1

Přednáška X.

Inženýrská geologieklíčová slova: mechanika zemin a

hornin, technické aplikace

2

• Inženýrská geologie je vědní obor, mající interdisciplinární charakter a vycházející ze syntézy přírodních a technických oborů.

• I. G. je aplikovanou geologickou vědou, která zkoumá přírodní i antropogenní geologické procesy a jevy v nejsvrchnějších částech zemské kůry.

• Jejím účelem je optimální využití terénu při zajišťování podkladů pro stavebnictví, těžbu surovin, při sanaci nebezpečných geodynamických jevů a ochranu životního prostředí.

• I. G. se vyvinula z požadavků praxe, když pomáhala nalézt odpovědi na vznik rozsáhlých havárií při realizaci náročných inženýrských staveb.

3

• Výzkumné záměry a vědecké projekty mají v I. G. zpravidla charakter aplikovaného, resp. cíleného výzkumu.

• Častým úkolem I. G. působící v provozní praxi je poskytovat údaje potřebné pro posouzení možnosti a účelnosti vybudování určitých staveb v daném horninovém prostředí.

• Je prováděn výběr vhodného typu konstrukce a efektivního postupu její výstavby, zohledňující požadovanou životnost a funkčníspolehlivost stavby, ale i její bezpečnost při působení existujících či potenciálních nepříznivých geologických a technogenních procesů.

• Předmětem inženýrské geologie je studium vztahů mezi složkami horninového prostředí (hornina, podzemní voda, reliéf) a také vzájemnéinterakce mezi horninovým prostředíma inženýrským dílem.

4

• 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 závěry většinou plynou z praktických zkušeností.

5Obr. 1-4. Situační kartogram okolí horské přehrady Vaiont v severní Itálii při katastrofálním sesuvu 9. 10. 1963. Zdroj: www.uwgb.edu

6

• V současné době lze vymezit základní úkoly inženýrských geologů:

• I.G. podmínky výstavby v krajině– úkolem inženýrských geologů je zhodnotit podmínky pro

zakládání staveb.

– Je nutné provést I.G. průzkum a zhodnotit I.G. a hydrogeologické poměry lokality a posoudit zda je možnéprovádět stavební práce popř. jak zlepšit základové poměry aby bylo možné stavbu realizovat.

• I.G. v územním plánování– Inženýrští geologové by se měli podílet na tvorbě územních

plánů, aby nemohlo docházet k realizacím staveb v nevhodných územích jako jsou například území záplavová, sesuvná atd.

– Cílem by mělo být takové oblasti vyhledat a zanést je do územních plánů.

7

• Výpomoc při dobývání nerostných surovin

– Řeší se zejména otvírky nových zdrojů nerostných surovin pro velké 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 propustným podložím, zajistit těsnicí materiály, zajistit uzavření včetněkvalitního zatěsnění a následný monitoring skládky.

8

• Inženýrskou geologii dělíme z hlediska metodologie a aplikacínásledovně:

a. metodologie -mechanika zemin, mechanika hornin

– zeminy: soudržné, nesoudržné

– horniny: skalní, poloskalní

b. aplikace - zakládání staveb, přehrady, podzemní díla, hornická geotechnika, poruchy staveb, I. G. mapování, sesuvy, geologie ŽP

9

Obr. 5. Písek – zemina nesoudržná

Zdroj: ČGS

Obr. 6. Jíl – zemina soudržná

Zdroj: ČGS

10

Obr. 7. Granit – hornina skalní

Zdroj: ČGS

Obr. 8. Tuf - hornina poloskalní

Zdroj: ČGS

11Tab. 1. Hlavní význam po posouzení vhodnosti základových poměrů majífyzikálněmechanické vlastnosti zemin a hornin a úložné poměry.

VODACHEMISMUS (AGRESIVITA)

+--PEVNOST V TLAKU

+ -+ -+PROPUSTNOST

-+-ČÍSLO PLASTICITY

-+-SOUDRŽNOST

--+ČÍSLO NESTEJNOZRNITOSTI

-++UHEL VNITŘNÍHO TŘENÍ

--+ULEHLOST

-+-KONZISTENCE (závisí na vlhkosti)

+++OBJEMOVÁ HMOTNOST

-++ZRNITOST

SOUDRŽNÉNESOUDRŽNÉ

HORNINYZEMINY

A. Mechanika zemin a hornin

12

Tab. 2. Pro zeminy je nejdůležitější zrnitost a konzistence a ulehlost.

Pro horniny skalní je nejdůležitější pevnost v tlaku a puklinatost a pro horniny poloskalní (tufy) stupeň navětrání a stupeň zpevnění.

ZRNĚNÍ: dobře zrněnýšpatně zrněný

ULEHLOST:kyprý – špatné zákl. poměry

středně ulehlýulehlý – velmi vhodné z. p.

KONZISTENCE :

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 mm

JEMNOZRNNÉ(soudržné)

jíl: do 0, 002 mmprach: 0,002 - 0,063 mm

13

• 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 prsty

b) Nesoudržné zeminy (písek a štěrk) – ulehlost:

• ulehlá - kladou značný odpor při rozpojování

• středně ulehlá - lehce rozpojitelné, nelze přímo nabrat lopatou

• kyprá - lze přímo nabrat lopatou

14

Obr. 9. Schmidtovo kladívko

Zdroj: PřF UK

Obr. 10. Casagrandeho test plasticity

Zdroj: PřF UK

15

• 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 založena a které na ni působí.

• Aktivní zóna - dosah možných účinků stavby na základovou půdu.

16

Obr. 11. Základová spára stavby multifunkčního objektu.

Zdroj: ČGS

17

• V rámci aplikací I. G. jsou studovány technicky důležité vlastnosti hornin a zemin pro zakládání staveb, především:

• Propustnost – důležité např. pro stavbu přehrad, vyjadřuje rychlost průniku vody materiálem. Je charakterizována koeficientem propustnosti (K)

• Propojitelnost – velký význam pro zemní práce –„manipulovatelnost s půdou“

• Dovolené zatížení základové půdy – co unese půda či hornina v podzákladí. Při překročení limitu dochází k vytlačování materiálu do okolí.

18

• Základové poměry se podle složitosti klasifikují jako:

- jednoduché -povrch území neníčlenitý, základová půda se v rozsahu staveniště v podstatě nemění, jednotlivé vrstvy mají přibližně stálou mocnost a jsou uloženy zhruba vodorovně

- složité - mají opačné vlastnosti, t.j.povrch území je členitý atd.

• Podle I. G. podmínek rozlišujeme staveniště:- vhodná - základovou půdu tvoří horniny únosné a málo

stlačitelné, povrch je přibližně vodorovný, hladina podz. vody leží trvale pod úrovní základů.

- nevhodná - údolní nivy, bažiny, území s mělkou hladinou podzemní vody, území postižená n. ohroženásesuvy, území poddolovaná nebo krasovéoblasti a také pozemky ležící na zásobách nerostných surovin a v přírodních rezervacích.

19

• Přehrady

betonové (kamenné) – podle tvaru přehradní stěny se dělí na klenbové a gravitační (tížné)

zemní– záleží na materiálu, ze kterého je přehrada nasypána a na způsobu sypání.

homogenní – jsou budovány ze stejnorodých zemin málo až téměř nepropustných

nehomogenní - sypané přehrady mají nepropustnéjádro a částečně propustný plášť.

Při výstavbě je nejdůležitější zajištění stability a těsnosti hráze, těsnosti podloží, stabilita a přetváření břehů.

20

Obr. 12. Sypaná hráz přehrady Boskovice

Zdroj: www.prehrady.cz

Obr. 13. Sypaná hráz přehrady Dlouhé stráně

Zdroj: www.prehrady.cz

21

Obr. 14. Kamenná hráz přehrady Les Království

Zdroj: www.prehrady.cz

Obr. 15. Betonová hráz přehrady Vranov

Zdroj: www.prehrady.cz

22

• Podzemní díla

• Specifickým rysem podzemních staveb oproti pozemním je skutečnost, že se kompletní dílo nachází v horninovém prostředí.

• Důkladný I. G. průzkum zajistí nejenom ekonomičnost díla, ale i pracovní 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 umístěny hydroelektrárny, skladiště, vodojemy, ČOV, garáže, hangáry, ochranné objekty, podzemní úložiště odpadů atd.

23

Obr. 16. Sloupový sál továrny Richard I.

Zdroj: www.podzemi-cma.cz

Obr. 17. Podzemní nádražítovárny Richard III.

Zdroj: www.podzemi-cma.cz

24

Obr. 18. Kryt velitelstvíprotivzdušné obrany Střednískupiny sovětských vojsk Milovice.

Zdroj: www.podzemi-cma.cz

Obr. 19. Sklad jaderných hlavic VVP Ralsko

Zdroj: www.podzemi-cma.cz

25

• Hornická geotechnika

• Inženýrská geologie hlubinného dobývánířeší obdobné problémy jako u podzemních staveb.

• Zabývá se především stabilitou při ražbě a provozu chodeb, překopůa šachet. Dále těžitelností zemin a hornin, možností a podmínkami ražby a vztahem k podzemní vodě.

• Závažný úkol hornické geotechniky je řešení projevů těžby na povrchu - 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 a lomů. U výsypek zajišťuje jejich bezpečné založení a následnou stabilitu.

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

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

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

29

• Poruchy staveb

• I. G. řeší rovněž poruchy na inženýrských dílech. Ty se projevujívlasovými prasklinami, nebo různě rozevřenými trhlinami. Postupným otvíráním trhlin dochází někdy až k úplné destrukci objektu.

• Příčin může být celářada např.:

– špatné základové podmínky (nehomogenní podzákladí, málo únosné zeminy)

– nízká stabilita svahu(svahové pohyby)

– problémy s podzemní vodou (vysoká hladina podzemní vody)

– mělce založená základová spára(v zeminách objemověnestálých např. jílech) apod.

30

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

31

• Sesuvy, skalnířícení a svahové pohyby

• Jedná se o pohyb materiálu dolů po svahu účinky gravitace, bez působení 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 svah transformovat ze stabilního do podmínečně nebo aktivněnestabilního stavu

– faktory, které přímo zvyšují smykové napětí.

32

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

33tlení kořenových systémůČinnost organismů

vznik trhlin a puklinZměny struktury

rozpad horniny podložíProcesy zvětrávání

saturace důsledkem srážkové činnostiNárůst objemu vody ve

svahovině

Faktory snižující smykový odpor svahového materiálu

zemětřesení, těžká dopravaOtřesy

požáry, odlesňování, stavební činnostOdstranění vegetace

zamrzání vody v puklináchLaterální tlak

akumulace zvětralin, nárůst vegetace, zvýšení obsahu vody, stavby budov

Zatížení svahu

vodní eroze, procesy zvětrávání, stavebníčinnost

Odstranění laterální opory svahu

boční eroze vodního toku, stavební činnostZvýšení sklonu svahu

Faktory zvyšující smykové napětí svahového materiálu

PříkladyFaktor

34

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

35

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

36

Obr. 32. Sesuv svahu v obci Klapý 8.4.1894

Zdroj: archiv muzea Most

Obr. 33. Sesuv svahu v obci Klapý 11.4.1900

Zdroj: archiv muzea Most

37

Obr. 34. Skalnířícení, Hlásná Třebáň

Zdroj: www.nature.cz

Obr. 35. Sesuv – Praha Hubočepy

Zdroj: www.cgu.cz

38

• Typy svahových pohybů:

• Pomalé:

– Ploužení (creep) – velmi pozvolné stékání nezpevněných zvětralin a půdního pokryvu

– Rychlost ploužení se pohybuje od 1 mm do 10 m za rok.

Obr. 36: Dva projevy ploužení na svahu. Opilé stomy (A) a hákování vrstev (B).

Ploužení samo o soběnepředstavuje žádný hazard. Díky němu ovšem dochází k narušení struktury zvětralin, které se tak mohou stát nestabilní a tudíž náchylné k ostatním svahovým pohybům.

39

– Soliflukce- jsou pomalé svahové pohyby vznikající tam, kde je vrstva půdy nebo zvětralin saturována vodou.

– Vzniká především v horských terénech s velmi humidním klimatem a s nízkými teplotami (malý výpar), postihuje svahy se sklonem od 1°.

– Geliflukce - proces podobný soliflukci vznikající v periglaciálních oblastech s výskytem permafrostu.

– V krátkém létě rozmrzá pouze svrchní vrstva půdy, zatímco spodníčást zůstává trvale pod bodem mrazu.

– Svrchní vrstva saturovaná vodou pak pomalu klouže po zmrzlém podkladu.

40

• Středně rychlé:

– Sesouvaní- rychlost v metrech za hodinu až den

– Sesuvy vznikají, pokud dojde k porušení rovnováhy mezi smykovým odporem a smykovým napětím a svah se stane nestabilním.

– Pro tento druh pohybu je charakteristická ostře vymezenásmykové plocha.

Obr. 37: Základní schéma sesuvu. (zdroj: http://www.planning.org/landslides/).

41

• Rychlé:

– Tečení vzniká, pokud je zvětralina saturována vodou (výjimku tvoří 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 je charakteristická nepřesně vymezená smyková plocha.

– Rozlišujeme suťové proudy, půdotoky, bahnotoky, sněhokamenité lavinyapod.

Obr. 38: Základní schéma tečení. (zdroj: http://www.planning.org/landslides/).

42

– Řícenímrozumíme 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 pojmem odsedání.

– Zvláštním typem je řícení říčních břehů, které je generováno boční erozí toků.

– Řícení nepostihuje velké oblasti a jeho nebezpečí je čistělokálního charakteru.

Obr. 39: Řícení říčního břehu na řece Volyňka v podhůří Šumavy.

43

• Prevence svahových pohybů:

• Úprava profilu svahuzmenšením jeho sklonu

• Odvodnění svahu pomocí drenážních systémů pro povrchovou i podpovrchovou vodu.

• Obnovení rostlinného krytu.Kořenové systémy zpevňují svahový materiál a zároveň působí jako přírodní drenáž (díky transpiraci). Koruny stromů navíc chrání svah před přímými účinky atmosférických srážek.

• Bezpečnostní stavbyjako pilíře nebo ochranné zdi mohou zbrzdit posun svahových hmot, ale vzhledem k jejich nákladnosti i rozměrům je použití tohoto opatření limitováno na menší svahy.

• Jiné metodyzvyšující ochranu zahrnují chemickou stabilizaci a zpevňování svahu cementem nebo jinými materiály, které snižujípropustnost půdního krytu.

44

Obr. 40. Demonstrace základních opatření pro snížení rizika svahových pohybů. Zdroj: PřF UK

45

• Inženýrsko geologické mapování

• Účelem tohoto mapování je vytvoření I. G. účelové mapy, kteráobsahuje přehled základových poměrů, fyzikálně mechanické vlastnosti hornin, geomorfologii, výskyt sesuvných pohybů, hloubku hladiny podzemní vody a její kvalitu apod.

• I. G. rajonování území znamená rozdělení území na rajony podobných 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 v horninovém prostředí bezpečně a ekonomicky založit, zjišťuje I. G. průzkum.

46

• Průzkum probíhá v následujících krocích:

1. archivní rešerše stávajících podkladů

2. 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 a podzemní vody na místě

5. vykreslení geologických profilů

6. zhodnocení informací z bodů 1.-5. -návrh založení objektu

47

Obr. 41, 42. Vrtné jádro u nezpevněných a zpevněných materiálů

Zdroj: ČVUT Praha

48

• 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 k základovým konstrukcím (agresivní nebo neagresivní na beton).

• Odebrané vzorky podávají obraz o inženýrsko geologických poměrech zájmového místa. Musí však býtreprezentativní. Ty pak slouží ke konstrukci základových poměrů (geologické profily, charakteristika horninového prostředí).

49

• Podpůrné metody jsou:

– polní zkoušky (penetrace, zatěžování, zkoušky propustnosti, speciální zkoušky - inklinometrie, extenzometrie)

– geofyzikální metody(seismické, geoelektrické, gravimetrické)

– telestezie(„ proutkaření“)

50

Obr. 43., 44. Princip gravimetrie

Zdroj: http://volcano.ipgp.jussieu.fr

51

Obr. 45. Polní inklinometrická souprava (měření geometrie vrtu)

Zdroj: www.geotest.cz

52

Obr. 46. Kuželovázkouška – testuje se odpor horniny nebo zeminy proti vniku hrotu. Zdroj: PřF UK