przemieszczeń gruntu pomiary inklinometryczne przegląd metod pomiarowych

Transkrypt

1 GEOINŻYNIERIA POMIARY przemieszczeń gruntu pomiary inklinometryczne przegląd metod pomiarowych Łukasz Krywult / Z.P.P.U.H. Budokop sp. z o.o. Anna Kosik / Z.P.P.U.H. Budokop sp. z o.o. Paweł Stefanek / KGHM Polska Miedź S.A. Rozwój metod i sprzętu pomiarowego doprowadził do sytuacji, w której projektanci oraz osoby odpowiedzialne za bezpieczeństwo obiektów geotechnicznych i budowlanych mają do dyspozycji szeroki zakres dostępnych technik pomiarowych. Daje to możliwość wyważonego, również pod względem ekonomicznym, doboru metody pomiarowej do warunków monitorowanego obiektu Wprowadzenie Znajomość przemieszczeń poziomych i pionowych gruntów jest szczególnie przydatna do oceny stateczności obiektów budowlanych posadowionych w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych. Pozwala ona lepiej kalibrować modele numeryczne, aktywnie i skutecznie reagować na zmiany stateczności obiektów podczas ich realizacji oraz eksploatacji. Stąd też ciągle rosnące zainteresowanie projektantów i wykonawców pomiarami inklinometrycznymi. Postęp techniczno-technologiczny w ostatnich latach spowodował rozwój wszystkich metod pomiarowych stosowanych w geotechnice. Największe i najszybciej postępujące zmiany nastąpiły jednak w technice pomiarów inklinometrycznych. Tereny osuwiskowe, skarpy kopalń odkrywkowych, wysokie zapory wodne czy wykopy budowlane, związane z głębokim fundamentowaniem, stwarzają potrzebę prowadzenia częstych i dokładnych pomiarów, niezbędnych do oceny ich stateczności. Głębokości otworów pomiarowych przekroczyły obecnie 100 m, a w niektórych przypadkach dochodzą do 200 m. Wymagana częstotliwość wykonywania pomiarów również wzrosła i w skrajnych przypadkach, np. w budownictwie kubaturowym (w trudnych warunkach gruntowo-wodnych, przy głębokim fundamentowaniu czy w otoczeniu innej zabudowy), może wynosić raz, a nawet kilka razy na dobę. Osobny problem stanowią obiekty budowlane, których utrata stateczności może spowodować katastrofę budowlaną oraz zagrażać utratą życia lub mienia. W takich przypadkach rozwiązaniem pożądanym jest ciągły pomiar stateczności. W tym obszarze wskazać należy przede wszystkim zapory wodne i ich przyczółki oraz inne budowle hydrotechniczne, gdzie celowe jest uzupełnienie pomiarów ASTKZ o ciągły pomiar inklinometryczny. Wszystkie wymienione czynniki zainicjowały rozwój techniki pomiarowej idącej w kierunku automatyzacji pomiarów, wyeliminowania uciążliwego i czasochłonnego pomiaru sondą, zawieszoną na długim i ciężkim kablu. Równocześnie nowe metody RYS. 1. Przekrój rury inklinometrycznej: wykonanej z aluminium (lewy rys.), wykonanej z ABS (prawy rys.) 42 STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54

2 GEOINŻYNIERIA GDMT geoinżynieria drogi mosty tunele RYS. 2. Przykładowe wyniki pomiaru kąta skręcenia głębokich kolumn inklinometrycznych: zmierzony kąt skręcenia około 10 (zielony), kąt skręcenia około 20 (niebieski), kąt skręcenia około 40 (czerwony) pomiarowe muszą charakteryzować się dokładnością nie gorszą niż metoda klasyczna. Pojawiły się również potrzeby monitorowania terenów osuwiskowych na obszarach trudno dostępnych lub całkowicie niedostępnych. Ręczne pomiary inklinometryczne Ręczne pomiary inklinometryczne są najczęściej stosowane, a w związku z tym również najlepiej znane. Warto jednak zwrócić uwagę na niektóre szczegóły techniki pomiarowej, które w znaczący sposób wpływają na efektywność i dokładność pomiarów. Metoda pomiarów inklinometrycznych polega na instalacji rur pomiarowych w otworach wiertniczych, a następnie wykonywanie odczytów przemieszczeń gruntu sondą podwieszoną na samonośnym kablu, opuszczaną ręcznie do otworu pomiarowego. Odczyty