Budownictwo inżynieryjne inżynieryjne Dębowe Tarasy w Katowicach Fot. 1. Osiedle Dębowe Tarasy marzec 2008 Autor dr inż. Marian Łupieżowiec, dr hab. inż. Jerzy Sękowski - Politechnika Śląska, Gliwice Zagospodarowanie terenu zbudowanego z górniczej skały płonnej oraz wykorzystanie konsolidacji dynamicznej do wzmocnienia podłoża nasypowego pod budowę osiedla mieszkaniowego. Budowa obiektów kubaturowych na nasypach antropogenicznych, także wzmocnionych, jest poważnym wyzwaniem dla projektanta i pozostałych uczestników procesu inwestycyjnego. Przesądza o tym zarówno specyfika gruntów antropogenicznych, jak i ograniczony zakres metod wzmacniających te grunty. Jednym z gruntów antropogenicznych są tzw. odpady kopalniane. Szczególnie przydatną metodą wzmacniania odpadów kopalnianych jest konsolidacja dynamiczna, stosowana z powodzeniem od lat m.in. na Górnym Śląsku. W artykule, po scharakteryzowaniu odpadów górnictwa węgla kamiennego oraz konsolidacji dynamicznej, omówiony zostanie przykład zagospodarowania terenu zbudowanego z górniczej skały płonnej pod duże osiedle mieszkaniowe w Katowicach. Charakterystyka nasypów pogórniczych Grunty antropogeniczne, zwane potocznie odpadami, gromadzone na powierzchni lub w zagłębieniach terenowych tworzą charakterystyczne hałdy i wysypiska. Opisuje je materiał, z którego są budowane. Szczególne miejsce wśród odpadów, zwłaszcza w odniesieniu do Śląska, zajmują odpady kopalniane pogórnicze, zwane również skałą płonną. Są one produktem procesu pozyskiwania węgla kamiennego, obejmującego roboty przygotowawcze oraz przeróbkę węgla kamiennego. Zasadniczym składnikiem odpadów jest skała płonna, charakteryzująca się złożonym składem mineralnym i chemicznym, a także uziarnieniem. Ogólnie odpady węgla kamiennego dzielimy na przepalone i nieprzepalone. To materiał zasadniczo grubookruchowy i przydatny do formowania nasypów budowlanych, jednakże pod wieloma warunkami. Bardzo poważnym ograniczeniem przy wykorzystaniu odpadów pod zabudowę jest ich zróżnicowanie w zakresie zagęszczenia i uziarnienia, szczególnie wówczas, gdy materiał ten był składowany w sposób przypadkowy. To właśnie niejednorodność przesądza najczęściej o definiowaniu przez dokumentujących nasypów jako niebudowlane. Wzmacnianie gruntów nasypowych Materiały antropogeniczne, budujące nasypy, są z powodzeniem wykorzystywane w budownictwie. Coraz częściej na nasypach lokalizowane są też obiekty inżynierskie. Działaniom tym towarzyszy jednak duża ostrożność. Pomocnymi w podjęciu właściwej decyzji powinny być: dogłębna analiza dostępnych materiałów, wyniki badań oraz doświadczenie projektanta. Szczególnie istotne są badania terenowe, w tym np. próbne obciążenia. Z przeprowadzonych badań i analiz może m.in. wynikać wniosek o przydatności nasypu pod projektowaną zabudowę pod warunkiem jego wzmocnienia. W tym też celu może być z powodzeniem wykorzystanych wiele spośród licznej grupy metod wzmacniania gruntów słabych [1]. Należą do nich me- 70 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)
Budownictwo inżynieryjne GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 71
Budownictwo inżynieryjne inżynieryjne tody wykorzystujące mechanizmy: zagęszczenia (np. konsolidacja dynamiczna), wymiany (poduszki wzmacniające), zmiany charakteru wiązań (iniekcja) a także zbrojenia (np. geomaterace) [2]. W dalszej części artykułu omówiona zostanie konsolidacja dynamiczna jako metoda szczególnie przydatna do wzmacniania nasypów pogórniczych i przykład osiedla mieszkaniowego w Katowicach, wybudowanego na tak wzmocnionym nasypie z górniczej skały płonnej. Konsolidacja dynamiczna Konsolidacja dynamiczna, czyli wzmacnianie podłoża udarami o dużej energii, została opatentowana i wdrożona do praktyki przez