Kod izvršenih zemljanih objekata kao što su useci, nasipi, kanali i t. sl. često se događa da se oburvaju kosine kojima se ovi objekti završavaju. Međutim isto tako dešava se, da se i prirodna padina, na kojoj nisu rađeni nikakvi veštački radovi, takođe pokrene i to ponekad odjednom, gotovo trenutno i sa ogromnom snagom, rušeći i zatrpavajući sve ispred sebe, a ponekad vrlo polako. Ove pojave su već davno poznate i dugo vremena bile predmet obimnih proučavanja, naročito geoloških. U novije vreme one se proučavaju i geomehanički, sa ciljem da se na osnovu određenih fizičkih karakteristika tla odredi stabilnost zemljanih kosina u svakom pojedinom slučaju.
Uzroci kretanja zemljanih masa
Uslov za stabilnost svakog tla, bilo veštačkog zemljanog objekta ili prirodnog tla, je da postoji ravnoteža izmedu spoljnih sila i unutrašnjeg otpora tla. Spoljne sile su na prvom mestu sopstvena težina tla, koja je najčešće jedina spoljna sila, zatim svako drugo spoljno opterećenje koje deluje na kosinu, stalno ili pokretno. Unutrašnji otpor sastoji se kod vezanog tla iz kohezije i trenja, a kod nevezanog samo iz trenja.
Sl. 1. Kosina nasipa od nevezanog tla
Ako posmatramo nasip visine h od potpuno nevezanog tla, na primer od suvog zbijenog peska, utvrdićemo da je kosina tog nasipa nagnuta pod uglom β prema horizontali (sl. 1). Veličina ugla β zavisi od više faktora kao što su krupnoća zrna, oblik zrna i zbijenost. Ako visinu nasipa h povećavamo na h1, h2 itd. sa istim nevezanim materijalom iste zbijenosti, ugao β neće se menjati, kosina nasipa ostaće pod istim nagibom do neograničene visine h. Za dato nevezano tlo ugao prirodnog nagiba β je nezavisan od visine kosine h. Veličina ugla β kod nevezanog tla zavisi od ugla unutrašnjeg trenja tla φ i usvaja se da je nešto manji od njega, ili da mu je jednak, β ≤ φ.
Sl. 2. Kosina useka u vezanom tlu
Ako posmatramo usek izrađen u vezanom tlu, utvrdićemo da se kosina useka drži pod jačim nagibom 1:m, tj. pod većim uglom β zbog toga, što je unutrašnji otpor vezanog tla povećan kohezijom, koja kod suvog peska ne postoji (sl. 2). Kod pojedinih vrsta tla, kao što je na primer suvi les, kohezija može povećati unutrašnji otpor u toj meri, da se tlo može držati sa vertikalno usečenom stranom, tj. pod uglom β = 90°. Međutim ako povećavamo visinu useka h u vezanom tlu na h1, h2 itd., ugao nagiba kosine useka β mora se smanjiti da bi se kosina održala u stabilnosti. Za svaki ugao nagiba β kosine useka u datom vezanom tlu postoji jedna kritična visina hc. Ako ovu visinu prekoračimo, kosina AB neće se održati u ravnoteži i skliznuće po nekoj površini klizanja CD (sl. 3). Klizanje je nastalo usled poremećaja ravnoteže između spoljne sile, sopstvene težine zemljane mase i unutrašnjeg otpora, koji nije više bio dovoljan da se suprotstavi povećanoj spoljnoj sili, tj. povećanoj težini zemljane mase nastaloj usled povećanja visine kosine h.
Sl. 3. Klizanje kosine useka u vezanom tlu
Iz prednjeg proizlazi, da se kod vezanog tla ne može usvojiti ugao prirodnog nagiba tla kao konstantna vrednost za dato tlo, pošto njegova vrednost pri svima ostalim istim uslovima zavisi od visine kosine i opada sa povećanjem ove visine. Međutim ona se često usvaja za kosine malih visina kao konstantna vrednost, zavisna od ugla unutrašnjeg trenja tla φ.
