WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 337 350 Andrzej KOTYRBA Główny Instytut Górnictwa, Katowice Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach płytkiej eksploatacji podziemnej Streszczenie Praca zawiera opis i analizę wyników badań poligonowych wielkości oraz charakteru obciążeń dynamicznych podłoża w miejscach w których w ostatnich latach odnotowano zjawiska powstania zapadliskowych deformacji powierzchni. Na podstawie analizy danych charakteryzujących klimat wibroakustyczny w obrębie poligonów, warunków geologicznogórniczych w ich podłożu, zjawisk zachodzących w gruntach i skałach pod wpływem drgań określono zasady uwzględniania obciążeń sejsmicznych i parasejsmicznych w prognozowaniu zagrożenia zapadliskowego na terenach dawnej płytkiej eksploatacji podziemnej. W szczególności dotyczą one wpływu ruchu komunikacyjnego (szynowego i samochodowego) na ryzyko wystąpienia zjawisk deformacji powierzchni. 1. Wprowadzenie Na zagrożenie powierzchni deformacjami wynikające z obecności w górotworze pustek poeksploatacyjnych wpływ ma wiele czynników. Jednym z najmniej rozpoznanych jest wpływ obciążeń dynamicznych na stan zagrożenia. Przyczyną obciążeń dynamicznych warstw gruntowo - skalnych są drgania powodowane propagacją fal sejsmicznych. Drgania te mogą być wywołane wstrząsami górotworu naturalnymi bądź indukowanymi podziemną działalnością górniczą, pracami strzałowymi z użyciem materiałów wybuchowych, pracą urządzeń mechanicznych i elektrycznych oraz ruchem komunikacyjnym (źródła drgań). Charakterystyka drgań przenoszących się do warstw gruntowo skalnych jest zależna zarówno od kinematyczno dynamicznych charakterystyk poszczególnych źródeł jak i fizykomechanicznych własności skał na drodze propagacji drgań. Wydaje się być oczywistym, że silne drgania górotworu wywołane propagacją fal sejsmicznych mogą spowodować zawalenie się stropów pustek, uruchamiając procesy przemieszczania się pustek w górotworze. Końcowym objawem tych procesów jest wystąpienie deformacji na powierzchni terenu. W przypadkach deformacji nieciągłych zaistniałych do tej pory na terenie Śląska nie udało się jednoznacznie przypisać przyczyny powstania deformacji wstrząsowi sejsmicznemu. W wielu rejonach świata odnotowano zjawiska odwrotne, w których źródłem fal sejsmicznych jest zawalanie się znacznych kubaturowo pustek podziemnych. Zjawisk tego typu również nie odnotowano w obszarze Śląska. 337
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... W trakcie prowadzonych badań nad oceną zagrożenia powierzchni terenów płytkiej eksploatacji podziemnej zjawiskami zapadliskowymi zaobserwowano, że dość częstym przypadkiem jest ujawnianie się deformacji nieciągłych w podłożu lub w pobliżu szlaków komunikacyjnych (kołowych i szynowych). Zbieżność miejsc wystąpienia deformacji z lokalizacją dróg komunikacyjnych może być przypadkowa ze względu na fakt, że szlaki komunikacyjne są relatywnie dobrze monitorowane pod względem stanu technicznego. W związku z tym fakt powstania deformacji wymusza konieczne działania użytkowników ze względów bezpieczeństwa. Inne tereny płytkiej eksploatacji podziemnej (nieużytki, lasy, hałdy itp.) nie są monitorowane wcale. Z tego względu powstanie w ich obrębie deformacji nie wywołuje takiego zainteresowania. Wielkość drgań generowanych ruchem pojazdów szynowych i kołowych jest zwykle mniejsza aniżeli generowanych naturalnymi lub górniczymi wstrząsami. Ich czas trwania jest jednak znacznie dłuższy aniżeli zjawisk sejsmicznych. W wielu przypadkach zgodnie z normą PN-85/B-02170 należy je traktować jako drgania występujące stale (łączny czas trwania w ciągu doby przekracza 30 minut). Inny jest również model zjawisk zachodzących w ośrodku gruntowo-skalnym. Przypadki, w których deformacje nieciągłe wystąpiły w rejonie szlaków komunikacyjnych postanowiono przeanalizować pod kątem określenia związku ich genezy z charakterem i intensywnością obciążeń dynamicznych. Analiza ta ma na celu charakterystykę procesów zachodzących w poddanym wpływowi obciążeń dynamicznych górotworze z pustkami (pochodzenia pogórniczego) oraz wstępne określenie krytycznych parametrów drgań, które powinny być uwzględniane w ocenie ryzyka wystąpienia deformacji powierzchni. 