Posouzení stability svahu jílovitých zemin

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman

Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně

Rešerše bakalářské práce:

Posouzení stability svahu jílovitých zemin

Jaroslav Hyrman Brno 2009

1

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Obsah: Úvod ........................................................................................................................................... 3 1. Klasifikace svahový pohybů .................................................................................................. 4 1.1.Ploužení (creep)................................................................................................................ 4 1.2.Tečení (soliflukce)............................................................................................................ 5 1.3.Sesouvání ......................................................................................................................... 6 1.4.Řícení ............................................................................................................................... 7 2. Faktory ovlivňující stabilitu svahu ......................................................................................... 7 2.1 Nejvíce ohrožené oblasti .................................................................................................. 9 3 Metody řešení stability svahu ................................................................................................ 10 3.1.Metody řešení stability sesuvů s rotačními smykovými plochami ................................ 10 3.1.1 Pettersonova metoda ............................................................................................... 10 3.1.2 Určení kritické smykové plochy podle Rodrigueze ................................................ 12 3.1.3.Felleinova metoda ....................................................................................................... 13 3.1.4. Bishopova metoda .................................................................................................. 14 3.1.5. Metoda Mencl- Kristové ........................................................................................ 14 3.1.6. Metoda apriorní integrace ...................................................................................... 14 3.2. Metody řešení stability svahů s rovinnými smykovými plochami ................................ 14 3.3.Metody řešení stability svahu s obecnými smykovými plochami.................................. 14 3.4.Metoda konečných prvků ............................................................................................... 15 3.5. Posouzení výpočtových metod ...................................................................................... 15 4. Přehled výzkumů .................................................................................................................. 15 4.1. Vývoj a pokroky ve výpočtech stability svahu ............................................................. 16 5. Metody IG průzkumu svahových deformací ........................................................................ 17 6. Jíly a jílové minerály ............................................................................................................ 17 6.1. Podskupina kaolinitu ..................................................................................................... 18 6.2. Skupina smektitu ........................................................................................................... 18 6.3. Skupina vermikulitu ...................................................................................................... 18 6.4. Vlastnosti jílových minerálů ......................................................................................... 18 7. Voda v zemině ...................................................................................................................... 19 8. Pevnost zemin ...................................................................................................................... 19 8.1. Stanovení smykových parametrů .................................................................................. 20 8.2. Totální a efektivní parametry pevnosti.......................................................................... 20 9. Použitá literatura .................................................................................................................. 21 Přílohy ...................................................................................................................................... 22

2


Úvod Sesuvy a svahové deformace vznikají odnepaměti, můžeme se s nimi setkat v nejrůznějších oblastech lidské činnosti, zejména pak při stavební činnosti. Stabilitu svahu je nutné řešit jak v přírodních, tak v uměle vytvořených svazích. Pokud dojde k porušení jejich stability, vznikají sesuvy. Přitom v našich podmínkách jsou sesuvy ohrožena nejen mnohá sídliště, silnice, železnice, ale i nově vznikající stavby (Záruba, Mencl, 1989). Důvod, proč tomu tak je, si lze vysvětlit tím, že nové výstavby jsou situovány na samotných okrajích rozrůstajících se měst a to na půdě, která se dříve využívala hlavně k zemědělským účelům. Sesuvy také vždy vzbuzovaly zájem široké veřejnosti jako jevy, které nelze spolehlivě předpokládat ani ovládat. V některých oblastech jsou sesuvy poměrně výjimečným jevem, jinde se s nimi můžeme setkat velice často. Mohou se podílet na formování celého rázu krajiny, přitom ale ničí lesy, zemědělskou půdu, poškozují komunikace, vodohospodářské stavby i obytné budovy, a tudíž ohrožují životy lidí. Sesuvy a jejich následky se tak v některých krajinách stávají velkým ekonomickým problémem. Je tedy nutné věnovat této problematice velkou pozornost. Cílem posouzení stability svahu je optimální návrh sklonu svahu, a to nejen z hlediska bezpečnosti, ale také z hlediska záboru půdy a úspor v přesunu zeminy jako stavebního materiálu (Weiglová, 2007). Plocha, po které dochází k sesuvu, se nazývá smykovou plochou. Její tvar a průběh může být různý. Podle Weiglové (2007) se v nesoudržných zeminách vytvoří rovinná smyková plocha, zatímco v soudržných zeminách může mít různý tvar. Smyková plocha se vlivem koheze může různě zakřivovat. Nejčastěji lze takovou smykovou plochu znázornit jako kruhový oblouk.

3


1. Klasifikace svahový pohybů Podle několika hlavních kritérií, kterými jsou rychlost pohybu, mechanismus pohybu a povaha přemisťovaného materiálu lze svahové pohyby rozdělit do čtyř hlavních skupin. Jsou jimi ploužení, tečení, sesouvání a řícení. Toto dělení poprvé použili Nemčok et al. (1974).

1.1.Ploužení (creep) Jedná se o velice pomalý pohyb hornin nebo zemin směrem dolů po svahu. Tento typ svahového pohybu je zcela přirozený a vyskytuje se téměř na všech svazích. Transport nezpevněného materiálu je zapříčiněn působením gravitace. Pohyb je celkem pomalý, pohybuje se řádově od několika milimetrů až do desítek metrů za rok. Rychlost pohybu závisí hlavně na sklonu svahu, obsahu jílových minerálů nebo zrnitosti pohybujícího se materiálu (Nemčok et al., 1974). Právě jílové minerály, které jsou ve svahovině zastoupeny mohou v důsledku nasáknutí vodou bobtnat a tyto objemové změny mohou rovněž způsobovat ploužení. Projevy, které jsou typické pro creep jsou především tzv. opilé stromy a hákování vrstev (viz obr. 1 a 2). Obrázek 1: Projevy ploužení na svahu

Obrázek 2: Příklad hákování vrstev (Čáp, 2000)

