Přednáška X.
Inženýrská geologie klíčová slova: mechanika zemin a hornin, technické aplikace
1
• Inženýrská geologie je vědní obor, mající interdisciplinární charakter a vycházející ze syntézy přírodních a technických oborů. • I. G. je aplikovanou geologickou vědou, která zkoumá přírodní i antropogenní geologické procesy a jevy v nejsvrchnějších částech zemské kůry. • Jejím účelem je optimální využití terénu při zajišťování podkladů pro stavebnictví, těžbu surovin, při sanaci nebezpečných geodynamických jevů a ochranu životního prostředí. • I. G. se vyvinula z požadavků praxe, když pomáhala nalézt odpovědi na vznik rozsáhlých havárií při realizaci náročných inženýrských staveb. 2
• Výzkumné záměry a vědecké projekty mají v I. G. zpravidla charakter aplikovaného, resp. cíleného výzkumu. • Častým úkolem I. G. působící v provozní praxi je poskytovat údaje potřebné pro posouzení možnosti a účelnosti vybudování určitých staveb v daném horninovém prostředí. • Je prováděn výběr vhodného typu konstrukce a efektivního postupu její výstavby, zohledňující požadovanou životnost a funkční spolehlivost stavby, ale i její bezpečnost při působení existujících či potenciálních nepříznivých geologických a technogenních procesů. • Předmětem inženýrské geologie je studium vztahů mezi složkami horninového prostředí (hornina, podzemní voda, reliéf) a také vzájemné interakce mezi horninovým prostředím a inženýrským dílem. 3
• Počátky I. G. sahají do doby, kdy byly geologové příležitostně přivoláváni ke stavebním nehodám (př. katastrofa při provalení přehrady Vaiont roku 1963). • U nás je za zakladatele inženýrské geologie považován Quido Záruba, který v roce 1954 vydal učebnici inženýrské geologie. • Inženýrská geologie je věda empirická, což znamená že její závěry většinou plynou z praktických zkušeností.
4
Obr. 1-4. Situační kartogram okolí horské přehrady Vaiont v severní Itálii 5 při katastrofálním sesuvu 9. 10. 1963. Zdroj: www.uwgb.edu
• V současné době lze vymezit základní úkoly inženýrských geologů: • I.G. podmínky výstavby v krajině – úkolem inženýrských geologů je zhodnotit podmínky pro zakládání staveb. – Je nutné provést I.G. průzkum a zhodnotit I.G. a hydrogeologické poměry lokality a posoudit zda je možné provádět stavební práce popř. jak zlepšit základové poměry aby bylo možné stavbu realizovat. • I.G. v územním plánování – Inženýrští geologové by se měli podílet na tvorbě územních plánů, aby nemohlo docházet k realizacím staveb v nevhodných územích jako jsou například území záplavová, sesuvná atd. – Cílem by mělo být takové oblasti vyhledat a zanést je do 6 územních plánů.
• Výpomoc při dobývání nerostných surovin – Řeší se zejména otvírky nových zdrojů nerostných surovin pro velké stavební akce jako jsou například stavby přehrad, komunikací atd. • Enviromentální problematika – Úkolem I.G. je také rekultivace krajiny po ukončení těžby a také realizace skládek odpadu. – Je nutné vybrat vhodnou lokalitu s co nejméně propustným podložím, zajistit těsnicí materiály, zajistit uzavření včetně kvalitního zatěsnění a následný monitoring skládky. 7
• Inženýrskou geologii dělíme z hlediska metodologie a aplikací následovně: a. metodologie - mechanika zemin, mechanika hornin – zeminy: soudržné, nesoudržné – horniny: skalní, poloskalní b. aplikace - zakládání staveb, přehrady, podzemní díla, hornická geotechnika, poruchy staveb, I. G. mapování, sesuvy, geologie ŽP
8
Obr. 5. Písek – zemina nesoudržná Zdroj: ČGS
Obr. 6. Jíl – zemina soudržná Zdroj: ČGS 9
Obr. 7. Granit – hornina skalní Zdroj: ČGS
Obr. 8. Tuf - hornina poloskalní Zdroj: ČGS
10
A. Mechanika zemin a hornin ZEMINY
HORNINY
NESOUDRŽNÉ
SOUDRŽNÉ
ZRNITOST
+
+
-
OBJEMOVÁ HMOTNOST
+
+
+
KONZISTENCE (závisí na vlhkosti)
-
+
-
ULEHLOST
+
-
-
UHEL VNITŘNÍHO TŘENÍ
+
+
-
ČÍSLO NESTEJNOZRNITOSTI
+
-
-
SOUDRŽNOST
-
+
-
ČÍSLO PLASTICITY
-
+
-
PROPUSTNOST
+
+-
+-
PEVNOST V TLAKU
-
-
+
CHEMISMUS (AGRESIVITA)
VODA
Tab. 1. Hlavní význam po posouzení vhodnosti základových poměrů mají 11 fyzikálně mechanické vlastnosti zemin a hornin a úložné poměry.
