Rola modelu geologicznego w projektowaniu głębokich wykopów; dr Marek Barański PIG-PIB dr inż. Paweł Popielski PW WIŚ
Jeśli to o czym mówisz potrafisz zmierzyć i wyrazić w liczbach, to wiesz coś ś o tym. Ale kiedy nie możesz wyrazić tego za pomocą liczb, twoja wiedza jest skromna i niedostateczna. Lord Kelvin
Karl Terzaghi Sherlock Holmes Jeśli nie osiągnięcie i i postępów w geologii inżynierskiej, to lepiej trzymajcie się z daleka od robót ziemnych. Ralph Peck dr Watson Żadnej teorii nie można uznać za poprawną, dopóki nie została sprawdzona przez obserwacje.
Geologia inżynierska (statut IAEG 1992) Nauka zajmująca się badaniami, studiami i rozwiązaniami inżynierskich i środowiskowych problemów, które mogą powstać jako rezultat wzajemnego oddziaływania pomiędzy środowiskiem geologicznym a działalnością człowieka, jak również przewidywaniem zagrożeń geologicznych oraz rozwojem badań, sposobów i środków do zapobiegania, ograniczania i usuwania ich skutków.
Problematyka geologiczno-inżynierska: inżynierska: 1. Ustalenie geomorfologicznych, strukturalnych, stratygraficznych, litologicznych i gruntowo-wodnychwodnych warunków różnych formacji geologicznych. 2. Charakterystykę y ę mineralogicznych, fizyko-geomechanicznych, y chemicznych i hydraulicznych właściwości wszystkich materiałów związanych z obiektem budowlanym, eksploatacją zasobów mineralnych oraz zmianami środowiska. 3. Ocenę mechanicznego i hydrologicznego zachowania się gruntów i masywów skalnych. 4. Przewidywanie i zmian wyżej ż wymienionych i właściwości ł ś ś i w czasie. 5. Wyznaczenie parametrów potrzebnych do analizy stateczności obiektów inżynierskich. 6. Polepszanie i utrzymanie środowiskowych warunków i właściwości terenu.
Price (2009) Delft University of Technology Department of Geosciences & Engineering g Geo-engineering
Model geologiczny Sullivan (2010)
Geologia inżynierska inżynieria geotechniczna Knill (2003) Imperial College London
Trójkąt mechaniki gruntów Burlanda Knill (2003), Anonymous (1999)
Schemat wyznaczania charakterystyk geomateriałów Hight, Leroueil (2003)
Koncepcja oceny podłoża budowlanego Mayne (2006)
Zestaw aparatury do badań laboratoryjnych Mayne i inni (2009)
Aparatura do badań polowych. Mayne i inni (2009)
Price (2009) Delft University of Technology Department of Geosciences & Engineering g Geo-engineering
Price (2009) Delft University of Technology Department of Geosciences & Engineering g Geo-engineering
Załącznik B wg PN-EN 1997-2:2009 (Eurokod 7) Etapy badań podłoża podczas projektowania geotechnicznego Geologia MODEL GEOLOGICZNY wartość charakterystyczna wartość obliczeniowa wartość wyprowadzona
Imperial College London Department of Civil and Environmental Engineering g Geotechnics
P. Popielski, A. Dąbska, 2012: Analiza granicznych odkształceń konstrukcji i przemieszczeń fundamentów według PN-EN 1997-1:2008 1:2008 w świetle innych norm, Inżynieria i Budownictwo nr 1/2012, Warszawa P. Popielski, 2012: Oddziaływanie głębokich posadowień na otoczenie w środowisku zurbanizowanym, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, seria Środowisko, z. 61, OWPW, Warszawa. P. Popielski, 2013: Metody oceny oddziaływania głębokiego posadowienia na otoczenie, XXVIII Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji - Geotechnika, Wisła 5-8 marca 2013 r
Podstawowym kryterium oceny oddziaływań głębokich posadowień (GP) jest poziom gwarancji bezpieczeństwa, zarówno dla realizowanego wykopu (stateczność t obudowy, dna itp.), konstrukcji wykonywanego budynku, jak i obiektów sąsiednich. i
Ogólny podział oceny oddziaływania: kryteria dopuszczalnych wartości przemieszczeń i ich ew. lokalizacji, kryteria ekonomiczne i społeczne, tj. dodatkowe, pozainwestycyjne koszty, uciążliwość dla mieszkańców lub współużytkowników terenu, kryteria przyrodnicze i środowiskowe, w kontekście krótkotrwałego i długotrwałego oddziaływania robót budowlanych i gotowego obiektu.