4


1.2.Tečení (soliflukce) Svahový pohyb, při kterém dochází ke stékání materiálu po svahu v podobě proudu, se nazývá tečení. Je do důsledek nasáknutí svahoviny i půdy vodou. Tečením dochází nejen k přemisťování materiálu, ale také k erozi půdy. Délka takového sesuvu bývá větší než jeho šířka (viz obr. 4). Schématický průřez svahem, který je postižený tečením, je zobrazen na obr. 3. Podle E. Bryanta (2005) je pravděpodobné, že proces soliflukce může postihnout dokonce až 20 % veškerého povrch Země Obrázek 3: Průřez svahem postiženým tečením

Obrázek 4: Bahnotok v oblasti Britské Kolumbie (Summerfield, 2001)

5


1.3.Sesouvání Jedná se o pohyb svahového materiálu podél jedné nebo více smykových plochách. Částice se pohybuje v bloku jako celek rychlostí až několik metrů za den (viz obr. 5). K sesouvání dochází pokud nastane porušení rovnováhy mezi smykovým napětím a smykovým odporem (Fojtík, 2005). Často se tak děje následkem intenzivních srážek. Svah se v tu chvíli stává nestabilním. Podrobněji se sesuvy dělí podle tvaru smykové plochy na rotační a translační (Nemčok et al., 1974). Tyto druhy svahových pohybů mívají často katastrofické následky a mohou postihnout i obydlené oblasti a způsobit ztráty na lidských životech (viz obr. 6). Obrázek 5: Průřez sesuvem

Obrázek 6: Sesuv v Kalifornii z roku 2005 (US Geological Survey, 1999)

6


1.4.Řícení Při tomto druhu svahového pohybu nastává volný pád materiálu, při kterém nedochází k přímému kontaktu padajícího materiálu s povrchem svahu (viz obr. 7). Vyskytuje se především na skalních stěnách horských svahů (viz obr. 8). Obrázek 7: Skalní řícení

Obrázek 8: Odvalové řícení (Marschalko et. al., 2004)

2. Faktory ovlivňující stabilitu svahu Variabilita svahových pohybů je podmíněna nejen geologickou strukturou svahu, ale i řadou dalších faktorů. Při studiu příčin svahových pohybů jsou analyzovány podmínky, ve kterých svahové pohyby vznikají, a faktory, které porušení svahů vyvolávají (Nemčok et al., 1974). Jako faktory jsou označovány přírodní a antropogenní procesy, které ovlivňují stabilitní poměry svahů. Základní podmínkou je vhodná geologická stavba svahu. V oblastech mírného klimatu střední Evropy je chování svahů ovlivňováno především klimaticky podmíněnými faktory. Klimatické faktory zahrnují dešťové a sněhové srážky, teplotou podmíněné změny objemu horninové hmoty, odpar, narůstání čočkovitého a puklinového ledu, vliv větru apod. (Nemčok et al., 1974). Velmi výrazným faktorem, který ovlivňuje stabilitu a bezpečnost svahu jsou nevhodné lidské zásahy spojené především se stavební činností (viz obr. 9).

7

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Změna sklonu svahu Může být způsobena uměle člověkem, například podkopáním paty svahu nebo přírodní cestou – erozí čí podemletím. Ve výjimečných případech může být sklon svahu změněn tektonicky. Se změnou sklonu je spojena změna napjatosti v hornině. Může nastat porušení rovnováhy a dojít k usmyknutí. Přitížení svahu Může být způsobeno akumulací materiálu v horní části svahu, nárustem vegetace, zvětšením hmotnosti spojené s nasáknutí vodou a nebo stavební činností. Otřesy Zemětřesením, výbuchy trhavin, těžkou dopravou a různými dalšími vibracemi, které pronikají zeminou se dočasně mění napětí a může tak dojít k porušení rovnovážného stavu svahu. U málo zpevněných zemin mohou otřesy způsobovat zmenšení soudržnosti. U zvodnělých zemin pak může dojít k přeorientování nebo přemístění zrn a zeminy se tak stanou tekutými. Změna obsahu vody K tomuto jevu dochází hlavně vlivem zvýšených atmosférických srážek. Dešťová voda nebo voda z tajícího sněhu pak prochází zeminou na svahu a proniká do puklin a pórů a zvyšuje v nich tlak. Tím klesá soudržnost a hodnota vnitřního tření a dochází k sesouvání. V našich klimatických podmínkách lze dobře sledovat, že k největšímu počtu sesuvů dochází v obdobích s nadprůměrným množstvím srážek (Rybář, 2004). Působení podzemní vody Pokud podzemní voda proudí a zasahuje do svahu, působí tlakem na částice zeminy nebo je vyplavuje pryč, čímž zhoršuje stabilitu svahu. Podzemní voda také může vyplavovat nebo rozpouštět tmel, a tím zeslabovat vazby mezi jednotlivými částicemi. Zmenšuje se tak soudržnost a hodnota vnitřního tření. Mráz Zmrzlá voda v dutinách zvětšuje svůj objem a tím je rozšiřuje nebo vytváří. Takto porušené horniny pak mají velice sníženou soudržnost. Zvětrávání Jak mechanické, tak i chemické zvětrávání postupně porušuje soudržnost. Chemické zvětrávání také vede k chemické změně minerálů, čímž je ještě zvýšena náchylnost k sesouvání. Změny vegetačního pokryvu Prorostlé kořeny stromů zvyšují stabilitu svahu a zároveň svah vysouší tím, že z něj spotřebovávají přebytek vody. Jejich nešetrným odstraněním dojde ke změně vodního režimu ve svahu a snížení stability.

8


Obrázek 9: Vznik sesuvu nevhodným zásahem člověka (Smith, 2002)

Sesuvy vznikají za různých geologických podmínek a působením mnoha odlišných faktorů. Velice důležitým faktorem je čas. Jeho postupem se působící faktory různě vyvíjejí, zanikají nebo začínají působit další (Mencl, 1966). Nebezpečné svahy je pak třeba vhodně zabezpečit (viz obr. 10).

