Pobierz Zjawiska osuwiskowe na obszarze Podgórza Dynowskiego - metodyka badań laboratoryjnych i więcej Publikacje w PDF z Geotechnical Engineering tylko na Docsity!
Bernadeta Rajchel Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa im. S. Pigonia w Krośnie
ZJAWISKA OSUWISKOWE NA OBSZARZE
POGÓRZA DYNOWSKIEGO – METODYKA BADAŃ
LABORATORYJNYCH NIEZBĘDNYCH
DO SPORZĄDZENIA DOKUMENTACJI OBSZARÓW
OSUWISKOWYCH
Abstrakt W artykule omówiona została problematyka osuwisk. Jak wiadomo, zjawiska osuwiskowe powodują wiele szkód materialnych i społecznych, przejawiających się utratą lub zniszczeniem mienia, dlatego tak waŜne jest odpowiednie sporządzenie dokumentacji obszarów osuwiskowych. Państwowy Instytut Geologiczny na zlecenie Ministra Środowiska wydał „Instrukcję opracowania mapy osuwisk...”, jako poradnika dla jednostek administracji samorządowej. W nawiązaniu do ww. instrukcji, celem jej przybliŜenia szerszemu ogółowi społeczeństwa, w artykule przedstawiono główne przyczyny powstawania osuwisk, wskazano miejsca ich występowania na terenie Polski, biorąc pod uwagę obszar Pogórza Dynowskiego. W drugiej części artykułu skupiono się na badaniach laboratoryjnych do określania parametrów fizyczno-mechanicznych utworów w obszarach osuwiskowych, omówiono podstawowe zasady obliczania stateczności skarp i zboczy oraz zaprezentowano profesjonalną aparaturę trójosiowego ściskania i bezpośredniego ścinania (będącą na wyposaŜeniu Zakładu InŜynierii Środowiska PWSZ w Krośnie). Aktualnie badania prowadzone przy uŜyciu takiej aparatury stanowią podstawę do uzyskania właściwych ocen wytrzymałościowych gruntów i praktycznie funkcjonuje na całym obszarze Unii Europejskiej. Słowa kluczowe: osuwiska, badania laboratoryjne, Eurokod 7, parametry wytrzymałościowe gruntu
LANDSLIDE PHENOMENON IN THE POGÓRZE
DYNOWSKIE AREA – METHODOLOGY OF
INDISPENSABLE LABORATORY RESEARCH FOR
PREPARING DOCUMENTATION ON LANDSLIDE AREAS
Abstract The paper discusses the issue of landslides. The phenomena of land slides are known to cause a considerable physical and social damage, reflected by a loss or destruction of property. Therefore, it is essential to prepare a proper documentation of landslide-prone areas. As commissioned by Minister of the Environment, Polish Geological Institute has issued an “Instruction for designing a map of landslides...” as a guide for local government administration units. In reference to the above mentioned instruction and in order to acquaint the general public with this document, the paper presents the main causes of landslides and indicates the areas of their occurrence in Poland, including the area of Pogórze Dynowskie. The second part of the paper focuses on laboratory research aimed at determining the parameters of physical and mechanical properties of formations within landslide-prone areas. Additionally, basic principles of evaluating the stability of berms and slopes were discussed as well as professional direct and triaxial compression equipment (available in the Institute of Environmental Engineering at State Higher Vocational School in Krosno) was
Bernadeta Rajchel
presented. Currently, research using such equipment is essential for a proper evaluation of soil strength and is applied virtually throughout the European Union. Keywords: Landslides, laboratory research, Eurocode 7, soil strength parameters
1. Zjawiska osuwiskowe w Polsce
Zjawiska osuwiskowe mają miejsce na obszarze całej Polski (ryc. 1), jednak największa ich ilość występuje w Karpatach – ok. 25 000 aktywnych osuwisk (ryc. 2, 3). Zlokalizowane są one na silnie nachylonych zboczach górskich zbudowanych z utworów fliszowych, o zmiennych parametrach wytrzymałościowych w warunkach pełnej saturacji wodami gruntowymi. Taka sytuacja powoduje zmniejszenie wytrzymałości gruntów na ścinanie oraz wraŜliwość na procesy geodynamiczne. Od lipca 1997 r. w rezultacie obfitych opadów atmosferycznych odnowiły się stare, a uruchomiły nowe osuwiska na skalę dotychczas nienotowaną w Karpatach, powodując jedynie w roku 2001 straty w wysokości 200 mln PLN. Zaniechanie monitoringu terenów osuwiskowych lub niewłaściwa interpretacja badań tych terenów moŜe wydatnie zwiększać koszty stabilizacji osuwisk oraz utrudniać moŜliwość podjęcia racjonalnych decyzji o moŜliwościach, zakresie i technologii prac zabezpieczających^1. W województwie podkarpackim zjawiska osuwiskowe i tereny predysponowane do występowania ruchów masowych mają miejsce głównie w północnej jego części (ryc. 4). Na Pogórzu Dynowskim na mapach Państwowego Instytutu Geologicznego dotychczas nie odnotowano osuwisk, choć wiadomo, Ŝe lokalnie występują. Natomiast w zestawieniu do opracowania „Mapy Osuwisk i Terenów ZagroŜonych” na terenie Związku Gmin Turystycznych Pogórza Dynowskiego znalazły się gminy Związku (tab. 1).
