Posadowienie budowli ziemnych na podłożu słabonośnym

Transkrypt

1 Posadowienie budowli ziemnych na podłożu słabonośnym Prof. dr hab. inż. Zbigniew Lechowicz Mgr inż. Grzegorz Wrzesiński Katedra Geoinżynierii SGGW w Warszawie STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia związane z posadowieniem budowli ziemnych na podłożu słabonośnym. Zwrócono szczególną uwagę na wykorzystanie badań in situ i badań laboratoryjnych w rozpoznaniu i badaniu podłoża słabonośnego. Scharakteryzowano problemy związane z analizą stateczności i odkształceń nasypów na podłożu słabonośnym oraz kontroli i monitorowania ich zachowania się w czasie budowy i eksploatacji. Przedstawione w artykule zagadnienia zostały omówione na przykładzie zachowanie się nasypu doświadczalnego w Antoninach oraz zapory Nielisz. 1 WSTĘP W praktyce inżynierskiej pod pojęciem podłoże słabonośne najczęściej przyjmuje się podłoże zbudowane z gruntów spoistych i/lub organicznych, których wskaźnik konsystencji I C < 0.5. Występujące w podłożu grunty słabe charakteryzują się: dużą porowatością i wilgotnością dużą odkształcalnością z wyraźną tendencją do pełzania małą wytrzymałością na ścinanie w warunkach bez odpływu znaczną zmianą przepuszczalności wraz ze zmianą porowatości znaczną nieliniową zmiennością charakterystyk materiałowych znaczną przestrzenną zmiennością właściwości. Mała wytrzymałość na ścinanie i duża odkształcalność gruntów słabych powoduje, że posadowienie nasypów na słabonośnym podłożu stwarza poważne problemy inżynierskie (Hartlen i Wolski 1996, CUR 1996, Duncan i Wright 2005). Wynikają one głównie z trudności zapewnienia stateczności budowli ziemnej oraz występowania dużych pionowych i poziomych odkształceń podłoża podczas i po zakończeniu budowy (Lechowicz i Szymański 2002). Powodzie, które w ostatnich latach miały miejsce w świecie, z których w Polsce najbardziej rozległe były powodzie w 1997 i 2010 roku, wytworzyły w społeczeństwie świadomość zagrożenia i spowodowały konieczność podniesienia poziomu bezpieczeństwa. Rosnąca potrzeba podniesienia poziomu bezpieczeństwa budowli ziemnych zmusza nie tylko do udoskonalenia metod ich projektowania i wykonawstwa, ale również do lepszego poznania i bardziej precyzyjnej oceny zachowania się budowli ziemnych w okresie budowy oraz eksploatacji również w ekstremalnych warunkach pogodowych (Wolski i in. 1999). W przypadku posadowienia nasypów hydrotechnicznych na słabonośnym podłożu, stanowiącym jednocześnie nasyp drogowy, oprócz zapewnienia stateczności podstawowym problemem jest konieczność ograniczenia jego osiadań w okresie eksploatacji. W celu uzyskania zmniejszenia osiadań słabonośnego podłoża w okresie eksploatacji wykorzystuje się okresowe przeciążenie podłoża poprzez dobór wartości i zasięgu dodatkowego obciążenia. Mała początkowa wytrzymałość na ścinanie podłoża słabonośnego często stwarza trudności w zapewnieniu stateczności budowli ziemnej, dlatego obciążenie powinno być realizowane etapowo lub na uprzednio wzmocnionym podłożu. Jednym ze sposobów posadowienia nasypów na podłożu słabonośnym jest etapowa budowa z wykorzystaniem konsolidacyjnego wzmocnienia podłoża słabonośnego (Rys. 1). 1

2 Rys. 1. Etapowa budowa nasypu na podłożu słabonośnym. W artykule przedstawiono problematykę posadowienia nasypów hydrotechnicznych na podłożu słabonośnym na przykładzie nasypu doświadczalnego w Antoninach oraz zapory czołowej zbiornika Nielisz. Nasyp doświadczalny w Antoninach został zrealizowany w trzech etapach na torfowo-gytiowym podłożu słabonośnym, który po uzyskaniu konsolidacyjnego wzmocnienia podłoża doprowadzono do utraty stateczności. Zapora Nielisz została wykonana w dwóch etapach z przeciążeniem na podłożu słabonośnym zawierającym mineralne i organiczne grunty słabe (miękkoplastyczne pyły, namuły i namuły organiczne). 2 ROZPOZNANIE I BADANIE PODŁOŻA SŁABONOŚNEGO Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego w zależności od ważności obiektu oraz stopnia skomplikowania warunków posadowienia budowli ziemnej opiera się w różnym stopniu na analizie wyników badań terenowych oraz badań laboratoryjnych. W przypadku rozpoznania i badania podłoża słabonośnego, oprócz określenia jego budowy i wyznaczenia parametrów geotechnicznych charakteryzujących właściwości fizyczne i mechaniczne występujących warstw, szczególną uwagę należy zwrócić na przestrzenne zróżnicowanie miąższości i właściwości występujących w nim gruntów słabych (Lechowicz i in. 1998). Przykładowe rozpoznanie warunków geotechnicznych słabonośnego podłoża organicznego pod nasypem doświadczalnym w Antoninach przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Stan składowej pionowej naprężenia efektywnego oraz wytrzymałości na ścinanie pod nasypem w Antoninach: u o początkowe ciśnienie wody w porach, u h ciśnienie hydrostatyczne, u a ciśnienie artezyjskie, σ v naprężenie całkowite, σ v naprężenie efektywne, σ p naprężenie prekonsolidacji; wytrzymałość na ścinanie: 1 wartości pomierzone sondą krzyżakową, 2 wartości skorygowane wg metody SGI, 3 wartości średnie, 4 wartości średnie ± odchylenie standardowe; TC badanie trójosiowe przy ściskaniu, TE - badanie trójosiowe przy wydłużaniu, DSS badanie prostego ścinania, (LAB) śr wartość średnia z badań laboratoryjnych (Wolski i in. 1988, 1989, Lechowicz 1992). 2

