Gabionowe ściany oporowe

Transkrypt

1 Geoinżynieria GEOINŻYNIERIA Gabionowe ściany oporowe jako stabilizacja nasypów komunikacyjnych w świetle badań modelowych dr hab. inż. Andrzej Surowiecki, prof. UP Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu dr inż. Wojciech Kozłowski Politechnika Opolska Analizy stateczności nasypu komunikacyjnego wzmocnionego ścianą gabionową, poddanego naporowi wody powodziowej wg modelu numerycznego oraz stan odkształcenia nasypu stabilizowanego ścianą gabionową wg modelu fizycznego Kosze siatkowe wypełnione materiałem kamiennym, nazywane gabionami, stosowane jako element konstrukcji zabezpieczającej brzegi rzek lub klifów morskich przed erozją, są znane od około dwóch tysięcy lat [7, 12, 13, 14]. Miejscowość Casalecchio koło Bolonii przyjęło się uważać za miejsce pierwszych zastosowań współczesnych gabionów [12]. Aktualnie ściany oporowe wykonane z koszy siatkowo-kamiennych są dość powszechnie stosowane jako sposób rekonstrukcji uszkodzonych nasypów komunikacyjnych wskutek powodzi albo zabezpieczenie przed osuwiskami. Mogą też stanowić w niektórych przypadkach trwałą obudowę niestabilnej skarpy nasypu drogowego i kolejowego, a niekiedy mur oporowy na terenach niezabudowanych i w aglomeracjach miejskich [7, 12]. Znane są przypadki konstruowania gabionowych przyczółków małych mostów [7, 12, 14]. Liczne przykłady stosowania konstrukcji gabionowych można spotkać na Pobrzeżu Gdańskim (jako ochrona brzegu morskiego przed erozją) oraz na Dolnym Śląsku (szczególnie w Kotlinie Kłodzkiej) w ramach odbudowy dróg gminnych uszkodzonych, a w wielu przypadkach zniszczonych, podczas powodzi w ostatnich latach. Technologia wydaje się szczególnie przydatna w sytuacjach kryzysowych. O jej niezawodności decyduje: niewrażliwość na nierównomierne osiadanie podłoża (podatność), wodoprzepuszczalność, trwałość, odporność na mechaniczne zniszczenie, ekologiczność. Są to zalety o niewątpliwym znaczeniu dla budownictwa lądowego i wodnego. Wypełnieniem gabionów (koszy siatkowych), będących szczególną odmianą kaszyc, jest zasadniczo materiał kamienny (najczęściej tłuczeń, otoczaki, kamień polny itp.). Powłokę w praktyce stanowi siatka metalowa o czterobocznych oczkach, wykonana z drutów zgrzewanych na przecięciach. PRZEDMIOT BADAŃ Problematyka ścian gabionowych w aspekcie wymiarowania i stateczności jest dość intensywnie dyskutowana w kraju i za granicą [3, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14]. W zakresie wymiarowania, analizy stateczności, modelowania, uogólnień teoretycznych, badań doświadczalnych i poligonowych, dotyczących ścian gabionowych ukazała się znaczna liczba publikacji, jednak niewiele z nich uwzględnia sytuacje kryzysowe, np. napór wody powodziowej. Opracowania teoretyczne oraz badania symulacyjne funkcjonowania konstrukcji gabionowych bazują zasadniczo na modelach numerycznych. Artykuł niniejszy składa się z dwóch poniżej wyszczególnionych części, z których każda traktuje problem ścian gabionowych jako odrębny temat badawczy: analiza stateczności nasypu komunikacyjnego wzmocnionego ścianą gabionową, poddanego naporowi wody powodziowej (model numeryczny); stan odkształcenia nasypu stabilizowanego