Poremećaj ravnoteže može nastati i bez povećanja visine useka h, na primer kada se smanjuje unutrašnji otpor tla. Elementi unutrašnjeg otpora vezanog tla, kohezija i trenje, vrlo su promenljivi i zavisni od količine vode u tlu. Zbog toga u mnogim slučajevima uzrok klizanja je prezasićenost vodom vezanog tla, koja može biti tako velika, da tlo nije više u stanju samo sebe da nosi ni pod kakvim nagibom, već kliza usled sopstvene težine.
Sl. 4. Klizanje tla usled obrazovanja kliznih površina
Postoje razni slučajevi klizanja tla usled smanjenja unutrašnjeg otpora, od kojih ćemo ovde navesti nekoliko karakterističnih.
a) Obrazovanje kliznih površina. Ako se ispod površinskog sloja propustljivog tla nalazi nepropustljivi sloj gline u nagibu (sl. 4a), ili ako se u sloju gline nalazi nagnuti proslojak peska (sl. 4b), u koji može dospeti atmosferska ili površinska voda (na primer iz zapuštenog jarka za odvodnjavanje), može doći do klizanja terena. Kroz propustljivi sloj prolazi veća količina vode do sloja gline, koju jako raskvašuje smanjujući njen otpor na površini, na kojoj nastaje klizanje gornjeg sloja.
b) Poremećaj ravnoteže u tlu prosecanjem useka. Prosecanjem useka kod izrade željezničkih pruga i puteva, poremećuje se dotadanje stanje ravnoteže, jer u prosečnom profilu tlo ostaje bez uporišta i ima tendenciju kretanja naniže usled gravitacije. Stanje ravnoteže u tlu može ipak i dalje da se održi ako je unutrašnji otpor tla dovoljno veliki da se suprotstavi ovoj tendenciji, što je moguće i u slučaju kada se usečeno tlo sastoji iz jako nagnutih slojeva prema useku.
Sl. 5. Klizanje terena usled izrade useka u slojevitom tlu
Međutim ako su usečeni slojevi od naizmenično nepropustljivog i propustljivog tla (sl. 5), postoji mogućnost ispiranja propustljivog tla i raskvašavanja nepropustljivog tla, na kome može nastati klizanje.
c) Nehomogenost tla. Tanki slojevi nepropustljivog materijala u nasipu od propustljivog tla, tzv. glinena sočiva (sl. 6), mogu takođe prouzrokovati klizanje, ako do njih dospe veća količina vode i obrazuje kliznu površinu.
Sl. 6. Slučaj klizanja nasipa usled nehomogenog sastava
d) Dejstvo mraza. Pod dejstvom mraza vrši se nagomilavanje vode u površinskom sloju u obliku ledenih sočiva. Prilikom otkravljivanja, ledena sočiva se pretvaraju u vodu koja prezasićuje tlo do dubine dejstva mraza, usled čega ono postaje tečna masa i gubi svoju stabilnost.
Ovaj slučaj dešava se samo kod tla opasnog na mrazu i to pri dužem trajanju mraza, jer je potrebno dosta vremena za obrazovanje ledenih sočiva.
e) Spuštanje nivoa podzemne vode. Pri trajnom spuštanju nivoa podzemne vode, na primer usled preduzimanja radova u tlu, nastaje sušenje tla i ako je to glina koja ima veliko bubrenje, pojavljuju se pukotine u njoj. U ove pukotine, koje mogu biti dosta široke i duboke, ulazi površinska i atmosferska voda u većim količinama, raskvašuje tlo i smanjuje njegov unutrašnji otpor što takođe može dovesti do klizanja terena.
Postoje još i mnogi drugi slučajevi klizanja terena, tako da se može smatrati, da svako koherentno tlo može pod izvesnim okolnostima u većoj ili manjoj meri izgubiti unutrašnji otpor i pod dejstvom spoljnih sila staviti se u pokret.
