XXIV OGÓLNOPOLSKIE WARSZTATY PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJI BESKIDY WISŁA, 17 20 marca 2009 r. KRAKÓW Eugenusz KODA 1 SKŁADOWISKA ODPADÓW STATECZNOŚĆ ZBOCZY WYSYPISK ODPADÓW KOMUNALNYCH 1. Wprowadzene Stateczność składowsk odpadów, obok zabegów zabezpeczających przed mgracją zaneczyszczeń, stanow jedno z kluczowych zadań geotechncznych do rozwązana podczas projektowana tych obektów [1, 2, 3]. Szczególne dotyczy to starych składowsk odpadów komunalnych typu nadpozomowego, na których odpady były zwykle wbudowywane bez jakchkolwek zasad bezpeczeństwa geotechncznego (duże nachylena skarp, brak przesypek gruntowych, brak przykryca mneralnego, nedostateczne zagęszczene odpadów). Istneje wele przykładów składowsk, których wysokość znaczne przekracza 50 m, a lokalne nachylene skarp jest wększe od 1:1. Zapewnene statecznośc skarp takch składowsk jest koneczne na etape modernzacj, projektowana prac rekultywacyjnych dla ochrony terenów przyległych do składowska planowanego docelowego zagospodarowana terenu [4, 5, 6]. W Polsce stneje klka tysęcy starych wysypsk odpadów komunalnych wymagających plnego podjęca prac rekultywacyjnych. Poprawna ocena statecznośc skarp składowsk zaprojektowane zabegów wzmacnających są uwarunkowane dobrym rozpoznanem masy zdeponowanych odpadów oceną parametrów geotechncznych odpadów. Odpady komunalne wbudowywane na składowskach są materałem slne zróżncowanym pod względem geotechncznym, zależnym od składu morfologcznego, weku stanu zagęszczena. Dlatego określene parametrów geotechncznych odpadów pownno być przeprowadzane ndywdualne dla każdego obektu. Do oceny parametrów wytrzymałoścowych odpadów można wykorzystywać technk badań polowych stosowane w geotechnce, take jak sondowana (CPT, WST, DPH) próbne obcążena lub badań laboratoryjnych w aparatach welkowymarowych. Reprezentatywne parametry wytrzym. dla odpadów komunalnych uzyskuje sę przy wykorzystanu analzy wstecznej osuwsk skarp statecznych o dużym pochylenu oraz próbnych obcążeń. Badana parametrów do analzy statecznośc pownny równeż obejmować analzę morfologczną ocenę weku odpadów. Do oblczeń statecznośc mogą być wykorzystywane zarówno metody klasyczne, jak metody oparte na analze numerycznej, np. metoda elementów skończonych. Wzmocnene statecznośc skarp może być realzowane przy zastosowanu: zmany geometr skarp, dogęszczana wgłębnego za pomocą cężkch ubjaków, konstrukcj oporowych, nasypów docążających oraz różnego rodzaju wzmocneń pozomych [8]. 1 Dr nż. - Katedra Geonżyner - Szkoła Główna Gospodarstwa Wejskego w Warszawe
2. Ocena parametrów fzycznych mechancznych odpadów 2.1. Wprowadzene W zależnośc od rodzaju odpadów zdeponowanych na składowskach, stosuje sę różne sposoby oceny parametrów wytrzymałoścowych. Bezpośredne badana parametrów wytrzymałoścowych poszczególnych składnków odpadów komunalnych były dotychczas bardzo rzadko przeprowadzane. Wyznaczene parametrów mechancznych odpadów komunalnych wymaga wykorzystana nowych technk badawczych stosowanych w geotechnce, z uwzględnenem modyfkacj wynkającej ze specyfk odpadów komunalnych, wykazujących jeszcze wększą nejednorodność nż grunty [9]. Odpady deponowane na składowsku są materałem bardzo zróżncowanym nejednorodnym [10], mogą znaczne różnć sę zarówno morfologą, jak stanem zagęszczena. Wynka stąd problem warygodnej oceny ch właścwośc fzycznych parametrów mechancznych [11]. W ramach badań dla oceny parametrów mechancznych odpadów do analzy statecznośc mogą być wykorzystane: analza morfologczna odpadów, wykopy badawcze, pomary odkształceń, sondowana statyczne WST CPT, próbne obcążena oraz analzy wsteczne osuwsk znwentaryzowanych w przeszłośc na składowskach [12]. 2.2. Właścwośc fzyczne odpadów komunalnych Odpady komunalne mają specyfczny charakter zmenający sę w zależnośc od welu czynnków obektywnych oraz subektywnych. Zmenne właścwośc morfologczne odpadów zależne są m.n. od: welkośc rodzaju zabudowy mejskej, nasycena jej obektam usługowym nnym nemeszkalnym, wyposażena technczno-santarnego budynków, sposobu ogrzewana, pory roku, tp. Do czynnków subektywnych zalczamy, m.n.: gospodarność, stan zamożnośc stosowane odzysku surowców wtórnych przez meszkańców. Wśród odpadów komunalnych wyróżnć można następujące grupy: a) odpady domowe zwązane z bytowanem ludz w mejscu zameszkana, b) odpady welkogabarytowe (wrak samochodowe, lodówk, pralk, telewzory, meble, tp.), c) odpady ulczne zberane z koszy ulcznych oraz zmotk z chodnków, jezdn placów, d) odpady z obektów użytecznośc publcznej (z obektów ośwatowych, z obektów kulturalnych sportowych), e) odpady z terenów zelen zorganzowanej pelęgnacj zelen mejskej, f) śneg lód usuwany z nawerzchn ulc placów w okrese zmowym, g) urobek gruntowy z zemnych robót budowlanych, h) gruz z remontów rozbórk budynków. Do odpadów mejskch dołączane są także te, które ne są zalczane wg klasyfkacj do odpadów komunalnych. Mają one właścwośc technologczne zblżone do odpadów komunalnych, ale pochodzą z obektów zwązanych z dzałalnoścą gospodarczą, w tym m.n. z obektów przemysłowych usługowych, które zalczane wg obowązującej klasyfkacj do nnych odpadów podobnych do komunalnych [13]. Skład odpadów komunalnych jest bardzo zróżncowany zależy od mejsca powstawana (położena geografcznego), pozomu życa meszkańców, lokalnych warunków zabudowy oraz od okresu składowana. Borąc pod uwagę znaczące różnce w składze właścwośc odpadów, podzelć je można na odpady komunalne mejske na odpady komunalne wejske [14, 15]. Danych dotyczących właścwośc fzycznych odpadów ne należy przyjmować z lteratury, a w szczególnośc z lteratury zagrancznej, z uwag na zasadncze różnce 14