(^1) Z. Bednarczyk, Badania geologiczno-in Ŝ ynierskie karpackich osuwisk fliszowych w rejonie Gorlic (Beskid Niski), „Geologos 11”, 2007, s. 333–345.
Bernadeta Rajchel
Ryc. 2. Mapa osuwisk Polskich Karpat Fliszowych
Ź ródło: www.pgi.gov.pl
Ryc. 3. Główne rejony występowania osuwisk w latach 1997– na obszarze polskich Karpat fliszowych
Ź ródło: Cz ęś ciowo za Raczkowski & Mrozek, 2002
Zjawiska osuwiskowe na obszarze Pogórza Dynowskiego – metodyka badań…
Ryc. 4. Mapa osuwisk i obszarów zagroŜonych osuwiskami w województwie podkarpackim
Ź ródło: www.geoportal.pgi.gov.pl
Tab. 1. Wykaz powiatów i gmin przewidzianych do opracowania „Mapy Osuwisk i Terenów ZagroŜonych” na obszarze Związku Gmin Turystycznych Pogórza Dynowskiego
Powiat Gmina Powierzchnia gminy (km^2 )
brzozowski Dydnia 130, Nozdrzec 121, rzeszowski Gmina Dynów 118, Miasto Dynów 24, przemyski Dubiecko 154, Krzywcza 94, Ź ródło: Instrukcja…, 2008
Zjawiska osuwiskowe na obszarze Pogórza Dynowskiego – metodyka badań…
Ryc. 6. Schemat osuwiska
Ź ródło: Instrukcja..., 2008
WyróŜnia się trzy główne rodzaje osuwisk (ryc. 7)^2 :
- Osuwisko asekwentne – osuwisko powstałe ze ścięcia w jednorodnych i niezabu- rzonych utworach, np. iłach, glinach, lessach, piaskach.
- Osuwisko insekwentne – osuwisko powstałe w wyniku przemieszczenia utworów, gdy kierunek ruchu jest zorientowany skośnie do istniejących powierzchni struk- turalnych.
- Osuwisko konsekwentne – osuwisko powstałe w wyniku przemieszczenia mas skalnych po powierzchni strukturalnej zorientowanej równolegle lub w przybliŜeniu równolegle do powierzchni stoku.
Ryc. 7. Rodzaje osuwisk
Ź ródło: Ksi ąŜ kiewicz, 1951
(^2) Instrukcja opracowania „ Mapy osuwisk i terenów zagro Ŝ onych ruchami masowymi w skali 1:10 000 ”, na zlecenie MŚ i NFOŚiGW, PIG 2008, s. 1–92.
Bernadeta Rajchel
3. Problemy zwi ą zane z badaniem osuwisk
W krajowej praktyce badań geologiczno-inŜynierskich problem monitoringu i modelowania zjawisk geodynamicznych jest często niedoceniany, chociaŜ szereg prac w tej tematyce zostało wykonanych. W latach 2001–2006 osuwiska corocznie przyczyniały się do zniszczeń i zagroŜeń dla infrastruktury, czego wynikiem jest m.in. projekt „System Osłony Przeciwosuwiskowej” (tzw. SOPO). Badania osuwisk fliszowych, które cechują się występowaniem zarówno miękkoplastycznych gruntów ilastych, bardzo zwięzłych skał piaskowcowych, jak i rumoszy i róŜnego typu gruntów koluwialnych wymieszanych z fragmentami skał, uniemoŜliwiają zastosowanie szeregu metod badawczych, szczególnie niektórych typów testów in situ (sondowania SLVT i ścinania VT w otworze wiertniczym) oraz utrudniają wykonanie prac laboratoryjnych. Istotną rolę na etapie dokumentowania przypisano wierceniom rdzeniowym dobrej jakości, profilowaniom georadarowym oraz uzyskaniu wysokiej jakości próbek o nienaruszonej strukturze (NNS) do celów laboratoryjnych^3.
