Upload
ngohuong
View
236
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
1
Održavanje pokosa kosina iskopanih u mekoj stijeni
Maintenance of Slope Surfaces Excavated in Soft Rock
Predrag Miščević1, Goran Vlastelica
2, Daša Salvezani
3
1,2,3Sveučilište u Splitu, Fakultet građevinarstva, arhitekture i geodezije, Matice hrvatske 15, Split
E-mail: [email protected];
2goran.vlastelica@ gradst.hr;
3dasa.salvezani@ gradst.hr
Sažetak. Neposredno nakon iskopa meke stijene imaju dostatnu čvrstoću da se i gotovo vertikalni zasjeci u njima
mogu proračunski dokazati stabilnim. Međutim kada se te površine ostave djelovanju okoline kao što su: sušenje
uslijed djelovanja sunca, vlaženje nakon oborina, grijanje i hlađenje, zamrzavanje i odmrzavanje, na njima se
počinje razvijati proces rastrošbe (eng. "weathering"). Posljedica procesa rastrošbe je promjena čvrstoće meke
stijene, koja se očituje u kontinuiranoj eroziji površine pokosa ali i pojavi klizišta i odrona blokova. Oba procesa
ugrožavaju funkcionalnost objekata koji se nalaze u podnožju takvih kosina, te se javlja problem kontinuiranog
održavanja. U praksi se ovaj problem rješava po inerciji na način da se ukloni pokrenuti materijal. Međutim, s
ovakvim pristupom otvara se mogućnost daljnjeg pokretanja čak i veće mase materijala, pa je tako na primjer
dionica Jadranske magistrale Split-Omiš u zadnjih desetak godina u više navrata bila zatvorena zbog klizanja veće
mase na kosinama iskopanim u flišu. Kako onda definirati postupak održavanja pokosa u mekim stijenama? U tim
materijalima ključno je spoznati problem procesa rastrošbe, te već u projektiranju predvidjeti rješenja koja će
onemogućiti razvoj rastrošbe na pokosima. Minimalne troškove održavanja najjednostavnije je postići upotrebom
projektnih rješenja koja onemogućuju razvoj procesa rastrošbe. Moguća rješenja su: oblikovanje kosine s blažim
nagibom pokosa, tretiranje postupkom koji će omogućiti razvoj vegetacije na površini, te "zatvaranje" površine
pokosa s rješenjem koje će onemogućiti sušenje i vlaženje materijala kao što je lapor. U radu se prikazuju primjeri
mogućih rješenja zaštite pokosa sa svrhom zaustavljanja procesa rastrošbe, te komentiraju njihove prednosti i
nedostaci.
Ključne riječi: rastrošba, meka stijena, kosina, održavanje
Abstract. After excavation, material classified as soft rock has enough strength that the almost vertical cuts made
in it can be verified with calculation as stable. However, if the cut is exposed to environmental effects such as
drying and wetting (influence of sun and rain), heating and cooling, freezing and thawing, a weathering process
starts to develop on the surface of the cut. Weathering causes a quick degradation of strength of the soft rock which
manifests as a constant erosion of the slope surface and/or development of slides or rockfalls. Both processes
jeopardize the functionality of facilities located at the bottom of the slope, therefore additional maintenance
appears as a new problem. Usual maintenance approach is to remove the eroded material accumulated at the slope
bottom. Nevertheless, as it can be observed from everyday practice, when this approach is used over a longer time
period larger amount of material can start to move and effect serviceability of the road or even complete closure.
As an example, the cuts on the Adriatic coastal road Split-Omiš can be observed. This road has been closed several
times in the last decade by larger slides and rockfalls in flysch rock mass. So the question is how to properly define
maintenance of slopes excavated in material such as these according to previously mentioned problems?
