Jak eliminować osuwiska drogowe? cz. 2

Transkrypt

1 Kraj Geoinżynieria Jak eliminoać osuiska drogoe? cz. 2 dr inż. Krzysztof Trojnar, Politechnika Rzeszoska, Zakład Dróg i Mostó Osuiska stanoią praktyce budonicta drogoego jeden z najtrudniejszych problemó, a rozpoznanie ich postaania i przecidziałanie im ymaga dużej iedzy i dośiadczenia. Mimo bardzo zaaansoanych technologii budolanych, ykorzystujących najnosze zdobycze techniki, ciąż postają osuiska, yniku których ponoszone są znaczne straty materialne infrastrukturze drogoej. Objętość gruntu ulegającego przemieszczeniom osuisku może ahać się bardzo szerokich granicach, od nieielkich zsuó aż po ogromne obryy i spłyy określane miliardach metró sześciennych. 1. Metody stabilizacji osuisk Racjonalnie przyjęta metoda stabilizacji osuiska poinna przede szystkim eliminoać przyczyny, które yołały zagrożenie. Stabilizacja osuiska jest iększości przypadkó zabiegiem kosztonym i poinna być poprzedzona niklią analizą możliych do zastosoania sposobó postępoania oraz kalkulacją kosztó. Najczęstszą przyczyną postaania osuisk jest działanie ody. Dlatego podstaoą zasadą stosoaną przy zabezpieczaniu osuisk jest uporządkoanie arunkó odnych terenie, z uzględnieniem niekorzystnych zmian, jakie mogą ystąpić przyszłości, np. okresoych zmian poziomu ód gruntoych. W przypadku, gdy obsuająca się skarpa jest zbudoana z gruntó słabych, a obszar osuiska jest nieielki i nie ystępują duże ilości ód, można zastosoać ymianę gruntu. Słabe podłoże można zastąpić np. kamieniem łamanym lub pospółką. Popraę stateczności można też uzyskać zmieniając geometrię skarpy przez zmniejszenie jej pochylenia, ukształtoanie poziomych półek na skarpie. Efektynym roziązaniem jest podparcie skarpy przyporą zbudoaną z narzutu kamiennego, żiru lub pospółki. Materiał przypory poinien mieć łaściości filtracyjne. Do uporządkoania arunkó odnych stosuje się jako roziązanie doraźne ododnienie poierzchnioe postaci płytkich roó przechytujących odę, ułożonych spadku iększym niż 2%. Racjonalnym sposobem osuszenia naodnionego gruntu skarpie jest yiercenie niej otoró o nachyleniu iększym niż 5% i proadzenie nie filtró ruroych z perforoanego torzya sztucznego. Innym, niedrogim i skutecznym roziązaniem jest zastosoanie ostróg drenujących lub przypór filtracyjnych. Są one ypełnione materiałem kamiennym, zabezpieczonym przed zamulaniem. Przypory filtracyjne ykonuje się poniżej arsty odonośnej i poierzchni poślizgu. W przypadku poierzchni poślizgu położonej głęboko, gdy podłoże poniżej jest ytrzymałe, do stabilizacji osuisk stosuje się pale lub studnie ypełnione betonem. Pożądany efekt uzyskuje się yniku przeniesienia na trzony pali (studni) dużych sił ścinających, pochodzących od ciężaru przemieszczającego się masyu gruntoego. Do przeniesienia obciążeń poziomych stosuje się pale iercone o dużych średnicach lub studnie usytuoane jednym rzędzie. W przypadku zastosoania pali o małych średnicach ykonuje się je układach kozłoych. Głoice pali łączy się poziomie terenu rusztem żelbetoym. Do zmocnienia gruntu na terenie osuiska lub pod korpusem drogoym stosuje się często kolumny cementooapienne. Wzmocnienie podłoża takimi kolumnami polega na głębokiej stabilizacji naodnionych gruntó spoistych i organicznych poprzez zmieszanie ich 66 Nooczesne Budonicto Inżynieryjne Listopad Grudzień 2009