wykonywane są najczęściej z krokiem co 0,5 m, rzadziej co 1,0 m. Stosowane są rury pomiarowe kilku rodzajów (rys. 1.). Najczęściej wykonane są one z aluminium lub ABS o średnicy wewnętrznej wynoszącej 2 (51 mm). Rury te posiadają cztery wewnętrzne rowki wzdłużne, służące jako prowadnice dla sondy pomiarowej. Kolumna pomiarowa składa się z ciągu połączonych ze sobą rur o standardowej długości 3,0 m. Połączenia mają najczęściej charakter podatny, przy czym podatność oznacza zdolność kolumny do skracania się, jak i wydłużania. Do łączenia rur stosowane są zewnętrzne mufy. Na etapie instalacji kolumny pomiarowej niezwykle ważne jest zaprojektowanie odpowiedniego do warunków geologicznych upodatnienia połączeń oraz ich skutecznego uszczelnienia przed wdarciem się iniektu lub innych części mineralnych do wnętrza kolumny pomiarowej. W warunkach, w których spodziewane są większe przemieszczenia, stosowane są rury ABS o średnicy 3 (76 mm). W niektórych warunkach stosowane są rury ABS połączone na sztywno za pomocą zatrzasków. Połączenia takie są wówczas uszczelniane pierścieniami gumowymi (typu o-ring). Rury w tej wersji mają najczęściej średnicę 2,5 (63 mm) lub 3 i rowki prowadnicze wykonane metodą frezowania. Po instalacji wykonywany jest tzw. pomiar zerowy. Polega on na rejestracji pierwotnej krzywizny kolumny pomiarowej, która jest wartością referencyjną dla kolejnych pomiarów. Przy jego wykonywaniu należy pamiętać, że kolumna pomiarowa ulega skręceniu podczas instalacji, przy czym kąt skręcenia rośnie wraz z jej długością. Odnotowane w praktyce kąty skręcenia kolumn o długości powyżej 50 m wyniosły do 25, a powyżej 100 m do 45. Podane wartości dotyczą instalacji kolumn łączonych mufami, wykonanych przez zespół o dużym doświadczeniu. Zespół bez doświadczenia i dobrej znajomości sprzętu z pewnością osiągnie znacznie gorszy wynik. Brak korekty kąta skręcania stwarza zasadnicze trudności w prawidłowej interpretacji wyników pomiarów. W niektórych przypadkach może być ona zupełnie niemożliwa. Przykładowe wyniki pomiaru kąta skręcenia głębokich kolumn inklinometrycznych pokazano na rys. 2. Informacje podano na podstawie doświadczeń z instalacji ponad m inklinometrów o głębokości ponad 100 m. Do istotnych zalet ręcznej metody pomiarów inklinometrycznych zaliczyć należy dużą dokładność oraz relatywnie niskie koszty. Jej wady to przede wszystkim duża pracochłonność i czasochłonność. W przypadku kolumn o głębokości powyżej 100 m wymienić należy również znaczny wysiłek fizyczny ekipy pomiarowej. Pełny pomiar kolumny wymaga przynajmniej dwukrotnego przeprowadzenia sondy przez całą jej długość, a wcześniej skontrolowania drożności za pomocą tzw. sondy ślepej. Innym mankamentem metody jest brak powiązania w czasie wyników pomiarów i rzeczywistych zjawisk zachodzących w górotworze. Można co najwyżej mówić, że wystąpiły one w okresie między kolejnymi pomiarami, a te w praktyce wykonywane są nie częściej niż raz w tygodniu, niekiedy nawet raz na kwartał. Utrudnia to obserwację dynamiki zmian zachodzących w górotworze [1]. Zmodyfikowana metoda pomiarów ręcznych Jak wspomniano, standardowa metoda pomiarów ręcznych dostarcza wyniki niepowiązane w czasie ze zjawiskami zachodzącymi w górotworze. Zmodyfikowana metoda pozwala w prosty sposób, przynajmniej częściowo, rozwiązać ten problem. Polega ona na instalacji zespolonej kolumny inklinometrycznej oraz utwierdzonego na jej zewnętrznej powierzchni ekstensometru (rys. 3). Pod wpływem przemieszczeń górotworu zespół urządzeń pomiarowych podlega podobnym odkształceniom. Zmiany w ekstensometrze pozostają wprawdzie w bliżej nieokreślonym związku z przemieszczeniami poziomymi górotworu, ale ich rejestrację można łatwo zautomatyzować. W takim układzie służy on jedynie jako sygnalizator wystąpienia zmian, których wartość liczbową można określić, wykonując standardowy pomiar w kolumnie inklinometrycznej. Takie rozwiązanie pozwala racjonalnie wybierać czas prowadzenia pracochłonnych pomiarów ręcznych. STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54 43

