Piotr Jermołowicz, Inżynieria Środowiska Szczecin Praktyczne aspekty w określaniu stateczności skarp wykopów i nasypów pod obciążeniem statycznym i dynamicznym. 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 lub cyklicznym. Wstęp 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,! zdarzenia kolizyjne nazywa się również parasejsmicznym. Ogólnie z czynników wpływających na stateczność zboczy należy wymienić:! 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. 1
Rys. 1. Schemat wpływów dynamicznych w ośrodkach gruntowych 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. 1. Stateczność a drgania. 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. 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:! dynamiczne (o wysokiej częstotliwości),! cykliczne ( o małej częstotliwości 1 2 Hz)! cykliczne ( o niskiej powtarzalności liczonej od mili sekund do kilku sekund) 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 2
nawet bardzo poważnych błędów. Założenie to nabiera szczególnego znaczenia przy obliczaniu stateczności istniejących zboczy, gdy przyjęcie powierzchni poślizgu należy 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. 2. Kształty powierzchni poślizgu. Powierzchnia poślizgu może przechodzić przez podnóże skarpy lub przebiegać powyżej albo poniżej niego. Szczególnie uciążliwy, dla skarp i obiektów, 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. 2. Wpływ drgań i obciążeń cyklicznych. Konieczność zbadania wpływu cyklicznych obciążeń na zachowanie się ośrodka gruntowego została spowodowana obserwowanymi w przeszłości licznymi katastrofami budowli w wyniku trzęsień ziemi. Zjawisko zniszczenia gruntu zachodzi poprzez tzw. upłynnienie. Jest to typowe zjawisko tiksotropii czyli przechodzenia gruntów o dużej zawartości drobnych cząstek w płynną zawiesinę. Bardzo niepożądane szczególnie przy zagęszczaniu warstw gruntowych lub poddanych wstrząsom lub cyklicznym oddziaływaniom ruchu, czy też wibracjom. Mowa tu nie tylko o dużej zawartości frakcji ilastych lecz również frakcji pylastej. Wadą tego typu wtrąceń jest mała odporność na uplastycznienie gruntu lub nawet upłynnienie w warunkach oddziaływania obciążeń dynamicznych. Przeprowadzone 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 4150-3 lub polską PN-B-02170:1985. Natomiast o skarpach nie wspomina się nic. 3
W ujęciu fizycznym falami są rozprzestrzeniające się w ośrodku materialnym lub polu, zaburzenia pewnej wielkości fizycznej charakteryzującej stan tego ośrodka (lub pola). 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. 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. Dodatkowa siła pozioma, działająca na masyw osuwiska, jest zaczepiona w jego środku ciężkości, jak to pokazano na rysunku 3. 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 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. Zgodnie z raportem Międzynarodowego Stowarzyszenia Wielkich Zapór, wartości współczynnika sejsmicznego, przyjmowane w obliczeniach stateczności konstrukcji ziemnych w różnych krajach, zmieniają się w granicach k = 0,l 0,2. 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 i upłynnienie. 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. 4
Tab.1. Częstotliwości drgań własnych rezonansowe dla typowych gruntów.[1] 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 4 15 28 19 26 23 30 32-15 28 5 15 7 20 - - 5 10 5 18 7 22 40-90 Znajomość częstotliwości własnych pozwala w praktyce inżynierskiej uniknąć nadmiernych drgań lub dynamicznych osiadań (poprzez eliminowanie drgań rezonansowych ). Zależy ona również od np. masy urządzenia wywołującego drgania i jego mechanicznych właściwości, rozkładu obciążeń przenoszonych z urządzenia na podłoże, kontaktu jego z podłożem oraz od gęstości i sztywności podłoża Rys. 3. Układ sił w zboczu w warunkach drgań sejsmicznych 5
