ANALIZA ZACHOWANIA SIĘ PODŁOŻA ORGANICZNEGO OBCIĄŻONEGO ETAPOWO BUDOWANYM NASYPEM

Transkrypt

1 ANALIZA ZACHOWANIA SIĘ PODŁOŻA ORGANICZNEGO OBCIĄŻONEGO ETAPOWO BUDOWANYM NASYPEM mgr inż. Grzegorz Wrzesiński, prof. dr hab. inż. Zbigniew Lechowicz Katedra Geoinżynierii, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Posadowienie nasypów na gruntach organicznych powoduje powstawanie dużych pionowych i poziomych odkształceń podłoża pojawiających się zarówno podczas budowy jak i po jej zakończeniu. Mała początkowa wytrzymałość gruntów organicznych często stwarza trudności z zapewnieniem stateczności budowli, dlatego obciążenie powinno być przykładane etapowo lub na uprzednio wzmocnione podłoże [4, 5, 1]. W przypadku etapowego wznoszenia nasypów na podłożu organicznym należy wysokość poszczególnych etapów oraz tempo ich wznoszenia dostosować do wytrzymałości na ścinanie podłoża w danej fazie budowy. W pierwszym etapie wytrzymałość na ścinanie określona jest dla gruntu w stanie naturalnym, zaś w etapach następnych należy uwzględnić wzrost wytrzymałości spowodowany przyrostem naprężenia efektywnego podczas konsolidacji. Wzrost wytrzymałości gruntów organicznych uzależniony jest głównie od intensywności rozpraszania nadwyżki ciśnienia wody w porach, czyli od przepuszczalności i odkształcalności gruntu. Obciążenie podłoża organicznego nasypem powoduje powstawanie w podłożu stref o różnym zakresie i przebiegu zmian naprężenia oraz ciśnienia wody w porach. Każdej z wyszczególnionych stref wzdłuż potencjalnej powierzchni zniszczenia odpowiada inny kąt obrotu kierunków naprężeń głównych α (Rys. 1) [11]. Badania prowadzone w specjalistycznych laboratoriach geotechnicznych z wykorzystaniem cylindrycznego aparatu skrętnego dowodzą, iż wartości kątów obrotu kierunków naprężeń głównych α wpływają w istotny sposób na otrzymywaną wartość wytrzymałości na ścinanie [7, 8]. Wpływ tego zjawiska na stateczność nasypu zależy od procentowego udziału poszczególnych stref o różnym kącie α wzdłuż potencjalnej powierzchni poślizgu w momencie zniszczenia. Rys. 1. Mechanizmy zniszczenia gruntu w poszczególnych strefach potencjalnej powierzchni zniszczenia [11] Zachowanie się podłoża organicznego pod wpływem przyłożonego obciążenia można przedstawić wykorzystując analizę numeryczną. Jednym z zaawansowanych programów do modelowania numerycznego jest program Plaxis wykorzystujący metodę elementów skończonych. Umożliwia on przeprowadzenie analizy geotechnicznej wykorzystując modele gruntu w opisie zachowania się podłoża pod obciążeniem. Spośród wielu istniejących modeli gruntu, najczęściej 1