3 GEOINŻYNIERIA RYS. 3. Przykładowa kolumna zespolona: kolumna inklinometryczna z ekstensometrem RYS. 4. FOT. 1. Kolumna inklinometryczna ze światłowodami. Otwór badawczy na OUOW Żelazny Most KGHM, 2014 (fot. A. Kosik) RYS. 4. Schemat rozmieszczenia światłowodów na rurze inklinometrycznej RYS. 3. FOT. 1. W miejscach, w których niespodziewane przemieszczenia górotworu mogą stanowić zagrożenie dla stateczności obiektu, opisany zespół urządzeń pomiarowych może stanowić uzupełnienie automatycznego systemu monitorowania o istotnym dla bezpieczeństwa znaczeniu. Opisane urządzenie zainstalowano w ASTKZ zapory w Lubachowie oraz w PGE Kopalnia Węgla Brunatnego Bełchatów jako główny element systemu monitorowania deformacji wgłębnych i powierzchniowych w rejonie prowadzenia koryta rzeki Krasowej półką zbocza stałego południowego i zachodniego (Pole Szczerców). Zaletami takiego rozwiązania jest niski koszt instalacji oraz możliwość samodzielnej automatyzacji lub włączenia go do istniejących systemów monitorowania. Wadą natomiast, konieczność wykonywania pomiarów ręcznych w celu uzyskania liczbowych wyników pomiaru przemieszczeń [2]. Zdaniem autorów rozwiązanie to można z powodzeniem instalować na obiektach budowlanych i obszarach osuwiskowych, na których pomiary inklinometryczne wykonuje się profilaktycznie. W takim przypadku sygnał otrzymany z ekstensometru obliguje do dokładniejszego zainteresowania się obiektem i rozpoczęcia procedury pomiaru przemieszczeń za pomocą zainstalowanych inklinometrów. Taki monitoring wydaje się dedykowany osuwiskom okresowo aktywnym i nieaktywnym. Uważamy również, że system taki powinien być instalowany na nietypowych obiektach, na których obecnie nie ma zagrożenia, ale ewentualne niesprzyjające warunki mogłyby uaktywnić przemieszczenia i spowodować awarię oraz zagrozić bezpieczeństwu obiektu oraz narazić na straty życia i mienia. Są to np. budowle stoczniowe, różnego rodzaju zakłady, w których awaria może mieć niekorzystny wpływ na środowisko przyrodnicze, czy też np. obiekty zabytkowe i monumentalne. RYS. 5. Konstrukcja łańcucha sond inklinometrycznych firmy Glötzl RYS. 6. Konstrukcja ciągu modułów pomiarowych SAA firmy Measurand 44 STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54

4 GEOINŻYNIERIA GDMT geoinżynieria drogi mosty tunele Światłowodowa technika pomiarowa Znakomite efekty uzyskiwane przy pomiarach temperatury za pomocą techniki światłowodowej zachęciły zespoły naukowe do poszukiwania metody pomiarów przemieszczeń w podobny sposób. Prace badawcze trwają od kilkunastu lat. W Europie prowadzi je kilka ośrodków naukowych. W ostatnich latach pojawiły się pierwsze instalacje na obiektach budowlanych. Na podstawie polskich doświadczeń można stwierdzić, że ta technika pomiarowa znajduje się w fazie badawczo-wdrożeniowej. Szczegóły techniki pomiarowej nie są ujawniane, wiadomo jednak, że pomiar odbywa się na podstawie analizy rozproszenia Brillouina. Próby prowadzone są zarówno ze światłowodem szklanym, jak i polimerowym. W warunkach polskich instalacji urządzeń pomiarowych dokonano w 2014 r. na OUOW (Obiekt Unieszkodliwiania Odpadów Wydobywczych) Żelazny Most, KGHM (fot. 1). Instalację przeprowadzono w ramach programu badawczego zainicjowanego przez KGHM. Badania prowadzone są przez szwajcarską firmę MARMOTA, a pionierskiego montażu światłowodu w głębokim ponad 100-metrowym otworze podjęła się firma BUDOKOP [5]. Jak pokazano na fot. 4 i rys. 4 była to