Geologie 6. Přednáška cíl : upozornit na objemově nestálé zeminy a na základě morfologických znaků upozornit na málo stabilní svahy, zkrasovělá území, vysokou hladinu podzemní vody, zvýšenou erozi a zvětrávání – viz. prezentace a text 7.přednášky Geobariéry snižující efektivnost a bezpečný provoz technických děl : a. velmi stlačitelné a neúnosné základové půdy b. zkrasovělá území c. málo stabilní svahy d. vysoká hladina podzemní vody e. seismicky aktivní území Velmi stlačitelné a neúnosné půdy Termín základová půda se používá pro tu část geologického prostředí, která spolupůsobí se stavební konstrukcí. Základovou půdu (u nepodsklepených objektů) většinou tvoří zeminy (nezpevněné sedimenty převážně kvartérního stáří), při větší hloubce založení objektů mohou to být různé typy hornin, které se vyskytují pod základovou spárou. O vhodnosti základové půdy pro danou stavbu rozhodují nejen mechanické vlastnosti zemin a hornin, ale i základová konstrukce stavby. Kontaktní plochu mezi základovou konstrukcí a základovou půdou tvoří základová spára - jejíž hloubka (hloubka založení stavby) musí být určena (kromě konstrukčních požadavků stavby) s ohledem na mechanické vlastnosti zemin a jejich možné objemové změny (namrzavost, smrštitelnost…), na hloubku hladiny podzemní vody a přípustné namáhání. Pokud se základová půda v plochém terénu podstatně nemění, jednotlivé vrstvy pod základovou spárou jsou únosné a mají stálou mocnost, vodorovné uložení a hladina podzemní vody neovlivní zakládání jedná se o jednoduché základové poměry. Už při nesplnění jednoho z těchto kritérií je založení stavby již složitější, zvláště tvoří-li základovou půdu horniny neúnosné a silně stlačitelné. Bez znalosti geologie respektive inženýrsko-geologického průzkumu konkrétního staveniště se při návrhu založení stavby nelze obejít. viz. Vyhláška MMR č. 132/1998 Sb. §3, odst. 4, h ochrana stavby před škodlivými vlivy, doložit vhodnost geologických a hydrogeologických poměrů v území Při návrhu založení stavby je třeba přihlédnout i k možným změnám vyvolaných stavbou, včetně vlivu stavby na okolní objekty a stabilitu území. Mapové podklady v měř. 1: 50 000 zobrazující geologickou stavbu našeho státu pokryly již celou plochu našeho území a jsou vydávány Českou geologickou službou. Ve stejném měřítku jsou zpracovány mapy inženýrsko- geologického rajónování (www.geology.cz), ve kterých jsou do rajónů zařazovány horniny a zeminy obdobných geotechnických vlastností. Mapy nepokrývají celé území ČR, ale pouze oblasti s intenzivní výstavbou, kde slouží jako podklad pro návrh územních plánů sídelních útvarů, pro výběr variant tras komunikací , produktovodů a vhodných míst pro ukládání odpadů. Pro Prahu vyšly tiskem inženýrsko-geologické mapy měř. 1: 5 000, které se vždy skládají ze 4 mapových listů ( mapa geologická, mapa mocností pokryvných útvarů, mapa hydrogeologická a mapa dokumentačních bodů). Zobrazení geologických poměrů na nich umožňuje znázornit mocnost zemin a typ pokryvných útvarů ( tzv.proužkovou metodou)
J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
1
