AWARIA SKARPY GŁĘBOKIEGO WYKOPU BUDYNKU PRZEMYSŁOWEGO

Transkrypt

1 Dr n.t. Stanisła ŁUKASIK Instytut Techniki Budolanej, AWARIA SKARPY GŁĘBOKIEGO WYKOPU BUDYNKU PRZEMYSŁOWEGO SLOPE FAILURE IN DEEP EXCAVATION FOR INDUSTRIAL BUILDING Streszczenie Praca przedstaia analizę przyczyn aarii zabezpieczenia skarpy głębokiego ykopu. Omóiony przypadek jest przykładem jak niełaście rozpoznanie budoy geologicznej i brak rzetelnej analizy arunkó geotechnicznych moŝe doproadzić do aarii a naet katastrofy budolanej. Innym problemem jest niezgodne ze sztuką inŝynierską zaprojektoanie i ykonanie zabezpieczenia ścianą berlińską. Omaiane zadanie geotechniczne zgodnie z praem zalicza się do 3. kategorii geotechnicznej. Z tego poodu poinno być roziązyane indyidualnie przez osoby z duŝym dośiadczeniem geotechnicznym i ysokimi kalifikacjami. Abstract In the study the causes of slope failure in deep excavation have been presented. The considered example shos ho improper recognition of geology and lack of reliable analysis of geotechnical conditions may lead to construction failure. The design and execution of excavation protection by berliner all (soldier pile all) has been considered as being not in agreement ith engineering art. The described geotechnical task is qualified as 3 geotechnical category according to regulations. Because of this it should be solved by individuals ith great geotechnical experience and high qualifications.. Wstęp Posadoienie duŝego budynku przemysłoego na Śląsku ymagało ykonania ykopu o głębokości od 8 do 0 m. Zaprojektoano go jako otarty ze skarpami nachylonymi pod kątem 45 0 (:). Górna kraędź jednej ze skarp była oddalona o około 7 m od skraju jezdni, po której się odbyał się cięŝki ruch samochodoy. Na etapie głębienia ykopu, skarpę ykopu zmocniono poprzez zmniejszenie nachylenia, ykonując półkę o szerokości około 2 m połoie jej ysokości. Poierzchnię skłonu skarpy (poyŝej półki) dodatkoo zabezpieczono płytami Ŝelbetoymi MON. Mimo tych zabiegó skarpa okazała się niestateczna i na skarpie postało osuisko. Obszar naruszony był dosyć płytki i niezbyt rozległy. Ustalono, Ŝe głębokość osuiska ynosiła 6,0 6,5 m a szerokość dochodziła do 20 m. Osuisko zabezpieczono przyporą ziemną. Przypora musiała być jednak rozebrana dla ykonania fundamentó. Zdecydoano się tedy podeprzeć skarpę ykopu ścianą berlińską. Mimo idocznych uskokó i postania osuiska autorzy projektu i ykonacy ściany berlińskiej przyjęli do obliczeń uśrednione arunki geotechniczne nie spradzając przyczyn postania osuiska. Jako pale zastosoano duteoniki 60 mm o długości 9,5 m osadzone otorach iertniczych. Zostały one osadzone,50 m poniŝej projektoanego dna ykopu arstie mułoca/iłoca. Rozsta pali ynosił,5 m. Opinkę stanoiły 445