3 2.1 Wstępne rozpoznanie podłoża We wstępnym rozpoznaniu podłoża coraz większą rolę odgrywają badania geofizyczne. Praktycznie wykorzystywane są te metody, które umożliwiają istotne rozszerzenie możliwości rozpoznania podłoża w zakresie wyznaczenia przestrzennej zmienności parametrów geotechnicznych. Wśród geofizycznych badań sejsmicznych, coraz częściej wykorzystane są metody nieinwazyjne oparte na analizie spektralnej fal powierzchniowych SASW oraz powierzchniowym prześwietleniu radarem (Stokoe i Santamarina 2000, Foti 2013). 2.2 Wiercenia i pobieranie próbek NNS Grunty słabe są bardzo wrażliwe na naruszenie struktury, które powstaje podczas pobierania próbek gruntu do badań laboratoryjnych. Konstruowane są zatem specjalne próbniki do otrzymywania wysokiej jakości próbek o niewielkim stopniu naruszenia ich struktury. Próbniki te oprócz zapewnienia małego tarcia na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni pobocznicy oraz stosunku średnicy zewnętrznej próbnika do grubości ścianki przekraczającym 40, charakteryzują się średnicą wewnętrzna próbnika przekraczającą 100 mm (Tanaka i in. 1996, Larsson i in. 2013). Dobrą jakość próbek gruntów słabych można uzyskać poprzez ich pobranie z wykopów badawczych. 3 BADANIA IN SITU Obserwowany w ostatnim dwudziestoleciu intensywny rozwój badań in situ głównie dotyczył doskonalenia dotychczas stosowanych metod badawczych oraz poszukiwania nowych rozwiązań rozszerzających możliwości pomiarowe. Z dotychczas stosowanych metod badań in situ największe zastosowanie w praktyce w przypadku gruntów słabych znalazły badania polową sondą krzyżakową, sondowania statyczne i sondowania dylatometryczne. 3.1 Polowa sonda krzyżakowa Polowa sonda krzyżakowa jest powszechnie stosowana do wyznaczania wytrzymałości na ścinanie gruntów słabych w warunkach bez odpływu. Liczne jednak doświadczenia wskazują, że wartości wytrzymałości na ścinanie τ fv pomierzone polową sondą krzyżakową nie mogą być użyte bezpośrednio w obliczeniach stateczności nasypów na podłożu słabonośnym. Chcąc określić wytrzymałość na ścinanie bez odpływu τ fu należy wykorzystać pomierzoną wartość wytrzymałości na ścinanie τ fv i współczynnik poprawkowy µ według zależności: τ fu = τ fv µ (1) Wartości współczynników poprawkowych µ określa się na podstawie badań laboratoryjnych lub przyjmuje z istniejących zależności empirycznych (Larsson i in. 1984). Dotychczasowe doświadczenia wskazują, że najczęściej przyjmowane wartości współczynników poprawkowych w przypadku torfów µ = 0.5, gytii organicznych µ = 0.6, gytii węglanowych µ = 0.7, namułów organicznych µ = 0.8 oraz namułów µ = 0.9 (Lechowicz i Szymański 2002). 3.2 Sondowania statyczne CPTU i SCPTU Sondowania statyczne dzięki zastosowanym udoskonaleniom metodyki badań i interpretacji wyników, stały się podstawowym badaniem in situ (Mayne 2006, Młynarek 2013). Pomimo interpretacji sondowań statycznych opartej na zależnościach empirycznych o lokalnym charakterze są one powszechnie stosowane do uzyskania ciągłych profili parametrów geotechnicznych wykorzystywanych w charakterystyce podłoża gruntowego. Możliwość pomiaru wzbudzonego podczas badań ciśnienia wody 3

