GRACZYK Mirosław 1 KRASZEWSKI Cezary 1 SZYMANKIEWICZ Czesław 1 ZOFKA Adam 1

GRACZYK Mirosław 1 KRASZEWSKI Cezary 1 SZYMANKIEWICZ Czesław 1 ZOFKA Adam 1 Bezpieczeństwo użytkowania infrastruktury lotniskowej - Posadowienie nawierzchni lotniskowej na słabonośnym podłożu - minimalizacja osiadań, zwiększenie nośności WSTĘP Bezpieczna eksploatacja lotnisk jest ściśle związana ze stanem technicznym nawierzchni lotniskowych w tym z ich właściwym posadowieniem na gruncie rodzimym. W trakcie projektowania i budowy takich konstrukcji bardzo istotne jest właściwe i dokładne rozpoznanie podłoża gruntowego a w konsekwencji właściwe posadowienie, które bezpośrednio warunkuje długotrwałą bezpieczną eksploatację nawierzchni lotniskowych. W przypadku złego rozpoznania gruntów i niewłaściwego posadowienia nawierzchni mogą nastąpić niekontrolowane osiadania konstrukcji. Niniejszy artykuł dotyczy projektowanej nawierzchni lotniskowej (powierzchnie postojowe i drogi kołowania) na bardzo zmiennym i skomplikowanym pod względem geotechnicznym podłożu gruntowym. Dokumentacja geotechniczna opracowana do projektu wykazywała występowanie gruntów organicznych, gruntów mineralnych słabonośnych i gruntów nośnych. Lokalizacja i obszary występowania tych gruntów były bardzo trudne do precyzyjnego określenia z uwagi na duży odstęp pomiędzy otworami, który wynosił 100 m. W związku z faktem dużej zmienności gruntów przeprowadzono dodatkowe rozpoznanie gruntów, pozwalające na doprecyzowanie warunków gruntowych. Badania dodatkowe wykazały, że sytuacja jest bardziej skomplikowana, występuje duża zmienność i niejednorodność gruntów po względem obszarów jak również układu pionowego warstw gruntów. Wynikała zatem potrzeba zweryfikowania obszarów odnośnie konstrukcji nawierzchni. Ze względu na dużą zmienność ośrodka gruntowego w dokumentacji projektowej przewidziano 3 rozwiązania konstrukcji: A1 konstrukcja bez wzmocnienia, A2 konstrukcja na kolumnach i geomateracu, A3 konstrukcja z georusztem. W niniejszym artykule przedstawiono analizy i optymalizację konstrukcji projektowych ze wzmocnieniem geosiatką i na kolumnach palach konstrukcje A2, A3. Przedstawiono także rozwiązania wzmocnienia podłoża gruntowego i zoptymalizowane konstrukcje nawierzchni odpowiednio do nośności podłoża. 1. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW GRUNTOWO-WODNYCH I ANALIZA MOŻLIWOŚCI POSADOWIENIA PŁYTY LOTNISKOWEJ Na znacznym obszarze projektowanej nawierzchni lotniskowej warstwa przypowierzchniowa była nienośna, zbudowana z glin pylastych, a lokalnie także z pyłów w stanie plastycznym. Pod tą warstwą, w strefach najsłabszych występowały gytie, które zalegały na warstwie piasków lub glin twardoplastycznych. Poziom wody gruntowej kształtował się na głębokości 1.4 1.8m p.p.t. w warstwie piasków z domieszkami piasków pylastych i pyłów. Co gorsza, tego rodzaju grunty mają tendencję do upłynniania się pod wpływem drgań (tiksotropia), dodatkowo osłabiając podłoże. W strefach, gdzie strop gytii występował na głębokości do ok. 3,5 m niezbędne było wykonanie wzmocnienia podłoża kolumnami (palami) przemieszczeniowymi w siatce o rozstawie 1,6 m x 1,6 m, tak jak w projekcie pierwotnym. W miejscach występowania plastycznych glin i pyłów, o stopniu plastyczności I L 0,3 należało przeprowadzić dodatkową analizę posadowienia płyty lotniskowej. W 1 Instytut Badawczy Dróg i Mostów, 03-302 Warszawa, ul. Instytutowa 1, www.ibdim.edu.pl 3462