zároveň s horninami skalního podkladu. Na listu mapy hydrogeologické jsou znázorněny hloubky hladiny podzemní vody včetně bodových údajů o její agresivitě. V rámci inženýrskogeologického mapování byly tyto mapy účelově zpracovány pro řadu měst (www. geofond.cz). Velmi stlačitelné a neúnosné základové půdy tvoří převážně (soudržné)- jílovité zeminy = (pelity) – jíly, v závislosti na jejich mineralogickém typu jílových minerálů jsou různou intenzitou ovlivňovány změny vlhkosti doprovázené objemovými změnami. Přestože tyto zeminy jsou makroskopicky celistvé, mají celkový obsah velmi jemných pórů větší než zeminy nesoudržné, a proto jsou schopny nasáknout vodu, která je v jemných pórech vázána kapilárními silami. Tato nasákavost je ovlivněna ještě obsahem jílových minerálů, které jsou schopny vázat vodu v krystalových mřížkách. Kapilarita zemin ovlivňuje objemové změny namrzavost, smrštitelnost (vysychání), bobtnavost a rozbřídání a zemin. Nebezpečí rozbřednutí těchto zemin se zvyšuje při jejich prohnětení , a proto je např. třeba ve výkopech stavebních jam s jílovým podložím ponechat na dně stavební jámy ochranou vrstvu, která se odstraní až před betonováním základů. Na tyto objemové změny v jílových zeminách má vliv i kořenový systém stromů. Důležité je zabránit v blízkosti staveb soustředěnému vsaku dešťové vody z dešťových svodů. Výskyt těchto jílovitých zemin je vázán hlavně na zvětralinové pláště – eluvia jílovců, slínovců v oblastech terciérních a křídových sedimentů, ale i jílů pokryvných útvarů. Z nesoudržných zemin lze mezi velmi stlačitelné a neúnosné základové půdy zařadit kypré prachovité zeminy (spraš) a velmi jemnozrnné stejnozrnné písky ( váté =eolické sedimenty) . Stejnozrnnost vátých písků má vliv na jejich velkou porozitu, která umožňuje plné nasycení podzemní vodou. Při vyvolaném proudění podzemní vody dochází už při malém hydraulickém spádu k snadnému překročení kritické rychlosti vody, které způsobí ztekucení písků. Porozitu vátých sedimentů zvyšuje jejich neulehlost – ( jsou kypré), která zapříčiňuje prosedavost těchto zemin ( velká stlačitelnost). Spraš je prachovitá silně porézní zemina, prachová zrna drží pohromadě díky malé příměsí jílu a hlavně uhličitanu vápenatému. Tato nepravá soudržnost zeminy umožňuje stabilitu svislých stěn výkopu. Propojení pórů ve vertikálním směru je větší než ve směru horizontálním, takže při rychlém nasycení spraše větším množstvím vody může dojít k jejímu rozbřednutí. Skalní horniny (vyvřeliny, metamorfity a zpevněné sedimenty) vyhovují svou únosností a prakticky nejsou stlačitelné, pokud nejsou intenzivně zvětralé ( fosilní zvětrávání vzniklé v jiných klimatických podmínkách před kvartérem často lokálně zasahuje do hloubek několika desítek metrů). Obtížná rozpojitelnost skalních hornin může navýšit finanční rozpočet stavby zvláště u hlubinného zakládání v případě podzemních podlaží. Pokud se zakládá pod hladinou podzemní vody je třeba počítat s výskytem možné agresivity. Nejmladší terciérní sedimenty (neogén) jsou často velmi slabě zpevněné a v přípovrchové zóně mají spíše charakter zemin. Zkrasovělá území V území, kde horninové prostředí je tvořeno rozpustnými u nás karbonátovými horninami (vápence, mramory), mohou vzniknout podzemní prostory – jeskyně ( kras) a tím se takové území stává nebezpečným pro stavby, neboť zde vzniká riziko možného propadu terénu. Vznik krasu je způsoben podzemní vodou, která postupně karbonáty rozpouští – chemická eroze. Vznik krasu a jeho vývoj závisí na mnoha faktorech. Prvním předpokladem je
J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
2