JEMNOZRNNÉ (soudržné) jíl: do 0, 002 mm prach: 0,002 - 0,063 mm
PÍSČITÉ A ŠTĚRKOVITÉ (nesoudržné) písek: 0,063 - 2 mm štěrk: 2 - 60 mm
KONZISTENCE :
ZRNĚNÍ: dobře zrněný špatně zrněný
kašovitá – špatné zákl. poměry měkká – podmíněně vhodné z. p. tuhá – vhodné z. p. pevná – vhodné z. p. tvrdá – velmi vhodné z. p.
ULEHLOST: kyprý – špatné zákl. poměry středně ulehlý ulehlý – velmi vhodné z. p.
Tab. 2. Pro zeminy je nejdůležitější zrnitost a konzistence a ulehlost. Pro horniny skalní je nejdůležitější pevnost v tlaku a puklinatost a pro horniny poloskalní (tufy) stupeň navětrání a stupeň zpevnění. 12
• Konzistence/ulehlost • Zeminy dělíme na soudržné a nesoudržné (ČSN 72 1001). a. Soudržné zeminy (hlína, jíl) – konzistence: • • • • •
tvrdá - křehká, nelze prsty tvarovat, při dělení je jí třeba rozbíjet pevná - velmi těžko se tvaruje prsty, drobí se tuhá - lze tvarovat hnětením, plastická, nedrobí se měkká - lehce tvárná plastická hmota kašovitá - velmi lehce tvárná, stiskem dlaně se vytlačí mezi prsty b) Nesoudržné zeminy (písek a štěrk) – ulehlost:
• ulehlá - kladou značný odpor při rozpojování • středně ulehlá - lehce rozpojitelné, nelze přímo nabrat lopatou • kyprá - lze přímo nabrat lopatou 13
Obr. 9. Schmidtovo kladívko Zdroj: PřF UK
Obr. 10. plasticity
Casagrandeho
test 14
Zdroj: PřF UK
• B. Aplikace • Při zakládání staveb používáme následující termíny: • Základová spára - místo kontaktu stavby v místě základové konstrukce tzv. podzákladím - s horninovým prostředím. • Základová konstrukce – dolní část stavby sloužící k ukotvení celého inženýrského díla (desky, pásy, patky, piloty) • Základová půda - horninové prostředí, ve kterém je stavba založena a které na ni působí. • Aktivní zóna - dosah možných účinků stavby na základovou půdu.
15
Obr. 11. Základová spára stavby multifunkčního objektu. Zdroj: ČGS
16
• V rámci aplikací I. G. jsou studovány technicky důležité vlastnosti hornin a zemin pro zakládání staveb, především: • Propustnost – důležité např. pro stavbu přehrad, vyjadřuje rychlost průniku vody materiálem. Je charakterizována koeficientem propustnosti (K) • Propojitelnost – velký „manipulovatelnost s půdou“
význam
pro
zemní
práce
–
• Dovolené zatížení základové půdy – co unese půda či hornina v podzákladí. Při překročení limitu dochází k vytlačování materiálu do okolí.
