Łukasz Ślaga Wydział Inżynierii Lądowej Politechnika Krakowska WYBRANE ZAGADNIENIA POSADOWIENIA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH NA TERENACH SZKÓD GÓRNICZYCH SELECTED ISSUES OF BUILDING STRUCTURES FOUNDATION IN AN AREA OF MINING ACTIVITY 1. Wprowadzenie Posadowienie obiektu budowlanego na terenach szkód górniczych pociąga za sobą konieczność uwzględnienia szeregu dodatkowych zjawisk zachodzących w skutek prowadzonej eksploatacji górniczej bądź niedawnego jej zakończenia. W wyniku podziemnej eksploatacji górniczej mogą powstać przemieszczenia górotworu lub/i zjawiska parasejsmiczne. Zasadniczo powierzchnia terenu górniczego i pogórniczego narażona jest na: - ciągłe deformacje - zniekształcenia powierzchni terenu nie naruszające jej ciągłości, - nieciągłe deformacje - zniekształcenia powierzchni terenu w postaci lejów, zapadlisk, spękań, progów i szczelin, - oddziaływania dynamiczne wywołane wstrząsami górotworu krótkotrwałe drgania powierzchni spowodowane podziemną eksploatacją górniczą, - zmiany stosunków wodnych mogące powodować podtopienia (np. na skutek pozornego podniesienia swobodnego poziomu lustra wody podziemnej) lub obniżenia zwierciadła wody gruntowej, - inne zjawiska wynikające z budowy geologicznej górotworu. Rolą projektanta jest uwzględnienie dodatkowych obciążeń konstrukcji, generowanych tymi zjawiskami. Wymaga to zrozumienia pracy ośrodka gruntowego na terenach szkód górniczych, jak i prawidłowego odzwierciedlenia tej pracy w modelu obliczeniowym. Należy również pamiętać o poprawnym rozmieszczeniu zbrojenia, aby w sposób właściwy pracowało przy przenoszeniu sił pochodzących od podziemnej eksploatacji górniczej. 1.2. Cel i zakres pracy W niniejszym artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia związane z problematyką posadowienia budynków na terenach szkód górniczych. Na przykładzie analizy obliczeniowej projektowanego rusztu fundamentowego czterokondygnacyjnego budynku konferencyjno-biurowego na terenie Chorzowa, przedstawiono praktyczną metodę ujęcia zjawiska rozpełzania gruntu (proponowany m.in. w instrukcjach ITB [1], [2]) i sposób wymiarowania zbrojenia rusztu fundamentowego. W pracy zwrócono również uwagę na możliwości konstruowania samego rusztu, tak by zminimalizować wpływ ewentualnych zjawisk towarzyszących eksploatacji górniczej.
2. Charakterystyka deformacji ciągłych na terenach szkód górniczych Eksploatacji górniczej towarzyszą deformacje terenu mające postać zarówno pionowych jak i poziomych przemieszczeń górotworu. Przemieszczenia te stanowią wymuszenia kinematyczne dla budynku i powodują powstanie dodatkowych sił w konstrukcji. Wartość tak powstałych sił jest funkcją przemieszczenia R(u,v,w) rozważanego punktu konstrukcji (rys.1) spowodowanego ugięciem stropu wyrobiska (rys. 2) i czasu t. Wynika to z faktu, że okres ujawniania się wpływów zakończonej eksploatacji górniczej zazwyczaj trwa od kilku miesięcy do kilku lat. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe zmiany zasięgu oraz głębokości niecki. Przyjmuje się, że płytka eksploatacja górnicza do 100-150 m powoduje powstawanie deformacji nieciągłych. Natomiast eksploatacja głęboka, czyli ta związana z obecnie prowadzoną eksploatacją górniczą na terenie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW), prowadzi do powstania ciągłych deformacji powierzchni terenu. Najniekorzystniejszy wpływ na wielkość sił w projektowanym obiekcie budowlanym ma jego lokalizacja na krawędzi niecki, dlatego o ile to możliwe, powinno się unikać lokalizowania obiektów w tym obszarze. Rys. 1. Przemieszczenie ośrodka gruntowego spowodowane ugięciem/zawałem stropu wyrobiska. Rys. 2. Powstawanie niecki obniżeniowej przy postępującej eksploatacji górotworu, a) strefa zawału, b) strefa spękań, c) strefa ugięcia [3]. Rys. 3. Przykład obniżania się niecki górniczej w czasie [3].