2 w przypadku gruntów słabonośnych, wykorzystywane są sprężysto-plastyczne i sprężystolepkoplastyczne [5]. Należy pamiętać, że parametry zmieniają się nieliniowo w procesie odkształcenia gruntów słabych, dlatego w modelowaniu zjawisk geotechnicznych zachodzących w gruntach organicznych należy stosować modele nieliniowe. W artykule ze względu na złożony charakter zjawiska oraz trudności określenia przebiegu stref gdzie następuje koncentracja przemieszczeń, przeprowadzono analizę numeryczną zachowania się torfowo-gytiowego podłoża obciążonego etapowo wznoszonym nasypem. Uzyskane wyniki umożliwiły wydzielenie stref podłoża charakteryzujących się różnym kątem obrotu kierunków naprężeń głównych. Wydzielone strefy wykorzystano w prognozie wzrostu wytrzymałości na ścinanie bez odpływu podczas analizy stateczności nasypu w kolejnych etapach jego realizacji. OBIEKT DOŚWIADCZALNY W ANTONINACH Nasyp doświadczalny w Antoninach powstał w ramach współpracy Katedry Geoinżynierii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie ze Szwedzkim Instytutem Geotechnicznym [9, 10]. Obiekt zlokalizowano w dolinie rzeki Noteć, około 4 km na południowy zachód od miejscowości Białośliwie w województwie wielkopolskim. Nasyp wzniesiono na płaskim terenie zagospodarowanym rolniczo, około 100 m na południe od rzeki Noteć [6]. Wznoszenie nasypu zrealizowano w trzech etapach w latach Łączny czas jego budowy wynosił 1332 dni. Miąższości poszczególnych etapów wynosiły 1.2 m, 1.3 m i 1.4 m. Czas wykonania pierwszego etapu trwał 6 dni, a kolejnych odpowiednio 7 i 18 dni. Okres wznoszenia wraz z przerwą technologiczną trwał w przypadku pierwszego etapu 156 dni, drugiego 409 dni, a trzeciego 767 dni [9]. Podłoże nasypu doświadczalnego składa się z dwóch warstw gruntów organicznych o łącznej miąższości 7,8 m. Bezpośrednio pod powierzchnią terenu zalega 3,1 metrowa warstwa torfu, podścielona 4,7 metrową warstwą gytii. Badania właściwości gruntów organicznych przeprowadzone przez Katedrę Geoinżynierii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego wskazują, że warstwa torfu składa się ze średnio rozłożonego torfu oraz torfu amorficznego. W gytii wyróżniono trzy warstwy różniące się zawartością części organicznych i węglanu wapnia. Grunty organiczne są prekonsolidowane o współczynniku prekonsolidacji OCR wynoszącym dla torfu 3 5, a dla gytii 1,5 2,5. Torfowo-gytiowe podłoże podścielone jest warstwą piasku drobnego, w którym występuje napięte zwierciadło wody gruntowej. Po nawierceniu stabilizuje się ono na wysokości 1,5 m powyżej powierzchni terenu. Ciśnienie artezyjskie powoduje, że przy małym ciężarze objętościowym torfu i gytii składowa pionowa naprężenia efektywnego w podłożu organicznym przed obciążeniem wynosiła od 3 do 10 kpa. Swobodne zwierciadło wody gruntowej występuje w wierzchniej warstwie torfu na głębokości 0,2 m pod powierzchnią terenu. 2

3 W celu przeprowadzenia analizy stateczności etapowo budowanego nasypu na podłożu organicznym konieczne jest wykonanie prognozy wzrostu wytrzymałości na ścinanie przed kolejnym etapem obciążenia. Na wzrost wytrzymałości na ścinanie bez odpływu ma wpływ stan i historia naprężenia efektywnego oraz mechanizm zniszczenia wynikający z obrotu kierunków naprężeń głównych. Dotychczas przeprowadzone badania [3] pokazują, że prognozę wzrostu wytrzymałości na ścinanie bez odpływu gruntów organicznych można przeprowadzić na podstawie zależności: gdzie: K S współczynnik wzrostu wytrzymałości na ścinanie; σ v - składowa pionowa naprężenia efektywnego. τ fu = K s σ v (1) Współczynnik wzrostu wytrzymałości na ścinanie K S obliczany jest z zależności: gdzie: VSL wskaźnik stanu składowej pionowej naprężenia efektywnego; K s = S (VSL) m oc dla VSL > 1 (2) K s = S (VSL) m nc dla VSL 1 (3) S znormalizowana wytrzymałość na ścinanie dla gruntu normalnie konsolidowanego przy VSL=1; m oc współczynnik liczbowy, wyrażający nachylenie zależności log ( τ fu σ v ) od log(vsl) w zakresie prekonsolidowanym (VSL > 1); m nc współczynnik liczbowy, wyrażający nachylenie zależności log ( τ fu σ v ) od log(vsl) w zakresie normalnie konsolidowanym (VSL 1). Wartości parametrów wzrostu wytrzymałości na ścinanie S, m oc, m nc (Tab. 1) dla podłoża organicznego pod nasypem doświadczalnym w Antoninach wyznaczono na podstawie badań przeprowadzonych przez Katedrę Geoinżynierii SGGW w Warszawie. Tab. 1. Parametry wzrostu wytrzymałości na ścinanie torfu i gytii [3] Rodzaj badania Badanie trójosiowe przy ściskaniu CK O UTC Badanie prostego ścinania DSS Rodzaj gruntu VSL=1 VSL > 1 VSL 1 S m oc m nc torf 0,50 gytia 0,45 0,80 0,15 torf 0,40 gytia 0,35 0,75 0,10 Przeprowadzenie analizy numerycznej ma kluczowe znaczenie w przypadku etapowej budowy nasypu, gdyż pozwala na wydzielenie stref wzdłuż potencjalnej powierzchni zniszczenia charakteryzujących się różnym kątem obrotu kierunków naprężeń głównych. Wydzielenie tych stref jest niezbędne w celu prawidłowego doboru współczynników wzrostu wytrzymałości na ścinanie, podczas prognozy zmiany wytrzymałości na ścinanie na danym etapie wznoszenia nasypu. 3