4 w porach w sondowaniach CPTU oraz kontrolowanego jego rozpraszania stanowią dodatkowy niezależny pomiar, wykorzystywany głównie w określeniu stanu i rodzaju gruntu oraz jego właściwości hydraulicznych. Sondowania sejsmiczne SCPTU, oprócz pomiarów q t, f s i u, umożliwiają pomiar prędkości fal poprzecznych, co pozwala określić sztywność gruntu. Istotną poprawę w interpretacji badań SCPTU uzyskano poprzez zastosowanie w badaniach typu downhole końcówki stożkowej wyposażonej w dwa geofony. Przykład wykorzystania sondowań statycznych CPTU w wyznaczeniu profilu wytrzymałości na ścinanie bez odpływu podłoża organicznego w Antoninach przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Porównanie wyników badań sondą statyczną CPTU i polową sondą krzyżakową podłoża organicznego w Antoninach wykonanych pod koniec trzeciego etapu: A poza nasypem, B pod osią nasypu; sonda krzyżakowa: 1 wartości skorygowane wg metody SGI, 2 wartości skorygowane wg współczynnika poprawkowego µ LAB ; (LAB) śr wartość średnia wytrzymałości na ścinanie z badań laboratoryjnych (Lechowicz 1992). 3.3 Sondowania dylatometryczne DMT i SDMT Metodyka badania dylatometrem została opublikowana na początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku przez Marchettiego (1980, 1999). Główną zaletą badania dylatometrycznego DMT jest szybki i mało skomplikowany pomiar, na podstawie którego uzyskuje się profile wartości wielu parametrów gruntowych. Wyznaczenie parametrów gruntowych opiera się na wykorzystaniu zależności empirycznych wiążących wyniki pomiarów z wartością parametrów gruntowych. Występujące w tych zależnościach współczynniki zostały określone w wybranych rodzajach gruntu na podstawie skalowania w komorze kalibracyjnej lub porównania z wynikami badań laboratoryjnych i terenowych. Od ponad dwudziestu lat Katedra Geoinżynierii SGGW w Warszawie prowadzi badania dylatometrem Marchettiego w gruntach słabych na wielu obiektach doświadczalnych. Analiza wyników pozwoliła na zaproponowanie zależności empirycznych zalecanych w interpretacji badań dylatometrycznych w gruntach słabych (Lechowicz i Szymański 2002, Rabarijoely 2000, Lechowicz i Rabarijoely 2005, Galas 2010). Przykładowe wyniki badań dylatometrycznych DMT nieobciążonego i obciążonego podłoża organicznego w Antoninach przedstawiono na rysunku 4, natomiast słabonośnego podłoża zapory Nielisz na rysunku 5. Uzupełnienie oprzyrządowania wykorzystywanego do wykonywania badań SDMT o dwa geofony rozszerza możliwości interpretacji badań dylatometrycznych. Zastosowanie geofonów pozwala na rejestrację fali poprzecznej, ułatwiając interpretację 4

5 wyników sondowania, wydzielanie warstw czy wyprowadzanie parametrów geotechnicznych. Rys. 4. Profile wskaźników I D, K D i E D uzyskane z badań dylatometrycznych podłoża organicznego nasypu doświadczalnego w Antoninach: a podłoże nieobciążone, b podłoże skonsolidowane. Rys. 5. Profile wskaźników I D, K D, E D i U D uzyskane z badań dylatometrycznych słabonośnego podłoża zapory Nielisz: a podłoże nieobciążone, b podłoże skonsolidowane. 4 BADANIA LABORATORYJNE Badania laboratoryjne gruntów słabych, podobnie jak w przypadku innych spoistych gruntów mineralnych służą wyznaczeniu właściwości fizycznych oraz charakterystyk i parametrów mechanicznych gruntów. Badania laboratoryjne wykonywane są najczęściej przy wykorzystaniu aparatury powszechnie wykorzystywanej w praktyce inżynierskiej. Jednakże specyfika właściwości gruntów słabych powoduje, że zakres przeprowadzonych badań laboratoryjnych oraz metodyka badań i interpretacja wyników muszą być dostosowane do spodziewanego ich zachowania się (Lechowicz 1996). 4.1 Badania cech wskaźnikowych W celu dokonania identyfikacji gruntów słabych wykorzystywane są badania laboratoryjne służące oznaczeniu ich właściwości fizycznych. Do podstawowych właściwości fizycznych charakteryzujących grunty słabe należą: gęstość (objętościowa, 5

6 objętościowa suchej masy gruntu, właściwa) wilgotność, granice konsystencji, zawartość części organicznych, zawartość węglanu wapnia oraz w przypadku torfów stopień rozkładu i skład botaniczny. Właściwości fizyczne gruntów słabych z obiektów Antoniny i Nielisz zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości fizyczne gruntów słabych z obiektów Antoniny i Nielisz. Obiekt Antoniny Nielisz Rodzaj gruntu Torf amorficzny Gytia węglanowa Namuł organiczny Zawartość części organicznych I om [%] Zawartość CaCO 3 [%] Wilgotność w n [%] Granica płynności w L Gęstość objętościowa ρ [t/m 3 ] właściwa ρ s [t/m 3 ] ,05-1,10 1,45-1, ,25-1,40 2,20-2, ,25-1,30 2,25-2,30 Pył ,8-1,85 2,62-2,65 Namuł organiczny ,30-1,45 2,30-2, Badania edometryczne W praktyce inżynierskiej określenie historii naprężenia oraz wyznaczenie charakterystyk i parametrów umożliwiających ocenę wartości i przebiegu odkształceń gruntów stałych przeprowadza się najczęściej na podstawie badań edometrycznych. Potrzeba skrócenia czasu trwania badań edometrycznych ze stopniowym wzrostem obciążenia (IL) przyczyniło się do rozwoju badań edometrycznych przy ciągłym wzroście obciążenia (CL) wykonywanych przy: stałej prędkości odkształcenia (CRS), stałej prędkości obciążenia (CRL) i stałym gradiencie (CG). Wyznaczone z badań edometrycznych charakterystyki umożliwiają określenie parametrów ściśliwości przepuszczalności i konsolidacyjnych (Lechowicz i Szymański 2002). Charakterystyki konsolidacyjne torfu i gytii z Antonin przedstawiono na rysunku 6, natomiast namułu i pyłu z Nielisza na rysunku 7. Rys. 6. Charakterystyki konsolidacyjne gruntów organicznych z Antonin: 1 dla torfu, 2 dla gytii (Lechowicz 1992). 6