2.1 Nejvíce ohrožené oblasti Oblasti, které jsou nejvíce ohroženy vznikem svahových pohybů: • oblasti postihované zemětřesnou aktivitou, • horská prostředí s velkou výškovou členitostí reliéfu, • oblasti se střední výškovou členitostí, které jsou postiženy silnou degradací půdního krytu, • oblasti budované mohutnými vrstvami jemných sedimentů, především spraší, • oblasti s velkými srážkovými úhrny během roku. Obrázek 10: Vhodné úpravy svahu (Smith, 2002)

9


3 Metody řešení stability svahu Na základě tvaru smykové plochy jsou rozděleny do tří skupin. Jedná se o sesuvy s rotačními, rovinnými nebo obecnými smykovými plochami. Pro každou z těchto skupin jsou vhodné trochu odlišné výpočetní metody.

3.1.Metody řešení stability sesuvů s rotačními smykovými plochami Těchto metod se nejčastěji využívá pro řešení stability u homogenních soudržných zemin.

3.1.1 Pettersonova metoda Pettersonova metoda je nejstarší a nejjednodušší metodou řešení stability svahu zemního tělesa. Je metodou proužkovou, kde se neuvažuje působení sousedních elementů, což znamená, že část tělesa nad smykovou plochou se rozdělí na určitý počet svislých proužků a stanoví se silové působení dané vlastní tíhou a případného dalšího zatížení (viz obr. 11). Podíl součtu pasivních a aktivních sil udává míru stability tj. stupeň bezpečnosti. Pokud není známa smyková plocha, je třeba ji stanovit postupným výpočtem se změněnými jejími parametry – polohou středu a velikosti poloměru (viz obr. 12; Pavlík, Ambrož, 1987). Obrázek 11: Pettersonova metoda (Weiglová, 2007)

Postup: • Postupujeme tak, že smykovou plochu nahradíme kruhovým obloukem o poloměru r opsaným ze středu O. • Úlohu řešíme jako rovinu. • Svah nad smykovou plochou rozdělíme na svislé proužky stejné šířky b podle zvoleného měřítka. Např. pro měřítko 1: 100 se 1 cm = 1 m ve skutečnosti.

10

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman •

Při metodě se neuvažuje vliv sousedních proužků. Řešíme pouze síly, které tyto proužky přenášejí na příslušný úsek zeminy a určíme výsledný moment pasivních a aktivních sil ke středu otáčení. • Na smykové ploše působí vlastní tíha proužku G. Ta se rozloží na složky normálové N (kolmé ke smykové ploše a prochází bodem O) a složky tangenciální T, které jsou tečnami ke kružnici. • Výsledkem je stupeň stability (F), kterého dosáhneme podílem pasivních a aktivních sil. • Síly T0 jsou pasivní síly, které působí v dolní části svahu a působí proti usmyknutí. Ve vzorci jsou ve jmenovateli se záporným znaménkem. Stabilitu posuzujeme stupněm stability F (viz rovnice 1), což je poměr sil pasivních, které brání sesutí, k silám aktivním, které tento pohyb vyvolávají. (Myslivec, 1964) Rovnice 1: Posouzení stupně stability

F– N– f– c– l– T– T0 –

stupeň stability svahu, normálová tíha, úhel vnitřního tření, soudržnost zeminy (koheze)- Její účinky se uvažují jen na 80 % délky smykové plochy l, protože v horní a dolní části svahu nepůsobí plnou silou, délka smykové plochy, tangenciální tíha, pasivní síly působící proti usmyknutí.

Stanovení nejnebezpečnější smykové plochy: Pro optimální posouzení stability svahu je nutné stanovit tzv. kritickou smykovou plochu. Jedná se o kružnici, kde je poměr sil pasivních ku silám aktivním nejmenší. Tuto plochu musíme hledat zkoušením volbou různých středů a poloměrů kružnice. Postup je takový, že středy kružnice se hledají na dvou na sobe kolmých přímkách a ke každému se určí stupeň stability. Hodnoty F se vynesou a spojí křivkou tak, abychom nalezli minimální stupeň stability. V místě minimální hodnoty se vede vodorovná přímka, na které se volí další středy kružnice. Opět se nalezne minimální hodnota F a jí odpovídající střed O. Tento bod již je středem kružnice, která vyznačuje kritickou smykovou plochu. Stupeň stability F je v tomto bodě minimální (viz obr. 12).

11


Obrázek 12: Stanovení kritické plochy podle Petterson (Weiglová, 2007)

3.1.2 Určení kritické smykové plochy podle Rodrigueze Tato metoda se dá aplikovat pouze na svah, který není zvrstvený. V tomto případě je střed kritické kružnice vymezen souřadnicemi x a y, které lze určit pomocí vztahu (viz rovnice 2). Rovnice 2: Výpočet pro určení souřadnic x, y

Podle sklonu svahu pro vypočtenou hodnotu λ se z grafu (viz příloha 1) odečtou souřadnice x a y. Od paty svahu se pak vynesou hodnoty y.h a x.h (viz obr. 13) a tím dostaneme střed kritické kružnice. Obrázek 13: Určení středu kritické kružnice (Weiglová, 2007)

12

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Podle Rodrigueze lze také určit i stabilitu svahu F. Z grafu (viz příloha 2) musíme najít pro vypočtenou hodnotu λ a nám známý sklon svahu velikost součinitele N. Potom již platí vztah (viz rovnice 3): Rovnice 3: Stabilita svahu dle Rodrigueze

h cd

výška sklonu svahu, výpočtová koheze.