17
• Základové poměry se podle složitosti klasifikují jako: - jednoduché - povrch území není členitý, základová půda se v rozsahu staveniště v podstatě nemění, jednotlivé vrstvy mají přibližně stálou mocnost a jsou uloženy zhruba vodorovně - složité - mají opačné vlastnosti, t.j.povrch území je členitý atd. • Podle I. G. podmínek rozlišujeme staveniště: - vhodná - základovou půdu tvoří horniny únosné a málo stlačitelné, povrch je přibližně vodorovný, hladina podz. vody leží trvale pod úrovní základů. - nevhodná - údolní nivy, bažiny, území s mělkou hladinou podzemní vody, území postižená n. ohrožená sesuvy, území poddolovaná nebo krasové oblasti a také pozemky ležící na zásobách nerostných surovin a v přírodních rezervacích.18
• Přehrady betonové (kamenné) – podle tvaru přehradní stěny se dělí na klenbové a gravitační (tížné) zemní – záleží na materiálu, ze kterého je přehrada nasypána a na způsobu sypání. homogenní – jsou budovány ze stejnorodých zemin málo až téměř nepropustných nehomogenní - sypané přehrady mají nepropustné jádro a částečně propustný plášť. Při výstavbě je nejdůležitější zajištění stability a těsnosti hráze, těsnosti podloží, stabilita a přetváření břehů. 19
Obr. 12. Sypaná hráz přehrady Boskovice Zdroj: www.prehrady.cz
Obr. 13. Sypaná hráz přehrady Dlouhé stráně Zdroj: www.prehrady.cz
20
Obr. 14. Kamenná hráz přehrady Les Království Zdroj: www.prehrady.cz
Obr. 15. Betonová hráz přehrady Vranov Zdroj: www.prehrady.cz
21
• Podzemní díla • Specifickým rysem podzemních staveb oproti pozemním je skutečnost, že se kompletní dílo nachází v horninovém prostředí. • Důkladný I. G. průzkum zajistí nejenom ekonomičnost díla, ale i pracovní postupy a bezpečnost stavebních prací i hotového díla. • Mezi podzemní stavby zahrnujeme: – liniové stavby - kanalizační a energetické štoly, spojovací vodovodní kolektory, vodohospodářské, silniční a železniční tunely, metro – kaverny - halové podzemní prostory, kde jsou umístěny hydroelektrárny, skladiště, vodojemy, ČOV, garáže, hangáry, ochranné objekty, podzemní úložiště odpadů atd. 22
Obr. 16. Sloupový sál továrny Richard I. Zdroj: www.podzemi-cma.cz
Obr. 17. Podzemní nádraží továrny Richard III. Zdroj: www.podzemi-cma.cz
23
Obr. 18. Kryt velitelství protivzdušné obrany Střední skupiny sovětských vojsk Milovice. Zdroj: www.podzemicma.cz
Obr. 19. Sklad jaderných hlavic VVP Ralsko Zdroj: www.podzemi-cma.cz
24
• Hornická geotechnika • Inženýrská geologie hlubinného dobývání řeší obdobné problémy jako u podzemních staveb. • Zabývá se především stabilitou při ražbě a provozu chodeb, překopů a šachet. Dále těžitelností zemin a hornin, možností a podmínkami ražby a vztahem k podzemní vodě. • Závažný úkol hornické geotechniky je řešení projevů těžby na povrchu - poklesy území, podmáčení, ztráty vody ve studních apod. • Hornická geotechnika při povrchové těžbě má svá specifika, zvláště při velkém rozsahu. Řeší především stabilitu svahů těžebních jam a lomů. U výsypek zajišťuje jejich bezpečné založení a následnou 25 stabilitu.
Obr. 20. Kombinovaná otvírka ložiska nerostných surovin (zdroj: VŠB Ostrava) 26
Obr. 21. Komorové dobývání uhlí (zdroj: VŠB Ostrava)
27
Obr. 22-25. Stará důlní díla v Orlických horách (zdroj: R. Pokorný)
28
• Poruchy staveb • I. G. řeší rovněž poruchy na inženýrských dílech. Ty se projevují vlasovými prasklinami, nebo různě rozevřenými trhlinami. Postupným otvíráním trhlin dochází někdy až k úplné destrukci objektu. • Příčin může být celá řada např.: – špatné základové podmínky (nehomogenní podzákladí, málo únosné zeminy) – nízká stabilita svahu (svahové pohyby) – problémy s podzemní vodou (vysoká hladina podzemní vody) – mělce založená základová spára (v zeminách objemově nestálých např. jílech) apod.
