PRZEMIESZCZENIA ŚCIAN SZCZELINOWYCH STANOWIĄCYCH OBUDOWY WYKOPÓW GŁĘBOKICH

Transkrypt

1 XLIX KONFERENCJA NAUKOWA Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB Warszawa-Krynica, -19 września 3 r., Krynica 3 t. V, str. 33- Grzegorz A. HORODECKI 1 Adam F. BOLT Eugeniusz DEMBICKI 3 PRZEMIESZCZENIA ŚCIAN SZCZELINOWYCH STANOWIĄCYCH OBUDOWY ÓW GŁĘBOKICH 1. Wstęp Obiekty z garażami podziemnymi lokalizowane w centrach miast, w sąsiedztwie zabudowy wykonywane są często w technologii ścian szczelinowych. Ze względów bezpieczeństwa samego wykopu jak i obiektów sąsiednich oraz do celów badawczych prowadzi się w różnym zakresie pomiary przemieszczeń ścian szczelinowych w trakcie budowy. Takie pomiary wykonywane są na świecie od wielu lat i w miarę postępu technologicznego zmienia się ich dokładność, sposób i stosowane urządzenia. Niezależnie od sposobu pomiarów ich wiarygodność jest uzależniona od prawidłowej interpretacji wyników.. Pomiary przemieszczeń Do pomiaru przemieszczeń ścian szczelinowych stosuje się najczęściej bezpośredni pomiar samej ściany w miarę odkopywania oraz coraz częściej pomiar inklinometrem ugięcia samej ściany [1,, 3]. Zarówno pomiar bezpośredni jak i pomiar inklinometrem nie dają pełnej informacji o rzeczywistych przemieszczeniach ściany. W niniejszym artykule nie uwzględniono bardziej zaawansowanych metod z uwagi na małe ich zastosowanie w praktyce krajowej. Pomiar bezpośredni przemieszczeń poziomych ściany jest pomiarem rzeczywistym jedynie w poziomie jej oczepu, gdzie możliwe jest założenie reperów (punktów) pomiarowych przed rozpoczęciem głębienia wykopu. Pozostałe punkty pomiarowe, zakładane na ścianie dopiero po odkopaniu do danej głębokości, nie dają w wyniku przemieszczeń całkowitych. Tracona jest wartość przemieszczenia jakie wystąpiło od początku głębienia do momentu założenia reperu. Im głębiej położony reper (niższa część ściany) tym większa różnica pomiędzy przemieszczeniem rzeczywistym a pomierzonym. Pomiar przemieszczeń ściany szczelinowej za pomocą inklinometru pozwala na określenie rzeczywistego ugięcia ściany. W wyniku takich pomiarów można uzyskać ugięcie 1 Dr inż., Wydział Budownictwa Wodnego i Inżynierii Środowiska Politechniki Gdańskiej Dr hab. inż. prof. PG, Wydział Budownictwa Wodnego i Inżynierii Środowiska PG 3 Prof. dr hab. inż. Wydział Budownictwa Wodnego i Inżynierii Środowiska PG -33-