2 Geoinżynieria Kraj z palonym apnem. Efektem jest ziększenie ytrzymałości gruntu na ścinanie kolumnach przecinających potencjalną poierzchnię poślizgu oraz osuszenie go. Jednoczesne drenujące działanie kolumn redukuje możliość postaania lokalnych zmian ciśnienia poroego gruncie, a tym samym niebezpieczeństa postaania głębiej noych linii poślizgu. Kolumny cementoo-apienne ykonuje się specjalnymi palonicami, yposażonymi teleskopoą żerdź ruroą i da zbiorniki na cement i sproszkoane apno. Średnica kolumny ynosi 0,5 m. Po kręceniu grunt żerdzi zakończonej specjalnym iertłem-mieszadłem jest ona yciągana. Podczas tej operacji z otoró na końcu żerdzi ydmuchiana jest mieszanka cementoo-apienna, która łączy się z gruntem rodzimym. Kolumny ykonuje się zykle rozstaie 1 1,5 m. W przypadku płytkich zsuó gruntu po ytrzymałych arstach podłoża można stabilizoać go poierzchnioo za pomocą geosiatek komórkoych układanych na skarpie lub żelbetoych płyt dociskoych zamocoanych do podłoża kotami stępnie sprężonymi. Konstrukcje oporoe stosoane do zabezpieczania osuisk nie poinny poodoać spiętrzania ody gruntoej obecnej korpusie drogoym, gdyż może to spoodoać zrost sił parcia. Celoe jest stosoanie do umocnień terenó osuiskoych racjonalnie ukształtoanych, lekkich konstrukcji oporoych, np. lekkich ścian oporoych z ieloma poziomymi półkami, kaszyc, gabionó, konstrukcji quasi-skrzynioych i z gruntu zbrojonego. Kaszyce są to konstrukcje oporoe z żelbetoych elementó prefabrykoanych, ypełnione gruntem niespoistym o dużej przepuszczalności. Najczęściej ykonuje się je pochylone do stoku. Praktyka skazuje, że kaszyce skuteczne stabilizują skarpy o ysokości do 5 6 m. Jest to efektem ich elastycznej konstrukcji, dzięki czemu możlia jest redystrybucja naprężeń poszczególnych elementach kaszycy. Konstrukcja dostosouje się do ystępujących deformacji podłoża. Noą odmianą tego typu roziązań są ściany oporoe T-all, których dodatkoo ykorzystano efekt kotienia gruncie specjalnie zaprojektoanych, żelbetoych elementó prefabrykoanych. Gabiony jako elementy budoli oporoych są znane od ponad tysiąca lat. Najpier stosoano je postaci iklinoych koszy ypełnionych kamieniami. Obecnie są ykonyane ze staloej siatki o podójnym splocie. Użyany do yrobu siatki drut staloy o grubości 2,2 3 mm jest chroniony przed korozją połoką galaniczną i dodatkoą połoką z PCV. Elementy prostopadłościenne postaci blokó i materacy układa się arstoo, z przesunięciem stronę stoku. Kosze mogą być ypełnione od ierzchu urodzajną ziemią, co umożliia ich obsadzenie zielonymi pnączami. Dzięki sojej ytrzymałości i elastyczności konstrukcje oporoe z gabionó są odporne na deformacje podłoża i dostosoują się do zmian ukształtoania terenu. Konstrukcje oporoe z gruntu zbrojonego ykreoała sama natura. Strome zbocza naturalnym środoisku są utrzymyane stateczności przez korzenie drze, krzeó przearstienia skalne. Piersze duże budole oporoe z gruntu zbrojonego obecnym rozumieniu technicznym postały połoie lat 60. XX. Henri Vidal opatentoał i zastosoał jako zbrojenie gruntu płaskoniki staloe. Technologia zbrojenia gruntu jest szeroko ykorzystyana do budoy umocnień skarp nasypó [7]. Współczesnym przykładem zbrojenia gruntu płaskonikami jest francuska konstrukcja Freyssisol. Są