Praktyczne aspekty w określaniu stateczności skarp wykopów i nasypów pod obciążeniem statycznym i dynamicznym.

Transkrypt

1 ŚWIĘTOKRZYSKA OKRĘGOWA I Z B A INŻYNIERÓW BUDOWNICTWA Praktyczne aspekty w określaniu stateczności skarp wykopów i nasypów pod obciążeniem statycznym i dynamicznym. (Materiały szkoleniowe) Opracował : Piotr Jermołowicz tel p.jermolowicz@wp.pl Kielce, 9 czerwca 2015 r. Świętokrzyska Okręgowa Izba Inżynierów Budownictwa Kielce, ul. Św. Leonarda 18, tel , tel. kom , fax swk@piib.org.pl

2 1. Wstęp Stateczność skarp wykopów i nasypów pod obciążeniem statycznym i dynamicznym różni się diametralnie. Wpływ obciążeń dynamicznych może zmienić wytrzymałość statyczną nawet o około 30 % na niekorzyść. Dlatego też problem właściwego zabezpieczenia skarp nasypów i wykopów nabiera szczególnego znaczenia w przypadku poddania ich obciążeniom dynamicznym (cyklicznym). Geotechniczna prognoza zjawisk w podłożu, to inaczej wstępne przewidywanie oceny współpracy obiektu budowlanego z podłożem, uwzględniające zmiany w podłożu, jakie mogą powstać wskutek wykonywania i eksploatacji obiektu (PN-B-02479:1998). W niektórych źródłach literaturowych obciążenie dynamiczne pochodzące od: ruchu kolejowego, drogowego, pracy sprzętu budowlanego, zwłaszcza z efektem wibracyjnym (płyty, żaby i walce), maszyn (młoty, prasy), eksplozje, wybuchy, nazywa się również parasejsmicznym. Ogólnie z czynników wpływających na stateczność zboczy należy wymienić: zdarzenia kolizyjne obciążenie statyczne ciężarem własnym i obciążeniem zewnętrznym, obciążenie dynamiczne drgania spowodowane ruchem pojazdów, wstrząsy wywołane robotami strzałowymi, wbijaniem pali, pracą maszyn, zagęszczaniem dynamicznym (udarowym), wpływ wody wsiąkanie wód opadowych, powstanie ciśnienia hydrostatycznego w porach, działanie wód podziemnych, a w szczególności ciśnienia spływowego, falowania, erozja, czynniki tektoniczne powolne ruchy skorupy ziemskiej, trzęsienia ziemi, wpływ temperatury wysychanie, skurcz, działanie mrozu, wpływ wiatru deflacja i korozja, wpływy chemiczne utlenianie, uwodnienia, redukcja, uwęglanie, działanie biologiczne zwierząt, roślin i bakterii. Te różne czynniki uwzględnia się przez właściwe wyznaczenie parametrów wytrzymałościowych, zastosowanie odpowiednich metod obliczeniowych oraz przyjęcie określonej wartości współczynnika bezpieczeństwa. Zgodnie z EBGEO obciążenia dynamiczne można podzielić i rozpatrywać zgodnie z poniższym schematem:

3 Rys. 1. Schemat wpływów dynamicznych w ośrodkach gruntowych Czas, w którym poziom naprężeń i odkształceń w gruncie zmienia się pod wpływem działania obciążenia można nazwać czasem działania obciążenia. Charakterystyka zmienności obciążenia w czasie może być różna - od bardzo szybkich zmian po zmiany wolne w czasie, a szybkość i poziom amplitud tych zmian wywołują różne zmiany w gruncie. Na rysunku 2 przedstawiono ogólną charakterystykę obciążeń dynamicznych działających na grunt w zależności od czasu działania i od szybkości zmian (częstotliwości zmian = liczby cykli zmian w jednostce czasu). Rys.2. Klasyfikacja obciążeń dynamicznych działających na grunt [29]

4 W większości przypadków przyjmuje się występowanie obciążeń cyklicznych (obciążeń harmonicznych). Jednak takie obciążenia jak wybuchy czy obciążenia udarowe nie można zaliczyć do obciążeń harmonicznych i powinny być rozpatrywane oddzielnie. Obciążenia dynamiczne wywołują różny poziom odkształceń w gruncie - od bardzo małych (10-6 do 10-4 ), dla których przyjmuje się liniowe związki konstytutywne, do dużych odkształceń (10-2 do 10-1 ), dla których przyjmowane są związki nieliniowe dużych odkształceń. Ocena wpływów obciążeń dynamicznych nigdy nie powinna być intuicyjna. Dlatego też kontrola i monitoring jest procedurą, którą należy wdrażać na obiektach, których stateczność może być zagrożona. 2. Problematyka stateczności skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów w zależności od rodzaju obciążenia. Niejednorodność ośrodków gruntowo-skalnych, niekorzystne pochylenia warstw, układ zwierciadła wód gruntowych, zaburzenia glacitektoniczne, zmienny udział frakcji litologicznych, olbrzymi rozrzut parametrów fizyko-mechanicznych nawet w poszczególnych warstwach w podłożu oraz dysypacja ciśnienia wody w porach gruntu sprawiają, że problemy stateczności zboczy i skarp są interdyscyplinarne i z reguły wykraczają poza ogólnie przyjęte schematy. Osuwiskiem nazywamy nagłe przemieszczenie się mas ziemnych, w tym mas skalnych podłoża i powierzchniowej zwietrzeliny spowodowane zjawiskami zachodzącymi w przyrodzie i okolicy, np.: wzrostem wilgotności gruntów podłoża spowodowanym długotrwałymi i intensywnymi opadami lub roztopami, budową geologiczną, działalnością człowieka ( podkopanie stoku lub jego znaczne obciążenie poprzez zabudowę), podcięcie stoku przez erozję, np. w dolinie rzecznej lub w zakolach, wibracje związane z robotami ziemnymi, ruchem ciężkich pojazdów, eksplozjami, trzęsienia ziemi. Osuwisko jest to rodzaj ruchów masowych, polegający na przesuwaniu się materiału wzdłuż powierzchni poślizgu, połączone często z obrotem. Procesy te zachodzą pod wpływem siły ciężkości. Osuwiska są częste na obszarach, gdzie warstwy gruntów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych występują naprzemiennie.