29
Obr. 26. Ukázka porušení objektu v obci Růžďka (okr. Vsetín) vlivem aktivizace sesuvu při enormních srážkách v červenci 1997 (zdroj: PřF UK) 30
• Sesuvy, skalní řícení a svahové pohyby • Jedná se o pohyb materiálu dolů po svahu účinky gravitace, bez působení tekoucí vody, ledu nebo větru • Jejich dopad má zpravidla regionální rozsah • Stabilitu svahů ovlivňují dvě hlavní skupiny faktorů: – procesy, které snižují smykový odpor hornin a mohou tak svah transformovat ze stabilního do podmínečně nebo aktivně nestabilního stavu – faktory, které přímo zvyšují smykové napětí.
31
Obr. 28, 29: Sesuv v přímořské oblasti u San Francisca a jeho počítačová simulace. Vysoké srážkové úhrny v průběhu roku 1997 způsobily v oblasti několik 32 velkých sesuvů (zdroj: http://www.planning.org/landslides).
Faktor
Příklady
Faktory zvyšující smykové napětí svahového materiálu Zvýšení sklonu svahu
boční eroze vodního toku, stavební činnost
Odstranění laterální opory svahu
vodní eroze, procesy zvětrávání, stavební činnost
Zatížení svahu
akumulace zvětralin, nárůst vegetace, zvýšení obsahu vody, stavby budov
Laterální tlak
zamrzání vody v puklinách
Odstranění vegetace
požáry, odlesňování, stavební činnost
Otřesy
zemětřesení, těžká doprava
Faktory snižující smykový odpor svahového materiálu Nárůst objemu vody ve svahovině
saturace důsledkem srážkové činnosti
Procesy zvětrávání
rozpad horniny podloží
Změny struktury
vznik trhlin a puklin
Činnost organismů
tlení kořenových systémů
33
Obr. 30: Sesuvná území v Českém masivu (zdroj: Kukal Z., 1983, 187). 34
Obr. 31. Mapa sesuvných území severně od Děčína (zdroj: www.mapmaker.env.cz) 35
Obr. 32. Sesuv svahu v obci Klapý 8.4.1894 Zdroj: archiv muzea Most
Obr. 33. Sesuv svahu v obci Klapý 11.4.1900 Zdroj: archiv muzea Most
36
Obr. 34. Skalní řícení, Hlásná Třebáň Zdroj: www.nature.cz
Obr. 35. Sesuv – Praha Hubočepy Zdroj: www.cgu.cz
37
• Typy svahových pohybů: • Pomalé: – Ploužení (creep) – velmi pozvolné stékání nezpevněných zvětralin a půdního pokryvu – Rychlost ploužení se pohybuje od 1 mm do 10 m za rok. Ploužení samo o sobě nepředstavuje žádný hazard. Díky němu ovšem dochází k narušení struktury zvětralin, které se tak mohou stát nestabilní a tudíž náchylné k ostatním svahovým pohybům. Obr. 36: Dva projevy ploužení na svahu. 38 Opilé stomy (A) a hákování vrstev (B).
– Soliflukce - jsou pomalé svahové pohyby vznikající tam, kde je vrstva půdy nebo zvětralin saturována vodou. – Vzniká především v horských terénech s velmi humidním klimatem a s nízkými teplotami (malý výpar), postihuje svahy se sklonem od 1°. – Geliflukce - proces podobný soliflukci vznikající v periglaciálních oblastech s výskytem permafrostu. – V krátkém létě rozmrzá pouze svrchní vrstva půdy, zatímco spodní část zůstává trvale pod bodem mrazu. – Svrchní vrstva saturovaná vodou pak pomalu klouže po zmrzlém podkladu.
39
• Středně rychlé: – Sesouvaní - rychlost v metrech za hodinu až den – Sesuvy vznikají, pokud dojde k porušení rovnováhy mezi smykovým odporem a smykovým napětím a svah se stane nestabilním. – Pro tento druh pohybu je charakteristická ostře vymezená smykové plocha.
Obr. 37: Základní schéma sesuvu. (zdroj: 40 http://www.planning.org/landslides/).
• Rychlé: – Tečení vzniká, pokud je zvětralina saturována vodou (výjimku tvoří pouze málo časté suché proudy) a rychle stéká po svahu. – Voda vytváří vztlakovou sílu, která způsobuje snižování smykového odporu, a tak i nestabilitu svahu. Pro tečení je charakteristická nepřesně vymezená smyková plocha. – Rozlišujeme suťové proudy, půdotoky, bahnotoky, sněhokamenité laviny apod.