4 ANALIZA NUMERYCZNA Obliczenia numeryczne przeprowadzono przy wykorzystaniu metody elementów skończonych z zastosowaniem programu numerycznego Plaxis (wersja 9.0) w warunkach płaskiego stanu odkształcenia, który umożliwił wyznaczenie zmian kierunków naprężeń głównych torfowo-gytiowego podłoża w trzech kolejnych etapach obciążenia. Uzyskane wyniki posłużyły do wydzielenia stref podłoża charakteryzujących się różnym kątem obrotu kierunków naprężeń głównych. Wydzielone strefy zostały wykorzystane w prognozie wzrostu wytrzymałości na ścinanie w warunkach bez odpływu podczas analizy stateczności nasypu przy kolejnych etapach jego realizacji. W obliczeniach numerycznych dla podłoża torfowo-gytiowego zastosowano model Modified Cam-Clay, w którym całkowity przyrost odkształceń obliczany jest jako suma odkształceń sprężystych oraz plastycznych. Dla warstw nasypu wykorzystano model sprężysto-idealnie plastyczny z obwiednią zniszczenia Coulomba-Mohra. Parametry geotechniczne dla poszczególnych warstw (Tab. 2, 3) zostały wyznaczone na podstawie badań laboratoryjnych przeprowadzonych przez Katedrę Geoinżynierii SGGW w Warszawie oraz Szwedzki Instytut Geotechniczny [3, 2]. Tab. 2. Parametry geotechniczne modelu Modified Cam-Clay dla torfowo-gytiowego podłoża [3, 2] Parametry Podłoże sat k x k y λ κ M e 0 [kn/m 3 ] [m/s] [m/s] [-] [-] [-] [-] [-] Torf I Torf II 4.8 Gytia I Gytia II Gytia III Tab. 3. Parametry geotechniczne modelu sprężysto-idealnie plastycznego z obwiednią zniszczenia Coulomba-Mohra dla nasypu [3, 2] Nasyp sat [kn/m 3 ] Etap Etap Etap c [kpa] [ ] Parametry E [kpa] [-] 4 k x [m/s] k y [m/s] , W celu odwzorowania rzeczywistego harmonogramu prac na budowie obliczenia zostały podzielone na 38 faz o określonym czasie trwania. W obliczeniach przyjęto, że pierwszy etap budowy nasypu wznoszono warstwami o miąższości 0,2 m przez 6 kolejnych dni. Czas budowy jednej warstwy wynosił 0,4 doby zaś przerwa technologiczna 0,6 doby. Po wzniesieniu pierwszego etapu w całości przerwa technologiczna trwała 150,6 dni. Drugi etap budowy nasypu składał się z 5 warstw o miąższości 0,2 m wzniesionych w ciągu 6 dni oraz 1 warstwy o miąższości 0,3 m wybudowanej siódmej doby. Wznoszenie każdej warstwy trwało 0,4 doby, zaś pozostały czas przeznaczono na przerwy technologiczne. Po 402,6 dniach przerwy technologicznej przystąpiono do budowy trzeciego ostatniego etapu budowy nasypu. Wzniesiono go 7 warstwami o miąższości 0,2 m każda w czasie 18 dni. Budowa każdej warstwy, podobnie jak w poprzednich etapach, trwała 0,4 doby.

