Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Nowy Dwór Gdański - Kazimierzowo

Transkrypt

1 Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 2 marca 2017 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW Krzysztof Kryża Keller Polska Anita Meger Menard Polska Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 1. Wprowadzenie Budowa drogi S7 na odcinku Koszwały - Kazimierzowo to jeden z największych projektów geotechnicznych w Polsce. Kontrakt podzielono na dwa zadania, z których dla jednego wzmocnienie podłoża w całości realizuje konsorcjum firm Keller Polska i Menard Polska. Konsorcjum współpracuje głównie przy zadaniu 2: od km ,25 do km ,45 (Nowy Dwór Gdański Kazimierzowo), gdzie za zakres prac drogowych odpowiada firma Budimex SA. Rys.1. Plan sytuacyjny projektowanej Drogi S7 Koszwały-Kazimierzowo W koncepcji wzmocnienia podłoża, przygotowanej przez Transprojekt Gdański, zaproponowano 11 różnych technologii w zależności od klasy drogi, wysokości nasypu, warunków gruntowo-wodnych oraz projektowanych bądź istniejących elementów infrastruktury drogowej. Tabela.1. Metody wzmocnienia podłoża zaproponowane w koncepcji

2 2 Krzysztof Kryża, Anita Meger Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Z proponowanych metod wzmocnienia, przedstawionych w tabeli powyżej, konsorcjum wykorzystało trzy podstawowe technologie: T02 - dreny prefabrykowane zwieńczone materacem geosyntetycznym oraz przeciążenie nadnasypem, T08b - żelbetowe pale formowane w gruncie metodą przemieszczeniową, zwieńczone płytą podporową oraz materac z siatek stalowych, T09/T04 - wgłębne wzmocnienie kolumnami betonowo żwirowymi, formowanymi w gruncie metodą wibrowymiany oraz kolumny żwirowe (technologia T04), zwieńczone materacem z siatek stalowych. 2. Skrócony opis inwestycji Projektowany zakres drogi S7 zlokalizowany jest na terenie województwa pomorskiego i od km ,25 do przebiega przez Gminę Nowy Dwór Gdański. Dalsza trasa prowadzi przez tereny województwa warmińsko-mazurskiego. Odcinek drogi S7 w km do zaprojektowano na terenie Gminy Elbląg, a od km do ,45 częściowo w Gminie Elbląg i na terenie miasta Elbląg. Część trasy przebiega w śladzie istniejącej drogi krajowej DK7. Droga S7 jest jednym z ważniejszych elementów infrastruktury drogowej w Polsce o znaczeniu międzynarodowym. Projektowany odcinek od Gdańska do Elbląga leży w europejskim korytarzu transportowym IA Ryga Kaliningrad Elbląg Gdańsk oraz w korytarzu z Gdańska przez Warszawę do Odessy. Podstawowe parametry techniczne odcinka drogi ekspresowej S7: klasa techniczna S, prędkość projektowa Vp km/h, kategoria ruchu - KR6, liczba jezdni - 2, szerokość jezdni - 7,00 m (2 3,50 m), docelowo - w II etapie 10,50 m (3x3,50 m), szerokość pasa awaryjnego postoju - 2,50 m, minimalna szerokość korony drogi ekspresowej - 32,50 m. W II etapie (docelowym) przewidziano dobudowę trzeciego pasa ruchu po wewnętrznej stronie każdej z jezdni. Na istniejącym węźle w Nowym Dworze Gdańskim docelowe poszerzenie istniejącej jezdni o trzeci pas ruchu przewidziano po zewnętrznej stronie istniejących jezdni. Na odcinakach przebiegu drogi S7 w śladzie istniejącej drogi krajowej DK7 nie planuje się wykorzystania konstrukcji istniejącej jezdni. Wszystkie obiekty inżynierskie w ciągu drogi S7 oraz na węzłach zaprojektowano na klasę obciążeń A oraz pojazd klasy MLC 150 według STANAG W ramach zadania 2 zaplanowano 14 obiektów inżynierskich, w tym mosty, wiadukty oraz przejścia podziemne dla pieszych. 3. Warunki geologiczne W obszarze projektowanej inwestycji występują niekorzystne oraz złożone warunki gruntowe. Na podstawie badań geologicznych stwierdzono, że na całej długości planowanej drogi ekspresowej występują grunty organiczne oraz płytko zalegające wody gruntowe. Przypowierzchniowe warstwy zbudowane są głównie z czwartorzędowych utworów holocenu, o miąższości dochodzącej do m. Osadami holocenu, występującymi na obszarze Żuław Wiślanych, są mady rzeczne, mułki, namuły, piaski i żwiry rzeczne. Lokalnie występują także torfy. Jest to typowy tzw. torcik żuławski, w którym grunty organiczne przewarstwione są warstwami piasków drobnych i średnich w stanie średniozagęszczonym. Z uwagi na zakwalifikowanie drogi ekspresowej do inwestycji mogącej znacząco oddziaływać na środowisko, całą inwestycję zaliczono do III kategorii geotechnicznej.