L. Menarda. Ulepszenie słabego podłoża gruntowego uzyskuje się przez kilkakrotne (zwykle 5 10 razy) zrzucenie znacznej masy (od kilku do ok. 200 t) z dużej wysokości (od kilku do ok. 40 m) w jedno miejsce. Zagęszczenie realizowane jest w punktach tworzących regularną siatkę o oczkach 1,2 15 m, zwykle w 2 3 fazach, za pomocą specjalnie skonstruowanych urządzeń. W powstałe kratery wsypywany jest grubookruchowy materiał, a całość dodatkowo prasowana powierzchniowo. Do zalet metody należą: zakres zastosowań (od luźnych gruntów piaszczystych po grunty antropogeniczne), zasięg wzmocnienia (od kilku do kilkudziesięciu metrów), efektywność (2 4-krotny wzrost nośności i wielokrotny wzrost sztywności), udane przedsięwzięcia. Do podstawowych wad metody zaliczyć należy wstrząsy występujące podczas zagęszczania. Metoda stosowana jest w kraju od wielu lat [4], aktualnie przez kilka firm dysponujących różnymi rodzajami ubijaków [2]. Znane są liczne przykłady jej wykorzystania m.in. na terenie Śląska (np. [3]). Rys. 1. Typowy przekrój geotechniczny podłoża pod budynkami osiedla Dębowe Tarasy w Katowicach Wzmocnienie nasypu antropogenicznego pod budowę osiedla mieszkaniowego Dębowe Tarasy w Katowicach Przykładem wykorzystania konsolidacji dynamicznej do wzmocnienia podłoża nasypowego zbudowanego z odpadów kopalnianych jest budowa osiedla mieszkaniowego Dębowe Tarasy w Katowicach. Na całość inwestycji składają się 4 budynki o wymiarach 72,4 x 48,9 m i wysokości od 6 do 11 kondygnacji oraz 8 budynków o wymiarach 42,3 x 19,8 m i wysokości 4 kondygnacji. Posadowienie wszystkich obiektów przewidziano na sztywnej skrzyni fundamentowej, a naciski wywierane na podłoże nie przekraczają 250 kpa. Warunki gruntowo-wodne w podłożu Podstawą oceny warunków gruntowo-wodnych pod projektowaną inwestycję była dokumentacja geologiczno-inżynierska [6]. Z przeprowadzonego rozpoznania wynikało, że wierzchnią warstwą podłoża jest nasyp złożony z antropogenicznych odpadów kopalnianych o miąższości od 0 do nawet 20 m (rys. 1). Nasyp budują zasadniczo: łupek przywęglowy, łupek ilasty, okruchy piaskowca i mułowca, pył węglowy oraz węgiel, a więc tworzywo typowej hałdy górniczej przemieszane z żużlem, piaskami różnej granulacji, piaskiem gliniastym i gliną. Nasyp podścielają rodzime wodnolodowcowe gliny piaszczyste i piaski gliniaste w stanie twardoplastycznym oraz średnio zagęszczone piaski średnie i drobne. Fot. 2. Stanowisko do próbnych obciążeń Wzmocnienie podłoża oraz jego parametry Zasadniczym problemem na etapie projektowania posadowienia poszczególnych budynków był brak informacji w odniesieniu do rzeczywistej nośności i odkształcalności nasypu. Źródłem zastrzeżeń nie był skład i uziarnienie materiału, które były korzystne, lecz jednorodność jego zagęszczenia. W przypadku wystąpienia pustek w podłożu lub lokalnych rozluźnień, a takie prawdopodobieństwo istniało, nawet przyjęcie fundamentu skrzyniowego stwarzało ryzyko wystąpienia awarii. Ich przyczyną byłyby osiadania lub przechylenia obiektów. Stąd też potencjalna metoda wzmacniająca podłoże powinna charakteryzować się przede wszystkim możliwością zapewnienia równomiernego oraz odpowiednio wysokiego zagęszczenia materiału nasypu. Wymagania powyższe spełnia wspomniana wcześniej konsolidacja dynamiczna. Ostateczny wybór metody wzmocnienia i stosowny projekt poprzedzony został szerokimi badaniami, obejmującymi m.in.: analizę istniejącej dokumentacji, odkrywki kontrolne oraz wielkowymiarowe próbne obciążenia. Te ostatnie, w liczbie trzech, usytuowano 72 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)
