GEOTECHNIKA I BUDOWNICTWO SPECJALNE PRZYCZYNY AWARII NASYPU AUTOSTRADY A-4 POMIÊDZY WÊZ AMI WIREK I BATOREGO W ŒWIETLE OBLICZEÑ NUMERYCZNYCH

Transkrypt

1 GEOTECHNIKA I BUDOWNICTWO SPECJALNE ZSMGiG XXIX Copyright by KGBiG AGH Kraków 2006 ISBN PRZYCZYNY AWARII NASYPU AUTOSTRADY A-4 POMIÊDZY WÊZ AMI WIREK I BATOREGO W ŒWIETLE OBLICZEÑ NUMERYCZNYCH Marek Ca³a*, Jerzy Cieœlik*, Jerzy Flisiak*, Micha³ Kowalski* 1.Wstêp Autostrada A-4, której odcinek pomiêdzy Katowicami a Gliwicami oddano do eksploatacji w 1995 roku, na d³ugoœci oko³o 36 km przebiega ponad rejonami aktualnie prowadzonej oraz planowanej eksploatacji dziewiêciu kopalñ. W filarze autostrady znajduje siê oko³o 600 mln ton zasobów operatywnych, których wydobycie dla niektórych kopalñ przede wszystkim Halemba, Zabrze-Bielszowice, Makoszowy i Polska-Wirek jest zagadnieniem niezmiernie istotnym. Równie po³udniowy odcinek projektowanej autostrady A-1 na d³ugoœci oko³o 60 km przebiegaæ bêdzie przez obszary górnicze 13 kopalñ. Zasady budowy autostrad na terenach górniczych reguluje Zarz¹dzenie Prezesa Urzêdu Mieszkalnictwa i Rozwoju Miast z dnia , zgodnie z którym: obiekty autostradowe musz¹ byæ odpowiednio zaprojektowane, a teren w ich rejonie nie powinien przekroczyæ II kategorii szkód górniczych, wybrane przez projektantów obiekty in ynierskie, projektowaæ i zabezpieczyæ nale y na wp³ywy III kategorii terenu górniczego. Zarz¹dzenie to nak³ada na kopalnie obowi¹zek prowadzenia eksploatacji w taki sposób, aby w rejonie pasa autostradowego wskaÿniki deformacji by³y ni sze od dopuszczalnych dla II kategorii terenów górniczych (odkszta³cenia poziome ε 1,5 mm/m, nachylenia T 5,0 mm/m), a na projektantów i wykonawców koniecznoœæ zastosowania odpowiednich zabezpieczeñ. Odcinek autostrady A-4 miêdzy wêz³ami Wirek i Batorego, zlokalizowany w km , zrealizowany zosta³ na podstawie porozumienia zawartego w dniu r pomiêdzy Kompani¹ Wêglow¹ S.A., w sk³ad której wchodz¹ kopalnie Soœnica, Makoszowy, Bielszowice, Halemba i Polska-Wirek, a Generaln¹ Dyrekcj¹ Dróg Krajowych i Autostrad Oddzia³ w Katowicach [8]. Po zakoñczeniu budowy odcinek autostrady zlokalizowany na wysokim nasypie w km uleg³ uszkodzeniu a jego naprawa poprzez gwoÿdziowanie kosztowa³a ponad 7 mln z³. Poniewa w rejonie uszkodzeñ prowadzona by³a eksploatacja œciany 4c przez kopalniê Polska-Wirek przyjêto [4, 5, 10], e jedyn¹ przyczyn¹ powsta³ej awarii by³y deformacje wywo³ane eksploatacj¹ tej œciany. Poniewa wyjaœnienie takie budzi szereg w¹tpliwo- * Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Geomechaniki Budownictwa i Geotechniki