3.1.3.Felleinova metoda Řešení této úlohy provádíme tak, že odečteme velikosti úhlů (viz tabulka 1). Tyto úhly vyneseme a v místě protnutí nalezneme bod, kterým bude procházet hledaná přímka. Druhý bod, pomocí kterého přímku najdeme, leží v hloubce rovnající se dvojnásobku výšky svahu a ve vzdálenosti od paty svahu rovnající se 4,5 násobku výšky svahu (viz obr. 14). Tabulka 1: velikost úhlů (Myslivec, 1964)

tgα α β1 β2

1,73:1 60° 29° 40°

1:1 45° 28° 37°

1:1,5 33°41´ 26° 35°

1:2 26°34´ 25° 35°

1:3 18°25´ 25° 35°

1:5 11°19´ 25° 37°

Toto znázornění určuje skutečný střed kritické kružnice pouze v případě, že úhel vnitřního tření je roven 0, tj. φ=0. V ostatních případech je nutné pokračovat tak, že na přímce se volí středy kružnic a pro každou z nich určíme stupeň stability F. Tyto hodnoty se musí vynést kolmo ze středu kružnice a spojí se křivkou, ke které se vede tečna rovnoběžná s přímkou. V místě dotyku se spustí kolmice, která se protne s původní přímkou. V tomto místě lze uvažovat střed kritické kružnice pro nejnižší stupeň stability (Myslivec, 1964) Obrázek 14: Felleinova metoda (Weiglová, 2007)

13


3.1.4. Bishopova metoda Jedná se o jednu z klasických proužkových metod užívaných pro výpočet stability svahu. Základním předpokladem je také kruhová smyková plocha. Bishopova metoda je v porovnání s Pettersonovou metodou dokonalejší v tom, že uvažuje částečné spolupůsobení sousedních proužků. Je odvozena pro homogenní těleso bez působení vodorovného zatížení. Na jistý proužek působí navíc síly od sousedního proužku ve vodorovném směru (Pavlík, Ambrož, 1987). Lze ji aplikovat na všechny známé typy svahů.

3.1.5. Metoda Mencl- Kristové Jedná se o jedinou skutečně přesnou metodu, kterou lze aplikovat ručním způsobem, ovšem za předpokladu, že použití v tělesech porušených sesuvem podél kruhové smykové plochy. V ostatních případech je její přesnost značně snížena. Autoři této metody zavádějí do řešení i svislé složky meziproužkových sil, přičemž předpokládají směr výslednice těchto sil, čímž zadávají další podmínku – poměr vodorovné a svislé složky. Podle tohoto předpokladu se síly E přenášejí mezi proužky ve směru, jaký má smyková plocha pod místem přenosu. Tento předpoklad je reálný u svahu s vydutým lícem svahu. (Pavlík, Ambrož, 1987)

3.1.6. Metoda apriorní integrace Na rozdíl od proužkových metod řeší základní vztah pro výpočet stupně stability přímou integrací funkcí charakterizujících povrch terénu a tvar smykové plochy, případně dělících ploch mezi jednotlivými vrstvami vyšetřovaného prostředí. Nejnovější verze metody apriorní integrace umožňuje zavedení pórového tlaku vody (Koudelka, Procházka, 1993). Její výhoda spočívá především v rychlosti výpočtu

3.2. Metody řešení stability svahů s rovinnými smykovými plochami Rovinné smykové plochy se vyskytují jak u zemních, tak i u skalních těles, případně na styku obou prostředí. Sesouvání podle rovinných ploch je nejhojnějším případem svahových poruch v našich podmínkách. Smyková plocha nemusí být rovinná v celém svém rozsahu. Metodami odvozenými za předpokladu rovinných ploch lze řešit i případy sesuvů s odlučnými smykovými plochami, které lze rozdělit na dílčí rovinné úseky (Pavlík, Ambrož, 1987).

3.3.Metody řešení stability svahu s obecnými smykovými plochami Metody uvažující obecný tvar smykové plochy vycházejí z dělení odlučné části tělesa smykovou plochou na svislé díly – jde tedy o metody proužkové. Základem pro výpočet stupně stability jsou rovnice, přičemž různí autoři používají různé podmínky rovnováhy (Pavlík, Ambrož, 1987). Možnost jejich použití je univerzální s výjimkou sesuvů, při kterých dochází ke klínovému působení bloků odlučné části tělesa. Tento způsob řešení stability svahu lze provádět metodami: rutinní a přesná metoda N. Janbu, metoda E. Nonveillera, Woldtova metoda, metoda N. N. Maslova, metoda E. Spensera, přesná metoda pro malé počítače, metoda S. K. Sarmy.

14


3.4.Metoda konečných prvků Nejpoužívanější metoda v současnosti. Velký rozvoj s nástupem moderní výpočetní techniky. Pevnostní charakteristiky materiálu jsou postupně snižovány až do okamžiku, kdy není možno nalézt rovnovážné řešení daného problému. Poměr skutečných pevnostních charakteristik a pevnostních charakteristik při porušení udává hledaný stupeň stability.

3.5. Posouzení výpočtových metod Všechny výše uvedené metody pro výpočty stability svahů jsou vhodné pro posuzování míry bezpečnosti jak již vzniklých, tak potencionálních sesuvů. Vycházejí z podmínek zachování mezní rovnováhy. Při výběru metody vhodné pro posuzování konkrétní stabilní úlohy je třeba posoudit vhodnost výpočetních metod z několika hledisek. Musíme vycházet z cíle řešení, požadované přesnosti výsledku, a dále také musíme usuzovat časovou náročnost a technické možnosti pro řešení. Pro určení cíle řešení je potřeba znát především charakter smykové plochy. Jedním z hlavních cílů je také stanovení stupně stability na existující smykové ploše nebo komplexní určení stability dosud neporušeného svahu. Požadovaná přesnost je důležitým kritériem pro výběr použité metody. Pro účely provedení předběžného či orientačního řešení stability plně postačují grafické či jednoduché početní metody, pro podrobnější řešení za účelem získání přesnějších výsledků je třeba vybírat metody, které nezanedbávají geometrické či fyzikální podmínky. Časová a technická náročnost řešení jsou faktorem, který by měl být brán v úvahu až na posledním místě. Často tomu tak není a je tím výrazně ovlivněný výběr metody. U metod technicky náročných bylo omezeno jejich použití především v dřívějších dobách, kdy se výpočetní technika teprve rozvíjela nebo nebyla k dispozici. Proto bylo použití těchto metod velice limitující a nejčastěji se používalo grafických metod řešení a metod umožňujících ruční výpočet. V dnešní době se výhradně používají metody, které lze řešit za použití výpočetní techniky tak, aby byly dostatečně přesné a co nejméně časově náročné. Z uvedených metod odvozených za předpokladu rotační smykové plochy je nejstarší metodou Pettersonova. Přestože vychází pouze z jednoduchých předpokladů, ale výsledky jí získané jsou poměrně přesné. Její využití je vhodné zejména při značné a detailní heterogenitě tělesa. Není náročná na výpočetní techniku, lze ji řešit i ručně. Žádnou metodou však nelze získat přesný výsledek, protože není možné zcela přesně vystihnout složení a chování přírodního prostředí. Je proto tedy vhodné vždy posuzovat úlohu několika různými výpočtovými metodami.