5 Po 767 dniach od początku budowy trzeciego etapu rozpoczęto czwartą fazę podwyższanie nasypu do utraty stateczności [10]. Rys. 2. Siatka elementów skończonych po wybudowaniu 3 etapu nasypu w Antoninach Na rysunku 2 przedstawiono podział nasypu i podłoża na elementy skończone po zakończeniu budowy. W celu wygenerowania równomiernie rozłożonej, gęstej siatki elementów skończonych podłoże zostało podzielone na warstwy o miąższości od 0,4 m do 0,5 m. WYNIKI OBLICZEŃ Przeprowadzona analiza numeryczna wykazała, że budowa nasypu doświadczalnego w Antoninach na podłożu torfowo-gytiowym jest konstrukcją stateczną na każdym etapie wznoszenia. Po wzniesieniu zarówno 1, 2 jak i 3 etapu w podłożu nie powstała jedna wyraźna powierzchnia zniszczenia, a jedynie strefy koncentracji przemieszczeń. W obliczeniach szczegółowemu rozpatrzeniu zostały poddane strefy wzdłuż potencjalnej powierzchni zniszczenia na każdym etapie budowy. Analizując uzyskane wyniki można zauważyć powstałe w podłożu zmiany kierunków naprężeń głównych. Pozwala to na wydzielenie stref podłoża charakteryzujących się różnym kątem obrotu kierunków tych naprężeń. W pierwszym wariancie (Rys. 3 i 4), czyli po zakończeniu wznoszenia etapu 1 nasypu, dominującym kątem α jest kąt w granicach 0-20, który występuje w 47% wzdłuż potencjalnej powierzchni zniszczenia. Drugą charakterystyczną strefą, jednak występującą w 18%, jest strefa o kącie α z zakresu Po zakończeniu budowy 2 etapu nasypu (Rys. 5) przeważającym kątem α występującym w 40% jest kąt zawierający się w przedziale Po wzniesieniu nasypu w całości (Rys. 6) dominuje kąt z zakresu 35-55, czyli ten sam, który można zauważyć po zakończeniu budowy 2 etapu, jednak na tym etapie budowy występuje on w 58%. Rys. 3. Izolinie przemieszczeń pionowych po wybudowaniu 1 etapu nasypu w Antoninach 5

6 Rys. 4. Kierunki naprężeń głównych wraz z linią opisującą potencjalną powierzchnię zniszczenia po wybudowaniu 1 etapu nasypu w Antoninach Rys. 5. Kierunki naprężeń głównych wraz z linią opisującą potencjalną powierzchnię zniszczenia po wybudowaniu 2 etapu nasypu w Antoninach Rys. 6. Kierunki naprężeń głównych wraz z linią opisującą potencjalną powierzchnię zniszczenia po wybudowaniu 3 etapu nasypu w Antoninach Przeprowadzona analiza numeryczna pozwoliła na wydzielenie w podłożu 3 stref różniących się zakresem wartości kątów obrotu kierunków naprężeń głównych, a tym samym mechanizmami zniszczenia struktury gruntu. Rysunek 7 przedstawia podział torfowo-gytiowego podłoża na strefy o różnym mechanizmie zniszczenia po wybudowaniu 3 etapu nasypu. Rys. 7. Strefy podłoża o różnym mechanizmie zniszczenia po wybudowaniu 3 etapu nasypu w Antoninach (TC badanie trójosiowe przy ściskaniu, TE badanie trójosiowe przy wydłużaniu, DSS badanie prostego ścinania) 6