2 756 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX œci, przeprowadzono szczegó³ow¹ analizê, której celem by³o sprawdzenie, czy inne, nie zwi¹zane z górnictwem czynniki mog³y przyczyniæ siê do wyst¹pienia wspomnianej awarii. W tym celu przeprowadzono szczegó³ow¹ analizê dostêpnej dokumentacji i jej zgodnoœci z obowi¹zuj¹cymi przepisami oraz przeprowadzono obliczenia numeryczne, dla sprawdzenia, czy zastosowane zabezpieczenia by³y wystarczaj¹ce w istniej¹cych warunkach. Wyjaœnienie rzeczywistych przyczyn powsta³ej awarii ma donios³e znaczenie zarówno dla budowniczych dróg na terenach objêtych podziemn¹ dzia³alnoœci¹ górnicz¹, jak i dla kopalñ. Umo liwi ono bowiem udoskonalenie zasad eksploatacji jak i opracowanie doskonalszych metod zabezpieczeñ budowli drogowych. W referacie przedstawiono wyniki obliczeñ stanu naprê enia i odkszta³cenia nasypu w ejonie awarii, uzyskane z zastosowania programu metody elementów skoñczonych ABA- QUS oraz programu ró nic skoñczonych FLAC. Ocenie przyczyn powsta³ej awarii poœwiêcona jest równie praca [1], w której omówiono wyniki analizy statecznoœci nasypu, przeprowadzonej metodami równowagi granicznej (program SLOPE/W) oraz metod¹ ró nic skoñczonych. 2.Opis warunków w rejonie wyst¹pienia awarii oraz zastosowanych zabezpieczeñ W rejonie awarii autostrada zlokalizowana jest na wysokim nasypie, uformowanym na pod³o- u o nachyleniu oko³o 10% w kierunku pó³nocno-wschodnim, zgodnym z normaln¹ do osi autostrady. Maksymalna wysokoœæ nasypu wynosi³a 11,32 m (przy skarpie pó³nocnej), a nachylenie skarp, zarówno pó³nocnej jak i po³udniowej, by³o zbli one do 1:1,5 (ok. 34 ). W pod³o u nasypu stwierdzono [13] wystêpowanie s³abych gruntów wysadzinowych w stanie plastycznym i twardoplastycznym o parametrach: warstwa VIII gliny i py³y piaszczyste: warstwa IX, X I L = 0,36, ϕ = 12, c = 10,0 kpa, gliny i py³y twardoplastyczne: I L = 0,17 0,25, ϕ = 14 15, c = 15,0 kpa. Warunki gruntowe w rejonie awarii zakwalifikowano jako skomplikowane a budowla zaliczona zosta³a do III kategorii geotechnicznej. Dla zabezpieczenia przed ujemnymi skutkami deformacji górniczych projekt [13] przewidywa³, e nawierzchnia w wykopach wzmacniana bêdzie przy pomocy geosiatek o wytrzyma³oœci na rozci¹ganie wiêkszej od 40 kn/m, natomiast dla nasypów wzmocnienia nawierzchni nie przewiduje siê, stwierdzaj¹c, e: Odcinki trasy autostrady przebiegaj¹ce na nasypach posiadaj¹ niezale nie obliczone i zaprojektowane zabezpieczenia przed wp³ywami eksploatacji górniczej polegaj¹ce na zastosowaniu materaca zbrojonego uk³adanego na istniej¹cym terenie. W projekcie przewidywano zastosowanie dwóch typów zbrojenia pod³o a nasypów: Typ I: geosiatka o wytrzyma³oœci > 20 kn/m, 35 cm warstwa z kruszywa ³amanego, geosiatka o wytrzyma³oœci > 40 kn/m; Typ II: geosiatka o wytrzyma³oœci > 20 kn/m, 35 cm warstwa z kruszywa ³amanego, geosiatka o wytrzyma³oœci > 20 kn/m. Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

3 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 757 Zgodnie z projektem [13] typ II zbrojenia powinien byæ stosowany w przypadkach poziomych odkszta³ceñ górniczych nie przekraczaj¹cych 2,5 mm/m a typ I zbrojenia nale y stosowaæ przy wiêkszych wartoœciach odkszta³ceñ oraz wówczas, gdy wysokoœæ nasypu przekracza 10 m lub gdy w pod³o u do g³êbokoœci 6 m wystêpuj¹ grunty spoiste o stopniu plastycznoœci I L > 0,25. Dla wzmocnienia s³abego pod³o a na odcinku w km projekt [13] przewidywa³ zastosowanie pali iniekcyjnych jet grouting o œrednicy 80 cm w rozstawie 4,0 4,0 m i o d³ugoœci uzale nionej od mi¹ szoœci i g³êbokoœci wystêpowania s³abych warstw gruntu. Nasyp wykonany by³ g³ównie z gruntów urobionych przy wykonywaniu wykopów z nim s¹siaduj¹cych. Dok³adny sk³ad granulometryczny gruntów wbudowanych w nasyp jest nieznany. Z badañ przeprowadzonych przez AR [6] w Krakowie wynika, e s¹ to g³ównie grunty niespoiste, w których zawartoœæ frakcji py³owej i i³owej wynosi: dla próby pobranej z nasypu 11,83%, dla próby I pobranej z MOP Halemba 31,57%, dla próby II pobranej z MOP Halemba 13,89%. Otwart¹ jest kwestia wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych gruntów, z których zbudowany jest nasyp. W projekcie [13] przyjêto, e parametry te s¹ nastêpuj¹ce: ciê ar objêtoœciowy 20 kn/m 3, k¹t tarcia wewnêtrznego 25, kohezja 18 kpa. Znacznie wy sze wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych uzyskano z badañ AR [6] w œredniowymiarowym aparacie bezpoœredniego œcinania (skrzynka 300 mm 300 mm, przek³adki o gruboœci 30 mm). Dla gruntów pobranych z nasypu autostradowego uzyskano nastêpuj¹ce wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych: k¹t tarcia wewnêtrznego 40,2, kohezja 75,8 kpa, a dla gruntów pobranych w rejonie MOP Halemba: k¹t tarcia wewnêtrznego 26,1 (próba 1), 38,9 (próba 2), kohezja 67,3 kpa (próba 1), 83,3 kpa (próba 2). Uzyskana z powy szych badañ bardzo wysoka spójnoœæ budzi powa ne w¹tpliwoœci. Jest ona prawdopodobnie spowodowana znanym zjawiskiem klinowania siê grubych ziarn przy œciankach aparatu bezpoœredniego œcinania. Uzyskiwana w badaniach bezpoœredniego œcinania wysoka spójnoœæ gruntów z natury niespoistych nie jest wiêc cech¹ materia³u, ale wynikiem b³êdów zwi¹zanych ze stosowan¹ procedur¹ badawcz¹, której...nie nale y uwzglêdniaæ przy obliczaniu statecznoœci nasypów budowli... [7]. W rejonie wyst¹pienia awarii w przesz³oœci eksploatowano 7 pok³adów, w tym 5 poni- ej pok³adu 413/1 a 2 ponad nim. W okresie od maja 2003 roku do marca 2004, a wiêc w okresie budowy autostrady, w kopalni Polska-Wirek prowadzona by³a eksploatacja œciany 3c w pok³adzie 413/1. Œrednia g³êbokoœæ tej œciany wynosi³a 550 m, a gruboœæ eksploatowanej warstwy ok. 1,6 m. By³a to eksploatacja z zawa³em stropu z równoczesnym doszczelnianiem zrobów zawa³owych. Eksploatacjê œciany 4c, o gruboœci ok. 2,0 m na g³êbokoœci ok. 540 m, rozpoczêto na pocz¹tku maja 2004 r. a zakoñczono w styczniu 2005 r. Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