w lośc jakośc poszczególnych frakcj odpadów. Z lteratury przyjmować można metodykę pomarów porównywać wybrane własnośc poszczególnych grup odpadów np. wartość opałowa, wlgotność wody. Każdy rodzaj odpadów posada swoją specyfkę, skład stan. Najtrudnejszym, a zarazem najważnejszym zadanem jest pozyskane marodajnej próby odpadów do badań. Ne jest właścwe wymeszane odpadów stałych do poboru reprezentatywnej próby, dlatego stosuje sę sortowane ręczne dużych porcj odpadów, np. całą zawartość śmecark w zwykły dzeń, z typowego kursu. Zazwyczaj zawartość całego ładunku śmecark dzel sę na cztery częśc, następne jedną z częśc dzel sę na kolejne cztery częśc, aż do uzyskana próby o wadze ok. 100 kg. Sortowane to wyberane odpadów morfologczne podobnych np. tekturą paperu, szkła, metal tp. Posegregowane materały waży sę, a dodatkowo określa wlgotność, cepło spalana oraz suchą masę. Take badane składu morfologcznego odpadów należy wykonywać systematyczne, ne tylko w faze projektowana. Cągłość badań pozwala uchwycć kerunk zman, które wpłyną na ekonomę, wybór sposobu utylzacj oraz recyklng. W wększośc mast polskch występują zazwyczaj trzy strefy zabudowy o zróżncowanej charakterystyce odpadów. Można wyróżnć następujące typy środowsk mejskch o zróżncowanych właścwoścach odpadów [16]: Środowsko typu I zabudowa wysoka. Welokondygnacyjna zabudowa osedlowa z pełnym wyposażenem budynków w urządzena technczno santarne, z podstawowym obektam usługowym; Środowsko typu II zwarta zabudowa dzelnc śródmejskch. Zabudowa ze znacznym nasycenem obektam nemeszkalnym typu admnstracyjnego, handlowego oraz nnym stanowącym nfrastrukturę mejską, meszane sposoby ogrzewana budynków oraz zróżncowane wyposażene w urządzena technczno santarne; Środowsko typu III zabudowa jednorodznna. Budownctwo rozproszone oraz osedlowa jednorodznna czy welorodznna z ogródkam, o zróżncowanym standardze w zakrese ogrzewana wyposażena w urządzena technczno santarne, małe nasycene usługam. Dobór próbek do badań wykonuje sę według znormalzowanych metod ujętych w normach branżowych państwowych. W przypadku braku norm postępuje sę wg metodyk stosowanych dla oznaczena podobnych wskaźnków dla nnych materałów, w szczególnośc dla gruntów. Gęstość odpadów Parametr ten w bezpośredn sposób ma wpływ na odkształcalność warunk statecznośc składowska. Gęstość objętoścowa odpadów zależy m.n. od: metody składowana, składu grupowego, sprzętu zagęszczającego, czasu, wlgotnośc, głębokośc zdeponowana w składowsku tp. Z badań montorngowych prowadzonych na składowskach w Polsce obserwujemy, że śr. gęstość nasypowa odpadów nezagęszczonych wynos od 0,15 do 0,70 Mg/m 3. Gęstość wlgotność poszczególnych składnków odpadów zestawono w tabl. 1. Według Jessbergera Kockela [7] gęstość odpadów komunalnych na składowsku wynos od 0,7 do 1,1 Mg/m 3, wartośc te zostały wyznaczone na podstawe badań własnych danych zebranych z lteratury, w zależnośc od weku, składu wlgotnośc odpadów. Zadroga [10] podaje, że śweże odpady komunalne o gęstośc 0,4 1,0 Mg/m 3 są zwykle lżejsze od odpadów starych o gęstośc 0,8 1,2 Mg/m 3. Z badań własnych przeprowadzonych na klkunastu składowskach w ostatnch 20 latach wynka, że gęstość zagęszczonych odpadów meśc sę w przedzale 0,8-1,4 Mg/m 3. Nejednorodny przypadkowy skład odpadów, ma wpływ na znaczne rozrzuty loścowe jakoścowe ch właścwośc. 15
Tablca 1. Właścwośc fzyczne poszczególnych składnków odpadów komunalnych [10] Składnk odpadów Gęstość objętoścowa w stane nezagęszczonym ρ [Mg/m 3 ] Wlgotność w [%] Żywność 0.1125-0.471 50-80 Paper karton 0.031-0.125 4-10 Plastyk 0.031-0.125 1-4 Tekstyla 0.031-0.094 6-15 Guma skóra 0.094-0.251 1-12 Drewno 0.125-0.314 15-40 Szkło 0.154-0.471 1-4 Metale 0.047-0.110 2-6 Cegła, gruz 0.314-0.942 6-12 Z danych zestawonych w tabl. 2 wynka, że gęstość objętoścowa w środowsku typu I jest nska systematyczne sę zmnejsza, jej wartość schodz nawet ponżej 0,1 Mg/m 3. Zjawsko to zaobserwować można w wększośc mast, gdze znaczną odpadów stanową lekke opakowana z tworzyw sztucznych. Nska wartość gęstośc śwadczy o małej lośc frakcj drobnej (mneralnej) oraz o dużej zawartośc częśc organcznych. W Polsce, jak wynka z analzy badań w lteraturze, wartość gęstośc objętoścowej odpadów komunalnych u źródeł powstawana szacuje sę w grancach 0,19 0,23 Mg/m 3. Na gęstość składowanych odpadów mają wpływ warunk zagęszczena (masa sprzętu zagęszczającego, lczba przejazdów), którą to zależność możemy zaobserwować na rys. 1. Zagęszczene odpadów sprzętem cężkm (21 36 ton) może wpłynąć na zwększene ch gęstośc, zależne od lczby przejazdów, z 0,4 do 1,3 g/cm 3. Przy zastosowanu sprzętu o mase 18 21 ton można uzyskać gęstość wynoszącą około 1,1 g/cm 3. Rys. 1. Gęstość odpadów w zależnośc od warunków zagęszczena [17] 16
Tablca 2. Właścwośc fzyczne odpadów z trzech typów środowsk mejskch [16] Wskaźnk Jedn. Typ środowska I II III Gęstość objętoścowa Mg/m 3 0,176 0,255 0,254 Podzał frakcj: 0-10 mm 10-40 mm 40-100 mm >100 mm Skład grupowy: frakcja 0-10 mm odpady spożywcze roślnne odpady spożywcze zwerzęce paper + tektura tworzywa sztuczne materały tekstylne szkło metale pozostałe organczne pozostałe neorganczne % % 7,8 26,1 25,7 40,4 9,1 34,7 4,2 25,1 4,6 4,3 8,4 3,7 2,8 3,1 26,0 30,2 20,3 23,5 29,2 23,9 2,7 14,4 3,0 3,3 7,3 3,6 2,4 10,2 21,9 27,4 21,4 29,3 26,9 23,3 2,3 17,2 3,6 3,2 8,1 3,4 3,7 8,3 Wlgotność odpadów Wlgotność odpadów w składowsku w dużym stopnu zależy od wzajemne powązanych czynnków, m.n. od: sposobu gromadzena odpadów u wytwórców, składu odpadów, metody składowana, lokalnych warunków klmatycznych, sposobu przykryca, obecnośc systemu drenażowego, zman wlgotnośc w czase procesów bologcznych, objętośc pary wodnej ulatnającej sę z gazem [9, 18]. Średna wlgotność odpadów dla różnych mast Polsk, określona na podstawe weloletnch badań składowsk, wynos od 40 do 60%. Z badań montorngowych Skalmowskego [16] wynka, że średna wlgotność śweżych odpadów dla Warszawy wynos 47,2%. Wlgotność odpadów to ważny parametr, decydujący równeż o parametrach wytrzymałoścowych odpadów nezbędnych do analzy statecznośc. W przypadku odpadów deponowanych na składowsku wlgotność początkowa wpływa równeż na stopeń zagęszczena lość odceków powstających na składowsku. Podzał frakcyjny odpadów Podzał frakcyjny odpadów wykorzystuje sę do określena, w jakm stopnu odpady komunalne mogą być uznane za gruntopodobne. Według Jessbergera Kockela [7] typowe odpady komunalne zawerają cząstk o wymarach od 0,001 do 200 mm (rys. 2). Odpady starsze zawerają wększą procentową zawartość drobnejszych cząstek. Potwerdzają to wynk badań Fanga [19], który zwrócł uwagę na wpływ procesów rozkładu mechancznego bologcznego na podstawe uzarnena 10-letnch odpadów żywnoścowych (rys. 2). Za reprezentatywne ne mogą być uznane badana Gabra Galero [20], poneważ zostały wykonane po oddzelenu od odpadów częśc wększych od 9,5 mm (rys. 2). Uzarnene odpadów znaczne wykracza poza zakres typowych uzarneń podanych przez Jessbergera Kockela [7]. Uzarnene ma wpływ na zakres obróbk wstępnej odpadów przed uneszkodlwenem. W III type zabudowy (tabl. 2) skład frakcyjny wykazuje zróżncowane w zależnośc od pory roku (system ogrzewana). Dotyczy to główne frakcj 0 10 mm, wahane następuje w grancach 4 13% [16]. 17