ścianą gabionową (model fizyczny). Tego rodzaju podejście badawcze (nie będące oczywiście rozwiązaniem idealnym), mogłoby zdaniem autorów częściowo wypełnić tzw. lukę na dość szerokim polu badań w tym przedmiocie. TEORETYCZNY MODEL NASYPU KOMUNIKACYJ- NEGO WZMOCNIONEGO ŚCIANĄ GABIONOWĄ W WARUNKACH NAPORU WODY POWODZIOWEJ CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU I SPOSÓB WYKONANIA BADAŃ Analizowane jest (głównie w aspekcie stateczności) zachowanie się nasypu ze skarpą zabudowaną jednostronnie ścianą gabionową, poddanego naporowi wody w sytuacji kryzysowej, którą może być np. powódź. Piętrzenie wody występuje na skarpie niezabudowanej ścianą gabionową. Nasyp nie jest obciążony na koronie. Przyjmując przypadek piętrzenia wody powodziowej na wysokości korony nasypu, opracowano: dyskretyzację obszaru filtracji, rozkład prędkości i siatkę hydrodynamiczną oraz określono powierzchnie poślizgu [9, 11, 14]. Obliczono także wartości współczynników stateczności i parametry geometryczne wyznaczonych powierzchni poślizgu. Parametrem zmiennym jest konfiguracja ściany. Powierzchnie poślizgu wyznaczono dla najmniejszej wartości współczynnika stateczności obliczonego metodą Felleniusa i Bishopa [14]. Założenia do obliczeń sformułowano następująco: jednorodny nasyp, zlokalizowany na podłożu odkształcalnym o identycznych parametrach. Obliczenia numeryczne prowadzono stosując oprogramowanie według [1, 2] i uwzględniając warstwę podłoża 34 wrzesień - październik 5 / 2011 [34]

2 GEOINŻYNIERIA Geoinżynieria Współrzędne punktów charakterystycznych Współczynnik kołowych powierzchni poślizgu stateczności Początek Koniec Środek FF Xp[m] Yp[m] Xk[m] Yk[m] Xo[m] Yo[m] Liczba gabionów ustawionych na sobie Promień powierzchni poślizgu R [m] Tab. 1. Parametry dot. powierzchni poślizgu o najmniejszym współczynniku stateczności, obliczonym metodą Felleniusa, dla skarpy nasypu zabudowanej ścianą gabionową przy maksymalnym piętrzeniu wody [14] Współrzędne punktów charakterystycznych Promień Współczynnik Liczba gabionów kołowych powierzchni poślizgu powierzchni stateczności ustawionych na sobie Początek Koniec Środek poślizgu FB Xp[m] Yp[m] Xk[m] Yk[m] Xo[m] Yo[m] R [m] Tab. 2. Parametry dot. powierzchni poślizgu o najmniejszym współczynniku stateczności obliczonym metodą Bishopa, dla skarpy nasypu zabudowanej ścianą gabionową, przy maksymalnym piętrzeniu wody [14] a) Rys. 1. Siatka hydrodynamiczna przy maksymalnym poziomie piętrzenia w nasypie ze skarpą zabudowaną ścianą gabionową złożoną z trzech warstw [14] nasypu do głębokości H p = 5 m. Wysokość nasypu ponad jego poziomem posadowienia wynosi H n = 5 m; wysokość poziomu wody piętrzącej jest równa poziomowi korony nasypu o szerokości B = 5 m; nachylenie skarp 1:1,5; ciężar objętościowy ośrodka gruntowego γ = 17,0 kn/m 3. Pionowa ściana złożona z koszy gabionowych została skonstruowana w trzech wariantach, różniących się liczbą gabionów: 2 gabiony w jednym rzędzie (wariant I), 3 (wariant II) oraz 4 (wariant III). REZULTATY ANALIZY STATECZNOŚCI Na rys. 1. pokazano siatkę hydrodynamiczną dla wariantu III. Natomiast w tab. 1 i 2 zestawiono wartości współczynników stateczności i parametry geometryczne wyznaczonych