4 758 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX Lokalizacjê wymienionych œcian przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Po³o enie krawêdzi œcian 3C i 4C w stosunku do analizowanego odcinka autostrady A-4 Pierwsze przejawy awarii nasypu zaobserwowano Zaobserwowano wówczas [10], e Deformacje nieci¹gle powsta³y w gruncie i w nawierzchni. Maj¹ one charakter pêkniêæ i szczelin, o rozwartoœci do kilku centymetrów. Lokalnie tam gdzie to by³o mo liwe - zmierzono g³êbokoœæ szczeliny i stwierdzono, i dochodzi ona do 2 m. Pêkniêcia i szczeliny usytuowane s¹ w wiêkszoœci równolegle do osi autostrady, lokalnie zaobserwowano te ich ukoœne po³o enie wzglêdem osi. Nieci¹g³oœci równoleg³e do osi zaobserwowano w gruncie, przy krawêdzi po³udniowej jezdni autostrady w rejonie km oraz w pasie rozdzia³u w km Natomiast deformacje nieci¹g³e ukoœne do osi autostrady zinwentaryzowane zosta³y na nawierzchni jezdni pó³nocnej w rejonie km Koncepcja i cel obliczeñ numerycznych Prezentowane w tym referacie obliczenia mia³y daæ odpowiedÿ na dwa pytania: 1. Co by³o przyczyn¹ uszkodzenia nasypu autostrady (korony nasypu w pasie rozdzielczym i jezdni) i jakie czynniki mia³y wp³yw na te uszkodzenia, Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

5 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe Czy zabezpieczenie nasypu autostrady w trudnych warunkach (skomplikowane warunki gruntowe, nachylone konsekwentnie pod³o e, III kategoria geotechniczna) by³o prawid³owe i wystarczaj¹ce, aby deformacje górnicze odpowiadaj¹ce II kategorii terenu nie spowodowa³y jego uszkodzenia. W kontekœcie tak postawionych pytañ zakres przeprowadzonych obliczeñ obejmowa³: Sprawdzenie mo liwoœci uszkodzenia nasypu i pod³o a autostrady pod w³asnym ciê- arem w trakcie wznoszenia obiektu, Sprawdzenie mo liwoœci uszkodzenia nasypu, pod dzia³aniem ciê aru w³asnego oraz poddanego wp³ywom deformacji górniczych. Obliczenia wykonano wykorzystuj¹c dwie ró ne techniki numeryczne metodê elementów skoñczonych i metodê ró nic skoñczonych. Aby umo liwiæ porównanie uzyskanych wyników we wszystkich prezentowanych obliczeniach przyjêto takie same za³o enia dotycz¹ce geometrii obiektu, modeli fizycznych i ich parametrów oraz poszczególnych etapów obliczeñ. Nale y zaznaczyæ, e za³o enia te odpowiada³y danym projektowym. 4.Za³o enia modeli numerycznych W rejonie rozpatrywanego odcinka autostrady topografia terenu ma z³o ony charakter. Trasa autostrady w analizowanym rejonie biegnie pocz¹tkowo w wykopie, nastêpnie przechodzi w nasyp o wysokoœci od strony pó³nocnej ok. 11 m, od po³udniowej ok. 6 m. W analizowanym przekroju szerokoœæ korony nasypu wynosi 35,83 m, zaœ jego podstawy 60,24 m. Nachylenie pod³o a nasypu w kierunku zgodnym z osi¹ autostrady, na pocz¹tkowym odcinku o d³ugoœci 67 m, licz¹c od miejsca przejœcia z wykopu w nasyp, dochodzi do 12%, a nastêpnie stopniowo spada do 5,9% i ostatecznie do 0,3%. Poza tym pod³o e nasypu nachylone jest w kierunku prostopad³ym do osi. Nachylenie to wynosi od 9,4 do 10%, a w rejonie lokalnych skarp jest znacznie wiêksze. Topografiê terenu oraz budowê geologiczn¹ nasypu i pod³o a analizowanego odcinka autostrady pokazano na rysunkach 2 i 3 w dwóch przekrojach [13]. Wymienione wy ej elementy przestrzennej geometrii obiektu, niew¹tpliwie maj¹ istotne znaczenie na jego zachowanie i powinny znaleÿæ swoje odbicie w modelu numerycznym. Ze wzglêdu jednak na z³o onoœæ ca³ego problemu, zarówno od strony fizycznej, jak i technologicznej, zdecydowano siê uproœciæ geometriê zadania z trójwymiarowego do dwuwymiarowego, w p³askim stanie odkszta³cenia. W zwi¹zku z tym za³o eniem model uwzglêdnia³ jedynie poprzeczne do osi autostrady nachylenie równe 10%. Przekrój autostrady przyjêty do obliczeñ obejmowa³ nasyp, pod³o e gruntowe (w rozpatrywanym rejonie autostrady o gruboœci 6 m), pod³o e karbonu oraz elementy strukturalnego wzmocnienia w postaci zamkniêtego materaca wykonanego z u la oraz geosiatki typu 220 i 440 LBO SAMP firmy Tenax. Od strony fizycznej analiza zachowania nasypu zbrojonego geosiatk¹ z materacem, poddanego wp³ywom deformacji górniczych jest zagadnieniem skomplikowanym. Kluczowe znaczenie, ze wzglêdu na jakoœæ rozwi¹zania, ma zarówno sposób modelowania materaca oplecionego geosiatk¹, stanowi¹cego podstawowe w tym przypadku wzmocnienie i zabezpieczenie nasypu, jak równie dobór modeli fizycznych i parametrów tych modeli dla poszczególnych rodzajów gruntu. Przyjêto, e materac zbudowany jest z u la wielkopiecowego, Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