Recognizing the problem of weathering in soft rock is of the utmost importance, only then the implementation of
proper design solutions that prevent weathering of the cuts can be found. Minimum cost of maintenance can be
achieved only with solutions that prevent the development of weathering process. Possible solutions are: choosing
the appropriate slope dip, covering the slope surface with construction materials that enable the growth of a
vegetation cover, or covering the slope surface with construction materials that will prevent wetting and drying of
the surface of the cut. In this paper examples of surface protection measures are presented and their advantages and
disadvantages discussed.
Key words: weathering, soft rock, slope, maintenance
1 Uvod
Na kosinama iskopanim u mekim stijenama (eng.
"soft rock") vrlo često se u razdoblju korištenja tih
konstrukcija javljaju procesi degradacije površine i
lokalna klizanja, što utječe na sigurnost i cijenu
održavanja objekata koji se nalaze u podnožju tih
kosina, ali i na stabilnost objekata na vrhu kosine.
Iskopi u takvim pretežno glinovitim stijenama (kao
što su lapori, siltiti, muljnjaci, šejlovi, glinjaci,...)
izvodite se miniranjem ili pomoću teških pneumatskih
čekića. Međutim, svježe iskopane kosine podložne su
2
vrlo brzom razvoju rastrošbe, te se na njima unutar
razdoblja od nekoliko mjeseci do nekoliko godina, što
predstavlja razdoblje korištenja tih konstrukcija (eng.
"engineering period of time"), započinje razvijati
proces razlaganja stijene kako na površini kosine tako
i kroz unutrašnjost mase. Ti procesi se mogu uočiti na
mnogim prirodnim kosinama i kosinama iskopanim u
flišnim naslagama koje pretežno grade lapori na
području Dalmacije.
Svojstva glinovitih stijena i njihovo ponašanje u
vremenu kada su izložene vanjskim utjecajima na
izvedenim zasjecima, značajno je uvjetovano
njihovim mineraloškim sastavom, poviješću
predkonsolidacije, sastavom veznog materijala u
strukturi, stupnjem cementacije, te teksturom stijene.
Voda ima ključnu ulogu u promjeni svojstava tih
pretežno glinovitih stijena, i to u procesima sušenja i
vlaženja, smrzavanja i otapanja, te raznih kemijskih
procesa. Taj utjecaj se očituje u razlaganju veznog
materijala iz strukture glinovitih stijena, te u
razlamanju materijala u manje fragmente, odnosno,
istovremenom razvoju procesa fizikalne i kemijske
rastrošbe (Miščević i Vlastelica, 2012).
Fizikalna rastrošba se očituje raspucavanjem
materijala uslijed razvoja pukotina, te disolucijom na
samoj površini u dodiru s vodom. Iskopom nove
površine kod naslaga koje su formirane u tanjim
slojevima, međuslojne pukotine postaju izložene
djelovanju vanjskih utjecaja. To su oslabljene plohe
po kojima se najlakše odvajaju fragmenti, ali uzduž
njih vanjski utjecaji (voda) najlakše prodiru u dubinu
stijene. Naglim upijanjem vode u pukotini se razvija
tlak koji dovodi do kalanja (eng. "slaking") materijala,
a time i do produžavanja pukotina. Također,
oslobađanje naprezanja inducirano uklanjanjem dijela
materijala kod iskopa (rasterećenje), uzrokuje pojavu
razvoja novih pukotina (listrične pukotine). Razvoj
novih pukotina ubrzava fizikalnu rastrošbu i
omogućava dublji prodor utjecaja kemijske rastrošbe.
Martinez-Bofill i dr. (2004) su na primjerima
mekih stijena u Španjolskoj, kao i Yavuz i dr. (2006)
na primjerima mekih stijena u Turskoj, ukazali i na
značajan utjecaj smrzavanja na brzinu procesa
dezintegracije. To opet ukazuje na utjecaj vode.