2 deski o grubości 50 mm. Zakotienie pali przeidziano na trzech poziomach goździami z pręta staloego o średnicy 25 mm. Goździe zostały zamocoane przez przyspaanie z boku duteonika. Rozsta goździ ynosił,50 m, a ich długość 0 m na pierszym poziomie (-,5 m), 8 m na drugim poziomie (-3,5 m) i 6 m na trzecim poziomie (-5,5 m). Trzeciego poziomu goździ nie zdąŝono ykonać, gdyŝ nastąpiło zeranie 3 goździ (2 na poziomie drugim i na poziomie pierszym). Dodatkoym zmocnieniem był poziomy oczep na ysokości górnego poziomu goździ z ceonikó mm ułoŝonych na płask. Rys.. Konstrukcja ściany berlińskiej po aarii. RóŜne sposoby mocoania oczepu i goździ 2. Charakterystyka arunkó geologicznych Teren, na którym proadzona jest budoa znajduje się na obszarze pogórniczym zlikidoanej kopalni gdzie eksploatację górniczą pokładó ęgla zakończono na początku XX ieku. Eksploatacja pokładu do głębokości około 230 m, którego ychodnie stierdzono ykopie pod budynek proadzona była latach Granica płytkiej eksploatacji (proadzonej do głębokości 00 m) ystępuje na północ od omaianego terenu odległości około 350 m. Warsty karbonu zapadają kierunku południoo - zachodnim (SSW), pod kątem Szerokość strefy dyslokacyjnej ynosi, co najmniej 60 m. Budoa geologiczna podłoŝa jest skomplikoana z uagi na ystępujące tu zaburzenia ziązane z tektoniką nieciągłą. Profil geologiczny podłoŝa torzą: nasypy niebudolane, utory plejstoceńskie, 446

3 utory zietrzelinoe skał karbońskich, ęgiel kamienny, utory karbońskie, Budoę geologiczną rejonu skarpy przedstaiono na rysunku 2. Rys. 2. Przekrój geologiczny zdłuŝ omaianej skarpy Wyraźnie idoczne nieciągłości arst ęgla, skazują, Ŝe obszar jest zaangaŝoany tektonicznie. Wykonanie głębokiego ykopu (otartego) pooduje odciąŝenie i yołuje przemieszczenia. Przy niekorzystnym układzie upadu arst oraz drgań yołanych ruchem samochodoym naleŝało szczególnie starannie analizoać stateczność skarp. W podłoŝu analizoanego terenu stierdzono jeden poziom ód gruntoych ziązanych z przypoierzchnioą serią piaskó zalegających pod arstą nasypó oraz lokalnie soczekach gruntó spoistych. Ten czartorzędoy poziom ód gruntoych charakteryzuje się zierciadłem sobodnym i zasilany jest poprzez infiltrację z ód opadoych. Poziom ten zaleŝności od miejsca ystępoania stabilizuje się na głębokości od 0,3 do 3,6 m. Zierciadło ody tego poziomu ystępujące soczekach gruntó niespoistych, charakteryzuje się zierciadłem napiętym i stabilizuje się na głębokości od 0,8 do 3,6 m. W badanym podłoŝu ystępuje rónieŝ drugi poziom odny - poziom karboński, ziązany głónie z łaicami piaskocó. Wody tego poziomu mają generalnie charakter zierciadła sobodnego i stabilizują się na głębokości od,4 do 6,7 m. Poziom ten zasilany jest odami pochodzenia opadoego infiltrującymi z pierszego poziomu odonośnego (neogeńskiego). 3. Charakterystyka arst geotechnicznych W zakresie oddziałyań ykopó i obiektó głóny udział budoie podłoŝa mają trzy arsty geotechniczne. Według dokumentacji geotechnicznej ich charakterystyka jest następująca: Warsta gruntó plejstoceńskich grunty róŝne litologicznie od pyłó i glin piaszczystych po gliny pylaste zięzłe Są to grunty stanie tardoplastycznym, dla których 447