3 Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 2 marca 2017 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW Rys.2. Typowy przekrój geologiczny na obszarze projektowanej drogi S7 4. Uzupełniające badania geotechniczne Przed przystąpieniem do prac projektowych wykonano komplet uzupełniających badań geotechnicznych, zarówno polowych jak i laboratoryjnych. Na obszarach wzmocnionych w technologii pali przemieszczeniowych oraz kolumn żwirowych i żwirowo-betonowych wykonano sondowania statyczne CPTu w zagęszczonej siatce, dzięki którym okonturowano zakres gruntów organicznych oraz określono parametry geotechniczne gruntów nośnych. Wyniki badań uzupełniających porównano z badaniami podstawowymi, wykorzystanymi przy opracowaniu koncepcji wzmocnienia podłoża. Rys.3. Przykładowe wyniki sondowania CPTu

4 4 Krzysztof Kryża, Anita Meger Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Na obszarach wzmocnionych w technologii drenów prefabrykowanych wykonano sondowania CPTu, badania wytrzymałości na ścinanie gruntów organicznych sondą FVT oraz pobrano próbki gruntu do badań laboratoryjnych, w celu określenia podstawowych parametrów konsolidacyjnych, tj. Cc wskaźnik ściśliwości, Cs wskaźnik odprężenia, Cα współczynnik ściśliwości wtórnej, Cv współczynnik konsolidacji pionowej, Cr- współczynnik konsolidacji poziomej, e 0 wskaźnik porowatości, E oed moduł edometryczny OBSZAR 19 e0 Mo Cv Cr Cc Cs Cαe [-] [MPA] [m2/y] [m2/y] OTW4/7,7-8, Nm pod P i G namuł gliniasty 1,15 1,7 23,9 13,5 0,20 0,03 0,009 3 OTW3/7,2-7, Nm 1 warstwa namuł piaszczysty 0,80 5,6 34,3 18,3 0,05 0,01 0,004 5 OTW4/3,2-3, wg przekrojów T namuł piaszczysty 0,95 2,8 26,4 70,1 0,11 0,02 0, OTW2/7,0-7, Nm w 1 warstwie namuł gliniasty 1,72 8,8 11,6 40,2 0,05 0,01 0,003 7 OTW3/2,5-3, torf słabo rozłożony, włóknisty,porowaty 9,61 0,8 15,5 22,7 2,12 0,38 0,045 9 OTW2/2,0-2, torf dobrze rozłożony 3,36 1,6 3,9 48,1 1,64 0,40 0, OTW1/9,2-9, torf słabo rozłożony, włóknisty,porowaty 6,00 4,9 46,7 1,3 0,23 0,08 0, OTW1/2,5-3, wg przekrojów Nm+T torf rozłożony 3,15 5,3 49,5 29,5 0,13 0,02 0, OBSZAR 19 e0 Mo Cv Cr Cc Cs Cαe [-] [MPA] [m2/y] [m2/y] OTW4/7,7-8, Nm pod P i G namuł gliniasty 3,1 13,4 33,9 0,22 0,08 3 OTW3/7,2-7, Nm 1 warstwa namuł piaszczysty 7,9 7,0 2,4 0,07 0,02 5 OTW4/3,2-3, wg przekrojów T namuł piaszczysty 5,2 15,8 24,3 0,12 0,04 13 OTW2/7,0-7, Nm w 1 warstwie namuł gliniasty 6,00 5,1 40,2 0,15 0,03 7 OTW3/2,5-3, torf słabo rozłożony, włóknisty,porowaty 0,4 3,20 6,60 8,96 1,88 9 OTW2/2,0-2, torf dobrze rozłożony 2,1 0,70 33,80 2,07 0,86 11 OTW1/9,2-9, torf słabo rozłożony, włóknisty,porowaty 5,7 17,10 7,30 0,38 0,22 15 OTW1/2,5-3, wg przekrojów Nm+T torf rozłożony 1,8 32,90 41,70 0,75 0,08 Tabela 2. Przykładowe parametry konsolidacyjne gruntów organicznych 5. Przyjęte metody wzmocnienia podłoża Ze względu na duże miąższości gruntów słabonośnych, obejmujących namuły, namuły z domieszką torfu, torfy i gliny próchnicze, większość projektowanych nasypów drogowych posadowiono na wzmocnionym podłożu. Wzmocnienie podłoża jest niezbędne z uwagi na niebezpieczeństwo wystąpienia nadmiernego lub nierównomiernego osiadania oraz konieczność zabezpieczenia budowli przed zagrożeniami związanymi z brakiem stateczności podłoża. Do wzmocnienia podłoża wykorzystano: Technologię T02 - jako podstawową metodę wzmocnienia podłoża na większości trasy zasadniczej i dróg dojazdowych oraz nasypów drogowych o wysokości do 6 m. Metoda obejmuje zastosowanie drenów prefabrykowanych wraz z przeciążeniem nadnasypem i materacem geosyntetycznym. Dreny prefabrykowane, instalowane w podłożu w stosunkowo gęstej siatce, skracają drogę filtracji i przyspieszają proces konsolidacji ściśliwego podłoża gruntowego, obciążonego nasypem drogowym. Zastosowanie efektywnego przeciążenia podłoża przez okresowe podwyższenie nasypu drogowego w formie tzw. nadnasypu pozwala na wyeliminowanie dodatkowego osiadania wtórnego, jakie może wystąpić na skutek pełzania gruntu. Skonsolidowany grunt uzyskuje wyższą wytrzymałość i większą sztywność. W efekcie możliwe jest spełnienie wymagań projektowych, związanych ze statecznością i osiadaniem budowli ziemnej. Szacowane osiadania podczas budowy nasypu drogowego i utrzymywania nasypu przeciążeniowego wynoszą w zależności od miąższości gruntów organicznych od 0,3 do 1,5 m. Zaprojektowano nasypy przeciążeniowe o wysokości od 2,0 do 5,0 m ponad niweletę projektowanej drogi. Przewidywany czas konsolidacji wynosi od 3 do 8 miesięcy.

