Dynamiczna równowaga skarp - inzynieriasrodowiska.com.pl · wbijaniem pali fundamentowych,...

Źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska

Dynamiczna równowaga skarp.

Problem szkodliwego wpływu wody na stateczność ziemnych budowli komunikacyjnych

jest równoważny z problemami dynamicznej równowagi skarp tychże budowli. Tak jak to podkreślano wcześniej, jeżeli siły obciążające masę gruntu zmieniają się szybko powodując, że siły bezwładności osiągają znaczne wartości w porównaniu ze statycznymi, to należy stosować specjalne obliczenia do oceny odkształceń gruntu, Tego rodzaju zagadnienia nabierają znaczenia szczególnie przy robotach palowych, fundamentowaniu maszyn rotacyjnych, zagęszczaniu wibracyjnym oraz co jest spektakularne – stateczność zboczy i skarp obciążonych dynamicznie. Efekty te są pochodzenia użytkowego wynikające z przejazdu sprzętu kołowego, kolejowego, budowlanego, pracy maszyn i in. Szczególnie uciążliwy i w wielu przypadkach niebezpieczny jest ruch kołowy i kolejowy wywołujący drgania drogowe. Uciążliwość jest dotkliwa szczególnie w centrach dużych i starych miast, gdzie mamy do czynienia z wąskimi ulicami w zabytkowych dzielnicach. Stąd też, problem drgań drogowych jest od wielu lat przedmiotem zainteresowania specjalistów z wielu branż. Konieczność zbadania wpływu cyklicznych obciążeń na zachowanie się ośrodka gruntowego została spowodowana obserwowanymi w przeszłości licznymi katastrofami budowli w wyniku trzęsień ziemi. Zwrócono przy tym uwagę iż zjawisko zniszczenia gruntu przy cyklicznych obciążeniach ma zgoła inny charakter, co związane jest z trój-, a nawet w szczególnym przypadku z dwufazowością ośrodka i zachodzi poprzez tzw. „upłynnienie”. Jest to stan, w którym grunt traci całkowicie swą wytrzymałość na ścinanie i zachowuje się jak ciecz. Jest to typowe zjawisko tiksotropii – czyli przechodzenia gruntów o dużej zawartości drobnych cząstek w płynną zawiesinę. Bardzo nieporządane szczególnie przy zagęszczaniu warstw gruntowych lub poddanych wstrząsom lub cyklicznym oddziaływaniom ruchu, wreszcie wibracjom. Mowa tu nie tylko o dużej zawartości frakcji ilastych lecz również frakcji pylastej. W tego typu gruntach cząstki iłowe i koloidalne tworzą pomiędzy strukturą o grubszych frakcjach spoiwa w postaci ciągłej siatki przestrzennej. Wadą tego typu wiązania jest mała odporność na uplastycznienie gruntu lub nawet upłynnienie w warunkach oddziaływania obciążeń dynamicznych. Podjęte badania wykazały ich wpływ nie tylko na zdrowie ludzkie, ale także na stateczność obiektów budowlanych oraz na stateczność ustrojów podpierających, skarp nasypów i wykopów, a także zboczy naturalnych. Do oceny wpływu drgań na obiekty znajdujące się w otoczeniu źródła drgań stosuje się normy niemiecką DIN 4150-3 lub polską PN-B-02170:1985.


W polskiej normie ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże obejmuje budynki . Wprowadza ona skale wpływów dynamicznych (SWD). Na wykresach amplitudy przyspieszenia w zależności od częstotliwości wydzielono 5 stref (I – V). Strefy te oddzielone są dodatkowo czterema granicami (A – D). Natomiast o skarpach nie wspomina się nic.