Rys. 2. Podzał frakcyjny odpadów komunalnych [7, 19, 20] Skład morfologczny odpadów komunalnych Badana składu odpadów dla m.st. Warszawy od ponad 15 lat prowadzone są na terene kompostown Radowo (odpady śweże), składowska Radowo (odpady balastowe stare) składowska Łubna (odpady stare śweże). Skład odpadów określony jest na podstawe ręcznego sortowana wydzelonej próby oraz przesane przez sto 10 mm (dla wydzelena frakcj drobnych). Zawartość poszczególnych składnków w odpadach komunalnych balastowych (z kompostown DANO) zestawono w tabl. 3. W wynku kompostowana 20-30% masy odpadów przerabana zostaje na kompost, reszta w postac tzw. balastu jest deponowana na składowsku. Odpady balastowe mają mnejszą zawartość częśc organcznych, wynoszącą od 5 do 15%, wymeszaną z nnym składnkam. Zawartość substancj organcznych lub pochodzena organcznego, w odpadach komunalnych z terenu Warszawy wynos natomast 40-60%. Skład morfologczny odpadów, a szczególne zawartość odpadów pochodzena org., ma stotny wpływ na parametry wytrzymałoścowe odpadów, nezbędne do analzy statecznośc skarp składowska. Tablca 3. Skład morfologczny odpadów komunalnych odpadów balastowych Materał Zawartość składnków w odpadach [%] (frakcja) komunalnych (Łubna) balastowych (Radowo) Odpady roślnne 25-30 - Odpady zwerzęce 3-6 - Paper 21-24 7-10 Szkło 11-12 16-22 Plastyk 9-10 36-40 Tekstyla 4-5 20-24 Metale 4-5 3-6 Odpady mneralne (>10mm) 4-5 7-10 Odpady organczne (>10mm) 2-20 5-15 Frakcje drobne (0-10mm) 8-12 - 18
2.3. Parametry wytrzymałoścowe odpadów komunalnych Zależne od rodzaju odpadów stosuje sę różne metody oceny parametrów wytrzymałoścowych do analzy statecznośc, tj. kąta tarca wewnętrznego φ spójnośc c. Obecne ne ma jeszcze jednoznacznych metod badawczych nterpretacyjnych, dlatego badana odpadów dla potrzeb oceny parametrów wytrzymałoścowych były dotychczas rzadko wykonywane. Do wyznaczana parametrów mechancznych odpadów komunalnych wykorzystuje sę nowe technk badawcze stosowane w geotechnce, uwzględnając modyfkację wynkającą z dostosowana do specyfk odpadów, wykazujących jeszcze wększą nejednorodność nż grunty. Nelczne dane z praktyk nżynerskej [7, 13, 19, 21, 22, 23] wskazują, że na parametry wytrzymałoścowe odpadów komunalnych ma wpływ wele czynnków m.n. skład, wek właścwośc fzyczne poszczególnych składnków. Jessberger Kockel [7] zestawl wybrane z lteratury wynk badań parametrów wytrzymałoścowych odpadów nnych nż gruntopodobne (tabl. 4). Wększość zebranych wynków uzyskano z badań bezpośrednch lub własnych dośwadczeń autorów. Analzując zestawone w tabl. 4 parametry stwerdzć można, że odpady deponowane na składowsku mogą charakteryzować sę spójnoścą kątem tarca wewnętrznego w bardzo szerokm zakrese wartośc: c od 0 do 50 kpa, φ od 15 o do 40 o. Na parametry wytrzymałoścowe odpadów ma wpływ wele czynnków, w szczególnośc ch skład wytrzymałość poszczególnych składnków. Autorzy zwracają uwagę, aby przy prezentacj wynków badań podawać możlwe wyczerpujące dane o właścwoścach fzycznych odpadów ch klasyfkacj. Ważnym procesem dla oceny jakoścowej parametrów wytrzymałoścowych jest starzene sę odpadów. Wytrzymałość odpadów komunalnych jest zmenna w czase zależna od stopna ch rozkładu [7]. Zmenność kąta tarca wewnętrznego odpadów komunalnych, spowodowana ch rozkładem, przedstawa została na rys. 3. Tablca 4. Parametry wytrzymałoścowe gęstość objętoścowa odpadów [7] Parametry wytrzymałoścowe Kąt tarca wewnętrznego φ [ o ] 24 38 19 24 Spójność c [kn/m 2 ] 23 16 16 32 Gęstość ρ [Mg/m 3 ] - - - Uwag Badana w aparace bezpośrednm: - zmelone odpady komunalne (główne składnk: paper, plastyk) - stare odpady Z badań lteratury: - dla rozłożonych odpadów 25 35 0 (1 20) 0.7 1.1 Parametry odpadów komunalnych z lteratury badań 38 40 17 23 25 32 30 50 0 10 0 20 0.4 1.0 0.8 1.2 > 1.5 Z lteratury badań wytrzymał - śweże odpady komunalne - stare odpady komunalne (materał wykopowy) - grunt zaneczyszczony 19
Rys. 3. Zmana kąta tarca wewnętrznego odpadów komunalnych spowodowana ch rozkładem [24] Tablca 5. Parametry geotechnczne różnych rodzajów odpadów na podstawe danych z lteratury [10] Rodzaj odpadów ρ [Mg/m 3 ] φ [ o ] c [kpa] odpady przemelone - 24 23 stare odpady - 38 16 odpady rozłożone - 19 24 16 32 odpady komunalne 0,7 1,1 25 35 1 20 śweże odpady 0,4 1,0 38 40 30 50 stare odpady 0,8 1,2 17 23 0 10 zaneczyszczone grunty > 1,5 25 32 0 20 rozłożone szlamy ścekowe 1,1 15 25 0 szlamy ścekowe nawodnone 0,98 21 8 szlamy ścekowe odwodnone 0,98 35 0 odpady komunalne 0,94 15 25 65 stare odpady (40-letne) 0,92 1,35 33 30 odpady komun. przemeszane z przem. 1,36 1,58 32 20 śmec ulczne 1,70 34 0 żużel ze spalonych odpadów komunaln. 1,35 38 0 popoły ze spalonych odpadów: - ne odsączone - odsączone 0,78 0,78 7 40 80 0 spopelone odpady 0,72 1,27 - - wóry drewnane: - suche 0,23 - - - mokre 0,38 - - kompost 0,26 - - 20
Z rysunku 3 wynka, że wraz z rozkładem odpadów zmnejsza sę kąt tarca wewn. W wynku bodegradacj (rozkładu odpadów) analzowany parametr φ może zmnejszyć sę (po 20-30 latach składowana) z 40 do ok. 20 o. Zmana kąta tarca wewnętrznego może być zwązana ze stwerdzoną tendencją zwększena sę zawartośc drobnych cząstek w materale odpadowym podczas ch składowana. Z badań przeprowadzonych na polskch składowskach wynka natomast, że proces ten może meć nny charakter. Parametry wytrzymałoścowe odpadów komunalnych zalecane przez różnych autorów zestawono w tabl. 5 [10]. Przedstawone dane pokazują, że odpady mogą charakteryzować sę bardzo dużym rozrzutem parametrów wytrzymałoścowych. Znaczne zróżncowane wartośc parametrów prawdopodobne zależy równeż od stosowanych metod badawczych, które ne są ujednolcone dla odpadów. Wynka to z braku odpowednch metod aparatury dostosowanej do specyfk tych materałów. Zakres zmennośc parametrów wytrzymałoścowych dla odpadów komunalnych podal Jessberger Kockel [25] (rys. 4). Dane te uzyskano na podstawe własnych dośwadczeń Autorów wynków badań przedstawonych w lteraturze. Dla odpadów charakteryzujących sę kątem tarca wewnętrznego φ = 0 wartośc spójnośc c zawerają sę w przedzale 50 105 kpa, natomast dla odpadów, których c = 0 wartośc kąta tarca wewnętrznego wynoszą 25 o 35 o. Autorzy podkreślają znaczną wytrzymałość na ścnane ścślwość odpadów komunalnych. Na dużą wytrzymałość odpadów ma wpływ ne tylko typowy opór ścnana, lecz także efekt zbrojena całej masy odpadów poprzez slne powązane ch składnków. Rys. 4. Parametry wytrzymałoścowe starych odpadów komunalnych [25] Sanchez Alcturr nn [21] na podstawe badań własnych wykonanych na składowsku odpadów komunalnych w północnej Hszpan w Meruelo oraz wynków z lteratury opracowal nomogram umożlwający sprawdzene przyjmowanych, do prac projektowych, parametrów wytrzymałoścowych odpadów komunalnych. Nomogram ten zalecany jest przy projektowych oblczenach statecznośc składowsk (rys. 5). Wątplwość jednak budz odwrotna tendencja wartośc uzyskwanych z badań terenowych laboratoryjnych. Wstępne oblczena statecznośc można przeprowadzć przy założenu: kąt tarca wewnętrznego φ > 15 o spójnośc c = 0. Z dotychczasowych badań odpadów komunalnych ne uzyskano kąta tarca wewnętrznego mnejszego nż 15 o. 21