2. Metodyka badań Mając na uwadze cel badań, którym było określenie związku obciążeń dynamicznych generowanych ruchem pojazdów samochodowych i szynowych z zagrożeniem zapadliskowym terenów pogórniczych badania postanowiono wykonać metodą pomiarów sejsmometrycznych in situ w rejonach szlaków komunikacyjnych, w których w przeszłości wystąpiły zjawiska deformacji nieciągłych /poligony doświadczalne/. Po analizie dokumentacji i ekspertyz wykonywanych przez Laboratorium Geofizyki Inżynierskiej do badań wytypowano 5 takich rejonów. Cztery rejony usytuowane są w obszarach oddziaływania obciążeń dynamicznych generowanych ruchem pojazdów samochodowych. Jeden rejon zlokalizowany jest w obszarze oddziaływania obciążeń dynamicznych generowanych ruchem pojazdów szynowych. W wytypowanych rejonach wykonano serie pomiarów wielkości drgań metodą monitorowania parametrów maksymalnych w wybranych losowo interwałach czasowych. Do pomiarów zastosowano aparaturę sejsmometryczną BLASTMATE 667 produkcji kanadyjskiej. Czujnikiem pomiarowym tej aparatury jest trójosiowy zestaw geofonów pozwalający na pomiar prędkości drgań w szerokim paśmie amplitudowo-częstotliwościowym oraz czuły mikrofon pozwalający na pomiar natężenia fali akustycznej /dźwięku/. Większość pomiarów parametrów drgań wykonano metodą monitorowania wartości maksymalnych. Pozwala ona na ciągły, długookresowy pomiar maksymalnych wartości parametrów wibroakustycznych (prędkości drgań w układzie trójosiowym częstotliwość, ciśnienie akustyczne częstotliwość) w dowolnie wybranych przedziałach czasowych. Wszystkie zdarzenia sejsmiczne w interwałach czasowych są analizowane elektronicznie a wartości maksymalne parametrów są zapisywane w bloku pamięci aparatury. We wszystkich pomiarach zastosowano interwał czasowy 1 minuty. 338
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Zarejestrowane w powyższy sposób zbiory danych obejmują wartości mierzonych parametrów dla poszczególnych składowych co 1 minutę w przedziałach czasowych 1 3 godzin. W kilku przypadkach pomiar wykonano metodą rejestracji pełnych przebiegów czasowych /sejsmogramów/ określonych zdarzeń sejsmicznych. Wykazały one, że zarówno drgania konstrukcji szlaków komunikacyjnych w badanych rejonach jak i gruntów położonych w ich sąsiedztwie miały charakter ciągły, ze względu na znaczne natężenie ruchu. Pomierzone wartości prędkości drgań (w mm/s) przeliczono na wartości przyspieszenia (w mm/s 2 ) i te wielkości są przedmiotem dalszej analizy. 3. Charakterystyka zagrożenia zapadliskowego w obrębie poligonów badawczych Lokalizację poligonów badawczych na tle rejonów płytkiej eksploatacji (głębokość < 80 m) uwidoczniono na rysunku 3.1. Wszystkie poligony usytuowane są w rejonach dawno zakończonej eksploatacji czynnych kopalń węgla Mysłowice i Staszic, zlikwidowanej kopalni Siemianowice oraz dawnego pola rezerwowego kopalni Siemianowice. Rys. 3.1. Lokalizacja poligonów badawczych na tle rozmieszczenia rejonów płytkiej eksploatacji węgla i rud w centralnej części aglomeracji Śląska. (1 Katowice, ul. Jesionowa, 2 Katowice ul. Murckowska, 3 Katowice, ul. Roździeńskiego, 4 Mysłowice, ul. Świerczyny) Fig. 3.1. Location of test sites on the map of shallow, coal and ores mining leaseareas at central part of Silesian aglomeration (1 Katowice, ul. Jesionowa, 2 Katowice ul. Murckowska, 3 Katowice, ul. Roździeńskiego, 4 Mysłowice, ul. Świerczyny) 339