7 Na rysunku 8 przedstawiono linie powstałe z połączenia kierunków działania naprężeń głównych. Pokazują one zasięg strefy, gdzie następuje obrót kierunków naprężeń głównych. Rys. 8. Linie powstałe z połączenia kierunków działania naprężeń głównych po wybudowaniu 3 etapu nasypu w Antoninach Przedstawiona analiza pokazuje, że podczas realizacji kolejnych etapów budowy nasypu zwiększyła się strefa, w której kąt obrotu kierunków naprężeń głównych w przybliżeniu odpowiada strefie prostego ścinania kosztem zmniejszenia stref, w których mechanizm zbliżony jest do badań trójosiowych przy ściskaniu lub wydłużaniu. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono i przeanalizowano wyniki obliczeń numerycznych z wykorzystaniem metody elementów skończonych zachowania się podłoża organicznego pod wpływem etapowo przykładanego obciążenia nasypem. Przeprowadzona analiza pokazuje, iż wzdłuż potencjalnej powierzchni zniszczenia w podłożu organicznym obciążonym nasypem następuje istotna zmiana kąta obrotu kierunków naprężeń głównych. Dowodzi to, iż w podłożu występuje więcej niż jeden mechanizm zniszczenia struktury gruntu, dlatego przyjmowanie jako reprezentatywnej wartości wytrzymałości na ścinanie bez odpływu uzyskanej np. w aparacie trójosiowym przy konkretnej ścieżce naprężenia dla całej wyodrębnionej powierzchni poślizgu nie jest do końca poprawne i można doprowadzić do przeszacowania wartości współczynnika stateczności. Bardziej precyzyjne określenie wartości wytrzymałości na ścinanie gruntu występującego w warunkach in situ jest możliwe tylko w aparaturze pozwalającej uwzględnić zależność właściwości mechanicznych gruntu od kąta obrotu kierunków naprężeń głównych. Przykładem tego typu aparatury jest cylindryczny aparat skrętny (Hollow Cylinder Apparatus), jednak ze względu na wysokie koszty zakupu nie jest powszechnie używanym urządzeniem. W związku z tym alternatywnym rozwiązaniem wydaje się określenie zasięgów stref, w których wartość wytrzymałości na ścinanie uzyskana jest w badaniach trójosiowych przy ściskaniu lub wydłużaniu oraz w badaniach prostego ścinania. LITERATURA 1. Batory J., Zastosowanie metod probabilistycznych w analizie stateczności nasypu na podłożu organicznym. Rozprawa doktorska. SGGW, Warszawa. 7

8 2. Bąkowski J., Analiza stateczności nasypu na podłożu organicznym. Rozprawa doktorska. SGGW, Warszawa. 3. Lechowicz Z., Ocena wzmocnienia gruntów organicznych obciążonych nasypem. Rozprawy naukowe i monograficzne. SGGW, Warszawa. 4. Lechowicz Z., Szymański A., Odkształcenia i stateczność nasypów na gruntach organicznych. Cz. I. Metodyka badań. Wydawnictwo SGGW. Warszawa. 5. Lechowicz Z., Szymański A., Odkształcenia i stateczność nasypów na gruntach organicznych. Cz. II. Metodyka obliczeń. Wydawnictwo SGGW. Warszawa. 6. Szymański A., Czynniki warunkujące analizę odkształcenia gruntów organicznych obciążonych nasypem. Rozprawy naukowe i monograficzne. SGGW, Warszawa. 7. Toyota H., Nakamura K., Sakai N., Sramoon W., Mechanical properties of unsaturated cohesive soil in consideration of tensile stress. Soils and Foundations. Japanese Geotechnical Society, Vol. 43, No. 2, Toyota H., Nakamura K., Sramoon W., Failure criterion of unsaturated soil considering tensile stress under three-dimensional stress conditions. Soils and Foundations. Japanese Geotechnical Society, Vol. 44, No. 5, Wolski W., Szymański A., Mirecki J., Lechowicz Z., Larsson R., Hartlen J., Garbulewski K., Bergdahl U., Two-Stage Constructed Embankments on Organic Soils. Swedish Geotechnical Institute. Report No. 32, Linköping. 10. Wolski W., Szymański A., Lechowicz Z., Larsson R., Hartlen J., Bergdahl U., Full- Scale Failure Test on a Stage-Constructed Test Fill on Organic Soil. Swedish Geotechnical Institute, Report No. 36, Linköping. 11. Zdravković L., Potts D. M., Hight D. W., The effect of strength anisotropy on the behavior of embankments on soft ground. Geotechnique 52, No. 6, STRESZCZENIE: Analiza numeryczna zachowania się podłoża organicznego obciążonego etapowo wznoszonym nasypem. Wydzielenie stref podłoża o różnym mechanizmie zniszczenia w celu prognozy wzrostu wytrzymałości na ścinanie bez odpływu do analizy stateczności nasypu w kolejnych etapach jego realizacji. Analysis of the behaviour of organic subsoil loaded by stage-constructed embankment. Numerical analysis of the behaviour of organic subsoil under stage-constructed embankment. Determination of zones with different failure mechanism in organic subsoil for prediction of increase in undrained shear strength for stability analysis of embankment during staged construction. 8