5 Prędkości mierzalne poszczególnych rodzajów ruchu zmieniają się w bardzo szerokim zakresie. Ruch może być niezauważalny ( pełznięcie ), ale może być także gwałtowny rzędu kilku km/ godz. Z podstawowych opisów i charakterystyki ruchów masowych, można wywnioskować, że ich występowanie uzależnione jest od budowy geologicznej, rzeźby terenu oraz warunków klimatycznych. Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych, następuje w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie wzdłuż dowolnej powierzchni poślizgu. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie : sił grawitacyjnych pochodzących od ciężaru gruntu i ewentualnej zabudowy, sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt, podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernym zawilgoceniem zbocza. Przyczyny powstawania osuwisk : układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza, rozmycie lub podkopanie zbocza, niekontrolowane dociążenie naziomu lub stoku, nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych, wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu, napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie, nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych co powoduje pęcznienie gruntu a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie, zniszczenie struktury gruntu poprzez rozluźnienie, istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu np. w iłach, drgania wywołane np. ruchem drogowym, robotami ziemnymi, wybuchami, sufozja tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów, przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy, cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie, wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu, niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu. Uwzględnienie obciążeń statycznych w analizie stateczności i nośności gruntów nie nastręcza większych problemów. Uwzględnienie natomiast obciążeń dynamicznych i działań sejsmicznych lub parasejsmicznych w mechanice gruntów nie odbywa się bez trudności. Z reguły do rozwiązywania tego typu zadań wykorzystuje się metody uproszczone. Umożliwiają one zastosowanie równomiernych współczynników sejsmicznych wewnątrz ośrodka gruntowego. Zgodnie z przyjętymi podziałami obciążenie można podzielić na:

6 dynamiczne (o wysokiej częstotliwości), cykliczne ( o małej częstotliwości 1 2 Hz) cykliczne ( o niskiej powtarzalności liczonej od mili sekund do kilku sekund) Obciążenia dynamiczne w funkcji czasu można zobrazować na 4 nomogramach: a) obciążenie harmoniczne b) obciążenie okresowe c) obciążenia zanikające d) obciążenia pulsacyjne Często przyjmowanym uproszczeniem, pozwalającym na określenie stanu naprężenia, a nawet operowanie równaniami równowagi sił, jest założenie powierzchni poślizgu o określonym kształcie i przebiegu. Uproszczenie to może być jednak przyczyną powstania nawet bardzo poważnych błędów. Założenie to nabiera szczególnego znaczenia przy obliczaniu stateczności istniejących zboczy, gdy przyjęcie powierzchni poślizgu należy

7 poprzedzić staranną analizą istniejących warunków geologiczno-inżynierskich. Wszelkie zaniedbania i braki w rozpoznaniu geologiczno-inżynierskim wpływają bezpośrednio na wyniki. Z przyjmowanych do analizy powierzchni poślizgu należy wymienić: płaszczyznę poślizgu, walcową powierzchnię poślizgu, przy czym kierująca może mieć różne kształty, najczęściej przyjmuje się kształt kolisty, spirali logarytmicznej, cykloidy, złożony kształt powierzchni poślizgu, składający się z płaszczyzn lub powierzchni. Rys. 3. Kształty powierzchni poślizgu [ 13 ] Powierzchnia poślizgu może przechodzić przez podnóże skarpy lub przebiegać powyżej albo poniżej niego. 3. Przypisanie skarp wykopów, nasypów i zboczy do kategorii geotechnicznych. Norma PN-EN [1] wydziela kategorie geotechniczne w zależności od komplikacji warunków gruntowych i konsekwencji zniszczenia. Kwalifikowanie do kategorii geotechnicznej odbywa się przed rozpoczęciem badań, kategorie można zmienić w trakcie badań. Kategoria I obejmuje: skarpy wykopów do 1,5 m wysokości (nienawodnione), skarpy nasypów do 3,0 m,