to żelbetoe prefabrykaty okładzinoe, zakotione gruncie taśmami z łókna poliestroego otulinie poliuretanoej. Jako zbrojenie stosuje się też goździe gruntoe postaci prętó staloych osłonie z zaczynu cementoego (koty bierne), ykonyane poziomo lub ukośnie otorach ierconych mm lub bijane. Rozsta goździ gruntoych pionie i poziomie ynosi 0,7 1,5 m. Poierzchnię czołoą umacnianej skarpy pokrya się arstą betonu natryskoego, zbrojonego siatką staloą. Zabezpieczenie ykonyane jest stopniami o ysokości do 1,5 m. W przypadku konstrukcji oporoych o charakterze trałym konieczne jest zabezpieczenia antykorozyjne goździ gruntoych. Jako zbrojenie spółczesnych konstrukcji oporoych ykonyanych z gruntu stosuje się poszechnie geosyntetyki. Oprócz przenoszenia naprężeń rozciągających gruncie mogą one też spełniać inne funkcje: separacyjne, filtracyjne i drenażu. Do zbrojenia skarp są stosoane geołókniny i geosiatki. Istotnymi parametrami z punku idzenia ich zastosoań do stabilizacji osuisk jest m.in. ytrzymałość przy założonej odkształcalności, rodzaj polimeru ze zględu na odporność na korozję gruncie i sztyność siatek ęzłach. Przydatnym systemem do zabezpieczeń poierzchnioych skarp są opracoane USA geosiatki komórkoe. Podstaoym elementem ich konstrukcji jest zespół taśm politeylenoych, połączonych seriami spaó ultradźiękoych, ułożonych prostopadle do podłużnych osi taśm. W pozycji rozciągniętej taśmy torzą ściany ielu trójymiaroych elementó komórkoych, ypełnionych materiałem kamiennym. Zalety geosiatek komórkoych ynikają głónie ze ziększenia ytrzymałości materiału ypełniającego, zagęszczonego komórkach, co umożliia ziększenie stateczności skarp o stromym pochyleniu, przy ich dużej odporności na deformację. Do trałej poierzchnioej ochrony przecierozyjnej skarp korpusó drogoych są stosoane rónież materiały geosyntetyczne z płaskich i przestrzennych siatek, które pomagają zmocnić system ukorzeniania roślinności na skarpie. 2. Przykłady stabilizacji osuisk 2.1. Zastosoanie kolumn cementoo-apiennych i mikropali Po intensynych opadach ystąpiły oznaki osuiska drogi krajoej nr 4. Nastąpiło kilkudziesięciocentymetroe obniżenie jezdni drogi, najiększe sąsiedztie skarpy nasypu od strony cieku odnego. Aby utrzymać przejezdność drogi dla samochodó osoboych, początkoo yrónyano naierzchnię grubymi arstami betonu asfaltoego. Jednak ziększające się przemieszczenia nasypu zmusiły administrację drogoą do całkoitego zamknięcia drogi i skieroania ruchu samochodoego na daną drogę, położoną poyżej osuiska. Wproadzenie przy tym ruchu ahadłoego spoodoało duże utrudnienia dla kierocó. Projekt stabilizacji osuiska ykonał zespół praconikó Zakładu Dróg i Mostó Politechniki Rzeszoskiej raz z prof. Andrzejem Jarominiakiem [4]. Zakres projektu objął odcinek drogi o długości 250 m. Badania geotechniczne ykazały, że podłoże nasypu stanoią pyły plejstoceńskie, a ięc grunty podatne na pogorszenie cech ytrzymałościoych przez odę oraz określiły, do jakiej głębokości grunt jest zailgocony. Okazało się, że spąg gruntu zailgoconego obniża się kierunku blisko zlokalizoanego przepustu, ale spód przepustu był 1,2 m poyżej spągu zailgocenia. Oględziny terenu ujaniły, Listopad Grudzień 2009 Nooczesne Budonicto Inżynieryjne 67