powierzchni poślizgu dla wszystkich wariantów konstrukcji ściany gabionowej. W pierwszych wierszach tablic w celu porównania podano wyniki dla nasypu ze skarpą bez stabilizującej ściany gabionowej przy maksymalnym piętrzeniu wody. Rys. 2. ilustruje zbiorcze zestawienie wyników obliczeń. Dla wszystkich wyznaczonych powierzchni poślizgu wartości współczynników stateczności są większe od wartości dopuszczalnych, co wskazuje, że stateczność ogólna analizowanych konstrukcji ścian gabionowych przy maksymalnym piętrzeniu wody jest zapewniona. b) c) Rys. 2. Powierzchnie poślizgu o najmniejszym współczynniku stateczności przy maksymalnym poziomie piętrzenia dla ściany gabionowej: a) z 2 warstw gabionów, b) z 3 warstw, c) z 4 warstw [14] STAN ODKSZTAŁCENIA FIZYCZNEGO MODELU NASYPU WZMOCNIONEGO OPOROWĄ ŚCIANĄ ZŁOŻONĄ Z ELEMENTÓW GABIONOWYCH MODELE FIZYCZNE, STANOWISKO I METODA BADAŃ Modele badawcze o wymiarach w planie 0,54 x 0,54 m i wysokości 0,42 m (prostopadłościan) składały się ze ściany oporowej (nazywanej także osłonową) o wysokości 0,42 m, wykonanej z koszy gabionowych i zasypki piaskowej poza ścianą, stanowiącej masyw gruntowy. Kosze gabionowe wykonano z geosiatek Fortrac typu R 90/90-20T [5] o charakterystyce technicznej: tworzywo poliester, powłoka polimerowa, wytrzymałość na rozciąganie w kierunku podłużnym i poprzecznym - R r 90 kn/m, rozmiar oczek kwadratowych - 10 x 10 mm. Kosze zostały wypełnione grysem bazaltowym 8/16 mm (kąt tarcia wewnętrznego w stanie średnio zagęszczonym ϕ = 37,9 ). Skonstruowano trzy typy modeli ściany oporowej, pokazane na rys. 3 [14]: A model stanowiący układ trzech gabionów wypełniających powierzchnię ściany pomiarowej (oś pionowa z), wrzesień - październik 5 / 2011 [34] 35

3 Geoinżynieria GEOINŻYNIERIA B układ czterech gabionów, C układ siedmiu gabionów. Modele badawcze różniły się wymiarami i liczbą gabionów obudowujących ścianę pomiarową. Parametrem zmiennym były wymiary gabionów w kierunku poziomym (tzw. głębokość, charakteryzowaną osią y) i pionowym (tzw. wysokość elementu gabionowego), natomiast drugi wymiar w kierunku poziomym (stanowiący szerokość pojemnika 0,54 m, pomniejszoną o wartość tzw. luzów) pozostawał niezmienny i wynosi 0,52 m. Wobec powyższego, poszczególne typy ściany zawierają gabiony o wymiarach (wysokość x głębokość x długość): w typie A: 0,12 x 0,10 x 0,52 m; 0,18 x 0,15 x 0,52 m; 0,12 x 0,20 x 0,52 m w typie B: 0,12 x 0,10 x 0,52 m; 0,12 x 0,15 x 0,52 m; 0,12 x 0,20 x 0,52 m; 0,06 x 0,25 x 0,52 m w typie C: 0,06 x 0,10 x 0,52 m; 0,06 x 0,15 x 0,52 m; 0,06 x 0,20 x 0,52 m. Ponadto rozpatrywano dwa warianty obudowy ściany: gabiony bez wzajemnych połączeń (luźno rozmieszczone na poszczególnych piętrach poziomach pomiarowych); gabiony połączone ze sobą metalowymi spinaczami z drutu (zespolone). Modele znajdowały się w stalowym prostopadłościennym pojemniku (rys. 4). Ściany i dno pojemnika są przystosowane do pomiaru odkształceń (przemieszczeń) poziomych i pionowych, generowanych od wewnątrz. Konstrukcja ścian odwzorowuje odpór stref ośrodka gruntowego otaczających model ściany gabionowej łącznie z masywem poza ścianą, natomiast dno jest Rys. 3. Modele badawcze [14]: A system 3 gabionów; B