związku z tym wydzielono obszary w zależności od miąższości warstw gruntów spoistych i głębokości na jakiej występują oraz dokonano obliczeń nośności i osiadań. Obliczenia posadowienia elementów płyty lotniska przeprowadzono za pomocą programu POSA1 w zakresie nośności podłoża, jak i osiadań. Z obliczeń wynikało, że generalnie nośność podłoża jest wystarczająca, natomiast osiadania są bardzo zróżnicowane. W miejscach występowania słabych gruntów spoistych pyły plastyczne I L = 0,35 0.4 obliczone osiadania były większe od 10 mm. Natomiast dla gruntów spoistych o I L = 0,25 0,32 osiadanie nie przekraczały 5 mm. Przyjmując, że dopuszczalne osiadania nie mogą przekroczyć 5 mm wymagane było wzmocnienie podłoża palami przy występowaniu w podłożu gruntów organicznych i spoistych o stopniu plastyczność I L 0,3 0,35. W pozostałej części rozpatrywanego obszaru wymagane było zastosowanie innego rozwiązania, ze wzmocnieniem podłoża warstwą kruszywa łamanego uzbrojonego geosiatką. 2. OBCIĄŻENIA NAWIERZCHNI Płyta lotniska składa się z elementów - płyt betonowych o wymiarach 5m x 5m. Płyty betonowe i podłoże gruntowe poddane są obciążeniu ruchomemu od kół goleni samolotu oraz dodatkowym obciążeniem podłoża jest ciężar całej konstrukcji nawierzchni płyty lotniska tj. nawierzchni o grubości 0,4 m i podbudowy o grubości 0,2 m. Dane wyjściowe do obliczeń. Samolot obliczeniowy: BOEING B747-400 Ciężar całkowity (max./ min.)-3959,87kn / 1784,59kN; Podwozie z czterema goleniami głównymi; Goleń główna czterokołowa; Obciążenie jednej goleni głównej-23,4 % Max. obciążenie goleni głównej - 909,004 kn; Ciśnienie w oponie - 1,41 MPa; Rozstaw kół w goleni głównej: Odległość między osiami śladów kół równoległych ( w kierunku ruchu samolotu ) S - 112 cm, Odległość między osiami śladów kół równoległych ( w kierunku prostopadłym do ruchu samolotu ) ST 147 cm, Odległość między osiami śladów kół po przekątnej SD 184,8 cm; Y P 4 P 3 147 cm 184.8 cm P 1,0 i P 2 X 112 cm Rys.1. Schemat rozstawu kół goleni głównej samolotu B747-400 gdzie: Obciążenie obliczeniowe na jedno koło. P nk d P0 N 3463

n- współczynnik przeciążenia n=1,0, k d - współczynnik dynamiczności, k d =1,15, P 0 obciążenie przypadające na jedną goleń główną, P 0 =909,0 kn, N- liczba kół w goleni głównej N=4. P obciążenie przypadające na jedno koło, P = 261,34 kn Powierzchnia styku koła z nawierzchnią. gdzie: q- ciśnienie powietrza w oponie q =1,41 MPa. F=26640,0/14.38 =1853 cm Wyznaczenie boku kwadratu i promienia równoważnego powierzchni śladu koła. gdzie: a wymiar boku kwadratu (cm), r promień śladu koła (cm), a = 43.04 cm r = 24.29 cm Obciążenie pyty jest następujące: F a F lub Obciążenie na płytę 5 x 5 m: n - liczba goleni na płycie, n = 2 P o - obciążenie przypadające na jedną goleń główną, P o = 909,0 kn Q 1 0 P n Q 909 2 1818, 0kN 1 Ciężar Nawierzchni: A - szerokość płyty, A = 5,0 m B - długość płyty, B = 5,0 m C grubość nawierzchni, C = 0,4 m ciężar objętościowy betonu G 1 A B C G 5 5 0,4 25 250kN 1 Ciężar Podbudowy: D grubość podbudowy G 1 A B D G 5 5 0,2 25 125kN 1 Obciążenie na grunt: Q G Q obl 1 1 G2 Q obl 1818 250 125 2218, 0kN P q r F 3464