přítomnost a pohyb infiltrované vody, a proto horniny musí být rozpukané. Plochý povrch terénu minimalizuje povrchový odtok dešťových vod a voda po puklinách infiltruje a rozpouštěním rozšiřuje puklinový systém. Na povrchu vznikají hřbítkovité útvary – škrapy. Puklinový systém a úroveň lokální drenážní báze (údolí povrchového toku) předurčuje směr pohybu podzemní vody. Na rychlost vývoje krasu má vliv rozpustnost vápenců ( bez jílovité příměsi a jílovitých poloh). Zda je vápencové území postiženo podzemním krasem lze předpokládat na základě morfologie terénu a vodních toků, Kromě bizarních tvarů vápencových výchozů a škrapů se na povrchu vyskytují trychtýřovité prohlubně – závrty, dochází k zmizení drobných povrchových toků – ponory a vzniku slepých údolí a posléze zase k jejich vývěru – vyvěračky. Údolí toků mají tvar kaňonu . Krasovým systémem dochází k rychlému odvedení vody z povrchu území, takže na povrchu je spíše suchomilná vegetace a deprese skalního podkladu často vyplňuje červená hlína – terra rossa. V tropickém pásu vznikají až izolované vápencové vrchy s příkrými stěnami – kuželový kras. Málo stabilní svahy Málo stabilní svahy náchylné k svahovým deformacím vznikají u nás převážně v jílových (pelitických) zeminách kvartérního stáří, v málo zpevněných jílovitých horninách terciérního a křídového stáří, ojediněle permokarbonského stáří. Ve starších geologických útvarech – horninách skalních může být stabilita svahu oslabena v silně rozpukaných partiích těchto hornin a při nepříznivém sklonu ploch diskontinuit (pukliny, šikmé vrstevní plochy) – skalní řícení a sesuvy po předurčených plochách. Stabilita takových svahů může být porušena i při pohybu jejich zvětralin a svahových sedimentů - pak mohou vzniknou mělké sesuvy těchto hmot po skalním podloží (plošný sesuv), při vhodné morfologii terénu i proudový sesuv. Podnětem pro vznik svahových deformacích jsou převážně mimořádně vysoké dešťové srážky, ale také nevhodný lidský zásah při výstavbě liniových staveb, zakládání staveb, nebo povrchové těžbě, technická seismicita, eroze svahů, přitížení v horní části svahů, odlesnění i nevhodné zemědělské obhospodařování území. Již v mírně svažitých terénech s výskytem jílovitých sedimentů nezpevněných nebo částečně zpevněných ( jíly, slíny jílovce, slínovce) vznikají při porušení rovnováhy svahu – při překročení pevnosti ve smyku hluboké sesuvy podél zakřivených válcových ploch – rotační smyková plocha. O stabilitě svahu rozhoduje jeho sklon a fyzikálně-mechanické vlastnosti zeminy (soudržnost a úhel vnitřního tření) . Podmínky rovnováhy svahu jsou patrny z obrázku. Svislá přímka vedená středem rotační smykové plochy rozděluje sesouvající se zeminu na dvě části. Hmotnost zeminy pravé (horní ) části svahu působí aktivně, hmotnost v levé (dolní) části působí pasivně – proti sesuvnému pohybu spolu se soudržností zeminy a třením po délce sesuvné rotační plochy. Jsou-li síly bránící pohybu větší než síly působící pohyb zůstane svah v rovnováze, stupeň bezpečnosti musí být vždy větší než 1. Dalším typem svahové deformace je vytlačování zatížených jílovitých zemin z podloží, které je zpočátku velmi pomalé, nestabilnost svahu se projeví teprve během delšího časového úseku. Jsou-li v nadloží jílů rozpukané pevné horniny umožňující průsak vody do podloží a tím změnu mechanických vlastností jílů, dochází k jejich postupnému rozlámání v bloky – blokový sesuv , které se postupně zabořují do měkkého jílovitého podloží, které je unáší s sebou po svahu. Později se může v jílech vytvořit i smyková plocha, po které dojde k zrychlení pohybu. Obdobná deformace vzniká při špatném založení násypu nebo výsypek
J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
3
