11.07.2015 Views

10. - Fakulta životního prostředí

10. - Fakulta životního prostředí

10. - Fakulta životního prostředí

SHOW MORE
SHOW LESS
  • No tags were found...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

Přednáška X.Inženýrská geologieklíčová slova: mechanika zemin ahornin, technické aplikace1


• Inženýrská geologie je vědní obor, mající interdisciplinární charaktera vycházející ze syntézy přírodních a technických oborů.• I. G. je aplikovanou geologickou vědou, která zkoumá přírodní iantropogenní geologické procesy a jevy v nejsvrchnějších částechzemské kůry.• Jejím účelem je optimální využití terénu při zajišťování podkladů prostavebnictví, těžbu surovin, při sanaci nebezpečných geodynamickýchjevů a ochranu životního prostředí.• I. G. se vyvinula z požadavků praxe, když pomáhala nalézt odpovědina vznik rozsáhlých havárií při realizaci náročných inženýrskýchstaveb.2


• Výzkumné záměry a vědecké projekty mají v I. G. zpravidlacharakter aplikovaného, resp. cíleného výzkumu.• Častým úkolem I. G. působící v provozní praxi je poskytovat údajepotřebné pro posouzení možnosti a účelnosti vybudování určitýchstaveb v daném horninovém prostředí.• Je prováděn výběr vhodného typu konstrukce a efektivního postupujejí výstavby, zohledňující požadovanou životnost a funkčníspolehlivost stavby, ale i její bezpečnost při působení existujících čipotenciálních nepříznivých geologických a technogenních procesů.• Předmětem inženýrské geologie je studium vztahů mezi složkamihorninového prostředí (hornina, podzemní voda, reliéf) a také vzájemnéinterakce mezi horninovým prostředím a inženýrským dílem.3


• Počátky I. G. sahají do doby, kdy byly geologové příležitostněpřivoláváni ke stavebním nehodám (př. katastrofa při provalenípřehrady Vaiont roku 1963).• U nás je za zakladatele inženýrské geologie považován QuidoZáruba, který v roce 1954 vydal učebnici inženýrské geologie.• Inženýrská geologie je věda empirická, což znamená že její závěryvětšinou plynou z praktických zkušeností.4


5Obr. 1-4. Situační kartogram okolí horské přehrady Vaiont v severní Itáliipři katastrofálním sesuvu 9. <strong>10.</strong> 1963. Zdroj: www.uwgb.edu


• V současné době lze vymezit základní úkoly inženýrských geologů:• I.G. podmínky výstavby v krajině– úkolem inženýrských geologů je zhodnotit podmínky prozakládání staveb.– Je nutné provést I.G. průzkum a zhodnotit I.G. ahydrogeologické poměry lokality a posoudit zda je možnéprovádět stavební práce popř. jak zlepšit základové poměry abybylo možné stavbu realizovat.• I.G. v územním plánování– Inženýrští geologové by se měli podílet na tvorbě územníchplánů, aby nemohlo docházet k realizacím staveb v nevhodnýchúzemích jako jsou například území záplavová, sesuvná atd.– Cílem by mělo být takové oblasti vyhledat a zanést je do6územních plánů.


• Výpomoc při dobývání nerostných surovin– Řeší se zejména otvírky nových zdrojů nerostných surovin provelké stavební akce jako jsou například stavby přehrad,komunikací atd.• Enviromentální problematika– Úkolem I.G. je také rekultivace krajiny po ukončení těžby a takérealizace skládek odpadu.– Je nutné vybrat vhodnou lokalitu s co nejméně propustnýmpodložím, zajistit těsnicí materiály, zajistit uzavření včetněkvalitního zatěsnění a následný monitoring skládky.7


• Inženýrskou geologii dělíme z hlediska metodologie a aplikacínásledovně:a. metodologie - mechanika zemin, mechanika hornin– zeminy: soudržné, nesoudržné– horniny: skalní, poloskalníb. aplikace - zakládání staveb, přehrady, podzemní díla,hornická geotechnika, poruchy staveb, I. G.mapování, sesuvy, geologie ŽP8


Obr. 5. Písek – zeminanesoudržnáZdroj: ČGSObr. 6. Jíl – zemina soudržnáZdroj: ČGS9


Obr. 7. Granit – hornina skalníZdroj: ČGSObr. 8. Tuf - horninapoloskalníZdroj: ČGS10