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... Warunki geologiczno górnicze w obrębie wytypowanych rejonów charakteryzuje tablica 3.1. Tablica 3.1. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych w obrębie poligonów badawczych Table 3.1. Description of geological and mining data at test sites Teren górniczy/poligon KWK Siemianowice DK1Roździeńskiego/ 3 KWK Staszic Murckowska 1/2 KWK Staszic Murckowska 2/2 KWK Mysłowice PO Mieszko /4 Pole rezerwowe KWK Siemianowice Jesionowa 9a/1 Lata eksploatacji pokład głębokość stropu pokładu [m] grubość pokładu typ wyrobiska Miąższość nadkładu Litologia nadkładu [m] [m] 1928 1930 501 70 3 szyb/pole 10 piaski, gliny, zawałowe kurzawki 1880 334 50 1,7 chodnik 2 piaski 1956 331 15 2 chodnik 2 glina 1895 1897 510 50 9 chodnik 40 piaski, iły, piaski, gliny 1887 1889 501 50 7.5 pole 15 piaski, gliny zawałowe piaszczyste krawędź piaski gliniaste, gliny pylaste Pomiary sejsmometryczne wykonano w miejscach, w których w przeszłości utworzyły się zapadliska powierzchni oraz w terenach bezpośrednio przyległych do nich. Charakterystykę zagrożenia zapadliskowego w rejonach badań przedstawiono w tablicy 3.2. Charakterystyka zagrożenia zapadliskowego w obrębie poligonów badawczych Characteristics of sinkhole hazard at test sites Tablica.3.2. Table 3.2. Teren górniczy/poligon Kategoria zagrożenia wg. klasyfikacji GIG/98 Forma zapadliska Rok wystąpienia deformacji Rozmiary poziome zapadliska średnica [m] KWK Siemianowice DK1-Rożdzeń KWK Staszic Murckowska 1 KWK Staszic Murckowska 2 KWK Mysłowice PO Mieszko Pole rezerwowe KWK Siemianowice Jesionowa 9a C /zagrożenie średnie i duże/ B /zagrożenie małe/ B /zagrożenie małe/ D /zagrożenie bardzo duże/ D /zagrożenie bardzo duże/ lej eliptyczno kołowy w jezdni pasa awaryjnego Lej eliptyczno kołowy na poboczu jezdni pasa awaryjnego lej eliptyczno kołowy w terenie przyległym do jezdni w odległości 50 m lej eliptyczno kołowy obejmujący podtorze i tereny przyległe lej eliptyczno kołowy w terenie przyległym do jedni w odległości 8 m od drogi 1998 3 1995 2 1992 2 1968 1999 20 2001 5 340
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Analiza danych zestawionych w tablicy 3.2 wskazuje, że wszystkie deformacje wystąpiły w rejonach w których na podstawie danych geologiczno-górniczych prognozowano zagrożenie zapadliskowe o różnym natężeniu (kategorie B, C i D). Posiadały one formę eliptycznokołową. Poziome rozmiary lejów w rejonach dróg samochodowych nie przekroczyły 5 m. 4. Charakterystyka parametrów drgań w obrębie poligonów badawczych 4.1. Drogi samochodowe Z uwagi na podobieństwo rezultatów pomiarów na poszczególnych poligonach badawczych przedstawione one zostaną na przykładzie poligonu nr 2 (ul. Murckowska). W rejonie tym pomiary wykonywano na dwóch stanowiskach. Pierwsze ze stanowisk pomiarowych zlokalizowano na asfaltowym poboczu jezdni wschodniej drogi Katowice-Bielsko (Murckowska 1). Pomiary parametrów wibroakustycznych wykonano w czterech seriach o czasie trwania od około 0,5 do 2 godzin w miejscu krawędzi leja zapadliskowego, który utworzył się w 1995 roku. Lej utworzył się w części pobocza nie przykrytego asfaltem. Natężenie ruchu w trakcie pomiarów było zmienne zarówno pod względem rodzaju pojazdów (osobowe, ciężarowe) jak ilości pojazdów (od jednego do kilkunastu pojazdów mijających stanowisko pomiarowe w ciągu 1 minuty. Zarejestrowane dane charakteryzują drgania konstrukcji drogi w miejscu pomiaru. Zmienność w czasie maksymalnych wartości przyspieszeń w jednym z cykli pomiarowych ilustruje rysunek 4.1, natomiast ich zależność od częstotliwości rysunek 4.2. 80 Katowice - Murckowska 1 70 60 50 40 30 20 10 0 10:21 10:25 10:45 11:01 przyspieszenie, mm/s2 11:29 11:32 11:35 11:36 11:37 11:38 11:39 11:40 11:41 11:43 11:44 11:50 11:53 11:54 czas Rys. 4.1. Zmienność maksymalnych wartości przyspieszenia drgań konstrukcji drogi Katowice Bielsko w czasie cyklu pomiarowego Fig. 4.1. Variations of peak acceleration values of Katowice Bielsko road construction vibration in selected monitoring cycle 341
