Technologia konsolidacji podciśnieniowej jest alternatywnym

Transkrypt

1 Podciśnienioa konsolidacja podłoża gruntoego echnologia konsolidacji podciśnienioej jest alternatynym roziązaniem problemu zmocnienia słabego podłoża gruntoego stosunku do klasycznej konsolidacji nasypem raz z przeciążeniem i drenami pionoymi. o alternatyne roziązanie jest efektyne, szybsze i daje iększy spółczynnik bezpieczeństa ze zględu na przemieszczenia poziome i stateczność skarpy. Konsolidacja ściśliych gruntó poprzez podciśnienie nie jest pomysłem noym, gdyż piersze próby przeproadził e czesnych latach 50. ubiegłego ieku dr W. Kjellman Szecji. Następne próby zostały przeproadzone Chinach oraz USA i, po niezadoalających rezultatach ziązanych z dużymi problemami praktycznymi, zostały zarzucone. Dopiero przeproadzona podciśnienioa konsolidacja gruntó ściśliych przez Menard pod kieronictem prof. J. M. Cogon a 1980 r. pozoliła opracoać skuteczną metodologię ykorzystania pomp próżnioych do przyśpieszenia kompresji gruntó słabych. Podstay teoretyczne Klasyczna metoda konsolidacji podłoża nasypem przeciążenioym pooduje zrost naprężeń efektynych ośrodku gruntoym poprzez zrost naprężeń całkoitych ynikających z przeciążenia nasypem. Z kolei konsolidacja próżnioa pooduje zrost naprężeń efektynych całym ośrodku gruntoych poprzez spadek ciśnienia poroego przy naprężeniach całkoitych pozostających na niezmienionym poziomie. Dla klasycznego podejścia obliczenioego pły przeciążenia nasypem o ysokości h na naprężenia całkoite, uzględniając ciśnienie atmosferyczne, yraża się rónaniem: σ = γ z + γ f h = σt zrost naprężeń całkoitych, a na ciśnienie porach gruntu przy założeniu całkoitego drenażu: u =γ z = ut. Po zsumoaniu otrzymujemy naprężenia efektyne postaci yrażenia: σ ' = σ u = σ u = γ ' z + γ h Dla konsolidacji podciśnienioej, zakładając efektyność systemu próżnioego na poziomie 80%, otrzymujemy: σ =γ z + P a yrażenie dla naprężeń całkoitych, u = γ z 0,8Pa = γ z + 0, 2Pa yrażenie na ciśnienie ody porach, i ostatecznie po zsumoaniu: σ ' = σ u = γ ' z 0,2Pa = γ' z + 0, 8P artość naprężenia a efektynego. Jak można łato zauażyć, dopóki utrzymyane jest podciśnienie o artości 80% ciśnienia atmosferycznego, na podłoże działa naprężenie ekialentne do 4 m nasypu przeciążenioego. Jeżeli rozażymy przebieg ścieżki naprężeń na płaszczyźnie deiatoroej (p, q) rys.1, przy założeniach słabej przepuszczalności gruntu, to dla t t f klasycznego przeciążenia nasypem ścieżka naprężeń efektynych podąża stronę kryterium ytrzymałości gruntu na ścinanie (punkty A B). Dalsze układanie arst nasypu proadzi do aarii i zniszczenia konstrukcji. Rys. 1. Porónanie klasycznej metody konsolidacji z konsolidacją podciśnienioą (MVC ) Rys. 2. Wzrost spójności gruntu na skutek podciśnienia Rys. 3. Porónanie klasycznej konsolidacji z konsolidacją podciśnienioą Schemat systemu do konsolidacji podciśnienioej MENARD Vacuum Consolidation (MVC ) 84 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17)