Obr. 38: Základní schéma tečení. (zdroj: http://www.planning.org/landslides/). 41
– Řícením rozumíme pohyb horniny bez kontaktu s terénem. – Příčiny vzniku tohoto svahového pohybu zahrnují strmé svahy, erozi a přítomnost puklin. – Pokud pohyb obsahuje i rotační složku, nazýváme jej pojmem odsedání. – Zvláštním typem je řícení říčních břehů, které je generováno boční erozí toků. – Řícení nepostihuje velké oblasti a jeho nebezpečí je čistě lokálního charakteru.
Obr. 39: Řícení říčního břehu na řece Volyňka v podhůří Šumavy. 42
• Prevence svahových pohybů: • Úprava profilu svahu zmenšením jeho sklonu • Odvodnění svahu pomocí drenážních systémů pro povrchovou i podpovrchovou vodu. • Obnovení rostlinného krytu. Kořenové systémy zpevňují svahový materiál a zároveň působí jako přírodní drenáž (díky transpiraci). Koruny stromů navíc chrání svah před přímými účinky atmosférických srážek. • Bezpečnostní stavby jako pilíře nebo ochranné zdi mohou zbrzdit posun svahových hmot, ale vzhledem k jejich nákladnosti i rozměrům je použití tohoto opatření limitováno na menší svahy. • Jiné metody zvyšující ochranu zahrnují chemickou stabilizaci a zpevňování svahu cementem nebo jinými materiály, které snižují propustnost půdního krytu. 43
Obr. 40. Demonstrace základních opatření pro snížení rizika svahových pohybů. Zdroj: PřF UK
44
• Inženýrsko geologické mapování • Účelem tohoto mapování je vytvoření I. G. účelové mapy, která obsahuje přehled základových poměrů, fyzikálně mechanické vlastnosti hornin, geomorfologii, výskyt sesuvných pohybů, hloubku hladiny podzemní vody a její kvalitu apod. • I. G. rajonování území znamená rozdělení území na rajony podobných inženýrsko geologických podmínek, a to na vhodné, podmínečně vhodné a nevhodné plochy pro umístění staveb (budov, liniových staveb, komunikací apod.) • I. G. průzkum – udává podmínky, za jakých je možné stavbu v horninovém prostředí bezpečně a ekonomicky založit, zjišťuje I. G. průzkum. 45
• Průzkum probíhá v následujících krocích: 1. archivní rešerše stávajících podkladů 2. průzkumná díla a) vrtné -různé typy vrtů (na jádro, bezjádrové, nárazotočivé) b) kopané a hornické (kopané sondy, šachtice, rýhy, štoly atd.) 3. měřičské práce - zaměření průzkumných děl, sesuvů,sledování jejich změn atd. 4. odběry vzorků - dokumentační vzorky zemin, hornin a podzemní vody na místě 5. vykreslení geologických profilů 6. zhodnocení informací z bodů 1.-5. - návrh založení objektu 46
Obr. 41, 42. Vrtné jádro u nezpevněných a zpevněných materiálů Zdroj: ČVUT Praha
47
• Vzorky zemin se odebírají: – A. porušené - pro zjištění zrnitosti, konsistence a vlhkosti – B. neporušené - pro zjištění přirozené vlhkosti na smyk atd. • Vzorky hornin se odebírají pro zjištění stupně navětrání a otluk. • Vzorky vody se odebírají pro zjištění kvality ve vztahu k základovým konstrukcím (agresivní nebo neagresivní na beton). • Odebrané vzorky podávají obraz o inženýrsko geologických poměrech zájmového místa. Musí však být reprezentativní. Ty pak slouží ke konstrukci základových poměrů (geologické profily, charakteristika horninového prostředí).
48
• Podpůrné metody jsou: – polní zkoušky (penetrace, zatěžování, zkoušky propustnosti, speciální zkoušky - inklinometrie, extenzometrie) – geofyzikální metody (seismické, geoelektrické, gravimetrické) – telestezie („ proutkaření“)
49
Obr. 43., 44. Princip gravimetrie Zdroj: http://volcano.ipgp.jussieu.fr
50
Obr. 45. Polní inklinometrická souprava (měření geometrie vrtu) Zdroj: www.geotest.cz 51
Obr. 46. Kuželová zkouška – testuje se odpor horniny nebo zeminy proti vniku hrotu. Zdroj: PřF UK
52