2 Oblici degradacije pokosa
Rastrošba na pokosima uzrokuje nekoliko oblika
degradacije površina. U prvom redu rastrošba se
odvija na samoj površini, što stvara sloj degradiranog
materijala na pokosu. Krajnji proizvod rastrošbe
lapora je prašinasti materijal koji ima značajno slabiju
posmičnu čvrstoću od svježe iskopanog lapora. Takav
sloj debljine nekoliko centimetara zahvaćaju procesi
površinske erozije i odnose sa površine. Površinska
erozija se najčešće javlja kao posljedica toka
oborinske vode po površini. Slika 1 je primjer
površinske erozije pokosa zasjeka u naslazi fliša uz
Jadransku magistralu u Podstrani.
Slika 1 Rastrošba i erozija pokosa zasjeka (Jadranska
magistrala – Podstrana)
Materijal s površine pokosa, uslijed djelovanja
gravitacije i vode koja teče po površini, transportira se
u podnožje pokosa. Na taj način oslobađa se nova
površina koja je izložena djelovanju rastrošbe i proces
kontinuirano traje.
Slika 2 je primjer osmatranja gubitka materijala na
zasjeku u flišnoj naslazi (pretežno lapori). Gornja
slika prikazuje osmatrani pokos, a donja predstavlja
analiziranu usporedbu osmatranja u razmaku od 6
mjeseci. Skeniranje površine izvršeno je terestičkim
laserskim skenereom (Lidar-om) ILRIS 3D, a obrada
rezultata računalnim programom Polyworks v12.0. Na
skali desno može se uočiti da je "debljina" površine
koja je pokrenuta s pokosa oko 2-4 cm (zelena boja),
lokalno i do 10 cm u vidu manjih odrona (svijetlo
plava boja). Pri dnu zasjeka može se uočiti povećanje
deponiranog materijala u debljini od 10 do 20 cm
(žuta do narančasta boja). Debljina sloja materijala
koji se rastroši i transportira s površine nije
konstantan. Ta veličina ovisi o: broju sušnih i vlažnih
razdoblja u promatranom intervalu vremena; količini i
intenzitetu oborina; nagibu kosine; izloženosti pokosa
djelovanju sunca; svojstvima meke stijene u svježem
nerastrošenom stanju; itd.
Deponirani materijal u podnožju pokosa može
ugroziti sigurnost prometa ako dospije na prometnicu,
ili može ugrožavati funkcionalnost drugih objekata
koji se nalaze u podnožju pokosa. Slika 3 je primjer
deponiranja materijala uz zasjek koji ugrožava
3
sigurnost prometa. Iako se odronjeni materijal
redovito čisti, kod većih oborina mješavina vode i
ovog materijala redovito stvara klizavi sloj na površini
prometnice.
Slika 2 Fotografija osmatranog zasjeka i prikaz
usporedbe snimanja geodetskog snimanja površine
zasjeka terestičkim laserskim skenerom (Lidar-om)
u razmaku od 6 mjeseci
Slika 3 Deponirani materijal u podnožju pokosa koji
voda i gravitacija nose na prometnicu
Drugi oblik degradacije površine pokosa je
prodiranje procesa rastrošbe kroz pukotine u dubinu
meke stijenske mase. Slabljenje po pukotinama
dovodi do odvajanja većih i manjih volumena
stijenske mase, koji se mogu pokrenuti u vidu manjih
odrona blokova ili pojave većih klizišta. Slika 4 je
primjer razvoja pukotina po kojima će se pokrenuti
dio stijenske mase na kosini. Ispod ovog zasjeka
dnevno prolazi više tisuća vozila, ali zbog problema s
privatnim vlasništvom i pored upozorenja nadležnim
tijelima nema intervencije. Hrvatske ceste dobivaju
sredstva za sanaciju tek kada problem nastupi. Slika 5
je jedan od primjera pokrenutih klizišna na Jadranskoj
magistrali na dionici od Splita do Omiša. Kao
posljedica ovakvih klizanja promet je u prekidu i
nekoliko dana.
Slika 4 Primjer razvoja pukotina u stijenskoj masi na
zasjeku uz prometnicu
Slijedeći oblik degradacije pokosa se može opisati
kao diferencijalna rastrošba (eng. "differential
weathering"), Admassu i dr. (2012). Slojevi
pješčenjaka unutar strukture slojeva fliša nisu
podložni procesu rastrošbe istom brzinom kao lapori.