8 zbocza z gruntów sypkich lub spoistych, bez śladów osuwisk, do 6,0 m (niezabudowane), zbocza skalne i zwietrzelinowe, płaskie i łagodnie nachylone bez śladów aktywności osuwiskowej. W przypadku I kategorii geotechnicznej można projektować stateczność na podstawie przepisów lub doświadczenia. Kategoria II obejmuje: ściany oporowe i inne konstrukcje utrzymujące grunt lub wodę, wykopy, nasypy i inne budowle ziemne. Dla II kategorii geotechnicznej należy w badaniach uzyskać dane ilościowe o parametrach wytrzymałościowych i sprawdzić stateczność metodą numeryczną. Kategoria III obejmuje konstrukcje: narażone na nadzwyczajne ryzyko w wyjątkowych, trudnych warunkach gruntowych lub obciążeniowych, na obszarach, gdzie z dużym prawdopodobieństwem może wystąpić niestateczność terenu lub długotrwałe ruchy podłoża, które wymagają osobnych badań lub podjęcia specjalnych zabiegów. Kategoria III wymaga badan laboratoryjnych i polowych, opracowania dokumentacji geologiczno-inżynierskiej oraz monitoringu prowadzonego metodami geodezyjnymi lub geofizycznymi. Należy przy tym maksymalnie wykorzystać porównywalne doświadczenia. W przypadkach nie objętych tym zestawieniem lub w przypadkach uzasadnionych sytuacją należy dokonać wyboru kategorii na podobnych zasadach. Metody obliczania wskaźnika stanu równowagi należy dobierać w zależności od warunków geotechnicznych i rodzaju parametrów uzyskanych z badań. Należy rozpatrzyć wszelkie możliwe stany graniczne danego przypadku oraz spełnić wymaganie stateczności, ograniczenia odkształceń, trwałości i niewymuszania przemieszczeń sąsiednich budowli lub instalacji. Stany graniczne, które należy rozpatrzyć, to: utrata stateczności ogólnej podłoża i budowli zlokalizowanych na nim, nadmierne przemieszczenia w podłożu spowodowane odkształceniami od ścinania, osiadania, pełzania i drgań, zniszczenie lub utrata warunków stanu użytkowania sąsiednich obiektów, dróg lub budowli, spowodowane przemieszczeniami podłoża. Przy doborze oddziaływań do obliczeń stateczności należy wziąć pod uwagę skutki okoliczności takich, jak: procesy budowlane, nowe wykopy lub konstrukcje, na terenie lub obok stoku, istniejące lub wcześniejsze ruchy podłoża spowodowane różnymi przyczynami, drgania, zmiany klimatyczne, w tym wahania temperatur (zamarzanie i rozmarzanie), susze i ulewy, wpływ roślinności,

9 działalność człowieka lub zwierząt, zmiany wilgotności lub ciśnienia wody w porach. W stanach granicznych nośności, obliczeniowe poziomy wody powierzchniowej i wód gruntowych lub ich kombinacje powinny być ustalone na podstawie danych hydrologicznych i obserwacji w otworach rurowanych. W zależności od układu warstw gruntu i położenia zw.w.g. możliwe są nieoczywiste sposoby przenoszenia drgań. Znany jest przypadek budowy, z której transport urobku ciężkimi pojazdami był zupełnie nieszkodliwy dla skarp latem, a powodował w zimie po zamarznięciach gruntu uszkodzenia skarp w postaci pęknięć, obrywów lub nawet lokalnych zsuwów. 4. Drgania i obciążenia cykliczne. 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 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

10 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. 5. Rozprzestrzenianie się fal i wpływ drgań na otoczenie. 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

11 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.27. Układ sił w zboczu w warunkach drgań sejsmicznych [21] 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. 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

12 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.10. Częstotliwości drgań własnych rezonansowe dla typowych gruntów.[8] Częstotliwość drgań [Hz] Rodzaj podłoża 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 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 (uwarstwionych) mogą być dwupikowe, a nawet więcej pikowe.

13 Rys.28. Przykładowe sejsmogramy składowych poziomych drgań gruntu wzbudzanych ruchem a) autobusu, b) równoległą jazdą dwóch testowych ciężarówek z prędkością 80 km/h. [9] Prędkości rozchodzenia się fal podłużnych i poprzecznych w różnych rodzajach gruntu zestawiono w tablicy 11 [8]. Rodzaj gruntu Prędkość rozchodzenia się fal [m/s] V L V T wilgotna glina less naturalnej wilgotności ścisły, żwirowo-piaskowy grunt piasek drobnoziarnisty piasek średnioziarnisty żwir średniej grubości Ogólnie, fale powierzchniowe rozchodzą się również i w głąb ośrodka, ale na niewielką głębokość. Z reguły jest to długość jednej fali.

14 Tab.12. Zmienność częstości drgań od długości i prędkości rozchodzenia się fal. [8] Częstotliwość drgań źródła Długość fali [ m] przy prędkości rozchodzenia się fali [m/s] [ 1/min] ,7 3 2, , ,6 4,5 3,7 3 1, , ,2 9 7, , , 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.13. Współczynniki absorbcji drgań dla różnych gruntów [8] Rodzaj gruntu 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 Wsp. absorpcji i drgań 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.