3 Kraj Geoinżynieria że przepły ody cieku zlokalizoanym u podnóża uszkodzonego nasypu jest utrudniony skutek zaniedbanego stanu koryta, co poodoało naadnianie skarpy nasypu. W rezultacie ieloariantoych analiz przyjęto, że projekt odbudoy zniszczonego odcinka drogi poinien objąć następujące przedsięzięcia, pokazane na rycinie 1: 1) Zabezpieczenie nasypu zmodernizoanej drogi przed infiltracją ody napłyającej od strony danej drogi przez ykonanie głębokiego sączka linii praostronnego rou. 2) Zbudoanie noego przepustu na takiej głębokości, na której jego spód znajdzie się poniżej nailgoconej arsty pyłu. 3) Obniżenie na czas robót uszkodzonego nasypu od poziomó naierzchni przy końcach odbudoyanego odcinka drogi, co umożliiało przebudoanie przepustu ykopie otartym oraz zmniejszało ryzyko dalszych ruchó nasypu, które mogło yołać proadzenie na osłabiony nasyp ciężkich maszyn budolanych. 4) Wzmocnienie pozostaianego nasypu kolumnami cementoo-apiennymi. 5) Umocnienie podstay zbocza nasypu szeregiem mikropali układzie 1 kontur nasypu zdeformoanego osuiskiem 2 dana droga 3 stok zbocza przed zbudoaniem nasypu 4 dolna granica zailgocenia podłoża nasypu 5 poierzchnia poślizgu 6 poziom rozbiórki nasypu 7 sączek podłużny 8 mikropale a) b) kozłoym, zieńczonych płytą żelbetoą. Konieczność ich użycia yniknęła z braku możliości zmocnienia zbocza nasypu. 6) Odbudoa nasypu z użyciem łaściego materiału gruntoego i geosiatki umieszczonej poziomach głoic kolumn cementoo-apiennych. 7) Odtorzenie rou nad sączkiem od strony danej drogi. 8) Zbudoanie komory padoej przy locie do przepustu, ujmującej odę spłyającą z sączka i rou. 9) Wykonanie podbudoy i naierzchni drogoej oraz umocnienie poierzchni skarp nasypu. 10) Ureguloanie cieku przejmującego odę odproadzaną przez przepust Zastosoanie pionoych pasm geosyntetykó W yniku złego ododnienia 60-metroy odcinek drogi poiatoej był stanie przedaaryjnym i ymagał pilnej przebudoy. Stan drogi i model obliczenioy skarpy zagrożonej osuiskiem pokazano na rycinie 2. Pęknięcia asfaltoej naierzchni jezdni, idoczne po enętrznej stronie łuku, skazyały na ystępoanie przemieszczeń gruntu z korpusu drogi kierunku rzeki płynącej u podnóża nasypu. Usytuoanie uszkodzonego odcinka drogi jest szczególne ze zględu na bliskie 9 zieńczenie mikropali, 10 kolumna cementoo-apeinna 11 arsta pospółki zmocniona geosiatką, 12 odbudoany nasyp, 13 konstrukcja zrekonstruoanej drogi, 14 poierzchnia skarpy nasypu umocniona biomatą, 15 umocniony ró praostronny, 16 ureguloany ciek odny Ryc. 1. Schemat przekroju poprzecznego drogi g projektu stabilizacji osuiska: a) droga uszkodzona skutek osuiska, b) droga po ykonaniu napray sąsiedzto stromego zbocza lessoego, które znajduje się po zenętrznej stronie łuku drogi. W yniku poierzchnioej erozji zbocze, obsuając się, zasypyało ró przydrożny. Zagrożony osuiskiem odcinek drogi jest obciążony znacznym ruchem pojazdó. Droga stanoi jedyne połączenie z pobliską miejscoością. Ukształtoanie terenu uniemożliiało ytyczenie objazdu. Jezdnia na łuku drogi była już ielokrotnie napraiana przez częścioe ycinanie naierzchni asfaltoej miejscu rys i uzupełnianie jej noą masą bitumiczną. Teren, na którym jest położona droga, należy do strefy chronionego krajobrazu. Poierzchnia skarpy od strony rzeki jest pokryta gęstą roślinnością i rosną na niej ysokie drzea. Wszelkie prace ziązane