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... 80 Katowice - Murckowska 1 70 60 y = 0,3674x + 25,193 R 2 = 0,043 przyspieszenie, mm/s2 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 częstotliwość, Hz Rys. 4.2. Zależność maksymalnych wartości przyspieszenia drgań konstrukcji drogi Katowice Bielsko od częstotliwości w cyklu pomiarowym z rys. 4.1 Fig. 4.2. Relation between peak acceleration values of Katowice-Bielsko road construction vibrations and frequency in minitoring cycle from fig.4.1 Z analizy danych przedstawionych na rysunku 4.1 wynika, że konstrukcja drogi poza krótkimi 1-2 minutowymi przerwami ulega drganiom o zmiennej intensywności. Przyspieszenie drgań konstrukcji nie zależy od częstotliwości. Drugie ze stanowisk pomiarowych (Murckowska 2) zlokalizowano na ścieżce leśnej w miejscu w którym w 1992 utworzyło się zapadlisko. Miejsce to odległe jest o 50 m od krawędzi zachodniej jezdni trasy szybkiego ruchu Katowice Bielsko. Blok geofonów umieszczono na metalowej płycie połączonej z podłożem prętami. Zarejestrowany zbiór danych charakteryzuje drgania warstwy gruntowej w miejscu pomiaru. Zmienność natężenia wartości przyspieszenia drgań podłoża w pojedynczym cyklu pomiarowym ilustruje rysunek 4.3. Przedziały zmienności parametrów wibroakustycznych zarejestrowanych we wszystkich cyklach pomiarowych ilustrują dane zestawione w tablicy 5.1. Analizując rysunek 4.3 można zaobserwować lokalny przyrost wartości przyspieszeń drgań około godziny 15 spowodowany przejazdem samochodów ciężarowych. Maksymalne wartości przyspieszenia nie przekraczają 40 mm/s 2. Zmiany wartości przyspieszenia drgań od częstotliwości ilustruje rysunek 4.4. Aproksymacja związku przyspieszenia z częstotliwością metodą regresji liniowej jest bardzo dobra (współczynnik korelacji przyjmuje wartość na poziomie 0,9). Porównanie przedziałów częstotliwości drgań konstrukcji drogi (12 35 Hz) i warstwy gruntowej (12 75 Hz) w miejscu oddalonym od niej o 50 m wskazuje, że są one przesunięte względem siebie. Pomimo, że dominujące częstotliwości drgań warstwy gruntowej mieszczą się w przedziale 10 20 Hz, to pojawiają się również wyższe częstotliwości (60 70 Hz). 342
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Murckowska - 50 m od drogi 40 35 30 przyspieszenie, mm/s2 25 20 15 10 5 0 14:41 14:44 14:47 14:49 14:52 14:55 14:58 15:01 15:04 15:07 15:10 15:12 Rys. 4.3. Charakterystyka intensywności drgań /maksymalnych wartości przyśpieszenia w interwałach 1 minuty/ warstwy gruntowej w odległości około 50 m od krawędzi jezdni drogi Katowice Bielsko /rejon szybu Jakub/ Fig. 4.3. Characteristics of vibrations intensity /peak acceleration values in 1 minute periods/ of soil layer in distance 50 m from the traffic lane edge of Katowice Bielsko road /the site near shaft Jakub/ czas Murckowska - 50 m od drogi 40 35 30 y = 0.4187x + 4.1627 R 2 = 0.8492 przyśpieszenie, mm/s2 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 częstotliwość f [Hz] Rys. 4.4. Zależność wartości przyspieszeń drgań gruntu od częstotliwości na stanowisku Murckowska 2. Drgania generowane są ruchem samochodowym po drodze odległej o 50 m od miejsca pomiaru Fig. 4.4. Soil, peak acceleration values versus frequency plot of the data recorded at site Murckowska 2. Soil vibrations are generated by car traffic on the road located in distance 50 m from measurements point 343