Rastrošbom slojeva lapora ispod i iznad sloja
pješčenjaka, lapor se dezintegrira i postepeno biva
uklonjen djelovanjem gravitacije i oborina. Izdanci
slojeva pješčenjaka ostaju na kosinama poput
"konzole", te kada duljina konzole postane dovoljno
velika, uslijed djelovanja savijanja odvajaju se
blokovi i nastaje odron koji ugrožava prostor ispod
kosine. Slika 6 je primjer formirane konzole uslijed
diferencijalne rastrošbe.
4
Slika 5 Primjer klizišta na zasjeku formiranom u flišu
uz prometnicu
Slika 6 Formiranje konzole uslijed diferencijalne
rastrošbe
Slika 7 Djelovanje korijenja stabla na pokosu. Strelice
označavaju pokrenuti dio mase i razvoj pukotina
Meke stijene mogu biti podloga za rast nekih vrsta
biljaka, što za posljedicu može imati još jedan oblik
degradacije pokosa. Takve biljke u pravilu razvijaju
korijenje uzduž pukotina u stijenskoj masi jer je tu
uvijek veća vlažnost, a koju biljke trebaju. Debljanjem
korijenja u pukotini uslijed rasta biljke (npr. stabla),
korijen djeluje kao klin koji "izbija" dio stijenske
mase. Ovim procesom, ako se ostavi da biljka
nesmetano raste, proces se produbljuje. Ako se biljka
ukloni, korijenje propada i ostaje šupljina po kojoj se
dio mase opet odvaja. Slika 7 je primjer gdje dio
stijenske mase na pokosu uz prometnicu pridržava
korijenje stabla koje se tu razvilo. Kakvim
proračunom dokazati dostatnu stabilnost ovakve
situacije?
3 Primjeri načina zaštite pokosa s gledišta
održavanja
Zbog uštede u količini iskopa u dosadašnjoj praksi
uvriježilo se način oblikovanja zasjeka na način da se
dokazuje njihova stabilnost s parametrima mekih
stijena koje one imaju u „svježem“ stanju neposredno
nakon iskopa. Takvim proračunima dokazuje se da su
zasjeci i s gotovo vertikalnim nagibima stabilni.
Ponekad takve nagibe uvjetuju i imovinski odnosi s
zemljištem neposredno uz prometnice (ne smije se
zadirati u tuđe vlasništvo), te visina zasijecanja. Takva
„logika“ u stvari dovodi do situacije da se gledano u
razdoblju korištenja prometnice, ne dobivaju
najjeftinija rješenja s gledišta njihovog održavanja.
Praksa je pokazala, da ako se u mekim stijenama,
kao što su lapori, mogu izvesti zasjeci s nagibima koji
su manji od 1:1 (Roje Bonacci T., 1998), tada se na
pokosu takvog zasjeka može formirati vegetativni
pokrov. Vegetacija se može razviti prirodno ili se
planski može zasaditi. Vegetacija sa svojim
korijenskim sustavom na površini stvara stabilan sloj
koji zatvara mogućnost razvoja rastrošbe u dubinu
meke stijenske mase. Ne preporučuje se sadanja
visokih biljaka/ stabala koje razvijaju korijenje u
veliku dubinu, jer to korijenje kao što je objašnjeno u
poglavlju 2, može uzrokovati odlamanje blokova.
Slika 8 je primjer pokosa koji je s obzirom na eroziju
površine uzrokovane rastrošbom, stabiliziran na
prirodan način razvojem vegetacije. Takve kosine ne
zahtijevaju značajne radove na održavanju, osim
uređenja vegetacije po potrebi.
Ako se na zasjecima s nagibom većim od približno
1:1 želi postići razvoj vegetacije, tada je potrebno
postaviti sustav koji će onemogućiti odnošenje
površinskog sloja na pokosu. Najčešće se za tu
namjenu koriste travne rešetke (betonske ili plastične).
