ANALIZA SI WEWN TRZNYCH I PRZEMIESZCZE ROZPIERANEJ CIANY SZCZELINOWEJ

Transkrypt

1 Architectura 12 (4) 2013, ANALIZA SI WEWNTRZNYCH I PRZEMIESZCZE ROZPIERANEJ CIANY SZCZELINOWEJ Tomasz Pasik, Eugeniusz Koda Szkoa Gówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Streszczenie. W pracy przeanalizowano zabezpieczenie gbokiego wykopu w postaci rozpieranej ciany szczelinowej na przykadzie planowanej inwestycji przy ulicy Tamka w Warszawie. Przeprowadzono obliczenia si wewntrznych i przemieszcze z wykorzystaniem metod Bluma i moduu reakcji podoa. Sprawdzono moliwe do wystpienia stany graniczne nonoci i uytkowalnoci. Przeanalizowano take osiadanie powierzchni naziomu i jego wpyw na pobliski obiekt budowlany na podstawie wzorów empirycznych. Sowa kluczowe: gbokie wykopy, ciana szczelinowa, metoda moduu reakcji podoa, wzory empiryczne WSTP Podczas wykonywania ciany szczelinowej nieodcznym zjawiskiem s jej przemieszczenia, które przyczyniaj si równie do osiadania naziomu. Zadanie polegajce na oszacowaniu rodzaju i zasigu przemieszcze powierzchni naziomu jest szczególnie istotne w przypadku gstej zabudowy miejskiej, gdy moe doprowadzi to do uszkodzenia ssiednich obiektów budowlanych i w nastpstwie do wysokich dodatkowych kosztów inwestycji, wynikajcych z roszcze ssiadów [Wysokiski 2007]. W celu przewidzenia nastpstw, wynikajcych z zabezpieczenia planowanego wykopu, zrealizowano nastpujce czynnoci: opracowanie analizowanego przekroju obliczeniowego, wybór metody wykonania i zabezpieczenia wykopu, zaprojektowanie wymiarów geometrycznych konstrukcji, analiza si wewntrznych i przemieszcze z zastosowaniem programu GEO 5 ciana Analiza [FINE 2012] oraz graczno-analitycznej metody Bluma, sprawdzenie warunków statecznoci ciany wykopu z zastosowaniem programu GEO 5 i metod klasycznych, przeprowadzenie oblicze osiadania powierzchni naziomu na podstawie wzorów empirycznych. Adres do korespondencji Corresponding author: Tomasz Pasik, Eugeniusz Koda, Szkoa Gówna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydzia Budownictwa i Inynierii rodowiska, Katedra Geoinynierii, ul. Nowoursynowska 159, Warszawa, pasiktomasz@gmail.com; eugeniusz_koda@sggw.pl

2 122 T. Pasik, E. Koda CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU I ZAKRES BADA Zaplanowano obiekt zabudowy wielorodzinnej zlokalizowanej w Warszawie przy ulicy Tamka, w stree Skarpy Warszawskiej [Bajda i Koda 2013]. Budynek bdzie skada si z 8 kondygnacji nadziemnych w czci wyszej i 5 kondygnacji w czci niszej oraz 2 kondygnacji podziemnych. Na potrzeby projektowania i realizacji wykonano dokumentacj geologiczno-inyniersk [Koda i in. 2012b] na podstawie bada terenowych (rys. 1): 6 wierce badawczych, 4 sondowa CPT, 4 sondowa DMT oraz bada laboratoryjnych (waciwoci zycznych gruntów, ciliwoci w edometrze i wytrzymaoci na cinanie w aparacie trójosiowym). Do analizy pracy ciany szczelinowej wybrano przekrój obliczeniowy pokazany na rysunku 2. W rozpatrywanym podou wydzielono warstwy geotechniczne przedstawione w tabeli 1. W kontekcie projektowania planowanego obiektu, równolegle z rozpoznaniem podoa, przeprowadzono szczegóow inwentaryzacj stanu technicznego najbliszych istniejcych obiektów budowlanych i zaproponowano monitoring przemieszcze w fazie realizacji wykopu i budynku [Koda i in. 2012a]. Rys. 1. Lokalizacja miejsc wierce i sondowa geotechnicznych [Koda i in. 2012b] Fig. 1. Location of drilling and geotechnical tests Acta Sci. Pol.