na neúnosném jílovitém podloží. V menším měřítku se toto vytlačení jílů může projevit i na dně stavební jámy, kdy odtěžením zemin dojde k odlehčení jílovité zeminy ve dně stavební jámy Tyto typy svahových deformacích se u nás objevují nebo mohou být člověkem nastartovány v jílovitých sedimentech křídy a terciéru při budování zářezů i násypů. S malou stabilitou i u plochých svahů je možné počítat všude tam, kde se vyskytují objemově nestálé jílovité zeminy. Místa postižená svahovými deformacemi jsou dokumentovaná v registru sesuvů (www.geofond. cz ). Svahy postižené již svahovými deformacemi mají charakteristické morfologické znaky, jejich zřetelnost se časem snižuje . U aktivních sesuvů nápadná je odlučná oblast (konkávního tvaru) v horní části sesuvu – nápadný stupeň s téměř svislou stěnou a stejně tak bochníkovitá pata svahu – akumulační oblast. V tělese sesuvu je terén značně neurovnaný, s výskytem trhlin i zamokřených míst, patrné jsou změny i v úklonu vzrostlých stromů (opilý les). U dočasně uklidněných sesuvů jsou tvary porušeny erozí, povrch je zarostlý, pohyb se může obnovit. Sesuvy pleistocénního stáří vznikly za jiných klimatických a morfologických podmínek, které se nemohou opakovat a označují se jako fosilní sesuvy. Často jsou překryty mladšími sedimenty, takže nejsou ani patrné (pohřbené sesuvy). Kategorie rizika ohrožení svahovými pohyby (sesuvy) dle interního pokynu MŽP: Sesuv dočasně uklidněný s možností obnovení svahových pohybů. Příčiny vzniku svahových pohybů dosud trvají, svahové deformace jsou sice převážně v klidu, hlavní příčina vzniku svahových pohybů však není odstraněna a pohyby Kategorie I se mohou znovu obnovit. Svahové pohyby bezprostředně neohrožují stabilitu malé riziko staveb, komunikací, pozemků a vodních toků. Okamžitá technická sanace není nutná, sesuv je však třeba periodicky sledovat a na základě výsledků tohoto sledování teprve rozhodnout další kroky. Sesuv stále aktivní, příčiny vzniku svahových pohybů dosud trvají, hlavní příčina vzniku svahových pohybů není odstraněna. Stále existuje nebezpečí ohrožení staveb(obytné, hospodářské, průmyslové, hydrotechnické, Kategorie II komunikační apod.), pozemků a vodních toků. Toto nebezpečí však není - střední bezprostřední. riziko Sanační práce je nutno realizovat v blízkém výhledu na základě projektu opírajícího se o výsledky předcházejícího sledování a vyhodnocení inženýrskogeologického průzkumu. Svahové pohyby jsou stále aktivní a nesou výrazné stopy čerstvosti tvarů deformace (trhliny, zátrhy, vyvinutá odlučná stěna, terénní stupně, vyboulená čela, nakupení hmot,apod.). Povrch deformace je zamokřený, příp. rozbahněný s drobnými jezírky nebo povrchovými potůčky. Svahové pohyby a sesuvné Kategorie III hmoty porušily stavby, komunikace, pozemky a vodní toky.Havarijní sanační - vysoké práce je nutno realizovat okamžitě bez dlouhé projekční přípravy a složitých riziko technických zabezpečovacích prací, zejména povrchovým odvodňováním a zemními terénními úpravami (zatěsnění zejících trhlin a zatěžovací lavice). Teprve na základě vyhodnocení úspěšnosti této havarijní sanace lze přistoupit k definitivnímu řešení, které se opírá o sledování a předchozí inženýrskogeologický průzkum. J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
4