4. Přehled výzkumů Již v roce 1875 upozorňoval G. A. Koch na výsledky svého pozorování, že suťové proudy vznikají velmi často jako důsledek nešetrných zásahů člověka do přírody spojených s odlesňováním rozsáhlých oblastí na horských svazích. V našich klimatických podmínkách vznikají suťové proudy hlavně ve vysokohorských oblastech nad hranicí lesů. Neopatrnými zásahy člověka však mohou vzniknout téměř všude, kde jsou svahy pokryty volným suťovým materiálem. V roce 1907 popsal G. Gotzinger popsal mnohé příklady, kdy docházelo k hákování vrstev ve flyšovém území Alp. Výrazně tak přispěl k rozšíření této teorie spojené se slézáním suti a dokázal že hákované vrstvy jsou výhradně recentním jevem. Původní myšlenky uváděly jako příčinu hákování vrstev pohyby ledovců z období pleistoceního zalednění ve střední Evropě. Dnes je však již zřejmé, že hákování vrstev na mírných svazích nemohlo nastat za dnešních klimatických podmínek a většinou se jedná o fosilní formy skutečně vzniklé za periglacíálního podnebí doby ledové. Nejednalo se ale o hákování přímo slézáním ledovce. Mohutné mechanické zvětrávání vedlo ke vzniku četných soliflukcí. Hlavním faktorem tedy bylo klima. V roce pak 1914 prováděla Švédská geotechnická komise své průzkumy na mnoha sesuvech se zjištěním, že ve stejnorodých pelitických zeminách

15

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman vznikají sesuvy, jejichž smyková plocha má tvar rotačního válce. Jejich průzkumy byly založeny jak na teoretických výpočtech, tak na měřeních v terénu. K. Terzaghi jako první definoval princip efektivního napětí v zemině. Tedy v zemině konsolidované a odvodněné. N. J. Denisov v roce 1951 zjistil, že při tlacích větších než 10 kg/cm2 dochází k vnitřnímu porušení jílové hmoty a ke zmenšení úhlu smykové pevnosti. Sice se vytvoří jedna smyková plocha, ale vznikají široké zóny právě takto porušených prohnětených zemin se změněnou strukturou. Na jeho práci navazoval I. V. Pohov v roce 1951 přišel na to, že při sesouvání jílů podél břehů Volhy dochází k odlehčení jílovitých zemin na svahu. Jíly tím začínají přijímat více vody a ztrácet na pevnosti. Roku 1897 J. Sincov popsal rozsáhlé kerné sesuvy na pobřeží Černého moře. Docházelo zde k odlučování velkých okrajových vápencových ker spolu se sprašovým pokryvem a jejich zabořování do měkkého slínového podloží. Přitom se pomalu naklání a řítí. Slíny jsou naopak vytlačovány k mořskému pobřeží. Podobný typ sesuvů pak popsal V. N. Benson z Nového Zélandu. Již dlouhou dobu se mnoho vědeckých výzkumů soustředí na to, do jaké míry je ovlivněn vznik sesuvů kácením lesů. První studie zaměřená přímo na vliv těžby dřeva na sesuvy byla provedena v roce 1949 v Utahu. Skupina vědců v čele s Croftem a Adamsem studovala sesuv vzniklý po silných deštích a tání sněhu, ale také potvrdily svoji myšlenku, že dřívějším odlesněním svahu byla výrazně snížena jeho pevnost. V roce 1972 byla pod záštitou vlády USA založena organizace, která se zaměřovala na příčiny, účinky, dopady a prevence sesuvů půdy. V roce 1975 bylo poprvé použito pro výzkum sesuvů leteckého snímkování (Záruba, Mencl, 1989).

4.1. Vývoj a pokroky ve výpočtech stability svahu První teoretické příspěvky, jak zjišťovat míru stability svahu, přinesl již v roce 1776 Coulomb a v roce 1885 Bousinesq. Do té doby se všechny smykové plochy u sesuvů považovaly za rovinné. Základy výpočtu stability svahu však přinesli švédští inženýři teprve v první čtvrtině dvacátého století. Klasický a dodnes používaný model pro výpočet stability svahu vytvořili Petterson a Fellein. Základy mechaniky zemin jako takové byly založeny v roce 1892, a to pro účely klasifikace zemin v zemědělství. Roku 1900 Wendel zjistil, že při opakovaném zatížení smykové síly u jílů klesají, ale po určité době se obnovují v závislosti na změně konzistence. Wolmar Fellenius pak v roce 1905 navrhl na základě sesuvu mola novou metodu pro výpočet s lomenou smykovou plochou skládající se ze tří rovin. Roku 1913 tak byla Tachaplowitzem vytvořena klasifikace zemin, jakou známe dodnes. V tomto období se s jeho přispěním rozvíjely poznatky o vlhkosti a konzistenci zemin a konstrukcích potřebných přístrojů. Výrazně však svými poznatky přispívali k rozšíření vědění z oblasti mechaniky zemin i další švédští odborníci. Simon Johansson jako první publikoval myšlenku kapilarity a také nadzvedávání zemin vlivem mrazu. Odén provedl v roce 1915 zatřídění zemin dle zrnitosti a zabýval se metodami vhodnými k přípravě vzorků pro nejrůznější zkoušky. Ekstrom roku 1927 klasifikoval půdy dle jejich vhodnosti využití k zemědělským účelům s ohledem na dosavadní poznatky. Důležitým krokem bylo sestavení komise pro zjištění nebezpečnosti svahu a jejich sanace nad železničním koridorem ve Švédsku roku 1913. Práce byly zaměřeny na odběr vzorků a jejich zkoušení, vývoj nových přístrojů, mapování a vytváření řezů. Práce této komise učinila základní přínos pro znalosti z oblasti mechaniky zemin. Nejvýznamnějším krokem v otázce řešení stability svahu bylo navrhnutí myšlenky rotačních smykových ploch roku 1916. Autor této myšlenky není přesně znám, pravděpodobně se jednalo o Pettersona. Nebylo tehdy ještě zcela jisté, jaké síly na smykové ploše působí. V roce 1925 založil Terzaghi odvětví moderní mechaniky zemin. Velký přínos je přiznáván také Myslivcovi, který roku 1954 doplnil již zavedený klasický model pro určováni stability svahu o vliv proudového tlaku podzemní vody. Dále se také zabýval zavedením vlivu deformací do výpočtového modelu. V sedmdesátých letech dvacátého století začala pronikat do