15 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 m/s. Tab. 14. Zmiana prędkości propagacji fal w gruntach piaszczystych w zależności od naprężeń statycznych [9] Tab.15. Prędkości propagacji fal w różnych gruntach [9] 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

16 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/m 2 na 69 kn/m 2. 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 zagęszczana 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.

17 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 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: t s głębokość szczeliny λ długość fali

18 Rys.29. Schemat przegrody przeciwdrganiowej w postaci szczeliny. [8] a) b) c) Rys. 30.a), b), c). Przykłady wypełnienia głębokich szczelin 5.1. Parcie gruntu od drgań cyklicznych. Parcie poziome gruntu działające na ścianę oporową, pochodzące od trzęsienia ziemi, zwiększa się chwilowo na skutek drgań gruntu. Zwiększenie parcia wynika z działania trudnych do oszacowania sił bezwładności. W przypadku ścian oporowych o średniej wysokości nie przekraczającej 8,0 m można przyjąć, że zwiększenie parcia wynosi około 10% w stosunku do parcia występującego w warunkach normalnych. W przypadku murów oporowych o znacznej wysokości można w przybliżeniu wypadkową parcia określić metodą działania klina odłamu. Sposób postępowania jest tu taki sam jak w przypadku określania parcia gruntu bez trzęsienia ziemi, jednak pod warunkiem, że klin odłamu poddany będzie,

19 oprócz innych sił, sile poziomej. Wartość tej siły jest funkcją okresu i przyspieszenia poziomego, kreślonego w badaniach trzęsienia ziemi (powstałego w rejonach trzęsienia ziemi). Wartość siły poziomej przyjmuje się w granicach od 18 do 33% ciężaru klina odłamu. Rys.31. Parcie gruntu spowodowane trzęsieniem ziemi [ 10 ] W- całkowity ciężar klina odłamu, E h całkowite parcie poziome (statyczne i sejsmiczne, δ kąt tarcia gruntu o ścianę, θ = arctg (α/g), α procent ciężaru uwzględniającego w sile poziomej, g przyspieszenie ziemskie, θ, α mają znak + jeżeli przyspieszenie działa w kierunku ściany, lub -, gdy działa w kierunku zasypu. W przypadku gruntu jednorodnego i naziomu poziomego środek ciężkości parcia statycznego leży w 1/3 wysokości ściany, licząc od jej dołu, podczas gdy środek ciężkości parcia dynamicznego znajduje się w 1/3 wysokości od góry ściany. Z tego względu należy wyodrębnić działanie parcia statycznego i dynamicznego. Od parcia całkowitego odejmuje się parcie statyczne i przyjmuje się, że różnica ta stanowi parcie dynamiczne. Rozkład parcia statycznego może być hydrostatyczny lub schodkowy, rozkład zaś parcia dynamicznego można przyjąć liniowo zmienny od wartości zerowej u podstawy ściany do maksymalnej w naziomie. Należy zwrócić uwagę na to, że również sama ściana oporowa podlega przyspieszenia podczas trzęsienia ziemi; obydwie siły przyspieszenie klina odłamu i ściany oporowej działają równocześnie. Stateczność budowli wymaga, aby ściana przeciwstawiała się obydwu siłom. Według literatury współczynnik parcia sejsmicznego można określić ze wzoru: w którym: k a = a max /g wskaźnik sejsmiczności a max przyspieszenie sejsmiczne, K * " = tg π/4 + ω 2 ) + k *] 8 cosω

20 g przyspieszenie ziemskie, k a = 0,0025 do 0,100 dla rejonów podległych trzęsieniom ziemi o sile od 7 do 9 stopni w skali Richtera ɷ = arctg k a. Parcie gruntu wyznacza się wg wzoru Coulomba, stosując współczynnik K * " zamiast K a. W przypadku występowania za ścianą muru oporowego zwierciadła wody gruntowej na wysokości h 1 powyżej miejsca zamocowania budowli, należy uwzględnić parcie dynamiczne wody stosując wzór Westergaarda : p(z) = < = σ?γ A h C z w którym: p(z) - parcie na rzędnej z poniżej zwierciadła wody gruntowej, Ϭ h -współczynnik poziomego działania sejsmicznego, γ w - ciężar objętościowy wody, W przypadku budowli o małym znaczeniu Ϭ h przyjmowany jest: w Stanach Zjednoczonych 10 15% przy przyjęciu przyspieszenia rzędu 1/3 g, we Francji 10%, jednak w powiązaniu ze współczynnikiem pionowym o tej samej wartości, w Japonii 12-25%, w powiązaniu ze współczynnikiem pionowym równym połowie Ϭ h Zagadnienie nośności podłoża. Opór graniczny podłoża jednorodnego pod fundamentem obciążonym osiowo i pionowo można jak wiadomo określić ze wzoru: q f = cn c + γdn D + 0,5 BγN B w którym: Nc, N D, N B - współczynniki zależne od kąta tarcia wewnętrznego Ø, B - szerokość fundamentu pasmowego, D - zagłębienie fundamentu, γ - ciężar objętościowy gruntu, c - spójność gruntu. Niezależnie od wpływu działania sejsmicznego na wartość kąta tarcia wewnętrznego gruntu Ø i na końcową wytrzymałość gruntów spoistych, wpływa ono również na opór graniczny podłoża przez przyspieszenia, którym poddane są cząstki gruntu. Jeżeli uwzględni się, że przyspieszenia sejsmiczne w gruncie są równomierne w całym obszarze pasma fundamentowego, to można uważać, że w pewnym momencie ośrodek gruntowy ma naziom

