9.2.4 Filtrační poruchy

Filtrační poruchy zemin vznikají vlivem hydrodynamických účinků podzemní vody, které vyvolávají:

a) sufózi - mechanické vyplavování jemných horninových frakcí zpočátku bez narušení struktury. Účinkem stálého vyplavování hornin se zvětšuje filtrační rychlost proudící vody a dochází k většímu výnosu materiálu i větších frakcí, což může vést k porušení struktury. (např. sufóze byla jedním z nejdůležitějších faktorů propadu jámy Doubrava IV. – viz obr. 9.2.4.1a, obr. 9.2.4.1b, obr. 9.2.4.1c, video 9.2.4.1a, video 9.2.4.1b, video 9.2.4.1c, video 9.2.4.1d)

b) ztekucení (fluidizaci) - náhlý přechod vodou nasycených zemin do tekutého stavu. Podmínkou, vedle dynamických účinků podzemní vody - rychlosti, tlaku, spádu, je granulometrické složení zemin, pórovitost, ulehlost, obsah soli, geologická stavba i tvar reliéfu. Nevyhnutelnou podmínkou jsou slabé strukturní vazby mezi částicemi zemin.

9.2.4.1 Sufóze

Sufózi podléhá především jemnozrnná písčitá a prachovitá frakce při překročení kritické rychlosti proudění vody (tab. 9.2.4.1.1), zvláště u nestejnorodých zemin s číslem C_u ³ 20. Na styku méně propustných a propustných vrstev může docházet k vyplavování jemných částic do propustnější vrstvy a k její kolmataci (kontaktní sufóze). U některých hornin dochází v důsledku slabých strukturních vazeb k podzemní erozi, která se projevuje vznikem dutin. Účinky sufóze se mohou projevit nerovnoměrným sedáním nebo svahovým pohybem. V důsledku porušení strukturních vazeb nebo vyplavováním puklin a dutin vznikají u spraší podzemní kanály a kaverny, které po ztrátě pevnosti stropu mohou časem vytvářet povrchové deprese (u spraší typické trychtýře).

Sufóze závisí především na charakteru horniny a na hydraulických parametrech. V rámci jednotlivých zemin závisí průběh sufóze na jejich ulehlosti, tvaru, velikosti a spojitosti pórů, cementaci a geologické stavbě.

V přírodních podmínkách dochází k sufózi zejména ve spraších, ležících na propustném podloží, v menší míře postihuje strmé břehy řek při rychlém poklesu hladiny. Častější jsou případy vyvolané uměle, např. dlouhodobým intenzivním čerpáním ze stavebních jam, vrtů a podzemních děl, při rychlých poklesech hladiny v nádržích nebo při soustředěných únicích vody z nádrží a potrubí.

Sufóze je vážným problémem, který způsobuje únik vody z nádrží pod základy přehrad, oslabuje spojení mezi hrází a podložím a ohrožuje jejich stabilitu. Jako příklad je možno uvést protržení dunajské ochranná hráze při Patinciach a Kľúčovci při dlouhotrvajícím vysokém stavu Dunaje roku 1965 (Jakubec, 1967). U jímacích vrtů, které jsou nedostatečně vybaveny vhodnými filtry, se intenzivní vyplavování materiálu projevuje hlavně u zvodní s napjatou hladinou. Zde dochází k samovolnému vytékání vody z propustné vrstvy na povrch a přitom se vyplavuje materiál ze stěny vrtu. Postupně se šíří dále, dochází k vypadávání nadložních hornin, což způsobuje postupné propadání.

Významný je i podíl na vzniku a vývoji svahových pohybů, zejména při neodborném provedení odřezů.

9.2.4.2 Ztekucení

Ztekucení probíhá za obdobných podmínek. Na rozdíl od sufóze, kde hlavním faktorem je rychlost proudění vody, ztekucení nastává při překročení kritického hydraulického gradientu I_k (obr. 9.2.4.2.1), kdy pórové tlaky zcela porušují strukturní vazby mezi zrny (obr. 9.2.4.2.2). Týká se to především písků (tekuté písky) a spraší, jílů, výjimečně i štěrků. Nejčastěji se setkáváme se ztekucením jemnozrnných písků, a to zvlášť u takových, které obsahují koloidní částice. Jsou nejčastěji kvartérního a neogenního stáří. V podstatě ke ztekucení může dojít vždy, když pórové tlaky jsou větší než hmotnost zeminy. Příčinou jejich zvýšení mohou při malé ulehlosti být i dynamické otřesy (zemětřesení, hutnění ap.). Nebezpečné jsou mořské, tzv. citlivé jíly (quick clay), u kterých ke ztrátě soudržnosti dochází snížením koncentrace solí infiltrující vodou (obr. 9.2.4.2.3).

Ke ztekucení dochází převážně při hloubení stavebních jam a při podzemních pracích, což může způsobit porušení základové půdy. Může také dojít k vytláčení ztekucených zemin ze svahů do stavebních jam, a to má za následek narušení stability svahů, výkopů. V podzemních dílech může dojít k náhlému zaplnění. Pokud není podzemní dílo příliš hluboko, na povrchu se může vytvořit trychtýřovitá deprese. Takový případ se stal v roce 1977 v Leningradě při budování metra ve zvodnělých jemnozrnných píscích v hloubce 80 m (Ondrašík, Rybář, 1991).

Ukazatelem hraničních podmínek ztekucení nesoudržných zemin je hydraulický gradient filtrace a hodnota kritické pórovitosti. Kritickou mez filtračního proudění uvádí vztah:

I_k je kritický gradient

g je objemová tíha písku

e je koeficient pórovitosti

Ochranná opatření proti vzniku filtračních poruch jsou především ve snížení hydraulického gradientu, rychlosti a vztlaku vody - těsnicí stěny a koberce, drenážní filtry, průsakové kanály, zpevňování zemin - hutněním, injektáží, elektroosmotickým vysušením , chemickou úpravou, volba vhodného způsobu zakládání staveb - štěrkové polštáře, piloty.