6 760 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX nasyp z mieszaniny okruchów piaskowca, piasku oraz gliny (zgodnie z dokumentacj¹ projektow¹), a w pod³o u zalegaj¹ utwory wariantowo: gliny pylastej plastycznej (jak wynika z rozpoznania geotechnicznego), gliny pylastej twardoplastycznej wzmocnionej poprzez jet grouting (zgodnie z zaleceniami projektowymi). Rys. 2. Projektowany przekrój pod³u ny (wzd³u osi) Autostrady A4 w rejonie uszkodzenia nasypu [10] Rys. 3. Projektowany przekrój poprzeczny autostrady w rejonie uszkodzenia nasypu Dla wymienionych warstw geologicznych obiektu przyjêto taki sam idealnie sprê ysto-plastyczny model fizyczny, z liniowym warunkiem plastycznoœci (Coulomba Mohra) i stowarzyszonym z nim prawem plastycznego p³yniêcia. Poszczególne warianty pod³o a oraz odpowiadaj¹ce im parametry fizyko-mechaniczne przyjête do obliczeñ, w oparciu o dokumentacjê projektow¹, zestawiono w tabeli 1. Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

7 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 761 Tabela 1. Wartoœci parametrów fizycznych przyjête w obliczeniach Wariant obliczeñ W1 W3 jet grouting Warstwa γ E ν c Ö [kn/m 3 ] [MPa] [ ] [kpa] [ ] Nasyp 20, ,25 18,000 25,00 Materac 16, ,25 60,790 45,80 Pod³o e 20, ,30 11,000 12,00 Nasyp 20, ,25 18,000 25,00 Materac 16, ,25 60,790 45,80 Pod³o e 20, ,25 22,707 15,73 Za³o ono, e pomiêdzy pod³o em a nasypem wykonany zosta³ zamkniêty materac o gruboœci 36 cm z u la wielkopiecowego, ograniczony geosiatk¹ o wytrzyma³oœci na jednoosiowe rozci¹ganie odpowiednio, dolna czêœæ 40 kn/m i górna czêœæ 20 kn/m. Geosiatkê modelowano elementami prêtowymi nie przenosz¹cymi œciskania (przy obci¹ eniu œciskaj¹cym sztywnoœæ elementu by³a automatycznie redukowana do zera). Przyjêto sprê ysto-plastyczny z wzmocnieniem model fizyczny geosiatki, z warunkiem plastycznoœci Hubera-Misesa-Hencky'ego i stowarzyszonym prawem p³yniêcia. Parametry modelu wyznaczono na podstawie danych technicznych geosiatek typu 220 i 440 LBO SAMP firmy Tenax. Parametry sprê yste okreœlono dla 2% wartoœci odkszta³cenia z próby jednoosiowego rozci¹gania. Izotropowe wzmocnienie przyjêto jako zale noœæ pomiêdzy granic¹ plastycznoœci, a odkszta³ceniem plastycznym, wyznaczonej z testu jednoosiowego rozci¹gania siatek. Wartoœæ odkszta³ceñ plastycznych wyliczono jako ró nicê pomiêdzy ca³kowitym a sprê ystym odkszta³ceniem przy danym obci¹ eniu. Wykresy zale noœci pomiêdzy si³¹ odpowiadaj¹ca granicy plastycznoœci, a plastycznym odkszta³ceniem, przyjête do obliczeñ dla poszczególnych typów siatek przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Graficzna interpretacja funkcji wzmocnienia izotropowego dla siatek LBO 220 i LBO 440 W celu zweryfikowania przyjêtego modelu fizycznego przeprowadzono wstêpne obliczenia numeryczne, symuluj¹ce próbê rozci¹gania siatki. Wyniki tych obliczeñ dla geosiatek typu LBO 220 i LBO 440 SAMP, w porównaniu z wynikami doœwiadczeñ laboratoryjnych przedstawiono na rysunku 5. Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