W ujęciu fizycznym falami są rozprzestrzeniające się w ośrodku materialnym lub polu, zaburzenia pewnej wielkości fizycznej charakteryzującej stan tego ośrodka (lub pola). Wyróżniane w teorii fal, fale sprężyste — to mechaniczne zaburzenia (przemieszczenia lub ich pochodne) rozprzestrzeniające się w ośrodku sprężystym. Obszary początkowych zaburzeń powodowanych różnymi przyczynami nazywa się źródłami fal. Fale powstają w wyniku wychylenia jakiegoś fragmentu ośrodka sprężystego z normalnego położenia, będącego położeniem równowagi, co w następstwie powoduje drgania fragmentu wokół tego położenia. Dzięki sprężystym właściwościom ośrodka drgania te są przekazywane kolejno do coraz dalszych jego części. Sam ośrodek jako całość nie przesuwa się wraz z falą, różne jego części wykonują jedynie drgania w ograniczonych, obszarach przestrzeni. Cechą charakterystyczną fal mechanicznych jest to, że przenoszą one energię poprzez materię dzięki przesuwaniu się zaburzenia w tej materii, a nie na skutek postępowego ruchu samej materii. Najważniejszą cechą odróżniającą fale sprężyste od dowolnego innego uporządkowanego ruchu cząstek ośrodka jest to, że w przypadku małych zaburzeń (w przybliżeniu liniowym) rozchodzenie się fal nie jest związane z przenoszeniem substancji. Podczas silnych zaburzeń występuje przenoszenie się substancji i drgania cząstek ośrodka mają wówczas nieliniowy charakter. Fale sejsmiczne wywołane trzęsieniami ziemi i parasejsmiczne spowodowane eksplozjami, wbijaniem pali fundamentowych, przejazdem ciężkich pojazdów (drogowych i kolejowych) są złożone. Problem prędkości propagowania się tych złożonych drgań wymaga przeprowadzenia wielu analiz. Fale sprężyste, powstające podczas trzęsienia lub drgań parasejsmicznych ziemi, nadają ośrodkowi gruntowemu pewne przyśpieszenie. Wynikiem działania tych fal są siły sejsmiczne, równe iloczynowi przyśpieszenia i masy ciała. We wszystkich obiektach położonych na powierzchni ziemi powstają przy tym siły bezwładności, równe co do wielkości siłom sejsmicznym lecz skierowane przeciwnie do kierunku ich działania. W ten sposób trzęsienie ziemi wywołują w zboczach dodatkowe obciążenia, których czas działania jest równie krótki, jak czas trwania drgań sejsmicznych. Te dodatkowe obciążenia zmieniają układ sił, działających na masyw potencjalnego osuwiska, a tym samym wpływają na zmianę zapasu bezpieczeństwa w zboczu. W praktyce inżynierskiej zakłada się, że siły te działają poziomo w kierunku do skarpy, co oznacza pogorszenie stateczności zbocza. Prostą metodę uwzględniania wpływu drgań sejsmicznych na stateczność zboczy zaproponował Terzaghi. Dodatkowa siła pozioma, działająca na masyw osuwiska, jest zaczepiona w jego środku ciężkości, jak to pokazano na rysunku 27. Wartość tej siły jest proporcjonalna do masy osuwiska i do przyśpieszenia sejsmicznego. Współczynnik stateczności zbocza w warunkach trzęsienia ziemi wyznacza się dowolną metodą obliczeń. W zależności od wymaganego stopnia dokładności wyników można stosować klasyczną metodę koła tarcia, oraz uproszczone lub dokładne rozwiązania metody pasków. Współczynnik sejsmiczny k przyjmuje się najczęściej w postaci stosunku przyśpieszenia sejsmicznego do przyśpieszenia


ziemskiego g. Przy takim założeniu pozioma siła wywołana trzęsieniem ziemi jest równa iloczynowi współczynnika sejsmicznego k i siły od ciężaru gruntu W.

Rys.1. Układ sił w zboczu w warunkach drgań sejsmicznych [1]