A. Mechanika zemin a horninNESOUDRŽNÉZEMINYSOUDRŽNÉHORNINYZRNITOST++-OBJEMOVÁ HMOTNOST+++KONZISTENCE (závisí na vlhkosti)-+-ULEHLOST+--UHEL VNITŘNÍHO TŘENÍ++-ČÍSLO NESTEJNOZRNITOSTI+--SOUDRŽNOST-+-ČÍSLO PLASTICITY-+-PROPUSTNOST++ -+ -PEVNOST V TLAKU--+CHEMISMUS (AGRESIVITA)VODATab. 1. Hlavní význam po posouzení vhodnosti základových poměrů mají11fyzikálně mechanické vlastnosti zemin a hornin a úložné poměry.


JEMNOZRNNÉ(soudržné)jíl: do 0, 002 mmprach: 0,002 - 0,063 mmKONZISTENCE :kašovitá – špatné zákl. poměryměkká – podmíněně vhodné z. p.tuhá – vhodné z. p.pevná – vhodné z. p.tvrdá – velmi vhodné z. p.PÍSČITÉ A ŠTĚRKOVITÉ(nesoudržné)písek: 0,063 - 2 mmštěrk: 2 - 60 mmZRNĚNÍ:dobře zrněnýšpatně zrněnýULEHLOST:kyprý – špatné zákl. poměrystředně ulehlýulehlý – velmi vhodné z. p.Tab. 2. Pro zeminy je nejdůležitější zrnitost a konzistence a ulehlost.Pro horniny skalní je nejdůležitější pevnost v tlaku a puklinatost a prohorniny poloskalní (tufy) stupeň navětrání a stupeň zpevnění.12


• Konzistence/ulehlost• Zeminy dělíme na soudržné a nesoudržné (ČSN 72 1001).a. Soudržné zeminy (hlína, jíl) – konzistence:• tvrdá - křehká, nelze prsty tvarovat, při dělení je jí třeba rozbíjet• pevná - velmi těžko se tvaruje prsty, drobí se• tuhá - lze tvarovat hnětením, plastická, nedrobí se• měkká - lehce tvárná plastická hmota• kašovitá - velmi lehce tvárná, stiskem dlaně se vytlačí mezi prstyb) Nesoudržné zeminy (písek a štěrk) – ulehlost:• ulehlá - kladou značný odpor při rozpojování• středně ulehlá - lehce rozpojitelné, nelze přímo nabrat lopatou• kyprá - lze přímo nabrat lopatou13


Obr. 9. Schmidtovo kladívkoZdroj: PřF UKObr. <strong>10.</strong> Casagrandeho testplasticityZdroj: PřF UK14


• B. Aplikace• Při zakládání staveb používáme následující termíny:• Základová spára - místo kontaktu stavby v místě základovékonstrukce tzv. podzákladím - s horninovým prostředím.• Základová konstrukce – dolní část stavby sloužící k ukotvenícelého inženýrského díla (desky, pásy, patky, piloty)• Základová půda - horninové prostředí, ve kterém je stavba založenaa které na ni působí.• Aktivní zóna - dosah možných účinků stavby na základovou půdu.15


Obr. 11. Základová spára stavby multifunkčního objektu.Zdroj: ČGS16


• V rámci aplikací I. G. jsou studovány technicky důležité vlastnostihornin a zemin pro zakládání staveb, především:• Propustnost – důležité např. pro stavbu přehrad, vyjadřuje rychlostprůniku vody materiálem. Je charakterizována koeficientempropustnosti (K)• Propojitelnost – velký význam pro zemní práce –„manipulovatelnost s půdou“• Dovolené zatížení základové půdy – co unese půda či hornina vpodzákladí. Při překročení limitu dochází k vytlačování materiálu dookolí.17


• Základové poměry se podle složitosti klasifikují jako:- jednoduché - povrch území není členitý, základová půda se vrozsahu staveniště v podstatě nemění,jednotlivé vrstvy mají přibližně stálou mocnosta jsou uloženy zhruba vodorovně- složité - mají opačné vlastnosti, t.j.povrch území je členitýatd.• Podle I. G. podmínek rozlišujeme staveniště:- vhodná - základovou půdu tvoří horniny únosné a málostlačitelné, povrch je přibližně vodorovný,hladina podz. vody leží trvale pod úrovní základů.- nevhodná - údolní nivy, bažiny, území s mělkou hladinoupodzemní vody, území postižená n. ohroženásesuvy, území poddolovaná nebo krasovéoblasti a také pozemky ležící na zásobáchnerostných surovin a v přírodních rezervacích. 18


