Sprawdzanie stateczności dna głębokich wykopów dr inż. Bolesław Kłosiński Instytut Badawczy Dróg i Mostów Wprowadzenie Głębokie wykopy budowlane z reguły sięgają poniżej zwierciadła wody gruntowej. Wykonanie podziemnej części budowli wymaga odwodnienia wykopu na czas robót oraz zapewnienia szczelności i ewentualnie odwodnienia podczas eksploatacji. We wszystkich fazach należy zapewnić stateczność dna wykopu i wykonanej konstrukcji. Ostatnio zrealizowano wiele śmiałych, zaawansowanych technicznie konstrukcji. Opisy ich zawierają m.in. publikacje [7, 10, 18, 19]. Miały miejsce awarie tak głośne, jak na budowie metra w Warszawie, a także mniej znane. Polskie normy budowlane nie zawierają konkretnych wymagań, a w projektowaniu jakoś interpretuje się ich postanowienia. W artykule przedstawiono rodzaje stanów granicznych i sposoby sprawdzenia warunków stateczności ze szczególnym uwzględnieniem zasad Eurokodu 7. Znaczenie rozpoznania podłoża i warunków wodnych Decydujący wpływ na bezpieczeństwo i koszt budowli ma właściwe rozpoznanie podłoża. Nie warto oszczędzać na badaniach gruntu, a zwłaszcza powierzać ich tanim firmom. Skorzystanie z rad nawet drogiego konsultanta jest tańsze od nieracjonalnego wykonywania lub późniejszych napraw. Pozorne oszczędności zwykle powodują wielokrotnie większe dodatkowe koszty budowy. Regułą jest rozpoznanie parostopniowe, uściślające dane odpowiednio do faz projektu i wynikających potrzeb. Ważne jest odpowiednio wczesne wykonanie badań, by projektant (a także inwestor) nie podejmował często kosztownych decyzji w ciemno. Na terenach zabudowanych podłoże jest na ogół dość dobrze rozpoznane. Np. w Warszawie i kilku innych aglomeracjach istnieją zbiory profili wierceń, zwykle pozwalające szybko i tanio uzyskać wstępne, dość szczegółowe dane o podłożu. Nie zwalnia to z wykonania badań, aby uniknąć przykrych niespodzianek. Rozporządzenie MTBiGM z 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania warunków geotechnicznych posadowień budowli, a także Załącznik Krajowy PL (2010) [13], określają zgodnie z normą PN-EN 1997-1 (Eurokod 7) kategorie geotechniczne obiektów, z którymi związane są wymagania dotyczące rozpoznania i dokumentacji badań podłoża. Większość głębokich wykopów jest zagłębiona poniżej zwierciadła wody gruntowej. Powoduje to utrudnienia wykonawstwa i stwarza problem zapewnienia długotrwałej stateczności budowli. Projektowanie zabezpieczeń wykopów jest zadaniem bardzo odpowiedzialnym wymaga specjalistycznej wiedzy i doświadczenia oraz przezorności, gdyż popełnienie błędu może skutkować kosztownymi konsekwencjami Rozpoznanie poziomów wód i obserwacja ich zmian są niezbędne do ustalenia warunków wykonywania wykopów i ewentualnego zakresu czasowego obniżenia poziomu lub ciśnienia wody gruntowej. Rozpoznanie powinno umożliwiać opracowanie projektu odwodnienia. Niekiedy bywa trudne prawidłowe rozpoznanie wód zawieszonych i ich rozróżnienie od podstawowego poziomu wodonośnego. Głębokie wykopy zaliczane są często do kategorii geotechnicznej 3. Przy ponad dwóch kondygnacjach podziemnych jest zwykle konieczne kosztowne odwodnienie. Jednak wykonanie rozległej depresji poziomu wód zwykle nie jest dopuszczalne. W takim przypadku odwodnienie wykopu bywa szczególnie kosztowne. Należy też mieć na uwadze groźbę uniesienia przez wypór wody podziemi niskich, lekkich części budowli, zwłaszcza dojazdów do tuneli. Badania powinny umożliwić ocenę wodoprzepuszczalności warstw gruntu. Z uwagi na potrzeby odwodnienia wykopu rozpoznanie podłoża powinno określić poziom zalegania warstw nieprzepuszczalnych lub słabo przepuszczalnych, gdyż do tych właśnie warstw często zwiększa się zagłębienie ścian obudowy, aby odciąć dopływ wody do wykopu lub istotnie go ograniczyć. Wskazane jest korzystanie z lokalnych doświadczeń i obserwacji, co pozwala uniknąć błędów i trudności. Głębokość rozpoznania potrzebną w konkretnym przypadku trudno przewidzieć z góry i należy ją weryfikować w miarę uzyskiwanych wyników badań. Teoretycznie powinna ona być nie mniejsza od głębokości tzw. strefy aktywnej podłoża fundamentu np. wg PN-B-03020:1981. Dla fundamentów wysokich budynków głębokość wierceń od powierzchni terenu wynosi zwykle do 30 40 m, lecz w celu rozpoznania warunków wodnych bywa potrzebne rozpoznanie głębsze kilka otworów do 50 60 m. Badania geotechniczne powinny być przeprowadzone zgodnie z wymaganiami norm PN-B-02479:1998, PN-81/B-03020, PN-88/B-04481 oraz Eurokodu 7: PN-EN 1997-1 i PN-EN 1997-2. Rodzaj i zakres badań powinien być dostosowany do złożoności występujących warunków oraz do rangi i specyfiki budowli. Program badań powinien uzgadniać projektant-konstruktor, a w przypadku niepełnego rozpoznania lub istot- 38 styczeń - marzec 1 / 2014 [46]