16

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman geotechniky výpočetní technika. Výpočtové metody se tedy od té doby rapidně zdokonalovaly a stávali se mnohem efektivnějšími. V osmdesátých letech pak byla zavedena metoda tzv. konečných prvků (viz kapitola 3.4.), která se používá dodnes (Koudelka, Procházka, 1993).

5. Metody IG průzkumu svahových deformací Inženýrskogeologický průzkum představuje základní podklad pro projektovou činnost nebo pro jiná rozhodování v oblastech postižených sesuvy. Zatímco průzkum stability přirozených svahů se opírá o posouzení porušení rovnovážného stavu s cílem navrhnout optimální způsob zabezpečení, u nově projektovaných svahů je cílem průzkumu najít nejvhodnější místo, navrhnout bezpečný sklon i technologický postup budování svahu (www.geologie.vsb.cz). Volba metodiky inženýrskogeologického průzkumu závisí na geologickém charakteru území, typu svahové deformace, faktorech vyvolávajících porušení stability, rozsahu a hloubce porušení svahu, ekonomické i společenské závažnosti a v neposlední řadě i na možnostech průzkumné organizace. Během průzkumu je potřeba zjistit zejména plošné a prostorové omezení svahové deformace (hloubka a průběh smykových ploch), směr a rychlost svahového pohybu, hydrogeologické poměry, geologickou stavbu, aktivitu svahových pohybů a jejich vývoj, fyzikálně-mechanické vlastnosti hornin aj. Důležitou fází IG průzkumu je předběžný průzkum při kterém se provede jednoduché mapování, zjistí se dosavadní prozkoumanost oblasti rozborem archivních materiálů. Hlavním zdrojem informací pro takovýto průzkum na území České republiky je celostátní registr sesuvů (Česká geologické služba-Geofond) v Praze, který je v omezené verzi přístupný na internetu (www.geofond.cz) . Každý sesuv, který je zde evidován, je geologicky ověřen a lokalizován. Veškeré získané informace pomohou k vytvoření představy o povaze konkrétního svahu. Podrobný průzkum již zahrnuje podrobné mapování, sondážní práce odběry vzorků, laboratorní zkoušky a stabilitní výpočty. Výsledkem podrobného průzkumu je závěrečná zpráva vyhotovená příslušným geologem. Tato zpráva musí obsahovat všechny zjištěné výsledky a také doporučení pro sanaci svahu případně další stavební práce. Součástí takovéto zprávy jsou také mapy, geologické řezy, údaje o podzemní či povrchové vodě atd. Ve finále závisí rozsah IG průzkumu hlavně na projektantovi stavby. Často se bohužel stává, že kvalita IG průzkumu ustupuje za účelem minimalizování finančních nákladů. V nejhorších případech projektant vychází při náročných geologických podmínkách pouze ze zatřídění zemin dle normy ČSN 731001 (Bláha, 2001).

6. Jíly a jílové minerály Tato kapitola je do rešerše zařazena z toho důvodu, že svah, který je předmětem výzkumu této bakalářské práce je tvořen vápnitými jíly, které ve zkoumané oblasti tvoří sedimentární pokryv o mocnosti asi 50 m (Poul, Štábl, 2006). Pojmem jíl lze označit nezpevněnou horninu sedimentárního původu, která je převážně složena z jílových minerálů, tedy částic menších než 0,002 mm. Jejich množství v takovéto hornině je více než 50 %. Kromě jílových minerálů může obsahovat jíl také další složky, jako jsou uhličitany, chlority, křemenný prach, organická složka a mnoho dalších. Jílové minerály patří do skupiny fylosilikátů. Vznikají v nejsvrchnějších částech zemské kůry, nejčastěji rozkladem živců nebo mohou vznikat při hydrotermálnich procesech. Jsou velice významnou složkou sedimentů, jako jsou jíly, jílovce, jílové břidlice atd. Mezi nejběžnější a nejvíce průmyslově využívané jílové minerály patří zejména kaolinit, montmorillonit, illit, smektit. Z hlediska mechanických vlastností zemin mají jílové minerály v půdě největší význam (Eichler, 1965).

17


6.1. Podskupina kaolinitu Kaolinitové minerály jsou tvořeny jednou dioktaedrickou a jednou tetraedrickou sítí, které dohromady tvoří vrstvu o tloušťce 0,7 nm. Základní buňka má pak triklinickou symetrii. Mezi minerály této podskupiny patří kaolinit, haloysit, dacit a nakrit (Šucha, 2001). Jedná se o hojné minerály, které vznikají zvětráváním živců a jiných alumosilikátů v kyselém prostředí a jsou převládajícím minerálem kaolinicky zvětralých žul a rul, kaolinových jílů a jílovců. V klastických sedimentech bývají součástí základní hmoty. V dalších sedimentárních horninách tvoří pouze příměs. Jílové sedimenty s obsahem kaolinu jsou základními surovinami pro keramický, chemický, farmaceutický, papírenský, barvířský a gumárenský průmysl.