3 Rys. 2. Przekrój obliczeniowy [Koda i in. 2012b, html] Fig. 2. Calculation cross-section

4 124 T. Pasik, E. Koda Tabela 1. Wydzielone warstwy geotechniczne [Koda i in. 2012b] Table 1. Separate of geotechnical layers Opis wydzielonych warstw geotechnicznych Description of geotechnical layers Warstwa geotechniczna I warstwa iów jeziornych pliocenu, wyksztaconych jako iy i iy pylaste, bezwglanowe. Grunty w stanie twardoplastycznym i pózwartym (stopie plastycznoci I L = 0 0,05, lokalnie I L < 0). Warstwa geotechniczna III zbudowana z piasków rónej granulacji z przeawiceniami piasków gliniastych i pyów. Warstwa ta stanowi przypowierzchniowy, niecigy poziom wodonony. Grunty w stanie rednio zagszczonym (stopie zagszczenia I D = 0,35 0,45). Warstwa geotechniczna IV zbudowana z glin pylastych (deluwialno-koluwialnych), glin piaszczystych i piasków gliniastych z domieszk substancji humusowej. Depozycja tej warstwy przebiegaa prawdopodobnie bardziej intensywnie w obrbie stoka napywowego ulicy Tamka ni w ssiednich strefach podnóa skarpy. W prolu wiercenia obserwowane sczenia wody ze cian otworu. Grunty te s w stanie twardoplastycznym na pograniczu plastycznego (stopie plastycznoci I L = 0,20 0,25). Warstwa geotechniczna V najmodsza z wydzielonych warstw, stanowi j seria gliniastych utworów nasypowych, gruntowo-gruzowych, w przypowierzchniowej stree z humusem, w stanie plastycznym (stopie plastycznoci I L = 0,25 0,35) Parametry gruntu Soil parameters = 21 kn m 3 = 19 o c = 11 kpa = 19,5 kn m 3 = 30 o = 22 kn m 3 = 14 o c =15 kpa = 22 kn m 3 = 14 o c = 10 kpa METODYKA OBLICZE Aby poprawnie zaprojektowa obudow gbokiego wykopu, naley jego wykonanie dokadnie zaplanowa, dzielc roboty na poszczególne fazy, dla których zmieniaj si warunki statyczne. Zaproponowano zabezpieczenie gbokiego wykopu rozporami stalowymi. Prace powinny by wykonane w nastpujcych fazach (rys. 3): I. Wykonanie obudowy z powierzchni terenu w technologii ciany szczelinowej. II. Wykonanie wykopu na gboko 3,8 m. III. Instalacja rozpór na gbokoci 3,4 m. VI. Wykonanie wykopu do gbokoci docelowej 7,55 m. V. Wykonanie pyty dennej oraz stropów kondygnacji podziemnych. VI. Demonta rozpór. W niniejszej pracy analizowano fazy od II do IV, z uwagi na fakt, e s one newralgiczne pod wzgldem analizy statycznej. Przez wiele lat do analizy konstrukcji oporowych uywano zaoenia normy PN-83/B W ostatnich latach dla rozpieranej ciany szczelinowej dodatkowo naley uwzgldnia zalecenia normy Eurokod 7 [PN-EN ,Wysokiski i in. 2011], wedug której przede wszystkim naley sprawdzi warunki statecznoci zestawione w tabeli 2. Jedn z klasycznych metod obliczeniowych do wyznaczania si wewntrznych jest metoda Bluma. Tok postpowania przy obliczaniu t metod dobrze opisuj publikacje akademickie, na przykad Krasiski [2007] lub Pua i inni [1999]. Na rysunku 5 przedstawiono schemat obliczenia analizowanej ciany szczelinowej. Metoda moduu reakcji podoa pozwala na uwzgldnienie w matematyczny sposób wspópracy konstrukcji oporowej z utrzymywanym gruntem, modelujc j jako belk na podou jednoparametrowym Winklera. Acta Sci. Pol.

5 Analiza si wewntrznych i przemieszcze rozpieranej ciany szczelinowej 125 Rys. 3. Fig. 3. Fazy realizacji kondygnacji podziemnych i posadowienia budynku Realization phases of the underground oors and foundation of the building Tabela 2. Stany graniczne nonoci Table 2. The ultimate limit states Opis stanu granicznego Description of ultimate limit states Architectura 12 (4) 2013 Typ stanu wedug Eurokodu 7 Type of states according to EC7 Symbol na rys. 4 Sign in Fig. 4 Nono konstrukcji ciany i elementów podpierajcych STR A Wypitrzenie lub przebicie hydrauliczne HYD, UPL B Utrata nonoci gruntu w wyniku dziaajcych na cian obcie pionowych GEO C Utrata statecznoci na obrót wzgldem punktu podparcia najniszej rozpory EQU D Stateczno ogólna ciany oporowej GEO E