Rys. 5. Proponowane do oblczeń projektowych parametry wytrzymałoścowe odpadów komunalnych [21] Na podstawe badań dynamczną sondą cężką typu Borros stwerdzono, że opór stożka wzrasta przy zagłębenu sondy prawe lnowo na głębokośc 5 10 m osąga typowe wartośc N 20 = 10 uderzeń (rys. 6). Sondowana CPT przeprowadzone na składowskach odpadów: Meruelo [21] Radowo [23] (rys. 7) potwerdzają wynk badań podanych przez Jessbergera Kockela [7] śwadczących o zwększenu sę oporu stożka wraz ze wzrostem głębokośc sondowana w zakrese od 1 do 3 MPa. Manassero Pasqualn [22] stwerdzają, mmo braku zasad nterpretacj wynków, że badana sondą DP dynamczną lub CPT można wykorzystywać do oceny mechancznych parametrów odpadów komunalnych. Uzyskwane z badań CPT wartośc oporów sondowana dla zagęszczonych podczas składowana odpadów komunalnych zawerają sę w grancach 3 8 MPa. Często obserwuje sę wyraźne ch zwększene wraz z głębokoścą, co może wynkać zarówno ze zwększena wartośc naprężeń jak wzrostu parametrów wytrzymałoścowych odpadów starszych.. Opór stożka dla odpadów nezagęszczonych zmnejsza sę wraz z głębokoścą wynos q c = 0,5 2,0 MPa. Rysunek 8 przedstawa przykład klasyfkacj starych odpadów komunalnych na podstawe sondowań CPT wykonanych przez: Sngel [26], Wnkle [27], Jessberger Kockel [7], Sanchez Alcturr [21] Koda Paprock [28]. Inżynerske właścwośc odpadów komunalnych pownny być rozpatrywane oddzelne w dwóch kategorach: śweże odpady (nerozłożone lub o newelkm stopnu rozkładu), rozłożone odpady (mogą być traktowane jako grunty organczne). 22
0 N 20 0 15 30 45 60 75 90 1 2 3 4 głębokość [m] 5 6 7 8 9 10 11 12 Rys. 6. Wynk badań odpadów komunalnych składowska w Meruelo (Hszpana) sondą dynamczną typu Borros [21] Rys. 7. Przykładowe wynk badań sondą statyczną CPT dla oceny wytrzymałośc odpadów na składowsku Radowo [23] 23
Rys. 8. Przykład klasyfkacj odpadów komunalnych na podstawe badań CPT [9] Według Fanga [19], odpady są materałem nestablnym o nskej wytrzymałośc neregularnych zależnoścach naprężene-odkształcene, zarówno w przypadku odpadów śweżych jak rozłożonych. Odpady komunalne bez wzmocnena ne są w stane przeneść dużych obcążeń. Obcążena dynamczne mogą powodować groźnejsze skutk nż obcążena statyczne, poprzez nszczene energ powązań wytworzonych przez kwasy składnk odpadów. Odpady są materałem nejednorodnym, o zróżncowanych właścwoścach zmennych w czase, co należy uwzględnć w oblczenach projektowych. Z upływem lat wytrzymałość na ścnane odpadów znaczne sę zwększa. Należy podkreślć, że opna ta przecwna jest opn Jessbergera Kockela [25] na temat wypływu czasu na parametry odpadów komunalnych. Fakt ten śwadczy o tym, że ne ma pełnego rozpoznana rzeczywstych czynnków wpływających na wytrzymałość odpadów. 2.4. Badana dla oceny parametrów wytrzymałoścowych odpadów komunalnych Znajomość wartośc parametrów określających wytrzymałość odpadów na ścnane (kąt tarca wewnętrznego φ spójność c) oraz określających odkształcalność odpadów (moduł podatnośc Es), jest nezbędna przy projektowych oblczenach statecznośc osadań składowsk. Wyznaczyć je można na podstawe: badań laboratoryjnych, badań terenowych, pomarów bezpośrednch wykorzystana analzy wstecznej (back analyss), badań w wrówce (centrfuge). Wykonując nterpretując wynk badań należy pamętać, że wymenone właścwośc w dużym stopnu zależą od składu morfologcznego odpadów weku [7, 9, 10, 13, 21, 29]. Badana laboratoryjne Badana laboratoryjne odpadów można wykonywać w normalnowymarowych lub welkowymarowych: aparatach trójosowego ścnana, aparatach bezpośrednego ścnana, konsoldometrach, aparatach podobnych do edometrów, przy czym aparaty normalnowymarowe mogą być stosowane prawe wyłączne do odpadów gruntopodobnych. 24
Z uwag na dużą różnorodność odpadów bardzo trudne, a czasam nawet nemożlwe, jest pobrać wydobyć próbkę o nenaruszonej strukturze. Dlatego stosuje sę wszystke możlwe sposoby przygotowana reprezentatywnej próbk, m.n. pobrane jej ze składowska w stane naruszonym, rekonstrukcja z różnych odpadów lub modelowane próbk. Przy rekonstruowanu próbk należy pamętać, aby posadała ona średną wartość gęstośc objętoścowej pomerzonej na składowsku, a węc przed badanem mus być odpowedno zagęszczona (aparat Proctora). Z uwag na swoją nejednorodność duże wymary poszczególnych odpadów komunalnych, pobrane ze składowska próbk pownny być badane w aparatach welkowymarowych [7]. Skład próbk pownen odpowadać procentowej zawartośc poszczególnych składnków. Podczas badań sortowanych odpadów o cężarze objętoścowym 1,0 1,2 Mg/m 3, w welkowymarowym aparace trójosowego ścnana, zaobserwowano bardzo dużą ścślwość odpadów wyraźny wzrost ch wytrzymałośc wraz ze wzrostem odkształceń. Autorzy, zjawsko to tłumaczyl postępującym w czase odkształceń odpadów powązanem poszczególnych składnków występowanem naprężeń rozcągających w mase odpadów. W edometrze welkowymarowym [7], przedstawonym na rys. 9, mogą być wykonywane badana ścślwośc odpadów w warunkach jednoosowego odkształcena. Po wstępnym obcążenu konsoldującym próbkę, przykładane są kolejne stopne obcążena, które są przetrzymywane do momentu stablzacj osadana. W cągu perwszych 10 30 sek. obserwowano znaczne osadane próbk, nawet 20 30% całkowtego osadana dla danego stopna obcążena. Następne ma mejsce szybk spadek prędkośc przyrostu osadana, mmo stałego wzrostu obcążena. Rys. 9. Schemat edometru welkowymarowego do badana ścślwośc odpadów [7] Analzując laboratoryjne sposoby wyznaczana właścwośc mechancznych odpadów komunalnych przez różnych Autorów, obserwowany jest bardzo duży rozrzut uzyskanych parametrów. Wpływ na to ma m.n. nejednorodność próbek, problemy technczne nterpretacyjne. Dlatego zaleca sę, zwłaszcza przy wykorzystanu standardowej aparatury dośwadczalnej, aby wynk badań cech mechancznych odpadów traktować orentacyjne weryfkować je w oparcu o nne metody oceny. 25