2 ściany w stosunku do stanu zerowego odpowiadającego zakończeniu betonowania ściany (przed rozpoczęciem głębienia wykopu). Jednak sam pomiar inklinometrem również nie daje odpowiedzi o rzeczywiste wartości przemieszczeń poziomych ściany na różnych głębokościach. Przyjmowane często przy interpretacji w celu określenia przemieszczeń założenie, że podstawa ściany nie ulega przemieszczeniom jest mniejszym lub większym przybliżeniem. Połączenie pomiarów inklinometrem z różnego rodzaju technikami pomiarów geodezyjnych pozwala na określenie bardziej wiarygodnych wartości przemieszczeń poziomych ściany. Ze względów ekonomicznych nie można jednak liczyć na szersze (obejmujące pomiary w paru pionach na jednym obiekcie) stosowanie w Polsce inklinometru do pomiaru przemieszczeń ścian szczelinowych. Ponieważ określenie przemieszczeń jest podstawą wyznaczania rozkładów parcia gruntu, szczególnie istotna jest metoda interpretacji wyników bezpośrednich pomiarów geodezyjnych i analiz porównawczych tych wyników z wynikami obliczeń, pozwalająca na wyznaczenie rzeczywistych rozkładów przemieszczeń ściany szczelinowej. 3. Pomiary przemieszczeń na stacji Centrum (A13) Metra Warszawskiego Stację na długości korpusu wykonywano metodą odkrywkową. Odcinek torów odstawczych wykonano metodą stropową. Wykop zasadniczy (rys. 1) o wymiarach w planie ok. m () x 15 m osiągał głębokość 17, m (pomijając przegłębienia). Obudowę wykopu stanowiły ściany szczelinowe o grubości cm i głębokości średnio,5 m kotwione czterema, a w niektórych odcinkach pięcioma poziomami kotew gruntowych, zwieńczone górą stropem, podpartym dodatkowo dwoma lub trzema rzędami słupów. Słupy te, ciągłe do dna konstrukcji użytkowej, stanowią połączenie pomiędzy opisaną ramą zewnętrzną a konstrukcją wewnętrzną skrzynką, znajdującą się pomiędzy ścianami szczelinowymi (z boku stanowi je ściana wewnętrzna). Skrzynka ta jest sztywną ramą obejmującą poziomy 1 i oraz płytę denną, oddzieloną od ścian szczelinowych warstwami izolacyjnymi i wyrównawczymi. Pomiary przemieszczeń poziomych ścian szczelinowych na stacji Centrum (A13) Metra Warszawskiego prowadzono w 5 pionach pomiarowych, na ogół po punkty w Rys. 1. Widok wykopu -3-

3 Ul. Marsza³kowska każdym z nich zlokalizowane na wysokościach odpowiadających poziomom zakotwień [, 5]. Pomiary te wykonywano metodą omówioną w p. artykułu na danym poziomie zakładano reper i rozpoczynano pomiary dopiero po wykonaniu wykopu do danego poziomu. Plan wykopu z lokalizacją pionów pomiarowych przedstawiono oraz przekrój pionowy przez ścianę z rzeczywistymi parametrami zakotwień przedstawiono na rys.. Rzeczywiste parametry zakotwień różniły się w stosunku do wartości projektowych. Zestawienie parametrów średnich odpowiadających zrealizowanym zakotwieniom podano w [, 5]. PLAN U RZ D oœ N ,5 RZ D 9 oœ 13N 3 3, =17,5 (wartoœæ projektowa =15 ) RZ Doœ9N 17,5 o o Lcœr = 3,7 m =,1 o RZ D 7 oœ 5N RZ D oœ 1,5N 5 5, Lcœr =,7 m 15 =, o RZ D5oœS 7 1,5 Lcœr = 19,7 m = o RZ D oœ 5,5S 13 19, Lcœr =,3 m RZ D 3 oœ S 9,7 =3 o Lcœr = 15,5 m RZ D oœ S 11 3 RZ D 1 oœ 15S POMIAR PRZEMIESZCZEÑ PIONOWYCH POMIAR PRZEMIESZCZEÑ POZIOMYCH Al. Jerozolimskie, Rys.. Plan wykopu i przekrój pionowy przez ścianę szczelinową z uwzględnieniem rzeczywistych parametrów zakotwień []. Interpretacja wyników pomiarów przemieszczeń poziomych na stacji Centrum Ze względu na długie odcinki ścianki berlińskiej zlokalizowane w górnej części obudowy wykopu (rys. ) i brak typowego dla ścian szczelinowych oczepu pomiary przemieszczeń poziomych rozpoczęto od punktów odpowiadających pierwszemu rzędowi zakotwień. Oznacza to, iż każda z pomierzonych wartości przemieszczeń poziomych nie odpowiada przemieszczeniom całkowitym. Wartości pomierzonych przemieszczeń poziomych obudowy są zniekształcone (zarówno w kierunku wykopu jak i w kierunku do gruntu) o wartości jakie wystąpiły od chwili rozpoczęcia głębienia wykopu do chwili odkopania danego poziomu i zainstalowania punktu geodezyjnego. Dla około połowy punktów, pomiar zerowy wykonano już po sprężeniu pierwszego poziomu zakotwień. Mogło to być jedną z przyczyn zróżnicowania pomierzonych względnych wartości przemieszczeń w poszczególnych pionach pomiarowych. W celu porównania wyników pomiarów z wynikami obliczeń należy przede wszystkim uśrednić wyniki przemieszczeń dla danego etapu prac, z uwzględnieniem przesunięć czasowych w pomiarze zera oraz poszczególnych serii pomiarowych. Ponadto aby porównanie miało sens fizyczny interpretację można przeprowadzić dwoma metodami. -35-