Kryteria przemieszczeniowe: zasięgi oddziaływania (określenie zasięgu stref o zróżnicowanej wrażliwości), prognozowane przemieszczenia (wartości liczbowe, przedziały zmienności itp.), wartości przemieszczeń warunkujące bezpieczeństwo obudowy i innych obiektów znajdujących się w zasięgu poszczególnych stref, określone na podstawie indywidualnej id oceny obiektów pozostających w zasięgu oddziaływania, prognoza skutków oddziaływań, ewentualne szkody w obiektach sąsiednich oraz niezbędne działania interwencyjne i ratunkowe, realnie dostępne możliwości ograniczenia zakresu oddziaływań, określenie zasięgu odwodnienia i jego wpływu na podłoże budowlane (zmiana parametrów i przemieszczenia).
Kryteria ekonomiczne i społeczne, obejmują: analizę kosztów zabezpieczeń, doboru technologii eliminujących lub ograniczających w niezbędnym ę zakresie negatywne oddziaływania na sąsiednie obiekty, prognozę ę kosztów ewentualnych napraw,, remontów itp., optymalizację ryzyka ekonomicznego określenie uzasadnionego poziomu ryzyka, oszacowanie konsekwencji społecznych (zapewnienie niezbędnego poziomu poczucia bezpieczeństwa mieszkańcom i użytkownikom obiektów sąsiednich) inne koszty społeczne i niezbędne rekompensaty.
Kryteria przyrodnicze: wpływ odwodnienia na szatę roślinną, analiza zasięgu odwodnienia z uwzględnieniem warunków hydrogeologicznych h oraz ew. ujęć ć wód podziemnych itp., analiza możliwości ograniczenia negatywnych wpływów odwodnienia na warunki zaspokajania potrzeb innych użytkowników terenu ograniczenie intensywności i zasięgu odwodnienia oraz ewentualnych podtopień po wykonaniu GP, analiza warunków i kosztów niezbędnych ę nawodnień lub odtworzeń szaty roślinnej i innych elementów środowiska przyrodniczego (kompensacji przyrodniczej).
W trakcie realizacji GP występują zróżnicowane (co do wartości, ś kierunku k i zwrotu) i zmienne w czasie przemieszczenia ośrodka gruntowego. wykonanie obudowy wykopu, obniżenie zwierciadła wody gruntowej, głębienie wykopu z sukcesywnym podpieraniem ścian (rozpieraniem lub kotwieniem), wykonanie pyy płyty fundamentowej, wykonanie części podziemnej budynku do stanu 0, zakończenie obniżania zwierciadła wody gruntowej, wykonanie części konstrukcyjnej budynku, roboty wykończeniowe i przekazanie obiektu do eksploatacji, okres eksploatacji (użytkowania) obiektu, okres rozbiórki i likwidacji obiektu.
Do oceny wpływu realizacji GP mogą służyć: kryteria oparte na opracowanych statystycznie wynikach pomiarów, zgromadzonych w różnych rejonach świata, dla różnych warunków geologicznych i gruntowych oraz technologii realizacji (trudne do uogólnienia zależności lokalne), l kryteria miejscowe oparte na opracowanych statystycznie wynikach pomiarów dla różnych gruntów i technologii oraz rodzaju zabudowy sąsiedniej, zależności oparte na opracowaniu wyników modelowania numerycznego, modele numeryczne wykonane dla analizowanej inwestycji.
Oszacowanie zakresu oddziaływania ł i w bezpośrednim sąsiedztwie GP obejmuje: zasięg oddziaływania wykopu wyznaczenie stref oddziaływań, przemieszczenia pionowe obudowy i terenu przyległego, przemieszczenia poziome obudowy i terenu przyległego, wpływ odkształceń podłoża gruntowego na stan techniczny zabudowy i infrastruktury sąsiedniej.