• Přehradybetonové (kamenné) – podle tvaru přehradní stěny se dělí naklenbové a gravitační (tížné)zemní – záleží na materiálu, ze kterého je přehrada nasypána ana způsobu sypání.homogenní – jsou budovány ze stejnorodých zeminmálo až téměř nepropustnýchnehomogenní - sypané přehrady mají nepropustnéjádro a částečně propustný plášť.Při výstavbě je nejdůležitější zajištění stability a těsnosti hráze,těsnosti podloží, stabilita a přetváření břehů.19


Obr. 12. Sypaná hráz přehradyBoskoviceZdroj: www.prehrady.czObr. 13. Sypaná hráz přehradyDlouhé stráněZdroj: www.prehrady.cz20


Obr. 14. Kamenná hrázpřehrady Les KrálovstvíZdroj: www.prehrady.czObr. 15. Betonová hrázpřehrady VranovZdroj: www.prehrady.cz21


• Podzemní díla• Specifickým rysem podzemních staveb oproti pozemním jeskutečnost, že se kompletní dílo nachází v horninovém prostředí.• Důkladný I. G. průzkum zajistí nejenom ekonomičnost díla, ale ipracovní postupy a bezpečnost stavebních prací i hotového díla.• Mezi podzemní stavby zahrnujeme:– liniové stavby - kanalizační a energetické štoly, spojovacívodovodní kolektory, vodohospodářské, silniční a železničnítunely, metro– kaverny - halové podzemní prostory, kde jsou umístěnyhydroelektrárny, skladiště, vodojemy, ČOV, garáže, hangáry,ochranné objekty, podzemní úložiště odpadů atd.22


Obr. 16. Sloupový sál továrnyRichard I.Zdroj: www.podzemi-cma.czObr. 17. Podzemní nádražítovárny Richard III.Zdroj: www.podzemi-cma.cz23


Obr. 18. Kryt velitelstvíprotivzdušné obrany Střednískupiny sovětských vojskMilovice.Zdroj: www.podzemicma.czObr. 19. Sklad jadernýchhlavic VVP RalskoZdroj: www.podzemi-cma.cz24


• Hornická geotechnika• Inženýrská geologie hlubinného dobývání řeší obdobné problémyjako u podzemních staveb.• Zabývá se především stabilitou při ražbě a provozu chodeb, překopůa šachet. Dále těžitelností zemin a hornin, možností a podmínkamiražby a vztahem k podzemní vodě.• Závažný úkol hornické geotechniky je řešení projevů těžby napovrchu - poklesy území, podmáčení, ztráty vody ve studních apod.• Hornická geotechnika při povrchové těžbě má svá specifika, zvláštěpři velkém rozsahu. Řeší především stabilitu svahů těžebních jam alomů. U výsypek zajišťuje jejich bezpečné založení a následnoustabilitu.25


Obr. 20. Kombinovaná otvírka ložiska nerostných surovin (zdroj: VŠB Ostrava) 26


Obr. 21. Komorové dobývání uhlí (zdroj: VŠB Ostrava)27


Obr. 22-25. Stará důlní díla v Orlických horách (zdroj: R. Pokorný)28


• Poruchy staveb• I. G. řeší rovněž poruchy na inženýrských dílech. Ty se projevujívlasovými prasklinami, nebo různě rozevřenými trhlinami. Postupnýmotvíráním trhlin dochází někdy až k úplné destrukci objektu.• Příčin může být celá řada např.:– špatné základové podmínky (nehomogenní podzákladí, máloúnosné zeminy)– nízká stabilita svahu (svahové pohyby)– problémy s podzemní vodou (vysoká hladina podzemní vody)– mělce založená základová spára (v zeminách objemověnestálých např. jílech) apod.29


Obr. 26. Ukázka porušení objektu v obci Růžďka (okr. Vsetín) vlivem aktivizacesesuvu při enormních srážkách v červenci 1997 (zdroj: PřF UK)30