4 1. W obliczeniach uwzględnia się szczegółowo nie tylko etapowość prac ale również późniejsze zero danego punktu pomiarowego sprowadza się wyniki obliczeń do wyników pomierzonych. Uzyskane z pomiarów i obliczeń krzywe nie odpowiadają jednak rzeczywistym przemieszczeniom poziomym.. Do pomierzonych wyników dodaje się brakującą część określoną na podstawie obliczeń. W takim przypadku porównywane krzywe odpowiadają z pewnym przybliżeniem wartościom rzeczywistym []. 5. Analizy obliczeniowe Analizy obliczeniowe zachowania się ścian szczelinowych stanowiących obudowę Stacji Centrum (A13) Metra Warszawskiego przeprowadzono trzykrotnie. Pierwszy raz w trakcie budowy stacji w celu kontroli poprawności zachowania się obudowy oraz do oceny możliwości rezygnacji z piątego poziomu zakotwień. Drugi raz pod koniec głębienia wykopu z wykorzystaniem części pomiarów przemieszczeń i parametrów zakotwień. Trzeci raz po wykonaniu obiektu jako analizę wsteczną (back analysis). Podłoże gruntowe stacji A 13 stanowią utwory czwartorzędowe. Do głębokości 1,, m, lokalnie do m, zalegają niekontrolowane nasypy gruzowo piaszczyste. Poniżej występuje kompleks glacjalny zlodowacenia Warty i zlodowacenia Odry. Składa się on z morenowych glin piaszczystych i piasków gliniastych. Lokalnie występują w formie przewarstwień zastoiskowe gliny pylaste i pyły. Osady glacjalne sięgają do głębokości, 11, m. Poniżej zalegają osady piaszczyste do głębokości, 19, m p.p.t. tj. do poziomu posadowienia płyty dennej. Są to piaski fluwioglacjalne z lokalnymi przewarstwieniami glin zastoiskowych i glin piaszczystych. Poniżej do głębokości około 5,, m występują piaski drobne i piaski średnie interglacjału mazowieckiego. Pod nimi do głębokości około 5, m zalegają osady preglacjału, reprezentowane przez gliny pylaste i pyły oraz przez piaski różnoziarniste. Od głębokości około 5, m p.p.t. zlokalizowane są osady plioceńskie. W omawianym rejonie występują dwa poziomy wody gruntowej: przypowierzchniowy i zasadniczy. Przypowierzchniowy, w postaci lokalnych sączeń, zlokalizowany jest na głębokości 3,, m. Zasadniczy poziom wody gruntowej stwierdzono w serii osadów piaszczystych pod glinami morenowymi, na głębokości,, m p.p.t w trakcie prac budowlanych [] w trakcie prac z zastosowaniem programu PLAXIS v. 5. [7] opartego na metodzie elementów skończonych, prowadzono na bieżąco określając przewidywane przemieszczenia w kolejnych etapach głębienia wykopu i zakładania i sprężania zakotwień. Przeprowadzono też analizę obliczeniową pod kątem rezygnacji z piątego poziomu zakotwień. Wyniki obliczeń wskazywały na możliwość nie wykonywania piątego rzędu kotew, jednak ze względów na tempo prac i bezpieczeństwo podjęto decyzję o jego pozostawieniu zgodnie z projektem. Wiązało się to również z pewnymi problemami wykonawczymi zakotwień, które nie zawsze uzyskiwały zakładane parametry. Uzyskane z obliczeń wartości przemieszczeń porównano z wartościami średnimi uzyskanymi z pomiarów. Rozrzut wartości pomierzonych był znaczny i wynikał z różnych czynników, jak: zróżnicowanie warunków gruntowych, różne parametry kotew, różna wysokość ścianki berlińskiej stanowiącej w znacznej części zwieńczenie ścian szczelinowych (różna sztywność), różne czasowe obciążenia naziomu za ścianką. Zakotwienia modelowano podporami o zadanej sztywności. Pomierzone wartości względne -3-