instalacja zespolona. Na zewnętrznej powierzchni kolumny inklinometrycznej utwierdzono światłowody pomiarowe. W ten sposób wyniki pomiarów światłowodowych można weryfikować w oparciu o pomiary wykonane sondą mobilną. Do chwili obecnej dostawca systemu pomiarowego nie opublikował wyników pomiarów. Brak zatem materiału do oceny ich dokładności. Celem opisanej, eksperymentalnej instalacji jest poszukiwanie mniej pracochłonnej metody pomiarowej. W omawianym przypadku wykonywane są częste pomiary na OUOW Żelazny Most w kilkudziesięciu inklinometrach o głębokości przekraczającej 100 m i łącznej głębokości 8960 m [3]. Jeśli prowadzone próby potwierdzą przydatność światłowodowej metody pomiarowej, będzie ona interesującą alternatywą dla pomiarów sondą ręczną. Jednak ze względu na wysokie koszty urządzeń pomiarowych zastosowanie może być opłacalne w warunkach intensywnych pomiarów znacznej liczby otworów badawczych o dużej głębokości. Przy obecnym stanie techniki i kosztach należy raczej wykluczyć możliwość pełnej automatyzacji pomiarów w oparciu o opisaną technikę. Automatyczny pomiar inklinometryczny Pierwsze urządzenia pomiarowe służące do automatycznego pomiaru przemieszczeń gruntów opracowano ponad 20 lat temu. Instalowane są one do dziś. Jednak ze względu na wysokie koszty, stosowane są w ograniczonym zakresie. Tym bardziej że ze względu na koszty instalowane są raczej w płytkich otworach, a dokładność pomiaru jest ograniczona. Istota rozwiązania polega na połączeniu pojedynczych sond pomiarowych w łańcuch za pomocą łączników przegubowych oraz żerdzi dystansowych. Łańcuchy sond instalowane są w kolumnach inklinometrycznych. Oprócz wysokich kosztów metoda ta posiada jeszcze inne mankamenty. Wymaga przeprowadzenia pomiaru skręcenia kolumny pomiarowej, a rozstaw elementów wynosi 1,0 m lub więcej. Zaletą metody jest również to, że montaż łańcucha pomiarowego można wykonać bezpośrednio na miejscu pomiarów, dostosowując jego długość do aktualnej głębokości otworu pomiarowego. Sondę można wydobyć z otworu w celu dokonania napraw, przeniesienia w inne miejsce lub przeprowadzenia pomiaru sondą mobilną (rys. 5). STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54 45

5 GEOINŻYNIERIA FOT. 2. FOT. 3. FOT. 4. W ostatnich latach powstały urządzenia pomiarowe, które przy zachowaniu dokładności i rozdzielczości pomiarowej, charakterystycznej dla pomiarów bezpośrednich sondą inklinometryczną, umożliwiają pełną automatyzację pomiarów, a koszty instalacji pozostają na akceptowalnym poziomie. Ich wprowadzenie stanowi znaczący postęp w rozwoju techniki pomiarów inklinometrycznych [4]. System pomiarowy znany pod nazwą SAA (ShapeAccelArray) to nowoczesna sonda łańcuchowa o długości dostosowanej do głębokości otworu badawczego. Poszczególne ogniwa, o długości 0,5 m każde, rejestrują jednostkowe przemieszczenia poziome i automatycznie przekazują je do datalogera, skąd wyniki pomiarów transmitowane są poprzez system GSM do serwera. Każda upoważniona osoba ma wgląd do wszystkich wyników pomiarowych oraz do pełnej analizy na dedykowanym oprogramowaniu. Oprogramowanie umożliwia prezentację wyników w układzie 3D. Jest to pomiar w pełni automatyczny, a częstotliwość jego wykonywania jest dostosowana do wymagań monitorowanego obiektu (rys. 6). Istnieją dwa podstawowe typy systemu SAA: ShapeAccelArrayField (SAAF) częściej stosowany, o długości standardowej do 100 m (lub większej nawet do 150 m po uzgodnieniu z producentem), z cyfrowym sposobem rejestracji danych i z możliwym zasilaniem solarnym oraz ShapeAccelArrayResearch (SAAR) przeznaczony do zabudowy w otworach krótkich (maksymalnie 24 segmenty pomiarowe), pozwalający na ciągły odbiór danych ze wszystkich zainstalowanych czujników. W przypadku zabudowy w