2 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17) 85

3 Rok Projekt Obszar zastosoania Kilient Obszar konsolidacji 1988 Clemont Ferrand, Francja Nasyp próbny MENARD 1000 m Lomme-Sequedin, Francja Galeria Handloa Fondasol/Danzas 8130 m DDE Gironde Ambes, Francja Droga CEE Bordeaux/ DO m Calais Eurotunnel, Francja Autostrada SEEC/Eurotunnel m SAEPG Ambes, Francja Magazyny pali płynnych Mecasol/SAEPG m Le Lamentin, Martynika erminal lotniczy CEBP/CCI m Le Lamentin, Martynika Droga ekspresoa BRGM/DO 7805 m Ipoh-Gopeng, Malezja Droga ekspresoa Zaidun Leeng/PLUS 2600 m A837 Autostrada (faza I), Francja Autostrada LCPC/ ASF m Lubeck Port, Niemcy erminal konteneroy INROS/Port of Lubeck m A837 Autostrada (faza II), Francja Autostrada Scetauroute/ ASF m Khimae SP, Korea Południoa System kanalizacji KECC/City of Khimae m Kuching Port, Malezja erminal konteneroy Acer/ransfield m RN1-RD1, Guadelupa Droga CEE/DO Fort de France 6150 m Khimae PS, Korea Południoa Stacja pomp KECC/City of Khimae m Wismar Port, Niemcy erminal konteneroy Sellin&Hacker/Port of Wismar m Quebec, Kanada Drogi dojazdoe do mostu QDO 1000 m Jangyoo SP, Korea Południoa Oczyszczalnia ściekó KECC/City of Khimae m EPEC Poer Plant, ajlandia Elektronia Seatec/ABB Alstom m EADS Hamburg, Niemcy Fabryka lotnicza IGB - Dr Maybaum/ EADS Airbus m 2 ab. 1. Projekty technologii konsolidacji podciśnienioej (MVC ) Ścieżkę naprężeń dla konsolidacji podciśnienioej yznacza linia pomiędzy punktami A i C. ak długo, jak działa podciśnienie, zmiany naprężeniach przebiegają izotropoo Δ σ1 = Δσ 2 = Δσ, co efekcie proadzi do zrostu ytrzymałości na ścinanie gruntu. Współ- 3 czynnik bezpieczeństa, przy naprężeniach na linii A C, zrasta podczas całego procesu konsolidacji. Podciśnienie arstie gruntu pod membraną torzy efekt sztucznego zrostu kohezji gruntu c m (rys. 2), dzięki czemu rośnie ytrzymałość na ścinanie, przez co o iele szybciej można rozpocząć ykonyanie konstrukcji nasypu, bez obay utraty stateczności. Cogon opisał to obrazoym porónaniem: paczka kay opakoaniu próżnioym jest bardziej sztyna niż ta sama paczka kay poddana tylko ciśnieniu atmosferycznemu. Dodatkoo izotropoość konsolidacji podciśnienioej nieluje ypór gruntu na boki, ograniczając tym samym zużycie materiału (rys. 3). Procedura aplikacji konsolidacji podciśnienioej Zastosoanie metody konsolidacji podciśnienioej ymaga na początku przygotoania podłoża pod jazd ciężkich maszyn, które zainstalują dreny pionoe. W tym celu należy nasypać arstę piasku o odpoiedniej miąższości, która oprócz spełnienia roli platformy roboczej będzie rónież arstą drenującą. Następnie konstruuje się siatkę drenó poziomych, łączących dreny pionoe ze stacją Rys. 4. Schemat systemu do konsolidacji podciśnienioej MENARD Vacuum Consolidation (MVC ) pomp. Granicę konsolidoanego terenu stanoi ró odadniający raz z ykopem ąsko przestrzennym, ypełnionym bentonitem celu yizoloania terenu objętego zmocnieniem. Ważnym punktem jest instalacja urządzeń pomiaroych piezometró, inklinometró, ciśnieniomierza oraz reperó talerzoych. W ten sposób na bieżąco monitoruje się postęp konsolidacji. Pompoanie kończy się chili osiągnięcia projektoanych osiadań lub zakładanych parametró (skaźnika poroatości, ytrzymałości na ścinanie). 86 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17)