Zgodnie z raportem Międzynarodowego Stowarzyszenia Wielkich Zapór, wartości współczynnika sejsmicznego, przyjmowane w obliczeniach stateczności zapór ziemnych w różnych krajach, zmieniają się w granicach k = 0,l ÷ 0,2. Podobne kryteria projektowania są podane przez Seeda, który zaleca przyjęcie wartości k = 0,1 dla trzęsienia ziemi stopnia 6,5 oraz k = 0,25 dla trzęsienia ziemi stopnia 8,25 (wg skali Richtera) pod warunkiem, że współczynnik stateczności będzie większy niż 1,5. Według normy GOST — 52 współczynnik sejsmiczny zależy od siły trzęsienia ziemi, podanej w skali 12-stopniowej. Wartości tego współczynnika zmieniają się od k = 0,005 (dla stopnia 5) do k = 0,5 (dla stopnia 11). Uwzględnianie wpływu drgań sejsmicznych w postaci dodatkowej siły poziomej, działającej w sposób statyczny, daje dobre wyniki w tych przypadkach, gdy zbocze i jego podłoże jest zbudowane z gruntów mało wrażliwych na zjawiska sejsmiczne, towarzyszące trzęsieniu ziemi. Do tej grupy należą grunty spoiste (iły, gliny zwięzłe i gliny) oraz zagęszczone grunty niespoiste. Natomiast w przypadkach gruntów mało spoistych (zwłaszcza pyłów) oraz gruntów niespoistych w stanie średnio zagęszczonym i luźnym, charakteryzujących się ponadto dużą wilgotnością, stosowanie uprzednio opisanej metody sprawdzania stateczności nie gwarantuje zachowania stateczności zbocza w warunkach trzęsienia ziemi. Drgania sejsmiczne powodują bowiem w tych gruntach przede wszystkim wzrost ciśnienia wody w porach, a w konsekwencji zmniejszenie ich wytrzymałości, prowadzące do upłynnienia gruntu w pewnych obszarach zbocza. Dlatego też w drugiej grupie gruntów (mało spoistych i niespoistych), lepsze wyniki daje oszacowanie odkształceń i przemieszczeń gruntu wywołanych drganiami sejsmicznymi lub ocena stateczności przy uwzględnieniu zmian naprężeń w gruncie i jego wytrzymałości. Siły bezwładności stają się istotne w zależności od częstotliwości i rodzaju obiektu jakiego dotyczą. Dla płaskich zagadnień drogowych siły te stają się istotne, gdy częstość obciążeń przekroczy wartość 25 Hz, ale w przypadku dużej zapory lub wysokiego nasypu mogą stanowić zagrożenie już przy częstotliwościach rzędu 0,5 Hz.


Proces rozchodzenia się fal sprężystych w podłożu gruntowym należy do zagadnień bardzo skomplikowanych. Dlatego też, podobnie zresztą jak w innych dziedzinach, częstotliwość drgań własnych podłoża gruntowego jest taką częstotliwością, której najbardziej „sprzyja” grunt w propagowaniu się drgań i której towarzyszą największe amplitudy przy tej samej sile wzbudzania. Oczywistym jest, że dla tego samego gruntu inne są częstotliwości dla składowych pionowych i poziomych drgań. Tab.1. Częstotliwości drgań własnych „rezonansowe” dla typowych gruntów.[2]

Rodzaj podłoża

Częstotliwość drgań [Hz] pionowych poziomych bez podziału

Grunt bagnisty Ił, glina i grunty gliniaste w zależności od wytrzymałości Piaski w zależności od miąższości warstwy Żwir w zależności od miąższości warstwy Grunty skaliste

4

15 – 28

19 – 26 23 – 30

32

-

15 – 28

5 – 15 7 – 20

-

-

5 – 10

5 – 18 7 – 22 40 - 90

Znajomość częstotliwości własnych pozwala w praktyce inżynierskiej uniknąć nadmiernych drgań lub dynamicznych osiadań (poprzez eliminowanie drgań „rezonansowych”). Zależy ona również od np. masy wibratora i jego mechanicznych właściwości, rozkładu obciążeń przenoszonych z wibratora na podłoże, kontaktu jego z podłożem oraz od gęstości i sztywności podłoża. Ścisły związek z częstotliwościami „rezonansowymi” mają również mikrosejsmy, drgania gruntu ( od ruchu pojazdów i maszyn). Są to drgania rzędu 0,1 – 1 µm i o okresach 0,05 – 1,2 sek. W podłożu jednorodnym krzywe rozkładu składowych poziomych są jednorodne, a dla niejednorodnych podłoży (uwarstwionych) mogą być dwupikowe, a nawet więcej pikowe.


