Ekran sztywno-podatny jako sposób ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych

Transkrypt

1 Tomasz Niemiec MPL Katowice sp. z o. o. Katowice Ekran sztywno-podatny jako sposób ochrony obiektów budowlanych na terenach górniczych Podano zastosowany w praktyce sposób ochrony obiektów budowlanych przed podtopieniem w lokalnej, poeksploatacyjnej niecce bezodpływowej, dzięki wykonaniu drenażu wgłębnego. Zastosowanie materiału ściśliwego jako jego wypełnienie, kompensuje występujące w podłożu obiektu spełzania powodowane eksploatacją górniczą. Wobec intensyfikacji wpływów w ostatnim czasie, zaproponowano konstrukcję sztywno- podatną ekranów ochronnych, na którą składa się sztywna pozioma kratownica żelbetowa, oparta na palach pionowych oraz przyległy do niej wykop wypełniony materiałem ściśliwym transzeja podatna. 1. Deformacje powierzchni terenu Skutki eksploatacji górniczej na powierzchni terenu ujawniają się jakościowo w zasadzie tak samo. Kształtuje się niecka poeksploatacyjna, w której poszczególne punkty przemieszczają się w przestrzeni. Z oczywistych powodów podlegają one jedynie obniżeniom, ale składowe poziome wektora ruchu mogą mieć różne wartości, często o przeciwnych znakach. W określonym czasie od początku do zakończenia eksploatacji ruch punktu można opisać przestrzennym wektorem o zmiennej długości i zmiennej orientacji. Skala zjawiska moderowana jest głównie grubością wybieranego złoża oraz głębokością eksploatacji. Istotny wpływ ma tu także prędkość postępu frontu eksploatacyjnego i właściwości górotworu. Gdy wpływy eksploatacji są szczególnie intensywne, powstają na powierzchni terenu deformacje nieciągłe; szczeliny, stopnie, zapadliska itp. Deformacja powierzchni, opisywana różnymi tak zwanymi wskaźnikami, wpływa na obiekty powierzchniowe w sposób zróżnicowany; obniżenie terenu spowoduje podtopienie, przesunięcie poziome wyboczy obiekt prostoliniowy (np. tor), nierównomierne obniżenia wywołają pochylenia budowli, przyłożenie do obiektu różnych wektorów przemieszczeń, skutkuje wystąpieniem sił ściskających bądź rozciągających. Na fot. 1 pokazano skutki wywołane przez siły ściskające jako skutek eksploatacji górniczej. W miejscu zruszenia pierwotnych własności gruntu po wykonaniu kanalizacji, nastąpiło wypiętrzenie krawężników na wysokość około 0.48 m. Z zależności występujących w trójkącie prostokątnym, oszacować można różnicę wektorów składowej poziomej przemieszczeń na wartość około 0.15 m (rys. 1). H=0.48 m L1=1.5 m L2=1.6 m DL=-0.15 m 1

2 Fot. 1. Deformacje terenu o naruszonej strukturze gruntu L ( L 1 L 2 ) ( L1 L2 ) 2 H H L L1 1 1 L L1 L2 2 Rys. 1. Schemat obliczania zmian długości odcinków na terenach górniczych 2. Drenaż wgłębny W latach 80. XX. wieku, w związku z wysokim wydobyciem węgla kamiennego w polskich kopalniach, często zwiększano eksploatację systemem z zawałem stropu, kosztem systemów z podsadzką hydrauliczną bądź kamienną. Taka polityka skutkowała wprawdzie zmniejszeniem kosztów wydobycia, powodowała jednak znaczne uszkodzenia ukształtowanej pierwotnie powierzchni terenu i obiektów na niej posadowionych; budowli oraz infrastruktury. Z podobnym problemem intensyfikacji szkód górniczych - spotkała się kopalnia Moszczenica. 2