Nekoherentno tlo je stabilno sve dotle dok je ugao nagiba kosina manji od ugla unutrašnjeg trenja tla. Kod ove vrste tla do klizanja dolazi samo ako je ugao nagiba kosine veći od ugla unutrašnjeg trenja. Međutim ako se radi nasip od nevezanog materijala na glinovitom tlu, može doći do klizanja glinovitog tla i rušenja nasipa, te je potrebno proveriti stabilnost.
Ispitivanje stabilnosti zemljanih kosina
Oblik klizne površine
Uslov ravnoteže između spoljnih sila i unutrašnjeg otpora tla postavio je Coulomb svojom jednačinom
τ ≤ c + σ tgϕ
gde je τ smičući napon tla, c kohezija, σ normalni napon na površinu klizanja, ϕ ugao unutrašnjeg trenja.
Ako unutrašnji otpor tla, kohezije c i trenje σ tgϕ nisu dovoljni da se suprotstave smičućem naponu tla, nastaje klizanje po nekoj kliznoj površini u unutrašnjosti tla. Postoje različiti oblici kliznih površina, koji zavise od fizičkih osobina tla, slojevitosti, vlažnosti, spoljnog opterećenja i drugih faktora.
Prema položaju razlikuju se sledeći tipični slučajevi klizanja:
Sl. 7. Tipični slučajevi klizanja tla
a) Klizanje vertikalnih strana useka. Kod kanala za vodovod, kanalizaciju, i sl., koji se kopaju sa vertikalnim bočnim stranama (sl. 7a), ako se prekorači kritična visina hc, koja zavisi od fizičkih osobina tla, nastaje klizanje po površini ADC. Ova klizanja obično nisu na celoj dužini kanala, već su mestimična, što se tumači neravnomernom čvrstoćom smicanja tla.
b) Delimična klizanja kosine (sl. 7b). Ova klizanja često se pojavljuju u proleće na usecima železničkih pruga i puteva i posledica su prezasićenosti tla vodom.
c) Nožično klizanje kosine (sl. 7c). To je klizanje cele kosine useka ili nasipa do nožice C.
d) Podnožično klizanje kosine (sl. 7d). To je klizanje cele kosine useka ili nasipa i tla ispod nožice. Ovo klizanje naziva se još lom podloge ili švedski lom, po Šveđanima koji su ga prvi opisali.
U pogledu oblika klizne površine, može se tvrditi samo toliko, da površina klizanja u vezanom tlu nije prava, već da je to kriva površina. Pojedini autori usvajaju kao oblik klizne površine kružni luk (Fellenius), logaritamsku spiralu (Rendulić) ili kombinaciju ovih krivih linija (Brinch Hansen).
Dejstvo filtracije vode na stabilnost kosine
Ako se ispred kosine nalazi spoljna voda sa nivoom N1 (sl. 8), u tlu iza kosine nastaje strujanje vode, koje prouzrokuje unutrašnji pritisak vode u porama, usled čega se smanjuje trenje između čvrstih čestica i povećava napon smicanja u tlu.
Ako je nivo N1 vode ispred kosine stalan, vodeni stub H*γW prouzrokuje pritisak vode u porama tla, koji smanjuje trenje između čvrstih čestica, usled čega se povećava opasnost klizanja kosine. Međutim kada je nivo N1 stalan, pritisak vodenog stuba H*γW potiskuje čvrste čestice prema unutrašnjosti tla, zbog čega se u izvesnoj meri smanjuje opasnost klizanja kosine. U ovom slučaju, kod stalnog nivoa vode N1 ispred kosine, postoji opasnost klizanja nizvodne kosine, jer dejstvo filtracije vode u tlu prouzrokuje potiskivanje čvrstih čestica u pravcu spoljne strane nizvodne kosine.
Sl. 8. Dejstvo filtracije na stabilnost zemljane kosine
Ako nivo spoljne vode naglo opada sa nivoa N1 na N2 onda je i stabilnost uzvodne kosine ugrožena. U tom slučaju nastaje strujanje unutrašnje vode u porama prema spoljnoj strani uzvodne kosine, potiskujući čvrste čestice prema toj strani.