7 Rys. 7. Charakterystyki konsolidacyjne słabonośnego podłoża zapory Nielisz: 1 namuł, 2 pył (Lechowicz i in. 1998). 4.3 Badania trójosiowe W ostatnich latach badania wytrzymałościowe w aparacie trójosiowym, ze względu na dodatkowe możliwości wierniejszego modelowania przebiegu obciążenia w warunkach naturalnych, zyskały znaczną przewagę nad innymi rodzajami laboratoryjnych badań wytrzymałościowych. Fakt ten wynika przede wszystkim z wprowadzenia w konstrukcji aparatu wielu udoskonaleń, które wraz z zastosowanym dodatkowym wyposażeniem znacznie rozszerzają dotychczasowe możliwości badawcze (Lechowicz 2003, Lipiński 2012). Do najistotniejszych zmian należy zaliczyć automatyczną regulację stosunku naprężeń głównych, miejscowy pomiar odkształceń pionowych i bocznych, pomiar ciśnienia wody w porach w połowie wysokości próbki, wyposażenie aparatu w piezoelementy do pomiaru fal podłużnych i poprzecznych, możliwość utrzymania stanu nasycenia próbek podczas badania, możliwość zadawania obciążeń statycznych lub cyklicznych oraz modyfikacje konstrukcyjne komory, czujników, połączeń i zaworów. 5 ANALIZA STATECZNOŚCI 5.1 Rodzaj i zakres analizy stateczności W fazie projektowania budowli ziemnych na podłożu słabonośnym jednym z podstawowych problemów obliczeniowych jest analiza stateczności. Analizę stateczności przeprowadza się według charakterystycznych układów obciążenia, odpowiadających różnym fazom wykonania i eksploatacji budowli ziemnej. Schematy przyjęte w obliczeniach stateczności, dotyczące okresu budowy, wynikają ze zmian obciążenia wywołanych jedno- lub wieloetapowym wznoszeniem. Zastosowanie techniki czasowego przeciążenia, stosowanej często w celu ograniczenia osiadań występujących po zakończeniu budowy, wymaga oceny stateczności w warunkach dodatkowego obciążenia przekraczającego obciążenie końcowe. Podstawą ekonomicznego i bezpiecznego projektowania budowli ziemnych na gruntach słabych jest poprawna ocena przebiegu wzmocnienia podłoża nie tylko podczas budowy obiektu, ale również w okresie jego eksploatacji. Z praktycznego punktu widzenia przy posadowieniu budowli ziemnych na podłożu słabonośnym najbardziej krytyczne warunki stateczności pojawiają się w okresie budowy. Jednakże przeprowadzenie oceny stateczności jest wymagane również po 7