system 3 gabionów na materacu gabionowym (łącznie 4 elementy); C układ 7 materacy gabionowych; 1 gabiony bez wzajemnych połączeń; 2 gabiony wzajemnie połączone Rys. 4. Stanowisko badawcze [14]: a widok ogólny; b przekrój pionowy przez ścianę; 1 czujnik ciśnień poziomych; 2 czujnik ciśnień pionowych; 3 płyta o wymiarach 0,32x0,32 m przekazująca obciążenie na model; z 1 = 0,03 m; z 2 = 0,09 m; z 3 = 0,15 m; z 4 = 0,21 m; z 5 = 0,27 m; z 6 = 0,33 m; z 7 = 0,39 m poziomy pomiarowe modelowanym jednoparametrowym podłożem. Zewnętrzne badawcze obciążenie (będące odwzorowaniem obciążenia eksploatacyjnego-użytkowego) realizowano skierowanym pionowo statycznym naciskiem równomiernie rozłożonym na poziomie stropu, w sposób centryczny, o wartości w zakresie q = 0-239,5 kpa. Maksymalna wartość obciążenia q determinowała stan graniczny czynnego poziomego parcia masywu bez ściany gabionowej. Przedmiotem badań były przemieszczenia poziome i pionowe modelu mierzone w płaszczyznach ścian i dna pojemnika. Wartości przemieszczeń transformowano na wartości naprężeń (poziomych tzw. poziome parcie i pionowych naciski na podłoże) na podstawie iloczynu wartości przemieszczeń rejestrowanych specjalnymi czujnikami i znanej stałej sprężystości czujników C [kn/m 3 ]. Badania miały charakter porównawczy wyniki pomiarów porównywano z wynikami otrzymanymi na modelach wzorcowych, które stanowiła bryła ośrodka gruntowego bez ściany gabionowej. Rozpatrywano dwa stany zagęszczenia masywu przylegającego do gabionowej ściany oporowej: stan luźno nasypanego masywu (faza I badań) oraz stan po wstępnym zagęszczeniu realizowanym w procesie obciążenia do wartości maksymalnej i odciążenia do zera (faza II badań). UOGÓLNIENIA TEORETYCZNE WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie pomierzonych liniowych poziomych i pionowych przemieszczeń (stanowiących miarę przestrzennego stanu odkształcenia modeli), oszacowano wartości cech wytrzymałościowych: nośność, wyrażoną maksymalnym dopuszczalnym obciążeniem pionowym p z [kn/m 2 ] (rys. 5a) oraz efekt przyrostu nośności spowodowany zainstalowaniem ściany gabionowej podpierającej masyw Δp z [kn/m 2 ] (rys. 5b), dp z > 1 [-] (rys. 5c); współczynnik poziomego parcia K a [-] (rys. 5d); efekt wzrostu kąta tarcia wewnętrznego w masywie ze ścianą gabionową Δϕ [-] i wytrzymałość na ścinanie τ f (rys. 6); efekt spójności w masywie wzmocnionym ścianą gabionową c [kpa] i wytrzymałość na ścinanie τ f (rys. 7). PODSUMOWANIE Stwierdzono we wszystkich typach teoretycznych modeli nasypu ze ścianą gabionową spełnienie stateczności ogólnej przy maksymalnym piętrzeniu wody (FF > 1,1 1,3 oraz FB > 1,3 1,5). Wartości współczynników stateczności zależą od konfiguracji ściany gabionowej. Przyjęty w rozpatrywanych modelach układ geome- 36 wrzesień - październik 5 / 2011 [34]

4 GEOINŻYNIERIA Geoinżynieria Rys. 7. Parametry modeli A, B, C [14]: a spójność c; b wytrzymałość na ścinanie τ - brak rysunków 7 i 8 Rys. 6. Rys. 6. Parametry modeli A, B, C [14]: a kąt tarcia wewnętrznego ϕ; b przyrost wartości kąta tarcia Δϕ; c wytrzymałość na ścinanie τ Rys. 5. Rys. 5. a, b, c, d. Parametry p z, Δp z, dp z oraz K dla poszczególnych modeli masywu luźno nasypanego (l.s.) i wstępnie zagęszczonego (w.z.) [14]. Objaśnienia w tekście wrzesień - październik 5 / 2011 [34] 37