21 nie obciążony już nie poziomy, lecz nachylony, znajdujący się w zasięgu działania pionowego pola ciężkości. Wpływ zwiększających się pionowych sił składowych może spowodować, że obliczeniowa siła ciężkości jest mniejsza od g (stąd ciężar objętościowy gruntu γ mniejszy). Z drugiej strony działanie wywierane przez pasmo fundamentowe na podłoże zawiera zmienne składowe poziome równoważone przez składowe styczne naprężenia lub odpór, których wpływ na stan równowagi ośrodka gruntowego jest trudny do ustalenia. Obserwacje in situ wykazują, że wielkości te nie wpływają krytycznie na opór graniczny podłoża pod fundamentem, ponieważ nie notuje się uszkodzeń, które można by przypisać mechanizmom wskazanym wyżej, jeżeli budowle są poprawnie posadowione w warunkach normalnych (bez trzęsień ziemi), w gruncie odpowiednio zagęszczonym. Tę korzystną właściwość można wytłumaczyć tym, że rozpatrywane przyspieszenia sejsmiczne nie osiągają dużych wartości i że nakładają się niekorzystnie tylko w krótkim czasie. Powoduje to, że odpowiadające tym przyspieszeniom odkształcenia podłoża są nadal małe. Uwzględnienie działania sił bezwładności o charakterze niemiarowym w stosunku do sił statycznych, działających w nieskończenie długim okresie czasu, nie wydaje się uzasadnione. W zagadnieniu określenia granicznego oporu podłoża głównym elementem jest powtórne ułożenie cząstek i ziaren gruntu wynikające z mechanizmów działania sejsmicznego Odkształcenia odwracalne i nieodwracalne oraz osiadanie podłoża. Badania wykonane na drobnych piaskach nawodnionych oraz na piaskach średnich i grubych (D 50 = 3 mm) wykazały, że ich osiadania były tym większe (czego należało spodziewać się), im grunt był luźniejszy. Ponadto osiadania tych gruntów zwiększały się tym szybciej, im końcowa wartość ciśnienia wody w porach zbliżała się do wartości ciśnienia odpowiadającego upłynnieniu piasków. Pomierzone osiadania piasków są znacznie mniejsze od osiadań zachodzących w czasie ich upłynnienia. Osiadanie piasków powiększa się jednak przy zwiększeniu ciśnienia konsolidującego i wymiarów ziaren piasku. Przy wzroście uziarnienia piasku od 0,3 do 3 mm jego osiadanie zwiększa się praktycznie dwukrotnie. Również kształt ziaren piasku ma znaczący wpływ na jego osiadania. Ilościowe określenie tego wpływu jest trudne, ponieważ nie prowadzi się systematycznych badań tego zagadnienia. Jeżeli przyjąć, że względne osiadanie wynosi 4 do 5%, to osiadanie powstałe w wyniku upłynnienia piasków drobnych do grubych można oszacować na 1%. Możliwe są większe wartości osiadania powstałego wskutek upłynnienia w przypadku gruntu innego niż piasek. Należy podkreślić, że chodzi tu o osiadanie wynikające z zagęszczenia gruntu, co równoznaczne jest z przyjęciem, że nie występuje boczne rozluźnienie gruntu ze względu na istnienie zboczy oraz innych osobliwości topograficznych podziemnych lub powierzchniowych i przy braku jakiegokolwiek obciążenia pochodzącego od budowli. W przypadku istnienia budowli sytuacja jest o wiele poważniejsza, ze względu na naprężenia ścinające powstałe w podłożu. W chwili obecnej brakuje w literaturze dokładnych i wystarczających informacji na ten temat. Obserwacje in situ wykazały jedynie, że w przypadku gruntów określonych jako dobre" stwierdzone osiadania są bardzo małe lub nawet niezauważalne. W przypadku gruntów średnich i słabych stwierdzono szkodliwy

