Zabezpieczenie skarpy

Transkrypt

1 prof. ndzw. Pol. Śl. dr hab. inż. Jerzy Sękowski, dr inż. Krzysztof Sternik Katedra Geotechniki Politechniki Śląskiej w Gliwicach Zabezpieczenie skarpy tymczasowego wykopu w sąsiedztwie istniejącej zabudowy W artykule przedstawiono rozwiązanie obejmujące zabezpieczenie skarpy tymczasowego wykopu o głębokości 6 m, wykonanego w sąsiedztwie istniejącej zabudowy miejskiej. Podstawą zrealizowanego rozwiązania była obszerna analiza stateczności skarpy, przeprowadzona z wykorzystaniem metody elementów skończonych, dla różnych wariantów nachylenia skarpy wykopu i przy jej zabezpieczeniu niekotwionymi grodzicami stalowymi. Summary The article presents a solution involving a slope protection of a temporary trench of 6 m depth, dug in the vicinity of existing urban settlement. The basis for the implemented solution was made on extensive slope stability analysis, carried out with the use of the finite element method, for various variants of the excavation slope gradient. Na jednym z osiedli mieszkaniowych w Jastrzębiu-Zdroju, w otoczeniu pięciokondygnacyjnych bloków mieszkalnych, znajduje się dwukondygnacyjny budynek usługowy. Jest on usytuowany u podnóża skarpy ukształtowanej podczas budowy osiedla mieszkaniowego (fot. 1). Wejścia do budynku znajdują się na dwóch poziomach, pomiędzy którymi różnica wynosi ok. 5 m. Komunikacja między zróżnicowanymi poziomami jest zapewniona za pomocą schodów betonowych. Na poziomie niższym przebiega wewnętrzna droga osiedlowa, na wyższym, równolegle do niej i do budynku mieszkalnego znajdującego się powyżej droga spacerowa (fot. 2). Dodajmy jeszcze, że wzdłuż tej ostatniej przebiegają kanał telekomunikacyjny i przewód kanalizacyjny Φ200. W związku z zawilgoceniem ścian pomieszczeń budynku usługowego poniżej poziomu terenu od strony zachodniej zaplanowano remont, którego zasadniczymi elementami miały być wykonanie drenażu opaskowego wokół budynku oraz ogólne uporządkowanie terenu połączone z remontem schodów i chodnika, a także samego obiektu. Budynek usługowy to obiekt niepodpiwniczony, posadowiony od strony wschodniej na głębokości 1,0 m poniżej poziomu przyległego terenu. Wykonanie drenażu po stronie zachodniej budynku wymagało wykonania wykopu do poziomu jego posadowienia. Przy istniejącym zróżnicowaniu terenu wykop ten miałby więc z tej strony głębokość 6,0 m. W tej sytuacji oczywista stała się potrzeba przeanalizowania stateczności skarpy projektowanego wykopu, po naziomie którego mógł się przemieszczać pracujący sprzęt. Analizę stateczności wykonano w kilku wariantach, przy różnym nachyleniu skarp wykopu i obciążeniu naziomu, a także z zastosowaniem zabezpieczenia wykopu za pomocą ścianki szczelnej z grodzic stalowych GZ-4. Warunki gruntowo-wodne Ekspertyza geotechniczna wykonana dla potrzeb projektu przedsięwzięcia (1) określiła rodzaj i stan gruntów budujących podłoże Objaśnienia geologiczne Charakterystyczne wartości parametrów geotechnicznych stratygrafia opis litologiczny nr warstwy ssymbol grupa skonsolidowania stan wilgotność naturalna gęstość objętościowa spójność kąt tarcia wewnętrznego moduł odkształcenia pierwotnego wtórnego cczwartorzęd (plejstocen) I D /I L w n [%] ρ [g/cm 3 ] c u [kpa] φ u [ ] E 0 [MPa] E [MPa] pył II π C 0, , glina, glina piaszczysta III G, Gp B 0, , piasek pylasty IV Pπ 0, , glina pylasta V Gπ B 0, , glina pylasta zwięzła VI Gπz B 0, , piasek drobny, piasek średni VII Pd, Ps 0, , Tab. 1. Zestawienie charakterystyk warstw gruntowych podłoża 24