Rys.4. Przykładowe sejsmogramy składowych poziomych drgań gruntu wzbudzanych ruchem a) autobusu, b) równoległą jazdą dwóch testowych ciężarówek z prędkością 80 km/h. [2] Prędkości rozchodzenia się fal podłużnych i poprzecznych w różnych rodzajach gruntu zestawiono w tablicy 2 [1]. Tab. 2. Prędkość rozchodzenia się fal w różnych rodzajach gruntu. Prędkość rozchodzenia się fal [m/s] Rodzaj gruntu V L V T wilgotna glina less naturalnej wilgotności ścisły, żwirowo-piaskowy grunt piasek drobnoziarnisty piasek średnioziarnisty żwir średniej grubości 1500 800 480 300 550 760 150 260 250 110 160 180 Ogólnie, fale powierzchniowe rozchodzą się również i w głąb ośrodka, ale na niewielką głębokość. Z reguły jest to długość jednej fali. 6
Tab.3. Zmienność częstości drgań od długości i prędkości rozchodzenia się fal. [1] Częstotliwość drgań źródła Długość fali [ m] przy prędkości rozchodzenia się fali [m/s] [ 1/min] 50 75 100 150 200 300 500 20 60 100 200 300 500 800 1000 1200 1500 3000 150 50 30 15 10 6 3,7 3 2,5 2 1 225 75 45 22,5 15 9 5,6 4,5 3,7 3 1,5 300 100 60 30 20 12 7,5 6 5 4 2 450 150 90 45 30 18 11,2 9 7,5 6 3 600 200 120 60 40 24 15 12 10 8 4 900 300 180 90 60 36 22,5 18 15 12 6 1500 500 300 150 100 60 37,5 30 25 20 10 Z tablicy 3 wynika, że przy działaniu maszyn wolnoobrotowych długości fal są duże i dochodzą do kilkuset metrów. Maszyny szybkoobrotowe i wibracyjne emitują drgania o długościach dużo mniejszych ( od kilku do kilkunastu metrów). Absorbcja drgań zależy przede wszystkim od rodzaju gruntów i powierzchni wywołującej drgania. Tab.4. Współczynniki absorbcji drgań dla różnych gruntów [1] 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. 7
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. 1500 m/s. 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. 3. Sposoby zabezpieczania skarp. 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. Ważną czynnością dla uniknięcia niepożądanych efektów jest dokładne zbadanie 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. Zmniejszenie drgań od działania ruchu o niskich częstotliwościach można uzyskać poprzez zwiększenie sztywności podłoża wykorzystując, np. poduszki geotkaninowe o wytrzymałościach na rozciągnie w granicach 80 120 kn/m i grubości poduszki ok. 0,5 m. Stabilizacja 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, 8
! poziome uderzenia obrzeży kół o szyny (rzucanie na boki) i! poziome siły powierzchniowe przy hamowaniu pojazdów, 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. Rys.5. Schemat przegrody przeciwdrganiowej w postaci szczeliny. 4. Praktyczne aspekty stateczności skarp. 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 skonsolidowane dążą do zmniejszenia objętości. W przypadku statycznego ścinania w warunkach bez odpływu (przy stałej objętości) tendencje te wywołują powstanie odpowiednio negatywnego bądź pozytywnego przyrostu ciśnienia wody w porach. W warunkach bez odpływu, wzrostowi ciśnienia porowego towarzyszy spadek naprężeń efektywnych. Grunty luźne i normalnie skonsolidowane wykazują znaczny i nieodwracalny spadek wytrzymałości, któremu towarzyszą nieograniczone odkształcenia. Z tego powodu zjawisko to nazywa się całkowitym upłynnieniem. Grunty zagęszczone lub prekonsolidowane 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. Szybkość zmian ciśnienia wody w porach zależy głównie od stanu gruntu, tzn. od stopnia zagęszczenia lub stopnia prekonsolidacji oraz od poziomu przyłożonych naprężeń cyklicznych. 9
Dlatego tak ważne jest dokładne rozpoznanie podłoża, ustalenie nawiercanych i ustabilizowanych poziomów zw. w. gr., badanie zagęszczenia i rzetelne odbiory tych robót, odwodnienie i drenaże wgłębne. W warunkach naturalnych prawie zawsze mamy do czynienia z odpływem wody, przy czym odpływ ten jest limitowany przez: budowę podłoża gruntowego, współczynnik wodoprzepuszczalności, długość drogi drenowania oraz częstotliwość przyłożonego obciążenia. Odpływ ten powoduje częściową redukcję zakumulowanego ciśnienia wody w porach. Wpływ ten może zmieniać wytrzymałość o około 30%. Obciążenie dynamiczne w pseudostatycznej analizie stateczności skarp budowli ziemnych można uwzględnić poprzez przyjęcie dodatkowego stałego obciążenia, które