22 wpływ składowych stycznych naprężenia w odniesieniu do budowli posadowionych płytko. Przestrzenna zmienność właściwości ośrodka gruntowego i braki w synchronizacji osiadań odgrywają decydująca rolę w omawianym przypadku. Osiadania o wielkiej amplitudzie można zaobserwować często w nasypach (nawierzchnie nabrzeży w portach, drogi, tory kolejowe itp.). Wartość osiadań zależy zarówno od zagęszczenia początkowego, jak też od sposobu bocznego umocnienia nasypu. Może to mieć duży wpływ na budowle stykające się z nasypem, ponieważ osiadania nasypu nie podlegają tym samym odkształceniom i przemieszczeniom co budowle. Takie przypadki występują w przyczółkach mostowych, ścianach oporowych z płytami odciążającymi itp. W tych ostatnich są one ponadto poddane działaniu parcia sejsmicznego. W konstrukcjach palowych należy rozpatrzyć ich dodatkowe osiadanie spowodowane tarciem negatywnym powstałym wskutek działania sejsmicznego lub parasejsmicznego. Trwałe odkształcenia poziome i osiadania stanowią jedynie część residualną zaobserwowanych odkształceń, narzuconych gruntowi w czasie działania obiążenia dynamicznego. W całkowitym odkształceniu zawarta jest również część odkształceń odwracalnych. W tych ostatnich amplitudy są tym większe, im grunty są słabsze i im bliżej powierzchni gruntu znajdują się rozpatrywane miejsca. Spowodowane tymi odkształceniami zakłócenia w budowlach, już i tak silnie obciążonych działaniem dynamicznym, są szkodliwe z punktu widzenia przetrwania tych budowli w czasie ich działania. Z tego względu główną zasadą projektowania budowli anty parasejsmicznych jest ich posadowienie na gruntach wytrzymałych i na dostatecznie dużej głębokości. W przepisach projektowania budowli odpornych na wpływy sejsmiczne wymaga się ułożenia w poziomie fundamentów siatki zakotwień lub podciągów służących do przeniesienia (w pewnych granicach) skutków różnicy odkształceń Zapadliska i poślizgi wynikające z upłynnienia gruntu. Zapadanie się gruntu następuje w gruntach luźnych nawodnionych, w których występuje upłynnienie. Woda wypływająca wskutek zaciskania szkieletu może przemieszczać się w kierunku powierzchni i powodować tworzenie małych stożków kraterowych. Jeżeli zwierciadło wody znajduje się w pobliżu powierzchni terenu i jeżeli osiadanie jest duże, to powierzchnia terenu może znaleźć się pod powierzchnią zwierciadła wody. Zapadanie się gruntu wskutek upłynnienia może rozwijać się dalej, lecz już według innego mechanizmu i tylko wówczas, gdy warstwa podatna podlegająca upłynnieniu i charakteryzująca się pewnym spadkiem znajduje się na warstwie wytrzymałej. Upłynnienie gruntu powoduje przemieszczenie boczne jego pewnej masy. Pomiędzy masą przemieszczaną a pozostającą na miejscu tworzy się dół zapadliskowy (rys. 32). Upłynnienie soczewek piaszczystych lub pyłowych może przyczynić się w pewnym stopniu (niekiedy decydującym) do spowodowania dużych poślizgów terenu.

23 Rys.32. Przemieszczenia poślizgowe wynikające z upłynnienia gruntu. 1 kawerna zapadliskowa, 2 warstw upłynniona [10] Upłynnienie gruntu in situ może mieć miejsce przy wystąpieniu ścinania cyklicznego lub wówczas, gdy amplituda ścinania zwiększa się z wartością ciśnienia ściskającego. Upłynnienie w jednorodnym ośrodku gruntowym zachodzi przede wszystkim w warstwach przypowierzchniowych, a następnie rozprzestrzenia się w dół. Ulega ono wygaszeniu na pewnych głębokościach, jeżeli panujące tam ciśnienie jest wystarczające do powstrzymania upłynnienia. Piaski luźne i drobne ulegają całkowitemu upłynnieniu in situ. W piaskach zagęszczonych upłynnienie ma charakter ograniczony. Piaski grube również nie są całkowicie wolne od zjawiska upłynnienia, lecz duża ich przepuszczalność umożliwi, szybki powrót ciśnienia wody w porach do wartości hydrostatycznej. Rys.33. Wpływ uziarnienia na ryzyko powstania upłynnienia. [10] 1- zakres dla piasków upłynnionych, 2, 3 obwiednie różnych rodzajów piasków upłynnionych, 4 przedział uziarnienia możliwy do upłynnienia Grunty zbudowane z piasków o dużej zawartości żwirów nie ulegają na ogół upłynnieniu. Na rysunku 33 podano analizę, wpływu uziarnienia gruntu na możliwość powstawania upłynnienia gruntu. Z wykresu widać, że niebezpieczeństwo upłynnienia w piaskach równoziarnistych jest większe niż w piaskach różnoziarnistych. Występowanie iłów