• Sesuvy, skalní řícení a svahové pohyby• Jedná se o pohyb materiálu dolů po svahu účinky gravitace, bezpůsobení tekoucí vody, ledu nebo větru• Jejich dopad má zpravidla regionální rozsah• Stabilitu svahů ovlivňují dvě hlavní skupiny faktorů:– procesy, které snižují smykový odpor hornin a mohou tak svahtransformovat ze stabilního do podmínečně nebo aktivněnestabilního stavu– faktory, které přímo zvyšují smykové napětí.31


Obr. 28, 29: Sesuv v přímořské oblasti u San Francisca a jeho počítačovásimulace. Vysoké srážkové úhrny v průběhu roku 1997 způsobily v oblasti několik32velkých sesuvů (zdroj: http://www.planning.org/landslides).


FaktorPříkladyFaktory zvyšující smykové napětí svahového materiáluZvýšení sklonu svahuOdstranění laterální oporysvahuZatížení svahuLaterální tlakOdstranění vegetaceOtřesyFaktory snižující smykový odporsvahového materiáluNárůst objemu vody vesvahoviněProcesy zvětráváníZměny strukturyČinnost organismůboční eroze vodního toku, stavební činnostvodní eroze, procesy zvětrávání, stavebníčinnostakumulace zvětralin, nárůst vegetace,zvýšení obsahu vody, stavby budovzamrzání vody v puklináchpožáry, odlesňování, stavební činnostzemětřesení, těžká dopravasaturace důsledkem srážkové činnostirozpad horniny podložívznik trhlin a puklintlení kořenových systémů33


Obr. 30: Sesuvná území v Českém masivu (zdroj: Kukal Z., 1983, 187).34


Obr. 31. Mapa sesuvných území severně od Děčína (zdroj: www.mapmaker.env.cz)35


Obr. 32. Sesuv svahu v obciKlapý 8.4.1894Zdroj: archiv muzea MostObr. 33. Sesuv svahu v obciKlapý 11.4.1900Zdroj: archiv muzea Most36


Obr. 34. Skalní řícení,Hlásná TřebáňZdroj: www.nature.czObr. 35. Sesuv – PrahaHubočepyZdroj: www.cgu.cz37


• Typy svahových pohybů:• Pomalé:– Ploužení (creep) – velmi pozvolné stékání nezpevněnýchzvětralin a půdního pokryvu– Rychlost ploužení se pohybuje od 1 mm do 10 m za rok.Ploužení samo o soběnepředstavuje žádný hazard.Díky němu ovšem dochází knarušení struktury zvětralin,které se tak mohou státnestabilní a tudíž náchylné kostatním svahovým pohybům.Obr. 36: Dva projevy ploužení na svahu.38Opilé stomy (A) a hákování vrstev (B).


– Soliflukce - jsou pomalé svahové pohyby vznikající tam, kde jevrstva půdy nebo zvětralin saturována vodou.– Vzniká především v horských terénech s velmi humidnímklimatem a s nízkými teplotami (malý výpar), postihuje svahy sesklonem od 1°.– Geliflukce - proces podobný soliflukci vznikající vperiglaciálních oblastech s výskytem permafrostu.– V krátkém létě rozmrzá pouze svrchní vrstva půdy, zatímcospodní část zůstává trvale pod bodem mrazu.– Svrchní vrstva saturovaná vodou pak pomalu klouže po zmrzlémpodkladu.39


• Středně rychlé:– Sesouvaní - rychlost v metrech za hodinu až den– Sesuvy vznikají, pokud dojde k porušení rovnováhy mezismykovým odporem a smykovým napětím a svah se stanenestabilním.– Pro tento druh pohybu je charakteristická ostře vymezenásmykové plocha.Obr. 37: Základní schéma sesuvu.(zdroj:http://www.planning.org/landslides/). 40


• Rychlé:– Tečení vzniká, pokud je zvětralina saturována vodou (výjimkutvoří pouze málo časté suché proudy) a rychle stéká po svahu.– Voda vytváří vztlakovou sílu, která způsobuje snižovánísmykového odporu, a tak i nestabilitu svahu. Pro tečení jecharakteristická nepřesně vymezená smyková plocha.– Rozlišujeme suťové proudy, půdotoky, bahnotoky,sněhokamenité laviny apod.Obr. 38: Základní schéma tečení.(zdroj: http://www.planning.org/landslides/).41