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... Pod względem przyspieszenia maksymalne wartości zarówno konstrukcji drogi jak warstwy gruntowej są zbliżone. Wyjaśnieniem obserwowanych zjawisk może być jedynie amplifikacja zachodząca w warstwie gruntowej na drodze propagacji drgań od konstrukcji drogi do punktu obserwacyjnego. Podobne do opisanych wyniki pomiarów uzyskano w trakcie pomiarów na poligonach nr 1 i 3 (odpowiednio ul. Roździeńskiego i ul. Słoneczna w Katowicach). W każdym z tych miejsc wnioski z analizy danych pomiarowych były następujące: - wielkość przyspieszenia drgań konstrukcji drogi nie jest zależna od częstotliwości (ruch konstrukcji drogi generowany przejazdem samochodów jest losowy), - w punktach zlokalizowanych na gruncie w otoczeniu drogi przyspieszenie drgań wykazuje dobrą zależność od częstotliwości (jest wprost proporcjonalne), - wielkość przyspieszenia drgań gruntu w pewnej odległości od drogi jest najczęściej większa od drgań w źródle (konstrukcja drogi) co wywołane jest przesunięciem pasma częstotliwości (amplifikacja), - najsilniejszą energetycznie składową ruchu drogi propagującą do otaczającego środowiska jest składowa radialna (prostopadła do osi drogi) rys.4.5. Rys. 4.5. Wybrany sejsmogram prędkościowy drgań podłoża gruntowego generowanych ruchem samochodowym w rejonie ulicy Jesionowej w Katowicach (12/07/01 godz. 10:14) w odległości 10 m od jezdni (L radialna składowa pozioma wektora prędkości drgań, V składowa pionowa wektora prędkości drgań, T transwersalna składowa pozioma wektora prędkości drgań) Fig. 4.5. Selected velocity seismogram of soil vibrations generated by car traffic on the street Jesionowa in Katowice (date 12/07/01, time 10:14) in distance 10 m from the lane edge (L longitudal, horizontal component of the vibrations velocity vector, V vertical component of the vibrations velocity vector, T transversal, horizontal component of the vibrations velocity vector 344
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4.2. Drogi szynowe /szlak kolejowy PKP linii Panewniki Dąbrowa Górnicza/ Charakterystyka poligonu jest odmienna od wcześniej opisanych. Szlak kolejowy w tym rejonie przebiega w wykopie ziemnym o wysokości około 10 m. W bliskiej odległości od miejsca w którym utworzyło się największe z zapadlisk zlokalizowane są dwa wiadukty (drogowy i kolejowy). Po pierwszym z wymienionych (bliższym odległość około 50 m) odbywa się ruch samochodowy i tramwajowy. Drugi z wymienionych wiaduktów (odległość około 80 m) jest użytkowany przez PKP (linia Katowice Kraków). W obrębie poligonu utworzyły się w przeszłości trzy znacznych rozmiarów zapadliska. W okresach późniejszych ulegały one odnowieniu. Ostatnie z odnotowanych deformacji utworzyły się w roku 1998. Stanowisko pomiarowe zlokalizowano w obrębie największego z utworzonych w przeszłości leja zapadliskowego na fundamencie słupa trakcyjnego, zagłębionego w podłożu. Zarejestrowane dane pomiarowe charakteryzują więc drgania podłoża gruntowego w odległości około 2 m od toru kolejowego. W miejscu pomiaru odczuwa się silnie podmuch powietrza generowane ruchem komunikacyjnym na pobliskich wiaduktach. Charakterystykę prędkości drgań podłoża (V wartości maksymalne wybranej składowej x, y, z, V v wartości wypadkowe wektora prędkości) w miejscu pomiaru w pojedynczym (losowym) cyklu pomiarowym przedstawia rysunek 4.6. Mieszko - 09.11.01 r. 2,5 2 V mm/s Vv, mm/s prędkość drgań, mm/s 1,5 1 0,5 0 12:54 12:57 13:00 13:03 13:06 13:09 13:12 13:15 13:18 13:21 13:24 13:27 13:30 13:33 13:36 13:39 13:42 13:45 13:48 13:51 13:54 13:57 14:00 14:03 14:06 czas Rys. 4.6. Intensywność drgań podłoża (prędkość drgań) w interwałach 1 minutowych na stanowisku pomiarowym w Mysłowicach /rejon P.O. Mieszko /. Vv wartość wektora prędkości drgań, V maksymalna wartość składowej wektora prędkości drgań Fig. 4.6. Intensity of substrate vibrations (velocity of vibrations) in 1 minute intervals at measurement point in Mysłowice /vicinity of old railway station Mieszko/. Vv vector sum value of vibrations velocity, V peak value of vibrations velocity component 345