Geoinżynieria nych wątpliwości powinien żądać ich uzupełnienia, bo to on odpowiada za bezpieczeństwo konstrukcji. A uniknięcie problemów leży w interesie tak wykonawcy, jak i inwestora. Uszczelnienie i osuszenie wykopu Podziemia budowli najczęściej są otoczone ścianą szczelinową, rzadziej ścianą z pali wierconych, kolumn DSM albo iniekcyjnych; stalową ścianką szczelną lub obudową berlińską. Do wykonania płyty dennej niezbędne jest wybranie gruntu i osuszenie wykopu. Stosowane są różne rozwiązania, polegające na wypompowaniu wody lub też na uszczelnieniu jego dna, głębienie podwodne, a także metody specjalne, jak zamrażanie czy użycie sprężonego powietrza [2, 11, 20]. Najważniejsze sposoby to: pompowanie wody z drenażu na dnie wykopu; pompowanie wody za pomocą studni lub igłofiltrów zagłębionych w dnie wykopu wewnątrz obudowy; uszczelnienie dna za pomocą betonowego korka ułożonego podwodnie na dnie wykopu; uszczelnienie dna przegrodą (ekranem, przesłoną) wodoszczelną w podłożu wykopu, formowaną iniekcją strumieniową, z odcinków kolumn DSM lub klasyczną iniekcją filtracyjną; odcięcie dopływu wody ścianami szczelinowymi obudowy zagłębionymi w grunty mało przepuszczalne w podłożu. Przegrody uszczelniające podłoże Jeżeli nie ma możliwości odcięcia dopływu wody ścianami obudowy, to często stosowane są głębokie przegrody (ekrany, przesłony), które uszczelniają podłoże dna wykopu [10, 17]. Obecnie najczęściej są one formowane iniekcją strumieniową, z odcinków kolumn DSM lub klasyczną iniekcją filtracyjną. Grubość przegród wynosi zwykle 2 do 3 m, zależnie od potrzebnej wytrzymałości i pewności szczelności. Przegrody są płytko pod dnem wykopu i przy dużych ciśnieniach wody wymagają kotwienia albo też są sytuowane głęboko w poziomie dolnego końca ścian obudowy, a równowagę ich zapewnia obciążenie nadkładem gruntu. Przegrody iniekcyjne (jet-grouting) są formowane z walcowych kolumn pokrywających całą powierzchnię dna wykopu z pewnym zakładem na niedokładności usytuowania, zwłaszcza przy dużej głębokości formowania. Wskazana jest jak największa średnica kolumn, aby ograniczyć liczbę elementów i ich styków. Typowe średnice to 2,5 3,5 m, ale obecnie uzyskuje się 5 m i więcej. Tworzywo przegrody, powstałe ze zmieszania strumienia iniektu cementowego z miejscowym gruntem, ma dość dużą wytrzymałość na ściskanie zwykle oczekuje się jej nie mniejszej od 3 MPa, choć np. w gruntach organicznych wytrzymałości są dużo mniejsze. Przegrody bez kotwienia przenoszą różnicę poziomów wody do około 3 m, koszt ich jest umiarkowany. Przy większych ciśnieniach wody konieczne jest kotwienie, co powoduje duży wzrost kosztu. Przy głębokości ponad 10 m rośnie ryzyko nieszczelności. Wykonawstwo takich przegród jest dobrze opanowane w kraju. Przegrody z kolumn DSM są utworzone z zachodzących na siebie w planie walcowych odcinków kolumn, formowanych z miejscowego gruntu mieszanego ze spoiwem, podawanym w postaci suchej (dry mixing) lub mokrej (wet mixing). Istotą procesu jest odspajanie gruntu i jego mieszanie (oraz częściowa wymiana) ze spoiwem, przy czym mieszanie może odbywać się w sposób mechaniczny narzędziem skrawającym (pojedynczym, podwójnym lub potrójnym) albo ze wspomaganiem hydraulicznym (tj. z udziałem iniekcji strumieniowej w metodzie mieszania na mokro). Średnica kolumn DSM wykonywanych metodą na mokro wynosi zwykle od 0,8 do 1,5 m, choć osiąga nawet 2,5 m. Metoda ta ma pewne ograniczenia, zwłaszcza wrażliwa jest na przeszkody w gruncie. Wytrzymałość stwardniałego tworzywa kolumn wynosi w piaskach 1 do 3 MPa, w gruntach organicznych i spoistych tylko 0,2 do 1 MPa. Przegrody formowane klasyczną iniekcją filtracyjną: cementową wykonywane są praktycznie tylko w żwirach, z mikrocementów także w piaskach średnich i drobnych bez frakcji pyłowej. W gruntach mniej przepuszczalnych stosuje się iniekty chemiczne (żele, zawiesiny) krzemianowe lub z