2.1. Wskaźniki charakteryzujące nieckę górniczą W celu praktycznego ujęcia wpływu wielkości ciągłych deformacji terenu na wartość sił przekrojowych w analizowanej konstrukcji zakłada się, że współdziała ona z przyległym gruntem, a co za tym idzie podlega ona takim deformacjom jak ośrodek gruntowy. Wielkość deformacji powierzchniowych jest uzależniona od geologiczno-górniczych warunków terenu, na które mają wpływ m. in.: grubość i głębokość eksploatowanego pokładu, kąt zasięgu wpływów górniczych i współczynnik uwzględniający sposób prowadzonej eksploatacji. Na podstawie znajomości tych parametrów możliwe jest prognozowanie wpływu eksploatacji górniczej na obiekt budowlany. Obecnie najszerzej stosowaną w Polsce metodą oceny terenu górniczego jest teoria Budryka-Knothego odnosząca się do niecki ustalonej. Znajomość wskaźników deformacji niecki (rys.4) pozwala na określenie kategorii górniczej danego terenu (tab. 1), a tym samym na ocenę jego przydatności do zabudowy i ilościowego ujęcia wpływów jego deformacji na projektowany obiekt. Rys. 4. Wskaźniki deformacji ustalonej niecki górniczej według teorii Budryka-Knothego a) pionowe przemieszczenie w, b) poziome przemieszczenie u, c) krzywizna K, d) nachylenie T, e) poziome odkształcenie, 1-pokład węgla, 2-front eksploatacji, 3-wyrobiska, g-grubość pokładu, H-głębokość pokładu, -kąt zasięgu wpływów głównych, r- promień zasięgu wpływów głównych [4]. Tab. 1 Kategorie terenu górniczego Kategoria Graniczne wartości wskaźników deformacji T[ ] R[km] [ ] 0 T 0,5 R 40 0,3 I 0,5 < T 2,5 40 > R 20 0,3 < 1,5 II 2,5 < T 5 20 > R 12 1,5 < 3 III 5 < T 10 12 > R 6 3 < 6 IV 10 < T 15 6 > R 4 6 < 9 V T > 15 R < 4 > 9 3. Przykład obliczeniowy wpływu szkód górniczych na posadowienie nowoprojektowanego budynku biurowo konferencyjnego Przedstawiony w pracy algorytm postępowania oparty jest na winklerowskim modelu podłoża gruntowego, w którym naprężenia kontaktowe (normalne i styczne) są równomiernie rozłożone w strefie ruszt-ośrodek gruntowy na powierzchniach fundamentu (płaszczyznach
pionowych i poziomych). Jest to podejście zaprezentowane w instrukcjach ITB [1], [2]. Pozwala ono na zwymiarowanie fundamentów na podstawie wskaźników deformacji terenu. 3.1. Opis projektowanego obiektu i jego lokalizacja Projektowany budynek biurowo konferencyjny znajduje się na terenie wyłączonej z eksploatacji w 2004 roku Kopalni Węgla Kamiennego Kleofas w Chorzowie. Budynek posiada trzy kondygnacje nadziemne i jedną kondygnację garażu podziemnego. Obiekt posadowiony w sposób bezpośredni na ławach fundamentowych wykonanych z betonu C25/30, wysokości 0,5 m z lokalnymi pogrubieniami do 0,8 m pod słupami i ścianami nośnymi. Konstrukcja budynku szkieletowa, usztywniona żelbetowym trzonem klatki schodowej, szybem windowym oraz ścianami poprzecznymi. Stropy międzykondygnacyjne o konstrukcji płytowo-belkowej, ściany samonośne. Obciążenie użytkowe obiektu przyjęto równe 4 kn/m 2. Rys. 5. Rzut ogólny projektowanego rusztu fundamentowego. 3.2. Wyznaczenie wartości sił wewnętrznych spowodowanych zakończoną eksploatacją górniczą Na podstawie dokumentacji geologicznej teren lokalizacji projektowanego obiektu zaliczono do II kategorii górniczej, charakteryzującej się odkształceniem poziomym =3. Dla takiego odkształcenia, na podstawie [1], [2] wyznaczono we wszystkich ławach rusztu siły poziome (tab.2) pochodzące od: naprężeń stycznych w podstawie fundamentu, naprężeń stycznych na bocznych powierzchniach fundamentu h oraz naporu gruntu na boczne powierzchnie ław z pp usytuowanych prostopadle do kierunku odkształcenia poziomego (rys.6). Rys. 6. Obciążenie ław rusztu fundamentowego wywołane poziomym odkształceniem terenu.