jest proporcjonalne do masy potencjalnie niestatecznej bryły klina odłamu. Skarpy wykopów i nasypów, powinny być poddane szerokiej analizie wstępnej, dobremu rozpoznaniu podłoża w ich rejonie, prawidłowemu zaprojektowaniu jak i niezbędnemu nadzorowi przy wykonawstwie. Ochrona skarp głębokich wykopów i wysokich nasypów powinna zabezpieczać je przed niszczeniem, utratą stateczności oraz przed utratą narzuconego projektem profilu z uwzględnieniem wpływu oddziaływań dynamicznych (cyklicznych). Jedną z najbardziej efektywnych i zarazem najprostrzych metod ochrony skarp jest ich drenaż, stosowany gdy w obrębie skarpy znajduje się poziom wypływu wody podziemnej trwały lub okresowy. Projektując skarpy przy ustalaniu warunków projektowania i doborze oddziaływań, należy brać pod uwagę możliwość wystąpienia ekstremalnych czynników meteorologicznych: deszczy nawalnych, maksymalnych poziomów wód gruntowych i powierzchniowych, różnic temperatur, zjawisk sztormowych itp. Prawidłowa interwencja w przypadku naruszenia stateczności zbocza powinna eliminować przyczyny, które wywołują zagrożenie. Podobnie w sytuacji projektowania należy rozpatrzyć wszystkie sytuacje i oddziaływania ekstremalne oraz ich nakładanie się, które mogą zaistnieć w czasie eksploatacji obiektu oraz zwrócić uwagę na fakt, czy projekt dotyczy wykonywania wykopów, czy nasypów. Należy jeszcze raz podkreślić, że najszybsze i najgroźniejsze zmiany zawsze wywołuje woda, ona też jest przyczyną większości zagrożeń osuwiskowych. Dlatego pierwszoplanowe w działaniu, w celu poprawienia stateczności rozpatrywanego przypadku jest uporządkowanie stosunków wodnych i eliminacja możliwości zawodnienia skarpy. Przy zabezpieczeniach obiektów należy przewidywać także długotrwałe zmiany związane ze zmianą warunków wodnych, a więc uwzględniać dane klimatyczne dotyczące wieloletnich średnich opadów, ekstremalne wahania wód gruntowych itp. Wyboru zabezpieczenia należy dokonać, uwzględniając podane warunki geologiczne, warunki wodne oraz grupy aktywności, a także wysokość zbocza i możliwość dopływu wód z otoczenia (powierzchnia zlewni). Problem szkodliwego wpływu wody na stateczność ziemnych budowli komunikacyjnych jest równoważny z problemami dynamicznej równowagi skarp tychże budowli. Tak jak to podkreślono wcześniej, jeżeli siły obciążające masę gruntu zmieniają się szybko powodując, że siły bezwładności osiągają znaczne wartości w porównaniu ze statycznymi, to należy stosować specjalne obliczenia do oceny odkształceń gruntu, 10
Tego rodzaju zagadnienia nabierają znaczenia szczególnie przy robotach palowych, fundamentowaniu maszyn rotacyjnych, zagęszczaniu wibracyjnym oraz co jest spektakularne przy rozpatrywaniu stateczność zboczy i skarp obciążonych dynamicznie. Siły bezwładności stają się istotne w zależności od częstotliwości i rodzaju obiektu jakiego dotyczą. Dla płaskich zagadnień drogowych siły te stają się istotne, gdy częstość obciążeń przekroczy wartość 25 Hz, ale w przypadku dużej zapory lub wysokiego nasypu mogą stanowić zagrożenie już przy częstotliwościach rzędu 0,5 Hz. Badając zagadnienia drgań drogowych często szuka się odpowiedzi przez pomiary in situ, które są podstawą stawianej diagnozy. Teoretyczne rozważania są nieskuteczne i niewystarczające. Diagnozy często oparte są na kryteriach uszkodzeń. W literaturze technicznej i w normach wielu krajów podawane są różne kryteria oceny szkodliwości drgań. Na ogół nie wyodrębnia się dopuszczalnego poziomu drgań wywołanych ruchem drogowym. Jednym z nielicznych wyjątków jest norma szwajcarska. Polska norma PN-85/B-02170 dotyczy szkodliwości drgań drogowych dla obiektów. Poziom drgań wzbudzanych ruchem pojazdów po równej nawierzchni jest zazwyczaj mały, przez co można uznawać je za nieszkodliwe. Naprężenia w budynkach spowodowane drganiami drogowymi są bardzo małe, jednakże biorąc pod uwagę częstotliwość tych drgań i natężenie ruchu na drogach przelotowych lub centrach miast, należy brać pod uwagę zjawiska zmęczeniowe materiałów konstrukcyjnych. Jeśli przyjąć, że