ze zmocnieniem drogi należało ykonać przy minimalnej ingerencji otaczające środoisko. Niestabilność korpusu drogi była spoodoana naodnieniem gruntó spoistych górnej arstie podłoża. Wody roztopoo-opadoe, które napłyały od strony ysokiego zbocza do przydrożnego rou, nie miały odproadzenia i infiltroały podłoże drogi. Do stabilizacji osuiska przyjęto metodę polegającą na umieszczeniu korpusie nasypu drogoego pionoych pasm zbrojących z geosiatki [4]. Ze zględu na innoacyjność przyjętej technologii, oprócz szczegółoej analizy obliczenioej, ykonano badania modeloe [1], które potierdziły skuteczność zaproponoanego sposobu ziększenia stateczności. Przeproadzono obliczenia stateczności zagrożonego odcinka drogi metodą elementó skończonych. Wybrane yniki analizy obliczenioej MES są pokazane na rycinie 3a, 3b, 3c. Da alternatyne sposóby zmocnienia korpusu drogi przedstaiono na rycinie 4a i 4b. Zaprojektoano pionoe zbrojenie postaci pasm geosiatek zagłębianych podłoże z poziomu częścioo rozebranej drogi. Technologia zmocnienia polega na ykonaniu gruncie pionoych szczelin o szerokości 15 cm, długości 1,5 m, ypełnieniu ich zmodyfikoaną zaiesiną cementoą i umieszczeniu pasm geosiatek o szerokości 100 cm. Przyjęto, że szczeliny zostaną ykonane gruncie, ciskanym i (lub) ibroyanym staloym stemplem, sposób podobny jak przy ykonyaniu przesłon filtracyjnych. Po zagłębieniu do projektoanej głębokości stempel był yciągany z gruntu, z jednoczesnym tłoczeniem zaiesiny cementoej przez rurki doproadzone do jego 68 Nooczesne Budonicto Inżynieryjne Listopad Grudzień 2009

4 Geoinżynieria Kraj Ryc. 2. Widok odcinka drogi zagrożonego osuiskiem dolnej części. W ykonanej szczelinie ypełnionej zaiesiną umieszczono pasmo geosiatki. Pasma zbrojące rozmieszczono pobliżu kraędzi korony drogi czterech rzędach, rozstaie co 0,8 m. Rozsta osioy pasm rzędzie ynosił 2 m. Głębokość dóch skrajnych rzędó zbrojenia od strony rzeki liczyła 8 m, a dóch kolejnych rzędó 7 m. Zagłębienie pasm podłożu ynikało z potrzeby zakotienia ich arstie piasku (margla), zalegającego podłożu korpusu drogi. Po zainstaloaniu szystkich pasm zbrojących sobodne końce geosiatki Ryc. 3. Analiza stateczności na modelu numerycznym skarpy: a) Model obliczenioy skarpy, b) Izolinie przemieszczeń masyu gruntoego, c) Lokalizacja strefy uplastycznienia gruntu spoodoanej zailgoceniem górnej arsty podłoża a) b) c) Ryc. 4. Sposoby zmocnienia korpusu i podłoża drogi pionoymi pasmami geosyntetykó: a) Przypora gruntoa zakotiona podłożu pionoymi pasmami geosyntetykó, b) Korpus drogi zbrojony pionoymi pasmami geosyntetykó; 1 nasyp drogoy, 2 grunt słaby, 3 grunt nośny, 4 krzya poślizgu, 5 pasma geosyntetykó, 6 balast, 7 kaszyca siatkoa, 8 ró ododnienioy a) b) zostały odinięte poziomo i zakotione arstach podbudoy drogoej. Jako pasma zbrojące zastosoano jednokierunkoą geosiatkę polietylenoą. W celu zabezpieczenia drogi przed poierzchnioymi zsuami i obryami zbocza lessoego zaprojektoano u jego podnóża ścianę osłonoą z koszy siatkoych. Wodę poierzchnioą spłyającą ze skarpy kierunku drogi odproadzono do projektoanego rou i noego przepustu. Przedstaiona metoda pionoego instaloania zbrojenia gruncie rozszerza możliości zastosoania geosyntetykó do ziększania stateczności skarp nasypó szczególnych arunkach [2]. Można rozażyć jej zastosoanie przypadkach ograniczonych możliości ykonyania robót ziemnych, obecności ody gruncie lub krótkiego czasu na ykonanie zmocnienia. Sposób zmocnienia gruntu pionoymi bądź zbliżonymi do pionu pasmami geosyntetykó oraz konstrukcja stempla zostały opatentoane Urzędzie Patentoym RP patent nr [5]. Literatura 1. Jarominiak A., Folta L.: Badania modeloe zastosoania geosyntetykó instaloanych bez rozkopyania gruntu do zapobiegania osuiskom. Materiały konferencyjne SITK: Problematyka osuisk budonictie komunikacyjnym. Krakó Zakopane Jarominiak A., Folta L.: Ocena możliości ziększania stateczności masyó gruntoych pasmami geosyntetykó instaloanych bez rozkopyania gruntu. Inżynieria i Budonicto 2000, nr Jarominiak A., Bichajło L., Folta L., Trojnar K.: Odbudoa drogi krajoej nr 4 na odcinku zniszczonym skutek osuiska. Drogonicto 1999, nr Trojnar K., Folta L, Bichajło L.: O projekcie zabezpieczenia skarpy i osuiska nasypu drogi pionoymi pasmami geosyntetykó. Inżynieria i Budonicto 2004, nr Jarominiak A., Folta L.: Sposób zbrojenia masyu gruntoego oraz stempel do zagłębiania zbrojenia masyie gruntoym. Politechnika Rzeszoska, patent nr UP RP. 6. Obseracja i badanie osuisk drogoych, GDDP. Warszaa Wysokiński L., Kotlicki W.: Projektoanie konstrukcji oporoych stromych skarp i nasypó z gruntu zbrojonego geosyntetykami. Instrukcja nr 429/2007, ITB. Warszaa Instrukcja badań podłoża gruntoego budoli drogoych i mostoych, GDDKiA. Warszaa Najder T.: Wpły roślinności na stateczność zboczy. Inżynieria Morska i Geotechnika 2003, nr Wysokiński L.: Zasady popranej analizy obliczeń stateczności zboczy. Materiały Konferencyjne SITK: Problematyka osuisk budonictie komunikacyjnym. Krakó Zakopane Listopad Grudzień 2009 Nooczesne Budonicto Inżynieryjne 69

5 palisada dreniana rura drenażoa min Ø 100 I stan graniczny kolumny DSM 3 szt.; dł. 5,0 m; Ø 0,8 m min. 1,5 m VIh VId roek do zakotienia geosyntetyku typu E (edług rysunku nr...) VIh istniejący teren konstrukcja naierzchni Soil c g [ ] [kn/m ] [kn/m ] Designation Metoda Bishop'a 1/f = materiał nasypoy IVd IIIa IVf IVe IVj VIg VIb IVa IIa Vd Vf Ve VIa kolumny DSM 0.87 x m = 9.52 m y m = m R = m Partial safety factors: - gam(phi') = gam(c') = gam(phi u) = gam(c u) = gam Wichten = 1.00 oferuje pomoc doborze technologii i materiałó geosyntetycznych m.in. dla: posadoień konstrukcji obiektó trudnych i bardzo trudnych arunkach geotechnicznych renoacji naierzchni bitumicznych ododnienia terenu drenażem francuskim posadaiania i uszczelniania składoisk odpadó systemó monitoringu konstrukcji ścian oporoych i nasypó, dróg tymczasoych zabezpieczania przed erozją oraz zazieleniania przyczółkó mostoych z gruntu zbrojonego konstrukcji pod posadzkami hal przemysłoych oblicoania ścian oporoych IIa Przekrój C-C Kolumny DSM IVh VIc VIh przekrój D-D schodkoanie skarpy VIa Va VIi V śiadczy usługi projektoe i doradcze zakresie geotechniki: doradzta technicznego projektó pomocy projektoej dla Inestoró, Projektantó i Wykonacó ekspertyz i analiz porónaczych ykonuje badania geotechniczne, m.in.: oznaczenia modułu odkształcenia podłoża płytą VSS pomiary nośności podłoża gruntoego sondą CBR badania ytrzymałości gruntu na ścinanie sondą krzyżakoą pomiar czaszy ugięć ugięciomierzem dynamicznym FWD oraz Belką Benkelmana