Rys.2. Przykładowe sejsmogramy składowych poziomych drgań gruntu wzbudzanych ruchem a) autobusu, b) równoległą jazdą dwóch testowych ciężarówek z prędkością 80 km/h. [3]

Prędkości rozchodzenia się fal podłużnych i poprzecznych w różnych rodzajach gruntu zestawiono w tablicy 2 [2]. Tab. 2.

Rodzaj gruntu

Prędkość rozchodzenia się fal [m/s]

VL VT

wilgotna glina less naturalnej wilgotności ścisły, żwirowo-piaskowy grunt piasek drobnoziarnisty piasek średnioziarnisty żwir średniej grubości

1500 800 480 300 550 760

150 260 250 110 160 180

Ogólnie, fale powierzchniowe rozchodzą się również i w głąb ośrodka, ale na niewielką głębokość. Z reguły jest to długość jednej fali.


Tab.3. Zmienność częstości drgań od długości i prędkości rozchodzenia się fal. [2] Częstotliwość drgań źródła [ 1/min]

Długość fali [ m] przy prędkości rozchodzenia się fali [m/s]

50 75 100 150 200 300 500

20 60 100 200 300 500 800

1000 1200 1500 3000

150 50 30 15 10 6

3,7 3

2,5 2 1

225 75 45

22,5 15 9

5,6 4,5 3,7 3

1,5

300 100 60 30 20 12 7,5 6 5 4 2

450 150 90 45 30 18

11,2 9

7,5 6 3

600 200 120 60 40 24 15 12 10 8 4

900 300 180 90 60 36

22,5 18 15 12 6

1500 500 300 150 100 60

37,5 30 25 20 10

Z tablicy wynika, że przy działaniu maszyn wolnoobrotowych długości fal są duże i dochodzą do kilkuset metrów. Maszyny szybkoobrotowe i wibracyjne emitują drgania o długościach mocno zredukowanych ( od kilku do kilkunastu metrów). Absorbcja drgań zależy przede wszystkim od rodzaju gruntów i powierzchni wywołującej drgania. Tab.4. Współczynniki absorbcji drgań dla różnych gruntów [2]

Rodzaj gruntu Wsp. absorpcji i drgań Słabo nasycone wodą drobnoziarniste i pylaste piaski, gleby piaszczyste i gliniaste piaski średnio- i grubo ziarniste, wilgotne grunty gliniaste i gliny grunty piaszczyste, gliniaste i gliny suche

0,01 – 0,03

0,04 – 0,06

0,07 – 0,01 Ogólnie można też stwierdzić, że ze wzrostem głębokości drgania ulegają redukcji. Jest to stwierdzenie bardzo ogólne, gdyż woda gruntowa o swobodnym zwierciadle lub napięta, może w znaczący sposób zakłócić te relacje. Dlatego też dochodzi jeszcze problem kapilarnego podnoszenia wody przez cząsteczki gruntu. Zwierciadło wody gruntowej może powodować w określonych układach, zmiany cech propagacyjnych gruntu - czyli może ono zmienić masę gruntu w układ warstwowy. Wtedy górna warstwa (nienasycona) przekazuje energię fal poprzez szkielet gruntowy, a dolna warstwa (nasycona) może przekazywać energię fal zarówno poprzez szkielet jak i wodę.


Zatem na styku tych dwóch stref mogą pojawić się różne rodzaje fal odbitych i załamanych, przy czym w warstwie dolnej (nasyconej) zjawisko to jest jeszcze bardziej skomplikowane bowiem warstwa ta propaguje dwa rodzaje fal poprzecznych i podłużnych. Należy pamiętać, że woda zachowuje się jak twardy materiał. I tak rejestrowane w jednorodnym piaszczystym gruncie prędkości fal podłużnych nad zwierciadłem wody gruntowej wynoszą średnio 300 m/s, a poniżej ok. 1500 m/s. Tab. 5. Zmiana prędkości propagacji fal w gruntach piaszczystych w zależności od naprężeń statycznych [3]

Tab.6. Prędkości propagacji fal w różnych gruntach [3]