6 126 T. Pasik, E. Koda Rys. 4. Stany graniczne nonoci dla rozpieranej ciany szczelinowej [PN-EN , Ou 2006] Fig. 4. Ultimate limit states for wall protected by struts Zwizki róniczkowe dla belki na sprystym podou s analogiczne jak dla zwykej belki, z wyjtkiem obcienia cigego, które uzupeni naley czonem wynikajcym z odporu podoa r(x): (1) r(x) = b k w(x) (2) gdzie: EJ sztywno belki, b szeroko belki, k wspóczynnik podatnoci podoa, w(x) funkcja ugicia belki, g o funkcja obcienia belki. Istotn sta charakteryzujc wspóprac konstrukcji oporowej z gruntem jest wspóczynnik podatnoci podoa k h [MN m 3 ] wyznaczany najczciej ze wzorów empirycznych opracowywanych przez wielu autorów, przedstawionych m.in. w publikacjach Mitew-Czajewskiej [2005] i Siemieskiej-Lewandowskiej [2010]. Acta Sci. Pol.

7 Rys. 5. Obliczenie statyczne analizowanej ciany metod graczn Bluma Fig. 5. Static calculation of analyzed wall acording to Blum method

8 128 T. Pasik, E. Koda Ze wzgldu na pracochonno rozwizania równania róniczkowego czwartego rzdu posuono si programem komputerowym GEO 5 ciana Analiza [FINE 2012]. Wykresy par, momentów i si tncych przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Rys. 6. Fig. 6. Analiza si wewntrznych i przemieszcze ciany szczelinowej dla fazy II wykopu wedug wzoru Chadeissona [FINE 2012]): Ta parcie aktywne, Tp parcie pasywne, Tk parcie spoczynkowe, Parcie parcie porednie, Przem przemieszczenie, Max M moment zginajcy, Max Q sia tnca Analysis of internal forces and displacements of diaphragm wall for phase II according to Chadeisson formula [FINE 2012]: Ta active earth pressure, Tp passive earth pressure, Tk lateral earth pressure, Parcie indirect earth pressure, Przem displacements, Max M bending moment, Max Q internal shear force Rys. 7. Fig. 7. Analiza si wewntrznych i przemieszcze ciany szczelinowej dla fazy IV wykopu wedug wzoru Chadeissona [FINE 2012]; objanienia jak pod rysunkiem 6 Analysis of internal forces and displacements of diaphragm wall for phase IV according to Chadeisson formula [FINE 2012]; legend see Figure 6 Acta Sci. Pol.

9 Analiza si wewntrznych i przemieszcze rozpieranej ciany szczelinowej 129 Do oblicze zastosowano wspóczynniki podatnoci podoa: wedug Chadeissona [1961] (3) gdzie: ciar objtociowy gruntu, K p wspóczynnik parcia biernego, K o wspóczynnik parcia spoczynkowego, c spójno efektywna, A p wspóczynnik uwzgldniajcy spójno gruntu (1 15), E modu Younga dla konstrukcji, J moment bezwadnoci przekroju belki, wedug Schmitta [1995] (4) gdzie E oed modu edometryczny. WYNIKI OBLICZE SI WEWNTRZNYCH I PRZEMIESZCZE CIANY SZCZELINOWEJ Wyniki oblicze analizowanej ciany szczelinowej zestawiono w tabeli 3, w której przedstawiono wielkoci momentu maksymalnego, maksymalne poziome przemieszczenie ciany, zagbienie poniej dna wykopu oraz si w rozporze. Obliczenia metod moduu reakcji podoa zostay wykonane z zastosowaniem programu GEO 5 ciana Analiza [FINE 2012], w którym zastosowano wspóczynniki bezpieczestwa przyjte na podstawie Eurokodu 7. Do dalszej analizy przemieszcze wybrano wyniki metody moduu reakcji podoa wedug Chadeissona, dla których otrzymano zgodno w momentach z metod Bluma. Architectura 12 (4) 2013