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... Można zaobserwować, że drgania podłoża w miejscu pomiaru mają charakter ciągły a ich intensywność określana wartością prędkości drgań oscyluje wokół 0,4 mm/s. 20 Mysłowice - Linia PKP /P.O. Mieszko/ 18 cisnienie akustyczne, Pa 16 14 12 10 8 6 y = 0,0338x + 8,1793 R 2 = 0,0037 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 częstotliwość, Hz Rys. 4.7. Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa zmian ciśnienia akustycznego /fali podmuchu/ w cyklu pomiarowym na stanowisku pomiarowym w Mysłowicach Fig. 4.7. Amplitude versus frequency plot of acoustic pressure /air wave/ in measurement cycle on point located at test site in Mysłowice Ruch kołowo szynowy w tym rejonie generuje również znaczne podmuchy powietrza Charakterystykę ciśnienia akustycznego w jednostkach bezwzględnych (skala L) w funkcji częstotliwości przedstawiono na rysunku 4.7. Częstotliwość fali powietrznej zmienia się w przedziale od 1 do 35 Hz. Dominują częstotliwości z zakresu 1 12 Hz. Są więc one niższe aniżeli częstotliwość drgań podłoża. 5. Analiza parametrów drgań przekazywanych do podłoża gruntowego wywołanych ruchem komunikacyjnym Zbiór zebranych danych obejmuje szerokie spektrum parametrów charakteryzujących drgania przenoszone z konstrukcji dróg kołowych i szynowych do podłoża gruntowego. Metodyka przeprowadzonych badań, a w szczególności krótki czas monitorowania zjawisk na poszczególnych stanowiskach (od 0,5 do 3 godzin) w poszczególnych cyklach pomiarowych nakazuje jednak traktować je jako zbiór przypadków losowych. Pod tym względem reprezentatywność zbiorów danych charakteryzujące drgania w rejonach dróg samochodowych jest znacznie wyższa aniżeli zbiorów danych zarejestrowanych na jednym tylko poligonie badawczym w rejonie szlaku szynowego. 346
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie W zbiorze danych zarejestrowanych na poligonie w Mysłowicach uchwycono jedynie przejazd jednego pociągu w czasie przejazdu ze stałą prędkością (ruch jednostajny). Duże wartości parametrów drgań podłoża wskazują, że w przypadkach pociągów załadowanych oraz poruszających się ruchem przyspieszonym parametry te mogą być znacznie wyższe. Niezależnie jednak od powyższych ograniczeń wykonane pomiary umożliwiają sporządzenie zbiorczego zestawienia intensywności obciążeń dynamicznych konstrukcji drogowych oraz podłoży gruntowych w ich sąsiedztwie uwidocznionego w tablicy 5.1. Zamieszczono w niej również dane odnośnie ciśnienia akustycznego (udarowej fali powietrznej) pomimo, że ten czynnik pozornie nie ma wpływu na podłoże gruntowe. Zbiorcza charakterystyka drgań komunikacyjnych na poligonach badawczych Summary characteristics of vibrations parameters recorded at test sites Tablica 5.1. Table 5.1. Poligon Obiekt/źródło Drgania Fala akustyczna wsp. 1 Murckowska 1 ruch samochodowy 2 Murckowska 2 ruch samochodowy 3 DK1(Roździeń) ruch samochodowy 4/1 Tor kolejowy przejazd pociągu po torze 7 m od miejsca pomiaru (Mieszko) 4/2 Tor kolejowy przejazd pociągu po wiadukcie 80 m od miejsca pomiaru/linia K-ce Kraków/ 4/3 Tor kolejowy przejazd tramwaju po wiadukcie 60 m od miejsca pomiaru 4/4 przejazd samochodów po wiadukcie 50 m od miejsca pomiaru 5/1 ruch samochodowy Jesionowa 