Stateczność skarpy to w inżynierii geotechnicznej nieustanna walka między siłami utrzymującymi grunt w miejscu, a siłami dążącymi do jego przesunięcia. Choć Współczynnik Bezpieczeństwa wydaje się prostym stosunkiem oporu do sił powodujących zsuw, parametry wpływające na ten wynik są złożone i zmienne w czasie:
1. Wybór odpowiedniej wytrzymałości gruntu
(to nie zawsze „Peak Strength”!) Kluczowym wyzwaniem jest wybór właściwego parametru wytrzymałości na ścinanie w warunkach z drenażem. Musimy rozróżnić trzy stany:
• Wytrzymałość szczytowa (Peak Strength): Najwyższa dostępna wytrzymałość, która jednak rzadko występuje w warunkach polowych w dłuższej perspektywie czasowej.
• Wytrzymałość w pełni osłabiona: Dotyczy gruntów spoistych, które uległy zwietrzeniu i utraciły efekt przekonsolidowania, co jest typowe dla skarp wykopów oraz nasypów,
• Wytrzymałość szczątkowa: Występuje po wystąpieniu dużych przemieszczeń ścinających i reorientacji cząsteczek gruntu równolegle do kierunku ścinania.
Ignorowanie faktu, że grunty (szczególnie iły) tracą wytrzymałość w czasie, prowadzi do przeszacowania bezpieczeństwa.
2. Rola wody i ciśnienia porowego 💧
Woda jest jednym z głównych wrogów stateczności. Wzrost poziomu piezometrycznego lub zwierciadła wód gruntowych bezpośrednio redukuje naprężenie efektywne, co zmniejsza opór gruntu na ścinanie. Równanie Mohra-Coulomba pokazuje wprost: wyższe ciśnienie wody to niższe naprężenie efektywne, a tym samym mniejsza wytrzymałość. Awaria zapory San Luis jest przykładem, gdzie nagłe obniżenie poziomu wody (gwałtowne opróżnienie zbiornika) przy wysokim ciśnieniu wewnątrz skarpy doprowadziło do jej zniszczenia. W Polsce najczęstszym powodem osuwisk jest nagłe nawodnienie warstw podłoża po intensywnych opadach.
3. Geometria i ingerencja człowieka 🚜
Główne przyczyny niestabilności wywołane zmianami geometrii to:
• Dociążenie szczytu skarpy: Dodatkowe obciążenie generuje siły ścinania.
• Podcięcie podstawy skarpy: Usunięcie materiału z dołu skarpy likwiduje efekt przypory i zmniejsza naprężenie normalne na powierzchni poślizgu.
4. Kształt powierzchni poślizgu
Oprogramowanie często domyślnie sugeruje kołowe powierzchnie poślizgu, ale są one adekwatne głównie dla jednorodnych gruntów. W rzeczywistości, gdy mamy do czynienia ze słabą warstwą podłoża, bardziej prawdopodobne są powierzchnie translacyjne lub złożone.
Wniosek? Projektowanie statecznych skarp to nie tylko geometria – to zrozumienie historii geologicznej gruntu i procesów, które zachodzą w nim z biegiem lat (np. wietrzenie). Zamiast polegać wyłącznie na szczytowych parametrach, warto rozważyć analizę w oparciu o bardziej rzeczywiste parametry oraz wyznaczyć prawdopodobieństwo awarii, aby uzupełnić tradycyjne podejścia. Istotnym przy realizacji takich obliczeń jest odpowiednie podejście do jakości badań geotechnicznych.
Dlatego tak ważne jest zaufanie Inwestora w kwestii badań oraz obliczeń stateczności. Często takie obliczenia wpływają na być lub nie być danej inwestycji. Wykonywanie prostych obliczeń jest prawidłowe jedynie w prostych sytuacjach geologicznych, o jednorodnym podłożu. W przypadku skomplikowanych zagadnień (np. duża zmienność podłoża lub poziomu wód gruntowych, grunty słabonośne, duże nachylenie lub niekonwencjonalne rozwiązania projektowe) implikuje konieczność stosowania skomplikowanych modeli obliczeniowych, najczęściej konstytutywnych. Skomplikowane modele wymagają jednak skomplikowanych badań, często czasochłonnych, lecz dopiero one mogą w pełni odpowiedzieć na pytanie czy projektowany obiekt jest bezpieczny w kwestii stateczności.