5 Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 2 marca 2017 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW Rys.4. Przekrój poprzeczny przez nasyp drogowy wzmocniony w technologii drenów prefabrykowanych Technologię T08b żelbetowe pale przemieszczeniowe o średnicy Ø400mm, zwieńczone płytami podporowymi o wymiarach 0,35x1,0x1,0 m i materacem z siatek stalowych, zastosowane przy dojazdach do obiektów mostowych oraz w miejscach szczególnie wrażliwych na osiadanie. Pale formowane są w gruncie metodą przemieszczeniową. Podczas wykonywania pali rejestruje się głębokość pogrążenia świdra, ilość zużytej mieszanki betonowej oraz ciśnienie w układzie hydraulicznym maszyny, co pozwala na śledzenie procesu penetracji świdra w podłoże i formowania trzonu betonowego in situ. Rys.5. Przekrój poprzeczny przez nasyp drogowy wzmocniony w technologii pali przemieszczeniowych z płytami podporowymi Technologie T09/T04 kolumny betonowo-żwirowe i żwirowe zwieńczone materacem z siatek stalowych, rozwiązanie mieszane dla nasypów o wysokości powyżej 6 m. Kolumny betonowo-żwirowe przewidziano pod korpusem nasypu o pełnej wysokości, natomiast kolumny żwirowe pod skarpami. Zastosowanie kolumn żwirowych pod skarpami nasypu, gdzie stosunek sił pionowych i momentów zginających jest niekorzystny, zapobiega ewentualnemu uszkodzeniu kolumny betonowej w wyniku jej zginania. Ponadto w miejscach, w których drogi dojazdowe krzyżują się z trasą zasadniczą i niezależnie od wysokości nasypu drogowego, kolumny betonowo-żwirowe rozmieszczono w całym przekroju poprzecznym drogi.