8 zakończeniu budowy według schematów reprezentujących obciążenia użytkowe oraz przewidywane w okresie eksploatacji obciążenia dodatkowe. Przy ocenie stateczności nasypów hydrotechnicznych analizowane układy oddziaływań w przypadku zapór i wałów przeciwpowodziowych powinny obejmować ocenę możliwości wystąpienia uszkodzeń wywołanych procesem filtracji. Ostatnie powodzie wskazują na konieczność zwrócenia większej uwagi na zapewnienie stateczności wałów przeciwpowodziowych również w okresie długotrwałych wezbrań (Bolt 2012). W przypadku posadowienia nasypów hydrotechnicznych na słabonośnym podłożu występujące w czasie budowy i eksploatacji odkształcenia powodują konieczność dostosowania zastosowanych rozwiązań technicznych do tych warunków. Przykład takiego dostosowania dotyczącego ubezpieczenia i uszczelnienia skarpy odwodnej, uszczelnienia czaszy zbiornika oraz drenażu skarpowego dla zapory Nielisz przedstawiono na rysunku 8. Rys. 8. Przekrój poprzeczny zapory Nielisz: 1 ubezpieczenie narzutem kamiennym na geowłókninie, 2 uszczelnienie z geomembrany na geowłókninie przykryte warstwą ochronną, 3 gabion, 4 fartuch z geomembrany przykryty warstwą ochronną, 5 drenaż kamienny w geowłókninie, 6 droga na koronie; podłoże słabonośne: π p pył piaszczysty, N m namuł organiczny, π pył (Lechowicz i in. 1996). Zapora Nielisz została posadowiona na podłożu słabonośnym zawierającym mineralne i organiczne grunty słabe (miękkoplastyczne pyły, namuły i namuły organiczne) w dwóch etapach z przeciążeniem (Rys. 9) (Lechowicz i Rabarijoely 1996). 5.2 Ocena stateczności podczas budowy Zaprojektowanie etapowej realizacji budowli ziemnej posadowionej na słabonośnym podłożu wymaga wykonania badań pozwalających na właściwe rozpoznanie początkowych warunków geotechnicznych oraz badań umożliwiających prognozę przebiegu konsolidacyjnego wzmocnienia podłoża. Ponadto charakterystyczne dla podłoży słabonośnych duże zróżnicowanie warunków gruntowych często zmusza do przeprowadzenia w okresie budowy i eksploatacji badań kontrolnych umożliwiających ocenę rzeczywistego efektu wzmocnienia. Potrzeba usprawnienia wykonywania kontrolnych badań terenowych podczas etapowej budowy zapór i wałów przeciwpowodziowych posadowionych na słabonośnym podłożu spowodowała, że zamiast do tej pory wykorzystywanej polowej sondy krzyżakowej wymagającej wykonywania odwiertów przez nasyp obecnie częściej stosuje się sondowania statyczne lub sondowania dylatometryczne. W przypadku etapowej budowy nasypu na podłożu słabonośnym należy przeprowadzić analizę stateczności w każdym etapie realizacji, tak aby wysokość poszczególnych warstw nasypu oraz tempo ich realizacji dostosować do uzyskanego wzrostu wytrzymałości na ścinanie podłoża. W pierwszym etapie wytrzymałość na ścinanie określa się dla podłoża w stanie naturalnym, natomiast w kolejnych etapach należy uwzględnić wzrost wytrzymałości spowodowany przyrostem naprężenia 8

9 A B C Rys. 9. Schemat realizacji dwu-etapowej budowy zapory Nielisz z przeciążeniem; A harmonogram realizacji budowy: a ławka od WD, b korona, c ławka od WG; B 1. etap z nasypem przeciążeniowym, C 2. etap z rozebraniem nasypów przeciążeniowych i podwyższeniem korpusu do rzędnej docelowej; 1 istniejący etap, 2 rozebranie istniejącego nasypu do rzędnej 194 m n.p.m., 3 nasyp przeciążeniowy, 4 2. etap, 5 płytowy reper powierzchniowy, 6 ślimakowy reper wgłębny (Lechowicz i in. 1996). efektywnego podczas procesu konsolidacji (Bąkowski 2003, Batory 2004, Wrzesiński i Lechowicz 2012b, Lechowicz i Wrzesiński 2013). Przy posadowieniu wysokich nasypów na podłożu słabonośnym o znacznej miąższości przyjęcie jednakowego przebiegu procesu wzmocnienia wzdłuż całego nasypu jest zbyt dużym uproszczeniem. Wyniki analizy numerycznej wskazują, że wzdłuż potencjalnej powierzchni poślizgu następuje istotna zmiana kierunków naprężeń głównych (Rys. 10). Jednym ze sposobów uwzględnienia tego faktu w obliczeniach stateczności jest podział podłoża na strefy wzmocnienia podłoża, w których zniszczenie odpowiada mechanizmowi obserwowanemu w badaniu trójosiowym przy ściskaniu (TC), badaniu prostego ścinania (DSS) oraz badaniu trójosiowym przy wydłużaniu (TE) (Rys. 11). Należy zwrócić uwagę, że podczas konsolidacyjnego wzmocnienia podłoża słabonośnego o znacznej miąższości najsłabsza warstwa pozostaje na znacznej głębokości co powoduje potrzebę przeprowadzenia analizy stateczności przy niecylindrycznej krzywej poślizgu (Lechowicz i Szymański 2002). 9

10 Rys. 10. Kierunki naprężeń głównych wraz z potencjalną powierzchnią poślizgu po wybudowaniu trzeciego etapu nasypu w Antoninach (Wrzesiński i Lechowicz 2012a). Rys. 11. Strefy podłoża o różnym mechanizmie zniszczenia po wybudowaniu trzeciego etapu nasypu w Antoninach (TC badanie trójosiowe przy ściskaniu, TE badanie trójosiowe przy wydłużaniu, DSS badanie prostego ścinania) (Wrzesiński i Lechowicz 2012a). 5.3 Ocena stateczności podczas eksploatacji Projektowanie nasypu na gruntach słabych wymaga również przeprowadzenia oceny stateczności po zakończeniu budowy dla schematów reprezentujących obciążenia użytkowe oraz przewidywane w okresie eksploatacji obciążenia dodatkowe. Ocena stateczności zapór posadowionych na podłożu słabonośnym w okresie eksploatacji powinna obejmować charakterystyczne przypadki oddziaływań występujących w okresie pierwszego piętrzenia, szybkiego obniżania zwierciadła wody w zbiorniku oraz projektowane poziomy piętrzenia (Kiziewicz 2010). Ocena stateczności w okresie eksploatacji wałów przeciwpowodziowych posadowionych na podłożu słabonośnym powinna uwzględniać charakterystyczne przypadki wynikające z przewidywanych stanów podczas wezbrań powodziowych. 6 ANALIZA ODKSZTAŁCEŃ 6.1 Rodzaj i zakres analizy odkształceń Duża odkształcalność i mała przepuszczalność gruntów słabych powoduje, że projektowanie budowli ziemnych musi być poprzedzone analizą wartości i przebiegu w czasie odkształceń podłoża. Wartość całkowitych odkształceń podłoża prognozowana jest na podstawie wzorów empirycznych opracowanych do danego rodzaju gruntu i wartości obciążenia lub z wykorzystaniem modeli gruntowych opisujących zależność naprężenie-odkształcenie. Analizę przebiegu odkształceń w czasie oraz zmian naprężenia efektywnego w podłożu przeprowadza się przy wykorzystaniu teorii konsolidacji. 10