5 (p. metoda 1) przemieszczeń poziomych ściany wschodniej i zachodniej zestawiono na rys. 3, obliczone wartości względne przedstawiono na rys.. Przedstawiono tam również porównanie wartości obliczonych i pomierzonych przy zastosowaniu metody. Wartości pomiarowe skorygowano dodając do nich odpowiednie wartości obliczone Poziom Poziom Rz¹d 1 Poziom Rz¹d Rz¹d 3 Poziom Rz¹d 1 Rz¹d Rz¹d Rz¹d 3 Rz¹d 5 Rz¹d Rz¹d Rz¹d 5 Rz¹d 7 Rz¹d Rz¹d Rz¹d 7 Rz¹d 9 Rz¹d Rz¹d Rz¹d 9 Przemieszczenie œrednie a) b) Rz¹d Przemieszczenie œrednie Rys. 3. Wartości względne przemieszczeń poziomych ściany zachodniej (a) i wschodniej (b) przy wykopie do poziomu piątego rzędu zakotwień Poziom Poziom Poziom Poziom a) b) Pomiar Pomiar Rys.. Porównanie wartości względnych (a) i bezwzględnych (b) pomierzonych i obliczonych. Wykop do poziomu piątego rzędu zakotwień -37-

6 5.. Analiza wsteczna Analizę wsteczną przeprowadzono programem PLAXIS v..1. [] metodą elementów skończonych uwzględniając rzeczywiste parametry zakotwień i pomierzone wartości przemieszczeń. przeprowadzono zarówno wykorzystując typowe elementy do modelowania zakotwień gruntowych jak i stosowane we wcześniejszej analizie bieżącej (w trakcie budowy) podpory o określonej sztywności. W obu przypadkach uwzględniano etapowość prac (głębienie wykopu, instalowanie zakotwień) oraz wstępne sprężenie zakotwień. Uwzględniono rzeczywiste parametry geometryczne i materiałowe zakotwień określone na podstawie metryk wszystkich wykonanych kotew. Przykładową siatkę obliczeniową przedstawiono na rys. 5. Na rysunku przedstawiono obliczone wartości względne i bezwzględne w porównaniu do średniego (ze wszystkich pionów pomiarowych) rozkładu przemieszczeń z pomiarów. Wartości obliczone w dwóch wariantach stanowią pewną obwiednię, wewnątrz której znajdują się wartości pomierzone. Wartości uzyskane przy zastosowaniu typowych elementów zakotwień dają wyniki bliskie wartościom pomierzonym, jednak trochę zawyżone. Wynika to ze sposobu modelowania buławy iniekcyjnej zagadnienia dość złożonego i trudnego gdzie jedynym wprowadzanym parametrem jest wartość EA. Nie ma możliwości uzależnienia oporów na styku buława grunt od parametrów kontaktowych czy też wprowadzenia średnicy buławy (pole pobocznicy). Wartości przemieszczeń będące wynikiem obliczeń z zakotwieniami modelowanymi poprzez podpory o zadanej sztywności (również ze wstępnym sprężaniem) są znacznie mniejsze od wartości pomierzonych i kierunek ich wskazywałby na generowanie odporu w górnej części ściany. Wartości przemieszczeń pomierzonych w górnej części obudowy również mają w wielu pionach pomiarowych kierunek do gruntu. Jednak ze względu na większą podatność górnej części obudowy (ścianka berlińska) i sposób jej wykonywania Rys. 5. Przykładowa siatka obliczeniowa -3-