Najbardziej interesujący jest wpływ drgań drogowych na osiadanie i zagęszczanie gruntów. Częstotliwość drgań wzbudzanych przejazdami pojazdów mieści się w granicach 2,6 - 30 Hz, przy czym najczęściej występują częstotliwości 8 - 16 Hz. A więc drgania powstające na skutek przejazdu pojazdów pozostają w paśmie częstotliwości sprzyjających zagęszczaniu, a zatem osiadaniu gruntu, co potwierdzają obserwacje. W Holandii zaobserwowano, że budynki przylegające do autostrady przechylały się w stronę drogi. W Monachium wiele budynków posadowionych było na warstwie piasku i żwiru o grubości ok. 6 m, pod którym znajdowała się skała. Narastanie intensywności ruchu pojazdów wywoływało tak duże osiadania, że niektóre ulice zamknięto dla ruchu samochodowego. Stosowanie różnych maszyn drogowych do zagęszczania warstw podbudowy (nie tylko wibracyjnie) powoduje też zmiany dynamicznego modułu odkształcania warstw


konstrukcyjnych jezdni. Z dwukrotnych pomiarów dynamicznego modułu ścinania warstw w jezdni (metodą pomiaru prędkości rozchodzenia się fal o różnych częstotliwościach), przeprowadzanych podczas budowy drogi i po trzech latach eksploatacji wynika, że moduł ten dla warstwy piasku podbudowy zmienił się z 27 kN/m2 na 69 kN/m2. Wzrost gęstości warstw w jezdni wyniósł w tym okresie 10%. Z kolei moduł ten dla chudego betonu i gruntu stabilizowanego cementem malał z czasem, z powodu pękania nawierzchni na skutek ruchu pojazdów. I tak, dowolny obiekt posadowiony na niespoistym gruncie będzie osiadał, jeśli grunt będzie podlegał drganiom wywołanym pracą maszyn, ruchem pojazdów lub wbijaniem pali. Z kolei osiadania budowli, posadowionych na gruntach spoistych (np. na glinie) i podlegających drganiom, zwykle są tak nieznaczne, że nie pociągają za sobą niebezpieczeństwa uszkodzeń obiektów. Ten fakt różnej reakcji piasku i gliny na drgania jest uwzględniany przy doborze np. sposobów zagęszczania nasypów. W wyniku swojej wrażliwości na drgania, piasek może być efektywnie zagęszczany urządzeniami drgającymi, podczas gdy glina może być za-gęszczana tylko pod działaniem obciążeń statycznych. Osiadanie powierzchni piasku, wywołane pulsacyjnym obciążeniem, jest wielokrotnie większe niż osiadanie, wywołane statycznym działaniem tego samego obciążenia. Zagęszczanie gruntu jest zależne w dużym stopniu od nacisku statycznego na podłoże, który wywołuje większe tarcia międzycząsteczkowe, a więc większe opory i mniejsze zagęszczenia. Drugim istotnym elementem wpływającym na osiadanie jest częstotliwość drgań. Maksymalne osiadanie występuje przy drganiach od 8 - 42 Hz. To pasmo częstotliwości jest określane jako niebezpieczne. Podręczniki dotyczące fundamentów podają liczne przykłady nadmiernych osiadań gruntu spowodowanych drganiami. Przykładowo, turbogenerator na fundamencie spoczywającym na zagęszczonym piasku i żwirze, mający 1500 obr/min (25 Hz), powodował maksymalne osiadanie ponad 30 cm na rok. Znane są też przypadki znacznych osiadań występujących podczas wbijania pali fundamentowych. Np. na obszarze, na którym wbito 100 pali (przebijając nimi warstwę piasku i żwiru o grubości nawet 15 m) nastąpiło obniżenie powierzchni gruntu o 15 cm, a w odległości 15,0 m od obszaru palowania o 3 mm. Inne czynniki też mogą przyspieszać lub opóźniać osiadanie, np. zwiększenie wilgotności, powoduje wzrost wartości krytycznego przyśpieszenia, a po osiągnięciu nasycenia znów nieco zmniejszają się. Problem przekazywania przez podłoże nadmiernych drgań na skarpy może dotyczyć i może wystąpić w fazie ich projektowania, w fazie początkowego rozruchu urządzeń oraz w fazie normalnej eksploatacji. Ochrona skarp przed wpływem drgań i wstrząsów przenoszących się przez podłoże może być przeprowadzona kilkoma sposobami:

a) ograniczenie wielkości drgań wymuszających w samym źródle, oddalenie, zmniejszenie obciążeń lub innych parametrów dynamicznych lub inne usytuowania obciążeń,

b) zmiana właściwości dynamicznych lub wytrzymałościowych podłoża - można to osiągnąć poprzez zwiększenie lub zmniejszenie jego sztywności ewentualnie wzmocnienie,

c) zastosowanie elementów wibroizolacyjnych.