5 Geoinżynieria GEOINŻYNIERIA tryczny ściany gabionowej nie zapewnia powiększenia wartości współczynnika stateczności. Stwierdzenie powyższe może wzbudzić dyskusję na temat jakości analizowanych modeli nasypu podpartego ścianą gabionową. Mając świadomość, że po wprowadzeniu obciążenia naziomu (badane modele nie były poddawane działaniu zewnętrznego obciążenia eksploatacyjnego) wartości współczynników stateczności ulegną zredukowaniu, należy oczekiwać zbliżenia tych wartości do granicy bezpieczeństwa. Jak wiadomo, zadaniem ściany oporowej jest powiększenie wartości współczynników stateczności, więc problem jest umiejscowiony w modelach. Skonstruowane modele charakteryzują się jednakowym pochyleniem obu skarp (1:1,5), natomiast szerokość skarpy analizowanej jest niejednakowa i kształtuje się: w modelu bez ściany gabionowej 7,5 m; w modelach ze ścianą gabionową złożoną z dwóch, trzech i czterech modułów kolejno 5,5 m; 4 m oraz 2,5 m. Gdyby pozostawiono jednakową szerokość skarpy 7,5 m, wtedy automatycznie pochylenie skarpy w modelach byłoby bardziej łagodne niż 1:1,5 i ulegałoby zmniejszeniu w funkcji wysokości ściany gabionowej. W takiej aranżacji modeli, tendencja zmian wartości współczynników stateczności (powiększenie) byłaby generowana zmianą pochylenia skarpy. Konkludując, należy podkreślić podstawowy charakter badań i konieczność ich kontynuacji na odpowiednio zmodyfikowanych modelach. Wyniki doświadczalnych badań na modelach laboratoryjnych masywu podpartego ścianą gabionową, przy zastosowaniu zewnętrznego obciążenia statycznego, odwzorowującego obciążenie eksploatacyjne, wykazały możliwość osiągnięcia redukcji poziomych deformacji w zakresie od 35% do 49%, wskutek obudowania masywu ścianą oporową, wykonaną z elementów gabionowych. Potwierdzono w ten sposób celowość stosowania tego typu wzmocnienia skarp. Wśród wniosków wyróżniają się następujące: zakres ograniczenia poziomego parcia masywu gruntowego podpartego gabionową ścianą oporową jest zależny od rozmiarów koszy gabionowych (przy niezmiennej wysokości ściany rozmiary gabionów są determinantą liczby gabionów), ich ukształtowania przestrzennego i rozmieszczenia oraz jakości połączeń między koszami; fakt mechanicznego zespolenia gabionów skutkuje dodatkową redukcją poziomego parcia co najmniej o 10%; maksymalne ograniczenie poziomego parcia otrzymano w modelu typu C, charakteryzującym się największą liczbą gabionów, które mają najmniejsze wymiary (przy stałej wysokości modelu h = 0,42 m). Rezultat dostrzeżony w modelu typu C zaproponowano uzasadnić szczególnym przebiegiem krzywej poślizgu (w stanie granicznym czynnego parcia) przez poszczególne gabiony, polegającym na przecinaniu nie tylko ziarnistego materiału wypełniającego kosze (grys bazaltowy), lecz także przecięciu prawie wszystkich warstw siatek obudowujących, stanowiących dość gęsto rozmieszczone zbrojenie masywu gruntowego. Przypuszcza się również, że w tym przypadku krzywa poślizgu znajduje się najbliżej ściany pomiarowej pojemnika, co wskazuje na minimum wymiarów klina odłamu w stanie granicznym czynnego parcia