11 6.2 Prognoza odkształceń pionowych i poziomych Dla nasypów posadowionych na podłożu słabonośnym o małej miąższości określenie wartości odkształceń w osi nasypu jest często wystarczające do zaprojektowania konstrukcji nasypu. Wówczas osiadanie obliczyć można metodami opartymi na teorii jednowymiarowej konsolidacji lub wzorami empirycznymi. Ze względu na dużą ściśliwość gruntu w podłożu prognoza odkształceń powinna być jednak oparta na metodzie uwzględniającej nieliniowe charakterystyki gruntu, jak również duże odkształcenia podłoża i efekt pełzania szkieletu. Podczas budowy wysokich nasypów na podłożu słabonośnym o dużej miąższości stosować należy metody obliczeniowe, wykorzystujące modele gruntowe z założeniem płaskiego stanu odkształcenia. Pozwala to na określenie przemieszczeń pionowych i poziomych oraz rozkładu naprężeń efektywnych w podłożu. Przykład obliczeń przemieszczeń konsolidacyjnych podłoża słabonośnego zapory Nielisz przeprowadzonych w profilu zlokalizowanym pod nasypem przeciążeniowym od WD w miejscu zainstalowanych reperów przedstawiono na rysunku 12. Rys. 12. Porównanie prognozowanych i obserwowanych osiadań podłoża zapory Nielisz pod nasypem przeciążeniowym od WD; prognozowane osiadania: 1 przy rzędnej 194.5, 2 przy rzędnej 196.0, a bez uwzględnienia wtórnych osiadań, b z uwzględnieniem wtórnych osiadań, 3 obserwowane osiadania (Lechowicz i in. 1998). Wyniki obliczeń numerycznych przemieszczeń pionowych i poziomych wywołanych trzyetapową budową nasypu doświadczalnego w Antoninach na zakończenie trzeciego etapu obciążenia przedstawiono na rysunku

12 Rys. 13. Przemieszczenia pionowe i poziome podczas trzyetapowej budowy nasypu doświadczalnego w Antoninach: a przemieszczenia pionowe, b przemieszczenia poziome (Bąkowski 2003). 6.3 Prognoza zmian ciśnienia wody w porach W podłożach słabonośnych początkowy stan naprężenia efektywnego charakteryzuje się małymi wartościami. Fakt ten powoduje, że w ocenie zachowania się podłoży słabonośnych obciążonych nasypem szczególnie istotna jest prognoza zmiany ciśnienia wody w porach. Nawet niewielkie zmiany ciśnienia wody w porach w istotny sposób wpływają Wyniki obliczeń numerycznych dotyczących zmiany stanu naprężenia efektywnego oraz nadwyżki ciśnienia wody w porach podczas trzyetapowej budowy nasypu doświadczalnego w Antoninach na zakończenie trzeciego etapu obciążenia przedstawiono na rysunku 14. Rys. 14. Kierunki naprężeń głównych oraz wartości nadwyżki ciśnienia wody w porach podczas trzyetapowej budowy nasypu doświadczalnego w Antoninach: a kierunki naprężeń głównych, b nadwyżki ciśnienia wody w porach (Bąkowski 2003). 7 Kontrola, nadzór i monitorowanie w czasie budowy i eksploatacji Przed rozpoczęciem budowy nasypu w podłożu należy zainstalować aparaturę kontrolno-pomiarową, umożliwiającą pomiary przemieszczeń pionowych i poziomych podłoża oraz ciśnienia wody w porach. Obserwacje należy prowadzić we wszystkich fazach wznoszenia oraz eksploatacji. Tradycyjnie do obserwacji pionowych przemieszczeń podłoża obciążonego stosuje się powierzchniowe repery płytowe oraz ślimakowe repery wgłębne zainstalowane na stykach poszczególnych warstw podłoża. Informację o przemieszczeniach pionowych poszczególnych warstw podłoża można uzyskać na podstawie pomiarów reperów magnetycznych. Pomiary przemieszczeń pionowych w podstawie nasypu prowadzi się z wykorzystaniem czujników umożliwiających ciągłe pomiary przemieszczeń. Do pomiaru przemieszczeń poziomych podłoża stosuje się inklinometry. Rury inklinometryczne powinny być zakotwione w warstwie nieodkształcalnej ze względu na konieczność każdorazowego dowiązywania się do punktu stałego. Należy podkreślić, że w ostatnim okresie do praktyki inżynierskiej wprowadzono nowoczesną aparaturę kontrolno-pomiarową umożliwiającą rozszerzenie 12