3 1 zalewisko w 1983 roku 1a zasięg zbiornika retencyjnego 2 zasięg przewidywanego zalewiska 3 groble wykonane w 1983 roku 4 drenaż wgłębny 5 punkty obserwacyjne 6 ulica Moszczeńska 7a, 7b zastawki 8 rząpie 9 stacja pomp 10 rurociąg 11 rów Mszański III A szkoła B - budynek nachylony 120 mm/m C budynek nachylony 80 mm/m Rys. 2. Szkic rozmieszczenia parcel eksploatacyjnych i ekranów ochronnych W rejonie ulicy Moszczeńskiej w Mszanie, biegnącej południkowo (rys. 2), eksploatacja górnicza prowadzona była od roku Do 1983 roku spowodowała ona znaczne deformacje terenu, o czym świadczy obniżenie jezdni dochodzące do 5 metrów (rys. 3). Rys. 3. Wykres zmian wysokości ulicy Moszczeńskiej Obszar deformacji rozciągał się około 200 m na wschód i około 300 m na zachód od wspomnianej ulicy. W zasięgu wpływów znalazły się następujące obiekty: rzeka Szotkówka odprowadzająca wody w kierunku południowym do rzeki Olzy, rów Mszański, odprowadzający na wschód wody z lokalnej zlewni do rzeki Szotkówki, tor PTKiGK wraz z mostem nad Szotkówką, ulica Moszczeńska w Mszanie, rurociągi biegnące wzdłuż ulicy; wody pitnej Φ100 mm oraz dwa wody przemysłowej Φ200 mm, gazociągi Φ400 mm i Φ500 mm po wschodniej i zachodniej stronie ulicy, ponad 40 obiektów budowlanych głównie budynków mieszkalnych jednorodzinnych (w tym szkoła z 1910 roku). Skutki dokonanej w okresie eksploatacji górniczej, spowodowały następujące przeobrażenia powierzchni terenu i obiektów: wystąpienie lokalnego zalewiska na zachód od ulicy Moszczeńskiej, jako superpozycja niecki obniżeniowej wywołanej eksploatacją górniczą i powierzchnią pierwotnego ukształtowania terenu, podniesienie poziomu wody gruntowej, szczególnie odczuwalne wzdłuż rowu Mszańskiego III (skutek obniżenia powierzchni terenu i zbliżenia jej do poziomu wód gruntowych), pochylenia obiektów budowlanych na skłonach niecki obniżeniowej, osiągające wartości 120 mm/m. Dalsza planowana eksploatacja górnicza ścian nr 19 i 44 w pokładzie 416/3 spotęgować mogła niekorzystne skutki, a mianowicie: powiększyć istniejące zalewisko 1 do rozmiarów 2, obejmujące swym zasięgiem odcinek ulicy Moszczeńskiej oraz liczne domy wzdłuż tej ulicy. W celu likwidacji tego zagrożenia przedsięwzięto następujące czynności [1]: A. Wykonano groblę 3 w poprzek rowu Mszańskiego na wysokość zapewniającą gromadzenie się wody deszczowej z lokalnej zlewni. Utworzono w ten sposób zbiornik retencyjny 1a. Zastawką 7a w grobli 3 regulować można wypływ wody do rowu Mszańskiego. 3