żywic syntetycznych. Metodą iniekcji niskociśnieniowej trudno jest uzyskać jednorodne zeskalenie gruntu. Jest ona przydatna raczej do uszczelniania gruntów słabo przepuszczalnych. W gruntach spoistych metoda ta jest nieprzydatna. Z omówionych trzech metod najbardziej niezawodna jest iniekcja strumieniowa, mniej pewna jest DSM, a najbardziej niepewna iniekcja klasyczna. Wszystkie metody wymagają ścisłej kontroli, polegającej na ciągłej rejestracji parametrów procesu technologicznego, ciśnień, zużycia iniektu itp. Szczelność przegród bardzo zależy od staranności wykonania i jakości urządzeń, a także od głębokości wiercenia otworów. Jednakże nawet najlepiej wykonane przegrody nie są zupełnie szczelne i należy liczyć się z ich przeciekami. Kotwienie dna (płyty dennej, przegrody) obecnie wykonuje się zwykle za pomocą mikropali, rzadziej palami lub kotwami. Wykonanie zakotwień, zwłaszcza podwodne, jest trudne. Zakotwienia wykonuje się albo po częściowym lub pełnym wykonaniu wykopu, podwodnie z pomostów lub jednostek pływających, albo przed odkopaniem z terenu (lub płytkiego wstępnego wykopu). Długość zakotwień może być znaczna i nie stanowi większego ograniczenia. Stosowane są różne rodzaje mikropali i kotew gruntowych, także stałe; rzadziej stosowane są pale wiercone. Przykład uszczelnienia wykopu Teatru Szekspirowskiego w Gdańsku Przy budowie podziemia teatru [19] do odcięcia dopływu wody przez dno wykopu o głębokości około 6 m zastosowano poziomą przegrodę uszczelniającą, formowaną metodą iniekcji strumieniowej. Zwierciadło wody gruntowej występowało około 2,5 m powyżej dna wykopu. Zastosowano nowe monitory Super Jet, pracujące w tzw. systemie D podwójnym (ang. Double), z otuleniem strumienia zaczynu sprężonym powietrzem w celu poprawienia spójności strumienia i skuteczności erodowania gruntu. Umożliwiło to wykonanie kolumn o średnicy 3,5 m. Rozmieszczono je w siatce trójkątów równobocznych o boku 2,6 m. Przegrodę o grubości 2,0 m (na głębokości od 10,5 do 12,5 m) wykonano wewnątrz obudowy z kolumn DSM o średnicy 2,0 m. Rozstaw kolumn iniekcyjnych był dostosowany do możliwej do osiągnięcia w danych warunkach średnicy kolumn oraz dokładności ich usytuowania w celu zapewnienia wymaganej szczelności przegrody. Głębokości wiercenia poniżej poziomu terenu wynosiły od 12,5 do 13 m. Łącznie wykonano 798 kolumn o średnicach 3,5 m i 2,0 m. W czasie robót kontrolowano rzeczywiście osiągane średnice w poziomie przegrody, z uwzględnieniem zakładu kolumn, wynikającego z tolerancji wykonawczych, związanych z głębokością wiercenia i możliwym odchyleniem żerdzi wiertniczych od pionu, które zwykle wynosi do około 1,5% efektywnej długości żerdzi. Szczelność przegrody zależy głównie od styczeń - marzec 1 / 2014 [46] 39
dokładności styków kolumn, wpływ przepuszczalności samego materiału jest niewielki. Kontrolowano wytrzymałość cementogruntu po 28 dniach oraz jego wodoprzepuszczalność. Wytrzymałość próbek 15 15 15 cm materiału ze świeżo formowanych kolumn wynosiła od 1,20 do 2,20 MPa, średnio 1,65 MPa, wobec zakładanej wartości wynoszącej 1,00 MPa. Zbliżona była wytrzymałość próbek z wyciętych rdzeni. Współczynnik wodoprzepuszczalności materiału przegrody po 28 dniach wynosił od 1,1 10-8 do 2,4 10-8 m/s, średnio 1,6 10-8 m/s, przy zakładanej wartości k 3,5 10-6 m/s. Uzyskana szczelność zabezpieczenia, złożonego z palisady DSM i przegrody iniekcyjnej, odpowiada napływowi wody zaledwie 0,4 litra/s na 1000 m 2 wykopu i jest ponad 12-krotnie mniejsza od zakładanej. Sprawdzono obliczeniowo stateczność przegrody na wypór, przyjmując współczynnik bezpieczeństwa > 1,1. Szczegóły zawiera publikacja [19]. Warunki stateczności dna wykopu Działanie ciśnienia wody jest częstą przyczyną zjawisk prowadzących do awarii lub kosztownych napraw. Norma PN-EN 1997-1:2008 [12] przywiązuje szczególną uwagę do zagrożeń związanych ze zniszczeniem hydraulicznym. Przytoczone fragmenty (zaznaczone kursywą) pozwalają poznać specyficzny styl tego dokumentu. W p. 2.4.2. Oddziaływania powiedziano: Należy zwrócić szczególną uwagę na wyznaczenie oddziaływań, w których dominują siły pochodzące od wody gruntowej i powierzchniowej, w powiązaniu z odkształceniami, szczelinowatością, zmieniającą się przepuszczalnością hydrauliczną oraz erozją. W p. 2.4.7 Stany graniczne nośności wyróżniono