4 przyjęto stopień plastyczności I L = 0,2. Oznaczone dla tej arsty artości charakterystyczne parametró geotechnicznych ynoszą : γ = 20,5 kn/m 3 c = 3-4 kpa φ = Warsta zietrzelin karbońskich - grunty zietrzelinoe utoró karbońskich z domieszkami okruchó iłoca, piaskoca i kładek ęgla. Grunty te o konsystencji półzartej i tardoplastycznej, o średnim stopniu plastyczności I L = 0,05 zalegają ciągłą arstą, o grubości od 0,4 m do 0,0m. Wartości charakterystyczne parametró geotechnicznych: γ = 20 kn/m 3 c = 0-4 kpa φ = Warsta gruntó skalistych - to skały karbońskie, charakteryzujące się dość jednorodnym ykształceniem litologicznym. Torzą ją mułoce, iłoce, lokalnie zaierające laminy ęgla oraz piaskoce drobno i średnioziarniste, słabozięzłe. Skały te określa się jako miękkie. Wśród gruntó karbońskich przeaŝający udział budoie mają grunty skaliste, ykształcone postaci słabozięzłych piaskocó, mułocó i iłocó. Są to grunty o dobrej nośności i nieielkiej odkształcalności, nadające się do bezpośredniego posadoienia. W ich stropie zalegają grunty zietrzelinoe o zróŝnicoanej miąŝszości od 0,4 m do 0,0 m. Zietrzeliny przybierają postać zajemnie przearstiających się glin, glin pylastych i pyłó piaszczystych, glin pylastych zięzłych i iłó oraz lokalnie piaskó drobnych i pylastych z domieszkami glin i pyłó. Grunty zaliczone do tych arst charakteryzujące się dość dobrą nośnością i małą ściśliością, stanoią dość dobre podłoŝe budolane i nadają się do bezpośredniego posadoienia. Wśród arst karbońskich ystępują pokłady ęgla kamiennego. Węgiel (skała miękka) jest bardzo podatny na spękania i postaanie nim luster tektonicznych. 4. Analiza stateczności skarp Projekt ykonaczy obiektu przeidyał zabezpieczenie skarpy jedynie poprzez jej odpoiednie nachylenie. Roziązanie to oparto na danych geologicznych pochodzących z otoró znajdujących się m od kraędzi skarpy. Profile otoró sugeroały, Ŝe rejonie skarpy pod nieielkim nadkładem nasypó antropogenicznych i gruntó neogeńskich ystępują piaskoce i mułoce karbońskie. Postanie osuiska poinno być sygnałem do pononej analizy arunkó geotechnicznych rejonie skarpy. Noych badań nie ykonano, a po usypaniu przypory i zasypaniu niszy osuiskoej ykonano ścianę berlińską. JeŜeli postanie osuiska nie było ystarczającym sygnałem do analizy arunkó geotechnicznych to, co nim mogło być? Niedostosoanie rozmieszczenia i liczby badań do skomplikoania budoy geologicznej pooduje, Ŝe yniki ierceń nie zasze ystarczająco dokładnie pozalają określić budoę geologiczną podłoŝa. Dokładniej budoę geologiczną rejonu skarpy zdłuŝ ulicy rozpoznano dopiero po aarii ściany berlińskiej. Wykonano tym celu 7 otoró, z czego 5 przed kraędzią jezdni oraz da po jej północnej stronie. Z badań uzupełniających ynika, Ŝe skarpę budują utory plejstoceńskie o miąŝszości 2,5-4,0 m, pod którymi zalegają karbońskie utory zietrzelinoe. Wśród osadó karbonu ystępuje praie metroej grubości arsta ęgla. Pokład ęgla jest nachylony kierunku ykopu. We 448

