Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Obudowy głębokich wykopów rodzaje. Inwestycje, dla których zachodzi potrzeba wykonania głębokiego wykopu, a przede wszystkim zlokalizowane w terenie zabudowanym, wymagają podjęcia szczególnych działań. Wybierając rodzaj obudowy i technologię wykonania należy uwzględnić wiele czynników. Na podstawie przyjętych rozwiązań i warunków gruntowo-wodnych prognozuje się ekstremalne przemieszczenia terenu w strefie objętej wpływami głębokiego wykopu. Przemieszczenia te porównuje się z dopuszczalnymi, określonymi dla obiektów istniejących na podstawie rozpoznania rodzaju i stanu ich konstrukcji. W przypadku, gdy istnieje uzasadniona obawa, że przemieszczenia przekroczą dopuszczalne wartości projektuje się prace wzmacniające. W szczególnych przypadkach, jeśli istnieje taka możliwość, powtórnie analizuje się konstrukcję obudowy wykopu oraz technologię jego głębienia. Poszukując rozwiązań dających mniejsze przemieszczenia, zmienia się przyjętą technologię lub schematy. Na etapie projektu wykonawczego, dla ostatecznie zatwierdzonych rozwiązań technologiczno-konstrukcyjnych, wykonuje się projekt monitoringu. Opracowanie to w ogólnym zarysie obejmuje rodzaj i zakres wykonywanych pomiarów, ich częstotliwość oraz wartości alarmowe i graniczne wraz z zasadami postępowania w przypadku ich osiągnięcia. Główne rodzaje obudów wykopów to: ściana szczelinowa, obudowa berlińska, ścianka z grodzie stalowych, palisada z pali (np. CFA) lub mikropali, ściany z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej, ściany gwoździowane, technologie mieszane, np. ściana szczelinowa i obudowa berlińska, palisady i ściany gwoździowane, obudowa berlińska i mikropale oraz inne. Poza terenami zabudowanymi głębokie wykopy realizowane są najczęściej metodą wykopów szerokoprzestrzennych. Stateczność obudowy głębokiego wykopu wykonanego jedną z tych technologii (z wyjątkiem ścian gwoździowanych) zapewniają rozpory, kotwy gruntowe lub stropy kondygnacji podziemnych. Technologie te są stosowane do zabezpieczania pionowych ścian wykopów w budownictwie ogólnym (podziemia budynków użyteczności publicznej, podziemne garaże budynków mieszkalnych lub parkingi), komunikacyjnym (tunele kolejowe, samochodowe i tunele metra wykonywane metodami odkrywkowymi, głębokie wykopy fundamentów mostów) i podczas robót instalacyjnych (kolektory wodociągowe, kanalizacyjne, ciepłownicze).
W budownictwie ogólnym głębokość wykopu wynika z liczby kondygnacji podziemnych obiektu i najczęściej nie przekracza 18 m (np. w przypadku pięciu kondygnacji podziemnych garaży). W budownictwie komunikacyjnym głębokość jest związana z przebiegiem trasy tunelu drogowego, kolejowego lub metra. Ze względu na warunki geotechniczne, technologię budowy, bezpieczeństwo robót i koszty wykonania najczęściej w przypadku tego rodzaju wykopów ich głębokość wynosi od kilkunastu do 40 m. W ostatnich latach znacznie rozszerza się obszar wykorzystania ścian szczelinowych z ekonomicznego punktu widzenia. Zmniejszenie kosztów umożliwia również wykorzystanie metody kombinowanej, obudowy berlińskiej i ścianek z grodzic stalowych. Na placach budów obecnie są często też obudowy palisadowe (także z mikropali), ściany formowane iniekcją strumieniową oraz kotwie gruntowe do zapewnienia stateczności we wszystkich fazach budowy. Kotwie umożliwiają szybsze prowadzenie robót ze względu na wolną przestrzeń oraz łatwiejsze odwodnienie wykopu. O kryterium wyboru lub dopuszczalności stosowania określonych obudów stanowi możliwość i wielkość deformacji ścian obudów i oddziaływania na otaczający teren. Przyjęcie określonego rozwiązania obudowy wykopów w formie wspornikowej lub podpartej decyduje o charakterze deformacji gruntu za ścianą. Maksymalne osiadania terenu są porównywalne ale znajdują się w innej odległości od obudowy wykopu. Od kształtu deformacji podłoża zależy oddziaływanie na budynki w sąsiedztwie, które mogą mieć różną wrażliwość na określoną formę przemieszczeń. Warto zaznaczyć, że za ścianą, która nie pracuje jako wspornik powstająca niecka osiadań ma dwie części, wklęsłą znajdującą się bezpośrednio za ścianą i wypukłą znajdującą się w pewnej odległości rys.1. Rys.1. Schematy odkształceń ścian wspornikowych i podpartych [1].
Oszacowanie zakresu oddziaływania wykopu na przemieszczenia sąsiadujących obiektów obejmują: zasięg oddziaływania wykopu - wyznaczenie stref oddziaływań, przemieszczenia pionowe obudowy i terenu przyległego, przemieszczenia poziome obudowy wykopu - wynikające z jej rodzaju, wpływ odkształceń podłoża gruntowego na stan techniczny zabudowy i infrastruktury sąsiedniej. Oddzielnym zagadnieniem są przemieszczenia związane z awariami obudów wykopów. Teoretycznie najkorzystniejsze, z uwagi na charakter pracy statycznej i ograniczenie przemieszczeń podłoża, jest ukształtowanie rzutu części podziemnej budynku w formie koła. To rozwiązanie eliminuje konieczność stosowania rozparcia ścian szczelinowych, pozwala na zmniejszenie ilości zbrojenia, zapewnia szczelność styków ścian oraz jest tańsze od rozwiązań tradycyjnych obudów wykopów w postaci ścian szczelinowych płaskich. Rys.2. Zasięg stref oddziaływania wykopu [1]. W celu oceny oddziaływań wykopu na istniejące budynki należy określić: zasięg strefy oddziaływań wykopu S - obszar gruntu wokół wykopu, w obrębie którego wykonanie wykopu może powodować wystąpienie pion. i poziomych przemieszczeń podłoża gruntowego; zasięg strefy bezpośrednich oddziaływań wykopu S l - obszar w bezpośrednim sąsiedztwie wykopu, w którym w szczególnych przypadkach (np. wskutek niedostatecznej nośności obudowy, nadmiernego ugięcia obudowy) mogą wystąpić przemieszczenia podłoża zagrażające nośności budynków. Obszar ten przyjmowany jest jako maksymalna odległość od obudowy wykopu do najbardziej prawdopodobnej powierzchni poślizgu w gruncie. Zasięg strefy oddziaływania wykopu ustala się w zależności od podatności (sztywności) gruntów zalegających w podłożu oraz od głębokości wykopu H. Podczas określania zasięgu, należy uwzględnić również inne istotne czynniki, takie jak: rozmiary wykopu w planie, kształt wykopu, głębokość obniżenia zwierciadła wody gruntowej na czas prowadzenia robót budowlanych, wykonanie podparcia lub kotew oraz ich zasięg.
Zasięg oddziaływania wykopu oraz wartości przemieszczeń pionowych i poziomych powierzchni terenu oraz przemieszczeń obudowy wykopu zależą od rodzaju gruntów podłoża, głębokości zalegania poszczególnych gruntów, wymiarów i kształtu wykopu, rodzaju zastosowanej obudowy, sposobu jej rozparcia, metody obniżenia zwierciadła wody gruntowej itp. Według literatury zasięg oddziaływania wykopu definiuje się zazwyczaj, jako obszar podłoża wokół wykopu, w którym na skutek prowadzenia robót występują pionowe i poziome przemieszczenia gruntu. Rys.3. Zasięg stref oddziaływania wykopu [1]. Zasięg ten według różnych badaczy jest zazwyczaj wyrażany jako wielokrotność głębokości wykopu H, w zależności od rodzaju gruntów lub obudowy wykopu i wynosi:
Tab.1. Zasięg oddziaływania wykopu [1]. Dopuszczalne jest zmniejszenie ww. wartości o ok. 20 % w przypadku braku konieczności obniżania zwierciadła wody gruntowej. Odległość oddziaływania może być również ustalana w zależności od kształtu i szerokości fundamentu wznoszonego budynku, wielkości nacisku w jego podstawie oraz średniej wartości modułu deformacji w osiadającej warstwie gruntu. Dodatkowo przy wykonywaniu obliczeń należy uwzględnić możliwe zmiany warunków hydrogeologicznych, a także fizyko-mechanicznych parametrów gruntów i skał podczas wykonywania prac budowlanych i eksploatacji obiektu, w tym również z uwzględnieniem przemarzania, odmarzania, odwodnienia i ew. zanieczyszczenia gruntu ściekami w wyniku awarii kanalizacji. Przy projektowaniu obiektów podziemnych (które znajdują się w strefie ryzyka dla zabudowy sąsiedniej), przecinających częściowo lub całkowicie naturalne drogi filtracji w podłożu gruntowym, a także zmieniających warunki i drogi filtracji wód podziemnych, należy wykonać obliczenia zmian reżimu hydrogeologicznego terenu budowy. Obliczenia te należy wykonać na drodze matematycznego modelowania procesów filtracji metodami numerycznymi. Przy obliczeniach należy określać bezpieczeństwo zabudowy sąsiedniej. Bardzo duże znaczenie mają odpowiednio opracowane zależności lokalne. Statystycznie największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5H do 0,75H od krawędzi wykopu, a następnie zanikają w odległości od 2H do 4H, bądź przy wykonywaniu obniżenia zwierciadła wody gruntowej (przy zastosowaniu studni depresyjnych usytuowanych poza obrysem wykopu) od 3H do 4H licząc od krawędzi
wykopu. W przypadku odwodnienia należy przewidzieć dodatkowe zwiększenie zasięgu monitoringu przemieszczeń. W przypadku terenów zurbanizowanych, gdzie nie ma zastosowania pojęcie naturalnego poziomu wód gruntowych - analiza oddziaływań filtracyjnych jest bardzo trudna z powodu nakładania się oddziaływań różnych zjawisk, występujących w różnych fazach inwestycji. Zwierciadło wód podziemnych mogło być przecież wielokrotnie obniżane w wyniku realizacji wcześniejszych obiektów. Podsypki z gruntów niespoistych, stosowane np. pod rurociągami, działają jak drenaże. Krótko lub długotrwały wpływ mogą wywierać również: nieszczelna kanalizacja, awarie sieci wodociągowych i ciepłowniczych. Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu w bezpośrednim sąsiedztwie wykopów można przyjmować zgodnie z tabelą 2: Tab.2. Zestawienie wartości przemieszczeń pionowych [1]. Przemieszczenia pionowe terenu w strefie przylegającej do wznoszonego budynku są wynikiem superpozycji przemieszczeń z poszczególnych etapów robót, obejmujących: wykonanie obudowy, głębienie wykopu i podpieranie jego obudowy, realizację części podziemnej budynku, a następnie całej konstrukcji oraz warunków jej użytkowania. Proces rozwoju przemieszczeń pionowych podłoża gruntowego nie kończy się w momencie zakończenia wykonywania wykopu. W tym momencie można stwierdzić koniec sprężystego odprężenia gruntu. Następujące dalej wypiętrzenia są rezultatem dysypacji nadwyżek ciśnienia ssania wody w porach. Mogą również wynikać z pęcznienia spoistego gruntu podłoża. W podłożach niespoistych osiadania praktycznie kończą się bezpośrednio po zakończeniu budowy. Inaczej jest w gruntach spoistych. Proces ten trwa nawet do kilku lat po zakończeniu budowy. W normie PN-81/ B-03020 podane są dopuszczalne wartości umownych przemieszczeń i odkształceń zachodzących w fazie eksploatacji obiektów budowlanych przy założeniu zakończenia odkształceń: dla warstw gruntów niespoistych i spoistych w stanie półzwartym (I L < 0,00) - 100%, dla warstw gruntów spoistych w stanie gorszym niż półzwartym (I L > 0,00) - 50%.
dla warstw gruntów organicznych - 25% osiadania całkowitego. Możliwe przemieszczenia poziome ścian obudowy wykopu zestawiono w tabl.3 Tab. 3. Wartości przemieszczeń poziomych obudów [1]. 1.1. Ściany szczelinowe Są to konstrukcje formowane w gruncie w szczelinie zabezpieczonej zawiesiną odzyskiwaną lub tężejącą i formowane z betonu zbrojonego lub wykonane z prefabrykatów osadzonych w szczelinach. Ściany szczelinowe są obecnie w Polsce najczęściej stosowanymi obudowami głębokich wykopów z uwagi na sztywność oraz możliwość ich wykorzystania w konstrukcjach zarówno ścian tunelu, podziemi budynków, jak i fundamentów. W budownictwie ogólnym najczęściej wykonuje się je do głębokości kilkunastu metrów (od 12 m do 18 m w przypadku od dwóch do czterech kondygnacji podziemnych), w budownictwie komunikacyjnym do głębokości do 25 m. Grubości ścian to: 60, 80 i 100 cm, co wynika z jednej strony z obliczeń statycznych, a z drugiej z szerokości łyżek chwytaków, którymi dysponują firmy wykonawcze.
Rys. 4. Schemat sekcji ściany szczelnej [2]. Rys.5. Przykłady stosowanych prefabrykatów w ścianach szczelinowych [3], Głębienie szczeliny odbywa się najczęściej w osłonie z zawiesiny iłowej, której właściwości określa się każdorazowo w projekcie, uwzględniając warunki gruntowe i wodne. Głębienie prowadzi się sekcjami. Ich długość i odstęp pomiędzy wykonywanymi sekcjami oraz kolejność realizacji zależą od warunków gruntowych, rodzajów ściany i rodzaju stosowanego narzędzia, a także od sytuacji na naziomie ściany. Najczęściej wykonuje się sekcje o długości około 6 m. Po zakończeniu głębienia do wymaganej w projekcie rzędnej do szczeliny wprowadza się elementy rozdzielcze formujące styki sekcji oraz szkielety zbrojeniowe. Jako elementy
rozdzielcze stosuje się stalowe rury lub kształtowniki, w których można zainstalować gumowe uszczelki. Po usunięciu elementów rozdzielczych uzyskuje się gotową sekcję ściany szczelinowej. Ponieważ poszczególne szkielety zbrojeniowe sekcji nie współpracują ze sobą, często po skuciu górnej warstwy betonu wykonuje się wieniec, aby zapobiec klawiszowaniu ściany. W przypadku wykonywania ściany szczelinowej w bezpośrednim sąsiedztwie fundamentów budynku należy ograniczyć długość 1 sekcji do długości tzw. jednego zabioru łyżki chwytaka (od 2,7 m do 2,9 m) i tak ułożyć harmonogram głębienia, aby sekcje wykonywane w niewielkim odstępie czasu nie stykały się ze sobą. Jest to podyktowane koniecznością ograniczenia negatywnego oddziaływania tej fazy wykonania wykopu na otoczenie. Dotychczasowe obserwacje dowiodły, że największe osiadania budynków sąsiadujących z wykopem powstają w fazie głębienia szczeliny i betonowania ściany. Obudowa wykopu ze ścian szczelinowych daje wiele korzyści. Można zmniejszyć zakres odwadniania wykopu, a sztywna konstrukcja ścian rozparta stropami kondygnacji podziemnych ogranicza poziome przemieszczenia obudowy i wpływ wykopu na obiekty sąsiednie. W niektórych warunkach geotechnicznych wykonuje się ściany znacznie głębsze niż to wynika z obliczeń statycznych, sięgające do warstw gruntu nieprzepuszczalnego lub nośnego. W ten sposób odcina się wykop od wody i zmniejsza zakres odwodnienia tylko do podłoża znajdującego się wewnątrz wykopu. Z punktu widzenia przepisów i wymagań formalnych ma to duże znaczenie, gdyż jeśli zasięg leja depresji nie wykracza poza granice działki, nie trzeba uzyskiwać pozwolenia wodnoprawnego i w konsekwencji oszczędza się czas i koszty związane z opracowaniem operatu. Rys.6. Zastosowanie ścian szczelinowych w konstrukcjach oporowych [3]. 1.2. Obudowa berlińska [4] Obudowa berlińska składa się z pionowych słupów oraz poziomych elementów opinki. Słupy wykonane są najczęściej z kształtowników stalowych (dwuteowników lub ceowników). Rzadko stosowane są inne rozwiązania, jak np. pale żelbetowe. Słupy osadza się w gruncie metodą wbijania lub umieszczając je w wywierconym otworze wypełnionym betonem albo zawiesiną twardniejącą. Ze względu na konieczność usunięcia związanego materiału po
odsłonięciu kształtownika, wypełnienie betonem stosuje się tylko poniżej poziomu planowanego wykopu. Opinkę montuje się między słupami, w kilku etapach, w miarę pogłębiania wykopu i odsłaniania kolejnych warstw gruntu. Odsłonięty grunt powinien mieć możliwość zachowania chwilowej stateczności do czasu zamontowania opinki. Bardzo trudno jest wykonać taka obudowę w gruntach łatwo się osypujących, np. w piaskach. Najczęściej jako opinki używa się krawędziaków drewnianych. Możliwe jest również użycie elementów stalowych lub żelbetowych. Pomimo zachowania odpowiedniej staranności niemożliwe jest dokładne dopasowanie montowanej opinki do odsłoniętego gruntu. Dlatego w tego rodzaju obudowie nieuniknione są przemieszczenia gruntu za obudową. W związku z tym niewskazane jest wykonywanie obudowy berlińskiej w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących obiektów. Lepsze przyleganie do gruntu zapewnia opinka z torkretu, ale w Polsce nie jest często stosowana. Obudowę berlińską stosuje się zwykle powyżej poziomu wody gruntowej. Za względu na nieszczelność obudowy możliwe są wycieki wody z gruntu do wykopu, ale w takiej sytuacji należy zadbać, aby wypływająca woda nie wypłukiwała do wykopu gruntu zza obudowy. Możliwość swobodnego wypływu wody do wykopu zabezpiecza przed spiętrzeniem poziomu wody wynikającym ze zbudowania w gruncie szczelnej przegrody. W przypadku niewielkich głębokości (3-4 m) ściana może pracować wspornikowo. Przy głębszych wykopach stateczność ściany zapewniają kotwy gruntowe lub rozpory stalowe. W przypadku kotwienia obudowy można wykonać dodatkowy wieniec przenoszący parcie poziome obudowy na kotwy. Jest to jednak element zabierający cenną przestrzeń wewnątrz wykopu. Dlatego najczęściej kotwi się pojedyncze słupy. Najczęściej jednak obudowa berlińska jest konstrukcją traconą. Wynika to z trudności wyciągnięcia słupów kotwionych lub ze szczupłości miejsca na demontaż opinki. Fazy wykonywania obudowy berlińskiej: a) zagłębienie kształtownika, b) częściowy wykop z odsłonięciem kształtownika i skarpy, c) wykonanie opinki na odsłoniętej części, d) kolejne fazy wykopu z uzupełnianiem opinki, wykop do pełnej głębokości, e) wykonanie opinki do pełnej głębokości wykopu, f) wykonanie konstrukcji docelowej w wykopie, g) zasypanie przestrzeni, najczęściej z pozostawieniem opinki. Zalety obudowy berlińskiej: relatywnie nieduży koszt (mniejszy niż ściany szczelinowej), akceptowalny koszt również przy małym zakresie robót, łatwość kształtowania obudowy w planie, możliwość zastosowania jako tymczasowe przedłużenie ściany szczelinowej. Do wad obudowy berlińskiej można zaliczyć: niemożność wykonania w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących budowli, ze względu na większe niż w ścianach szczelinowych odkształcenia przyległego terenu,
nieprzydatność w gruntach poniżej poziomu wody lub łatwo osypujących się (np. piaski), konieczność wykonania oddzielnej ściany docelowej, mała nośność pionowa. Rys. 7. Schematy ścianek berlińskich [2]. 1.3. Ścianka z grodzic stalowych Ścianka szczelna jest obudową tymczasową lub stałą z grodzic stalowych stosowana najczęściej do obudowy wykopu w gruntach nawodnionych, zwłaszcza niespoistych. Grodzica jest elementem budowlanym o kształcie łączącym zalety dużej nośności na obciążenia poziome od parcia gruntu z łatwym jej pogrążaniem, wyrywaniem i małą masą jednostkową. W ten sposób ukształtowany element nie ma dużej nośności pionowej w gruncie. Dozwolone jest wbijanie, wwibrowywanie oraz statyczne wciskanie grodzic gorącowalcowanych i formowanych na zimno (naroża tych ostatnich nie są pogrubione). Ścianki szczelne pełnią szereg funkcji i mogą: a) podtrzymywać ściany wykopów lub uskoków terenu, b) eliminować lub zmniejszać dopływ wody do wykopu i zabezpieczać przed takimi zjawiskami jak: sufozja, kurzawka - rozmycie dna wykopu, (zastosowanie ścianki szczelnej powoduje przecięcie drogi filtracji lub jej wydłużenie i zmniejszenie średniej wartości spadku hydraulicznego a tym samym prędkości filtracji i ciśnienia spływowego),
c) zwiększać szczelność podłoża pod podstawą fundamentu we wszelkiego rodzaju budowlach piętrzących wodę, d) umacniać nabrzeża w budownictwie hydrotechnicznym, e) w posadowieniach bezpośrednich na gruntach nawodnionych, szczególnie w przypadkach piasków drobnych i ruchomych wodach gruntowych, mogą wygrodzić podłoże fundamentów budowli i chronić je przed wypłukiwaniem najdrobniejszych cząstek gruntu. Ścianki szczelne mogą być wykonane z elementów stalowych, drewnianych lub żelbetowych. Głębokość wbicia ścianki szczelnej zależy od następujących czynników: - głębokości wykopu lub uskoku terenu, - rodzaju podłoża poniżej dna wykopu (w gruntach kamienistych lub zawierających duże kamienie, kłody drewna itp. przeszkody stosuje się mniejsze głębokości wbicia), - warunków gruntowo-wodnych (głębokość wbicia może wynikać z konieczności zagłębienia ścianki w gruntach nieprzepuszczalnych aby uniemożliwić przepływ wody gruntowej pod ścianką), - wielkości obciążeń przekazywanych na ściankę szczelną wynikających z parcia gruntu i wody, obciążenia naziomu, obciążenia podłoża w sąsiedztwie ścianki fundamentami istniejących budowli. W praktyce, w oparciu o dokładną analizę wielu czynników stosuje się następujące rozwiązania: - ścianki szczelne niepodparte, utwierdzone w gruncie (ich stateczność zapewnia odpowiednio duża głębokość wbicia poniżej dna wykopu), - ścianki szczelne podparte, jedno- lub wielokrotnie. Głębokość wbicia ścianek podpartych może być zróżnicowana, zazwyczaj rozpatruje się dwa przypadki: - wbicie na minimalną głębokość wynikającą z warunku stateczności - zapewniającą tzw. przegubowe podparcie w gruncie", - wbicie na głębokość zapewniającą jej utwierdzenie w gruncie". Głębokość wbicia ścianki ma istotny wpływ na wyniki obliczeń statycznych. Ścianki głębiej wbite są zginane mniejszymi momentami, mniejsze są też reakcje w miejscach podparć (rozpór, zakotwień). Podparcia ścianek realizuje się zazwyczaj poprzez: - rozpory (możliwe w wykopach wąskich), - kotwy gruntowe, - ściągi, (cięgna), przenoszące obciążenia ze ścianki na elementy kotwiące takie jak: płyty i bloki kotwiące, ścianki kotwiące, palowe układy kozłowe. Przy jednokrotnym podparciu, poziom podpory przyjmuje się na głębokości nie większej niż 1/3 wysokości ściany. Rozstaw rozpór, kotew lub ściągów wynika zazwyczaj z wielokrotności szerokości elementu ścianki i sztywności elementu podpierającego ściankę w poziomie kotwienia. Zazwyczaj rozstaw elementów kotwiących nie przekracza 3 m. W projektowaniu ścianek szczelnych obliczenia statyczne wykonuje się stosując metody analityczne i analityczno-wykreślne. Spośród analitycznych metod najczęściej stosowana jest metoda Bluma i Jenne, zaś analityczno-graficznych metoda Bluma. Parcie i odpór gruntu
przyjmuje się w tych metodach wg klasycznej metody Coulomba, pomija się, na korzyść bezpieczeństwa, tarcie gruntu o ściankę szczelną. Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej jest następujący: a) obliczenie czynnego oraz biernego parcia gruntu na ściankę oraz parcia wody, b) wyznaczenie głębokości wbicia ścianki (przy założonym schemacie statycznym), c) wyznaczenie momentów zginających i sił w elementach podpierających (rozporach, kotwach, ściągach), d) wymiarowanie elementów ścianki szczelnej i kotew, e) obliczenia zakotwienia. Wszystkie obliczenia wykonuje się przy założeniu płaskiego stanu odkształcenia, na 1 m długości ścianki szczelnej. W celu zwiększenia sztywności obudowy stosuje się technologie mieszane. Polegają one na pogrążaniu brusów w wykopie szczelinowym wypełnionym np. zawiesiną iłowo-cementową tworząc układ swoistej synergii. Jest to wtedy konstrukcja zespolona z dwóch lub trzech materiałów o bardzo różnych właściwościach. Wzmocnienie obudowy ze ścianki szczelnej uzyskuje się stosując kotwy gruntowe lub rozpory stalowe. W obliczeniach parć i odporów gruntu stosuje się zasady ogólne wynikające z założeń teorii Coulomba. Jednostkowe parcia czynne i bierne oblicza się wg wzorów: parcia czynne: parcia bierne: e a (z) = q K a + γ z K a - 2 c K # e p (z) = q K p + γ z K p +2 c K $ gdzie: z głębokość poniżej naziomu [m], γ ciężar objętościowy gruntu [kn/m 3 ] (dla gruntu poniżej zwierciadła wody gruntowej γ ), c spójność gruntu. ϕ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu [ o ] Do wyznaczonych e a i e p dodaje się (w tym przypadku algebraicznie) wartości hydrostatycznych parć wody. W obliczeniach statycznych stosuje się charakterystyczne obciążenia i charakterystyczne wartości parametrów geotechnicznych gruntu.
Dla podłoża uwarstwionego parcia i odpory gruntu w kolejnych warstwach oblicza się zastępując wszystkie wyżej leżące warstwy gruntu zastępczym obciążeniem q z. W obrębie warstwy głębokość z" wyznacza się od stropu danej warstwy. Jeśli w rozpatrywanej warstwie występuje woda gruntowa o zwierciadle napiętym obciążenie q z w stropie tej warstwy należy obliczać z uwzględnieniem parć hydrostatycznych na spąg wyżej leżącej warstwy nieprzepuszczalnej (rys. 8). Rys.8. Schematy do obliczania parć hydrostatycznych i q z [5]. Projektując ściankę szczelną, w przypadku odpompowywania napływającej do wykopu wody z jego wnętrza musimy sprawdzić wartość ciśnienia spływowego oraz czy nie nastąpi zjawisko przebicia hydraulicznego". Zjawisko to powstaje w wyniku unoszenia najpierw najdrobniejszych, potem coraz grubszych cząstek gruntu przez przepływającą wodę w kierunku wykopu. Rys.9. Schematy do obliczeń ciśnienia spływowego [5].
Przy intensywnym przepływie wody, w wyniku pokonania przez siły ciśnienia spływowego ciężaru gruntu γ następuje zjawisko zwane kurzawką". Aby to zjawisko nie zaistniało powinien być spełniony warunek głębokości wbicia ścianki t" : N q współczynnik nośności r = & ( Rys. 10. Schemat do sprawdzenia min. głębokości wbicia ścianki [5]. Rys.11. Minimalne wymagane zagłębienie (h d ) ścianki w podłożu z gruntu przepuszczalnego (na rysunku nie pokazano rozparć ścianki). [3]
Jeżeli w trakcie obliczeń, potrzebny wskaźnik wytrzymałości ścianki W x na 1 mb przekroczy wartości zestawione w tablicach dla typowych profili, należy przeanalizować powtórnie z założeniem palościanki. Potrzebne elementy ścianki w formie zamkniętych przestrzeni mogą przybierać rożne kształty: Tego typu formy podlegają ścisłym obliczeniom i wyznaczeniu okresów powtarzania b. Dla zwiększenia sztywności, wnętrza mogą być wypełnione betonem wraz ze zbrojeniem. Zakotwienie ścianki realizowane jest przez cięgna, kotwy, bloki betonowe, żelbetowe i stalowe. Rys. 12. Graficzne wyznaczenie położenia bloków lub płyt kotwiących w gruncie sypkim [3]
Minimalne odległości płyt kotwiących: - ścianka przegubowo podparta - ścianka sztywno utwierdzona Rys. 13. Wyznaczanie min. odległości płyt kotwiących od ścianki sztywno utwierdzonej w gruncie [5] Pracochłonne obliczenia ścianek szczelnych metodami: graficzno-analityczna Bluma jednokrotnie kotwionej, analityczną Bluma, graficzno-analityczną podwójnie zakotwionej w gruncie zastępowane są obecnie odpowiednimi programami inżynierskimi. 1.4. Palisady Palisady z pali wierconych wykonuje się w gruncie z wzajemnie stykających się lub zachodzących na siebie pali. Zbrojenie może być w każdym lub np. co drugim elemencie. Stosowane średnice 0,6 1,0 m przy długościach do 20 m.
Rys. 14. Schemat palisad stykających się i wzajemnie wciętych [2]. Do zalet tego systemu należą: szybkość i niski koszt wykonania tymczasowej obudowy wykopu, stosunkowo duża sztywność, co pozwala na wykonywanie obudowy w sąsiedztwie istniejących budynków wrażliwych na nierównomierne osiadanie, brak drgań podczas wykonywania pali i czysty" plac budowy, możliwość stosowania w różnorodnych warunkach geotechnicznych, przy świdrze ciągłym nie występuje rozluźnienie gruntu. Oprócz klasycznych palisad stosuje się również systemy mieszane, np. niezbrojona ściana szczelinowa i zbrojone pale (np. CFA). Rozstaw pali jest taki, aby wykorzystać zjawisko przesklepienia w przęsłach ściany szczelinowej między palami i w ten sposób uzyskać odpowiednią sztywność obudowy. Do wad tej technologii należą: brak szczelności wynikający z wadliwego wykonania i konieczność zastosowania wgłębnego odwodnienia, konieczność ponoszenia dodatkowych kosztów dla wykończenia powierzchni ściany w częściach pod- i naziemnych. Znane są przykłady konstrukcji oporowych wykonanych z palisady w technologii DSM i pali CFA. Stateczność tego typu konstrukcji zapewniają z reguły jeden lub dwa rzędy gwoździ gruntowych o długości średnio 8 m i nośności min. 80 kn każdy. Do współpracy z gwoździami konieczne są rzędy oczepów. Przy braku wody gruntowej i zalegających w ścianie gruntów piaszczystych o I D > 0,6 palisadę można wykonać z mikropali (Ø 210 cm) zbrojonych kształtownikami IPE 140 lub 180. Całość w koronie zamyka się oczepem.
1.5. Pale CFA Pale CFA (ang. Continuous Flight Auger) znane Polsce pod nazwą pale FSC (Formowane Świdrem Ciągłym) to pale wiercone, wykonywane przy pomocy świdra ciągłego osadzonego na rurowym rdzeniu. Wykonanie pali CFA polega na pogrążaniu świdra ruchem obrotowym na żądaną głębokość. Po jej osiągnięciu do świdra wpompowuje się mieszankę betonową, która działając pod ciśnieniem wypycha ostrze tracone szczelnie zamykające rdzeń świdra. Podczas podnoszenia świdra beton pod ciśnieniem dokładnie wypełnia trzon pala CFA, dzięki czemu uzyskujemy bardzo dobry kontakt pala CFA z gruntem na pobocznicy. Po zakończeniu betonowania do świeżej mieszanki wprowadza się zbrojenie wykonane wcześniej w zakładzie prefabrykacji, zgodnie z projektem. Dzięki zastosowaniu rdzenia rurowego o dużej średnicy możliwe jest również wprowadzenie kosza zbrojeniowego przed podaniem betonu co ułatwia zbrojenia pali CFA o znacznej długości. Pale CFA stosowane są najczęściej w gruntach spoistych twardoplastycznych i niespoistych o wysokim stopniu zagęszczenia. Technologia jest stosunkowo tania w wykonaniu w stosunku do uzyskiwanej nośności pala. Bezwibracyjne wykonanie pozwala zastosować pale CFA w pobliżu istniejących budynków. Parametry techniczne pali CFA: - średnice: 300, 400, 500, 600 mm, - długość maksymalna: 30 m - nośność: do 2000 kn (w zależności od warunków gruntowych) Rys.15. Etapy formowania pali CFA.
1.6. Ściana z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej Iniekcja strumieniowa (jet grouting) jest techniką polegającą na upłynnianiu gruntu strumieniem cieczy o ciśnieniu 30-70 MPa i mieszaniu tego gruntu z zaczynem cementowym. Rozróżnia się iniekcję pojedynczą, podwójną i potrójną. Żerdź z dyszami jest zagłębiana w gruncie do żądanej głębokości, a następnie ruchem obrotowym skokowo wyciągana z jednoczesną iniekcją. Średnica uzyskiwanej w ten sposób kolumny zależy od sposobu upłynniania, uziarnienia gruntu oraz szybkości unoszenia żerdzi i waha się od 60-70 cm do kilku nawet metrów. Kolumna taka może osiągać wytrzymałości od kilku do kilkunastu megapaskali (w wyjątkowych przypadkach, np. w gruntach gruboziarnistych, takich jak pospółki do 30 MPa). Z wzajemnie przyległych kolumn jest formowana ściana tworząca obudowę wykopu. Stateczność jej można zapewnić montując na oczepach rozpory stalowe lub kotwy gruntowe. Rys.16. Ściany oporowe i grodze wykonane w gruncie nawodnionym metodą iniekcji strumieniowej [3]. Rys. 17. Etapy realizacji iniekcji strumieniowej [3].
1.7. Ściana gwoździowana Gwoździowanie skarpy lub ściany wykopu polega na zbrojeniu gruntu gwoździami gruntowymi o długościach od 4 8, średnicach 16 36 mm i uciągach roboczych od kilku do 300 kn. Rozstawy: 0,8 x 0,8 do 1,5 x 1,5 m. W szybko rozwijającej się obecnie dziedzinie budownictwa podziemnego i inżynieryjnego iniekcyjne kotwy gruntowe znajdują szerokie zastosowanie przy zabezpieczaniu ścian głębokich wykopów, dając dużą swobodę wykonywania robót budowlanych w porównaniu z innymi sposobami rozparcia (rozpory, metoda podstropowa, przypory ziemne ). Kotwy można stosować również przy wykonywaniu konstrukcji zapewniających stateczność nasypów, skarp i zboczy konstrukcji poddanych siłom wyporu wody gruntowej, stabilizacji fundamentów, oraz jako konstrukcje kotwiące odciągi wysokich budowli ( wieże i maszty ). Ograniczenia w stosowaniu kotwi mogą stanowić: niekorzystne warunki gruntowe uniemożliwiające prawidłowe uformowanie buławy i zapewnienie jej odpowiedniej nośności zewnętrznej, wysoki poziom wód gruntowych uniemożliwiający prawidłowe wykonanie otworu wiertniczego, przeszkody podziemne w postaci infrastruktury podziemnej, fundamenty sąsiednich obiektów, brak zgody właściciela terenu na wykonanie kotwi w przypadku ich wykonania w obszarze wykraczającym poza granice działki inwestora. Iniekcyjna kotwa gruntowa jest konstrukcją pracującą w gruncie i jej zadaniem jest przeniesienie obciążeń z budowanej konstrukcji oporowej na grunt. Niezależnie od typu kotwi, jej rodzaju i technologii wykonania głównymi elementami kotwy są, buława, cięgno z częścią swobodną oraz głowica. Rys. 17. Kotwy gruntowe iniekcyjne wstępnie naprężone i bierne [3]
Ze względu na różnorodny charakter konstrukcji stosowanych kotew, sposobu ich wykonania, przeznaczenie, okres eksploatacji trudno jest o konsekwentną klasyfikację i systematykę. Dla pewnego zobrazowania kotwy można podzielić ze względu na kryteria przedstawione poniżej: Czas eksploatacji: - kotwy tymczasowe, czas eksploatacji, typowo 2 lata, - kotwy stałe (trwałe) o wieloletnim okresie eksploatacji, które stanowią trwały element konstrukcji kotwionej. Rodzaj gruntu w strefie buław: - grunty nie skaliste (iły, gliny, piaski, żwiry itd.), - grunty skaliste. Rodzaj konstrukcji: - materiał cięgna (sploty linowe, prętowe), - rodzaj pracy buławy (buława rozciągana lub ściskana), - kształt buławy (poszerzenie przez iniekcję lub mechaniczne poszerzenie otworu wiertniczego), - sposób wykonania iniekcji (iniekcja pojedyncza lub wielokrotna). Sposób wykonania otworu wiertniczego: - na sucho świdrem ślimakowym, - z płuczką, świdrami bez rurowania otworu wiertniczego, - z płuczką, koronkami z rurowaniem otworu wiertniczego, - systemem dwuprzewodowym (z przedmuchem powietrza lub z płuczką). Kotwy iniekcyjne stanowią odpowiedzialną część konstrukcji oporowej, od jej prawidłowego zaprojektowania zależy bezpieczeństwo całej konstrukcji zarówno w przypadku kotew tymczasowych, które demontujemy w odpowiedniej fazie robót jak i kotew stałych, które są stałym elementem konstrukcji oporowej. Dla wykonania projektu kotwienia obudowy głębokiego wykopu (ściany szczelinowej, ścianki berlińskiej itp.) należy przeanalizować następujące dane: 1. Zebrać dane wyjściowe obejmujące podkłady konstrukcyjno-budowlane z obciążeniami działającymi na konstrukcję kotwioną, dokumentację geologiczno-inżynierską określającą warunki gruntowe i wodne, w jakich wykonywane będą kotwy. 2. Dokonać analizy możliwości i celowości zastosowania kotew iniekcyjnych. 3. Ustalić schematy statyczne określające poziomy kotwienia oraz obliczenie wielkości sił (reakcji) oddziaływania na kotwy we wszystkich fazach wykonywania wykopu. 4. Ustalić rodzaj konstrukcji zastosowanych kotew oraz ich dane geometryczne, kąt pochylenia, długość swobodną cięgna i buławy. 5. Obliczyć nośność kotew przy określonych warunkach gruntowych. 6. Sprawdzić stateczność układu konstrukcja - kotwy - grunt (np. wg Kranza i stateczności ogólnej, np. wg Bishopa).
7. Zaprojektować konstrukcję kotwy (cięgno, głowica, buława). 8. Określić zakres badań kotew (badania podstawowe, przydatności, końcowe geodezyjne). 9. Dokonać ewentualnych korekt w projekcie wykonawczym po analizie wyników badań kotew. Ze względu na zastosowanie kotew gruntowych rozpoznanie geotechniczne powinno obejmować swoim zasięgiem nie tylko rejon posadowienia obiektu, ale również strefę gdzie wykonywane będą buławy kotew. W przypadkach złożonych warunków gruntowych wskazane jest wykonanie kotew próbnych, wykonanie badań przydatności kotew i na tej podstawie wykonanie właściwego projektu wykonawczego kotwienia. Dla typowych przypadków dokumentacja geotechniczna powinna określać takie parametry gruntu jak: rodzaj gruntu, ciężar właściwy, ciężar objętościowy, kąt tarcia wewnętrznego, spójność, stopień plastyczności lub stopień zagęszczenia, moduły odkształcenia, wytrzymałość na ścinanie. Dodatkowo należy rozpoznać czy grunt nie jest podatny na zmianę parametrów pod wpływem wibracji lub działających sił dynamicznych, lub pęcznienie pod wpływem zawilgocenia. Bardzo istotnym zagadnieniem jest rozpoznanie wahań poziomu wód gruntowych i możliwości uzyskania depresji w trakcie robót budowlanych. Na podstawie dokumentacji należy ocenić czy istnieje możliwość wymywania gruntu, powstawania zjawisk kurzawkowych, pęcznienia gruntu oraz przemarzania gruntu za ścianą oporową itp. Gwoździowanie nie ma zastosowania w przypadku wykopów położonych w pobliżu istniejącej zabudowy oraz uzbrojenia podziemnego. Należy zauważyć, iż gwoździ nie usuwa się po zakończeniu budowy, a to może utrudnić inwestycje planowane w przyszłości. Gwoździowanie jest efektywne w gruntach niespoistych o średnim i dużym zagęszczeniu, charakteryzujących się dużym tarciem wewnętrznym. Z takimi gruntami zawiesina cementowa skutecznie zespala cięgna, przez co mają one duże uciągi i występują tylko nieznaczne deformacje pełzania masywu gruntowego wzmocnionego gwoździami. Natomiast gwoździowanie gruntów luźnych jest nieefektywne, uciągi gwoździ są małe, występują duże deformacje wzmocnionego nimi gruntu i jest konieczne stosowanie gwoździ o dużych długościach. W takich warunkach gruntowych w zasadzie zawsze lepsze są kotwy wstępnie naprężone. W przypadku niewielkich wysokości, skarpy mogą być bliskie pionu, przeważnie pochylenia dochodzą do 75 o. Skarpy często są pokrywane różnego rodzaju matami przeciwerozyjnymi, siatkami stalowymi z torkretowaniem lub systemami geokomórek z wypełnieniem ziarnistym lub betonowym.
Literatura : 1. Materiały z XXVIII Ogólnopolskich warsztatów pracy projektanta konstrukcji. Wisła 2013 r. 2. Siemińska-Lewandowska A.: Głębokie wykopy. Projektowanie i wykonawstwo. WKŁ, Warszawa 2011 r. 3. Jarominiak A. : Lekkie konstrukcje oporowe. WKŁ, Warszawa 2000 r. 4. Rychlewski P.: Obudowa berlińska. Inżynier Budownictwa 4/2012 5. Rybak Cz.: Fundamentowanie. Projektowanie posadowień. DWE, Wrocław 1997 r.