10 130 T. Pasik, E. Koda Tabela 3. Wyniki oblicze analizowanej ciany szczelinowej Table 3. The calculation results analyzed diaphgram wall Obliczona wielko Calculated value Metoda moduu reakcji podoa Beam on elastic fundation method Metoda Bluma Blum method Chadeisson Schmitt podparcie utwierdzenie Faza I Faza II Faza I Faza II Faza II Faza II M max [knm m 1 ] ,61 169,57 601, hm [mm] 5 8,2 7,2 12,6 3,2 1,6 D [m] 8,45 8,45 8,45 8,45 6,9 10,45 S [kn m 1 ] xxx 535,55 xxx 491,67 534, OSIADANIE POWIERZCHNI NAZIOMU Peck [1969], jako pierwszy, zaproponowa metod do wyznaczenia osiadania naziomu. Wyprowadzi nomogram dla rónych typów gruntów, który sporzdzi na podstawie analizy wsteczne wybranych wykopów w Chicago i Oslo. Nastpnie Clough i O Rourke [1990] przedstawili wykresy do oszacowania przemieszcze pionowych naziomu dla poszczególnych rodzajów gruntów na podstawie analizy wielu przypadków archiwalnych. Z kolei Hsieh i Ou [1998] zaproponowali metod do wyznaczania osiadania powierzchni naziomu na podstawie charakteru odksztace (pachwinowe lub wklse osiadanie naziomu), zasigu oddziaywania wykopu (PIZ) oraz maksymalnego przemieszczenia poziomego ciany. Wszystkie powysze metody dobrze opisuje publikacja Ou [2006]. Aby wyznaczy krzyw osiadania powierzchni naziomu, w pierwszej kolejnoci okrela si maksymalne przemieszczenia poziome ciany szczelinowej oraz zasig strefy oddziaywania wykopu. Na rysunku 8 przedstawiono zasig strefy oddziaywania wykopu na podstawie klinów odamu lub krzywej polizgu dla mechanizmu zniszczenia przyjtego z analizy statecznoci ogólnej. W literaturze s opisane take inne sposoby dla innych przypadków obliczeniowych [Ou 2006, IBDiM 2010]. Aby oceni wpyw wykopu na ssiedni obiekt budowlany, naley przyrówna warto- ci odksztacenia ktowego () do wartoci dopuszczalnych wyznaczonych przez Bjerruma [1963] oraz wspóczynnik odksztacenia, do wartoci zamieszczonych w pracy na przykad Burlanda i Wrotha [1974]. L Na rysunku 9 zestawiono wyniki oblicze osiadania powierzchni naziomu dla rozpatrywanej ciany z wykorzystaniem metod proponowanych przez rónych autorów. Wyznaczono take wspóczynnik odksztacenia i wartoci odksztacenia ktowego () L dla wykresu Hsieh i Ou [1998], który najlepiej odwzorowuje zachowanie si naziomu wedug bada przedstawionych w publikacji Ou [2006]. Acta Sci. Pol.

11 Analiza si wewntrznych i przemieszcze rozpieranej ciany szczelinowej 131 Rys. 8. Fig. 8. Strefa oddziaywania wykopu Inuence zone of excavation Rys. 9. Fig. 9. Osiadanie powierzchni naziomu Ground surface settlements Architectura 12 (4) 2013

12 132 T. Pasik, E. Koda WNIOSKI Otrzymane wyniki si wewntrznych i przemieszcze s tego samego rzdu wielkoci, co wiadczy o poprawnoci wykonanych oblicze i zaoe przyjmowanych w poszczególnych metodach. Wielkoci przemieszcze nie przekraczaj wartoci dopuszczalnych. Do okrelenia si wewntrznych i zagbienia ciany szczelinowej dobrze sprawdza si metoda graczna Bluma, której tok oblicze jest stosunkowo prosty do przeprowadzenia i nie wymaga posiadania specjalistycznego oprogramowania. Nieprawidowy dobór parametru k h prowadzi do rozbienoci wyników przemieszcze ciany, które w przypadku gstej zabudowy miejskiej powinny by zwerykowane, dlatego te zaleca si wówczas dodatkowe analizy z zastosowaniem innych metod, na przykad z wykorzystaniem metody elementów skoczonych. Zaoenie utwierdzenia dou cianki jest niezgodne z rzeczywistoci, co zauwaono podczas analizy wyników. Godne uwagi s empiryczne metody do oszacowywania osiadania powierzchni naziomu, gównie ze wzgldu na swoj prostot, jednak wymagaj dalszych analiz w inwestycjach na terenie Polski. Istotn kwesti, która determinuje otrzymane wyniki, jest wybór odpowiedniej teorii parcia gruntu. Przy szacowaniu wartoci si wewntrznych korzysta si zwykle z teorii Rankine a, z której otrzymuje si wiksze wartoci parcia gruntu i tym samym bezpieczniejsze wyniki. Przy szacowaniu przemieszcze z wykorzystaniem programów komputerowych korzysta si zwykle z teorii Coulomba, która uwzgldnia tarcie gruntu o konstrukcj i zrónicowany ksztat powierzchni naziomu. Dziki temu wyniki otrzymywane za pomoc tej metody s blisze rzeczywistoci, jednak z mniejszym zapasem bezpieczestwa. W celu zminimalizowania przemieszcze, szczególnie w fazie wspornika (faza II), mona zastosowa metod póstropow lub stropow zabezpieczenia wykopu, które w ostatnich latach dominuj przy realizacji inwestycji w centrach duych aglomeracji miejskich. PIMIENNICTWO Bajda M., Koda E., Badania geotechniczne do oceny warunków posadowienia w strefach przykrawdziowych Skarpy Warszawskiej. Przegld Naukowy Inynieria i Ksztatowanie rodowiska 60, Bjerrum L., Allowable settlement of structures. Proceedings of European Conference on Soil Mechanics and Fundation Engineering, Weisbaden, Germany 2, Burland J.B., Wroth C.P., Settlement of buildings and associated damage, Proceedings of Conference on Settlement of Structures. Pentech Press, London, Chadeisson R., Parois continues moulées dans le sols. Proceedings of the 5th European Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Dunod, Paris, 2, Clough G.W., O Rourke T.D., Construction-induced movements of in situ wall. Design and Performance of Earth Retaining Structres, ASCE Special Publication 25, FINE Ltd GEO5 Podrcznik uytkownika. Wersja 14. Acta Sci. Pol.