13 zakresu i dokładności dokonywanych pomiarów. Przykład lokalizacji aparatury kontrolnopomiarowej zainstalowanej w podłożu organicznym pod nasypem doświadczalnym w Antoninach wraz z obserwowanymi przemieszczeniami pionowymi pokazano na rysunku 15. Pomiary ciśnienia wody w porach wykonywane są zwykle podczas badań terenowych na potrzeby obliczeń stateczności i osiadań nasypów, ale mogą być także stosowane do Rys. 15. Przebieg osiadań podłoża organicznego nasypu doświadczalnego w Antoninach podczas budowy etapowej określony za pomocą reperów: a harmonogram budowy, b osiadania podłoża. kontroli w trakcie wykonywania nasypu. Celem uzyskania pełnego obrazu rozkład ciśnienia wody w porach w profil gruntowym instaluje się zwykle więcej niż jeden piezometr w każdym profilu badawczym. Ponadto ze względu na fakt, że poziom wody gruntowej lub ciśnienie wody porowej w gruncie zmienia się znacząco w czasie, niezbędne jest prowadzenie obserwacji przez odpowiednio długi okres celem rozpoznania okresów występowania zmian zwierciadła wody gruntowej. Do obserwacji wahań zwierciadła wody gruntowej instaluje się dwa piezometry otwarte, jeden z nich płytki, z filtrem na głębokości 1,0 m poniżej powierzchni terenu, drugi zaś głęboki, z filtrem poniżej podłoża ściśliwego. Obydwa piezometry powinny być zlokalizowane poza strefą wpływu nasypu na podłoże. 13

14 8 PODSUMOWANIE Przedstawioną w niniejszym artykule problematykę posadowienia nasypów hydrotechnicznych na podłożu słabonośnym ograniczono do zagadnień związanych z wykorzystaniem badań in situ i badań laboratoryjnych w rozpoznaniu i badaniu podłoża słabonośnego oraz analizą stateczności i odkształceń nasypów na podłożu słabonośnym wraz z kontrolą i monitorowaniem ich zachowania się w czasie budowy i eksploatacji. Do najważniejszych zagadnień warunkujących dalszy postęp w poznaniu zachowania się podłoży słabonośnych pod obciążeniem oraz udoskonaleniu projektowania i wykonawstwa nasypów na podłożu słabonośnym należy zaliczyć: upowszechnienie udoskonalonej aparatury i metodyki badań laboratoryjnych gruntów słabych udoskonalenie interpretacji sondowań statycznych i badań dylatometrycznych podłoży słabonośnych z wykorzystaniem zweryfikowanych zależności empirycznych udoskonalenie interpretacji i upowszechnienie badań geofizycznych badania i monitorowanie zachowania się wzmocnionych podłoży słabonośnych w skali naturalnej badania zachowania się gruntów słabych w złożonych warunkach obciążenia (monotoniczne i cykliczne), przy zmianie nasycenia, temperatury, czynników środowiskowych. Literatura BATORY J. 2004: Zastosowanie metod probabilistycznych w analizie stateczności nasypu na podłożu organicznym. Praca doktorska. SGGW Warszawa. BĄKOWSKI J. 2003: Analiza stateczności nasypu na podłożu organicznym. Rozprawa doktorska. SGGW, Warszawa BOLT A. 2012: Problemy geotechniczne budowli wodnych. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4, CUR 1996: Building on soft soils. CUR Report 162, A. A. Balkema. DUNCAN J.M., WRIGHT S.G. 2005:Soil strength and slope stability. John Willey & Sons. FOTI S. 2013: Combined use of geophysical methods in site characterization. Geotechnical and Geophysical Site Characterization 4, Taylor & Francis Group, London, vol. 1, GALAS P. 2010: Ocena stateczności nasypu na podłożu organicznym z wykorzystaniem badań DMT. Acta Scientiarum Polonorum, Architectura 9 (4), HARTLEN J., WOLSKI W. 1996: Embankments on organic soils. Elsevier, Amsterdam. KIZIEWICZ D. 2010: Ocena zachowania się nasypu hydrotechnicznego na podłożu organicznym w okresie budowy i eksploatacji. Acta Scientiarum Polonorum, Architectura 9 (4), LARSSON R., AHNBERG H., LOFROTH H. 2013: A new Swedish large-diameter sampler for soft and sensitive clays. Geotechnical and Geophysical Site Characterization 4, Taylor & Francis Group, London, vol. 1, LARSSON R., BERGDAHL U., ERIKSSON L Evaluation of shear strength in cohesive soils with special reference to Swedish practice and experience. SGI Inf. Linköping. No. 3, 1-32 LECHOWICZ Z. 1992: Ocena wzmocnienia gruntów organicznych obciążonych nasypem. Rozprawy naukowe i Monografie. Wydawnictwo SGGW, 1-164, Warszawa, rozprawa habilitacyjna. LECHOWICZ Z. 1996: Współczesne kierunki badań gruntów organicznych - wykład prowadzający. Mat. na Seminarium "Współczesne Problemy Geoinżynierii w Regionie Szczecińskim", Szczecin, LECHOWICZ Z. 2003: Badania doświadczalne (referat tematyczny). Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3-4, LECHOWICZ Z., RABARIJOELY S. 1996: Zbiornik Nielisz - badania wzmocnienia słabonośnego podłoża. Przegląd Naukowy Wydziału Melioracji i Inżynierii Środowiska, z. 12, LECHOWICZ Z., RABARIJOELY S. 2005: Evaluation of strength and compression parameters of organic soils from dilatometer tests. International Seminar The Flat Dilatometer (DMT) Application to Geotechnical Design, Poznań. LECHOWICZ Z. SZYMAŃSKI A., 2002: Odkształcenia i stateczność nasypów na gruntach organicznych. Część pierwsza: Metodyka badań, Część druga: Metodyka obliczeń. Wydawnictwo SGGW. 14

