Modelowanie procesu pełzania neogeńskich gruntów ilastych w analizach stanu równowagi zboczy

Przeprowadzony program badawczy obejmował ocenę reologicznych zachowań gruntów poddanych długotrwałym i etapowym obciążeniom w trójosiowym stanie naprężenia i odkształcenia. Procedura badawcza została przedstawiona na przykładzie analizy warunków geologiczno-inżynierskich wysokiej skarpy wysoczyzny ograniczającej dolinę rzeczną oraz terenu górzysto-wyżynnego cechującego się dużą aktywnością geodynamiczną. Specjalnemu programowi badań laboratoryjnych poddano grunty determinujące stateczność wybranych zboczy. Analizowano właściwości iłów neogeńskich pobranych z obszaru wysoczyzny i sąsiedztwa skarpy warszawskiej oraz zwietrzeliny i koluwia północno-wschodniego zbocza wzgórza Chełm w okolicach Bochni. Głównymi czynnikami warunkującymi pełzanie wybranych gruntów były struktura oraz stan naprężenia. W efekcie wywoływanych powolnych transformacji ułożenia cząstek ilastych i towarzyszących im innych frakcji obserwuje się zmiany charakterystyk wytrzymałości gruntu na ścinanie, które odzwierciedlają się w warunkach stateczności zboczy. Modelowanie procesu pełzania gruntów ilastych z uwzględnieniem przestrzennej zmienności cech strukturalnych wymaga kompleksowej oceny geodynamiki zboczy i zastosowania zindywidualizowanych metod badań. Zaproponowana w pracy procedura badawcza została oparta o dwa „narzędzia” pozwalające na jakościowy i ilościowy opis analizowanych zagadnień: 1) Trójosiowe badania pełzania na tle standardowych charakterystyk wytrzymałościowych, z wykorzystaniem zaawansowanej i nieinwazyjnej metody obrazowania struktury wewnętrznej gruntów; 2) Wielowariantowe obliczenia MES stanu równowagi wybranych zboczy w odniesieniu do wyników badań laboratoryjnych i obserwacji terenowych. Strukturę gruntów przed poddaniem ich kluczowym dla realizowanego tematu badaniom pełzania i ścinania, jak i po przeprowadzeniu tych badań, obrazowano przy zastosowaniu wysokorozdzielczej mikrotomografii komputerowej XµCT. Wyniki naświetleń pozwoliły na: (i) wybór serii próbek o powtarzalnych cechach strukturalnych; (ii) wyeliminowanie próbek gruntu, których struktura była zaburzona antropogenicznie; (iii) ilościową parametryzację przestrzeni szczelinowej. Do charakterystycznych cech analizowanego iłu neogeńskiego z Warszawy należy zwarta aktualnie budowa z dominującą frakcją ilastą z pyłami i domieszkami piasków, jak również z obecnością zabliźnionych mikronieciągłości strukturalnych. W przypadku ilastego materiału ze wzgórza Chełm charakterystyczną cechą było występowanie licznych spękanych fragmentów iłołupka w spoiwie ilastym. Ta stwierdzona na obrazach mikrotomograficznych dwustopniowa struktura nadaje badanemu materiałowi zwietrzelinowo-koluwialnemu „kompozytowy” charakter. W oparciu o badania etapowego obciążania określono: (i) dynamikę prędkości odkształcenia, (ii) wskaźniki pełzania oraz (iii) graniczne wartości naprężenia, przy których następowały zmiany typów pełzania. Generalnie, w trakcie badań, wraz ze wzrostem obciążenia następowało zwiększanie prędkości odkształcenia gruntów ilastych podczas pełzania spowalniającego. To co istotnie różnicowało charakter reakcji gruntu to tempo spadku prędkości odkształcenia wyrażone bezwymiarowym wskaźnikiem pełzania – parametrem m. Wartości tego parametru bliższe 0 świadczą o najmniejszym tempie redukcji prędkości, natomiast m = 0 wskazuje na stałą prędkość odkształcenia, a m < 0 związane są z przyspieszającymi prędkościami odkształcenia. Także charakterystyki przemieszczeń inklinometrycznych z profili otworów na wzgórzu Chełm pozwoliły na określenie wskaźników pełzania i porównania ich z wynikami badań laboratoryjnych. Obserwacje inklinometryczne umożliwiają zatem wykorzystanie wartości parametru m dla wyprzedzającej szacunkowej oceny zagrożeń rozwijających się przy przejściu relatywnie powolnego pełzania w gwałtowny ruch osuwiskowy. W