8 762 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX Rys. 5. Zestawienie wyników badañ laboratoryjnych i obliczeñ numerycznych dla siatek LBO 220 i LBO 440 SAMP (po lewej dane firmy Tenax [9], po prawej zestawienie wyników badañ laboratoryjnych i obliczeñ) Kó³kami oznaczono wyniki obliczeñ numerycznych, krzy ykami wyniki badañ laboratoryjnych. Jak mo na zauwa yæ zgodnoœæ uzyskanych wyników obliczeñ z wynikami uzyskanymi w doœwiadczeniu, do momentu zerwania siatki jest zadawalaj¹ca. Przyjêto, e kontakt pomiêdzy geosiatk¹, pod³o em, materacem, oraz nasypem zachodzi zgodnie z prawem tarcia Coulomba. Wartoœæ k¹ta tarcia (b¹dÿ wspó³czynnika tarcia) przyjmowana w tego typu obliczeniach zawsze jest dyskusyjna i przyjmowana ró nie przez ró - nych autorów. Najczêœciej zak³ada siê, e wartoœæ k¹ta tarcia pomiêdzy geosiatk¹ a gruntem jest funkcj¹ k¹ta tarcia wewnêtrznego gruntu: ϕ i = arctg (F ϕ s ) (1) gdzie: ϕ i k¹t tarcia na kontakcie, ϕ s k¹t tarcia wewnêtrznego gruntu, F wspó³czynnik redukcyjny. Wartoœæ wspó³czynnika redukcyjnego przyjmowana jest ró nie przez ró nych autorów, przyk³adowo Ericson i Drescher [2] przyjmuj¹ F = 1,0, Gryczmañski i Sternik [5] F = 0,33. Podstaw¹ do wyznaczenia wspó³czynnika tarcia mog¹ równie byæ wyniki badañ laboratoryjnych lub polowych tzw. testu pull-out, czyli wyrywania geosiatki z gruntu poddanego ró nego rodzaju obci¹ eniom. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki takich doœwiadczeñ wykonanych dla piasku, z wykorzystaniem geosiatek MS 220, MS 330, MS 440 firmy Tenax. Charakter zale noœci τ max σ n uzyskany dla wszystkich typów siatek jest podobny i nieliniowy, a wspó³czynnik tarcia mo na wyliczyæ jedynie jako wartoœæ lokaln¹, wynikaj¹c¹ z nachylenia wykresu w wybranym przedziale stosowanych w teœcie naprê eñ normalnych. Dla prezentowanych wyników wartoœæ wspó³czynnika tarcia µ jest zmienna i waha siê od µ = 1,59 dla ma³ych wartoœci naprê enia normalnego (siatka typu MS 220), do µ = 0,34 dla Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

9 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 763 naprê eñ normalnych w przedziale 30 < σ n < 40 kpa (równie dla siatki typu MS 220). Nale y jednak zaznaczyæ, e w przypadku obiektów takich jak nasyp o znacznej wysokoœci, naprê enia normalne na kontakcie poszczególnych warstw z geosiatk¹ bêd¹ przybiera³y du o wy sze wartoœci ni w prezentowanym teœcie. Wynika st¹d wniosek, e je eli przy wyznaczaniu wspó³czynnika korzystaæ z wyników testu pull-out, to w takim przypadku, do obliczeñ przyj¹æ nale y wartoœci wspó³czynnika uzyskane dla najwiêkszych naprê eñ normalnych kontaktu stosowanych w teœcie. Rys. 6. Zale noœci τ max σ n testu pull-out siatek MS 220, MS 330, MS 440 firmy Tenax (τ max maksymalne naprê enie styczne odpowiadaj¹ce maksymalnej sile przy³o onej do geosiatki, σ n naprê enie normalne w p³aszczyÿnie kontaktowej) Bior¹c pod uwagê powy sze stwierdzenia, wspó³czynnik tarcia zdecydowano siê wyznaczaæ dwuetapowo. Na wstêpie, dla wybranego kontaktu, wyliczano wartoœæ wspó³czynnika wynikaj¹ca z zale noœci (1), przyjmuj¹c F = 0,8. Je eli wartoœæ tego wspó³czynnika by³a mniejsza od µ = 0,35 (najni szej wartoœci uzyskanej w teœcie pull-out) do obliczeñ przyjmowano wartoœæ µ = 0,35. Je eli zaœ wartoœæ wyliczonego z zale noœci (1) wspó³czynnika by³a wiêksza od µ = 0,35, to wtedy do obliczeñ przyjmowano wartoœæ wynikaj¹c¹ z zale noœci (1). Uzyskane w ten sposób wartoœci wspó³czynników wydaj¹ siê byæ nieco zawy one, szczególnie dla gruntów s³abych, o ma³ym k¹cie tarcia wewnêtrznego. Wartoœci wspó³czynników tarcia dla odpowiednich par kontaktowych modelu obliczeniowego zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Wartoœci wspó³czynników tarcia pomiêdzy geosiatk¹ a poszczególnymi warstwami przyjête w obliczeniach numerycznych Wariant obliczeñ W1 W3 jet grouting Warstwa K¹t tarcia Wspó³czynnik tarcia wewnêtrznego φ [ ] kontaktu µ Nasyp Geosiatka 25,00 0,37 Materac Geosiatka 45,80 0,82 Pod³o e Geosiatka 12,00 0,35 Nasyp Geosiatka 25,00 0,37 Materac Geosiatka 45,80 0,82 Pod³o e Geosiatka 15,73 0,35 Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