Badana terenowe Do najczęścej stosowanych badań terenowych odpadów zalczamy: próbne obcążene zbocza, sondowana sondą dynamczną DPH sondą statyczną CPT (rys. 10) oraz próbne obcążene płytą. Sposób rodzaj badań towarzyszących sondowanu zależy od potrzeb możlwośc penetracj zdeponowanych odpadów. Wgłębne badana wykonuje sę najczęścej sondam wbjanym, wcskanym lub wkręcanym. Najtrudnejsze w tego typu badanach jest wprowadzene sondy w masę odpadów. Podczas penetracj sonda może natrafć na przeszkodę, której ne można pokonać, wówczas badane w tym proflu należy przerwać. Z uwag na obrotowy charakter pracy sondy, dobrą penetrację uzyskuje sę przy zastosowanu sondy WST, którą wykorzystuje sę często do sprawdzana stanu zagęszczena wbudowywanych odpadów. Natomast najwęcej danych do nterpretacj parametrów wytrzymałoścowych uzyskuje sę z sondowań statycznych CPT (rys. 7). Wykonane próbnego obcążena płytą ma na celu określene ścślwośc składowanych odpadów. Średnca typowej płyty wynos 1,13 m, a przecwwagę jej stanow zazwyczaj cężka maszyna budowlana, np. spycharka. Dzęk temu można otrzymać nacsk rzędu 200 kpa. Strefa oddzaływana płyty jest rzędu podwójnej średncy wynos ok. 2,0 m. Zwykle wystarcza to do przebadana warstw odpadów oddzelonych z przekładkam z gruntu. Do próbnego obcążena można wykorzystać tez płyty betonowe (rys. 11). Rys. 10. Przebeg sondowań sondą statyczną CPT na składowsku Radowo? Rys. 11. Schemat próbnego obcążena w celu określena wytrzymałośc odpadów [7] 26
Próbne obcążena płytam betonowym dla ceny nośnośc parametrów wytrzymałoścowych materałów odpadowych wykonano na dwóch odcnkach nasypu dośwadczalnego dla potrzeb opracowana projektu rekultywacj składowska Radowo (rys. 12a 12b). Obcążane odcnk różnły sę rodzajem wbudowanego materału: odcnek I - odpady balastowe wbudowane zagęszczone warstwam o grubośc ok. 1,0 m, odcnek II - odpady balastowe z przekładkam pasku (odpady 60 cm + pasek 30 cm). Wysokość nasypu próbnego zbudowanego, w powyższy sposób, wynosła ok. 4 m, Obcążene układano w odległośc ok. 0,5 m od jego krawędz skarpy, na powerzchn 3 m 3. W przypadku odcnka I (odpady balastowe) utratę statecznośc osągnęto po ułożenu 15 płyt, tj. przy obcążenu 20400 kg na powerzchnę 3 m 2. Granczny nacsk jednostkowy dla materału na odcnku I nasypu próbnego wynosł q I = 0,68 kg/cm 2. Na II odcnku nasypu (odpady balastowe z przekładkam pasku - rys. 13) utrata statecznośc nastąpła po użycu 19 płyt, tj. przy obcążenu 26800 kg na powerzchnę 3 m 2. Granczny nacsk jednostkowy dla materału na II odcnku nasypu równy był q II =0,89 kg/cm 2. Wprowadzone mędzy warstwy odpadów balastowych przekładk z pasku spowodowały wzrost nośnośc o 30 40%. Rys. 12a. Próbne obcążena płytą na składowsku Radowo Rys. 12b. Schemat próbnych obcążeń na nasype dośwadczalnym [23] Wskazane jest równeż wykonywane wkopów badawczych umożlwających wzualną ocenę stanu odpadów pobrane próbk do badań. Obserwacja ścan wykopu dostarcza stotnych nformacj o składowanych odpadach: składze, zagęszczenu, stane rozkładu 27
odpadów gęstośc. Ze względów techncznych wykop może sęgać do 5,0 m, ne można wykonać wykopu ponżej zwercadła wody bez stosowana umocneń odwodnena. Analza wsteczna Warygodną bazę danych do tzw. analzy wstecznej (back analyss), w celu określena właścwośc mechancznych odpadów, stanową pomary osadań przemeszczeń pozomych wykonywane bezpośredno na składowskach odpadów oraz obserwacje osuwsk pęknęć skarp. Zaletą tej metody jest duża powerzchna badań w porównanu z próbką laboratoryjną próbnym obcążenem. Pozwala ona, nawet przy jednostkowej ocene, na uzyskwane warygodnych wartośc parametrów mechancznych [12, 30] Istotą analzy wstecznej problemu statecznośc skarp jest odwrócene typowego podejśca oblczenowego. Znane są geometra budowl (skarpy), parametry wytrzymałoścowe z badań laboratoryjnych obcążena użytkowe, poszukujemy natomast wartośc współczynnka statecznośc względnego grancznego obcążena skarpy. Możlwa jest równeż analza wsteczna dla oceny parametrów wytrzymałoścowych przy założenu współczynnka statecznośc F, np.: F 1 przy wystąpenu osuwska na skarpe. Analza wsteczna jest uzasadnona możlwa do zastosowana, gdy posadamy dobrze udokumentowane pomary w pełnej skal. Pomary te mogą obejmować pojedyncze badana próbne przeprowadzone w zdefnowanych warunkach, np. próbne obcążena, osuwsko obserwowane w nnych częścach składowska lub na podobnych nnych obektach. Na podstawe analzy wstecznej można określć parametry wytrzymałoścowe: kąt tarca wewnętrznego φ spójność c. Określamy je bazując na wynkach próbnych obcążeń skarpy lub osuwsk, gdy znane są geometra skarpy, charakterystyka obcążene-odkształcene obejmująca stan granczny. Należy podkreślć, że podstawowym obcążenem branym pod uwagę w wększośc analz oblczenowych jest cężar materały zależny od gęstośc objętoścowej. Dla odpadów komunalnych cężar ten jest zróżncowany trudny do wyznaczena. Błędy przy określanu gęstośc objętoścowe odpadów mogą przekraczać nawet 20%, co może meć znaczący wpływ na wynk oblczeń. Do analzy wstecznej przyjmuje sę najczęścej wdrażaną do praktyk a zarazem najprostszą koncepcję, która ujmuje plastyczne znszczene gruntu, sprężystą wersję dealne plastycznego modelu Coulomba-Mohra. Stosowane bardzej zaawansowanych model stwarza jeszcze wększe problemy w ocene parametrów wytrzymałoścowych odpadów. Analzę wsteczną wykorzystano do oceny parametrów wytrzymałoścowych analzy statecznośc projektowanych zabezpeczeń skarp na składowskach Radowo Łubna. Dla określena parametrów wytrzymałoścowych starych odpadów (zalegających powyżej 15 lat) wykorzystano analzę wsteczną osuwska na wschodnej skarpe składowska Radowo z 1991 r. (rys. 13). Ustalone na podstawe archwalnych map nachylene skarpy w chwl zsuwu wynosło 1:1.15, przy wysokośc skarpy ok. 46 m. W celu określena przebegu powerzchn poślzgu wykorzystano przeprowadzone sondowane statyczne CPT, w którym na głębokośc około 9 m zaobserwowano wyraźne obnżene wartośc oporu na stożku q c (rys. 13). Gęstość objęt. odpadów wyznaczono z badań polowych, natomast parametry wytrzymałoścowe c φ, doberano metodą najmnejszych kwadratów, przy czym do oceny spójnośc wykorzystywano równeż wynk sondowań statycznych CPT. Zaobserwowana podczas sondowana CPT w przekroju A-A strefa osłabena nanesona na przekrój skarpy znajduje sę w mejscu przebegu cylndrycznej powerzchn poślzgu, która została wyznaczona dla najmnejszego współczynnka pewnośc F. W analze tej wyszukwano parametrów, przy których skarpa znajduje sę w stane równowag grancznej, czyl współczynnk statecznośc blsk jest jednośc F 1. Podobną analzę przeprowadzono dla nnych wytypowanych przekrojach skarp składowsk, co pozwolło na weryfkację parametrów wytrzymałoścowych. Łączne wytypowano 5 przekrojów skarp. 28