6.2. Skupina smektitu Minerály této skupiny patří k jedněm z nejvýznamnějších fylosylikátů. Jsou obsaženy ve vzduchu jako prachové částice, nachází se v půdách a jsou také horninotvorným minerálem v sedimentech. Struktura smektitu je tvořena ze dvou tetraedrických sítí, které mezi sebou uzavírají jednu dioktaedrickou nebo trioktaedrickou síť. Podle toho se rozdělují do dvou podskupin na dioktaedrické smektity a trioktaedrické smektity: - PODSKUPINA DIOKTAEDRICKÝCH SMEKTITŮ – do této podskupiny lze jako její nejdůležitější zástupce zařadit montmorilonit, beidellit, a nontronit. Montmorilonit je nejznámější minerál ze skupiny smektitu. - PODSKUPINA TRIOKTAEDRICKÝCH SMEKTITŮ – patří sem saponit a hectorit. Tyto minerály mají velkou schopnost výměny kationů a díky této vlastnosti mají velké uplatnění při odstraňování nežádoucích kontaminantů ze znečištěného prostředí. Smektity vznikají zvětráváním živců, pyroxenů, olivínů, slíd nebo vulkanického skla, ale i zvětráváním jílových minerálů jako kaolinit, illit chlorit atd. Právě přeměnou vulkanického skla vznikají bentonity. Jsou to horniny ve kterých je smektit jediným nebo výrazně dominantním minerálem. Podle typu vulkanického skla, ze kterého vznikl bentonit, rozeznáváme bentonity ryolitové, andezitové a bazaltové. Ložiska smektitu jsou tedy vázána na vulkanickou činnost. Využití smektitu je velice různorodé. Převážně však nachází uplatnění jako součást různých vrtných výplachů, v chemickém a potravinářském půmyslu. Pro účely sorpce se používá smektit buď v přírodním, nebo upraveném stavu (Šucha, 2001).

6.3. Skupina vermikulitu Svými vlastnostmi se vermuktit částečně podobá smektitu, ale má mnohem větší mezivrstevní náboj. Mezi vrstvami se místo pevně fixovaných kationů nachází pouze kationy výměnné. Dokáže do mezivrstvy přijímat vodu či organickou složku a tudíž měnit mezivrstevní vzdálenosti. Nemá konstantní chemické složení. Znamená to, že spolu se smektitem mají tyto minerály mimořádnou schopnost bobtnat. Do této skupiny lze řadit illit, glaukonit, vermikulit (Šucha, 2001).

6.4. Vlastnosti jílových minerálů Jílové minerály jako takové mají některé velice unikátní vlastnosti. Jedná se například o schopnost sorpce a látkově výměny. To znamená, že některý z nahraditelných kationtů může být snadno nahrazen jiným. Další z významných vlastností je schopnost vázat vodu, která může být vázána buď jako molekuly H2O v pórech mezi částicemi nebo jako hydroxylové skupiny OH-. Tyto minerály také mají speciální chování při zahřívání, čehož lze využít v keramickém průmyslu čí výrobě lehčích stavebních hmot. Vhodnou úpravou některých jílových minerálů lze vytvořit produkty schopné reagovat s organickými látkami. Toho lze využít například při čištění a odbarvování olejů nebo jiných potravinářských

18

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman surovin. Strukturu mají s vrstevnatou krystalickou mřížkou. Stavebními materiály jednotlivých vrstev jsou křemíkové tetraedry nebo hliníkové oktaedry (Myslivec, 1964). Schopnost sorpce a iontové výměny U jílových minerálů může být prakticky jakýkoliv vyměnitelný kation z mezivrstevních prostor snadno vyměněn za jiný. Mezi vyměnitelné kationy v přírodě nejčastěji patří: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, H+, H3O+, NH4+. Největší takovouto výměnnou schopnost mají minerály skupiny smektitu a vermikulitu. Díky schopnosti výměny kationů je zajištěna sorpční vlastnost a zadržování živin. Díky tomu lze tyto jílové minerály využívat například pro úpravy vody atd. (Verruijt, 2001).

7. Voda v zemině Přítomnost vody a její množství v zemině je rozhodujícím geotechnickým parametrem. Navíc se v našich podmínkách často stává, že hladina podzemní vody je poměrně vysoko a ovlivňuje tak sledované zemní těleso. Voda se v zemině vyskytuje jako volná nebo vázaná. Volnou vodou rozumíme tu, která vyplňuje póry a je přímo ovlivňována gravitací. Vázaná voda je složena z vodních molekul, které jsou pevně fixovány k minerálům. Je tedy nedílnou součástí zeminy a zapříčiňuje její soudržnost a plastické vlastnosti. Kapilární voda vzlíná nad hladinu podzemní vody. U jílových minerálů může takto voda vzlínat do kapilární výšky až několika metrů. Tento proces negativně ovlivňuje únosnost a stabilitu zemin. Pokud mrzne, mění se volná a poté i kapilární voda v led. Zeminy tak zvyšují svůj objem někdy až o 10 %.

8. Pevnost zemin Pevnost zemin je největší možný odpor, který je zemina schopna vyvinout při zatížení. Otázce pevnosti zemin či hornin je třeba věnovat velkou pozornost. Právě jejími změnami dochází ke vzniku smykových ploch. Pevnost lze zjišťovat v přístrojích pro smykové zkoušky, protože míra pevnosti záleží hlavně na velikosti posunutí při působení různých normálových napětí. Při řešení otázky stability svahu se nelze obejít bez znalostí smykové pevnosti. Podle Weiglové (2007) dojde při namáhání zeminy nejčastěji k porušení smykem; odpor ve smyku tak představuje hlavní zdroj pevnosti zemin. Pro znázornění stavů napjatostí se používá tzv. Mohr-Coulombův model (viz příloha 3) a Mohrovo zobrazení. Mohrova kružnice se vynáší pro hodnotu napětí, při která došlo k usmyknutí. Tato teorie zobrazení předpokládá, že k porušení zeminy dojde podle smykové plochy (Verruijt, 2001). Rovnice 4: Coulombova rovnice

τf – Tangenciální napětí na smykové ploše, σ – normálové napětí (působí kolmo na smykovou plochu), φ – úhel vnitřního tření, c – soudržnost zeminy (koheze). Grafickým znázorněním rovnice je přímka. Z Coulombova vzorce je patrné, že smyková pevnost zeminy závisí na jejích vlastnostech a na velikosti normálového napětí, které působí kolmo na smykovou plochu (Myslivec, 1964). U nesoudržných zemin je velikost koheze nulová. Neuvažuje se tedy ve vzorci pro výpočet. Mohrova kružnice je jedním z nejpoužívanějších zobrazení v oblasti mechaniky zemin. Lze ji použít pro zobrazení napjatosti v bodě porušení. Měli bychom dospět ke stejnému výsledku jako při výpočtu podle Coulomba. Coulombova přímka je obalová čára 19

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Mohrových kružnic. Ty znázorňují stav napjatosti na mezi porušení. Pro zvolené napětí σ3 lze najít pouze jednu odpovídající hodnotu σ1, pří které dojde k porušení (Weiglová, 2007).