4. Badania laboratoryjne osuwisk
W laboratorium grunt z obszarów osuwiskowych powinien być badany według zaleceń „Instrukcji...”, uwzględniając równieŜ wymagania, jakie stawia norma Eurokod 7 przy pomiarach parametrów wytrzymałościowych poszczególnych rodzajów gruntu.
4.1. Badania laboratoryjne osuwisk według „Instrukcji…”
Instrukcja sporządzania map osuwisk podaje zakres badań laboratoryjnych w celu określenia parametrów fizyczno-mechanicznych dla gruntów skalistych, spoistych i niespoistych z obszarów osuwiskowych (tab. 2). Oprócz oznaczenia podstawowych parametrów, tj. wilgotność naturalna, czy gęstość objętościowa i gęstość właściwa szkieletu gruntowego, waŜne jest określenie parametrów wytrzymałościowych, tj. wytrzymałość na ściskanie i ścinanie oraz kąt tarcia wewnętrznego i spójność. Instrukcja zaleca takŜe badanie próbek w aparatach trójosiowego ścinania z pomiarem ciśnienia porowego, które pozwala na określenie wartości efektywnych parametrów. Zaleca ona takŜe wykonanie obliczeń stateczności stoków. Metodę obliczeń naleŜy dobrać w zaleŜności od stwierdzonej postaci deformacji i rodzaju gruntów. Końcowym wynikiem obliczeń powinno być podanie minimalnych wartości współczynnika stanu równowagi.
4.2. Badania laboratoryjne parametrów fizyczno-mechanicznych według
normy Eurokod 7
Odpowiednie rutynowe badania laboratoryjne dla prób skał, dające niezbędną podstawę do opisu materiału skalnego według normy Eurokod 7^4 są następujące:
klasyfikacja geologiczna, określenie gęstości lub gęstości objętościowej (ρ), określenie wilgotności ( w ), określenie porowatości ( n ),
(^3) Z. Bednarczyk, Badania…, op. cit. (^4) Norma PN-EN 1997-2 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne, cz. 2 Rozpoznanie i badanie podło Ŝ a gruntowego.
Bernadeta Rajchel Wytrzymałość na ścinanie w warunkach „bez odpływu” ( cu ) (^) - - TXDSS SIT
TX DSS (SB) SIT
TX DSS (SB) SIT
TX DSS (SB) SIT Gęstość objętościowa (ρ) BDD BDD BDD BDD BDD BDD Współczynnik konsolidacji ( cV ) OED TX
OED TX
OED TX
OED TX Przepuszczalność ( k ) (^) TXCH PSA
TXCH PSA
PTC TXCH (PTF)
TXCH (PTF) (OED)
TXCH (PTF) (OED)
TXCH (PTF) (OED) „-„ – nie stosuje się „( )” – stosuje się częściowo Ź ródło: Według normy Eurokod 7
Skróty badań laboratoryjnych:
BDD – Wyznaczanie gęstości objętościowej gruntu DSS – Badanie bezpośredniego ścinania OED – Badanie edometryczne PTF – Badanie przepuszczalności przy zmiennym spadku hydraulicznym PTC – Badanie przepuszczalności przy stałym spadku hydraulicznym RS – Ścinanie pierścieniowe (badanie w pierścieniowym aparacie bezpośredniego ścinania) SB – Badanie w skrzynkowym aparacie bezpośredniego ścinania SIT – Wskaźnikowe badanie wytrzymałości (zazwyczaj przeprowadzone tylko w fazie wstępnej) PSA – Analiza składu granulometrycznego TX – Badanie trójosiowe TXCH – Badanie przepuszczalności w komorze trójosiowej
5. Parametry wytrzymało ś ciowe gruntu – badania
Wytrzymałością gruntu na ścinanie τf nazywa się największy (graniczny) opór odniesiony do jednostki powierzchni, jaki stawia ośrodek gruntowy napręŜeniom ścinającym występującym w rozpatrywanym punkcie badanego gruntu. Wytrzymałość na ścinanie jest inna dla gruntów spoistych i dla niespoistych o wartość spójności gruntu (ryc. 8). Wytrzymałość gruntu na ścinanie określa uzgodniony wzór Coulomba:
τf = σn * tgΦ + c,
gdzie: σn – napręŜenie normalne do płaszczyzny ścinania, Φ – kąt tarcia wewnętrznego, c – spójność gruntu (kohezja).