5 cześniejszych ierceniach ęgla tym rejonie nie stierdzono. Badania sejsmiczne ykonane po aarii ścianki berlińskiej ykazały, Ŝe podłoŝe gruntoe miejscu postałego osuiska zostało naruszone do głębokości około 6 m ppt. Wartość ta jest zbliŝona do głębokości poierzchni poślizgu obseroanej po postaniu osuiska. Na rysunku 3 przedstaiono yniki profiloania sejsmicznego metodą płytkiej refrakcji. Zaznaczono na nim rónieŝ yinterpretoane strefy naruszenia podłoŝa przez osuisko na róŝnych głębokościach. Rys. 3. Wyniki profiloania sejsmicznego zasięg i głębokość osuiska Wykorzystując noe dane o budoie geologicznej podłoŝa rejonie skarpy przeproadzono obliczenia stateczności. Wyniki obliczeń potierdzają obseracje terenoe zaróno, co kształtu jak i zasięgu poierzchni poślizgu. Porónanie przebiegu poślizgu terenie z kształtem i zasięgiem poierzchni obliczenioej pozala na stierdzenie, arstą poślizgoą był ęgiel kamienny. W yniku obliczeń ustalono, Ŝe juŝ przy kącie tarcia enętrznego φ = 0 0 i spójności c = 5 kpa spółczynnik stanu rónoagi (F) jest mniejszy od. W niniejszym tekście spółczynnik stanu rónoagi (F) oznacza stosunek sił utrzymujących do sił zsuających skarpie. Odrotność artości F określa się jako skaźnik stanu rónoagi (µ max ). W strefach spękań tektonicznych a szczególności na poierzchniach luster tektonicznych artości parametró geotechnicznych spadają praktycznie do zera. Dodatkoym elementem sprzyjającym postaniu osuiska jest obecność ody gruntoej. Wystarczyły nieielkie opady, aby poierzchnie nieciągłości nasyciły się odą stanoiącą smar znakomicie ułatiający poślizg między arstami. Wyniki obliczeń skarpy niezabezpieczonej ykazują małą artość spółczynnika stanu rónoagi od 0,7 do 0,86 zaleŝności od połoŝenia zierciadła ody. Skarpa kształcie przed podparciem - przy istniejących arunkach geotechnicznych jest 449

6 niestateczna. Osuisko, które postało nie poinno być zaskoczeniem. Zabezpieczenie skarpy za pomocą ściany berlińskiej edług pierszego projektu praktycznie nie popraiło stateczności. Współczynnik stanu rónoagi uzględniający 3 rzędó goździ ynosi 0,9 przy załoŝeniu, Ŝe poziom ody gruntoej został dostatecznie obniŝony. Przykład obliczeń przedstaiono na rysunku 4. Obliczenia stateczności całej skarpy podpartej ścianą berlińską skazują, Ŝe ściana po ykonaniu dóch poziomó zakotień znajdoała się stanie rónoagi chiejnej przy F =, Soil ϕ c γ [ ] [kn/m ] [kn/mł] Designation nasyp niebudolany gliny pylaste zietrzeliny karbonu ęgiel kamienny mułoce i iłoce piaskoce Metoda Bishopa Wyniki obliczeń µ m ax =.0 x m = m y m = m R = 8.23 m pv = Soil nail S oil 3/t:8.0/t2: nail 3/t:8.0/t2: / Soil nail Soil 2/t:0.0/t2:0.0/29.2 nail Współczynnik stanu rónoagi F = 0, Soil nail /t:3. 0/t2: Rys. 4. Wyniki obliczeń stateczności skarpy zabezpieczonej ścianą berlińską Wykonane zabezpieczenie okazało się nieystarczające. Część pali uległa odkształceniom i cała ściana ulegała systematycznym przemieszczeniom kierunku ykopu. Stało się oczyiste, Ŝe arunki geotechniczne muszą być inne niŝ przyjęto projekcie zabezpieczenia ykopu a ykonana obudoa nie była stanie przenieść parcia gruntu. 5. Zabezpieczenie skarpy po aarii skarpy berlińskiej Po szczegółoej analizie arunkó geotechnicznych ykonanych przez ITB ustalono, Ŝe optymalnym roziązaniem będzie budoa noej ściany berlińskiej. Noa obudoa skarpy została ykonana bezpośrednio przed istniejącą ścianka berlińską jako zakotiona konstrukcja podpierająca. Pale ścianki berlińskiej zostały ykonane z duteonikó IPE360 o długości m. Rozsta pali 2,50 m. Przestrzeń między palami noej a opinką starej ściany berlińskiej rozparto klinami drenianymi oraz ypełniono gruntem. Odległość między starą ścianą a noo ykonaną ynikała z technicznych moŝliości ykonania odiertu pod pale IPE360. Pale noe ykonano pomiędzy istniejącymi IPE60. Rzeczyisty rozsta był dopasoany do istniejącego, który ahał się od 20 do 60 cm. Opinkę drenianą stanoiły dreniane bale o grubości 0 cm. Obliczenia stateczności 450