8.1. Stanovení smykových parametrů Pro stanovení smykových parametrů: úhlu vnitřního tření φ a koheze c je třeba mít k dispozici 3–4 stejné vzorky zeminy. Pro zvolená boční napětí σ3 najdeme hodnoty σ1. Pokud se kružnice o průměru σ1 – σ3 dotýká čáry pevnosti (Coulombovy přímky), bylo dosaženo mezního stavu pevnosti. Z grafu je pak možno vyčíst oba důležité smykové parametry (Weiglová, 2007).

8.2. Totální a efektivní parametry pevnosti Jedna se o podmínky zkoušek provádějících modelové porušení zeminy. 1) Pevnost zeminy v totálních parametrech – φu , cu Tyto parametry se získají během nekonsolidovaných a neodvodněných zkoušek. Během zkoušky se nemění obsah vody v pórech zeminy. Nemění se ani objem vzorku, mění se pouze jeho tvar. Zemina je porušována v nekonsolidovaném stavu. Pro určení takových parametrů nejlépe poslouží triaxální smykový přístroj. Rovnice 5: Totální parametry pevnosti

2) Pevnost zeminy v efektivních parametrech – φef , cef Jedná se o pevnost pro zeminu, která je působením tlaku zkonsolidovaná a odvodněná. Simulují se tak podmínky pro zeminu, která se nachází třeba pod základy v průběhu stavby, kdy je zemina skutečně postupně konsolidována, a tím se vytlačuje voda z pórů. Smyková pevnost pak bude největší při úplném vytlačení vody, protože se začne plně uplatňovat tření zrn o sebe. Nejrychleji proběhne odvodnění u propustných štěrkovitých nebo písčitých zemin. Naopak u nepropustných jílů probíhá tento proces velmi pomalu, v přírodních podmínkách i několik let. Nejčastěji se pro laboratorní stanovení těchto parametrů využívá smykového krabicového přístroje. Rovnice 6: Efektivní parametry pevnosti

20


9. Použitá literatura BLÁHA, P. (2001): Geofyzikální metody při průzkumu svahových deformací. — EGRSE Journal, 8, 1–2, 29–33. BRYANT, E. (2005): Natural Hazards. — Cambridge University Press. Cambridge. ČÁP, P. (2000): Prokopské údolí. — Dostupný na: , [cit. 200002-26]. EICHLER, J. (1965): Mechanika zemin — Státní nakladatelství technické literatury. Praha. FOJTÍK, K. (2005): Brno – Nové Medlánky — MS. VUT v Brně, FAST. KOUDELKA, P. – PROCHÁZKA, P. (1993): Výpočet stability svahu metodou apriorní integrace — Academia. Praha. MARSCHALKO, M – MÜLLEROVÁ, J – IDES, D. (2004): Svahové deformace. —: Klasifikace a charakteristika svahových pohybů, výukové multimediální texty. Dostupný na: , [cit. 2009-02-26]. MENCL, V. (1966): Mechanika zemin a skalních hornin. — Academia. Praha. MYSLIVEC, A. (1964): Mechanika zemin. — Státní nakladatelství technické literatury. Praha. NEMČOK, A. – PAŠEK, J. – RYBÁŘ, J. (1974): Dělení svahových pohybů. — Sborník geologických věd, Hydrogeologie, 11, 77–97. Praha. PAVLÍK, J. – AMBROŽ, J. (1987): Výpočtové metody stabilitního posuzování sesuvu. — MS. Univerzita Karlova. Praha. POUL, I. – ŠTÁBL, S. (2006): Problémy svahových deformací při realizaci obytných budov v Brně Medlánkách. — MS. VUT v Brně, FAST. RYBÁŘ, J. (2004): Sesuvy a jiné nebezpečné svahové pohyby na území České republiky. — Československý časopis pro fyziku. 54, 254–257. Praha. Dostupný na: . SMITH, K. (2002): Environmental Hazards: Assesing Risk And Reducing Disaster. — Routledge. Londýn. SUMMERFIELD, M. A. (1991): Global Geomorphology: An Introduction to the Study of Landforms. — Pearson Prentice Hall. Harlow. ŠUCHA, V. (2001): Íly v geologických procesoch. — Acta geologica Universitatis Comenianae, Monografická séria, 1–159. Bratislava. USGS (2009): Landslide Hazards Program. — US Geological Survey. Dostupný na: , [cit. 2009-02-26]. VERRUIJT, A. (2001): Soil mechanics. — Delft. Dostupný na: , [cit. 2009-02-26]. WEIGLOVÁ, K. (2007). Mechanika zemin. — Akademické nakladatelství. Brno. ZÁRUBA, Q. – MENCL, V. (1989): Sesuvy a zabezpečování svahu. — Academia. Praha.

21


Přílohy: Příloha 1: Určení velikostí souřadnic x a y pro stanovení středu kritické kružnice podle Rodrigueze (Weiglová, 2007)

22

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Příloha 2: Stanovení součinitele dle Rodrigueze (Weiglová, 2007)

23

Rešerše bakalářské práce – Jaroslav Hyrman Příloha 3: Mohr-Coulombovo zobrazení (Weiglová, 2007)

24

Posouzení stability svahu jílovitých zemin

Recommend Documents