10 764 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX Geometriê modeli obliczeniowych MES i MRS wraz z zaznaczonymi wszystkimi strefami materia³owymi, ich dyskretyzacjê oraz warunki brzegowe przedstawiono na rysunku 7a, b i c. Wymiary modelu wynosi³y odpowiednio: szerokoœæ 320 m, wysokoœæ odpowiednio lewej czêœci 56,7 m i prawej 87,8 m. Rys. 7. Geometria, dyskretyzacja oraz warunki brzegowe numerycznych modeli obliczeniowych: a) geometria modelu wraz z uk³adem stref materia³owych, b) dyskretyzacja i warunki brzegowe odpowiadaj¹ce modelom MES, c) dyskretyzacja i warunki brzegowe odpowiadaj¹ce modelom MRS (w obu przypadkach wektory przemieszczeñ nie s¹ pokazane w odpowiedniej skali) W model MES wygenerowno elementów zagêszczonych w rejonie nasypu, przy czym w pod³o u oraz w materacu zastosowano czworok¹tne elementy czterowêz³owe, a w nasypie, ze wzglêdu na z³o ony kszta³t elementy trójk¹tne. Geosiatkê modelowano dwuwêz³owymi elementami prêtowymi. Zadanie rozwi¹zano wykorzystuj¹c przyrostow¹ metodê rozwi¹zywania równañ algebraicznych MES, po³¹czon¹ z algorytmem iteracyjnym Newtona. Model MRS podzielono na 9198 stref zagêszczonych w rejonie materaca i nasypu, przy czym grunty dyskretyzowano przy u yciu siatek nieregularnych. W obu modelach numerycznych poszczególne etapy obliczeñ umo liwia³y uzyskanie, w pierwszym kroku obliczeniowym, pierwotnego stanu naprê enia, wynikaj¹cego z ciê aru w³asnego oœrodka, a nastêpnie analizê wznoszenia nasypu w kilku krokach obliczeniowych. Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