– Řícením rozumíme pohyb horniny bez kontaktu s terénem.– Příčiny vzniku tohoto svahového pohybu zahrnují strmé svahy,erozi a přítomnost puklin.– Pokud pohyb obsahuje i rotační složku, nazýváme jej pojmemodsedání.– Zvláštním typem je řícení říčních břehů, které je generovánoboční erozí toků.– Řícení nepostihuje velké oblasti a jeho nebezpečí je čistělokálního charakteru.Obr. 39: Řícení říčního břehu na řeceVolyňka v podhůří Šumavy.42


• Prevence svahových pohybů:• Úprava profilu svahu zmenšením jeho sklonu• Odvodnění svahu pomocí drenážních systémů pro povrchovou ipodpovrchovou vodu.• Obnovení rostlinného krytu. Kořenové systémy zpevňují svahovýmateriál a zároveň působí jako přírodní drenáž (díky transpiraci).Koruny stromů navíc chrání svah před přímými účinkyatmosférických srážek.• Bezpečnostní stavby jako pilíře nebo ochranné zdi mohou zbrzditposun svahových hmot, ale vzhledem k jejich nákladnosti irozměrům je použití tohoto opatření limitováno na menší svahy.• Jiné metody zvyšující ochranu zahrnují chemickou stabilizaci azpevňování svahu cementem nebo jinými materiály, které snižujípropustnost půdního krytu.43


Obr. 40. Demonstrace základních opatření pro snížení rizika svahovýchpohybů. Zdroj: PřF UK44


• Inženýrsko geologické mapování• Účelem tohoto mapování je vytvoření I. G. účelové mapy, kteráobsahuje přehled základových poměrů, fyzikálně mechanické vlastnostihornin, geomorfologii, výskyt sesuvných pohybů, hloubku hladinypodzemní vody a její kvalitu apod.• I. G. rajonování území znamená rozdělení území na rajonypodobných inženýrsko geologických podmínek, a to na vhodné,podmínečně vhodné a nevhodné plochy pro umístění staveb (budov,liniových staveb, komunikací apod.)• I. G. průzkum – udává podmínky, za jakých je možné stavbu vhorninovém prostředí bezpečně a ekonomicky založit, zjišťuje I. G.průzkum.45


• Průzkum probíhá v následujících krocích:1. archivní rešerše stávajících podkladů2. průzkumná dílaa) vrtné -různé typy vrtů (na jádro, bezjádrové, nárazotočivé)b) kopané a hornické (kopané sondy, šachtice, rýhy, štoly atd.)3. měřičské práce - zaměření průzkumných děl, sesuvů,sledováníjejich změn atd.4. odběry vzorků - dokumentační vzorky zemin, hornin apodzemní vody na místě5. vykreslení geologických profilů6. zhodnocení informací z bodů 1.-5. - návrh založení objektu46


Obr. 41, 42. Vrtné jádro unezpevněných a zpevněnýchmateriálůZdroj: ČVUT Praha47


• Vzorky zemin se odebírají:– A. porušené - pro zjištění zrnitosti, konsistence a vlhkosti– B. neporušené - pro zjištění přirozené vlhkosti na smyk atd.• Vzorky hornin se odebírají pro zjištění stupně navětrání a otluk.• Vzorky vody se odebírají pro zjištění kvality ve vztahu kzákladovým konstrukcím (agresivní nebo neagresivní na beton).• Odebrané vzorky podávají obraz o inženýrsko geologickýchpoměrech zájmového místa. Musí však být reprezentativní. Ty pakslouží ke konstrukci základových poměrů (geologické profily,charakteristika horninového prostředí).48


• Podpůrné metody jsou:– polní zkoušky (penetrace, zatěžování, zkoušky propustnosti,speciální zkoušky - inklinometrie, extenzometrie)– geofyzikální metody (seismické, geoelektrické, gravimetrické)– telestezie („ proutkaření“)49


Obr. 43., 44. Princip gravimetrieZdroj:http://volcano.ipgp.jussieu.fr50


Obr. 45. Polní inklinometrická souprava (měření geometrie vrtu)Zdroj: www.geotest.cz51


Obr. 46. Kuželovázkouška – testuje se odpor horniny nebozeminy proti vniku hrotu. Zdroj: PřF UK52

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!