2 Rys. 1. Przekrój geotechniczny podłoża z naniesionym poziomem posadowienia budynku usługowego Rys. 2. Analizowane warianty wykonania i zabezpieczenia wykopu w obrębie rozważanego terenu oraz charakter i miejsca występowania wód gruntowych. Rozmieszczenie otworów badawczych pokazano na rys. 3. W dokumentacji geotechnicznej wyróżniono 7 warstw gruntowych budujących podłoże. Ich charakterystyki zestawiono w tab. 1. Przekrój geotechniczny przez otwory (rys. 1) pokazuje budowę podłoża w rejonie rozważanego budynku usługowego. Stanowił on podstawę do analizy stateczności skarpy wykopu. Na rys. 1 pokazano także obrys budynku usługowego oraz jego poziom posadowienia. Przekrój ten zaczerpnięto z cytowanej już ekspertyzy geotechnicznej (1). W ekspertyzie tej nie określono parametrów fizykomechanicznych dla pyłu wbudowanego w nasyp. Nasyp w obszarze planowanego wykopu stanowi przypowierzchniową warstwę o miąższości dochodzącej do ok. 2 m. Przy całkowitej głębokości wykopu wynoszącej ok. 6 m ma ona istotny wpływ na stateczność jego skarpy. W celu przeprowadzenia analizy stateczności skarpy wykopu autorzy przyjęli parametry fizykomechaniczne pyłu w stanie plastycznym I L = 0,30 wg PN-81/B przy odpowiadającej mu grupie skonsolidowania C jak niżej: ρ (n) = 2,0 g/cm 3, c u (n) = 13 kpa, φ u (n) = 13, E 0 = 17 MPa Analiza stateczności skarpy wykopu Metoda obliczeniowa Stateczność skarpy wykopu określa się za pomocą wartości współczynnika bezpieczeństwa (2): c Fs = = c 0 tgφ tgφ gdzie: c, φ są rzeczywistymi wartościami spójności i kąta tarcia wewnętrznego charakteryzującymi grunty podłoża, c 0, φ 0 są wartościami parametrów wytrzymałościowych po zredukowaniu, przy których następuje utrata stateczności. Określenie wartości współczynnika bezpieczeństwa może się odbywać w różny sposób. W ostatnich latach coraz powszechniej wykorzystuje się w tym celu metody numeryczne, a zwłaszcza metodę elementów skończonych. Algorytm, w którym następują stopniowe zmniejszanie wartości parametrów wytrzymałościowych i analiza przemieszczeń modelu obciążonej skarpy w programie metody elementów skończonych, aż do utraty stateczności, nazywa się metodą redukcji wytrzymałości na ścinanie (3). Taki algorytm został też zastosowany w obliczeniach stateczności skarpy wykopu przy analizowanym budynku usługowym. 0 [1] 25

3 Fot. 1. Widok budynku usługowego i przyległej skarpy od strony zachodniej Fot. 2. Widok osiedla mieszkaniowego z budynkiem usługowym (A) (www. mapy.google.pl) Rys. 3. Rozmieszczenie geotechnicznych otworów badawczych wokół budynku usługowego Założenia do analizy W analizie rozważano sześć wariantów wykonania wykopu. Wśród nich są trzy warianty nachylenia skarpy, w tym skarpa z naziomem nieobciążonym i obciążonym oraz dwa warianty uwzględniające zabezpieczenie skarpy ścianką szczelną z grodzic stalowych GZ-4. Analizowane schematy pokazano na rys. 2. Przyjęto, że zabezpieczenie skarpy ścianką szczelną będzie miało miejsce przed wykonaniem wykopu. Grodzice miały stanowić element pomocniczy zabezpieczenia skarpy, dlatego przyjęto, że nie będzie ona pionowa, a grodzice wprowadzone zostaną w podłoże przy krawędzi wykopu. Rozwiązanie takie pozwoliło ograniczyć długość grodzic. Stateczność skarpy wykopu zabezpieczonej