Ważną czynnością dla uniknięcia niepożądanych efektów jest dokładne badanie podłoża z wyznaczeniem granic zalegania poszczególnych wydzielonych warstw, namierzonych poziomów zwierciadła wody gruntowej, stanu gruntów ( zagęszczenia i plastyczności). Problem właściwego zaprojektowania obiektów liniowych i posadowień innych urządzeń wibracyjnych w ich pobliżu wymaga od projektanta znajomości dopuszczalnych amplitud przemieszczeń lub przyspieszeń dla tych obiektów. W przypadku prostych budowli liniowych (nasypów) o wysokości do 4 m z ruchem KR 1 – KR 2 można się posłużyć skalami SWD podanymi w normie PN-B-02170:1985. Zmniejszenie drgań od działania ruchu o niskich częstotliwościach można uzyskać poprzez zwiększenie sztywności podłoża wykorzystując, np. poduszki geotkaninowe o wytrzymałościach na rozciągnie w granicach 80 – 120 kN/m i grubości poduszki ok. 0,5 m. Cementyzacja lub chemiczne uzdatnianie przynoszą z reguły mniejsze efekty. Znaczne zmniejszenie efektów dynamicznych od przejazdu pojazdów kołowych i szynowych na stateczność skarp nasypów i wykopów uzyskuje się dodatkowo przez likwidację nierówności, styków nawierzchni z obiektem, właściwą technologią zagęszczania w obrębie płyt przejściowych i jej zabudową. Do tego dochodzi jeszcze organizacja ruchu z redukcją i ograniczeniami prędkości przejazdu pojazdów i eliminacja zjazdów wymagających hamowania. Mechanika powstawania obciążeń dynamicznych i wpływu ich na konstrukcje skarp nasypów i wykopów lub przekopów dotyczy przede wszystkim źródła drgań:

• zmiana położenia środka nacisku na nawierzchnię (przesuwanie się obciążenia), • uderzenia pionowe kół na nierównościach, • uderzenia poziome kół o nierówności, • poziome uderzenia obrzeży kół o szyny (rzucanie na boki), • poziome siły powierzchniowe przy hamowaniu pojazdy.

Wszystkie te źródła można więc ograniczyć przez odpowiednie zabiegi konstrukcyjne lub organizacyjne. Dla wyeliminowania tego typu zjawisk stosuje się różnego rodzaju zabiegi - przegrody przeciwdrganiowe w podłożu w postaci głębokich szczelin lub rowów pustych lub wypełnionych materiałami tłumiącymi względnie wbudowywanie geosyntetyków w postaci „poduszek” pod konstrukcją jezdną lub też jako poziome warstwy w skarpach. O skuteczności tego typu przegród można mówić dopiero, gdy jej głębokość jest porównywalna z długością fali powierzchniowej. Prowadzone badania ze ściankami szczelnymi wykazały ich skuteczność przy spełnianiu warunku:

𝑡"𝜆 > 0,3

gdzie: ts – głębokość szczeliny λ – długość fali


Rys.3. Schemat przegrody przeciwdrganiowej w postaci szczeliny. [2]

a) b)

c)

Rys. 4.a), b), c). Przykłady wypełnienia głębokich szczelin Samo obliczanie i przyjmowanie parametrów powinno odbywać się z przyjęciem następujących kroków: 1. W zagadnieniach, w których naprężenia działające na masę gruntu zmieniają się w czasie krótkim w porównaniu z czasem konsolidacji, stateczność można rozpatrywać w dwóch stadiach:

• bezpośrednio po zakończeniu budowy, co odpowiada ścinaniu bez odsączania, • oraz w stadium długotrwałym, odpowiadającym ścinaniu z odsączaniem.