ile neogeńskim z Warszawy oraz w płycej zalegającym materiale zwietrzelinowo-koluwialnym z Chełma tempo zmniejszania prędkości odkształcenia ulegało redukcji wraz z etapowym zwiększaniem obciążenia. Natomiast w badaniach głębiej zalegającego materiału ilastego ze strefy zwietrzelin i koluwiów na wzgórzu Chełm obserwowano szybsze wygaszanie odkształceń. Taki charakter reologicznych zmian prowadzi ostatecznie do aktywacji różnych mechanizmów zniszczenia: plastycznych odkształceń lub quasi kruchego ścięcia. Plastyczny mechanizm zniszczenia poprzedzony był krótkookresową fazą stałej prędkości odkształcenia gruntu pojawiającą się po fazie pełzania spowalniającego. Zmiana typu pełzania następowała przy zaaplikowaniu na grunt od 70% do 93% niszczącego dewiatora naprężenia. Natomiast kruche ścięcie wiązać należy ze sztywniejszym zachowaniem głębiej występujących zwietrzelin oraz wyższymi wartościami efektywnego naprężenia okólnego (powyżej 190 kPa). Odrębny stan gruntu oraz charakterystyki pełzania manifestowały się zróżnicowanymi przyrostami odkształceń osiowych. W badaniach zwietrzelin z Chełma, w których stosowano etapowe obciążanie i pełzanie stwierdzono ponad dwukrotnie większe odkształcenia osiowe niż przy standardowych trójosiowych ścinaniach. Wskazuje to na strukturalne transformacje podczas pełzania i znaczny wpływ odkształceń reologicznych na mechanizm utraty wytrzymałości ośrodka gruntowego. W analogicznych badaniach pełzania, ale w prekonsolidowanych i półzwartych iłach neogeńskich stwierdzono nawet kilkukrotnie niższe wartości odkształcenia. Zmienność coulombowskich parametrów wytrzymałościowych iłów neogeńskich jest najprawdopodobniej warunkowana mikrostrukturami post-glacitektonicznymi. Z kolei wyniki badań pełzania normalnie skonsolidowanych ilastych gruntów zwietrzelinowo-koluwialnych ze wzgórza Chełm, wskazują na ujednolicenie parametrów wytrzymałościowych w części profilu pionowego. Spowodowane to było większym osłabieniem gruntu, który zalegał głębiej, w efekcie pełzania. Rezultaty badań wpływu pełzania na zmiany wytrzymałości gruntu wykorzystano w numerycznym modelowaniu stateczności wybranych przypadków zboczy. Na zmianę warunków stateczności analizowanego odcinka skarpy warszawskiej najbardziej wpływają dodatkowe obciążenia od nowej zabudowy, a następnie zmiany wytrzymałości iłów neogeńskich wynikające z pełzania. Natomiast w zboczu zwietrzelinowo-koluwialnym na Pogórzu Karpackim najistotniejszym czynnikiem pogarszania warunków stateczności wydaje się być stopniowo postępujące przeobrażenia i dezintegracja strukturalna gruntów obecnych w profilu wietrzeniowym. W konsekwencji następuje redukcja wytrzymałości na ścinanie oraz wzrost potencjału pełzania. Obserwacje inklinometryczne wskazują, że uruchamianie przemieszczeń skorelowane jest z sezonową intensywnością przesączania wody w zboczu i związanych z tym zwiększeniem stopnia plastyczności ilastych zwietrzelin oraz ich obciążenia. Terenowa dokumentacja występowania geodynamicznych przemieszczeń wskazuje także na bardzo istotną rolę nawet małoskalowego zagospodarowania budowlanego, gdzie dodatkowe obciążenie może reaktywować ruchy masowe. Reasumując, uzyskane doświadczenia wskazują na konieczność komplementarnego uwzględniania różnych metod analiz: wartości parametru m z badań laboratoryjnych i przemieszczeń inklinometrycznych oraz wariantowego modelowania numerycznego. Porównanie dynamiki pełzania znacząco różnych pod względem litogentycznym utworów neogeńskich ilustruje wpływ odrębnej historii kształtowania ich cech strukturalnych z uwzględnieniem różnokierunkowych procesów: (i) wzmacniającej prekonsolidacji w utworach mioplioceńskiego zastoiska środkowopolskiego, (ii) dezintegracji wietrzeniowej i koluwialnej oraz przekształcenia struktury zdiagenezowanych iłołupków z Pogórza Karpackiego. Procesy te wpływały na różny przebieg pełzania warunkowany cechami strukturalnymi oraz stanami naprężenia.