13 Analiza si wewntrznych i przemieszcze rozpieranej ciany szczelinowej 133 Hsiech P.G., Ou Ch.Y., Shape of ground surface settlement proles caused by excavation. Canadian Geotechnical Journal 35 (6), IBDiM, Seminarium ciany szczelinowe. IBDiM, Warszawa. Koda E. i in. 2012a. Ocena wpywu projektowanego budynku wielorodzinnego z garaami podziemnymi przy ulicy Tamka w Warszawie na ssiednie obiekty budowlane i powierzchni terenu wraz z obliczeniami statecznoci. Maszynopis. Katedra Geoinynierii SGGW, Warszawa. Koda E. i in. 2012b. Dokumentacja geologiczno-inynierska okrelajca warunki geologiczno- -inynierskie na potrzeby posadowienia budynku mieszkalnego wielorodzinnego z cz- ci usugow na parterze i garaami podziemnymi przy ulicy Tamka w Warszawie. Maszynopis. Katedra Geoinynierii SGGW, Warszawa. Krasiski A., Pomoce dydaktyczne. Obliczanie i projektowanie cianek szczelnych. Politechnika Gdaska, Gdask. Mitew-Czajewska M., Numerical analysis of displacements of diphragm wall. Proceedings of the 5th International Symposium TC28. A.A. Balkema, Amsterdam. Ou Ch.Y., Deep Excavation Theory and Practice. Taylor & Francis Group, London. Peck R.B., Deep excavation and tunneling in soft ground. Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City, Stateof-the-Art, PN-83/B ciany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. PN-EN Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Cz 1: Zasady ogólne. Pua O., Rybak C., Sarniak W., Fundamentowanie. Projektowanie posadowie. DWE, Wroc- aw. Schmitt P., Estimating the coefcient of subgrade reaction for diaphragm wall and sheet pile wall design (in French). Revue Française de Géotechnique 71, Siemieska-Lewandowska A., Gbokie wykopy. Projektowanie i wykonawstwo. WK, Warszawa. Wysokiski L., Bdy systematyczne w rozpoznawaniu geotechnicznym i ich wpyw na projektowanie budowlane. XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie budowlane, Szczecin Midzyzdroje. Wysokiski L., Kotlicki W., Godlewski T., Projektowanie geotechniczne wedug Eurokodu 7. ITB, Warszawa. ANALYSIS OF INTERNAL FORCES AND DISPLACEMENTS OF THE DIAPHRAGM WALL WITH STRUTS Abstract. The paper analyses solutions of deep excavation by diaphragm wall with struts on the example of planned investment on the Tamka street in Warsaw. Conducted calculation of the internal forces and displacements using the Blum and beam on elastic foundation methods. Possible ultimate limit states were veried. Analyze of ground surface settlement and its impact on adjacent building based on empirical formulas was also done. Key words: deep excvations, diaphragm wall, beam on elastic foundation method, empirical formulas Zaakceptowano do druku Accepted for print: Architectura 12 (4) 2013