Budownictwo inżynieryjne Rys. 2. Charakterystyki obciążenie-osiadanie dla wybranego miejsca przed wzmocnieniem podłoża metodą konsolidacji dynamicznej na rzucie projektowanych budynków. Obciążenia próbne realizowano z wykorzystaniem płyt drogowych, metodą kolejnych stopni obciążenia. W każdym z próbnych obciążeń wartość obciążenia końcowego wynosiła ok. 100 kpa. Sporządzone wykresy zależności: obciążenie-osiadanie dla obciążenia pierwotnego i wtórnego wykorzystano do wyznaczenia modułów odkształcenia oraz do szacowania osiadań projektowanych obiektów i wyznaczenia nośności podłoża. Na fot. 1 pokazano jedno ze stanowisk badawczych, natomiast a na rys. 2 uzyskane wykresy zależności: obciążenie-osiadanie. Dodajmy jeszcze, że powierzchnia obciążenia w każdym z badań wynosiła 3x6 = 18m 2, a obszerny opis samych badań i wyników oraz ich analizę zawiera praca [5]. W projekcie wzmocnienia podłoża pod budynki osiedla Dębowe Tarasy przyjęto ciężar ubijaka (13,5 t) i wysokość jego zrzutu (15 m). W efekcie pozwoliło to na skuteczne zagęszczenie materiału nasypu do głębokości ok. 13 m. Na podstawie wymiarów ubijaka, którym dysponował wykonawca wzmocnienia, ustalono punkty ubijania dla pełnej wysokości opadania ubijaka w siatce kwadratowej 4,0 x 4,0 m, natomiast przy procesie prasowania w siatce 2,0 x 2,0 m. Projekt przewidywał łącznie wykonanie ponad 1200 kraterów o podanych wyżej parametrach technologicznych. Dodajmy jeszcze, że do wzmocnienia podłoża wykorzystane zostało urządzenie DYZAG (fot. 2), a wykonawcą przedsięwzięcia była firma PRINZBUD-5 ze Świętochłowic. Projekt wzmocnienia podłoża nasypowego został częściowo zmodyfikowany. Przyczyną okazały się niekorzystne wpływy drgań Fot. 3. Ubijak na znajdujące się w pobliżu robót budynki. Ponieważ w niektórych miejscach drgania pomierzone na budynkach istniejących przekraczały wartości dopuszczalne normą [8], zdecydowano o zmniejszeniu w tych rejonach wysokości spadania ubijania, w zależności od obserwowanego poziomu drgań, do 12 m, 10 m oraz 7 m. Założoną energię ubijania, przy zmniejszeniu wysokości opadania ubijaka, rekompensowano większą liczbą jego uderzeń. Modyfikacje te nie spowodowały pogorszenia efektów wzmocnienia, co zresztą zostało potwierdzone wynikami próbnych obciążeń, wykonanych po zakończeniu robót. Wyniki pomiarów i badań kontrolnych O jednym z badań kontrolnych wspomniano powyżej. Podstawą modyfikacji technologii zagęszczania podłoża nasypowego były pomiary przyśpieszeń drgań na budynkach istniejących. Efektywność wzmocnienia oceniono, wykonując wielkowymiarowe próbne obciążenia podłoża (łącznie trzy) [5]. Wykonano je w bezpośredniej bliskości próbnych obciążeń przeprowadzonych wcześniej dla potrzeb sporządzenia projektu. Uzyskiwane sztywności były w każdym przypadku przynajmniej dwukrotnie większe od uzyskanych dla podłoża przed wykonaniem konsolidacji. Innym zagrożeniem dla budynków istniejących są osiadania podłoża w sąsiedztwie prowadzonych robót. Jest to szczególnie istotne dla utworów nasypowych i części gruntów rodzimych, gdyż wywoływane w podłożu drgania dogęszczają podłoże, wywołując osiadania. Stąd też na etapie wykonywania konsolidacji dynamicznej prowadzono monitoring osiadań reperów umieszczonych na obiektach, znajdujących się w promieniu do 300 m od miejsc ubijania. Łącznie prowadzono obserwacje na 95 reperach [7], w okresie od października 2006 r. do kwietnia 2008 r. Plan reperów pomiarowych przedstawiono na rys. 3. Na rys. 4 pokazano z kolei osiadania na sześciu z nich. Cztery repery (nr 1 4) znajdowały się na budynkach, a pozostałe dwa na powierzchni pobliskiego parkingu. W niektórych miejscach osiadania przekraczały 4 cm. Dotyczyło to głównie reperów usytuowanych na budynkach o konstrukcji murowej. Mniejsze osiadania obserwowano na niedawno zbudowanym parkingu (punkty nr 5 i 6). Można zauważyć, że w miarę oddalania się od miejsc ubijania efekty wywoływane