Q char Q1 1,15 G1 1,2 G2 1,2 Q char 1818 1,15 250 1,2 150 1,2 2570, 7kN Qobl q A B 2218,0 q 88, 72kPa 5 5 3. ZASTOSOWANIE KOLUMN (PALI) DLA GRUNTÓW NIENOŚNYCH O DUŻEJ MIĄŻSZOŚCI Pierwotna konstrukcja projektowa wzmocnienia (rysunek 2) za pomocą geomateraca na kolumnach nie gwarantowała minimalizacji osiadań. Analiza wymagań wg EBGEO [2] wykazała, że minimalna grubość warstwy transmisyjnej (geomaterac) powinna wynosić co najmniej 1,86 m dla obciążeń statycznych i co najmniej 3,72 m dla obciążeń dynamicznych, przy założonym rozstawie pali kolumn 1,6 x1,6 m. Biorąc pod uwagę wymagania EBGEO, projektowa warstwa transmisyjna (kruszywo łamane zbrojone siatką) o grubości 30 cm była o wiele za cienka ze względu na kompensację osiadań przy tak złych warunkach gruntowych. Szczególnie obawiano się nierównomierności osiadań; na kolumnie (palu) osiadanie będzie małe w porównaniu do obszaru pomiędzy kolumnami (palami), gdzie osiadania osiągną wartość maksymalną. Było to ważne z uwagi na to, że projektowana konstrukcja była typu sztywnego. Rys. 2. Konstrukcja nawierzchni A-2 na gruntach nienośnych (wg projektu). Z uwagi na powyższe obawy zaprojektowano konstrukcję nawierzchni opartą bezpośrednio na palach, minimalizującą osiadania (Rysunek 3). W zaproponowanym rozwiązaniu optymalizacyjnym lotniskowa nawierzchnia betonowa jest podparta palami na poziomie podbudowy betonowej. Takie rozwiązanie pozwala na uniknięcie dużych osiadań długotrwałych, jakie mogłyby wystąpić przy podparciu palami konstrukcji nawierzchni na poziomie warstwy transmisyjnej. 3465

Rys. 3. Zoptymalizowana konstrukcja A-2 Z przeprowadzonych wyliczeń wynikało, że w obszarach występowania gytii i plastycznych glin i pyłów o stopniu plastyczności I L 0,3 0,35 niezbędne jest zastosowanie pali. Rozwiązanie to polega na tym, że betonowa konstrukcja nawierzchni wraz z podbudową oparta jest bezpośrednio na głowicach pali. W ten sposób uzyskuje się o wiele sztywniejsze podparcie, niż zastosowanie kolumn z warstwą transmisyjną zaproponowane w projekcie. Zaprojektowano pale wiercone przemieszczeniowe w regularnych rozstawach 1,6 m x 1,6 m, podpierając segmenty płyty o wymiarach 5 m x 5 m. Położenie pali pod każdym segmentem może być dowolne, przy czym na każdym z nich można ustawić nawet dwie golenie samolotu Boeing 747, który daje największe obciążenia. W związku z powyższym przeanalizowano różne warianty obciążeń i położenia pali, dla których obliczono rozkład obciążeń na poszczególne pale. Podparcie palami płyty zamodelowano jako podparcie sprężyste o sztywności określonej na podstawie badań pali w podobnych warunkach. Przyjęto sztywność osiową pala k s = 86000 kn/m. Obliczenia wykazały, że maksymalne obciążenie na pal wyniesie 414 kn. Obliczenia nośności pali przeprowadzono programem NP89 zgodnie z normą PN-83/B-02482, na podstawie których przyjęto dwie zasadnicze strefy w których wykonane będą pale. W strefie I zaprojektowano pale przemieszczeniowe Φ 400 mm długości 5 i 7 m, a w strefie II pale przemieszczeniowe długości 4 i 5 m. Z uwagi na technologię układania betonu nawierzchni lotniska z zastosowaniem ciężkich maszyn, powodujących duże obciążenia miejscowe, wywołujące w słabym podłożu parcie boczne na pale, niezbędne było ich zabezpieczenie na całej długości przed skutkami zginania poprzez zastosowanie zbrojenia w postaci kształtownika IPE 100. Przyjęto beton do wykonania pali klasy C25/30. Technologia wierconych pali przemieszczeniowych charakteryzuje się dużą wydajnością wykonywano do 50 szt. pali dziennie. Na rysunku 4 widać palownicę w trakcie wykonywania pali oraz zbrojenia pali. 3466