15 LECHOWICZ Z., WRZESIŃSKI G. 2013: Ocena stateczności nasypu na podłożu organicznym według Eurokodu 7. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, vol. 22 (2), LECHOWICZ Z., BĄKOWSKI J., RABARIJOELY S. 1998: Analysis and performance of an embankment on organic subsoil. Proc. of the XI Danube European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Poreč, Croatia, Balkema, LECHOWICZ Z. MIRECKI J., WOLSKI W. 1996: Zbiornik Nielisz - etapowa budowa zapory. Przegląd Naukowy Wydziału Melioracji i Inżynierii Środowiska, z. 12, LECHOWICZ Z., OSIŃSKI A., RABARIJOELY S. 1998: Ocena osiadań drogi zlokalizowanej na korpusie zapory ziemnej posadowionej na słabym podłożu. I Problemowa Konferencja Geotechniki. Współpraca budowli z podłożem gruntowym, Białystok-Wigry: LIPIŃSKI M. 2012: Wybrane kryteria określania parametrów gruntów naturalnych. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4, MARCHETTI S. 1980: In Situ Tests by Flat Dilatometer. J. Geotech. Eng. Div., ASCE, 106, GT3, MARCHETTI S. 1999: The flat dilatometer test. A report to the ISSMGE Committee TC16. MAYNE P. W. 2006: Interrelationships of DMT and CPT readings in soft clays. Proc. 2nd Inter. Conference on DMT, Washington, MŁYNAREK Z. 2013: Metody i ograniczenia w wyznaczaniu parametrów geotechnicznych w badaniach in situ. XXVIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła, t. 1, RABARIJOELY S. 2000: Wykorzystanie badań dylatometrycznych do wyznaczania parametrów gruntów organicznych obciążonych nasypem." Rozprawa doktorska. Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. STOKOE K. H., SANTAMARINA J. C. 2000: Seismic-wave-based testing in geotechnical engineering. Int. Conference on Geotechnical and Geological Engineering GeoEng2000, Melboutne, vol. 1, TANAKA H., SHARMA P., TSUCHIDA T., TANAKA M. 1996: Comparative study on sample quality using several types of samplers. Soils and Foundations, 36(2), WOLSKI W., SZYMAŃSKI A., MIRECKI J., LECHOWICZ Z., LARSSON R., HARTLEN J., GARBULEWSKI K., BERGDAHL U Two stage constructed embankments on organic soils. SGI Report No. 32, Linköping. WOLSKI W., SZYMAŃSKI A., LECHOWICZ Z., LARSSON R., HARTLEN J., BERGDAHL U Full-scale failure test on a stage-constructed test fill on organic soils. SGI Report No. 36, Linköping. WOLSKI W., SORBJAN P., LECHOWICZ Z., SZYMAŃSKI A., BARAŃSKI T. 1999: Ocena zagrożeń budowli hydrotechnicznych podczas powodzi w systemie człowiek-budowle hydrotechniczneśrodowisko. Mat. na Kraj. Konf. Bezpieczeństwa i Niezawodności, Zakopane-Kościelisko, t. 3, WRZESIŃSKI G., LECHOWICZ Z.; 2012a: Analiza zachowania się podłoża organicznego obciążonego etapowo budowanym nasypem. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 4, WRZESIŃSKI G., LECHOWICZ Z.; 2012b: Ocena stateczności etapowo budowanego nasypu na podłożu organicznym. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, vol. 21 (4), nr 58, Summary This paper presents selected problems related to the construction of embankments on soft soils. Special attention was paid to the use of in situ and laboratory tests in the ground investigation and testing of the soft subsoil. The problems associated with the stability analysis and deformation analysis of the embankments on soft soils and monitoring of their behaviour during construction and exploitation were characterized. The paper topics are discussed on the example of the behaviour of the test embankment in the Antoniny site and the main dam of Nielisz reservoir. The test embankment in the Antoniny site was constructed in three stages on the organic subsoil containing peat and gyttja layers. After consolidation of the soft subsoil the embankment in Antoniny was brought to failure by increasing the height of the fill. The main dam of reservoir Nielisz was constructed in two stages with preloading on the soft subsoil containing mineral and soft soils (soft silt as well as mud and organic mud). 15