11 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 765 W koñcowym etapie obliczeñ modele poddane zosta³y wymuszeniom odpowiadaj¹cym górniczym deformacjom powierzchni terenu II kategorii. Zadano je na brzegach modeli w postaci odpowiednich przemieszczeñ wêz³ów elementów skoñczonych w modelu MES, oraz wêz³ów siatki stref w przypadku MRS. Ze wzglêdu na orientacjê eksploatacji wzglêdem osi autostrady (rys. 1) za³o ono, e nasyp autostrady znajduje siê na wypuk³ej czêœci niecki, czyli w po³o eniu najbardziej niekorzystnym z punktu widzenia obci¹ enia pod³o a (rozluÿnienie i rozp³ywanie gruntu). W przypadku deformacji II kategorii terenu, zadane wymuszenia na brzegach modelu odpowiada³y odkszta³ceniom poziomym pod³o a nasypu, ε = 3,0 mm/m i promieniowi krzywizny 12 km. Obliczenia w obu metodach przeprowadzono wed³ug tego samego, powtarzaj¹cego siê schematu: zadanie pierwotnego stanu naprê enia, etapy wykonania materaca i nasypu (cztery kroki obliczeniowe), wymuszenie kinematyczne odpowiadaj¹ce deformacjom powierzchni terenu. 5.Wyniki obliczeñ numerycznych w poszczególnych wariantach W referacie zaprezentowano wyniki obliczeñ dla dwóch wariantów pod³o a (w rzeczywistoœci obliczenia prowadzono dla czterech odmiennych wariantów, ró ni¹cych siê od siebie wartoœciami parametrów wytrzyma³oœciowych pod³o a i nasypu [1]), w których przyjêto, e pod³o e gruntowe stanowi¹: plastyczne gliny pylaste wariant W1, twardoplastyczne gliny pylaste, wzmocnionej poprzez jet grouting wariant W3. Analizie poddano dwa okresy funkcjonowania budowli ziemnej etap wznoszenia nasypu autostrady i etap oddzia³ywania deformacji pod³o a na skutek eksploatacji. W tabeli 3 zestawiono wyniki obliczeñ MES i MRS w postaci map najwiêkszych g³ównych odkszta³ceñ plastycznych, odpowiadaj¹ce etapowi ostatecznego wykonania nasypu. Analizuj¹c wyniki obliczeñ wszystkich wariantów, odpowiadaj¹cych etapowi ukoñczenia budowy nasypu mo na stwierdziæ, i w przypadku obu wariantów W1 i W3, uszkodzenia podstawy nasypu oraz jego korony wystêpuj¹ jeszcze w trakcie budowy nasypu, pod wp³ywem obci¹ enia w³asnym ciê arem. W przypadku pod³o a wzmocnionego poprzez jet grouting uszkodzeniu ulega sama podstawa nasypu, a deformacje plastyczne nie osi¹gaj¹ korony. W takich warunkach nasyp ulega rozp³yniêciu, co jest wynikiem jego poœlizgu w powierzchni kontaktu z materacem w kierunku pó³nocnym oraz znacznych odkszta³ceñ plastycznych pod³o- a. S³abe parametry warstwy gruntu w pod³o u nasypu powoduj¹ jego niesymetryczne osiadanie, wiêksze po stronie skarpy pó³nocnej, czego efektem s¹ rozci¹gania w rdzeniu i koronie nasypu. St¹d te w przypadku wariantów obliczeñ, w których przyjêto wzmocnienie parametrów pod³o a poprzez jet grouting deformacje plastyczne w rdzeniu nasypu s¹ mniejsze a w koronie nasypu nie wystêpuj¹. W tabeli 4 zestawiono wyniki obliczeñ dla etapu dodatkowego wymuszenia odpowiadaj¹cego górniczym deformacjom II kategorii terenu. W tabeli tej zaprezentowano mapy najwiêkszych g³ównych odkszta³ceñ plastycznych, a w tabeli 5 zestawiono wykresy najwiêkszych g³ównych odkszta³ceñ plastycznych wystêpuj¹cych w koronie nasypu w tym samym etapie obliczeñ. Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

12 766 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeñ Analizuj¹c wyniki obliczeñ uzyskane dla modeli, w których uwzglêdniono deformacje powierzchni wynikaj¹cych z II kategorii terenów górniczych mo na stwierdziæ, e praktycznie w ka dym wariancie obliczeñ, wyst¹piæ mog¹ powa ne uszkodzenia rdzenia nasypu oraz du e wartoœci deformacji plastycznych w jego koronie. Deformacje te, zlokalizowane w œrodkowej czêœci korony, maj¹ charakter rozci¹gania. W rzeczywistych warunkach deformacje takie mog¹ prowadziæ do pojawienia siê szczelin i pêkniêæ. Deformacje górnicze potêguj¹ wiêc wykazane wy ej zjawisko rozp³ywania siê nasypu po materacu, zapocz¹tkowane jeszcze w fazie tworzenia nasypu. Nale y zaznaczyæ, e w adnym z analizowanych modeli i adnym etapie obliczeñ, nie dosz³o do zerwania siatki i materaca. Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

13 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 767 Tabela 4. Zestawienie wyników obliczeñ. Mapy Pemax dla etapu deformacji górniczych. 6.Podsumowanie i wnioski Z przeprowadzonych obliczeñ wynika, e dla pod³o a zbudowanego z plastycznej gliny pylastej oraz dla pod³o a zbudowanego z twardoplastycznej gliny pylastej wzmocnionej poprzez jet grouting, uszkodzenia podstawy nasypu oraz jego korony mog¹ wyst¹piæ jeszcze przed wyst¹pieniem odkszta³ceñ zwi¹zanych z eksploatacj¹. W przypadku pod³o a wzmocnionego poprzez jet grouting uszkodzeniu ulec mo e podstawa nasypu, a deformacje plastyczne nie dochodz¹ do samej korony. W takich warunkach nasyp ulega rozp³yniêciu, co jest wynikiem jego poœlizgu w p³aszczyÿnie kontaktu z materacem, w kierunku pó³nocnego zbocza oraz znacznych odkszta³ceñ plastycznych pod³o a. Niskie wartoœci parametrów warstwy gruntu pod³o a nasypu powoduj¹ niesymetryczne jego osiadanie, wiêksze po stronie skarpy pó³noc- Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

14 768 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX nej, czego efektem s¹ rozci¹gania w rdzeniu i koronie nasypu. St¹d te w przypadku wariantu obliczeñ, w których przyjêto wzmocnienie parametrów pod³o a poprzez jet grouting (wariant W3) deformacje plastyczne w rdzeniu nasypu s¹ mniejsze. Tabela 5. Zestawienie wykresów odkszta³ceñ plastycznych (MES) i poziomych (MRS) w koronie nasypu dla etapu uwzglêdniaj¹cego wp³yw deformacji górniczych Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