4 B. Wykonano w ciągu rowu rząpie 8 (zbiornik), po wschodniej stronie ulicy Moszczeńskiej, aby gromadzącą się w nim wodę można było pompować za pomocą stacji pomp 9, ponieważ spodziewane wpływy eksploatacji górniczej uniemożliwiłyby odprowadzanie tym rowem wody w sposób grawitacyjny do rzeki Szotkówki, C. Wybudowano stację pomp 9 wraz z rurociągiem 10, celem odprowadzania wody do rzeki Szotkówki. System odwadniania, na który składa się zbiornik retencyjny 1a z zastawką 7a oraz stacja pomp 9 rząpiem 8, winien działać w sposób skoordynowany; w okresach suszy zbiornik retencyjny powinien posiadać jak najmniej wody, by móc gromadzić jej nadmiar, podczas opadów. D. Wokół wszystkich budynków, po wschodniej stronie ulicy, wykonano tak zwane ekrany ochronne 4 - czyli drenaż wgłębny; wykop o szerokości 60 cm i głębokości poniżej posadowienia budynków (około 1.2 m). Dno wykopów wyprofilowano ze spadkiem hydraulicznym w kierunku rząpia 8. Na dnie ułożono rurki drenarskie, a wykopy zasypano żużlem o dużej granulacji. Powstałe w ten sposób ekrany ochronne spełniają funkcję odwadniającą teren i posadowione na nim budynki, dzięki lokalnemu obniżeniu poziomu wód gruntowych oraz kompensują odkształcenia poziome terenu zwłaszcza ściskające powodowane wpływami eksploatacji górniczej. Efekt kompensacji jest tutaj funkcją szerokości wykopu oraz ściśliwości użytego materiału wypełniającego wykop (żużlu). Dla zbadania efektu kompensacji, założono sieć ponad 100 punktów geodezyjnych. Wokół każdego budynku otoczonego ekranem ochronnym zastabilizowano 16 punktów według schematu pokazanego na rys. 4 i 5. Rys. 4. Rozmieszczenie punktów obserwacyjnych. Szkic punktu obserwacyjnego ziemnego 3. Obserwacje procesu deformacji Obserwacje geodezyjne polegały na określaniu wysokości punktów oraz pomiarze ich wzajemnych odległości równolegle do wszystkich ścian budynku. Uzyskano przez to szereg linii obserwacyjnych, na których można było przeprowadzić interpretację wydłużeń względnych (odkształceń poziomych) rys. 5. 4

5 Rys. 5. Rozmieszczenie linii obserwacyjnych Rys. 6. Rezultaty pomiarów - zmiany odkształceń w czasie po osi NS (40-45 bok przy budynku, 37-E-40 i 45-E-48 boki przecięte ekranami, suma boków) Sieć punktów obserwacyjnych stanowiły punkty ziemne; stalowe pręty o długości 1.5 m, pionowo zastabilizowane w gruncie. Dolna część pręta zakotwiczona była w korku betonowym, górną część chroni betonowy kołnierz (rys. 4). Z całego zbioru obserwacji zmian odkształceń poziomych, w tabeli 1 przedstawiono dotyczące boków (obok budynku) oraz (obejmuje budynek i dwukrotnie przecięty jest ekranem). Odkształcenia pomierzone na długim boku utożsamiać można z odkształceniami panującymi w gruncie, a wywołanymi eksploatacją górniczą. Natomiast odkształcenia na krótkim boku obok budynku są wyraźnie mniejsze, co najmniej z dwóch powodów: 1 - dzięki przerwaniu ciągłości gruntu ekranami ochronnymi, 2 - dzięki sztywności budynku posadowionemu w deformującym się podłożu ε (40-45) [mm/m] ε (37-48) [mm/m] Współczynnik redukujący Tabela 1 Współczynnik redukujący, określony jest tutaj jako iloraz odkształceń pomierzonych na boku obok budynku do odkształceń na boku obejmującym dwa ekrany ochronne. Jego wartość waha się od 0.58 do Świadczy to o redukcji odkształceń poziomych ściskających co najmniej o połowę. 4. Ilustracja wykonanych przedsięwzięć inżynierskich Załączone poniżej fotografie ilustrują wykonane przedsięwzięcia inżynierskie. Widoczne tam oznaczenia liczbowe przedstawiają: 1. ekran ochronny wykop wypełniony żużlem, na jego dnie ułożone sączki drenarskie - pełni rolę odwadniającą (wytwarza lej depresji) oraz kompensuje naprężenia występujące w gruncie dzięki ściśliwości żużlu, 5

6 2. zalewisko poeksploatacyjne, 3. grobla usypana równolegle do ulicy Moszczeńskiej powoduje utworzenie zbiornika retencyjnego, który gromadzi gwałtowne dopływy wody opadowej, 4. rząpie zbiornik akumulujący wody przy stacji pomp, 5. piezometr studzienka rewizyjna do obserwacji poziomu wody w leju depresji, 6. wylot rurek drenarskich z ekranów ochronnych, 7. budynek stacji pomp, 8. rów Mszański III, 9. rurociąg odprowadzający wodę ze stacji pomp do rzeki Szotkówki, 10. rzeka Szotkówka, 11. zastawka zapobiegająca wdarciu wody z rzeki Szotkówki, 12. wał przeciwpowodziowy rzeki Szotkówki, 13. odcinek rowu Mszańskiego III przy zbiorniku akumulacyjnym - rząpiu, 14. droga dojazdowa do budynków, 15. jaz zastawka w wale zbiornika retencyjnego. Fot.2. Zalewisko poeksploatacyjne (2) zbiornik retencyjny ograniczony groblą (3) 6