6 6 Krzysztof Kryża, Anita Meger Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Kolumny żwirowo-betonowe wykonuje się wibratorem wgłębnym z rdzeniowym (tzn. wewnętrznym) podawaniem materiału i z udziałem docisku maszyny podstawowej w czasie formowania kolumn, który ułatwia penetrację wibratora i zagęszczanie trzonu. Średnica trzonu kolumny dostosowuje się do podatności bocznej gruntu i wynosi około 0,5 do 0,7 m. Cechą charakterystyczną kolumn betonowo-żwirowych jest ich wysoka nośność przy stosunkowo krótkim trzonie i niewielkim zagłębieniu w podłoże nośne, co wynika z osadzenia trzonu betonowego w silnie zagęszczonym gruncie. Ze względu na ciągły pomiar oporu penetracji wibratora podczas pogrążania uzyskuje się dobre dostosowanie długości kolumny do warunków gruntowych w każdym punkcie. Rys.6. Przekrój poprzeczny przez nasyp drogowy wzmocniony w technologii kolumn żwirowych i żwirowobetonowych Kombinacja powyższych technologii pozwala na stopniowe przejście z podatnych wzmocnień na drenach, poprzez sztywniejsze kolumny żwirowe i betonowo-żwirowe, do sztywnych pali przemieszczeniowych z czapkami przy przyczółkach obiektów mostowych. Przedstawiony kontrakt jest jednym z pierwszych projektów o tak dużej skali, na którym przewidziano konieczność wykonania projektów technologicznych platform roboczych. W zależności od warunków gruntowych i rodzaju maszyn potrzebnych do wykonania wzmocnienia, dobrano odpowiednią platformę roboczą. Dla drenów prefabrykowanych przyjęto platformę roboczą o minimalnej miąższości 0,5 m, układaną na geotkaninie separacyjnej. Pale przemieszczeniowe oraz kolumny żwirowe i żwirowo-betonowe wymagały wykonania 1,0 m wymiany przypowierzchniowych gruntów organicznych o niskiej wytrzymałości na ścinanie oraz 0,5 m zasadniczej platformy roboczej.

7 Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 2 marca 2017 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW Rys.7. Przykładowe rozwiązanie wzmocnienia podłoża pod węzłem drogowym Pierwotnie dla wszystkich technologii wzmocnienia podłoża zaprojektowano warstwę transmisyjną zbrojoną geosyntetykami. W ostatecznej wersji na technologiach sztywnych tj. palach przemieszczeniowych oraz kolumnach żwirowo-betonowych, zaprojektowano warstwę transmisyjną zbrojoną ocynkowanymi siatkami stalowymi. Rozwiązanie to pozwala w znaczący sposób zredukować przemieszczenia poziome i momenty zginające w palach i kolumnach, a co za tym idzie zredukować ilość zbrojenia. Przez usztywnienie warstwy transmisyjnej, osiadania i przemieszczenia poziome nasypu również ulegają zmniejszeniu. Siatki stalowe z prętów #12 mm w postaci arkuszy o wymiarach 2,4x10,0 m układa się prostopadle do osi drogi. W kierunku podłużnym arkusze łączy się przez haki układane w każdym oczku siatki. 6. Monitoring Wzmocnienie podłoża w technologii drenów prefabrykowanych jest metodą obserwacyjną i wymaga ciągłego nadzoru ze strony Projektanta. Projektant na etapie pogrążania drenów w gruncie kontroluje ich rzeczywiste długości i porównuje je z wartościami projektowanymi. Zakładane długości drenów dotyczą lokalizacji punktowego rozpoznania podłoża gruntowego w miejscach wykonania sondowań/otworów. Zgodnie z warunkami kontraktu, w przypadku gdy rzeczywiste długości drenów różniły się o 10% od założonych w projekcie, należało wykonać dodatkowe sprawdzające odwierty geologiczne. W przypadku znaczących różnic w geologii, przekroje obliczeniowe podlegały dodatkowej analizie. L.p. kilometraż obszar lokalizacja strona platformy (wraz ze wzrostem km) przy punkcie badawczym projektowana dł. drenów [m] Uzyskana dł. drenów [m] różnica długości [%] Środek D254 9,20 6,4-30,4% Prawa 9,20 9,3 1,1% Środek 9,20 6,29-31,6% Prawa 9,20 9,7 5,4% Środek D254 9,20 7,3-20,7% Prawa 9,50 9,84 3,6% Środek 9,50 11,08 16,6% Prawa 9,50 6,81-28,3% Tabela.4. Przykładowy raport z pogrążania drenów