Na składowsku Radowo do analzy wstecznej wybrano trzy przekroje skarp (rys. 14): przekrój A-A na skarpe wschodnej (rejon w/w osuwska z 1991 r.), przekrój B-B na skarpe wschodnej (rejon pęknęć w górnej częśc skarpy), przekrój C-C na skarpe zachodnej (skarpa stablna o dużym nachylenu). Na składowsku Łubna do analzy wstecznej wybrano dwa przekroje skarp: przekrój II-II na skarpe zachodnej (rejon pęknęć na skarpe o dużym nachylenu), przekrój IV-IV na skarpe północnej (rejon osuwska z 1995 r.). Oblczena w ramach analzy wstecznej oblczeń projektowych prowadzono z wykorzystanem klasycznych metod szwedzkej Bshopa (program GEO-SLOPE) oraz metodą elementów skończonych (program Z-SOIL). Moduły odkształcena do oblczeń MES określono z analzy pomarów osadań przemeszczeń pozomych skarp. Schemat oblczena skarpy w przekroju A-A (Radowo) metodą Bshopa przedstawono na rys. 15, a z wykorzystanem metody elementów skończonych na rys. 16. Przykładowe wynk analzy wstecznej dla wybranych przekrojów składowska Radowo zestawono w tabl. 6, a dla składowska Łubna w tabl. 7. Rys. 13. Schemat osuwska na skarpe składowska Radowo, przekrój A-A [23] 29
Rys. 14. Składowsko Radowo przed wykonanem zabegów wzmacnających: przekroje do analzy wstecznej analzy statecznośc oraz lokalzacja mejsc sondowań statycznych [7] 30
135 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90 Descrpton: RADIOWO - Skarpa w schodna Comments: Przekrój I-I (back analy ss) Fle Name: Radow 1o-ba.slp Last Saved Date: 99-02-26 Last Saved Tme: 10:04:11 Analyss Method: Bshop Drecton of Slp Movement: Left to Rght Slp Surface Opton: Grd and Radus P.W.P. Opton: Pezometrc Lnes / Ru Tenson Crack Opton: (none) Sesmc Coeffcent: (none) 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 85 rzedne [m npw) 80 75 70 65 60 55 50 Descrpton: Odpady stare Sol Model: Mohr-Coulomb Unt Weght: 14 Coheson: 23 Ph: 25 0.982 80 75 70 65 60 55 50 45 45 40 40 35 35 30 30 25 25 20 15 10 5 Descrpton: Podloze Sol Model: Mohr-Coulomb Unt Weght: 19.5 Coheson: 40 Ph: 27 20 15 10 5 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 odleglosc Rys. 15. Wynk analzy wstecznej osuwska (przekrój A-A) na składowsku Radowo (metoda Bshopa program GEO-SLOPE) [12] 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. 200. 0 0. 100. 80. 60. 40. 20. 0. -20. 1 2.02e+000 2 4.04e+000 3 6.07e+000 4 8.09e+000 5 1.01e+001 6 1.21e+001 7 1.41e+001 8 1.61e+001 9 1.82e+001 Radowo - osuwsko - "back analyss" t-ref.=0. t = 0. Safety=1.03 DISPLACEMENT-ABS Z_SOIL v.4.23 PROJECT : rad-ba2d DATE : 1999-02-26 h. 11:39:17 10 2.02e+001 Rys. 16. Wynk analzy wstecznej osuwska (przekrój A-A) na składowsku Radowo z wykorzystanem MES (program Z-SOIL) [12] Parametry wytrzymałoścowe dla odpadów balastowych deponowanych na składowsku Radowo wyznaczono na podstawe analzy wstecznej próbnych obcążeń wykonanych na nasypach dośwadczalnych (rys. 12). Przyjęte, do oblczeń projektowych statecznośc skarp, parametry geotechnczne odpadów zestawono w tabl. 8. 31
Tablca 6. Przykład oblczeń współczynnka statecznośc F mn na podstawe analzy wstecznej skarp składowska Radowo przy założonych parametrach: φ=26 o, c=20 kpa (odpady stare) Przekrój oblczenowy A - A B - B C - C F mn Metoda oblczeń 0.989 Bshop 0.967 szwedzka 1.030 MES 1.029 Bshop 0.984 szwedzka 1.080 MES 1.142 Bshop 1.092 szwedzka 1.190 MES Uwag Osuwsko z 1991r. na skarpe wschodnej Pęknęca na skarpe wschodnej Skarpa stateczna zachodna Tablca 7. Przykład oblczeń współczynnka statecznośc F mn na podstawe analzy wstecznej skarp składowska Łubna przy założonych parametrach φ=21 o, c=15 kpa (odpady śweże) Przekrój oblczenowy IV - IV II - II F mn Metoda oblczeń 0.992 Bshop 0.975 szwedzka 1.020 MES 1.042 Bshop 0.990 szwedzka 1.110 MES Uwag Osuwsko z 1995r. na skarpe północnej Pęknęca na skarpe zachodnej Tablca 8. Parametry geotechnczne odpadów komunalnych przyjęte do analzy statecznośc składowsk Radowo Łubna [12] Kategora odpadów Obekt Naprężene σ [kpa] ρ [Mg/m 3 ] φ [ o ] c [kpa] Balastowe Radowo 35 0.9 20 25 Balastowe z paskem Stare odpady Śweże odpady Radowo 50 1.2 25 23 Radowo Łubna 65 1.4 26 20 Łubna 125 1.1 21 15 Metoda badań weryfkacj Analza wsteczna próbnego obcążena, CPT WST Analza wsteczna próbnego obcążena, CPT WST Analza wsteczna osuwska skarp stablnych, CPT WST Analza wsteczna osuwska, sondowana CPT WST 3. Metody oceny statecznośc skarp składowsk odpadów 3.1. Wprowadzene Stateczność budowl zemnych (skarp), zwana także ch trwałoścą, jest to zdolność do zachowana jej kształtu położena pommo dzałających sł, które dążą do zmany stnejącego stanu. Na zmany, powodujące zmnejszene statecznośc składowsk w czase, ma wpływ obnżene wytrzymałośc, dlatego utratę statecznośc można opsać funkcją zman 32
parametrów wytrzymałoścowych (ф, c). Jednak ze względu na to, że parametry wytrzymałoścowe ne są ścśle określone, za warunek statecznośc przyjęto aby sła, która utrzymuje w równowadze bryłę gruntu wzdłuż założonej ln poślzgu, była zawsze odpowedno wększa od sły która usłuje tę bryłę zsunąć [11, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]. Analza statecznośc skarpy (zbocza) obejmuje oblczene mn. współczynnka pewnośc F mn. Wyznaczony współczynnk F mn pownen być z kole wększy nż współczynnk dopuszczalny F dop. : F mn. > F dop. (1) Określając wartość współczynnka dopuszczalnego należy wząć pod uwagę rodzaj budowl, dokładność przeprowadzonych badań geotechncznych, zastosowaną do oblczeń metodę oraz przyjęte założena oblczenowe. Wartość F dop. szacuje sę w grancach od 1.1 do 2.0, dla składowsk odpadów należy przyjmować 1.2 lub 1.3, w zależnośc od ważnośc obektu zagrożeń dla terenów przyległych. Oblczene statecznośc jest porównanem sł, które dzałają zsuwająco na skarpę podłoże z słam utrzymującym, które dążą do zachowana skarpy podłoża w stane równowag. Skarpę możemy uznać za stateczną, gdy sły utrzymujące T, wynkające z wytrzymałośc gruntu na ścnane (tarce, spójność, elementy wzmocnena) są wększe od sł zsuwających S, które są funkcją obcążeń dzałających na skarpę (cężar własny gruntu, obcążene fltrującą wodą, obcążene nazomu). Stosunek tych sł określa współczynnk statecznośc (pewnośc) F: F = T / S (2) Do oblczeń statecznośc przyjmuje sę pewne założena, które wpływają na wynk oblczeń. Głównym założenem przy oblczenach jest przyjmowane potencjalnych powerzchn zsuwu. Dla gruntów spostych najczęścej przyjmuje sę powerzchnę kołowowalcową, natomast dla gruntów nespostych przyjmuje sę zazwyczaj powerzchnę płaską, równoległą do płaszczyzny zbocza. W przypadku odpadów powerzchna taka pownna meć kształt kołowy lub neregularny. Do analzy statecznośc skarp składowsk najczęścej wykorzystuje sę klasyczne metody stosowane w geotechnce. 