m.in. stany UPL i HYD: W uzasadnionych przypadkach należy sprawdzić, czy nie zostaną przekroczone następujące stany graniczne: utrata stateczności konstrukcji albo podłoża (utrata równowagi pionowej) spowodowana ciśnieniem wody (wyporem) lub innymi oddziaływaniami pionowymi (UPL); hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu, erozja wewnętrzna lub przebicie hydrauliczne w podłożu spowodowane spadkiem hydraulicznym (HYD). W rozdziale 10. Zniszczenie hydrauliczne zalecono sprawdzenie czterech mechanizmów zniszczenia podłoża, wywołanego ciśnieniem wody w porach lub przepływem wody w gruncie. Są to: wyparcie (przez wypór wody) gdy wartość ciśnienia wody w porach pod konstrukcją lub pod warstwą gruntu o małej przepuszczalności przewyższa średnie naprężenie od nadkładu (wywołane ciężarem konstrukcji i/lub zalegających powyżej warstw gruntu); hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu gdy skierowane do góry siły ciśnienia spływowego przeciwdziałają ciężarowi gruntu, zmniejszając efektywne naprężenia pionowe do zera; cząstki gruntu są wtedy unoszone przez pionowy przepływ wody i następuje zniszczenie podłoża (zjawisko upłynnienia kurzawki ); erozja wewnętrzna w wyniku przemieszczania cząstek gruntu w obrębie jednej warstwy, na granicy warstw gruntowych lub na powierzchni styku konstrukcji z gruntem; może to w konsekwencji prowadzić do erozji regresywnej, powodującej zapadanie się struktury gruntu; przebicie hydrauliczne szczególny przypadek zniszczenia przez erozję wewnętrzną, gdy erozja rozpoczyna się na powierzchni i postępuje aż do momentu powstania w gruncie, na styku gruntu z obudową lub na granicy warstwy spoistej z niespoistą, okrągłego kanału wypływowego; zniszczenie następuje, gdy wylot kanału erozyjnego osiąga dno wykopu. Zaleca się wziąć pod uwagę, że dla różnych mechanizmów zniszczenia mogą być miarodajne różne uwarstwienia gruntu. Warunki zniszczenia hydraulicznego w podłożu można wyrazić za pomocą naprężeń całkowitych i ciśnienia wody w porach lub też za pomocą naprężeń efektywnych i spadku hydraulicznego. Analiza naprężeń całkowitych stosowana jest do sprawdzenia zniszczenia spowodowanego wyparciem. Do zniszczenia spowodowanego hydraulicznym unoszeniem cząstek gruntu stosuje się zarówno naprężenia całkowite, jak i efektywne. W celu zapobieżenia erozji wewnętrznej i przebiciu hydraulicznemu należy ograniczyć spadki hydrauliczne. Jeśli ciśnienie wody w porach ma charakter hydrostatyczny (znikomy spadek hydrauliczny), to nie wymaga się sprawdzania stanów innych niż zniszczenie spowodowane wyparciem. Gdy hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu, przebicie lub erozja wewnętrzna stanowią zagrożenie dla całej konstrukcji geotechnicznej, należy podjąć środki w celu ograniczenia spadku hydraulicznego do poziomu dopuszczalnego. Kluczowe znaczenie mają zasady przyjmowania miarodajnych poziomów i ciśnień wody. Dyskusję, także wśród twórców Eurokodu 7, budzi sposób obliczania obciążeń ciśnieniem wody: czy przyjmować jej charakterystyczny poziom i mnożyć ciśnienie przez współczynnik częściowy (co może powodować przyjmowanie wysokości słupa wody, która fizycznie nie jest możliwa), czy też zakładać obliczeniowy poziom wody z odpowiednim nadmiarem (jak danych geometrycznych). Dylemat ten ma rozwiązać rozpoczęta już nowelizacja Eurokodu 7. Dotychczasowe ustalenia (konferencja w Wiedniu, 11/2013) przewidują, że nie stosuje się współczynników częściowych zwiększających ciężar objętościowy lub ciśnienie wody; poziomy i ciśnienia wody ustala się zgodnie z okresem powrotu nie krótszym niż okres użytkowania budowli (np. 100 lat). Współczynniki częściowe stosuje się przy sprawdzaniu stanów granicznych STR i ewentualnie GEO w określonych sytuacjach. Wartości współczynników są zmniejszane dla sytuacji przejściowych i wyjątkowych. Szczegółowe postanowienia są nadal dyskutowane. Sprawdzanie wyparcia UPL Zasady sprawdzania wyparcia zawierają punkty 2.4.7.4 i 10.2 normy PN-EN 1997-1. W punkcie 10.2 podano: (1)P Stateczność na wyparcie konstrukcji lub warstwy gruntu o małej przepuszczalności należy sprawdzić, porównując stałe oddziaływania utrzymujące (na przykład ciężar i tarcie na ścianach bocznych) ze stałymi i zmiennymi oddziaływaniami destabilizującymi, wywołanymi parciem wody i innymi możliwymi przyczynami. Przykłady sytuacji, w których należy sprawdzić stateczność na wyparcie, pokazano na rysunkach 7.1 (rys. 2) i 10.1 (rys. 1). (2)P W projekcie należy sprawdzić możliwość zniszczenia przez wyparcie, stosując nierówność (2.8) w 2.4.7.4. W nierówności tej obliczeniową wartość pionowej składowej stałych oddziaływań stabilizujących (G stb;d ) stanowi na przykład ciężar konstrukcji i warstw gruntu, a obliczeniowy opór (R d ) 40 styczeń - marzec 1 / 2014 [46]