Rys. 4. Wykonywanie pali Przeprowadzono weryfikację nośności i osiadań pali wykonując próbne statyczne obciążenia. Potwierdziły one założone w projekcie parametry. Poniżej na rysunku 5 przedstawiono wykres próbnego obciążenia pala wykonanego zgodnie z normą PN-83/B-02482. Wynika z niego, że przy maksymalnym obciążeniu ok. 400 kn pal osiadł 3 mm. Rys. 5. Wykres próbnego obciążenia pala 3467

4. ZASTOSOWANIE GEORUSZTU DLA GRUNTÓW SŁABONOŚNYCH Dla podłoża z gruntów słabych: glin pylastych i pyłów w stanie plastycznym I L >0.25 zaprojektowano geomaterac zbrojony dwukierunkowo geosyntetykiem (geruszt) o wytrzymałości długoterminowej 60kN/60kN, przy odkształcalności ε=2%. Przy małej odkształcalności geosyntetyku powinien on bardzo dobrze współpracować z kruszywem już przy niewielkich odkształceniach, co w konsekwencji powinno zapewnić dobre podparcie podbudowy betonowej nawierzchni lotniskowej. Równomierne i dobre podparcie nawierzchni betonowej na warstwie kruszywa zbrojonego geosiatką o małej odkształcalności pozwoliło na zastosowanie podbudowy betonowej z betonu C25/30 bez zbrojenia. Zoptymalizowaną konstrukcję nawierzchni z georusztem przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Zoptymalizowana konstrukcja A-3 Przy zaleceniach doboru geosyntetyku kierowano się wytrzymałością długoterminową T d i niską odkształcalnością ε < ε gr. Uwzględniono 2 stany graniczne pracy geosyntetyku: I stan graniczny - nośności i II stan graniczny odkształceń konstrukcji. Aby spełnić wymagania wytrzymałości projektowej (długoterminowej) 60/60kN/m należało dobrać odpowiednio geosyntetyk; tj. wytrzymałość doraźną T u (podawaną przez producenta na wyrobie) podzielić przez współczynniki bezpieczeństwa T d =T u /f 1 xf 2 xf 3 xf 4 [2]. Warunek II stanu granicznego posiada postać: ε < ε gr gdzie: ε maksymalna wielkość odkształcenia zbrojenia z uwzględnieniem pełzania w projektowym okresie użytkowania konstrukcji, ε gr dopuszczalna wielkość odkształcenia. Wartości odkształceń dopuszczalnych ε gr przyjmuje się w zależności od rodzaju konstrukcji na podstawie danych zawartych w tablicy 1 wg [3] - przyjęto 2%. 3468