ubijaniem zanikają. Zwraca uwagę również to, że zasadnicza część osiadań została zrealizowana w trakcie konsolidowania podłoża pod wschodnią częścią terenu (faza I), które miało miejsce do marca 2007 r. Wzmocnienie zachodniej części (przełom roku 2007/2008) wywołało nieznaczne osiadania, a lokalnie nawet odprężenie podłoża. To najprawdopodobniej efekt płytszego nasypu w części zachodniej oraz skonsolidowania terenu w wyniku I fazy inwestycji. Dodajmy przy tym, że prowadzone roboty nie spowodowały uszkodzenia żadnego z istniejących w pobliżu budynków, obserwowano jedynie drobne zarysowania i pęknięcia elementów wykończenia. Na zakończenie warto zaznaczyć, że do dziś zrealizowane zostało posadowienie połowy z projektowanych budynków (fot. 3), a zakończenie prac przewiduje się na koniec roku 2010. GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 73
Budownictwo inżynieryjne inżynieryjne Podsumowanie Odczuwalny brak terenów zdatnych pod zabudowę bez zastrzeżeń skłania do większego zainteresowania terenami o niekorzystnej charakterystyce geotechnicznej, w tym także nasypami budowanymi przez grunty antropogeniczne. W przypadku tych ostatnich to najczęściej zróżnicowany skład oraz stan przesądzają o ich nieprzydatności pod zabudowę. Szczególnie przydatne w tej sytuacji są niektóre z metod, zmierzających do wzmocnienia nasypów, w tym konsolidacja dynamiczna. Metoda ta jest stosowana od wielu lat na terenie Śląska i to w odniesieniu do odpadów kopalnianych. Wybór tej lub innej metody powinien być poprzedzony szczegółową analizą dostępnych materiałów oraz wyników badań laboratoryjnych i badań polowych. Przy wyborze metody powinny być także uwzględnione jej niekorzystne wpływy na otoczenie, w tym na środowisko, łącznie z prowadzeniem systematycznego monitoringu. Przedstawiony przykład zagospodarowania nasypu z odpadów pogórniczych pod budowę obiektów kubaturowych dobrze ilustruje powyższe stwierdzenia i stanowi pozytywny przykład wykorzystania geoinżynierii w budownictwie. Rys. 3. Rys. 4. Umiejscowienie punktów pomiaru osiadań w rejonie budowy osiedla Dębowe Tarasy Umiejscowienie punktów pomiaru osiadań w rejonie budowy osiedla Dębowe Tarasy LITERATURA [1] Gryczmański M., Współczesne kierunki rozwoju geotechniki w Polsce, Inżynieria i Budownictwo, 8,1994, s. 339-347. [2] Gryczmański M., Dynamiczne metody wzmacniania podłoża gruntowego, XVI Ogólnopolska Konferencja Warsztat pracy projektanta konstrukcji, Ustroń, 2001, t.2, s. 41-57. [3] Gryczmański M., Sękowski J.: Doświadczenia w budowie dróg na słabych podłożach gruntowych na przykładzie drogowej trasy średnicowej. XLVI Techniczne Dni Drogowe, Szczyrk 2003, s. 67-77. [4] Kłosiński B., Gawor B.: Wzmacnianie podłoża udarami o dużej energii. Przegląd doświadczeń. Inżynieria i Budownictwo, 4, 1984. [5] Łupieżowiec M., Wielkowymiarowe próbne obciążenia jako metoda rozpoznawania nośności i sztywności podłoża gruntowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej, z. 1-Ś, 2007, s. 105-116. [6] Słowik J., Opinia geologiczno-inżynierska dotycząca wschodniej części projektowanego osiedla Dębowe Tarasy przy ul. Piotra Ściegiennego w Katowicach, Przedsiębiorstwo Usługowo-Produkcyjno-Handlowe PROGEO sp. z o.o., Katowice, 2006. [7] Sprawozdanie techniczne dla obiektu Dębowe Tarasy dotyczące osiadań reperów zainstalowanych na budowanych obiektach oraz na budynkach i urządzeniach znajdujących się w pobliżu, wykonane przez Przedsiębiorstwo Handlowo-Usługowe GEOCAD Katowice, 2008. [8] PN-85/B-02170: Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. Fot. 4. Osiedle Dębowe Tarasy (V.2009 r.) 74 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)
Budownictwo inżynieryjne GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 75