7 Poziom Poziom Poziom Poziom Pomiar (podpory o zadanej sztwynoœci) Pomiar (wartoœæ œrednia) (typowe elementy zakotwieñ) (podpory o zadanej sztywn.) (typowe elementy zakotwieñ, analiza wsteczna) a) b) (typowe elementy zakotwieñ) Pomiar (typowe elementy zakotwieñ) (podpory o zadanej sztwynoœci) (typowe elementy zakotwieñ, analiza wsteczna) Pomiar (typowe elementy zakotwieñ, analiza wsteczna) Rys.. Porównanie wartości względnych (a) i bezwzględnych (b) pomierzonych i obliczonych. Wykop do poziomu piątego rzędu zakotwień (naruszenie struktury gruntu) przemieszczenia te mogą być za małe, aby wywołać odpór gruntu.. Wnioski Przedstawione analizy pomiarów i obliczeń oraz sposoby interpretacji przemieszczeń poziomych obudowy wykopu na stacji A-13 Centrum Warszawskiego Metra pozwalają stwierdzić, że wartości obliczonych przemieszczeń obudowy zależą od wielu czynników w tym od właściwego przyjęcia parametrów ośrodka gruntowego. W przypadku wykopów istotna jest właściwa ocena modułów podatności i odkształceń wynikających z początkowego stanu naprężenia oraz odprężenia ośrodka gruntowego. Pomierzone przemieszczenia poziome obudowy wykopu przyjmują zróżnicowane wartości w stosunkowo szerokim zakresie w różnych pionach pomiarowych. Związane to może być z pewnym zróżnicowaniem podłoża gruntowego, różną wysokością podatniejszej ścianki berlińskiej w stosunku do ściany szczelinowej, różnymi parametrami wykonanych poszczególnych zakotwień oraz różnym (zwłaszcza zmiennym) obciążeniem naziomu. Utrudnia to znacznie analizę porównawczą. Porównywanie przemieszczeń względnych jest bardziej wiarygodne ze względu na jednoznaczność wyników. Nie obrazuje jednak rzeczywistej linii ugięcia i charakteru przemieszczenia się ściany. Przedstawiony wyżej sposób interpretacji przemieszczeń bezwzględnych ukazuje realny charakter zachowania się ściany, natomiast uzyskiwane wartości w dużej mierze zależą od wyników obliczeń, z którymi są porównywane (rys. ). -39-

8 Literatura [1] CARDER D.R., CARSWELL G., WATSON G.V.R., Behaviour during construction of propped diaphragm wall in stiff clay at Walthamstow. Transport Research Laboratory. project Report 17. Crowthorne, Berkshire 199. [] JANUSZ J., Aparatura do pomiarów przemieszczeń ścian szczelinowych oraz budynków istniejących w otoczeniu głębokich wykopów. Inżynieria i Budownictwo. 199, Nr,. [3] JANUSZ J., Inklinometr cięgnowy do pomiaru przemieszczeń poziomych. Inżynieria i Budownictwo. 1999, Nr 7-, s. 5. [] BOLT A.F., DEMBICKI E., HORODECKI G.A., JAWORSKA K., Analiza pomiarów i obliczeń ścian szczelinowych wielopoziomowo kotwionych. XI Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i Fundamentowania. Gdańsk T. I. s [5] BOLT A.F., DEMBICKI E., HORODECKI G.A., JAWORSKA K., The analysis of measurements of multilayered anchored diaphragm walls. Int. Conf. on Underground City: Geotechnology and Architecture. Petersburg [] HORODECKI G.A., BOLT A.F., DEMBICKI E., Problemy geotechniczne w projektowaniu i realizacji wykopów obudowanych. Inżynieria i Budownictwo., Nr, s [7] VERMEER P.A., Plaxis. Delft University of Technology, A.A.Balkema, Netherlands, 199. [] BRINKGREVE R.B.J., Plaxis, D Version. Delft University of Technology & Plaxis b.v., Netherlands. A.A.Balkema. MOVEMENTS OF DIAPHRAGM WALLS OF DEEP EXCAVATIONS Summary The measured and calculated movements of anchored diaphragm walls of deep excavation of Warsaw Underground Centrum station are described. Monitoring of diaphragm wall behaviour and numerical analyses performed with Plaxis FEM Code during excavation were carried out. The back analysis of structure was performed to confirm actual soil and interface parameters. Two ways of interpretations and comparison of calculated and measured displacements are proposed: comparison of relative and absolute wall movements. The results of analyses are discussed. --