Geoinżynieria jest sumą na przykład wszystkich sił tarcia (T d ) i wszystkich sił od zakotwień (P). Opór przeciwdziałający wyparciu, wynikający z tarcia i sił od zakotwień, można również traktować jako pionowe stałe oddziaływanie stabilizujące (G stb;d ). Wartość obliczeniowa pionowej składowej stałych i zmiennych oddziaływań destabilizujących (V dst;d ) jest sumą parcia wody działającego na spód konstrukcji (części stała i zmienna) oraz wszystkich innych sił działających ku górze. Bardziej szczegółowe postanowienia zamieszczono w punkcie 2.4.7.4. (1)P Rozpatrując stan graniczny wyparcia (UPL), należy sprawdzić, czy wartość obliczeniowa kombinacji destabilizujących pionowych oddziaływań stałych i zmiennych (V dst;d ) jest mniejsza lub równa sumie obliczeniowej wartości stabilizujących pionowych oddziaływań stałych (G stb;d ) i obliczeniowej wartości dodatkowego oporu przeciwdziałającego wyparciu (R d ): V dst,d G stb;d + R d N (2.8) gdzie V dst,d = G dst;d + Q dst;d (2)P Dodatkowy opór przeciwdziałający wyparciu można również traktować jako stabilizujące pionowe oddziaływanie stałe (G stb;d ). (3)P We wzorze (2.8) należy stosować współczynniki częściowe do G dst;d, Q dst;d, G stb;d i R d dla sytuacji trwałych i przejściowych, określone w A.4(1)P i A.4(2)P. We wzorze N (2.8) oznaczono: V dst,d = G dst;d + Q dst;d obliczeniowe pionowe oddziaływania destabilizujące stałe i zmienne, G stb;d obliczeniowe pionowe oddziaływania stabilizujące stałe, R d obliczeniowe opory dodatkowe przeciwdziałające wyparciu. Zalecane wartości współczynników częściowych podano w Tablicach A.15 (do oddziaływań) i A.16 (do parametrów geotechnicznych) oraz powtórzono w Zał. Kraj. PL [13]. Wynoszą one: oddziaływania stałe niekorzystne (destabilizujące) G;dst = 1,0 korzystne (stabilizujące) G;stb = 0,90 oddziaływania zmienne niekorzystne (destabilizujące) Q;dst = 1,50 parametry geotechniczne do kąta tarcia wewnętrznego = 1,25 do spójności efektywnej c = 1,25 do wytrzymałości na ścinanie bez odpływu cu = 1,40 nośności i opory nośność pala wyciąganego s;t = 1,40 nośność kotwy a = 1,40 W podrozdziale 10.2 normy PN-EN 1997-1 obszernie przedstawiono sytuacje występowania wyporu konstrukcji zagłębionych w wodę gruntową (rys. 1). Ponadto podano: (3) W prostych przypadkach sprawdzenie warunku (2.8) wyrażonego w siłach można zastąpić sprawdzeniem naprężeń całkowitych i ciśnienia wody w porach. (4) Najczęściej stosowanymi środkami w celu przeciwdziałania zniszczeniu przez wyparcie są: zwiększenie ciężaru konstrukcji, zmniejszenie ciśnienia wody w porach pod konstrukcją przez drenaż, zakotwienie konstrukcji w niżej zalegających warstwach. a) Wyparcie zagłębionej pustej konstrukcji 1 zwierciadło wody (gruntowej) 2 powierzchnia wodoszczelna c) Wyparcie dna wykopu 4 pierwotna powierzchnia terenu 5 piasek 6 grunt spoisty 7 żwir d) Wykonanie przegrody poniżej poziomu wody 1 zwierciadło wody (gruntowej) 2 powierzchnia wodoszczelna 5 piasek 6 piasek 8 piasek zainiektowany e) Konstrukcja zakotwiona w celu przejęcia wyporu 1 zwierciadło wody (gruntowej) 5 piasek 9 kotwa Rys. 1. Rysunek N 10.1. Przykłady sytuacji, w których decydujące może być wyparcie [12] Sprawdzanie wyparcia konstrukcji zakotwionej palami W podrozdziale 10.2 normy PN-EN 1997-1 zamieszczono następujące postanowienie: (5)P Jeśli w celu przeciwdziałania zniszczeniu przez wyparcie stosuje się pale lub kotwy, projekt należy sprawdzić odpowiednio wg 7.6.3 lub 8.5, stosując współczynniki częściowe podane w 2.4.7.4. Określanie nośności pali i fundamentów poddanych wyciąganiu podano w punkcie 7.6.3 normy, a kotew w p. 8.5. Obliczeniową graniczną nośność pala wyciąganego R t;d określa warunek: F t;d R t;d N (7.12) w którym nośność obliczeniowa: R t;d = R t;k / s,t N (7.13) W podejściu DA2 s,t = 1,15 (tylko!) wartość zatwierdzona w Zał.Kr. PL (2010) [13]. Nośność na wyciąganie R t pojedynczego pala [6] wyznacza się na podstawie próbnego obciążenia (zaleca się badać co najmniej 2% liczby pali) albo z obliczeń na podstawie wyników badań podłoża. Metody obliczeń powinny być zweryfikowane za pomocą próbnych obciążeń i porównywalnych doświadczeń. Norma PN-EN 1997-1 nie podaje sposobu obliczeń. W praktyce krajowej można zalecić korzystanie z normy palowej PN-B-02482:1983, jednakże podane w niej wartości oporów należy zwiększyć o 30 40%, gdyż są to opory graniczne obliczeniowe, a więc zredukowane, a nie pełne graniczne [3, 6, 15]. Decydujące może być wyczerpanie nośności przez wyciągnięcie stożka gruntu, szczególnie w przypadku pala z poszerzoną podstawą albo zagłębionego w skale. Sprawdza się nie tylko nośność pali, lecz także stan graniczny nośności UPL uniesienia lub wyparcia całego fundamentu. Należy rozpatry- styczeń - marzec 1 / 2014 [46] 41
l a największy rozstaw pali w grupie l b najmniejszy rozstaw pali w grupie n z liczba pali wyciąganych ciężar objętościowy gruntu kąt tarcia wewnętrznego gruntu z współczynnik korelacyjny z = 0,80 Współczynniki częściowe wg EC7-1 i DIN [1, 4] wynoszą: G,dst = 1,05 (LF 2, GZ 1A) G,stb = 0,95 (LF 2, GZ 1A) Warunek równowagi sił obliczeniowych ma postać: A k G,dst G k,stb + G E,k + F S,k + F A,k Rys. 2. Rysunek N 7.1. Przykłady wyczerpania nośności przez podniesienie (UPL) grupy pali [12] 1 poziom terenu; 2 poziom wody gruntowej; 3 powierzchnia bloku, na której wystąpi opór tarcia T d wać dwa mechanizmy zniszczenia: wyciągnięcie pali z podłoża, podniesienie bloku gruntu zawierającego pale (rys. 2) zgodnie z 2.4.7.4. Można uwzględnić także opór ścinania T d na powierzchniach bocznych bloku gruntu. Zniszczenie blokowe zwykle decyduje o nośności pali wyciąganych, jeśli odległość pomiędzy palami jest nie większa od pierwiastka kwadratowego z iloczynu średnicy pala i jego zagłębienia w warstwie nośnej podłoża. Należy uwzględniać istotny niekorzystny wpływ obciążeń cyklicznych oraz o zmiennym kierunku na nośność pali wyciąganych. Do oceny tego wpływu zaleca się wykorzystywać doświadczenia porównywalne z próbnych obciążeń pali. Sprawdzenie według normy niemieckiej DIN Interesujące jest, że w nowej normie DIN 1054:2010-12 oraz w niemieckim Zał. Kr. nie dopuszczono stosowania schematów bryły gruntu według rys. 2. Podano ostrożniejszy schemat ostrosłupa z ostrzem na końcu pala, pokazany na rys. 3, co zmniejsza nieco ciężar bryły. Ciężar bryły gruntu wyciąganej z palem wynosi: G E,k = n z [l a l b (L 1/3 (l a 2 l b 2 ) cot )] z gdzie: L długość pala wyciąganego Sprawdzenie zniszczenia spowodowanego hydraulicznym unoszeniem cząstek gruntu W podrozdziale 10.3 zamieszczono następujące postanowienia. (1)P Stateczność gruntu na hydrauliczne unoszenie należy sprawdzić za pomocą wzoru (2.9a) lub (2.9b) dla każdego narażonego profilu gruntu. Wzór (2.9a) wyraża warunek stateczności za pomocą naprężeń całkowitych i ciśnień wody w porach. Wzór (2.9b) wyraża ten sam warunek za pomocą sił ciśnienia spływowego i ciężaru z uwzględnieniem wyporu. Przykład sytuacji, w której należy sprawdzić możliwość hydraulicznego unoszenia, pokazano na rysunku N 10.2 (rys. 5). (2)P Określenie charakterystycznej wartości ciśnienia wody w porach gruntu powinno uwzględniać wszelkie możliwe niekorzystne warunki, takie jak: cienkie warstwy gruntu o małej przepuszczalności, efekty przestrzenne, takie jak wąskie, koliste lub prostokątne, wykopy poniżej poziomu wody. UWAGA 1 Jeżeli grunt ma znaczną spójność, sposób zniszczenia zmienia się z unoszenia hydraulicznego na zniszczenie przez wyparcie. Sprawdzenie stateczności wykonuje się wtedy z wykorzystaniem postanowień zawartych w 10.2, przy czym do ciężaru można dodać dodatkowe siły oporu. UWAGA 2 Zapewnienie stateczności na hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu nie zawsze zapobiega erozji wewnętrznej, której możliwość zaleca się sprawdzić niezależnie, w uzasadnionych przypadkach. (3) Najczęściej stosowanymi środkami w celu przeciwdziałania zniszczeniu przez hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu są: zmniejszenie ciśnienia wody poniżej warstwy poddanej wypieraniu, zwiększenie ciężaru przeciwdziałającego hydraulicznemu unoszeniu. Rys. 3. Bryła gruntu wokół (mikro) pala Rys. 4. Zakotwienie dna podziemia Rys. 5. Rysunek N 10.2. Przykład sytuacji, gdy hydrauliczne unoszenie cząstek gruntu może być decydujące [12] 42 styczeń - marzec 1 / 2014 [46]
Geoinżynieria Procedura sprawdzająca wyparcie hydrauliczne przez ciśnienie spływowe (wg 2.4.7.4) (1)P Rozpatrując stan graniczny deformacji gruntu wywołanej ciśnieniem spływowym (HYD, patrz 10.3), należy wykazać w każdym istotnym profilu gruntu, że wartość obliczeniowa całkowitego destabilizującego ciśnienia wody w porach (u dst;d ) w podstawie wydzielonego słupa gruntu lub wartość obliczeniowa siły ciśnienia spływowego (S dst;d ) w słupie gruntu jest mniejsza lub równa całkowitemu stabilizującemu naprężeniu pionowemu ( stb;d ) w podstawie słupa gruntu lub ciężarowi tego słupa z uwzględnieniem wyporu (G stb;d ): u dst;d stb;d N (2.9a) S dst;d G stb;d N (2.9b) (2)P We wzorach (2.9a) i (2.9b) należy stosować współczynniki częściowe do u dst;d, stb;d, S dst;d i G stb;d dla sytuacji trwałych i przejściowych, określone w A.5(1)P. Wartości współczynników częściowych można podać w Załączniku Krajowym. Fot. 1. Przykład przebicia hydraulicznego w dnie wykopu (Berlin, Budowa Reichstagu) W polskim ZKr [13] do PN-EN 1997-1 podano następujące ustalenia dotyczące wyparcia: NA.2.7 Postanowienia dotyczące 2.4.7.5(2)P Stan graniczny deformacji gruntu wywołanej ciśnieniem spływowym wyparcie hydrauliczne (HYD) należy sprawdzać, stosując wzór 2.9b. W przypadku prostych warunków gruntowych wartości współczynników częściowych należy przyjmować z Tablicy A.17. W każdym przypadku należy stosować jednakowy współczynnik częściowy do tego samego rodzaju oddziaływania (gdy działa stabilizująco jak i destabilizująco zasada jednego źródła ). W złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych (np. luźny piasek, plastyczne grunty spoiste) wartość współczynnika G;dst należy zwiększyć. Wykazano np. w [9], że wzory (2.9a) i (2.9b) nie są równoważne i dają znacząco różne wyniki. Należy przestrzec przed stosowaniem wzoru (2.9a), gdyż już przykłady z Warsztatów w Dublinie (2005) wykazały, że łatwo jest popełnić błąd we współczynnikach i otrzymać wyniki zupełnie błędne. Aktualne ustalenia (Wiedeń, 11/2013) przewidują stosowanie tylko wzoru (2.9b). Wartości współczynników częściowych do oddziaływań ( F ) przy sprawdzaniu hydraulicznego unoszenia (HYD) zalecone w Zał. A do PN-EN 1997-1 wg Tablicy A.17 są następujące: styczeń - marzec 1 / 2014 [46] 43
oddziaływania stałe niekorzystne (destabilizujące) G;dst = 1,35 korzystne (stabilizujące) G;stb = 0,90 oddziaływania zmienne niekorzystne (destabilizujące) Q;dst = 1,50 Erozja wewnętrzna Przepływ wody w podłożu stwarza ryzyko transportu materiału w wyniku erozji wewnętrznej gruntu. W celu zapobieżenia temu stosuje się ochronę filtracyjną na powierzchniach swobodnych gruntu. Filtr z naturalnego gruntu niespoistego powinien spełniać kryteria projektowe dla materiałów filtrujących. Często jest konieczne użycie więcej niż jednej warstwy filtra w celu zapewnienia stopniowej zmiany uziarnienia, co daje wystarczającą ochronę gruntu, jak i warstw filtra. Obecnie powszechnie stosuje się warstwy filtrujące z tworzyw sztucznych, takich jak geotekstylia. Jeśli kryteria doboru materiałów filtracyjnych nie są spełnione, to należy sprawdzić, czy krytyczny spadek hydrauliczny jest wyraźnie mniejszy od wartości obliczeniowej spadku, przy którym cząstki gruntu zaczynają się przemieszczać. Przy wyznaczaniu spadku hydraulicznego krytycznego z uwagi na erozję wewnętrzną należy uwzględnić kierunek przepływu, skład granulometryczny i kształt ziaren oraz uwarstwienie podłoża gruntowego. Zniszczenie spowodowane przebiciem hydraulicznym Zjawisko przebicia hydraulicznego jest groźne, o czym świadczą np. problemy przy budowie dwóch stacji metra w Warszawie i wiele innych przypadków. Polega ono na utworzeniu w podłożu ciągłego kanału, wypełnionego wodą i gruntem o naruszonej strukturze (w końcowej fazie zjawiska zawiesiną), łączącego miejsca o większym i mniejszym ciśnieniu wody w porach. Zewnętrznym objawem przebicia są kratery (źródła) z gotującą się zawiesiną gruntową. W gruntach niespoistych przebicie występuje najczęściej w wyniku sufozji. W gruntach spoistych zwykle następuje wyparcie gruntu na niewielkiej przestrzeni i powstanie kanału, a w konsekwencji postępujące rozluźnienie gruntu doprowadzonego do stanu miękkoplastycznego i