Na podstawie zestawionych w tablicy 2 sił, zwymiarowano zbrojenie rusztu fundamentowego biorąc pod uwagę możliwe, prognozowane odkształcenie poziome terenu. Ze względu na brak informacji, co do usytuowania budynku względem kierunku eksploatacji złoża postanowiono rozważyć trzy podstawowe przypadki dla każdej z ław tj. rozciąganie osiowe, rozciąganie mimośrodowe i zginanie. W tablicy 3 zestawiono zbrojenie ław dla poszczególnych przypadków. Dla wszystkich ław warunkiem wymiarującym okazało się być rozciąganie osiowe ławy. Przez A S1 i A S2 oznaczono zbrojenie rozmieszczone po wysokości ławy wzdłuż płaszczyzn bocznych. Tab. 2 Siły poziome w ławach fundamentowych wywołane odkształceniem poziomym terenu Ława: Siły rozciągające od naprężeń Siły rozciągające od naprężeń Siły rozciągające od stycznych [kn] stycznych h [kn] naporu gruntu [kn] 1-1 2220,00 2,29 137,25 2'-2' 1933,00 1,99 276,74 3-3 1933,00 1,99 267,23 4-4 1933,00 1,99 88,33 X-X 1252,00 1,29 160,47 Y-Y 1252,00 1,29 322,74 Z-Z 1252,00 1,29 322,74 A'-A' 1116,00 1,49 213,22 B'-B' 1116,00 1,49 50,95 Zbrojenie ze względu na rozciąganie osiowe Tab. 3 Przyjęte zbrojnie ław fundamentowych Zbrojenie ze względu na zginanie Zbrojenie ze względu na rozciąganie mimośrodowe Ława: A S1 A S2 A S1 A S2 A S1 A S2 1-1 8 25 8 25 6 25 6 25 7 25 7 25 2'-2' 10 25 10 25 6 25 6 25 8 25 8 25 3-3 9 25 9 25 6 25 6 25 8 25 8 25 4-4 8 25 8 25 6 25 6 25 6 25 6 25 X-X 7 25 7 25 5 25 5 25 6 25 6 25 Y-Y 10 25 10 25 5 25 5 25 7 25 7 25 Z-Z 10 25 10 25 5 25 5 25 7 25 7 25 A'-A' 8 25 8 25 5 25 5 25 6 25 6 25 B'-B' 4 25 4 25 4 25 4 25 4 25 25 3.3. Przyjęte rozwiązania konstrukcyjne Badania geologiczne wykazały, że podłoże terenu przeznaczonego pod budowę składa się z gruntów nasypowych jak i rodzimych: warstwa I nasypy niebudowlane o miąższości 1,6 3,4 m, warstwa II wietrzeliskowe grunty spoiste skonsolidowane pyły i pyły piaszczyste o konsystencji pół zwartej o stopniu plastyczności I L =0,00, warstwa III piaskowiec drobnoziarnisty z lokalnymi przeławiceniami iłowców. Jest to skała twarda, średnio spękana, o wytrzymałości na ściskanie Rc > 5 MPa. Nośność piaskowca określa się na 0,5 MPa, kąt tarcia wewnętrznego ~30 o. Mimo, zalegania w poziomie posadowienia skały nośnej (warstwa III) należało wykonać poduszkę żwirową grubości 0,7 m (rys. 7a) w celu zredukowania i amortyzacji ewentualnych oddziaływań na konstrukcję spowodowanych np. zawałem stropu. Ponadto, ze względu na długość budynku wynoszącą 44,15 m, postanowiono wykonać dylatację całego budynku włącznie z fundamentem by zoptymalizować pole przyjętego zbrojenia ze względu na możliwość rozpełzania gruntu (rys. 7b). Dodatkowo, pod sąsiadującymi ławami rozdzielającymi oddylatowane części budynku, zaprojektowano płytę klawiszującą grubości
