Dr inŝ. Piotr E. SROKOSZ, psrok@uwm.edu.pl Dr Jan DAMICZ, jandam@uwm.edu.pl Dr inŝ. Andrzej BARTOSZEWICZ, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie UTRATA STATECZNOŚĆI SKARPY NASYPU DROGOWEGO THE LOSS OF SLOPE STABILITY OF ROAD EMBANKMENT Streszczenie W referacie przedstawiono przyczyny utraty stateczności skarpy nasypu drogowego znajdującego się na terenie zakładu Michelin w Olsztynie. Na podstawie obliczeń opartych na wynikach badań terenowych i laboratoryjnych przeanalizowano konstrukcję nasypu oraz wpływ występujących w podłoŝu gruntów organicznych na jego stateczność. Przedstawiono wyniki analiz dla skarpy po doraźnym zabezpieczeniu. W obliczeniach wykorzystano autorskie programy oparte na metodzie pasków i MES. Abstract In the following paper the reasons of slope stability loss of road embankment situated on area of Michelin factory in Olsztyn are presented. On the grounds of the results of calculations based on in situ and laboratory tests, the structure of embankment and the influence of organic subsoil on its stability were analyzed. The results of analyses for the slope with emergency protection are presented. The author s computer applications based on slices method and FEM were used in the calculations. 1. Wprowadzenie Analizowana skarpa stanowi południową stronę nasypu drogowego w obrębie przepustu kanału Szczęsne w km 1+740 1+780 drogi O-Z na terenie zakładu Michelin Polska w Olsztynie. Droga wybudowana na nasypie jest waŝnym elementem komunikacji pomiędzy centrum logistycznym a fabryką opon samochodowych. Na podstawie wizji lokalnej przeprowadzonej dnia 6 X 2006r. stwierdzono utratę stateczności lokalnej w postaci odłamów powierzchniowych gruntu w części środkowej i u podnóŝa skarpy oraz utratę stateczności globalnej na podstawie deformacji korony (spękania, szczeliny, rys.1) w pobliŝu krawędzi drogi asfaltowej. Ze względu na postępujący proces degradacji struktury gruntów i zwiększające się deformacje nasypu podjęto decyzję o zmianie profilu skarpy dociąŝenie jej podnóŝa, które potraktowano jako zabezpieczenie tymczasowe - doraźne (rys.2). W zakres prac związanych z ustaleniem przyczyn utraty stateczności skarpy weszły badania terenowe (wiercenia penetracyjne, badania makroskopowe, pobór prób o naturalnej wilgotności i nienaruszonej strukturze) oraz laboratoryjne (oznaczenia podstawowych cech fizycznych, badania trójosiowego ściskania), których wyniki stanowiły podstawę obliczeń statycznych (metoda pasków i MES). 497
a) b) Rys. 1. a) Widok zniszczonej skarpy; b) spękania w koronie Rys. 2. Profil skarpy po doraźnym zabezpieczeniu 498
2. Wyniki badań terenowych Na podstawie dokumentacji [1] stwierdzono, Ŝe nasyp drogowy zbudowany jest w przewaŝającej części z gruntów o charakterze spoistym (gliny piaszczyste, piaski gliniaste) w stanie twardoplastycznym i plastycznym, jakkolwiek badania stanu in situ wykazały istnienie rozległych obszarów z gruntami miękkoplastycznymi. W nasyp wbudowano kilka warstw z gruntów niespoistych (pospółka, piasek gruby i średni) w stanie średniozagęszczonym i zagęszczonym, w których występuje woda gruntowa o zwierciadle swobodnym. W podłoŝu nasypu zalegają grunty organiczne (namuły, torf) oraz