Niniejszy wpis ma na celu dostarczenie zwięzłych, użytecznych odpowiedzi na często zadawane pytania związane z analizą stateczności skarp i zboczy.
1. Jakie są kluczowe różnice między analizą stateczności w warunkach z drenażem (drained) a bez drenażu (undrained) i kiedy należy je stosować?
2. Jakie są główne rodzaje wytrzymałości na ścinanie w warunkach z drenażem (peak, fully softened, residual) i w jakich sytuacjach projektowych należy je uwzględniać?
3. Kiedy standardowa analiza stateczności 2D jest niewystarczająca i należy zastosować modelowanie 3D?
4. Czym jest klasyczny Współczynnik Bezpieczeństwa (FoS) i dlaczego warto uzupełniać go o analizę Prawdopodobieństwa Awarii (Pf)?
Głównym ograniczeniem jest to, że faktycznie FoS nie jest jedną, stałą wartością, ale rozkładem możliwych wartości. Wynika to z naturalnej zmienności i niepewności parametrów wejściowych, takich jak wytrzymałość na ścinanie (c’, ϕ’), ciężar objętościowy gruntu (γ) czy ciśnienie wody w porach (u). Dwie skarpy o identycznym obliczonym FoS mogą mieć skrajnie różne poziomy niezawodności. Skarpa, której parametry określono z dużą pewnością (zainwestowano odpowiednie środki by rozpoznać budowę i parametry), będzie znacznie bezpieczniejsza niż skarpa o tym samym FoS, ale oparta na parametrach o dużej niepewności (np. płytkie rozpoznanie, brak wiarygodnych badań laboratoryjnych).
Typową sytuacją w praktyce na polskim rynku budowlanym jest, że doświadczony Wykonawca/Generalny Wykonawca znacznie rozszerza zakres badań podłoża w odniesieniu do dokumentacji dostarczonej przez Inwestorów (szczególnie tych dużych) z fazy projektowania, wykonując dodatkowe rozpoznanie kluczowych skarp i zboczy (np. osuwiskowych). W moim przekonaniu takie działanie jest techniczne i kontraktowo zasadne. Badania terenowe i badania laboratoryjne minimalizują niepewność parametrów wejściowych (m. in. c’, phi’), co sprawia, że obliczona, pojedyncza wartość FoS jest znacznie bardziej wiarygodna i bliższa rzeczywistej granicy bezpieczeństwa. W ten sposób, choć FoS pozostaje pojedynczą liczbą, jego oparcie na solidnych danych radykalnie zwiększa realny poziom bezpieczeństwa projektu i umożliwia racjonalizację rozwiązań projektowych np. w ramach zabezpieczania zboczy osuwiskowych.
5. Jakie są najlepsze praktyki laboratoryjnego wyznaczania wytrzymałości w pełni osłabionej (Fully Softened Strength – FSS) i na co zwrócić uwagę przy zlecaniu badań?
6. Na czym polega analiza odwrotna (inverse analysis) i jak można ją wykorzystać do oceny stateczności istniejących skarp lub osuwisk?
- ocenę aktywności ruchów masowych w oparciu o wizję lokalną i wyniki systemu monitorowania
- weryfikację stwierdzonych stref osłabień (powierzchnie poślizgu) w ramach badań terenowych (wiercenia rdzeniowe z nalizą rdzeni, badania DMT)
analiza odwrotna pozwala określić wytrzymałość gruntu, która musiała zostać zmobilizowana w momencie utraty stateczności. Jest to narzędzie diagnostyczne i kalibracyjne do dalszych analiz.
7. Dlaczego skarpa, która przez lata była stabilna, nagle ulega awarii? Jakie są rzeczywiste mechanizmy inicjujące osuwisko?
W inżynierii geotechnicznej „nagła” awaria jest zazwyczaj finałem długotrwałego procesu degradacji wytrzymałości gruntu lub skokowej zmiany stanu naprężenia. Przyczyny te należy rozpatrywać w kategorii naruszenia równowagi między naprężeniem ścinającym, a dostępną wytrzymałością na ścinanie .
Jest to kwestia zasady naprężeń efektywnych Terzaghiego.
1. Rola wody – redukcja naprężeń
W oparciu o doświadczenia zespołu 2D Projekt – bez wątpienia stwierdzamy, że woda jest najczęstszym inicjatorem ruchów masowych w polskich warunkach. Wzrost ciśnienia wody w porach redukuje naprężenie efektywne normalne, co bezpośrednio zmniejsza wytrzymałość gruntu na ścinanie.
Wniosek: Nawet przy stałej geometrii zbocza, wzrost poziomu wód gruntowych (lub brak odpowiedniego drenażu) może zredukować wytrzymałość na ścinanie poniżej wartości krytycznej i doprowadzić do utraty stateczności.
2. Błąd w ocenie wytrzymałości
Przyczyną awarii może być przyjęcie błędnych parametrów wytrzymałościowych np. dla iłów i iłowców (np. formacje mioceńskie, flisz karpacki). Taki grunt w skarpie rzadko pracuje w zakresie wytrzymałości szczytowej (peak).
Wytrzymałość w pełni osłabiona ( ang. Fully Softened Strength): Dotyczy iłów prekonsolidowanych, które uległy procesom wietrzenia (cykle nawilżania/wysychania). Parametry spadają do poziomu gruntu normalnie skonsolidowanego.
Wytrzymałość rezydualna (ang. Residual Strength) Dotyczy starych osuwisk i gruntów z istniejącymi powierzchniami poślizgu.
Jeżeli projektant przyjmie do obliczeń kąt tarcia phi’ = 25 st. (szczytowy) nie pozostawiając odpowiedniego zapasu bezpieczeństwa, podczas gdy w gruncie występują zlustrowania, a więc phi’-res wynosi dla tych powierzchni np. zaledwie 10-12 st., awaria jest bardzo prawdopodobna.
3. Zmiany geometrii i obciążenia
Mechaniczne inicjatory ruchów masowych dzielimy na:
Dociążenie korony: Budowa obiektów, składowanie urobku, obciążenie użytkowe (np. ruch drogowy) – to wzrost sił ścinających w zboczu
Odciążenie podstawy skarpy: Podcięcie zbocza wykopem drogowym czy erozja rzeczna u podstawy – to wzrost naprężeń ścinających przy jednoczesnym zmniejszeniu oporu biernego.
8. Metody Obliczeniowe – LEM czy FEM (MES)?
Wybór metody analizy stateczności zależy od stopnia skomplikowania problemu geotechnicznego oraz stawianych pytań projektowych na które trzeba udzielić odpowiedzi. We współczesnym projektowaniu geotechnicznym geotechnice, szczególnie w kontekście wymagań Eurokodu 7 (PN-EN 1997) dotyczących nie tylko Stanu Granicznego Nośności (ULS), ale i Użytkowalności (SLS) rozróżnienie między klasycznymi metodami równowagi granicznej (LEM) a numeryczną analizą naprężenie-odkształcenie (FEM/MES) jest kluczowe.
Metody Równowagi Granicznej (LEM – ang. Limit Equilibrium Methods)
Potocznie nazywane „metodami paskowymi” (np. Felleniusa, Bishopa, Morgensterna-Price’a). Bazują na podziale potencjalnej bryły osuwiskowej na pionowe paski i analizie równowagi sił (lub sił i momentów) działających na te paski.
Istota metody: Poszukujemy najniekorzystniejszej (krytycznej) powierzchni poślizgu, dla której globalny wskaźnik stateczności (FoS) jest najniższy.
Ograniczenia: Podstawową wadą LEM jest brak uwzględnienia relacji naprężenie-odkształcenie. Metoda ta nie wyznacza przemieszczeń. Zakłada sztywno-plastyczny model zachowania gruntu (kryterium Coulomba-Mohra. Metoda LEM nie jest w stanie poprawnie zamodelować skomplikowanej interakcji budowli z gruntem.
Metoda Elementów Skończonych (MES / FEM – ang. Finite Element Method)
Podejście numeryczne, w którym ośrodek gruntowy traktowany jest jako kontinuum zdyskretyzowane na skończoną liczbę elementów. W 2D Projekt wykorzystujemy do tego zaawansowane oprogramowanie ZSoil.
Istota metody: W programie rozwiązywany jest układ równań różniczkowych, uwzględniając warunki brzegowe, równowagę statyczną oraz (co kluczowe) związki konstytutywne opisujące zależność między naprężeniem a odkształceniem gruntu.
Przewaga MES: Metoda ta odpowiada na pytanie: „Jak skarpa się zachowa?” Pozwala to na:
Weryfikację Stanu Granicznego Użytkowalności (SLS) – ocenę osiadań i przemieszczeń poziomych, co jest krytyczne w sąsiedztwie istniejącej zabudowy.
Zastosowanie zaawansowanych modeli gruntu (np. Hardening Soil-brick), które lepiej odwzorowują rzeczywiste zachowanie gruntu (np. różną sztywność przy odciążeniu i dociążeniu).