0,4 m. W celu umożliwienia niezależnej pracy w płaszczyźnie poziomej oddylatownych segmentów, na płycie klawiszującej zastosowano warstwę ślizgową. Pod ławą skrajną, przyległą do istniejącego budynku wysokiego, gdzie grunt rodzimy został naruszony, zaprojektowano poduszkę betonową (rys. 7c). a) b) c) 4. Podsumowanie Rys. 7.Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne opis w tekście. Z przeprowadzonej analizy obliczeniowej wynika, że pominięcie wpływu zjawiska rozpełzania gruntu może prowadzi do zaniedbania dużych sił poziomych w ruszcie fundamentowym i w efekcie spowodować katastrofę budowlaną. Zauważono, że największy wpływ na wielkość tych sił mają naprężenia styczne pod fundamentem. Powinno się zatem (o ile to możliwe) ograniczyć tarcie w strefie kontaktu fundament-ośrodek gruntowy poprzez zmniejszenie ciężaru konstrukcji, jej obciążenia i współczynnika tarcia na powierzchni styku. Należy dążyć do posadowienia budynku na jednym poziomie, a ewentualne przegłębienia dylatować w płaszczyźnie poziomej od konstrukcji budynku za pomocą warstw ślizgowych. Dalszej analizy i badań doświadczalnych wymaga odpowiedź na pytanie jaka rzeczywista siła przekazuje się z gruntu na obiektu budowlany oraz jak przebiega współpraca w strefie kontaktu w kolejnych etapach: powstawania niecki (powstanie naprężeń kontaktowych), przesuwanie się frontu niecki (wzrost naprężeń kontaktowych) i osiadanie terenu pod obiektem po powstaniu niecki (spadek naprężeń kontaktowych). 6. Bibliografia [1] Kawulok M.: Projektowanie budynków na terenach górniczych, Instrukcja nr 416/2006, ITB, Warszawa 2006. [2] Kawulok M., Cholewicki A., Lipska B., Zawora J.: Wymagania techniczne dla obiektów budowlanych wznoszonych na terenach górniczych, Instrukcja nr 364/2007, ITB, Warszawa 2007. [3] Kawulok M.: Górnicze i Geotechniczne problemy budownictwa na terenach górniczych, XXIV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła 2009. [4] Kawulok M.: Ocena przydatności do zabudowy terenów objętych podziemną działalnością górniczą oraz metody badań i uzdatniania terenów zdegradowanych, Sprawozdanie z pracy badawczej nr OSK-58/2.3.07, ITB, Katowice 2011. [5] Kawulok M., Słowik L.: Ocena zaistniałych wpływów eksploatacji górniczej z uwagi na przydatność terenu do dalszej zabudowy, XXV Konferencja Naukowa Techniczna Awarie Budowlane 2011, Międzyzdroje 2011. [6] Kowalski A., Gruchlik P.: Początki górnictwa węgla kamiennego w Katowicach i problematyka płytkich wyrobisk górniczych, Główny Instytut Budownictwa.