15 Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe 769 Wyniki obliczeñ uzyskane dla warunków uwzglêdniaj¹cych wp³ywy deformacji II kategorii wskazuj¹, e w ka dym analizowanym przypadku wyst¹piæ mog¹ powa ne uszkodzenia rdzenia nasypu na skutek pojawienia siê du ych, rozci¹gaj¹cych deformacji plastycznych, zlokalizowanych w œrodkowej czêœci korpusu oraz w rejonie jego korony. Wartoœci tych odkszta³ceñ dochodziæ mog¹ nawet 20 mm/m, czego konsekwencj¹ mog¹ byæ spêkania nasypu i nawierzchni. W œwietle przeprowadzonych obliczeñ zauwa alny jest niewielki wp³yw zastosowanego materaca zbrojonego na odkszta³cenia powsta³e w nasypie. Ze wzglêdu na du y wspó³czynnik tarcia pomiêdzy geosiatk¹, a gruntem (minimum 0,35), oraz du ¹ odkszta³calnoœæ zastosowanych geosiatek, materac bêdzie odkszta³ca³ siê dok³adnie tak, jak pod³o e na którym jest posadowiony. Pozwala to zrozumieæ nieznaczny wp³yw takiego zabezpieczenia na odkszta³cenia powstaj¹ce w podstawie nasypu oraz w jego koronie. Na podstawie uzyskanych wyników mo na stwierdziæ, e zaprojektowane i zastosowane zabezpieczenie nasypu autostrady, poddanego wp³ywom deformacji odpowiadaj¹cych II kategorii terenów górniczych, by³o niewystarczaj¹ce w analizowanych warunkach geotechnicznych. Nale y zaznaczyæ, e uproszczenie geometrii modelu z 3D do 2D by³o dzia³aniem, które uniemo liwi³o uwzglêdnienie znacznego nachylenia powierzchni gruntu rodzimego w kierunku osi autostrady. Nale y przypuszczaæ, i uwzglêdnienie równie i tego nachylenia spowoduje, e wyniki otrzymane z takich analiz wykazywaæ bêd¹ znaczne pogorszenie kondycji obiektu. Literatura [1] Ca³a M., Cieœlik J., Flisiak J., Kowalski M.: Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami Wirek Batorego. Materia³y XXIX Zimowej Szko³y Mechaniki Górotworu i Geoin ynierii [2] Ericson H., Drescher A.: The use of geosynthetics to reinforce low volume roads. Technical report no. MN/RC , 2001 (opracowanie niepublik.) [3] Gryczmañski M.: Wp³yw eksploatacji górniczej na nasypy i ich zabezpieczenie. Konferencja Naukowo-Techniczna Autostrady na Terenach Górniczych, Katowice 1998 [4] Gryczmañski M., Sternik K.: Awaria wysokiego nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami Wirek Batorego. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2005, Szczecin Miêdzyzdroje 2005 [5] Kliszewicz B.: Analiza zagro eñ kanalizacji deszczowej na odcinku autostrady A-4 miêdzy wêz³ami Wirek Batorego. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna: Awarie Budowlane 2005, Szczecin Miêdzyzdroje 2005 [6] Okreœlenie wytrzyma³oœci na œcinanie przekruszonego materia³u skalnego w aspekcie wykorzystania go do budowy nasypu autostradowego. Katedra Mechaniki gruntów i budownictwa ziemnego, Akademia Rolnicza w Krakowie, czerwiec-lipiec, (Praca niepublik.) [7] Pisarczyk S.: Grunty nasypowe. OW Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004 [8] Porozumienie GDDKiA Oddzia³ Katowice oraz Kompanii Wêglowej S.A. w Katowicach z dn r. [9] Pullout Tests of Geogrids [10] Strycharz B., Chlipalski K., Grygierek M.: Obliczenie deformacji powierzchni w rejonie autostrady A-4 miêdzy wêz³ami Wirek Batorego. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna: Awarie Budowlane 2005, Szczecin Miêdzyzdroje 2005 Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4 pomiêdzy wêz³ami Wirek i Batorego w œwietle obliczeñ numerycznych

16 770 Geotechnika i Budownictwo Specjalne ZSMGiG XXIX [11] Strycharz B.: Problemy projektowania i utrzymania autostrad na terenach górniczych. Konferencja Naukowo Techniczna Autostrady na Terenach Górniczych, Katowice 1998 [12] Tenax Technical Papers, Reports and Design Manuals [13] Zamierzenie budowlane: Budowa Autostrady A-4 Gliwice-Katowice. Odcinek Wêze³ Wirek Wêze³ Batorego, km Projekt budowlany. Transprojekt. Krakowskie Biuro Projektów Dróg i Mostów, Kraków 2000 The causes of A-4 highway embankment failure between hubs Wirek and Batory in the light of numerical calculations This paper presents the results of numerical calculations of embankment conditions utilising Finite Element Method and Finite Difference Method. The A-4 highway embankment between hubs Wirek and Batory was ananalysed. Not long after completing considered embanlment several vertical cracks and joints in roadway and separating lane ocurreed. The damages took place in the vicinity of underground excavation of 4C longwall (seam 413/1) from Polska-Wirek coal mine. Analysis considered two different stages: first - embankment construction and second - mining deformations influence. The calculations results allowed to estimate the reasons of embankment failure. Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski