Sposoby zabezpieczania osuwisk – cz. I

Osuwiskiem nazywamy nagłe przemieszczenie się mas ziemnych, w tym mas skalnych podłoża i powierzchniowej zwietrzeliny, spowodowane zjawiskami zachodzącymi w przyrodzie i okolicy, np.:

– wzrostem wilgotności gruntów podłoża spowodowanym długotrwałymi i intensywnymi opadami lub roztopami;

– budową geologiczną;

– działalnością człowieka (podkopanie stoku lub jego znaczne obciążenie przez zabudowę, wycinka drzew i krzewów na stokach, awarie instalacji podziemnych, rozszczelnienie wodociągów i kanalizacji);

– podcięciem stoku przez erozję, np. w dolinie rzecznej lub w zakolach;

– wibracjami związanymi z robotami ziemnymi, ruchem ciężkich pojazdów, eksplozjami;

– trzęsieniem ziemi.

Jest to rodzaj ruchów masowych, polegający na przesuwaniu się materiału wzdłuż powierzchni poślizgu, połączonego często z obrotem. Procesy te zachodzą pod wpływem siły ciężkości. Osuwiska są częste na obszarach, gdzie warstwy skał przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych występują naprzemiennie.

Fot. 1 Przykład osuwiska stoku z konstrukcją drogową (fot. arch. J. Siry)

Problem właściwego zabezpieczenia stoków, skarp nasypów i wykopów nabiera szczególnego znaczenia w przypadku Polski południowo-wschodniej, w utworach fliszowych. Niejednorodność tych ośrodków gruntowo-skalnych, zaburzenia glacitektoniczne, zmienny udział facji litologicznych, olbrzymi rozrzut parametrów fizykomechanicznych poszczególnych warstw w podłożu sprawiają, że problemy stateczności zboczy i skarp zaczynają być interdyscyplinarne oraz wykraczać poza ogólnie przyjęte schematy.

Z informacji zbieranych przez Państwowy Instytut Geologiczny (PIG) wynika, że wielka powódź w 1997 r uruchomiła 20 tys. osuwisk w Karpatach.

W 2005 r. liczbę osuwisk na obszarze 6% powierzchni kraju (rejon polskich Karpat) oceniano nadal na ponad 20 tys., tj. ponad 95% wszystkich zanotowanych i udokumentowanych tego typu zjawisk. Rozwojowi osuwisk w tym rejonie sprzyja: budowa geologiczna podłoża, górska dynamika rzeźby, a także duża siła erozyjna rzek, katastrofalne opady deszczu czy wreszcie działalność ludzka – w nieprzemyślany sposób wprowadzająca dodatkowe zmiany w równowadze stoków. Osuwiska podobnie jak powodzie zostały uznane za katastrofy naturalne. Od pamiętnego 1997 r. mieliśmy w Polsce kilka mokrych lat, ostatni 2010 r. Po bardzo śnieżnej zimie na namoknięte po wiosennych roztopach stoki spadło w maju w kilka dni tyle wody, ile zwykle spadało w ciągu sześciu miesięcy, w wyniku czego zbocza ruszyły na niespotykaną dotychczas skalę. Uwzględniając, że powierzchnia Karpat ma ok. 19 tys. km², to wskaźnik osuwiskowości wynosi jedno osuwisko na 1 km². W Polsce poza Karpatami osuwiska występują najczęściej na stromym brzegu morza, w środkowym biegu Wisły, w okolicach Noteci i Warty, w rejonie kieleckim oraz pomorskim i mazurskim.

Rys. 1 Schemat osuwiska (PIG)

Przyczyny powstawania osuwisk to:

– układ warstw gruntów równoległy do nachylenia zbocza;

– rozmycie lub podkopanie zbocza;

– niekontrolowane dociążenie naziomu;

– nawodnienie naziomu przy braku drenaży opaskowych;

– wypór wody i ciśnienie spływowe w zboczu;

– napór wody od dołu na górne warstwy gruntu z reguły mało przepuszczalne powodujące zmniejszenie sił oporu na ścinanie;

– nasiąknięcie gruntu na skutek opadów atmosferycznych, co powoduje pęcznienie gruntu, a tym samym zmniejszenie wytrzymałości na ścinanie;

– zniszczenie struktury gruntu przez rozluźnienie;

– istnienie naturalnych potencjalnych powierzchni poślizgu, np. w iłach;

– drgania wywołane np. ruchem drogowym;

– sufozja, tj. wymywanie z masy gruntu drobniejszych ziaren lub cząstek przez infiltrującą wodę powodujące powstawanie kawern i w następstwie ruch gruntów;

– przebicie hydrauliczne z reguły występujące u podstawy skarp lub zboczy spowodowane wypływem wody gruntowej powyżej podstawy zboczy;

– cykliczność przemarzania i odmarzania gruntu w rejonie istnienia krzywych depresji wody gruntowej, co powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie;

– wypieranie gruntu po nadmiernym obciążeniu terenu;

– niewłaściwe zaprojektowanie nachylenia skarp wykopu lub nasypu;

– pozbawienie stoków naturalnych okrywy roślinnej;

– rozszczelnienie awaryjne instalacji wodno-kanalizacyjnych.

Należy pamiętać, że równocześnie może wystąpić więcej niż jedna z wymienionych przyczyn.

Rys. 2 Rozmieszczenie obszarów zagrożonych ruchami masowymi ziemi w Polsce (PIG)

Typy osuwisk

Utrata stateczności skarp i zboczy, będąca przyczyną osuwania się mas ziemnych (rys. 3-6), następuje zawsze w wyniku przekroczenia wytrzymałości gruntu na ścinanie. Zasadnicze siły powodujące osuwanie się zboczy i skarp leżą po stronie:

– sił grawitacyjnych – ciężar gruntu i dodatkowa zabudowa,

– sił hydrodynamicznych wywołanych przepływem wody przez grunt,

– podniesieniem się zwierciadła wody gruntowej i nadmiernego nawilgocenia zbocza.

Do zjawisk osuwiskowych dochodzi jeszcze erozja powierzchniowa występująca po intensywnych deszczach szczególnie na powierzchniach pozbawionych roślinności.

Stąd też wyłania się podstawowy wniosek – za wszystkimi tymi zjawiskami stoi woda i człowiek.

Woda w swoim obiegu w przyrodzie jest najbardziej agresywnym czynnikiem wywołującym erozję gruntu. Czynnik ludzki natomiast poprzez nieprzemyślane swoje działania implikuje kolejne niekorzystne zjawiska.

Rys. 3 Osuwisko konsekwentne

Rys. 4 Osuwisko insekwentne

Zakres zniszczeń spowodowanych przez erozję jest bardzo zróżnicowany i zależy od energii kinetycznej wody, podatności gruntu na erozyjność deszczu, podatności konstrukcji skarp nasypów i wykopów, błędów lub oszczędności w trakcie rozpoznania gruntów, błędów projektowych i wykonawczych oraz zastosowanych technologii i materiałów.

Erozja jest więc procesem naturalnym, stanowiącym część cyklu geologicznego w całym systemie hydrologicznym zwanym denudacją, a nasze działania związane z ochroną przeciwerozyjną lub przeciwosuwiskową powinny iść w kierunku jedynie osłabiającym te procesy.

Stabilizacja skarp i osuwisk wymaga prawidłowego procesu prac studialnych i projektowych. Te z kolei powinny się opierać na analizach i badaniach, począwszy od dobrego rozpoznania warunków geotechnicznych i hydrogeologicznych z pomiarami zwierciadła wód gruntowych (nawierconych i ustabilizowanych) i kierunku ich przepływu. Do tego należy jeszcze dodać umiejętność interpretacji wyników i analiz, wymiarowania obiektów i statyki, obliczania stateczności ustrojów stabilizujących oraz granicznego pochylenia skarp.

Wszystko to sprawia, że stabilizacja skarp i osuwisk staje się zagadnieniem interdyscyplinarnym, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń.

Rys. 5 Osuwisko asekwentne

Rys. 6 Osuwisko sufozyjne

Sposoby zabezpieczania osuwisk

Powszechnie się uważa, że projektowane rozwiązanie powinno eliminować przyczyny wywołujące zagrożenie powstania osuwiska. Trzeba przy tym zwrócić uwagę, że stabilizacja osuwiska jest zazwyczaj kosztowna. Przy osuwiskach rozległych i głębokich korzystniejszym rozwiązaniem może się okazać zmiana trasy drogi, nasypu lub innej konstrukcji.

Przyczyną powstawania osuwisk jest również działanie wody. Dlatego też we wszystkich rozwiązaniach odwodnienie zbocza i uporządkowanie stosunków wodnych na terenie potencjalnego osuwiska jest działaniem priorytetowym.

Bezpośrednio po wystąpieniu osuwiska konieczne jest podjęcie niezwłocznych działań, których celem jest minimalizacja zniszczeń i zagrożeń. W zakres tych działań wchodzą m.in.:

– oznakowanie i inwentaryzacja osuwiska,

– ograniczenie ruchu i prędkości pojazdów,

– ujęcie i odprowadzenie wód gruntowych i powierzchniowych poza obszar objęty osuwiskiem,

– wypełnienie szczelin materiałem nieprzepuszczalnym,

– usunięcie gruntu nasuniętego na jezdnię lub torowisko,

– wykonanie tymczasowych zabezpieczeń.

Rys. 7 Hydrodynamiczna siatka filtracji w zboczu

Jako zabezpieczenie doraźne mogą być stosowane przypory, gabiony, kaszyce, gwoździowanie lub geosyntetyki i kotwie gruntowe. Należy jednak zaznaczyć, że tego typu działania mogą być skuteczne tylko w przypadku, gdy płaszczyzna poślizgu jest płytko położona, a osuwisko nie jest duże.

Niezależnie od przyjętego rozwiązania zabezpieczenia konstrukcyjnego osuwisk powinno się stosować uzupełniająco stabilizację powierzchniową skarp i zboczy. Ma ona na celu zabezpieczenie erozji, która mogłaby wystąpić wskutek działania czynników atmosferycznych. Jako stabilizację powierzchniową można stosować m.in. zabudowę biologiczną obejmującą:

– klasyczny obsiew trawą,

– hydroobsiew właściwie dobranych składem roślin (np. perzem),

– posadzenie specjalnie dobranych roślin (np. krzewów o mocnym systemie korzeniowym),

– utrwalenie powierzchni geosyntetykami,

– utrwalenie powierzchniowe środkami stabilizującymi,
– ażurowe płyty betonowe wypełnione gruntem.
Zabezpieczenia antyerozyjne na stokach lub skarpach mają kardynalne znaczenie.

Fot. 2, 3 Ostrogi drenujące (fot. autora)

Głównym czynnikiem wywołującym erozję powierzchniową i wgłębną są deszcze. Uderzenia kropel deszczu w nieosłonięty grunt powodują odspajanie jego cząstek i spłukiwanie ich przez wodę spływającą z wyższych połaci terenu. W przypadku dużych prędkości spływu występuje wzmożone odspajanie i spłukiwanie gruntu. Ubytek gruntu jest funkcją jego podatności na erozję i erozyjności opadu, jak również długości i pochylenia stoku. Często jedynym sposobem poprawiającym sytuację jest ochrona nieosłoniętego gruntu w postaci wszelkiego rodzaju zabezpieczeń.

Erozja gruntu na ogół nie towarzyszy robotom inżynieryjnym. Jednak jest faktem, że zdjęcie gruntu rodzimego jako naturalnego pokrycia, takiego jak humus lub wyższa szata roślinna – drzewa i krzewy, może spowodować ogromny wzrost prędkości erozji (tabl.).

Tabl. Ubytki gruntu zbocza zbudowanego z gliny pylastej o spadku 1:14

Przy opadach nawalnych wysokość słupa wody przybiera wartość 3-5 mm/min, a zdolność gruntów do wsiąkania wody to 0,07-0,2 mm/min (iły – piaski). W tych warunkach spływ powierzchniowy wystąpi już w pierwszych minutach opadu. Z reguły są to zjawiska erozyjne o dużych zakresach.

Konstrukcje odwadniające

W przypadku gdy siły zsuwające są większe niż przeciwdziałająca im przypora, należy rozpatrzeć możliwość zastosowania konstrukcji w postaci ostróg drenujących. Ostrogi te powinny być wypełnione materiałem kamiennym, zabezpieczone przed kolmatacją. Rozstaw między ostrogami nie powinien przekraczać wysokości skarpy. Ostrogi mogą stanowić równocześnie przyporę lub konstrukcję podtrzymującą skarpę.

Przypory dociążające

Dla skarp lub zboczy zbudowanych z gruntów słabych zazwyczaj się stosuje podparcie z wykorzystaniem zalet przypór z narzutu kamiennego, żwiru, pospółki lub piasku (materiałów o doskonałych właściwościach filtracyjnych). W tych przypadkach obowiązkowo należy zaprojektować ujęcie wód gruntowych i spływów powierzchniowych (rowy opaskowe na naziomie i systemy drenaży objętościowych z rowami u podstawy skarpy lub stoku).

Rys. 8 Przykłady przypór dociążających

Przypory filtracyjne

Zwykle przypory filtracyjne wykonuje się jako wąskoprzestrzenne wcinki, prostopadłe do skarpy lub stoku. Szerokość tych wcinek dochodzi do 2,0 m. Wypełnienie stanowi kamień łamany odizolowany od gruntu geowłókniną lub geotkaniną.

W tej technologii wymaga się również wykonania pełnego systemu odwodnienia.

Głębokość założenia przypór w celu pełnienia funkcji stabilizującej powinna być większa niż zasięg powierzchni poślizgu. Najczęściej przyjmuje się rozstaw przypór w granicach 8-16 m.

Rys. 9 Przekrój typowy przypory filtracyjnej

Zastrzyki iniekcyjne i iniekcja strumieniowa

Zabiegi te się stosuje w podłożu gruntowym lub skalnym w celu jego uszczelnienia i wzmocnienia. Iniekcje sprawdzają się we wszystkich rodzajach gruntów (mineralnych i antropogenicznych). Za pomocą iniekcji można formować bloki zeskalonego gruntu, palisady, przegrody, płyty, a nawet sklepienia. Przy bardzo dużych siłach zsuwających mogą one być dodatkowo zbrojone profilami stalowymi. Często się przyjmuje w obliczeniach ich zachowanie jak pali wielkośrednicowych, fundamentów masywnych, konstrukcji oporowych czy ścian szczelinowych.

Piotr Jermołowicz

Inżynieria Środowiska, Szczecin

Literatura

1. K. Furtak, A. Sala, Stabilizacja osuwisk komunikacyjnych metodami konstrukcyjnymi, „Geoinżynieria” nr 3/2005.
2. ITB, Instrukcje, wytyczne, poradniki nr 429/2007.
3. R. Jermołowicz, Geosyntetyki w drogownictwie, BTE nr 2, 1997.
4. R. Jermołowicz, Osuwiska – sposoby określania zasięgu, obliczanie stateczności i sposoby zabezpieczeń, materiały szkoleniowe, Podkarpacka OIIB, Rzeszów 2012.
5.  R. Jermołowicz, Zjawiska filtracji, przesięków i sufozji w budownictwie. Skuteczne systemy zabezpieczeń stateczności i odwodnienia, materiały szkoleniowe, Mazowiecka OIIB, Warszawa 2015.
6. R. Jermołowicz, Osuwiska, www. inzynieriasrodowiska.com.pl/Encyklopedia.
7. R. Jermołowicz, Sposoby zabezpieczeń osuwisk, www. inzynieriasrodowiska. com.pl/Encyklopedia.
8. R. Jermołowicz, Stabilizacja skarp i osuwisk, magazyn „Autostrady” nr 11/2014.
9. Materiały z Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej „Problematyka osuwisk w budownictwie komunikacyjnym”, Zakopane 2000.
10. Materiały z Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej „Problematyka osuwisk w budownictwie komunikacyjnym”, Zakopane 2009.
11. S. Risarczyk, Geoinżynieria, Metody modyfikacji podłoża gruntowego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2005.
12. J. Madej, Metody sprawdzania stateczności zboczy. Biblioteka Drogownictwa, WKiŁ, Warszawa 1981.