Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Praktyczne przykłady posadawiania nasypów na gruntach słabych. 1. Wzmocnienie podtorza kolejowego dla rozbudowy infrastruktury kolejowej w Porcie Szczecin Podłoże na terenach portowych budują przede wszystkim torfy i namuły pokryte średnio 3 metrową warstwą piasków pochodzących z narefulowania. Miąższości gruntów organicznych dochodzą tutaj do 8,0 m. Nośność takiego podłoża wynosi 15 20 kpa. W tej sytuacji ze względu na zbyt małą nośność podłoża posadowienie konstrukcji kolejowych na tym terenie przyjęto za pośrednictwem wzmocnienia geotkaninami i geokomórkami. Geotkaniny jako główne zbrojenie ułożono w formie poduszki wypełnionej piaskiem o I s = 1,0 z kontrbankietami, czyli obustronnymi poszerzeniami podstawy nasypu. W dalszej kolejności, dla ograniczenia wpływu rozporu bocznego kruszywa zastosowano geokomórki ułożone bezpośrednio na górnej warstwie geotkaniny tworzącej poduszkę Analiza obliczeń I i II stanu granicznego z udziałem programu Geo 1 jak również kształtu i zasięgu stref powierzchni poślizgu, potwierdziła zasadność wprowadzenia kontrbankietów i geokomórek. W ten sposób wyeliminowano rozwój stref wyporu gruntu w rejonie podstawy nasypu oraz zahamowano proces uplastycznienia stref naprężeń w podłożu. Minimalne wymagania dla geotkanin przy obciążeniu pasmowym (q = 80 kpa ) od taboru kolejowego wynoszą :
- wytrzymałość na rozciąganie min. 100 kn/m, - wydłużenie przy obciążeniu maksymalnym 10-20 %, - siła przebicia statycznego ( metoda CBR ) min. 10 kn, - średnica otworu przy dynamicznym przebiciu ( metoda spadającego stożka ) 3-5 mm. W trakcie projektowania rozpatrywano również możliwość zastosowania geosiatek. Jednak ich funkcja wzmacniająca była niewystarczająca. Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie geosiatek - 60 kn/m była niewystarczająca. W większości przypadków ta funkcja jest decydująca o wyborze materiału. Dodatkowo funkcja separacyjna jest wykluczona w przypadku geosiatek i dlatego konieczne byłoby podścielenie jej geowłókniną. Takie połączenie obu materiałów jest niekorzystne również z uwagi na koszty łączne materiałów i robocizny. W zestawieniu z wysokowytrzymałymi geotkaninami, geosiatki nie zdają egzaminu w większości zastosowań. Geotkaniny w odróżnieniu od geosiatek pełnią wszystkie funkcje jednocześnie,tj :. - wzmocnienie podtorza, - separację gruntów podłoża od warstw podtorza z wyeliminowaniem zjawiska kolmatacji materiału, - filtrację i - drenowanie ( przy założeniu prawidłowo wykonanych spadków poprzecznych. Uwaga : W przypadku podłoża o wyższych nośnościach możliwe jest układanie płaszczyznowe geotkanin z charakterystycznym zakotwieniem na bokach. Wieloletnie doświadczenia we wzmacnianiu podłoża gruntowego z analizą pracy w trakcie eksploatacji torowisk przemawiają za wyborem geotkanin. Schemat wzmocnienia podłoża i sposobu uszczelnienia tacy pod torowiskiem kolejowym na terenie placu manipulacyjnego w Porcie Szczecin (inwestycja zrealizowana w 2007 r.)
2. Wzmocnienie podłoża gruntowego dla budowy linii tramwajowej wzdłuż ul. Nowogliwickiej w Katowicach (1994 r.). Posadawianie konstrukcji kolejowych lub tramwajowych zawsze jest obarczone koniecznością zapewnienia nośności oraz jak najmniejszych deformacji torowiska. Szczególnego znaczenia nabiera sprawdzenie I i II stanu granicznego w przypadku występowania w podłożu gruntów słabonośnych oraz ich wzmacnianie. Problem posadowienia torowiska tramwajowego na gruntach słabych w centrum Katowic w ciągu ul. Nowogliwickiej rozwiązano projektując wzmocnienie nasypu pod dwie nitki tramwajowe. Do analizy wzięto zarówno parametry obciążenia zewnętrznego jak i właściwości podłoża zbudowanego z torfu ( = 5 0, c = 7 kpa, Mo = 500 kpa) o miąższości ok. 4 m. Wykorzystanie programu komputerowego do obliczeń geotechnicznych skróciło cykl projektowy, a jednocześnie umożliwiło, poprzez analizę stref naprężeń pod nasypem, optymalizację doboru geotkaniny w celu wzmocnienia podłoża. W trakcie wieloletniej eksploatacji wybudowanego odcinka linii tramwajowej na wzmocnionym podłożu nie wystąpiła konieczność dokonania jakiejkolwiek rektyfikacji toru. Wzmocnienie podłoża gruntowego geotkaniną.
Linia tramwajowa wzdłuż ul. Nowogliwickiej w Katowicach. 3. Wzmocnienie podłoża oraz przyspieszenie procesu konsolidacji poprzez zastosowanie drenażu pionowego na obejściu drogowym m. Kukułowo w ciągu drogi woj. Nr 41-112 Kamień Pomorski Recław. Duża część nasypów drogowych w północnej części województwa Zachodniopomorskiego posadowionych jest na obszarach zalewowych i bagiennych. Problemy nośności, odkształcalności podłoża i jego osiadania są przez nas rozwiązywane kompleksowo, od projektu technicznego do wykonawstwa. Wdrażanie nowych technik wzmacniania słabych podłoży oraz przyspieszanie ich konsolidacji to jeden z głównych kierunków naszej działalności. Z podobnym problemem zetknęliśmy się m.in. przy realizacji obejścia drogowego m. Kukułowo w ciągu drogi Kamień Pomorski Recław. Nowy odcinek drogi przebiegający przez tereny torfowe o miąższościach do 9 m wzmocniono geotkaniną o wytrzymałości na zerwanie równej 80 kn/m oraz zastosowano drenaż pionowy z syntetycznych drenów taśmowych dla uzyskania szybkiego efektu konsolidacji. Założono, że proces osiadania w czasie skrócony zostanie do 1 roku. Zarówno dobór geotkaniny, rozstaw drenów pionowych, szerokość kontrbankietów jak i zasięg stref wyporu analizowany był za pomocą programów komputerowych.
Prezentowane zdjęcia pokazują kolejne fazy realizacji obejścia drogowego 1996/1997 r. Wykonanie drenażu pionowego Obejście drogowe m. Kukułowo
4. Wzmocnienie podłoża przy przebudowie odcinka drogi Nr 3 Stare Czarnowo Żabów wraz z przyspieszeniem procesu konsolidacji podłoża przy zastosowaniu drenażu pionowego (1994 r.). Modernizacja drogi krajowej Nr 3 Szczecin Gorzów Wlkp. zakładała dostosowanie przekrojów poprzecznych do nowych normatywów. Poszerzenie konstrukcji drogowej i nasypów było jednym z elementów planowanej modernizacji. Zmianom podlegał również przebieg trasy w planie oraz niweleta z korektą łuków. Problematycznym okazał się odcinek Stare Czarnowo Żabów w rejonie mostu drogowego na rzece Krzeknie wraz z dojazdami. Przystępując do fazy projektowania wykonano wiercenia i badania geotechniczne, na podstawie których stwierdzono występowanie gruntów organicznych: torfów, namułów, gytii i kredy jeziornej do głębokości ponad 12 m. Taka koncentracja gruntów nienośnych jest związana z istnieniem naturalnej rynny wypełnionej w przeciągu długiego okresu geologicznego utworami holocenu
Na tym też terenie w 1974 roku zostały posadowione dojazdy do mostu po uprzednim wybagrowaniu torfu do głębokości 2,0 m ppt. Istniejąca droga na dojazdach do mostu wykazywała stałe osiadanie. Nierówności usuwano poprzez dodawanie kolejnych warstw nawierzchni bitumicznej potęgując zniszczenie. Po dokonaniu niezbędnych analiz i obliczeń numerycznych stwierdzono, że optymalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie drenażu pionowego wraz ze zbrojeniem podłoża wysokowytrzymałymi geotkaninami. Taśmowy drenaż pionowy umożliwił szybkie odsączenie wody porowej z masywu konsolidowanego gruntu. Spowodowało to szybszy wzrost naprężeń efektywnych a tym samym przyspieszyło przebieg odkształceń filtracyjnych i wtórnych. Założony rozstaw drenów pionowych potwierdził tempo osiadania nasypów, szczególnie dotyczyło to poszerzeń. Dodanie geotkanin o dużych wytrzymałościach spowodowało utrzymanie całości konstrukcji oraz zwiększyło nośność podłoża poprzez przejęcie sił rozciągających na granicy nasyp podłoże. Poszerzenie korpusu drogowego o kontrbankiety wyeliminowało efekty wypierania podłoża na boki, tym samym hamując rozwój stref plastycznych pod nasypem. Dodatkowo w konstrukcji nawierzchni pomiędzy warstwą wiążącą a ścieralną wbudowano geosiatki dla wyeliminowania spękań odbitych na styku poszerzenia starej nawierzchni i dodania nowej. Wieloletnie obserwacje osiadań i dysypacji ciśnienia porowego przy wykorzystaniu nowatorskich piezometrów z membraną potwierdziły wstępne założenia i rozwiązania projektowe. Nawierzchnia na projektowanym odcinku zachowuje się stabilnie bez niekontrolowanych osiadań w przekrojach poprzecznych a niweleta zachowuje swój pierwotny kształt. 5. Wzmocnienie podłoża gruntowego dla modernizacji drogi Nr 133 (1997 r.). W związku z istnieniem złego stanu technicznego drogi Nr 133 zaplanowano jej modernizację. Na wielu odcinkach droga Nr 133 przecina lokalne zagłębienia terenu wypełnione gruntami bagiennymi torfy, namuły i gytie. Na tych też odcinkach po wykonaniu badań stwierdzono zaleganie tych gruntów do głębokości ok. 9,0 m ppt. Stwierdzony stan awaryjny wykazywał duże spękania poprzeczne i podłużne oraz sfalowanie masy wzdłuż krawędzi jezdni.
W ramach obliczeń projektowych sprawdzono I i II stan graniczny. Ze względu na niskie parametry fizykomechaniczne podłoża ( = 4 0, c = 6 kpa, w n = 550 %, M 0 = 350 kpa) należało sprawdzić jeszcze możliwość bocznego wyparcia gruntu oraz przebieg konsolidacji podłoża pod nowoprojektowanymi poszerzeniami nasypu drogowego. Uwzględniając poszerzony korpus nasypu modernizowanej drogi oraz konieczność podniesienia niwelety na tych dwóch odcinkach wraz z rozebraniem starej zniszczonej konstrukcji nawierzchni założono w projekcie przyspieszenie konsolidacji podłoża oraz jego wzmocnienie. Zastosowanie taśmowego drenażu pionowego oraz geotkanin o dużych wytrzymałościach wraz z kontrbankietami dociskowymi zlikwidowało problem niekontrolowanych deformacji przekrojów poprzecznych i niwelety. Obliczony rozstaw drenażu pionowego zakładał osiągnięcie stopnia konsolidacji U = 0,95 w czasie 12 m-cy, co zostało potwierdzone po wykonaniu robót, już w trakcie eksploatacji. W czasie procesu konsolidacji funkcjonował system do pomiaru osiadań jak również do pomiaru ciśnienia i dysypacji wody porowej. Zaproponowane rozwiązania i technologie stosowane były już wcześniej, np. w 1994 roku w trakcie modernizacji drogi krajowej Nr 3 na odcinku Stare Czarnowo Żabów. 6. Posadowienie nasypu drogowego w ciągu zmiany przebiegu drogi krajowej Nr 11 (obejście Piły).
Opracowanie z 1996 r. dotyczy odcinka projektowanego obejścia zabudowanych terenów Piły od strony południowo-wschodniej w ciągu drogi krajowej Nr 11. Po wykonaniu badań geotechnicznych podłoża okazało się, że w obrębie dojazdów do projektowanego mostu nad rzeką Brdą zalegają grunty organiczne torfy i namuły o niskich parametrach wytrzymałościowych. Głębokość zalegania tych gruntów dochodziła do ok. 4,0 m. W związku z trudnościami technicznymi związanymi z pierwotnie przyjętą technologią wymiany gruntów organicznych na grunty mineralne zaproponowano wykonanie projektu zamiennego. Projekt zamienny dotyczył posadowienia nasypów drogowych bezpośrednio na warstwie kożucha torfowego. Technologia ta zakładała pozostawienie istniejącego podłoża z jednoczesnym zapewnieniem stateczności nasypów poprzez zastosowanie taśmowych drenów pionowych i geotkaniny. Wykorzystując program komputerowy określono minimalną wytrzymałość pasma wzmocnienia z geotkaniny dla podłoża nieskonsolidowanego. Poprzez taśmowy drenaż pionowy uzyskano skrócenie czasu konsolidacji do 6 miesięcy. W trakcie procesu konsolidacji podłoża nasyp przeciążający symulował przyszłe obciążenie od ruchu. Poszerzenie korpusu drogowego o kontrbankiety wyeliminowało efekty wypierania podłoża spod strefy obciążenia. Według obliczeń rozwój stref plastycznych sięgał obustronnie po 6 m poza obrys nasypu. Prowadzone obserwacje i przeglądy techniczne tego odcinka drogi Nr 11 potwierdziły przydatność tych technologii. Zaproponowane rozwiązania techniczne w naszym projekcie zamiennym stosowane były już wcześniej, m.in.: w trakcie modernizacji drogi krajowej Nr 3 na odcinku Stare Czarnowo Żabów i dla modernizacji drogi Nr 133. 7. Posadowienie nasypu drogowego obwodnicy m. Wągrowca.
W 2000 roku zgodnie ze zleceniem Inwestora zaprojektowano posadowienie nasypu drogowego obwodnicy m. Wągrowiec na odcinku zalegania w podłożu gruntów słabonośnych. Badania geotechniczne wykazały występowanie torfów i namułów w stanie miękkoplastycznym. Ich wytrzymałość na ścinanie określono w granicach od kilku do ok. 25 kpa, a wilgotność do 600 %. Głębokość zalegania zmieniała się w profilu podłużnym od 2,0 do 6,5 m ppt. Przystępując do projektu zmieniono wcześniej przyjętą technologię wymiany gruntu z jednoczesną wibroflotacją na taśmowy drenaż pionowy i geotkaniny z kontrbankietami. Podstawowym warunkiem do spełnienia przez naszych projektantów była optymalizacja organizacyjno finansowa przedsięwzięcia inwestycyjnego. Proponując technologie sprawdzone wcześniej na wielu budowach, a jednocześnie mając doskonałe rozpoznanie geotechniczne i nowoczesne narzędzia projektowe oraz przygotowaną kadrę projektantów, przekazaliśmy zamawiającemu projekt ze wszech miar nowoczesny. Określenie stref wyporu jak również wartości nośności wprowadzonej poprzez geotkaniny były analizowane przy zastosowaniu programu komputerowego. Poszerzenie korpusu drogowego o kontrbankiety wyeliminowało efekty wypierania podłoża na boki, tym samym hamując rozwój stref plastycznych pod nasypem. Stateczność ogólna jest zapewniona poprzez konstrukcję zamkniętej poduszki z geotkaniny, a stateczność lokalna pasmem geotkaniny z charakterystycznym zakotwieniem na bokach. Znaczącym utrudnieniem w trakcie obliczeń i projektowania był zmienny spad warstwy słabonośnej zarówno w kierunku podłużnym jak i poprzecznym.
8. Posadowienie nasypu drogowego na obejściu m. Ognica w ciągu drogi wojewódzkiej Nr 122. Projektowanie nasypów drogowych posadawianych na słabonośnych podłożach wiąże się z modyfikacją właściwości tych gruntów. W dzisiejszych warunkach intensywnej urbanizacji i z tym związanej ograniczonej lokalizacji, często nasi projektanci stają przed trudnym zadaniem posadowienia obiektu inżynierskiego na podłożu budowanym przez torfy, pod którymi mogą występować dodatkowo jeszcze namuły, kredy i gytie. Szczególnie wyraźnie występuje to zjawisko przy budowie tras komunikacyjnych, które z racji swego optymalnego zarysu często prowadzą przez tereny słabonośne, tak jak w przypadku obejścia drogowego m. Ognica w ciągu drogi wojewódzkiej Nr 122. Podłoże gruntowe na odcinku 1 km zbudowane jest z gruntów organicznych - torfów o wilgotności 300 % i miąższości do 9,0 m ppt. Wykorzystując program komputerowy oszacowano nośność podłoża, wyznaczono zasięg stref wyporu gruntów słabych oraz dobrano rodzaj wzmocnienia. Zaprojektowane poszczególne warstwy wysokowytrzymałej geotkaniny spełniają określone wcześniej funkcje. Dodanie z obu stron kontrbankietów zmieniło schemat statyczny pracy nasypu oraz poprzez dociśnięcie stref wyporu podniosło nośność podłoża. Zaproponowane rozwiązanie projektowe z drenażem pionowym dla przyspieszenia konsolidacji warstwy torfu przyczyniło się do znacznych efektów organizacyjno-finansowych.
Wykonanie drenażu pionowego (2000 r.) Obejście drogowe Ognica (2001 r.)
9. Podsumowanie. Problematyka wzmacniania obiektów inżynierskich wymaga dokładnego rozpoznania podłoża i wyznaczenia celu jakiemu ma służyć określona konstrukcja. Wybór odpowiedniej metody obliczeniowej lub programu komputerowego niesie za sobą dwie ważne implikacje dla projektanta. Po pierwsze prawidłowe obliczenie wytrzymałości na rozciąganie zbrojenia powinno uwzględniać przyjętą wysokość nasypu, obciążenia użytkowe i parcie boczne zasypki, która stanowi istotną część siły zrywającej geosyntetyk. Po drugie, najistotniejsze z dostępnych obecnie na rynku materiałów geosyntetycznych osiągają deklarowane parametry wytrzymałościowe po wydłużeniu ponad 6 %. Takie wielkości odkształceń znacznie przekraczają reakcję sprężystą słabej warstwy. Zatem w przypadku projektowania nasypu o kształcie podstawowym na słabym gruncie należy zawsze liczyć się z koniecznością znalezienia i wykazania się solidnym argumentem przemawiającym za takim wyborem. Pomijany w wielu opracowaniach zasięg stref naprężeń w podłożu obciążonym nasypem prowadzi do szeregu błędów i niejednokrotnie awarii. Tym samym bazując na odpowiednich obliczeniach jak również na analizie szeregu już zrealizowanych obiektów, należy stwierdzić, że przekrój poprzeczny nasypów jak również układ i parametry zbrojenia powinny być każdorazowo optymalizowane pod kątem efektywności i poprawności rozwiązań. Pomijane konstrukcje kontrbankietów w trakcie projektowania nasypów odbijają się awariami w trakcie późniejszej ich eksploatacji. Rola kontrbankietów i konstrukcji zamkniętych poduszek w funkcji optymalizacji przekroju poprzecznego jest nie do przecenienia. Opracował : Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska
Literatura : 1. BS 8006:1995 Code of practice for strengthened/reinforced soil and other fills. 2. PN-EN 13251:2000 Geotekstylia i wyroby pokrewne. Właściwości wymagane przy stosowaniu w robotach ziemnych, fundamentowych i konstrukcjach oporowych 3. PN-S-02205:1998Drogi samochodowe.roboty ziemne.wymagania i badania. 4. PN-81/B-03020 Posadowienia bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie 5. PN-83/B-03010 Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie 6. Colbond Workshop: Design Concepts of Reinforced Walls, Slopes and Embankments. W-wa 2007 7. Dembicki E., Jermołowicz P.,Niemunis A. : Bearing capacity of strip foundation on soil reinforced by geotextile. In 3 rd Int. Conf. on Geotextiles, Vienna 1986 8. Dembicki E., Jermołowicz P.: Model tests of bearing capacity of a weak subsoil reinforced by geotextiles. In 1 rd Indian Geotextiles Conf. on Reinforced Soil and Geotextiles. Bombay 1988 9. Dembicki E.: Zagadnienia geotechniczne budowli morskich. Wyd. Morskie, Gdańsk 1987 10.Griend van de A.A.: Deformation of plastic drains. Weg en Water. No 1, Delft 1984 11.ITB. Instrukcje, wytyczne, poradniki Nr 429/2007 12.Jermołowicz P.: Zastosowanie geowłóknin do wzmacniania słabych podłoży gruntowych. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej nr 26, Szczecin 1987, s. 111 128 13.Jermołowicz P.: Geosyntetyki w drogownictwie. BTE 1997, nr 2. s. 20 21 14.Jermołowicz P.: Wytyczne do projektowania drenaży pionowych. Instrukcja wewnętrzna. Szczecin 1987 15.Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. GDDP, Warszawa 1997, 16.Koerner R.M.,Welsh J.:Construction and geotechnical engineering using synthetic fabrics. J.Wiley and Sons, New York 1980 17. Koerner R.M. Designing with geosynthetics, (Fifth edition) Prentice Hall 2005 Materiały z XVI z Konferencji: Warsztat pracy projektanta konstrukcji. Ustroń 2001 18.Leśniewska D.,Krieger B.,Thamm B.R.: Doświadczalna i teoretyczna analiza mechanizmów zniszczenia eksperymentalnych murów oporowych z gruntu 19. Materiały z konferencji Naukowo-Technicznej: Geosyntetyki i tworzywa sztuczne w geotechnice i budownictwie inżynieryjnym. Częstochowa 2006 20. Materiały z Seminarium IBDIM i PZWFS ; Wzmacnianie podłoża gruntowego i fundamentów budowli. W-wa 2007 21. Materiały z Seminarium IGS: Geosyntetyki podstawą współczesnej geoinżynierii W- wa 2007 22.Molisz R.,Baran L.,Werno M.: Nasypy na gruntach organicznych. WKŁ, Warszawa 1986 23.Perrier H.: Sol bicouche renforce par geotextile. LCPC, Paryż 1983 24.Pisarczyk S.: Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego P.W. 2005 25.Podręczniki do projektowania dla programów Sigma W, ReSSa, Plaxis v.7,0, Slope W, MSEW, Slide v.5.0 26. Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Pod red. Z.Biedrowskiego. Poznań 1986 27. Richardson G. : Geogrids vs. geotextiles in roadway applications. GFR 1997
28. Rolla S.: Geotekstylia w budownictwie drogowym WKŁ 1988 29. Voskamp W.: A history of differences. GFR 1995 30.Wesolowski A. [i in.]: Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich. Wyd. SGGW. W- wa 2000 31.Wiłun Z.: Zarys Geotechniki. WKŁ 1982 32.Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM, W- wa 2002 33.Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlano-montażowych. Tom I Budownictwo ogólne cz. 1. Arkady 34.Wysokiński L.: Projektowanie geotechniczne. Geoinżynieria 02/2009 35.Wysokiński L., Kotlicki W., Godlewski T.: Projektowanie geotechniczne według Eurokodu 7. Poradnik ITB, Warszawa 2011. 36.Ustawa z 9.06.2011 Prawo geologiczne i górnicze. 37.Rozp. Min. Środ. z 23.12.2011 w sprawie dokumentacji hydrogeologicznej i dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. 38.Rozp. MT,B i GM z 25.04.2012 w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych. 39.Rozp. MTiGM z 2.03.1999 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. 40.Rozp. MI z 12.04.2002 w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.