Međutim kod većih nagiba, visina njihovog
postavljanja ograničena je čvrstoćom ovih elemenata
(gnječenje zbog pritiska). Moguće rješenje tog
problema je postavljanje nosivih greda po površini, ali
5
je tada te grede potrebno pričvrstiti (sidriti) u stijensku
masu što povećava cijenu zaštite.
Slika 8 Prirodni razvoj vegetacije na kosinama s
nagibom manjim od 1:1
Slika 9 Degradirani materijal s površine pokosa prolazi
kroz zaštitnu mrežu
Načini zaštite koji su preuzeti iz rješenja za čvrstu
stijensku masu također imaju svojih nedostataka.
Pokrivanje pokosa mrežama sa svrhom zadržavanja
pokrenutog materijala ima nedostatak što se uslijed
rastrošbe meka stijena dezintegrira u male komade
koji lako prolaze kroz mrežu. Slika 9 je ilustracija
takvog nedostatka. Iako je mreža zadržala dio mase,
veći dio je prošao kroz nju.
Zadržavanje pokrenutog materijala sa površine u
dnu pokosa je privremeno rješenje, koje zahtijeva
kontinuirano održavanje. Slika 10 je primjer
konstrukcije od gabiona kojom se prihvaća pokrenuti
degradirani materijal sa svrhom da taj materijal ne
dospije na prometnicu.
Kod odvajanja većih blokova moguće je primijeniti
rješenja koja se koriste za čvrste stijene. Odabir tipa
zaštitnih mreža koje trebaju prihvatiti pokrenute
blokove može se izvršiti ovisno o očekivanoj veličini
bloka, nagibu kosine, obliku kosine, elastičnosti
podloge/stijene (odskok) i visini kosine. To su sve
elementi kojima se određuje energija koju blok može
dobit gibanjem niz kosinu uslijed djelovanja
gravitacije. Iz tog razloga zaštitne mreže koje se nude
na tržištu su podijeljene u energetske razrede. Autori
ovog teksta smatraju da priručna inženjerska rješenja
ovih konstrukcija mogu biti vrlo opasna. Slika 11 je
primjer jedne takve krute zaštitne.
Slika 10 Gabionska konstrukcija za prihvaćanje
pokrenutog degradiranog materijala s površine
pokosa
Slika 11 Kruta zaštitna mreža; strelica pokazuje
oštećenje nastalo od udara manjeg bloka
Mreža iz prethodnog primjera nema elemenata koji
omogućuju savijanje i istezanje, što znači da udar
pokrenutog bloka prima kao kruta konstrukcija bez da
se dio energije koju blok ima smanji odnosno utroši
kod istezanja mreže ili savijanja njenih elemenata.
Takve konstrukcije mogu zaustaviti samo blokove s
vrlo malom energijom. Kada na njih naiđu blokovi
koji predaju veću energiju udara, tada zbog krtog
loma konstrukcije, postoji mogućnost da se prema
prometnici nastave gibati i blok i mreža. S gledišta
održavanje takvo rješenje je vrlo nepovoljno (odšteta
6
za oštećena materijalna dobra ili živote ljudi ako
padne na vozila).
Kada je za potrebe stabilizacije odabranog nagiba
potrebno koristiti potpornu konstrukciju (npr.
armirano betonski potporni zid, gabionska
konstrukcija) ili sustav geotehničkih sidara i mlaznog
betona, tada je moguće takvim konstrukcijama riješiti
i oba utjecaja rastrošbe, i pokretanje degradiranog
materijala s površine i djelovanje rastrošbe u dubinu
koja može dovesti do odlamanja blokova po
pukotinama. Ovakve konstrukcije ne zahtijevaju
posebno održavanje, ali s gledišta izrade su financijski
najnepovoljnije. Subjektivni stav autora teksta je da i
velike površine pokosa pokrivene mlaznim betonom
ne predstavljaju dobro rješenje s estetskog gledišta
(uklapanje u okoliš).