ścianką sprawdzono dla grodzic o długości 6,0 m oraz 9,5 m. Obciążenie naziomu przyjęto na poziomie 50 kpa, zakładając, że może ono być następstwem pracy sprzętu mechanicznego wykonującego wykop oraz składowania urobku w pobliżu jego krawędzi. W analizach symulowano odprężenie podłoża wykopem. Pełny model geometryczny przed usunięciem części elementów przedstawiono na rys. 4. Poszczególne warstwy gruntów zaznaczone Fot. 3. Widok na budynek usługowy z wykonanym drenażem opaskowym są kolejnymi numerami. Strefa materiałowa nr 8 odpowiada sztywnym bryłom budynków. Do opisu gruntów podłoża zastosowano model sprężysto idealnie plastyczny z powierzchnią zniszczenia Coulomba-Mohra. Wartości parametrów fizykomechanicznych przyjęto zgodnie z charakterystykami z tab. 1. Przyjęto niestowarzyszone prawo płynięcia plastycznego i kąt dylatacji plastycznej ψ = 0 dla wszystkich gruntów. Przykładowy model geometryczny przedstawiający fazę symulacji wykopu dla wariantu skarpy zabezpieczonej ścianką szczelną 2 przedstawia rys

4 Rys. 4. Model MES Strefy materiałowe: 1 nasyp (pył); 2 pył I L = 0,05; 3 glina, glina piaszczysta I L = 0,20; 4 piasek pylasty I D = 0,30; 5 glina pylasta I L = 0,37; 6 glina pylasta zwięzła I L = 0,31; 7 piasek drobny i średni I D = 0,44; 8 konstrukcja budynku Rys. 5. Model skarpy nachylonej pod kątem 60 zabezpieczonej ścianką szczelną o dł. 9,5 m (wariant z rys. 5f) Rys. 6. Rozkład przemieszczeń w fazie utraty stateczności skarpy zabezpieczonej ścianką o dł. 9,5 m ( = 1,45) W modelu MES ściankę szczelną reprezentują elementy belkowe o charakterystyce materiałowej odpowiadającej profilowi grodzicy GZ-4. W modelu zastąpiono rzeczywisty kształt grodzicy przekrojem prostokątnym o grubości wynikającej z wartości wskaźnika na zginanie grodzicy GZ-4 o grubości ścianki 4 mm wynoszącej W x = 43,7 cm 3. Wyniki analiz stateczności W wyniku przeprowadzonych analiz wyznaczono wartości współczynnika bezpieczeństwa charakteryzujące skarpę wykopu dla rozpatrywanych wariantów jej pochylenia i zabezpieczenia ścianką szczelną. Wartości te wynoszą odpowiednio: skarpa o nachyleniu 60 z naziomem nieobciążonym: = 1,40, bez zabezpieczenia: < 1,0 (niestateczna), zabezpieczona ścianką o dł. 6 m: = 1,22, zabezpieczona ścianką o dł. 9,5 m: = 1,45, skarpa o średnim nachyleniu 51 z naziomem obciążonym: = 1,13, 27

5 Rys. 7. Wartości współczynnika bezpieczeństwa uzyskane dla analizowanych schematów skarpy skarpa o średnim nachyleniu 48 z naziomem obciążonym: = 1,15. Wartości współczynnika bezpieczeństwa uzyskane dla poszczególnych schematów zestawione są na rys. 7. W wariancie z zabezpieczoną skarpą przewidywane pole przemieszczeń w fazie utraty stateczności po zredukowaniu parametrów wytrzymałościowych przedstawia rys. 6. Wyniki z przeprowadzonych analiz Według Wiłuna (2) wartość współczynnika bezpieczeństwa, charakteryzującą skarpę stateczną, przyjmuje się w zależności od stosowanej metody obliczeniowej. Rozrzut tych wartości jest duży i waha się w granicach 1,1-1,5. Generalnie uznaje się, że utrata stateczności jest mało prawdopodobna, gdy zawiera się w przedziale od 1,3 do 1,5 (4). Z doświadczeń autorów wynika, że na ogół wartości prognozowane metodą elementów skończonych są niższe niż dopuszczalne (minimalne) określone metodami blokowymi. Zatem można uznać, że dla wykopu tymczasowego wartość współczynnika bezpieczeństwa nie powinna być mniejsza niż 1,2. Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń, zasadniczy wpływ na stateczność skarpy wykopu ma obciążenie jej naziomu przez pracujący tam sprzęt (koparkę) i składowanie urobku. Skarpa o nachyleniu 60 będzie stateczna, gdy naziom nie będzie obciążony ( = 1,40), ale jej dociążenie w pobliżu krawędzi spowoduje obsunięcie się gruntu w górnej części. Złagodzenie nachylenia skarpy poprawia jej stateczność ( = 1,13 1,15), ale zwiększa objętość robót ziemnych. Wartość współczynnika bezpieczeństwa jest w dalszym ciągu mniejsza od sugerowanej = 1,2. Należy również zauważyć, że łagodniejsze formowanie skarpy powoduje powiększenie wykopu w kierunku znajdującego się po stronie zachodniej bloku mieszkalnego. Wpływa to na powstanie potencjalnego zagrożenia obsunięcia się gruntu do wykopu z okolic fundamentów bloku mieszkalnego. Uwaga ta nabiera znaczenia wobec faktu, że ekspertyza geotechniczna (1) wykazała obecność wody w otworach nr 5 i 6 w warstwie piasku pylastego (warstwa IV). Wysięki wody z tej warstwy mogły dodatkowo wpłynąć na pogorszenie parametrów gruntów i obniżenie wartości współczynnika bezpieczeństwa. Wyraźną poprawę bezpieczeństwa przynosi zastosowanie ścianki szczelnej wprowadzonej w skarpę wykopu. Przy długości ścianki 6,0 m, tj. sięgającej od powierzchni terenu do poziomu posadowienia budynku usługowego, wartość współczynnika bezpieczeństwa wynosi = 1,22 i wyraźnie wzrasta przy wydłużeniu ścianki do 9,5 m ( = 1,45). Uzyskane wyniki dowodzą, że zapewnienie stateczności uzyskuje się w dwóch przypadkach: skarpy o nieobciążonym naziomie ( = 1,40), przy ręcznym prowadzeniu robót ziemnych i odwożeniu urobku na odkład w znacznej odległości od wykopu, skarpy zabezpieczonej ścianką szczelną, gdy naziom jest obciążony pracującym sprzętem mechanicznym (koparka). Dodatkową zaletą wbicia grodzic jest co najmniej częściowe odcięcie ewentualnych wód opadowych filtrujących grawitacyjnie do wykopu. Podsumowanie Na podstawie wyników analiz stateczności przedstawionych w niniejszym artykule sformułowano zalecenia dotyczące przeprowadzenia robót ziemnych przy wykonywaniu drenażu opaskowego wokół budynku usługowego. Zaproponowano zabezpieczenie stateczności tymczasowego wykopu przez zabicie grodzic o długości 9,5 m, dopuszczając pracę koparki usytuowanej w odległości 1 m od krawędzi wykopu. Autorzy zalecili również geodezyjną kontrolę przemieszczeń zarówno budynku usługowego, jak i bloku mieszkalnego znajdującego się w jego sąsiedztwie. Ostatecznie wykonawca zrealizował zalecaną przez autorów propozycję zabezpieczenia skarpy. Stan prac pomiędzy zakończeniem robót ziemnych a podjęciem prac porządkowych ilustruje fot. 2. Całość prac została pomyślnie wykonana, a ich efekt w postaci obsypki żwirowej nad drenażem opaskowym od strony zachodniej budynku usługowego pokazano na fot. 3. q Piśmiennictwo 1. Bieniak A., Gajda T.: Ekspertyza geotechniczna dotycząca warunków gruntowo-wodnych w sąsiedztwie budynku usługowego przy ul. Małopolskiej 134 w Jastrzębiu-Zdroju. Racibórz Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ, Warszawa Sanecki L., Truty A., Urbański A.: O możliwościach modelowania komputerowego stateczności złożonych układów geotechnicznych. Mat. XLV Konf. Nauk. KILiW PAN, Krynica 1999, Wrocław Wysokiński L.: Ocena stateczności skarp i zboczy. Instrukcja ITB nr 424/2006, Warszawa