masywu. Stwierdzono ponadto znaczący pozytywny wpływ wzmocnienia masywu gruntowego ścianą gabionową na zmianę cech mechanicznych tego ośrodka, w szczególności: efekty wzrostu nośności: przy ustalonej wartości poziomego odkształcenia (parcia bocznego) dopuszczalne obciążenie zewnętrzne modelu masywu wzmocnionego jest wielokrotnością obciążenia dopuszczalnego dla masywu bez wzmocnienia; wzrost wytrzymałości ośrodka gruntowego na ścinanie (efekt zwiększenia kąta tarcia wewnętrznego oraz zjawisko oporu spójności); zwiększenie się modułu odkształcenia i modułu podatności (obliczonych ze wzorów teorii sprężystości): przy podejściu kontynualnym ośrodek niespoisty ze wzmocnieniem będzie charakteryzował się większą odpornością na odkształcenia. Uzasadnione wydaje się uwzględnienie struktury konstrukcji (konfiguracja elementów, wymiary geometryczne elementów, jakość połączeń między elementami) w procesie wymiarowania ścian oporowych złożonych z gabionów. LITERATURA: [1] Balawejder A., Program SZMFiB-Stateczność zboczy metodą Felleniusa i Bishopa. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław [2] Balawejder A., Program FILTR-Filtracja ustalona w nasypach ziemnych piętrzących wodę. Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław [3] Clayton C.R.J., Milititsky J., Woods R.J., Earth Pressure and Earth Retaining Structures. Blackie Academic & Professional. An Im Print of Chapman & Hall. London-New York, [5] GEOSIATKI Fortrac w konstrukcjach z gruntów zbrojonych. Przedsiębiorstwo Realizacyjne INORA Sp. z o.o., Gliwice 1, ul. Prymasa S. Wyszyńskiego 11. [6] GGU Gabion. Calculation of Gabion Walls. Geotechnical Computation. Civilserve DP for Civil Engineering, Braunschweig, Germany, sierpień [7] Jarominiak A.: Lekkie konstrukcje oporowe, WKiŁ, Warszawa [8] Kozłowski W., Surowiecki A., Numerical simulation of deformations of gabion-retaining wall segment. Proc. Int. Scientific Conf. Riesenie krizovych situacii v specifickom prostredi. Zilinska Univerzita v Ziline, Zilina , s [9] Kozłowski W., Surowiecki A.: Laboratory test of deformation of retaining wall gabion-element. Proc. International Scientific Conference TRANSCOM 2005, Zilina, Slovakia, , s [10] Simac M.R., Bathurst R.J., Fennessey W.: Case study of a hybrid gabion basket geosynthetic reinforced soil wall. Ground Improvement Nr 1, 1997, p [11] Strzelecki T., Kostecki S., Żak S., Modelowanie przepływów przez ośrodki porowate. DWE, Wrocław [12] Surowiecki A., O projektowaniu konstrukcji gabionowych w budownictwie komunikacyjnym. Drogownictwo, SITK, Rok LVI, Nr 3, 2001, s [13] Surowiecki A., Kozłowski W.: Horizontal deformations of gabion-retaining wall model, Zbornik z 10. Vedeckej konferencie s medzinarodnou ucastou. 2 cast. Zilinska Univerzita v Ziline, Fakulta Specialneho Inzinierstva, Zilina Jun 2005, s [14] Surowiecki A., Balawejder A., Kozłowski W., Badanie możliwości wzmacniania nasypów kolejowych przy zastosowaniu zbrojenia gruntu, lekkich konstrukcji oporowych i maty komórkowej. Raport serii SPR nr 6, Projekt bad. MNiI nr 5 T07E 06024, Politechnika Wrocławska, Wrocław wrzesień - październik 5 / 2011 [34]

6 GEOINŻYNIERIA Geoinżynieria wrzesień - październik 5 / 2011 [34] 39