Sanační práce pro stabilizaci sesuvu mohou být zahájeny po zjištění příčiny, která ho způsobila. Nejčastěji je to voda, protože k většině sesuvů dojde po mimořádně vysokých srážkách . Postup sanace se sestaví podle pořadí naléhavosti. Při návrhu sanace je třeba změnit poměr aktivních a pasivních složek, aby se území stabilizovalo - zachytit a odvést povrchovou vodu přitékající do sesuvného území - odvést vodu z bezodtokých depresí v sesuvném těles - zaplnění a udusání trhlin, aby nedocházelo k dalšímu rozmáčení sesuvu - podpovrchové odvodnění další sanační práce se navrhují podle konkrétních podmínek : stavba opěrné konstrukce - opěrné zdi , přitěžovaní násypy kotvení u skalních hornin zpevňování zemin – injektáží , elektroosmózou, termické zpevnění odtěžením zemin v horní části svahu, nebo všech sesutých hmot, rozrušení smykové plochy zalesnění u mělkých sesuvů, osevem vhodných travin Vysoká hladina podzemní vody Vysoká hladina podzemní vody bývá dosti často příčinou změny způsobu založení pozemních staveb, nebo změny trasy liniových staveb. Zvyšuje vždy náklady na stavbu. Při založení stavby pod hladinou podzemní vody je možné zvolit různé metody : odvodnění stavební jámy – stavební čerpání zakládání v těsněné stavební jámě kombinaci těchto metod Vysoká hladina podzemní vody je typická pro území údolních niv, kde pozemní voda komunikuje s vodou povrchového toku, který tvoří v území drenážní bázi. Horninové prostředí je tvořeno převážně dobře průlinově propustnými fluviálními sedimenty, a proto stavební čerpání pro snížení hladiny podzemní vody pro založení stavby je často nereálné a vždy finančně náročné. Návrh efektivního stavebního čerpání na snížení hladiny může být zpracován na základě hydrogeologického průzkumu. Hladina podzemní vody v údolní nivě během roku vykazuje nižší rozkolísanost, takže hloubka hladiny dokumentovaná v rámci inženýrsko – geologického průzkumu pro danou stavbu může vykazovat během roku menší rozkolísanost v rozmezí cca 1 m. Vysoká hladina podzemní vody se může vyskytovat i v jiném území v závislosti na hydrogeologických poměrech a ne vždy lze v inženýrsko-geologických průzkumech stanovit její rozkolísanost během roku ( v jarních měsících bývá výše, režimní minimum může být dosaženo koncem léta, někdy až koncem kalendářního roku). Je-li hladina podzemní vody v dosahu základové konstrukce vyžaduje se zjištění její možné agresivity (viz př.4) Seismicky aktivní území (viz prezentace př. 5) přirozená zemětřesení jsou výsledným projevem vnitřních procesů dlouhodobě probíhajících v zemské kůře, popř. ve svrchním plášti. I když se často věnuje zvýšená pozornost výzkumu silných zemětřesení, která se čas od času projevují svými
J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
5
katastrofickými účinky, je si třeba uvědomit, že monitorování slabých zemětřesení jsou důležitá pro objasnění geologické stavby území a její neotektoniky. Indukovaná seismicita může vypovídat o geodynamických projevech oblasti, ke kterým dochází v důsledku relativně náhlých (z hlediska pojetí geologického času) změn přerozdělení napěťových poměrů ve svrchních partiích zemské kůry. V převážné většině jsou vyvolány činností člověka: uvolňování napětí při hlubinném dobývání nerostných surovin, přemisťování velkých hmot při povrchové těžbě (uhelných) vrstev, zatěžování zemského povrchu vodními masami při budování velkých údolních přehrad, a p. Zmíněné procesy vedou často ke vzniku mikrozemětřesení či slabých lokálních zemětřesení na plochách tektonického narušení, které lze klasifikovat jako potencionálně nestabilní elementy oblasti. Indukované seismické jevy jsou v naší republice již delší dobu monitorovány v uhelných revírech Ostravska a Kladenska. Zde se tato měření provádějí za účelem pochopení vzniku důlních otřesů a možnosti jejich předpovědi. V okolí mosteckých povrchových dolů se tyto jevy v současnosti pouze evidují jednou stanicí za účelem sledování stability podříznutých svahů Krušných hor.
J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT – Geologie pro obor architektura
6