3.2. Klasyczne metody analzy statecznośc skarp stosowane w geotechnce Skarpy można zalczyć do najtrudnejszych do zbadana elementów budowl zemnych. Najczęścej stosowane w praktyce są metody analzy statecznośc przyjmujące kryterum równowag grancznej (metody: szwedzka, Bshopa, Janbu, Morgensterna Prce`a) są metodam paskowym. Osuwającą bryłę dzel sę na ponowe pask, które rozpatruje sę oddzelne pod względem statycznym, natomast wypadkowa ch dzałana wyznacza wynk końcowy. Jako sły powodujące zsuw przyjmuje sę: cężar własny gruntu, obcążene nazomu bloku, cśnene spływowe wody tp. Do sł utrzymujących zalczyć można: sły tarca opór spójnośc oraz sły oporu wzmocneń. Oblczena statecznośc skarp opera sę najczęścej na następujących założenach: kryterum wytrzymałoścowe Coulomba Mohra τ = τ f = σ tgφ + c płask stan naprężena odkształcena, nezależność parametrów φ c od czasu, jednakowe przemeszczena wzdłuż całej powerzchn poślzgu. Ze względu na sposób uwzględnana wytrzymałośc na ścnane wzdłuż potencjalnej powerzchn poślzgu, jak równeż sposób oblczana współczynnka statecznośc, oblczena mogą być przeprowadzane w odnesenu do naprężeń całkowtych lub efektywnych (rys. 17). 33
Analza statecznośc w naprężenach efektywnych opera sę na właścwym doborze wytrzymałośc na ścnane w warunkach bez odpływu, uwzględnając zmany stanu naprężena efektywnego. Zróżncowane geometr właścwośc podłoża, zmenność stanu hstor naprężeń powoduje nejednorodny wzrost wytrzymałośc na ścnane w poszczególnych strefach podłoża. Warunk odpływu modelowane są za pomocą cśnena wody w porach. Realzacja obcążena zgodne z założoną śceżką połączoną z prognozą nadwyżk cśnena wody w porach umożlwa właścwe modelowane śceżk naprężena efektywnego prowadzene analzy statecznośc w warunkach częścowego odpływu. Rys. 17. Porównane analzy statecznośc w naprężenach całkowtych efektywnych: 1-analza w naprężenach całkowtych w warunkach bez odpływu, 2-analza w naprężenach efektywnych w warunkach z odpływem, 3-analza w warunkach częścowego odpływu [39] Metoda szwedzka (Fellenusa) Metoda szwedzka polega na zrównoważenu momentów sł względem środka kołowowalcowej (cylndrycznej) powerzchn poślzgu z uwzględnanu współczynnka bezpeczeństwa. Sła normalna na powerzchn poślzgu, pod danym paskem, zależy wyłączne od obcążeń nazomu cężaru gruntu. Pomjane są oddzaływana sąsednch pasków. Przyjmuje sę także, że wytrzymałość gruntu na ścnane wzdłuż powerzchn poślzgu zależy od naprężeń normalnych na tej powerzchn, będących następstwem dzałana cężaru własnego paska. Zakłada sę, że dla danej skarpy stneje tylko jedna najbardzej nebezpeczna powerzchna poślzgu, którą określa najmnejsza wartość współczynnka pewnośc. Współczynnk pewnośc F to stosunek momentu sł utrzymujących do momentu sł zsuwających względem środka obrotu powerzchn poślzgu. Schemat oblczenowy w metodze szwedzkej przedstawono na rys. 18. Mając dane dotyczące cech fzycznych mechancznych gruntu (ρ, φ, c) współczynnk pewnośc (bezpeczeństwa) w naprężenach efektywnych wyznacza sę korzystając ze wzoru: F = n = n ' ( W cosα u l ) tgϕ + = 1 = 1 = = n = 1 W snα c l gdze: W cężar własny bloku (paska gruntu), α kąt nachylena do pozomu stycznych do krzywej poślzgu w środku bloku, φ efektywny kąt tarca wewnętrznego, c efektywna spójność gruntu, l długość podstawy paska, u efektywne cśnene wody w porach. ' (3) 34
Metoda szwedzka jest traktowana jako bezpeczna, z uwag na neuwzględnane nektórych sł dzałających po strone sł utrzymujących. Z uwag na specyfkę nejednorodność odpadów komunalnych deponowanych na składowskach odpadów, metoda ta może być stosowana jedyne do orentacyjnej prognozy statecznośc skarp tych obektów. Rys. 18. Schemat oblczenowy w metodze szwedzkej Metoda Bshopa W metodze Bshopa [31] postępujemy analogczne jak w metodze szwedzkej, różnca polega na sposobe określena reakcj w podstawe poszczególnych pasków. W metodze szwedzkej reakcje wyznacza sę jedyne na podstawe cężaru paska, natomast w metodze Bshopa należy dodatkowo uwzględnć wzajemne, boczne oddzaływane pasków. W uproszczonym warancje metody Bshopa uwzględna sę jedyne pozomą składową E sł wzajemnego oddzaływana medzy paskam, a składowa ponowa zostaje pomnęta. Przyjmuje sę, że sły dzałające na boczną ścanę wydzelonych bloków są pozome, zatem ch rzuty na kerunek ponowy są równe zero. Układ sł przyjęty w tej metodze, dzałający na pojedynczy pasek, pokazano na rys. 19. Rys. 19. Układ sł dzałających na pasek w metodze Bshopa [31] 35
Po uwzględnenu momentów sł utrzymujących obracających współczynnk bezpeczeństwa w naprężenach efektywnych wyznaczamy ze wzoru: F = = n = 1 [( W u b ) tgϕ + c b ]/ m = n = 1 W ' snα gdze: W cężar własny bloku (paska), u efektywne cśnene wody w porach, b szerokość paska, c efektywna spójność gruntu, α kąt nachylena podstawy bloku (paska) do pozomu, φ efektywny kąt tarca wewn., m α współcz. wpływu, oblczamy ze wzoru: 1 1 cosα = M( α ) ' tgα 1 + tgφ F Oblczena metodą Bshopa wykonuje sę drogą kolejnych przyblżeń. Założena przyjmowane w metodze Bshopa sprawają, że jest ona stosunkowo łatwa w zastosowanu oddaje właścwe mechanzm wzajemnego oddzaływana odpadów komunalnych. Wynk oblczeń tą metodą w ramach analzy wstecznej wskazują na przydatność do oceny statecznośc skarp składowsk odpadów komunalnych. Metoda Janbu W metodze tej przyjmuje sę, że poślzg nastąp wzdłuż powerzchn o dowolnym kształce. Sprawdzane statecznośc tą metodą polega na porównanu sumy sł oporu na ścnane sł powodujących zsuw, oblczonych dla każdego elementu potencjalnej bryły zsuwu. Podstawowe założena w metodze Janbu umożlwające uzyskane rozwązana to: uwzględnene obu składowych sł wzajemnego oddzaływana bryły (pasków), przyjęce położena ln cśneń, wyznaczającej punkty oddzaływana tych składowych na grancy medzy paskam. Położene ln cśneń określa ponowa odległość od podstawy paska do tej ln, tj. po lewej strone paska t po prawej t +1 oraz kąt t nachylena tej ln do pozomu. Uogólnony układ sł, dzałających na pojedynczy pasek, przedstawono na rys. 20. Wartość współczynnka statecznośc F w metodze Janbu, określona z warunku równowag sum rzutów sł na kerunek pozomy. Współczynnk F oblcza sę z zależnośc: F = n [( N u = 1 = = n ' l ) tgϕ + c = 1 N snα ' ' α l ] cosα gdze: N sła normalna, c efektywna spójność gruntu, α kąt nachylena podstawy bloku (paska) do pozomu, φ efektywny kąt tarca wewnętrznego, u efektywne cśnene wody w porach, l długość podstawy paska. (4) (5) (6) 36