2. Jeśli grunt jest nasycony, to stateczność przy zakończeniu budowy można najlepiej zbadać za pomocą analizy naprężeń całkowitych na podstawie założenia Ø = 0 i wytrzymałości równej wytrzymałości bez odsączania. W takich analizach nie jest konieczne wyznaczanie ciśnień w porach wzdłuż potencjalnych

powierzchni poślizgu. Jednak znajomość ciśnienia w porach w tym stadium pomaga w stwierdzeniu, które z dwóch stadiów (po zakończeniu budowy czy długotrwałe) jest krytyczniejsze. Stateczność po zakończeniu budowy można również analizować na podstawie naprężeń efektywnych (analiza c’, Ø’).

3. Jeśli grunt jest częściowo nasycony, to stateczność po zakończeniu budowy można zbadać za pomocą analizy su lub analizy c’, Ø’ przy wyznaczonych ciśnieniach w porach. Każdą z

tych metod należy stosować bardzo starannie; ich pewność jest taka sama. Korzystnie jest stosować analizę c’, Ø’, gdyż daje ona możliwość ponownego obliczenia stateczności podczas budowy na podstawie pomierzonych wartości rzeczywistych ciśnień w porach.

4. Stateczność długotrwałą powinno się zawsze badać stosując analizę c’, Ø’ przy ciśnieniach

w porach odpowiadających warunkom równowagi wody gruntowej. W przypadku iłów kurzawkowych i bardzo luźnych piasków należy używać specjalnych metod wyznaczania c’ i Ø’.

5. W zagadnieniach, w których występuje obciążanie gruntu, stan bezpośrednio po za-

kończeniu budowy jest zazwyczaj krytyczny, natomiast stateczność długotrwała jest na ogół krytyczna, gdy grunty są nie obciążone. Istnieją pewne zagadnienia szczególne, gdy stany pośrednie mogą być bardziej krytyczne. Podstawą do ustalenia stanu krytycznego jest dokładne zbadanie zmian w czasie ciśnienia wody w porach.

Badając zagadnienia drgań drogowych często szuka się odpowiedzi przez pomiary in situ, które są podstawą diagnozy, bo teoretyczne rozważania są nieskuteczne. Diagnozy często oparte są na kryteriach uszkodzeń. W literaturze technicznej i w normach wielu krajów podawane są różne kryteria oceny szkodliwości drgań. Na ogół nie wyodrębnia się dopuszczalnego poziomu drgań wywołanych ruchem drogowym. Jednym z nielicznych wyjątków jest norma szwajcarska. Polska norma PN-85/B-02170 dotyczy szkodliwości drgań drogowych. Poziom drgań wzbudzanych ruchem pojazdów po równej nawierzchni jest zazwyczaj mały, przez co można uznawać je za nieszkodliwe. Naprężenia w budynkach spowodowane drganiami drogowymi są bardzo małe, jednakże biorąc pod uwagę częstotliwość tych drgań i natężenie ruchu na drogach przelotowych lub centrach miast, należy brać pod uwagę zjawiska zmęczeniowe materiałów konstrukcyjnych. Jeśli przyjąć, że jeden pojazd wzbudza 30 drgań, to budynek w pobliżu drogi obciążonej ruchem 2000 pojazdów na dzień będzie poddany obciążeniu ok. 1,8 · 107 cykli w ciągu roku. Dla przedstawienia tych rozważań najlepiej jest zobrazować to poniższym schematem.


Rys.5. Względne przesunięcia skarp podczas obciążenia dynamicznego [4 ]