7 Fot. 3. Widok na groblę (3), za którą znajduje się zbiornik retencyjny (2). Z prawej odcinek rowu Mszańskiego III (13) prowadzący wodę do zbiornika - rząpia przy stacji pomp (7). Dopływ wody regulowany jazem (15) 14 Fot. 4. Wykonywanie zbiornika - rząpia (4) przy stacji pomp, z którego woda napływająca ze zbiornika retencyjnego (2) i ekranów, odprowadzana jest za pomocą stacji pomp rurociągiem do Szotkówki. W głębi grobla (3) zbiornika retencyjnego 7

8 6 6 Fot. 5. Stacja pomp (7) ze zbiornikiem - rząpiem (4). W głębi rów Mszański III (8) oraz rurociąg (9) odprowadzający wodę do Szotkówki. Wylot rurek drenarskich (6) Fot. 6. Ekran ochronny (1) wykop wypełniony żużlem, sączki drenarskie na dnie odprowadza wodę gruntową z otoczenia budynku oraz kompensuje odkształcenia względne poziome 8

9 Fot. 7. Ekran ochronny przykryty glebą, studzienka rewizyjna - piezometr (5) 5. Koncepcja ochrony budowli za pomocą ekranów sztywno-podatnych W rozdziałach 2 i 3 podano przykłady kompensacji przemieszczeń poziomych ściskających. Transzeja w gruncie, wypełniona materiałem ściśliwym, może być skuteczną ochroną przed spełzaniem podłoża budowlanego (odkształceniem ściskającym). Co jednak zrobić ze zjawiskiem przeciwnym czyli rozpełzaniem podłoża (odkształceniem rozciągającym)? Prawidłowo wykonana budowla powinna znieść występujące zazwyczaj na terenach górniczych rozciągania. Fakt ten nie zwalnia jednak przed chęcią poszukiwania rozwiązań minimalizujących deformacje ściskające. Sposobem zabezpieczenia będzie tu wykonanie wokół budowli palisady z pali pionowych usytuowanych w formie zygzaku i połączonych ze sobą w górnej, przypowierzchniowej części za pomocą poziomych belek żelbetowych (rys. 7). Dla lepszego przenoszenia sił poziomych, korzystnym kształtem palisady jest ułożenie pali w kształt zygzaku. Wewnątrz takiej palisady utworzona zostaje enklawa, zachowująca w miarę pierwotny rozkład naprężeń wokół obiektu. Wykonana w bezpośrednim sąsiedztwie transzeja gruntowa, wypełniona materiałem ściśliwym (np. żużlem), tworzy wraz z palisadą ekran ochronny sztywno-podatny. W uzasadnionych przypadkach, w miejsce ciągłej transzei, wykonać można perforację gruntu otworami o średnicy paru decymetrów. W trakcie wygłaszania referatu [2] A. Sroka użył stwierdzenia (cytat z pamięci), że jedynym skutecznym sposobem ochrony obiektów przed szkodami, jest otoczenie go wykopem, który także chroni przed deformacjami nieciągłymi typu liniowego, ponieważ deformacje te, zagrażające budowli, rozchodzą się wzdłuż sztucznie wykonanych nieciągłości w gruncie. Na zlecenie Kompanii Węglowej S.A. Centrum Wydobywczego Południe, autor otrzymał zlecenie na opracowanie i wdrożenie koncepcji ochrony obiektów budowlanych na terenach podlegających spełzaniu i rozpełzaniu podłoża. Dla konkretnego obiektu budowlanego opracowano projekt techniczny (rys. 8) oparty na założeniu ideowym (rys. 7). Skuteczność rozwiązania obserwowana będzie na sieci punktów geodezyjnych rozmieszczonych na budynku i w gruncie (rys. 8). 1. obiekt budowlany 2. ława fundamentowa 3. głębokość posadowienia budynku 4. pal w gruncie 5. głębokość posadowienia pala 6. zbrojenie pala 7. kotwa w palu 8. głowica pala 9. belka pozioma łącząca pale 10. belka łącząca pale 11. zbrojenie belki 12. transzeja w gruncie 13. perforacja gruntu otworami 14. materiał ściśliwy 15. warstwa nawierzchniowa 9