jeden pojazd wzbudza 30 drgań, to budynek w pobliżu drogi obciążonej ruchem 2000 pojazdów na dobę będzie poddany obciążeniu ok. 2,2 10 7 cykli w ciągu roku. Zbocze lub wysoka skarpa poddane oddziaływaniom cyklicznym może wykazać się chwilowym brakiem stateczności. A to przy uwzględnieniu zmiennego zagęszczenia warstw w nasypie, zastosowania i wbudowania nieodpowiednich gruntów oraz przy braku sprawnie działających drenaży będzie prowadzić do zjawiska uplastyczniania gruntów, tiksotropii określonych warstw i w konsekwencji niekontrolowanych zsuwów, osuwisk i osiadania. Dlatego tak ważnym jest wykonywanie prawidłowego rozpoznania podłoża, korzystanie w obliczeniach stateczności z parametrów efektywnych ( Ø, c, Ϭ ) oraz w metodach, Bishopa, Morgensterna lub Price a ze współczynników sejsmicznych. 5. Podsumowanie Jak wykazano w wielu badaniach z udziałem geosyntetyków wbudowanych w skarpy w postaci poziomo ułożonych poduszek geotkaninowych lub warstw geokomórek, wzrost przyspieszenia u podstawy skarpy był niewielki i nieistotny. Nie jest to niczym niezwykłym, w przypadku elastycznych systemów oporowych, które odkształcając się podczas wstrząsów, rozpraszają energię i amortyzują drgania. Zarówno poduszki geotkaninowe pod konstrukcją drogową (jezdni lub torowiska) będąc płytą półsztywną jak i geokomórki o odpowiedniej wytrzymałości i sztywności wbudowane w odpowiednich odstępach poziomych w skarpę i na odpowiednią głębokość umożliwiają stateczność konstrukcji redukując przemieszczenia poziome i pionowe. Analizując różne badania, klin odłamu w tych rejonach o zmobilizowanych wytrzymałościach na ścinanie, nie może rozwinąć się na tyle skutecznie, aby nastąpił zsuw skarpy. 11
Poniżej zestawiono wyniki obliczeń własnych dotyczących nasypu z kontrbankietami dla czterech wariantów obciążeń statycznych i dynamicznych Wariant I Obciążenie ruchem statyczne Wariant II Obciążenie ruchem dynamiczne Wsp. parasejsmiczny k = 0,2 Wariant III Obciążenie ruchem dynamiczne Wsp. parasejsmiczny k = 0,3 Wariant IV Obciążenie ruchem dynamiczne Wsp. parasejsmiczny k = 0,2 ze zbrojeniem skarpy pasmami geokomórkowymi 12
6. Wnioski końcowe. Po zastosowaniu odpowiednich współczynników drgań zauważyć można ewidentny spadek wartości współczynnika stateczności skarp. W I wariancie, typowe wprowadzenie obciążenia ruchem w postaci obciążenia równomiernie rozłożonego na każdej jezdni traktowane jest, przez program obliczeniowy, w konsekwencji obliczeń jako statyczne. W wariancie II i III obliczeń zauważa się drastyczny spadek wartości współczynnika stateczności skarpy przy zastosowaniu współczynników drgań k = 0,2 i k = 0,3. Stąd podstawowy wniosek, że dodanie obciążenia ruchem równomiernie rozłożonego bez uwzględnienia drgań prowadzić może do katastrofalnych następstw i awaryjności konstrukcji nasypu lub wykopu. W wariancie IV po wprowadzeniu w korpus skarpy nasypu systemów przeciwdrganiowych w postaci geokomórek otrzymano dla k = 0,2 wzrost współczynnika stateczności skarpy z wartości 1,45 do 1,64. Piśmiennictwo: 1.! Ciesielski R., Gumiński A.: O przekazywaniu się drgań na budynki przez podłoże i sposobach zmniejszania tych drgań. Konf. nt. Ocena szkodliwości wpływów dynamicznych. Kraków 1971 r., 2.! Ciesielski R., Maciąg E.: Drgania drogowe i ich wpływ na budynki. WKiŁ, W-wa 1990 r., 3.! Jermołowicz P.: Osuwiska sposoby określania zasięgu, obliczanie stateczności i sposoby zabezpieczeń. POIIB szkolenie 2012 r. 4.! Materiały pokonferencyjne z VI VIII Sympozjum: Wpływy sejsmiczne i parasejsmiczne na budowle. Kraków 1992, 1994, 1997 r., 5.! Werno M.: Podłoże gruntowe obciążone cyklicznie. WKiŁ W-wa 1985 r., 6.! Wrana B.: Charakterystyka parametrów dynamicznych gruntu.wyd. PK, 2008 r., 7.! DIN 4150-3. Erschutterungen im Bauwesen, Einwirkungen auf bauliche Anlagen. 8.! PN-B-02170:1985. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki, 9.! Leshchinsky D.: Research and innovation: Seismic performance of various geocell earth-retention systems. Geosynthetics, VIII/IX 2009 pp.46-54, 13