Zbocze lub wysoka skarpa poddane oddziaływaniom cyklicznym może wykazać się chwilowym brakiem stateczności. A to przy uwzględnieniu zmiennego zagęszczenia warstw w nasypie, zastosowania i wbudowania nieodpowiednich gruntów oraz przy braku sprawnie działających drenaży będzie prowadzić do zjawiska uplastyczniania gruntów, tiksotropii określonych warstw i w konsekwencji niekontrolowanych zsuwów i osuwisk. Dlatego ważnym jest prawidłowo rozpoznane podłoże, korzystanie w obliczeniach stateczności z parametrów efektywnych ( Ø’, c’, Ϭ’) oraz we wzorach, Bishopa, Morgensterna lub Price’a ze współczynników „sejsmicznych”. Jak wykazano w wielu badaniach [ 5 ] z udziałem geosyntetyków wbudowanych w skarpy w postaci poziomo ułożonych poduszek geotkaninowych lub warstw geokomórek, wzrost przyspieszenia u podstawy skarpy był niewielki i nieistotny. Przyspieszomierze umieszczone każdorazowo na różnych wysokościach skarp potwierdzały to zjawisko. Nie jest to niczym niezwykłym w przypadku elastycznych systemów oporowych, które odkształcając się podczas wstrząsów, rozpraszają energię i amortyzują drgania. Zarówno poduszki geotkaninowe pod konstrukcją drogową (jezdni lub torowiska) będąc płytą półsztywną jak i geokomórki o odpowiedniej wytrzymałości i sztywności wbudowane w odpowiednich odstępach poziomych w skarpę i na odpowiednią głębokość umożliwiają stateczność konstrukcji redukując przemieszczenia poziome i pionowe. Analizując badania, klin odłamu w tych rejonach o zmobilizowanych wytrzymałościach na ścinanie, nie może rozwinąć się na tyle skutecznie, aby nastąpił zsuw skarpy. Analizy stateczności metodą równowagi granicznej przeprowadzono za pomocą programów ReSSA i Slide. Analiza rotacyjna (Bishopa) i translacyjna (Spencera) z odpowiednimi współczynnikami parasejsmicznymi potwierdziła wyniki badań terenowych i laboratoryjnych.


Poniżej zestawiono wyniki obliczeń własnych dotyczących nasypu z kontrbankietami dla czterech wariantów obciążeń statycznych i dynamicznych:

Wariant I Obciążenie ruchem – statyczne Wariant II Obciążenie ruchem – dynamiczne Wsp. parasejsmiczny – 0,2 g Wariant III Obciążenie ruchem – dynamiczne Wsp. parasejsmiczny – 0,3 g Wariant IV Obciążenie ruchem – dynamiczne Wsp. parasejsmiczny – 0,2 g ze zbrojeniem skarpy pasmami geokomórkowymi


Wnioski końcowe z obliczeń: Po zastosowaniu odpowiednich współczynników drgań zauważyć można ewidentny spadek wartości współczynnika stateczności skarp. W I wariancie, typowe wprowadzenie obciążenia ruchem w postaci obciążenia równomiernie rozłożonego na każdej jezdni traktowane jest w konsekwencji obliczeń jako statyczne. W wariancie II i III obliczeń zauważa się drastyczny spadek wartości współczynnika stateczności skarpy przy zastosowaniu współczynników drgań 0,2 g i 0,3 g. Stąd podstawowy wniosek, że dodanie obciążenia ruchem równomiernie rozłożonego bez uwzględnienia drgań prowadzić może do katastrofalnych następstw i awaryjności konstrukcji nasypu. W wariancie IV po wbudowaniu w korpus skarpy nasypu systemów przeciwdrganiowych w postaci geokomórek otrzymano dla 0,2 g wzrost współczynnika stateczności skarpy z wartości 1,45 do 1,64. Literatura:

1. Madej J.: Metody sprawdzania stateczności zboczy. WKiŁ, W-wa 1981 r., 2. Ciesielski R., Gumiński A.: O przekazywaniu się drgań na budynki przez podłoże i

sposobach zmniejszania tych drgań. Konf. nt. Ocena szkodliwości wpływów dynamicznych. Kraków 1971 r.,

3. Ciesielski R., Maciąg E.: Drgania drogowe i ich wpływ na budynki. WKiŁ, W-wa 1990 r.,

4. Lambe T.W., Whitman R.V.: Mechanika gruntów T.I, II. Arkady, W-wa 1978 r., 5. Leshchinsky D.: Research and innovation: Seismic performance of various geocell

earth-retention systems. Geosynthetics, VIII/IX 2009 pp.46-54,

Dynamiczna równowaga skarp - inzynieriasrodowiska.com.pl · wbijaniem pali fundamentowych,...

Documents

Transcript of Dynamiczna równowaga skarp - inzynieriasrodowiska.com.pl · wbijaniem pali fundamentowych,...