24 zmniejsza niebezpieczeństwo upłynnienia, ze względu na to, że grunty spoiste charakteryzują się spójnością Oszacowanie możliwości upłynnienia gruntu. Ocena możliwości upłynnienia gruntu zawiera: oszacowanie zmiennych składowych ścinających naprężenia spowodowanych na różnych głębokościach przez trzęsienie ziemi, określenie wytrzymałości ośrodka gruntowego na upłynnienie, porównanie składowych stycznych naprężenia z wytrzymałością ośrodka. W warunkach laboratoryjnych i przy danym efektywnym naprężeniu pionowym wytrzymałość gruntu na upłynnienie wyrażona jest przez cykliczne naprężenie ścinające τ n zdolne do spowodowania początkowego upłynnienia przy danej z góry liczbie cykli. Wszystkie cykle odkształcenia są jednakowe, podczas gdy składowe styczne naprężenia spowodowane w gruncie trzęsieniami ziemi zmieniają się w czasie w sposób bardzo nieregularny. Przyjmując ruch sejsmiczny, w pierwszym etapie obliczeń poszukuje się odpowiedzi (reakcji) gruntu. Obliczenia wykonuje się na podstawie akcelerogramów rzeczywistych lub obliczeniowych, charakteryzujących ruch powierzchniowy bądź ruch podłoża Stateczność zboczy i skarp z uwzględnieniem drgań cyklicznych. Stateczność zboczy na ogół sprawdza się metodą klasyczną za pomocą krzywych poślizgu, przy założeniu, że masyw ośrodka gruntowego zachowuje się jak ciało nieodkształcalne, tzn. przyporządkowując każdej cząstce ośrodka gruntowego przyspieszenia poziome i pionowe równe odpowiednim przyspieszeniom w podstawie tych cząstek. W rozpatrywanym przypadku należy uwzględnić zwiększenie ciśnienia wody w porach. Omawiana metoda charakteryzuje się prostotą. Na podstawie licznych obserwacji stwierdzono jednak, że ruch gruntu na obrzeżach zbocza jest bardziej intensywny niż w jego środku Stateczność zboczy o kształcie trapezoidalnym, np. nasypy ze skarpami lub zapory ziemne, bada się przy jednowymiarowym stanie odkształcenia spowodowanym siłami stycznymi. W tym celu dzieli się badany profil zbocza na skończoną liczbę cienkich warstw poziomych. Wewnątrz każdej z takich warstw iloczyn G b (G - moduł ścinania, b - szerokość profilu w rozpatrywanym poziomie) reprezentuje siłę tnącą na jednostkę długości zbocza. Iloczyn ten ma wartość stałą. Otrzymuje się w ten sposób pierwszy przybliżony rozkład obciążeń zbocza. Główny wniosek z analizy badania stateczności zbocza sprowadza się do tego, że współczynniki sejsmiczne powinny zmieniać się liniowo wraz z wysokością zbocza, przyjmując wartości zerowe u jego podstawy, a wartości maksymalne w koronie zbocza (rozkład trójkątny). Metodę pasków poziomych można stosować również przy bezpośrednim wykorzystaniu akcelerogramów. Warto dodać, że oddziaływanie przyspieszeń pionowych nie wpływa praktycznie na poziome współczynniki sejsmiczne.

25 Niemniej maksymalne wartości pionowych współczynników sejsmicznych są tego samego rzędu, co maksymalne wartości współczynników poziomych (około 80%). Występują tu oczywiście przesunięcia w czasie; w chwili gdy otrzymuje się maksymalną reakcję poziomą, reakcja pionowa wynosi 50% reakcji poziomej i odwrotnie Zjawiska zachodzące przy zniszczeniu gruntu. W praktyce zależność pomiędzy naprężeniem i odkształceniem w warunkach obciążenia cyklicznego określa się z badań laboratoryjnych prób gruntu bądź z badań polowych. Badania polowe charakteryzują się tym, że są przeprowadzane w warunkach naturalnego stanu naprężeń panującego w gruncie. Obejmują one badania sejsmiczne służące do wyznaczenia siecznego modułu ścinania dla małego zakresu odkształceń oraz badania wytrzymałości za pomocą między innymi sondy krzyżakowej, penetrometru stożkowego i presjometru. Badania te mają jednak pewne ograniczenia, które nie pozwalają na wyznaczenie krzywej bazowej w całym zakresie możliwych odkształceń. Tak np. badania sejsmiczne odnoszą się do zakresu odkształceń postaciowych poniżej 10-4 %, natomiast badania wytrzymałościowe, dostarczają na ogół informacji odnośnie stanu granicznego w zakresie dużych odkształceń. Inne ograniczenie wynika z różnych zakresów stosowanych częstotliwości (szybkości) obciążenia. W badaniach sejsmicznych stosuje się częstotliwości Hz, tj. dwa do trzech rzędów większe do częstotliwości reprezentatywnych dla trzęsień ziemi (1-10 Hz) lub obciążenia falą (0,1-1 Hz). W badaniach wytrzymałościowych stan graniczny osiąga się w czasie kilkunastu minut, podczas gdy czas narastania naprężenia przy trzęsieniach ziemi jest rzędu 0,025 s 0,25 s, a przy falowaniu rzędu 0,25 2,5 s. Należy także wziąć pod uwagę fakt, że badania są prowadzone z reguły na wolnym terenie, bez wpływu dodatkowych obciążeń np. od fundamentu. Wynika stąd często konieczność wprowadzenia do wyników badań polowych poprawek uwzględniających wpływ obciążenia zewnętrznego. W przypadku badań laboratoryjnych nie dysponuje się na ogół wynikami badań w pełnym zakresie możliwych odkształceń postaciowych. W związku z tym wszystkie znane typy aparatów można podzielić na dwie grupy w zależności od realizowanego zakresu odkształceń postaciowych: grupa urządzeń o niskim zakresie odkształceń ( %) obejmuje głównie kolumny rezonansowe. Są to aparaty do badań właściwości dynamicznych gruntu, na drodze określenia częstotliwości rezonansowej, przy której występuje największa reakcja gruntu (maksymalne odkształcenie) na zadane obciążenie ścinające. grupa urządzeń do badań w zakresie odkształceń postaciowych %, obejmuje głównie aparaty prostego ścinania i aparaty trójosiowego ściskania. Reakcja gruntu na statyczne lub cykliczne obciążenie ścinające może być dwojakiego rodzaju: grunty piaszczyste zagęszczone i grunty spoiste prekonsolidowane wykazują tendencję do zwiększania swojej objętości (dylatancja), natomiast grunty piaszczyste luźne i grunty spoiste normalnie konsolidowane dążą do zmniejszenia objętości (kontrakcja). W przypadku statycznego ścinania w warunkach bez odpływu (przy stałej objętości) tendencje te