Analizę „sprzężoną” – jednoczesne modelowanie przepływu wód gruntowych, konsolidacji i deformacji mechanicznych.
Weryfikację stateczności globalnej poprzez procedurę redukcji wytrzymałości na ścinanie (SRM – ang. Shear Strength Reduction), co jest numerycznym odpowiednikiem wskaźnika FoS z metod LEM.
- Możliwość wyznaczenia sił wewnętrznych w elementach zabezpieczenia skarp i zboczy na potrzebę weryfikacji nośności strukturalnej (gwoździe, pale, palisady, ściany szczelinowe, geosyntetyki, membrany, kotwy, muru żelbetowe, oczepy żelbetowe itp.)
Tabela porównawcza: LEM vs. MES
Podsumowanie: W 2D Projekt uważamy, że dla prostych geometrii i jednorodnych warunków metody LEM są wystarczające. To metoda dużo szybsza w kwestii przygotowania modelu i samych obliczeń. Jednak w przypadku skomplikowanych geometrycznie zagadnień, skomplikowanych warunków geologicznych (flisz karpacki, iły mioceńskie) lub projektowania zaawansowanych systemów zabezpieczeń (kotwy, pale, gwoździe), analiza MES w programie takim jak ZSoil jest nieodzowna. Często prowadzimy analizy dwoma metodami. Takie podejście pozwala utwierdza nas, że otrzymane wyniki są właściwe.
Analiza stateczności? Budowa na obszarze osuwiskowym lub predysponowanym osuwiskowo? To pole do współpracy z 2D Projekt !
Realizacja inwestycji w skomplikowanych warunkach gruntowych to rozgrywka, w której stawką jest bezpieczeństwo konstrukcji i budżet inwestora. W 2D Projekt nie uznajemy kompromisów – opieramy się na twardych danych, zaawansowanej mechanice gruntów i numeryce.
Specjalizujemy się w rozwiązywaniu złożonych problemów geotechnicznych, oferując wsparcie na każdym etapie procesu inwestycyjnego:
Analizy stateczności składowisk i hałd Projektujemy i weryfikujemy stateczność skarp składowisk odpadów.
Kompleksowe zabezpieczenia osuwisk Nasze projekty zabezpieczeń (gwoździowanie, kotwy gruntowe, zmiana geometrii zbocza, konstrukcje oporowe, pale wiercone wg PN-EN 1536) poprzedzamy wnikliwą analizą przyczyn ruchu masowego (analiza wsteczna). Projektujemy skuteczne systemy odwodnienia wgłębnego (dreny wiercone, studnie), które są kluczem do redukcji ciśnień porowych i zwiększenia wytrzymałości gruntu na ścinanie.
Zabezpieczenia głębokich wykopów w zwartej zabudowie Projektujemy obudowy wykopów (ściany szczelinowe, palisady, ścianki szczelne) z pełną analizą wpływu na sąsiednią zabudowę oraz analizami stateczności.
- Analizy stateczności dla wysokich nasypów i głębokich wykopów i przekopów w ramach inwestycji infrastrukturalnych
Oto rozwinięcie tego punktu, utrzymane w konwencji eksperckiej, z naciskiem na specyfikę inwestycji liniowych (drogi, koleje) oraz zaawansowane metody obliczeniowe.
- Analizy stateczności dla wysokich nasypów i głębokich przekopów w infrastrukturze W budownictwie liniowym (drogi ekspresowe, autostrady, koleje dużych prędkości) wymagany jest wysoki poziom bezpieczeństwa. Dla wysokich nasypów (często zbrojonych geosyntetykami) kluczowa jest nie tylko ocena stateczności globalnej, ale przede wszystkim analiza procesu konsolidacji podłoża słabonośnego i osiadań długoterminowych. W przypadku głębokich przekopów stosujemy modele zaawansowane (np. HS-brick), które poprawnie odwzorowują zachowanie gruntu przy odciążeniu, co jest krytyczne dla oceny stateczności skarp.
Dlaczego 2D Projekt? Nie zgadujemy – modelujemy i analizujemy. Nasze analizy opieramy na zaawansowanych modelach konstytutywnych w środowisku ZSoil i w oparciu o aktualne normy. Dzięki temu dostarczamy naszym klientom projekt optymalny ekonomicznie i zweryfikowany pod kątem realnych mechanizmów zniszczenia.
Masz problematyczny temat? Skonsultuj go z nami!
Telefon: (+48) 509 670 899
E-mail: kontakt@2dprojekt.pl