Zjawiska osuwiskowe na obszarze Pogórza Dynowskiego – metodyka badań…
Ryc. 8. Wykres wytrzymałości na ścinanie dla gruntów spoistych i niespoistych
Ź ródło: www.zasoby.open.agh.edu.pl (20.06.2012)
Kąt tarcia wewnętrznego (ang. internal angle of friction), jest miarą oporu gruntu przeciw poślizgowi dwu części względem siebie (np. gdy powierzchnie potencjalnych osuwisk uzyskają wartość kąta tarcia, następuje poślizg). Tangens kąta tarcia wewnętrznego jest określany jako współczynnik tarcia wewnętrznego i przy braku sił kohezji (w skałach lub osadach pozbawionych minerałów ilastych) jest zapisywany jako: tgΦ = τ / σ, gdzie τ to napręŜenie ścinające, czyli minimalne napręŜenie działające wzdłuŜ danej powierzchni, które powoduje przesunięcie wzdłuŜ niej, a σ to napręŜenie normalne, czyli prostopadłe do płaszczyzny ścinania. Im mniejszy kąt tarcia wewnętrznego, tym mniejsze nachylenie powierzchni poślizgu. Wartość kąta tarcia wewnętrznego zaleŜy od: składu mineralnego gruntu, wielkości ziarna i ich kształtu, stopnia zagęszczenia gruntu, stopnia nasycenia wodą, rodzaju powierzchni ziaren^5. Spójność lub kohezja (ang. cohesion ) to zespół sił fizykochemicznych, które wiąŜą cząsteczki osadu i stawiają opór napręŜeniom ścinającym. Kohezja jest wynikiem wiązań pomiędzy cząsteczkami koloidalnymi powstałymi w procesach sedymentacyjnych i wczesnej diagenezy. Spójność jest ściśle związana z zawartością minerałów ilastych oraz związków cementujących osad. Kohezja jest zaleŜna od wilgotności. W osadach nienawodnionych spójność wzrasta ze wzrostem wilgotności, jednak po przekroczeniu granicy plastyczności przyciąganie pomiędzy cząsteczkami zaczyna drastycznie spadać ze wzrostem zawartości wody. Gdy wilgotność osiąga wartość równą granicy płynności, siły spójności są bliskie zeru. Jest to wywołane powstawaniem powłoki wodnej wokół cząsteczek^6.
(^5) www.slownik-geologiczny.pl (dostęp z dnia 20.06.2012). (^6) www.slownik-geologiczny.pl (dostęp z dnia 20.06.2012).
Zjawiska osuwiskowe na obszarze Pogórza Dynowskiego – metodyka badań…
Fot. 1. Aparat ASA – bezpośredniego ścinania i trójosiowego ściskania Ź ródło: Ze zbiorów B. Rajchel
Badania w aparacie trójosiowym przeprowadza się według jednego z trzech niŜej podanych sposobów, róŜniących się warunkami obciąŜania i odpływu wody z próbki^8 :
- Badania bez konsolidacji i odwadniania (UU) – zawartość wody w próbce utrzymywana jest przez cały czas doświadczenia bez zmian. Stosowane są wtedy, gdy przewiduje się obciąŜenie podłoŜa o małej przepuszczalności w okresie krótkotrwałym, w którym nie wystąpi znacząca konsolidacja podłoŜa.
- Badania z konsolidacją, bez odwadniania (CU) – próbka konsolidowana jest dla celów praktycznych często przy obciąŜeniu izotropowym; w czasie obciąŜania, któremu odpowiada róŜnica napręŜeń σ1 – σ3, dąŜącego do zniszczenia próbki, odpływ wody jest uniemoŜliwiony. Przeprowadza się w tych przypadkach, w których okres budowy i wstępna eksploatacja umoŜliwiają skonsolidowanie się podłoŜa przed wystąpieniem dodatkowego nagłego obciąŜenia.
- Badania z odwadnianiem (CD) – próbkę konsoliduje się jak w badaniach typu CU, jednak po przyłoŜeniu obciąŜenia odpowiadającego róŜnicy napręŜeń σ 1 – σ 3 odpływ wody jest umoŜliwiony; wzrost napręŜeń powinien być na tyle powolny,
(^8) www.home.agh.edu.pl/~cala (dostęp z dnia 20.06.2012).
Bernadeta Rajchel
aby nie występowała nadwyŜka ciśnienia wody w porach. Stosuje się wówczas, gdy podłoŜe nie jest obciąŜane w sposób nagły. Sterowanie obciąŜeniem (pionowy napęd) urządzenia moŜe być uŜywane w trzech róŜnych trybach^9 :
- Prędkość kontrolowana – napęd pobiera z kontrolera urządzenia stałą prędkość domyślną. ZaleŜny jest od aktualnych warunków, wartości ścieŜki i obciąŜenia, jakim jest poddawana próbka. MoŜe to prowadzić do dalszych reakcji przez kontroler PC lub sprawdzając granice badania.