płynnego. Zjawisko przebicia zawsze zagraża stateczności i użytkowalności konstrukcji, dlatego w takim przypadku należy podjąć środki zapobiegające rozpoczęciu procesu przebicia: zastosowanie filtrów odwrotnych, dociążenia albo rozwiązań konstrukcyjnych umożliwiających kontrolowanie lub zablokowanie przepływu wody gruntowej. Zniszczeniu można zapobiegać przez zapewnienie odporności gruntu na erozję wewnętrzną w strefach, gdzie możliwy jest wypływ wody. Należy mieć na uwadze, że uprzywilejowanymi drogami filtracji mogą być powierzchnie styku konstrukcji z gruntem. Podsumowanie Większość głębokich wykopów jest zagłębiona poniżej zwierciadła wody gruntowej. Powoduje to utrudnienia wykonawstwa i stwarza problem zapewnienia długotrwałej stateczności budowli. Przedstawiono zasady projektowania stateczności dna wykopów oraz szczegółowo opisano wymagania normy PN-EN 1997-1. Wymagania te są dyskusyjne i krytykowane, zmiany ich są proponowane w nowelizowanej wersji EC7, ale powstanie ona zapewne za wiele lat. Jednak dobrze, że zasady te sformułowano dotychczasowe polskie normy zagadnienie to niemal pomijają. Projektowanie zabezpieczeń wykopów jest zadaniem bardzo odpowiedzialnym wymaga specjalistycznej wiedzy i doświadczenia oraz przezorności, gdyż popełnienie błędu może skutkować kosztownymi konsekwencjami. Utrata stateczności dna wykopu prowadzi co najmniej do awarii, a czasem nawet do katastrof, trudnych do naprawy i powodujących znaczne dodatkowe koszty. Z ciśnieniem wody nie ma żartów! Literatura [1] Empfehlungen des Arbeitkreises Pfähle EA-Pfähle. Ernst & Sohn, Wyd. 2, Berlin 2012, 498 s. [2] Grzegorzewicz K.: Projektowanie i wykonywanie ścian szczelinowych. Geoinżynieria nr 3/2005, s. 43 51. [3] Gwizdała K.: Fundamenty palowe Technologie i obliczenia. Tom 1. Wyd. PWN, Warszawa 2011. [4] Hettler A., Morgen K.: Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen die Baugruben mit verankerten Betonsohlen. Bautechnik nr 6/2008, s. 374 380. [5] Kłosiński B.: Wpływ głębokich wykopów na odkształcenia przyległych budowli. Inżynieria i Budownictwo nr 11/2010, s. 579 585. [6] Kłosiński B.: Projektowanie fundamentów palowych w normie PN-EN 1997 Projektowanie geotechniczne. Inżynieria i Budownictwo nr 4/2012, s. 177 182. [7] Kłosiński B.: Zasady i problemy projektowania stateczności dna głębokich wykopów. Seminarium Głębokie wykopy, IBDiM, Warszawa, 21 marca 2013, s. 23 36. [8] Kłosiński B.: Ocena i przyszłość Eurokodu 7 Projektowanie Geotechniczne. Przegląd Naukowy nr 60, 2013. [9] Lendo-Siwicka M., Łada A., Garbulewski K.: Projektowanie budowli według Eurokodu 7 z uwzględnieniem warunków hydraulicznych. Konf. PZITB, Krynica 2011. [10] Łaboda M.: Pozioma i pionowa przesłona przeciwfiltracyjna w technologii Soilcrete. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne nr 2/2011, s. 38 40. [11] Opęchowski W.: Uwarunkowania hydrologiczne głębokiego fundamentowania. Seminarium Ściany szczelinowe, IBDiM, Warszawa 2010, s. 107 130. [12] PN-EN 1997-1:2008 Projektowanie geotechniczne Część 1: Zasady ogólne [13] PN-EN 1997-1:2008/Ap2 wrzesień 2010 Załącznik krajowy NA Postanowienia krajowe w zakresie przedmiotowym EN 1997-1:2004 [14] PN-EN 1997-2:2009 Projektowanie geotechniczne Część 2: Rozpoznanie i badania podłoża gruntowego [15] Sobala D.: Projektowanie pali według Eurokodu 7 metody i przykłady praktycznego wykorzystania. Konf. Podłoże i fundamenty budowli drogowych. IBDiM, Kielce, 9.05.2012 [16] Rozporządzenie MTBiGM z 25 kwietnia 2012 r. w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych. Dz. Ust. poz. 463. [17] Topolnicki M.: Wzmacnianie i uszczelnianie gruntu metodą wgłębnego mieszania gruntu na mokro (DSM). XXIV WPPK, Wisła 2009, t. 3, 265 280. [18] Topolnicki M., Buca R.: Projektowanie i realizacja zabezpieczenia wykopu komory startowej TBM dla tunelu drogowego pod Martwą Wisłą. Seminarium Głębokie wykopy, IBDiM, Warszawa, 21 marca 2013, s. 37 50. [19] Topolnicki M., Mitrosz O., Filbrandt P.: Kompleksowe zabezpieczenie i uszczelnienie wykopu Teatru Szekspirowskiego w Gdańsku. Inżynieria i Budownictwo nr 4/2012, s. 183-187. [20] Wysokiński L., Kotlicki W., Godlewski T.: Projektowanie geotechniczne według Eurokodu 7 Poradnik. Wyd. ITB, Warszawa 2011, 289 s. W artykule wykorzystano fragmenty referatu [7]. 44 styczeń - marzec 1 / 2014 [46]