26 wywołują powstanie odpowiednio negatywnego bądź pozytywnego przyrostu ciśnienia wody w porach. W przypadku cyklicznych obciążeń ścinających obserwuje się w miarę wzrostu liczby cykli zjawisko akumulacji ciśnienia wody w porach, niezależnie od zagęszczenia gruntu, czy też stopnia prekonsolidacji OCR. W warunkach bez odpływu, wzrostowi ciśnienia porowego towarzyszy spadek naprężeń efektywnych. Po osiągnięciu linii krytycznej zachowanie się gruntu jest analogiczne do zachowania się cieczy i z tego powodu proces zniszczenia gruntu, nazywa się upłynnieniem gruntu. Przy zbliżaniu się do linii krytycznej są możliwe dwa różne zjawiska, zależnie od zagęszczenia lub stopnia prekonsolidacji gruntu. Grunty luźne i normalne konsolidowane wykazują znaczny i nieodwracalny spadek wytrzymałości, któremu towarzyszą nieograniczone odkształcenia. Z tego powodu zjawisko to proponuje się nazywać całkowitym upłynnieniem. Grunty zagęszczone bądź prekonsolidowane w pobliżu linii krytycznej wykazują tendencję do dylatancji, co pociąga za sobą spadek ciśnienia wody w porach i w konsekwencji natychmiastowy wzrost naprężeń efektywnych. W związku z tym grunt pomimo chwilowej utraty wytrzymałości wykazuje jedynie ograniczone odkształcenia w dalszych cyklach. Zjawisko to, charakteryzujące się stabilizacją odkształceń przy bardzo małej wytrzymałości gruntu, różni się zasadniczo od stanu całkowitego upłynnienia, gdzie odkształcenia są nieograniczone. Z tego względu stan ten nazywa się chwilowym upłynnieniem. Upłynnienie gruntu następuje szybciej dla wyższego poziomu cyklicznych naprężeń. Poniżej pewnego poziomu cyklicznych naprężeń do upłynnienia nie dochodzi, nawet przy bardzo dużej liczbie cykli. Zjawisko to obserwuje się zwłaszcza w gruntach spoistych. Dalszy wzrost liczby cykli nie powoduje dalszego wzrostu odkształceń nieodwracalnych ani też przyrostu ciśnienia porowego. Szybkość zmian ciśnienia wody w porach zależy głównie od stanu gruntu, tzn. od stopnia zagęszczenia lub stopnia prekonsolidacji oraz od poziomu przyłożonych naprężeń cyklicznych. W piaskach słabo zagęszczonych, charakteryzujących się przyrostem ciśnienia porowego podczas statycznego ścinania, wzrost poziomu naprężeń cyklicznych wywołuje monotoniczny przyrost ciśnienia wody w porach, akumulowanego w danym cyklu. Ciśnienie wody w porach w przypadku piasków luźnych rośnie już od pierwszego cyklu obciążenia. Inny charakter zmian ciśnienia wody w porach można zaobserwować w przypadku piasków zagęszczonych, które w badaniach statycznych wykazują tendencję do przyrostu negatywnego ciśnienia wody w porach po początkowej fazie jego akumulacji. Wynika stąd, że w przypadku gruntów piaszczystych duży wpływ na prędkość akumulacji ciśnienia porowego, a co za tym idzie, na ograniczoną liczbę cykli przy danym poziomie naprężeń cyklicznych, ma początkowe zagęszczenie gruntu. Przy danym poziomie naprężeń cyklicznych, im większe będzie początkowe zagęszczenie gruntu, tym mniejsza będzie szybkość akumulacji ciśnienia w porach. Analogicznie do zagęszczenia gruntów piaszczystych, w gruntach spoistych szybkość przyrostu ciśnienia wody w porach zależy od stopnia prekonsolidacji. W iłach normalnie konsolidowanych, dla naprężeń cyklicznych od pierwszego cyklu następuje akumulacja ciśnienia wody w porach o wartościach pozytywnych, przy czym szybkość akumulacji jest większa dla wyższych poziomów naprężeń cyklicznych. Iły prekonsolidowane wykazują