Tab. 1. Dopuszczalne wartości odkształceń zbrojenia z uwagi na stan graniczny użytkowalności. Rodzaj konstrukcji ε gr [ % ] ściany oporowe ze sztywną konstrukcją osłonową, poza strefą oddziaływań innych obiektów 6 % nasypy i ściany oporowe stanowiące podparcie dróg publicznych 5 % nasypy i ściany oporowe stanowiące podparcie torów 2 % przyczółki mostów i podpory ( Δε w fazie eksploatacji ) 2 % ( 0,5 % ) Wartości odkształceń geosyntetyku ε wyznacza się na podstawie tzw. izochron ustalonych na podstawie badań pełzania wyrobu przy różnych poziomach wytężenia wyrobu i temperaturze 10 o C lub 20 o C. Odkształcenia ε ustala się dla projektowego okresu użytkowania konstrukcji i maksymalnych sił jakie występują w zbrojeniu pod działaniem obciążeń charakterystycznych, przy charakterystycznych wartościach parametrów materiału gruntowego. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Rozpoznanie podłoża gruntowego jest warunkiem niezbędnym do opracowania projektu posadowienia, lecz często niewystarczającym z uwagi na dużą zmienność ośrodka gruntowego. Badania geotechniczne są badaniami punktowymi wykonywanymi z przyjętą częstotliwością, którą przyjmuje się z odpowiednich przepisów. Okazuje się, że zmienność ośrodka gruntowego może być tak duża, że na etapie realizacji inwestycji wynika potrzeba przeprojektowania ze względu na różnice ze stanem faktycznym. Dlatego niezbędna jest współpraca wykonawcy z projektantem w czasie realizacji prac wykonawczych w celu optymalizacji projektu. Przeprowadzone uzupełniające badania pozwoliły na doprecyzowanie warunków gruntowych i w konsekwencji przeprojektowanie (optymalizację) dostosowaną do realnych warunków wodnogruntowych. Zweryfikowano obszary pod względem jednorodności gruntów oraz zoptymalizowano konstrukcje. Zoptymalizowane konstrukcje dotyczyły posadowienia płyty lotniska na palach w miejscach występowania gruntów organicznych jak również wykonania zbrojenia georusztem w miejscach gruntów mineralnych słabonośnych. Przedstawiono także wskazówki doboru materiałów geosyntetycznych jako zbrojenia. Streszczenie: Poprawne rozpoznanie podłoża gruntowego jest kluczem do prawidłowego posadowienia budowli gwarantującego bezpieczeństwo jej użytkowania. Niniejszy artykuł dotyczy projektowanej nawierzchni lotniskowej (powierzchnie postojowe i drogi kołowania) na bardzo zmiennym i skomplikowanym pod względem geotechnicznym podłożu gruntowym. Przedstawiono analizy i optymalizację konstrukcji nawierzchni lotniskowej ze wzmocnieniem georusztem i konstrukcji na kolumnach palach ze względu na słabonośne i bardzo zmienne podłoże gruntowe. Słowa kluczowe: podłoże gruntowe, pal, kolumna, georuszt, wzmocnienie podłoża, nawierzchnia lotniskowa. Abstract The correct geotechnical survey is a key to the proper foundation of the construction ensures the safety of its use. This article concerns the designed airfield surface (surface parking and taxiways) in a very alternating and complex in terms of geotechnical subsoil. The paper presents the analysis and optimization of airport pavement structure with reinforcement with geogrids and structures on the columns piles due to the bearing and highly variable subsoil. Keywords: subsoil, pile, column, geogrid, subsoil reinforcement, airfield pavement. 3469

BIBLIOGRAFIA 1. BS 8006: Code of practice for strengthened / reinforced soils and other fills. 2. Recommendations for Design and Analysis of Earth Structures using Geosynthetic Reinforcements - EBGEO, Second Edition, 2009. 3. Wytyczne projektowania konstrukcji z gruntu zbrojonego geosyntetykami, ITB, Wysokiński L., Kotlicki W. 3470