10 Rys. 7a. Schemat ideowy ekranów ochronnych Rys. 7b. Schemat ideowy ekranów ochronnych 10

11 Rys. 8. Projekt ekranów ochronnych dla budynku przy ul. Wiśniowej 40 Obiekt budowlany (budynek) posadowiony w gruncie, posiada ławy fundamentowe lub płytę, odpowiednio zbrojone stalą. Głębokość posadowienia jest zazwyczaj funkcją przemarzania gruntu w danych warunkach klimatycznych. Pale palisady, zbrojone stalą, wykonywać należy na głębokość większą niż posadowienie budynku. Fot. 8. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku 11

12 Fot.9. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku Fot.10. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku 12

13 Fot.11. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku Rys.9. Kratownica żelbetowa na palach, jako fundament dla placu manewrowego samochodów ciężarowych 13

14 PALE Fot.12. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku Fot.13. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku 14

15 Fot.14. Przykład wykonania ekranów w 2008 roku Fot.15. Płyty klamrowane, ułożone na kratownicy na palach 15

16 Fot. 16. Płyty w systemie klamrowania PTL [3] 16

17 6. Podsumowanie i wnioski Konieczność ochrony obiektów powierzchniowych przed deformacjami powodowanymi eksploatacją górnicza jest oczywista. Jednym ze sposobów profilaktyki budowlanej jest wzmacnianie budowli w trakcie ich realizacji lub poprzez kotwienie już istniejących. Przedstawiono zastosowany w praktyce i proponowany, zmodyfikowany sposób profilaktyki obiektów budowlanych: 1) Za pomocą sieci drenażu wgłębnego wytworzono lej depresji, co obniżyło poziom wód gruntowych i zapobiegło powstaniu zalewiska poeksploatacyjnego. 2) Zastosowano materiał ściśliwy oraz przepuszczający wodę (żużel) jako wypełnienie wykopu, co dało efekt kompensacji odkształceń ściskających. 3) Zaproponowano oryginale rozwiązanie ekran sztywno-podatny. Idea rozwiązania polega na wykonaniu transzei wykopu otaczającego budynek. Wypełnieniem wykopu jest materiał ściśliwy. Jest to ekran podatny kompensujący odkształcenia ściskające. Obok niego bliżej budynku wykonywany jest ekran sztywny, czyli pale pionowe ułożone w zygzak, połączone ze sobą w górnej części żelbetowymi belkami poziomymi. Wewnątrz ekranu sztywnego w otoczeniu budynku zachowany będzie w miarę pierwotny rozkład naprężeń. 4) Ekran ochronny sztywno-podatny winien także skutecznie chronić obiekt przed deformacjami nieciągłymi typu liniowego. 5) Skuteczność ochrony badana będzie na podstawie pomiarów sieci punktów geodezyjnych oraz obserwacji wizualnych budynku i terenu. 7. Literatura [1] Niemiec T., Motyczka A., Radoła W., Goliwąs T,: Ekspertyza w sprawie ustalenia zasięgu spodziewanych zalewisk w rejonie ul. Moszczeńskiej w Mszanie w wyniku projektowanej prze KWK Moszczenica eksploatacji górniczej do roku 1985 wraz z określeniem sposobów minimalizacji ujemnych skutków dla obiektów powierzchniowych. Zespół Rzeczoznawców SITG Ewid. Zlec. Nr 179/83 Katowice 1983 [2] Sroka A.: Problemy wynikające ze zmian technologii eksploatacji we współczesnym górnictwie węgla kamiennego na przykładzie deformacji nieciągłych typu liniowego. Prace Naukowe GIG. Wydanie specjalne Nr V/2007, Katowice 2007 [3] 17