Przy początkowych oblczenach sły normalnej N przyjmuje sę zerowe wartośc składowych ponowych sł wzajemnego oddzaływana pasków T +1, T. W kolejnych oblczenach wartośc składowych ponowych w kolejnych paskach wyznacza sę z równana: T +1 = E +1 tg (E +1 E ) t +1 /b (7) Składowe pozome E sł wzajemnego oddzaływana mędzy paskam oblcza sę z równana: (E +1 E ) = N cosα S m snα (8) Analzę statecznośc przeprowadza sę podobne jak w metodze Bshopa drogą teracyjną. Rys. 20. Sły dzałające na pojedynczy pasek w metodze Janbu [40] Metoda Morgensterna Prce`a W metodze Morgensterna Prce`a [41] rozpatruje sę równowagę paska o neskończene małej szerokośc, wycętego z całej bryły poślzgu, w postac różnczk dx. Poślzg następuje wzdłuż dowolnej powerzchn poślzgu. Dodatkowe założene, które umożlwa uzyskane rozwązana, to przyjęce nachylena wypadkowej sł wzajemnego oddzaływana pasków. Zależność opsująca nachylene wypadkowej do pozomu przyjmuje postać T E = λ f (x) (9) f gdze: T, E ponowa pozoma składowa sł wzajemnego oddzaływana pasków, λ f stała, f(x) funkcja opsująca przebeg stosunku T/E wzdłuż powerzchn poślzgu. Oblczene współczynnka pewnośc za pomocą metody Morgensterna Prce`a jest skomplkowane praktyczne nemożlwe do posługwana sę ną bez użyca komputera. 3.3. Analza statecznośc z wykorzystanem metod numerycznych Metoda elementów skończonych jest w chwl obecnej jedną z najszerzej stosowanych metod rozwązywana różnych problemów nżynerskch. Zaletą tej metody jest łatwość schematyzacj różnych obszarów o skomplkowanej geometr, jak równeż nejednorodnych 37
anzotropowych. Bshop [31] wykazał, a późnejsze badana dośwadczalne oblczena numeryczne prowadzone przez nnych naukowców [42] potwerdzły, że stan naprężeń oblczony metodam równowag grancznej ne jest zgodny z rzeczywstym warunkam panującym wzdłuż potencjalnej powerzchn zsuwu. W 1969 r. opracowano program, który pozwalał na nezależne określene rozkładu naprężeń normalnych stycznych wzdłuż przyjętej powerzchn poślzgu [43]. Naprężena te wykorzystane zostały w oblczenach współczynnka statecznośc metodą równowag grancznej. Rozwązane to nazwano udoskonaloną metodą równowag grancznej. W 1972 r. wykorzystano MES, w analze statecznośc jako udoskonaloną metodę grancznego stanu naprężeń [44]. Do oblczena współczynnka statecznośc w tej metodze użyto maksymalną różncę naprężeń głównych panujących w grunce w momence ścęca. Uzyskane z analzy opartej na nelnowej zależnośc naprężene-odkształcene współczynnk statecznośc, przyjmowały wyższe wartośc nż te oblczone konwencjonalnym metodam (Bshopa), różnca może dochodzć nawet do 30%. W 1999 r. Fredlund Scoular [45] zaproponowal podzał metody analzy statecznośc wykorzystującej metodę elementów skończonych na udoskonalone metody równowag grancznej metody bezpośredne (rys. 21). Wykorzystane MES do analzy statecznośc jako udoskonaloną metodę grancznego stanu naprężena, przy zdefnowanu współcz. statecznośc, w oparcu o różncę naprężeń w grunce w momence ścęca. W 1985 r. Adkar Cummns [46] przeprowadzl oblczena metodą elementów skończonych, łącząc metodę wytrzym. stan naprężeń zdefnowane przez Kulhaw`ego [43] Zenkewcza n. [47]. Metoda Elementów Skończonych w Analze Statecznośc Metody bezpośredne (tylko MES) Zwększene obcążena do znszczena Zmnejszene wytrzymałośc do znszczena Udoskonalona metoda równowag grancznej (MES wraz z metodą granczną) Wytrzymałość F K (Kulhawy 1969) Pozom naprężena F Z (Zenkewcz 1975) Pozom wytrzymałośc naprężena F A (Adkar Cummns 1985) ( c`+ ` tgφ ) Δl F K = τ Δl σ 1 F Z = ( Δl) ( σ ` σ 3`) [ ( σ ` σ ` ) 1 3 Δ ] 1 l f F A = (( c`+ σ `tgφ`) Δl ( σ ` σ `) [ 1 3 ( c`+ σ `tgφ`) Δ ] ( σ ` σ ` ) l Rys. 21. Wykorzystane MES w wyznaczanu współczynnka statecznośc [45] 1 3 f 38
Według Farasa Taylora [48] w metodze bezpośrednej ne jest łatwe uzyskane dokładnej wartośc współczynnka statecznośc z tradycyjnej metody równowag grancznej. Należy zwrócć uwagę na: koneczność zastosowana drobnej satk elementów, użyce odpowednego modułu oblcz., umożlwającego uzyskane warygodnych wynków przy zastosowanu modelu Columba-Mohra w stane blskm znszczenu, koneczność przeprowadzena klku ser oblczeń ze zredukowanym wartoścam parametrów c tgφ, dla uzyskana współczynnka statecznośc przy znszczenu. Metoda elementów skończonych ma równeż zastosowane w oblczenach statecznośc przy założenu modelu Columba Mohra. Wyznaczony metodą elementów skończonych rozkład naprężena w skarpe zemnej w jej podłożu może być wykorzystany w oblczenach statecznośc. Oblczone wartośc naprężeń głównych kerunk ch dzałana pozwalają na wyznaczene płaszczyzny, w których ze względu na warunk wytrzymałośc na ścnane stan naprężeń jest najmnej korzystny. Jest to płaszczyzna, dla której stosunek η = τ f / τ osąga wartość mnmalną. Mnmalny stosunek η mn można nazwać lokalnym, dla danego elementu, współczynnkem statecznośc. Występuje on w płaszczyźne nachylonej pod kątem β do płaszczyzny dzałana wększego naprężena głównego, przy czym kąt β spełna równane: cos 2β = σ σ σ + σ + 2c ctgϕ 1 Powerzchna najbardzej narażona na ścęce pownna spełnać następujące warunk: pownna przechodzć przez elementy, dla których wartośc lokalnych współczynnków statecznośc są najmnejsze, w obrębe danego elementu kerunek powerzchn poślzgu określa kąt β. Powerzchne poślzgu przebegają przez obszary o mnmalnych wartoścach lokalnych współczynnków statecznośc. Zaczynając od dowolne wybranego punktu, kreśl sę odcnk proste pod odpowednm katem β oblczonym dla poszczególnych elementów. Krytyczna powerzchna ścnana stanow lnę łamaną, gdyż na grancy każdego elementu następuje zmana kerunku zwązana ze zmaną kąta β Ogólną wartość współcz. statecznośc określa stosunek rzutów pozomych sł grancznych do sumy rzutów poz. sł ścnających. 3.4. Podsumowane Najczęścej stosowane metody oceny statecznośc to metody oparte na analze równowag grancznej. Wymagają one jednak przyjęca szeregu założeń dotyczących: przebegu powerzchn poścgu, podzału bryły osuwska na pask, określena kerunku dzałana sł mędzypaskowych ch wartośc. Ponadto, w metodach tych brak jest możlwośc uwzględnena zman właścwośc położena w zależnośc od obcążena zwązaną z tym zmaną stanu naprężena odkształcena. Zalety oblczeń statecznośc opartych na metodze elementów skończonych to główne [49]: ne jest wymagane przyjęce przebegu kształtu powerzchn poślzgu, poneważ znszczene następuje w sposób naturalny w strefe, gdze naprężena styczne przekraczają wytrzymałość gruntu na ścnane, ne jest wymagany podzał bryły na pask stąd ne ma konecznośc wprowadzena założeń dotyczących sł mędzypaskowych, uwzględna sę odkształcena gruntu, w przecweństwe do metod równowag grancznej, proces znszczena montorowany jest w sposób cągły. 3 3 1 (10) 39