Slika 12 Kosina stabilizirana sustavom geotehničkih
sidara, mlaznog betona i potporne konstrukcije
(armirano betonski zid i gabioni)
Slika 12 je primjer kosine stabilizirane sustavom
geotehničkih sidara i mlaznog betona na površini,
kombiniranog s potpornim zidom također
stabiliziranim geotehničkim sidrima. Ovakva rješenja
potrebno je upotpuniti s rješenjem odvodnje
procjednih voda. Ako se procjedne vode ne odvode
kontrolirano, moguć je razvoj rastrošbe na dodirnoj
plohi između mlaznog betona i stijenske mase, te
potporne konstrukcije i stijenske mase. Razvoj
rastrošbe na tim plohama je nešto sporiji nego na
otvorenoj površini pokosa, ali u konačnici može
dovesti do pokretanja mlaznog betona s površine jer
se gubi dodirno trenje s podlogom.
4 Zaključak
S gledišta dugoročnog održavanja pokosa
formiranih u mekim stijenskim masama, ali i s
gledišta dugoročne stabilnosti kosina, kod
projektiranja takvih kosina potrebno je uključiti
rješenja koje će onemogućiti razvoj rastrošbe kako na
površini kosine tako i u dubini kosine.
Rješenja s kontinuiranim čišćenjem pokrenutog
materijala nastalog rastrošbom nisu pogodna s gledišta
sigurnosti korištenja. Na primjer već male količine
degradiranog lapora pomiješane s vodom (oborine),
mogu stvoriti klizavi sloj ako dospiju na kolnik
prometnice i time ugroziti sigurnost prometa. Veći
odvojeni blokovi su izravna prijetnja sigurnosti
prometa.
Rješenja kojima se onemogućava razvoj procesa
rastrošbe treba odabrati na osnovi nekoliko
jednostavnih principa. Za razvoj rastrošbe potrebna je
voda. Iz tog razloga procjednu i oborinsku vodu treba
kontrolirano prikupiti i odvoditi s kosine. Razvoj
rastrošbe najintenzivnije uzrokuju procesi sušenja
/vlaženja, grijanja/hlađenja, zamrzavanja
/odmrzavanja. Iz tog razloga pokos je potrebno
prekriti/zatvoriti rješenjem koje će usporiti ili
onemogućiti te procese (prskani beton, betonska
konstrukcija, gabioni, travne rešetke, vegetativni
pokrov...). Svako od navedenih rješenja ima svoje
prednosti, ali i ograničenja i nedostatke kao što je to
opisano u tekstu.
Literatura
Admassu Y., Shakoor A., Wells N. A. (2012) "Evaluating
selected factors affecting the depth of undercutting in
rocks subject to differential weathering", Engineering
Geology, 124 (2012), pp 1–11.
Martinez-Bofill J., Corominas J. & Soler A. (2004)
"Behaviour of the weak rock cut slopes and their
characerization using the results of the slake durability
test", Proc. "Engineering geology for infrastructure
planning in Europe – a Europian perspective",
Springer-Verlag, pp 405-413.
Miščević P. & Vlastelica G. (2012) “Stabilnost u vremenu
kosine iskopane u laporu”, Građevinar, Vol. 64, No. 6,
pp 451-461.
Roje Bonacci, T. (1998) "Parameter changes after
weathering of soft rock in flysch", Proc. Second Int.
Sym. on hard soils-soft rocks, Eds. A. Evangelista and
L. Picarelli Rotterdam: A.A. Balkema, Naples, Italy,
12-14 October 1998., pp 799-804.
Yavuz H., Altindag R., Sarac S., Ugur I., Sengun N. (2006)
"Estimating the index properties of deteriorated
carbonate rocks due to freeze–thaw and thermal shock
weathering", International Journal of Rock Mechanics
& Mining Sciences, 43 (2006), pp 767–775.