8 8 Krzysztof Kryża, Anita Meger Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Projektant wzmocnienia podłoża odpowiada również za analizę stateczności nasypu przeciążeniowego oraz kontrolę przyrostu wytrzymałości na ścinanie gruntów organicznych w trakcie budowy nasypu. Na podstawie badań kontrolnych, wykonywanych każdorazowo w punktach zerowych pomiarów przed każdą kolejną fazą nasypu, Projektant wydaje zgodę na wykonywanie kolejnych faz przeciążenia. Osiągnięcie wymaganej wytrzymałości na ścinanie przed usypaniem wyższego przeciążenia gwarantuje, że zostanie zachowana stateczności nasypu. Dla omawianego kontraktu badania prowadzone są z wykorzystaniem automatycznej sondy krzyżakowej VANE. Tabela.5. Badanie wytrzymałości gruntów na ścinanie przed kolejną fazą nasypu pomiar zerowy, pomiar kontrolny. Celem wzmocnienia podłoża jest spełnienie warunku osiadań rezydualnych. Osiadania po 5 latach eksploatacji nie mogą przekroczyć wartości 5 cm, zaś po 50 latach eksploatacji 10 cm. Zastosowanie przeciążenia nad nasypem prowadzi do wymuszenia osiadań większych niż powstałyby podczas obciążenia ruchem pojazdami oraz do ograniczenia osiadań resztkowych powstałych od zjawiska pełzania gruntu, poprzez zwiększenie wskaźnika prekonsolidacji gruntu OCR. Za moment ukończenia konsolidacji uważa się uzyskanie współczynnika konsolidacji 95%. Stopień konsolidacji określa się metodą Asaoki. Wzdłuż drogi (co 50 metrów) umieszczone zostały repery talerzowe, po trzy w każdym przekroju, których osiadania monitorowane są w cotygodniowych pomiarach. Projektant analizuje wyniki monitoringu i na jego podstawie wydaje decyzje o zdjęciu nasypu przeciążającego. W przypadku, gdy osiadania całkowite przekraczają wartości przewidywane, Projektant przeprowadza analizę uzupełniającą i decyduje o ewentualnym podwyższeniu nasypu lub wydłużeniu czasu przeciążenia.

9 Settlement [cm ] Embankment height [m] Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 2 marca 2017 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW Embankment according to projekt Real embankment Week 20 0 Estimated final settlement from projekt Estimated final settlement from Asaoka Rys.8. Analiza metodą Asaoki 7. Wnioski Po wykonaniu Projektów Technologicznych oraz realizacji ponad połowy zakresu robót związanych ze wzmocnieniem podłoża nasuwa się kilka ogólnych wniosków: a) dokumentacja geotechniczna odpowiednio zaprojektowany zakres uzupełniających badań geotechnicznych jest najważniejszym elementem wpływającym na końcowy sukces. Szczegółowe badania geotechniczne pozwoliły optymalnie zaprojektować wzmocnienie podłoża oraz wyeliminować ryzyko niedoszacowania ilości robót oraz czasu konsolidacji. b) platforma robocza odpowiednio zaprojektowana i wykonana, zapewnia bezpieczną pracę maszyn budowlanych, jakość oraz tempo wykonywanych robót, c) dreny prefabrykowane przy odpowiednich warunkach gruntowych oraz organizacji placu budowy, metody konsolidacyjne okazują się być najbardziej ekonomicznymi metodami wzmocnienia. Monitoring nasypów przeciążeniowych pozwala na szczegółową ocenę postępu konsolidacji i weryfikację przyjętych założeń. Należy tu podkreślić wagę prawidłowo wykonanych badań laboratoryjnych. d) pale przemieszczeniowe technologia sztywna; zapewnia redukcję osiadania w bezpośrednim sąsiedztwie przyczółków mostowych; sprawdza się przy naprawdę słabych warunkach gruntowych oraz przy bardzo wysokich nasypach, e) kolumny żwirowe i żwirowo-betonowe technologia półsztywna; pozwala na płynne przejście z metod podatnych (dreny prefabrykowane) do sztywnych (pale przemieszczeniowe); pozwala na prowadzenie prac w strefach przejściowych bez konieczności zakończenia konsolidacji na obszarach wzmocnionych drenami prefabrykowanymi. Zastosowanie kolumn żwirowych pod skarpami nasypów pozwoliło na stosowanie tej metody dla nasypów o wysokości nawet do 10,0 m bez konieczności zbrojenia elementów betonowych. f) siatki stalowe pozwalając na optymalizację rozstawów i zbrojenia pali przemieszczeniowych redukują osiadania oraz przemieszczenia poziome nasypu, g) monitoring odpowiednio zaprojektowany zapewni pełną kontrolę założeń projektowych oraz zminimalizuje możliwość wystąpienia niedopuszczalnych wartości osiadania w trakcie użytkowania nasypów drogowych.

10 10 Krzysztof Kryża, Anita Meger Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podłoża nasypów trasy S7 Rys.9. Zdjęcia z realizacji wzmocnienia podłoża gruntowego