grunty mineralne z domieszkami części organicznych (gliny piaszczyste, gliny pylaste, pyły w stanie plastycznym). PoniŜej tych warstw wykazano grunty rodzime mineralne (średniozagęszczone piaski drobne z wodą o zwierciadle napiętym oraz gliny piaszczyste w stanie twardoplastycznym). Uproszczony przekrój geotechniczny przedstawiono na rys.3. Rys. 3. Uproszczony przekrój geotechniczny 3. Badania laboratoryjne Badania laboratoryjne przeprowadzone na próbach NW i NNS wykazały bardzo duŝą niejednorodność gruntu w nasypie. W obrębie gruntów spoistych stwierdzono występowanie lokalnych gniazd cementacji (półzwarty Pg+CaCO 3 ) otoczonych gruntami spoistymi w stanie plastycznym. Próbki o nienaruszonej strukturze charakteryzowały się wyraźną oddzielnością warstw o róŝnej granulacji i stanie (rys.4.), co szczególnie utrudniało ich obróbkę i przygotowanie do badań wytrzymałościowych. Niejednorodność materiału NNS skutkowała znacznym rozrzutem wytrzymałości badanych próbek (2-4 próby z jednego cylindra). Mimo, iŝ uzyskane wartości parametrów wytrzymałościowych (tab.1) naleŝy traktować tylko jako charakterystykę punktową, wykorzystano je w obliczeniach stateczności skarpy, uzupełniając wątpliwe dane informacjami wynikającymi z doświadczenia Autorów niniejszego referatu. Uzyskane wartości parametrów wytrzymałościowych odnoszą się przede wszystkim do tych fragmentów gruntów nasypowych, z których moŝliwe było wycięcie prawidłowej próbki do badań trójosiowego ściskania. NaleŜy je więc traktować jako relatywnie lepsze od właściwych dla ich bezpośredniego otoczenia, co naleŝało takŝe uwzględnić w obliczeniach stateczności. 499
Rys. 4. Oddzielność warstw o róŝnym stanie i granulacji Tablica 1. Wyniki badań laboratoryjnych prób NNS Próba NNS1 NNS2 NNS3 NNS4 NNS5 NNS6 Nr otworu 1 1 1 4 4 5 Głębokość [m] 6.35 7.10 10.00 8.40 11.40 4.20 Rodzaj gruntu Gp Gp Pg Nm Gp+ś Gp Stan gruntu tpl tpl pzw/tpl pl tpl tpl Barwa brązowa brązowa j.brązowa c.szara szara brązowa ρ [g/cm 3 ] 2.177 2.154 2.212 1.850 2.244 2.142 w n [%] 10.98 14.06 11.26 39.39 13.01 14.20 Φ [deg] 18.05 13.64 20.86 5.69 16.42 15.33 c [kpa] 35.58 11.88 77.49 13.58 30.59 34.33 Φ [deg] 20.54 14.48 30.95 7.41 21.43 24.39 c [kpa] 42.30 22.46 50.71 15.16 38.86 28.63 4. Obliczenia stateczności skarpy W analizie statycznej doraźnie zabezpieczonej skarpy wykorzystano metodę pasków Bishopa oraz MES. W obliczeniach metodą pasków uwzględniono wpływ wody gruntowej oraz nachylenie jej zwierciadła (ciśnienie spływowe). W koronie skarpy przyjęto obciąŝenie równomiernie rozłoŝone. Obliczenia wykonano przy uŝyciu programu komputerowego "SlopeFB" [3], którym przeanalizowano przekrój geotechniczny I-I (rys.3) wg dokumentacji [1], uzyskując po dwa współczynniki bezpieczeństwa dla kaŝdego analizowanego koła poślizgu (z i bez ciśnienia spływowego). 500
Rys. 5. Krytyczne koła poślizgu (F min Bishop 1.0) Analiza ponad 10000 potencjalnych kół poślizgu dla parametrów o wartościach uwzględniających wysoką niejednorodność składu i struktury gruntów (np. dla Nm Φ <5.7 10.0>[deg], c <13.6 8.2>[kPa]), wykazały, Ŝe minimalna wartość współczynnika bezpieczeństwa wg metody Bishopa moŝe osiągnąć wartość F min = 0.96, co wskazuje na bezpośredni stan zagroŝenia utratą stateczności globalnej skarpy. Wszystkie krytyczne koła poślizgu lokalizują się w warstwie gruntów organicznych (rys.5). Obliczenia z wykorzystaniem metody elementów skończonych [4] zostały przeprowadzone na zdyskretyzowanym przekroju I-I 692. elementami trójkątnymi, trójwęzłowymi T3, w układzie płaskiego stanu odkształceń. Do obliczeń przyjęto model konstytutywny liniowo spręŝysty - idealnie plastyczny z kryterium Coulomba-Mohra. W obliczeniach przyjęto obciąŝenie cięŝarem własnym gruntu, natomiast pominięto wpływ ciśnienia spływowego oraz obciąŝenia w koronie rozpatrując dwa warianty układu warstw gruntowych : wg dokumentacji [1] (rys.3) oraz z pominięciem gruntów słabych, organicznych (wymiana na grunty niespoiste, średniozagęszczone i zagęszczone). Efektem obliczeń są dwa stany deformacji skarpy przedstawione na rys.6 i 7. Obliczenia metodą elementów skończonych wykazały, Ŝe oprócz schematu zniszczenia skarpy walcowymi powierzchniami poślizgu istnieje realne zagroŝenie rozłamem bryły nasypu, który moŝe być spowodowany odkształceniem (osiadaniem i przemieszczeniem) materiału warstw gruntów słabych. Rys.6. Wyniki obliczeń z uwzględnieniem gruntów organicznych w podłoŝu 501
Rys.7. Wyniki obliczeń z pominięciem gruntów organicznych w podłoŝu (wymiana na grunty niespoiste, średniozagęszczone i zagęszczone) 5. Wnioski Analiza porównawcza wyników obliczeń metodą elementów skończonych dla wariantów z i bez warstwy słabej wskazała bezpośrednią przyczynę niestabilności konstrukcji nasypu jest nią słabe podłoŝe z gruntami organicznymi. Warstwy nienośnych gruntów organicznych mogą teŝ zagraŝać utratą stateczności globalnej wg schematu z walcowymi powierzchniami poślizgu. NaleŜy pamiętać o tym, Ŝe wysoka niejednorodność gruntów w samym nasypie moŝe inicjować utratę stateczności poprzez spękania tworzące się na powierzchniach kontaktowych między gruntami o znacznie róŝniących się właściwościach fizykomechanicznych, a takŝe być przyczyną lokalnych powierzchniowych spływów i odłamów, potęgowanych oddziaływaniem infiltrujących w nasyp wód opadowych (działaniem sufozyjnym, powodującym rozluźnienie struktury gruntów; zawilgoceniem, wywołującym dociąŝenie i niekorzystną zmianę stanu gruntów spoistych). Opisany stan awaryjny nasypu drogowego jest przede wszystkim konsekwencją braku odpowiedniego rozpoznania warunków geologicznych w jego podłoŝu i braku nadzoru geologicznego w trakcie wykonywania nasypu. Następstwem było nieuwzględnienie występujących w podłoŝu gruntów organicznych, które ze względu na bardzo niskie wartości parametrów wytrzymałościowych i duŝą ściśliwość stanowią podstawową przyczynę utraty stateczności nasypu drogowego. Literatura 1. Badania geotechniczne południowej strony nasypu drogowego na terenie zakładów Michelin Polska w Olsztynie, Zakład Geologiczny GEOL, październik, 2006, 2. Karty badań laboratoryjnych, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, październik, 2006, 3. SlopeFB program komputerowy do obliczeń stateczności skarp i zboczy metodą pasków, P.E. Srokosz, 2000-2006, 4. SlopeFEM - program komputerowy do obliczeń stateczności skarp i zboczy metodą elementów skończonych, P.E. Srokosz, 2006. 502