zasięg strefy oddziaływań wykopu S obszar gruntu wokół wykopu, w obrębie którego wykonanie wykopu może powodować wystąpienie pionowych i poziomych przemieszczeń podłoża gruntowego; zasięg strefy bezpośrednich oddziaływań wykopu S I obszar w bezpośrednim sąsiedztwie wykopu, w którym w szczególnych przypadkach mogą wystąpić przemieszczenia podłoża zagrażające nośności budynków. [Kotlicki W., Wysokiński L.: 2002]
Przemieszczenia i pionowe terenu w strefie przylegającej do GP są wynikiem superpozycji przemieszczeń ń z poszczególnych etapów robót
Lokalizacja wykonanych modeli numerycznych i badań polowych gruntu w śródmieściu Warszawy [tło - www.mapa.um.warszawa.pl/mapa]
[Atkinson J.H. 2000] [Matthews M.C. i inni 2000]
Oszacowanie sztywności podłoża metodami sejsmiki powierzchniowej Aparatura i metodyka badawcza - Zastosowanie metod sejsmiki powierzchniowej do oceny sztywności gruntu. [Barański M, Szczepański T. 2007]
Współczynniki korekcyjne do wartości E z normy PN-81/B-03020 Rodzaj gruntu Żwir, pospółka I D 0,8 0,5 E[MPa] wg PN-81/ B-03020 200 140 Piaski grube 0,8 08 130 i średnie 0,5 80 Piaski drobne 0,8 75 i pylaste 0,5 50 < 5 m poniżej dna wykopu Współczynniki 5 15 m poniżej dna wykopu > 15 m poniżej dna wykopu 1,0 1,5 2,0 1,5 2,0 3,0 2,0 20 30 3,0 40 5 4,0 5,0 50 Gliny zawałowe szare I L < 0 A > 70 3,0 5,0 5,0 6,0 -* Iły plioceńskie 0 D 26 -* 4,0 8,0 8,0 16,0 (max. 22) * - autor nie przeprowadzał weryfikacji modeli numerycznych GPOB, w których dane grunty znajdują się na tak określonych głębokościach [Popielski P. 2012]
Czekając na Annę [www.metro.waw.pl]
[www.metro.waw.pl]
Wnioski i spostrzeżenia Wiarygodność wyników obliczeń numerycznych uzależniona jest od dokładności rozpoznania geologicznego modelu geologicznego i poprawności wyznaczania parametrów materiałowych. Podczas projektowania i wykonawstwa obiektów budowlanych w trudnych warunkach (skomplikowana budowa podłoża, sąsiedztwo istniejących budynków, głębokie wykopy itp.) nie można opierać się ę na typowych y oszacowaniach parametrów oraz normowych metodach obliczeń statycznych. Niestandardowe metody obliczeń (modelownie numeryczne) wymuszają rozbudowę sieci monitoringu geodezyjnego i wykorzystanie nowoczesnych badań gruntu. Wykonane obserwacje geodezyjne pozwalają zweryfikować poprawność p modelu MES w stosunku do rzeczywistości.
Wnioski i spostrzeżenia cd. Analizując konkretny obiekt należy zidentyfikować najważniejsze oddziaływania i procesy decydujące o rozwoju deformacji i określić granice zasięgu stref ich oddziaływania. Do współpracy z obiektem włączone ł jest podłoże ż gruntowe na znacznej głębokości, często przekraczającej głębokość rozpoznania geologicznego. g g Doświadczenia wskazują, że grunty tego samego rodzaju zalegające głębiej wykazują wyższe wartości parametrów. Parametry gruntu zalegające pod obiektami sąsiednimi mogą być różne od wyznaczonych w rozpoznaniu wykonanym w rejonie głębokiego posadowienia.
Wnioski i spostrzeżenia cd. Kolejnym etapem analizy powinny być obliczenia konstrukcji uwzględniająca rozkład zmian temperatury w obiekcie i możliwe zmiany w podłożu spowodowane przez zjawiska filtracyjne. Wszystkie obliczenia powinny być weryfikowane w oparciu o pomiary wykonane na rzeczywistym obiekcie. Celowym jest stworzenie bazy danych dotyczących zrealizo- wanych projektów zawierających parametry materiałowe z dokumentacji geologicznej modelu geologicznego oraz parametry zweryfikowane metodą analizy wstecz na podstawie wyników monitoringu. Wykonanie i weryfikacja modeli numerycznych przy realizacji obiektów w gęstej zabudowie miejskiej wymaga wiedzy i współpracy specjalistów z wielu dziedzin co potwierdza praktyka zagraniczna.
DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ Tu miał być dobrze znany rysunek satyryczny przedstawiający budowniczych wieży w Pizie debatujących nad projektem. Jeden z nich mówi: Rezygnując z opinii ii geotechnika zaoszczędzimy trochę pieniędzy i trzy tygodnie czasu. dr Marek Barański dr inż. Paweł Popielski