otworach głębokich stosowane są łańcuchy pomiarowe typu SAAF. Wymieniony ciąg pomiarowy cechuje się dużą elastycznością, dzięki czemu możliwe jest jego nawinięcie na bęben i dostarczenie w takiej postaci na miejsce instalacji (fot. 2). Posiada on wodoodporną powłokę zabezpieczoną dwoma warstwami oplotu ze stali nierdzewnej, pozwalającą na bezpośrednią zabudowę w otworze wiertniczym. W przypadku szczególnie trudnych warunków instalacji ciąg pomiarowy powinien być dodatkowo zabezpieczony osłoną z PVC (fot. 3,4). Sonda SAA może być użyta w położeniu poziomym, pionowym lub pośrednim (pod kątem), a pomiar odbywa się w odniesieniu do gruntów stabilnych bądź w stosunku do wykonanego pomiaru zerowego. System pomiarowy SAA produkuje kanadyjska firma Measurand Inc. Może być on stosowany w warunkach występowania większych deformacji w przeciwieństwie do innych metod pomiarowych. Sondę można instalować bezpośrednio w otworze wiertniczym. Po instalacji (iniekcja) nie ma możliwości wydobycia sondy. Ewentualne awarie niektórych segmentów pomiarowych nie przeszkadzają w uzyskiwaniu zadowalających wyników pomiarowych. Specyficzna modułowa konstrukcja zapewnia znacznie dłuższy okres eksploatacji niż w przypadku standardowych kolumn inklinometrycznych. W październiku 2015 r. wykonano instalację sondy SAA w obwałowaniu OUOW Żelazny Most, KGHM. Ma ona długość 150 m i była to jak dotychczas najdłuższa tego typu sonda zainstalowana na świecie. Sonda łańcuchowa SAA zastosowana została już na wielu wymagających obiektach na świecie (m.in. Kanada, USA, W. Brytania, Niemcy, Francja, Korea Pd., Tajlandia) [4], głównie na terenach osuwiskowych i niestabilnych zboczach. Wykorzystywana jest w monitoringu kopalń i głębokich wykopów, monitoringu prowadzonym w głębokich otworach pomiarowych oraz w zakresie budownictwa hydrotechnicznego czy kubaturowego (ścianki szczelinowe). Do stycznia 2016 r. firma Measurand Inc. sprzedała łącznie m opisanego urządzenia. Podsumowanie Rozwój metod i sprzętu pomiarowego doprowadził do sytuacji, w której projektanci FOT. 2. Sonda SAA na bębnie transportowym, OUOW Żelazny Most KGHM (fot. A. Kosik) FOT. 3,4. Instalacja ciągu pomiarowego SAA, OUOW Żelazny Most KGHM (fot. A. Kosik) oraz osoby odpowiedzialne za bezpieczeństwo obiektów geotechnicznych i budowlanych mają do dyspozycji szeroki zakres dostępnych technik pomiarowych. Daje to możliwość wyważonego, również pod względem ekonomicznym, doboru metody pomiarowej do warunków monitorowanego obiektu. Rozpowszechnienie automatycznych pomiarów inklinometrycznych, szczególnie sondami SAA, będzie z pewnością postępować. Uzależnione będzie jednak w dalszym ciągu od warunków finansowych. Można założyć, że w pierwszej kolejności w ten sprzęt pomiarowy wyposażane zostaną obiekty o podwyższonych wymogach bezpieczeństwa oraz takie, gdzie sonda może być odzyskana po zakończonym okresie monitorowania obiektu i użyta powtórnie w innym miejscu, np. w nowej ścianie szczelinowej. Literatura [1] Ficek A., Krywult Ł: Monitoring inklinometryczny ścian szczelinowych. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, NBI / [2] Chrost A., Janicki K., Koszulańska B., Krywult Ł.: Zastosowanie nowoczesnych technik pomiarowych w procesie kontroli stateczności składowiska Żelazny Most. Górnictwo i Geoinżynieria, zeszyt 1/2009. [3] Stefanek P., Romaniuk D.: Zastosowanie monitoringu geotechnicznego i środowiskowego na obiekcie unieszkodliwiania odpadów wydobywczych Żelazny Most. Inżynieria Morska i Geotechniczna 3/2015, s [4] Measurand s longest SAA installation, [5] Monitoring światłowodowy, www. budokop.com. 46 STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54

6 GEOINŻYNIERIA GDMT geoinżynieria drogi mosty tunele STYCZEŃ - MARZEC / 1 / 2016 / 54 47