4 Obszar onnay Charente Boutonne Agnet Miąższość arsty gruntu słabego 18 do 26 m 4 do 13 m 4 do 20 m Niezdrenoana ytrzymałość na ścięcie Su 17 kpa 15,7 kpa 13,5 kpa Ściśliość Cc 1,24 0,8 1,07 Projektoana ysokość nasypu 2 m 5 do 8 m 6 m Przeidyane osiadania 2 do 2,5 m 2,5 m max 2 m ab. 2. Warunki gruntoe na obszarze inestycji Zastosoanie Podczas ostatnich 17 lat firma Menard ykonała iele projektó technologii konsolidacji podciśnienioej (MVC ). Sukcesy przy pierszych inestycjach były możlie dzięki ielkiemu zaangażoaniu grupy specjalistó, którzy bardzo szybko dostrzegli możliości drzemiące tej technologii. Z każdą następną inestycją konstruoanie staało się łatiejsze i szybsze, dzięki czemu koszty prac ziemnych i konstrukcyjnych uległy dużemu obniżeniu. Przy penych projektach yłącznie użycie technologii konsolidacji próżnioej umożliiło zrealizoanie inestycji, która innych arunkach byłaby bardzo trudna bądź naet niemożlia. Dodatkoo, rozpatrując aspekt techniczno-ekonomiczny, użycie podciśnienia do konsolidacji gruntó ściśliych proadzi do roziązań tanich i bezpiecznych. Obszar zastosoania konsolidacji podciśnienioej jest bardzo szeroki, poczynając od dróg, autostrad i obszaró pod różnego rodzaju zbiorniki (pali, materiałó sypkich) do konstrukcji ielkoobszaroych, takich jak terminale lotnicze czy terminale portó konteneroych. W tab. 1 zestaiono niektóre inestycje. Konsolidacja podciśnienioa na przykładzie inestycji na autostradzie A 837 (Francja) sekcja: Saintes Rochefort Całkoita długość sekcji ynosiła 37,5 km, tym 10 km przebiegało przez obszar bagienny, gdzie miąższość torfu dochodziła naet do 26 m (tab. 2). Kubatura gruntu poddanego konsolidacji podciśnienioej około 1 mln m 3. Dreny pionoe o średnicy 5 cm zainstaloano odstępach co 1,5 m (siatka kadratoa) na obszarze m 2. Nie zdecydoano się na użycie nasypu przeciążającego potrzebne naprężenie konsolidujące samo yołało ytorzenie się podciśnienia. Konstruoanie łaściego korpusu nasypu odbyało się bezpośrednio na membranie jeszcze podczas pompoania, aż do sumy zakładanej rzędnej nielety i spodzieanych osiadań. Na rysunku 5 przedstaiono przebieg osiadań czasie trania prac konstrukcyjnych. Pierszą fazą było ykonanie nasypu 1,5-metroego, który oprócz spełnienia roli arsty drenującej stanoił stabilną platformę dla maszyn instalujących dreny pionoe (rys. 6). W tym czasie zanotoano piersze osiadania na poziomie cm. Następnie ykonano ró odadniający (rys. 7). Dnia 23 lutego rozpoczęto ytarzanie podciśnienia. Jak można zauażyć, od tej chili prędkość osiadań znacznie zrosła. ydzień po rozpoczęciu pompoania zaczęto znosić nasyp na projektoaną rzędną, którą osiągnięto 16 marca i utrzymyano przez cały okres trania konsolidacji podciśnienioej. Rys. 5. Przebieg osiadań czasie inestycji Fot. 1. Instalacja drenó pionoych Pompoanie przerano po 6 miesiącach, osiągając zakładane przemieszczenia. Od tej chili proadzone pomiary nie ykazyały dalszych osiadań gruntu. Na fot. 3 przedstaiono obszar inestycji. Wnioski echnologia konsolidacji podciśnienioej (MVC ) jest roziązaniem efektynym do zmocnienia ysoce ściśliych gruntó słabych także przy ysokim zierciadle ody gruntoej. Przy ydajności systemu sieci podciśnienioej na poziomie 80% praktycznie zastępuje on 4 m klasycznego nasypu przeciążenioego ( arunkach idealnych jest to 5 m). Przytoczone przykłady zrealizoanych z poodzeniem projektó udoadniają, że teza zaarta e stępie odnośnie efektyności, bezpieczeństa i przyśpieszenia osiadań jest pradzia. Korzyści te płyną z charakteru izotropoej konsolidacji technologii MVC stosunku do klasycznej konsolidacji nasypem przeciążenioym. Izotropoy charakter konsolidacji eliminuje ryzyko ytorzenia się poierzchni poślizgu (spółczynnik stateczności zrasta podczas pompoania rys. 2, 3 i 4), co umożliia układanie kolejnych arst nasypu bez przestojó konsolidacyjnych pozalających na dysypację ciśnienia porach gruntu. Dodatkoym atutem jest eliminacja przemieszczeń poziomych, przez co notuje się o iele mniejsze zużycie materiału gruntoego do ypełnienia postałych osiadań. Ma to oczyiste znaczenie przy redukcji kosztó budoy nasypu drogoego. Budoa ysokich nasypó na gruntach ysoce ściśliych, naet z użyciem drenó pionoych, może trać la- GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17) 87

5 tami. Ziązane jest to z potrzebą dzielenia budoy nasypu na etapy, których ysokość sypanej arsty nasypu jest determinoana ytrzymałością gruntu na ścinanie. Metoda konsolidacji podciśnienioej pozala ten czas dużym stopniu ograniczyć (zrost spójności gruntu rys. 2). W polskich arunkach spotyka się torfy oraz gytie o miąższości m. Dla nasypó o ysokości iększej niż 4 m metoda konsolidacji podciśnienioej jest roziązaniem idealnym i trudno znaleźć alternatyę. Klasyczny ypór nasypem ymaga dość dużej rezery materiałoej (zużycie kruszya jest dużo iększe), a przede szystkim czasu. Przy ysokim zierciadle ody gruntoej bardzo problematyczne staje się zagęszczenie dolnych arst nasypu znajdujących się pod odą (czasem ręcz niemożlie). Metoda Menard Vacuum Consolidation rónież ymaga czasu zazyczaj cały proces tra ok. 6 miesięcy. Czas ten jednak nie jest uzależniony tak ysokim stopniu od parametró gruntu, jak przypadku metody klasycznej. Jednak praktyka pokazuje, że roboty ziemne na autostradach trają ponad 1 rok i odpoiednie planoanie od początku budoy nie ydłuży czasu inestycji. Nieątplie atuty jakie niesie za sobą użycie konsolidacji podciśnienioej do storzenia solidnego podłoża gruntoego pod konstrukcję spooduje, że krótce Polsce stanie się ona tak popularna jak to ma miejsce e Francji, Koreii Południoej, Australii czy choćby u naszych sąsiadó Niemczech. Fot. 2. Ró odadniający autor mgr inż. Krystian Binder Menard Polska sp. z o.o. Fot. 3. Obszar inestycji pod onnay Charente 88 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17)