7 skarpy podpartej z uŝyciem dóch rzędó kote zgodnie z projektem ITB przedstaia rysunek Soil ϕ c γ [ ] [kn/m ] [kn/mł] Designation nasyp niebudolany gliny pylaste zietrzeliny karbonu ęgiel kamienny mułoce i iłoce piaskoce Metoda Bishopa Wyniki obliczeń µ m ax = 0.62 x m = -.6 m y m = m R = 9.89 m pv = Współczynnik stanu rónoagi F =,6 265 Anchor /20 (g) 260 Anchor 2/20 (g) Rys. 5. Wyniki obliczeń stateczności skarpy podpartej noą ścianą berlińską Kotienie pali ykonano za pomocą koti systemoych o długości 20 m. Część olna 2 m a bułaa 8 m. Kąt nachylenia kote ynosi 20 0 stosunku do poziomu. Wymagana Przyjęto rónieŝ załoŝenie, Ŝe koty noej ściany muszą być zamocoane poza zasięgiem osuiska i strefy rozluźnionej. Cała konstrukcja (obudoa) stanoi tymczasoe zabezpieczenie ykopu do czasu ykonania kondygnacji podziemnych i zasypek. Z uagi na postałe przemieszczenia skarpy za istniejącą obudoą do projektu noej ściany przyjęto parametry zredukoane. Dla łaściej pracy noej ściany berlińskiej konieczne było obniŝenie zierciadła ody do poziomu poniŝej dna ykopu. Dla zapenienia praidłoej redystrybucji napręŝeń pomiędzy poszczególnymi palami kaŝdy poziom kotienia był zmocniony belkami oczepoymi. Oczep składał z dóch ceonikó 220. Zabezpieczenie skarpy ścianą berlińską pozoliło na realizację budoy. 7. Podsumoanie Rozpoznanie budoy geologicznej i arunkó geotechnicznych podłoŝa problemach stateczności skarp musi być staranne. Problemy stateczności naleŝą do 3. kategorii geotechnicznej. Zadania tej kategorii poinny realizoać nie przypadkoe osoby, ale z duŝym dośiadczeniem geotechnicznym. Omóiony przykład ykazuje jak aŝną rolę spełnia łaście rozpoznanie arunkó geologiczno inŝynierskich i geotechnicznych. NaleŜy podkreślić, Ŝe skarpa ykopu znajdoała się bardzo blisko drogi o duŝym natęŝeniu cięŝkiego ruchu samochodoego. 45

8 Brak spółpracy między nadzorem geotechnicznym a projektantami spoodoał niepraidłoe określenie stateczności skarpy, postanie osuiska a konsekencji błędne zaprojektoanie pierszej ściany berlińskiej i kolejną aarię. Fakt, Ŝe nie doszło do katastrofy budolanej naleŝy przypisać yłącznie zbiegoi okoliczności. W trakcie ykonyania ykopó naleŝy bezzględnie spradzać zgodność rzeczyistych arunkó geotechnicznych z określonymi dokumentacji. Za przyczynę pierszej aarii skarpy i postania osuiska naleŝy uznać brak iarygodnych danych geologicznych i geotechnicznych ze strefy oddziałyania skarpy ykopu a konsekencji zły projekt zabezpieczenia skarpy ykopu. Druga aaria była skutkiem błędó projektoych i ykonaczych. Wykonanie projektu zabezpieczenia ścianą berlińską a następstie jego realizacja bez analizy przyczyn postania osuiska było błędem merytorycznym. Literatura. Dokumentacje i ekspertyzy ykonane przed rozpoczęciem budoy oraz postałe trakcie zabezpieczania skarpy ykopu. 452