- Siła kontrolowana (zakładając, funkcjonalne urządzenie pomiarowe obciąŜenia) – napęd jest sterowany w taki sposób, Ŝe dana siła (stałe lub liniowo – zwiększenie lub zmniejszenie się w czasie) jest przybliŜona. ZaleŜny od aktualnych warunków, wartości ścieŜki i prędkości, jakim jest poddawana próbka. MoŜe to prowadzić do dalszych reakcji przez kontroler PC lub sprawdzając granice badania.
- ŚcieŜka kontrolowana (zakładając, Ŝe jest zewnętrzne urządzenie pomiarów połoŜenia)
- napęd jest sterowany w taki sposób, Ŝe aktualna pozycja jest trzymana w przybliŜeniu. ZaleŜny od aktualnych warunków, wartości siły i prędkości, jakim jest poddawana próbka. MoŜe to prowadzić do dalszych reakcji przez kontroler PC lub sprawdzając granice badania. Przy uŜyciu aparatu ASA moŜna dodatkowo wykonać pomiar wolnego ciśnienia wody porowej. Przetwornik (ryc. 10) został specjalnie zaprojektowany do dokładnego pomiaru wolnego ciśnienia wody porowej i najmniejszej zmiany objętości porów. Standardowe zakresy pomiarowe od 0,1 do 2 MPa. Czujnik moŜe być zastosowany równieŜ dla innych pomiarów (np. ciśnienia komórki, ciśnienia porów powietrza). Aby wyeliminować jakikolwiek wpływ elektryczny na sygnały pomiarowe, został wbudowany wzmacniacz do kalibrowanego sygnału 0-10 V^10.
Ryc. 10. Przetwornik do pomiaru wolnego ciśnienia wody porowej
Ź ródło: Instrukcja obsługi ..., 2012
(^9) Instrukcja obsługi…, op. cit. (^10) TamŜe.
Bernadeta Rajchel
Ź ródło: Z. Wiłun, Zarys geotechniki
bi – szerokość bloku i hi – wysokość bloku i R – promień powierzchni poślizgu αi – kąt nachylenia do poziomu bloku i Li – długość podstawy bloku i Wi – cięŜar bloku i Ni – wartość reakcji normalnej w podstawie bloku i
Ni = Wicos α i
NiŜsze wartości wskaźników stateczności zbocza (np. w porównaniu do metody Bishopa od 5 do 20%, a niekiedy nawet do 60%) stawiają tę metodę w grupie metod bezpiecznych, a nawet moŜna powiedzieć asekuracyjnych. Pomimo tego metoda Felleniusa jest często stosowana w praktyce, szczególnie wtedy gdy sposób określania parametrów fizyczno-mechanicznych ośrodka jest niezbyt dokładny. Zaletą ww. metody jest jej prostota. Jawna postać wzorów powoduje, Ŝe praktyczne zastosowanie tej metody nie wymaga stosowania drogich programów obliczeniowych, a co za tym idzie i komputerów.
6.2. Metoda Bishopa
Podstawowe załoŜenia metody Bishopa są podobne jak załoŜenia w metodzie Felleniusa. RóŜnice sprowadzają się do innych załoŜeń odnośnie sił działających pomiędzy blokami.
Zjawiska osuwiskowe na obszarze Pogórza Dynowskiego – metodyka badań…
ZałoŜenia metody Bishopa (ryc. 12) są następujące^12 :
powierzchnia poślizgu zbocza ma kształt walca cylindrycznego, siły działające pomiędzy blokami są nieznane, a ich wartości określane są za pomocą kolejnych prób przy zastosowaniu ogólnych równań równowagi wewnętrznej, wartość reakcji normalnej w podstawie bloku określana jest z warunku rzutów sił na kierunek pionowy, wskaźnik stateczności zbocza określany jest z równania równowagi momentów sił względem środka potencjalnej powierzchni poślizgu. W równaniu tym nie są uwzględnione siły oddziaływania pomiędzy blokami. Wypadkowa sił działająca pomiędzy blokami wywołuje wprawdzie moment przy analizie pojedynczego bloku, niemniej ze względu na wewnętrzny charakter tych sił, który wywołany przez nie moment dla całej bryły względem dowolnego punktu powinien być równy zeru.
Ryc. 12. Schemat sił działających na całą bryłę osuwiskową i na oddzielny blok – metoda Bishopa
Ź ródło: Z. Wiłun, Zarys geotechniki
(^12) Z. Wiłun, Zarys…, op. cit.