Zbog svega toga, ako je zemljana kosina potopljena u vodu, treba kod ispitivanja stabilnosti kosine uzeti u obzir i dejstvo filtracije vode.
Dejstvo filtracije vode u tlu zavisi od više faktora, među kojima su najvažniji propustljivost tla, hidrostatički pritisak spoljne vode, brzina opadanja nivoa spoljne vode i homogenost tla.
Ako pretpostavimo da je nasip na sl. 8 od homogeno izotropne mase, pod dejstvom hidrostatičkog pritiska spoljne vode nivoa N1 nastaće strujanje vode u porama nasipa u pravcu nizvodne kosine, pri čemu će nivo podzemne vode u nasipu opadati sa pređenom dužinom puta. Ako u nasip uvedemo piezometarske cevi AA', BB' i CC' (sl. 9), porna voda pod dejstvom hidrostatičkog pritiska ući će u ove cevi i popeće se do nivoa N1, koji može biti isti u svima cevima, ako su tačke A, B i C tako odabrane, da visine vodenog stuba u cevima budu h1, h2 i h3.
Sl. 9. Ekvipotencijalne i stujne linije
Ako označimo sa h visinu izdizanja nivoa vode N1 u odnosu na neku proizvoljno izabranu ravan O-O, onda je potencijal h za sve 3 tačke, A, B i C isti. Linija koja vezuje ove tri tačke je ekvipotencijalna linija. Podzemna voda u tlu ne može teći po toj liniji, već samo u pravcu tačaka sa nižim potencijalom.
Na sličan način možemo odabrati u istoj masi tačke D, E i F sa nižim potencijalom h ― Δh. Linija koja spaja ove tri tačke je ekvipotencijalna linija potencijala h ― Δh. Strujanje vode od tačke A ekvipotencijalne linije ABC ka nekoj beskonačno bliskoj tački D ekvipotencijalne linije DEF postojaće u pravcu najvećeg hidrauličkog pada imax, tj. u pravcu najmanjeg odstojanja Δlmin = AD. To znači da je linija AD po kojoj voda struji upravna na obe ekvipotencijalne linije, jer je
imax = Δh / Δlmin
pri čemu je Δlmin normala na obe ekvipotencijalne linije. Te normale na ekvipotencijalne linije su pravci vodenog toka u propustljivoj masi i zovu se strujne linije. Zajednica ekvipotencijalnih i strujnih linija, među sobom upravnih jedne na druge, obrazuje mrežu strujanja.
Mreže strujanja imaju različit oblik prema propustljivosti mase. Najčešći je slučaj nasipa od propustljive mase na nepropustljivom tlu, odnosno na tlu koje se može učiniti nepropustljivim (sl. 10). U ovom slučaju, ako je nivo spoljne vode stalan, strujne linije su u svom srednjem delu parabole.
Sl. 10. Mreža strujanja u propustljivom nasipu na nepropustljivom tlu
Kod uzvodne kosine parabole se spajaju sa linijama upravnim na kosinu, koja predstavlja ekvipotencijalnu liniju, jer pri stalnom nivou N1 voda ne struji niz kosinu. Kod nizvodne kosine parabole se završavaju tangencijalno na kosinu, koja nije ni ekvipotencijalna ni strujna linija. Površina nepropustljivog tla ispod nasipa je strujna linija, jer voda pri dnu nasipa struji paralelno sa ovom površinom. U gornjem delu mreža strujanja završava se osnovnom parabolom zvanom linija procedivanja, koja predstavlja granicu tla pod dejstvom filtracije. Ispod ove granice je tlo pod dejstvom filtracije usled hidrostatičkog pritiska spoljne vode H*γW dok u tlu iznad nje nema filtracije. Linija proceđivanja zove se još linija zasićenja, pošto se usvaja da je tlo ispod nje potpuno zasićeno vodom, dok je iznad nje delimično zasićeno.