednej strony powierzchnią poślizgu, a z drugiej wierzchnią warstwą terenu i dzieli na pionowe bloki, badając siły, które na nie oddziałują. Najstarszą metodą paskową jest metoda Felleniusa, w której zakłada się, że powierzchnia poślizgu zbocza jest zbliżona do walca, a między poszczególnymi paskami nie zachodzą żadne oddziaływania. Modyfikacją metody Felleniusa jest metoda Bishopa, która wprowadza element oddziaływania poziomego między poszczególnymi blokami. Metodami, które umożliwiają prowadzenie wyliczeń przy założeniu dowolnego kształtu powierzchni poślizgu, są m.in. metody Nonvelliera, Janbu oraz Morgensterna-Price’a. Do obliczeń stateczności coraz szerzej wykorzystuje się również metodę elementów skończonych (MES), która tworzy model gruntu podzielonego na siatkę trójkątów lub kwadratów.

Obliczenia wymagane dla przeprowadzania badań wybranymi metodami są wspomagane przez odpowiednie oprogramowanie, jednak otrzymane wyniki są zawsze pewnym przybliżeniem. Wynika to z trudności z opracowaniem modelu, który będzie w stanie uwzględnić wszystkie czynniki wpływające na powstanie osuwiska, od obciążeń dynamicznych po trudne do oszacowania czynniki chemiczne i biologiczne.