9a 5/2 ruch samochodowy 5 m od drogi Jesionowa 9a 5/3 ruch samochodowy 10 m od drogi Jesionowa 9a g przyspieszenie ziemskie (9810 mm/s 2 ) A [mm/s 2 ] f [Hz] p [Pa] f [Hz] a/g (max) Uwagi 4 33 3 37 6 49 3 19 0,003 Droga,źródło drgań 1 37 11 74 3-4 b.d. 0,004 grunt 50 m od źródła 9 102 3 8.5 8 61 2 13 0,01 Droga, źródło drgań 472 570 37 50 4.5-7 2 8 0,06 Grunt 56 65 14 18 9 11 5 11 0,007 Grunt 40 52 14 18 5,5 8,5 2 3 0,005 Grunt 36 47 15 20 4,5 17,5 4 32 3 37 100 102 db* 0,5 27 9 85 100 104 db* 7 166 11 64 100 102 db* 2 34 0,005 Grunt 3 18 0,003 Droga, Źródło drgań 0,003 Grunt 0,017 Grunt 347
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... Z zestawionych danych wynika, że ruch komunikacyjny w rozdzieleniu na drogi samochodowe i szynowe przenosi do podłoża drgania o następujących parametrach maksymalnych: - ruch samochodowy: podłoże konstrukcji drogowych a (max) = 32 102 mm/s 2 ; f = 8.5 37 Hz, podłoże gruntowe w pasie do 50 m a (max) = 37 166 mm/s 2 ; f = 37 85 Hz, - ruch kolejowy: podłoże gruntowe w pasie do 80 m a (max) = 65-570 mm/s 2 ; f = 18 50 Hz, (charakterystyka niepełna). Z zebranych danych wynika że drgania przenoszone do podłoża gruntowego przez konstrukcje drogowe ulegają zjawisku amplifikacji zwłaszcza w odniesieniu do wartości przyspieszenia. Powodem tego jest powiększanie się częstotliwości drgań przy ich propagacji w gruntach. Pomimo, że występowanie tego zjawiska stwierdzono na powierzchni ziemi (propagacja drgań w płaszczyźnie poziomej) wydaje się, że zachodzi ono również w płaszczyźnie pionowej. Oznacza to, że wielkość obciążeń dynamicznych głębszych warstw podłoża może być większa aniżeli wskazują na to parametry pomierzone na powierzchni ziemi. 6. Określenie związku obciążeń dynamicznych podłoża z zagrożeniem zapadliskowym Punktem wyjścia do określenia związku zagrożenia zapadliskowego z obciążeniami dynamicznymi podłoża gruntowego jest stwierdzenie, że drgania podłoża w obrębie poligonów badawczych mają charakter długotrwały względnie ciągły. Oznacza to, że ich oddziaływanie na strukturę i własności gruntów budujących podłoże ma również charakter długotrwały albo ciągły. Podstawowymi zjawiskami zachodzącymi w gruntach zalegających w naturalnych warunkach pod wpływem tego typu obciążeń są kompakcja dynamiczna i upłynnienie. Podłoże górnicze charakteryzuje się tym, że warstwy skalne są poprzecinane pojedynczymi szczelinami względnie systemami szczelin o wielkości rozwarcia od mm do metrów. Warstwa gruntów czwartorzędowych względnie wietrzelin skalnych może odkształcać się w sposób nieciągły do szczelin w podłożu skalnym. Obciążeniu dynamicznemu mogą ulegać również grunty wypełniające szczeliny w warstwach skalnych. W rozluźnionych gruntach sypkich (niespoistych) oraz skałach długotrwałe oddziaływanie obciążeń dynamicznych prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości zarówno na ściskanie jak i rozciąganie poprzez redukcję kąta tarcia wewnętrznego oraz spójności. Oznacza to, że w przypadkach, w których warstwa gruntowa nie posiada spójności (zbudowana jest z piasków) i zalega na nieciągłym z powodu szczelin, skalistym podłożu to może ona ulegać odkształceniu w kierunku pionowym. W przypadkach tych może zachodzić zjawisko sufozji dynamicznej, polegające na przemieszczaniu cząstek gruntu do szczelin w skałach wskutek wyprowadzenia ich ze stanu równowagi pod wpływem drgań (Kotyrba 1989, 1990). Z badań laboratoryjnych wynika, że przy pewnej określonej częstotliwości drgań tarcie w gruntach sypkich zmniejsza się na tyle, że zachowują się one jak ciecze lepkie (Barkan 1968; Cytowicz 1958, 1976), których tarcie wewnętrzne jest bliskie zeru. Gruntami podatnymi na upłynnienie są zarówno piaski oraz mieszaniny piasku z iłem i iły. Cytowicz nazywa je cieczami wibrolekkimi i wprowadził pojęcie współczynnika wibrolepkości. Wartość tego współczynnika jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika wpływów sejsmicznych (stosunek przyspieszenia drgań do przyspieszenia grawitacyjnego). Oznacza to, że im większy jest współczynnik wpływów sejsmicznych, tym mniejsza jest wartość współczynnika wibrolepkości a tym samym wielkości naprężeń w gruncie koniecznych do jego upłynnienia. Wartość współczynnika wibrolepkości zależy od rodzaju gruntu i jego stanu fizycznego 348
WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie a zwłaszcza od wilgotności. W piaskach osiąga on najwyższą wartość przy wilgotności w przedziale 12 14 %. Nie wnikając w mechanizmy zjawisk zachodzących w gruntach i skałach pod wpływem drgań można stwierdzić, że grunty cechuje różna wrażliwość na oddziaływanie drgań. Gruntami, które osiągają stan graniczny przy stosunkowo niewielkich wielkościach obciążeń dynamicznych są grunty z pogranicza spoistych i niespoistych (piaski drobnoziarniste, piaski pylaste, piaski gliniaste, pyły, pyły piaszczyste). W opisie zjawisk zapadliskowych powszechnie przyjmuje się trójwarstwowy model geometrycznej budowy ośrodka geologicznego. Wydziela się w nim następujące warstwy: a/ nadkład czwartorzędowy zbudowany z gruntów, b/ warstwa skał zwięzłych, zalegająca pomiędzy pustką a spągiem nadkładu (półka bezpieczeństwa), c/ warstwa skał z pustką. W przypadkach, gdy drgania z warstwy przypowierzchniowej (nadkład gruntowy) przenoszą się do warstwy skalistego podłoża (półka bezpieczeństwa) mogą one spowodować zawał stropu pustek. Wydaje się, że takim przypadkiem jest rejon linii kolejowej PKP Panewniki Dąbrowa Górnicza (teren górniczy KWK Mysłowice). W rejonie tym przejazd pociągów generuje w podłożu drgania o intensywności zbliżonej do najsilniejszych w GZW wstrząsów górniczych (energia 10 8 10 9 J). Niezależnie od mechanizmu procesów, które doprowadziły do powstania zapadlisk w obrębie poligonów badawczych w rejonie dróg samochodowych zarejestrowane w nich maksymalne wartości przyspieszenia drgań podłoża gruntowego przekraczają 30 mm/s 2. Analogiczną wielkość przy szlakach kolejowych przy uwzględnieniu jednak okresowego charakteru obciążeń można przyjąć na poziomie 450 mm/s 2. Wartość 30 mm/s 2 jest graniczną (skale SWD I i SWD II w normie PN 85/B-02170) przy ocenie szkodliwości oddziaływania drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. Proponuje się przyjąć te wartości, jako tymczasowe kryterium w ocenie zagrożenia zapadliskowego w rejonach szlaków komunikacyjnych. Jednocześnie uwzględniając rozważania z rozdziału 5 należy przyjąć, że drgania komunikacyjne powodują wzrost zagrożenia powierzchni deformacjami nieciągłymi w pasie co najmniej 50 m od krawędzi dróg. 7. Uwagi i wnioski końcowe Wykonane w ramach niniejszej pracy badania in situ oraz analizy warunków geologiczno-górniczych klimatu akustycznego w obrębie poligonów badawczych pozwalają na sformułowanie następujących uwag i wniosków końcowych. 1) Analiza danych doświadczalnych zebranych w trakcie realizacji niniejszej pracy wskazuje, że drgania podłoża w rejonach występowania płytko zalegających pustek pogórniczych są czynnikiem, który zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia deformacji powierzchni. Na wszystkich poligonach badawczych pomierzone wartości przyspieszenia drgań w miejscach zaistniałych zapadlisk przekraczają wartość 30 mm/s 2, a więc wartość która wyznacza dolną granicę odczuwalności przez konstrukcje sztywne (budynki). 2) Intensywność drgań podłoża wywołanych ruchem pojazdów po szlakach komunikacyjnych jest odmienna dla pojazdów szynowych i samochodowych. Pierwsze z nich wywołują drgania o parametrach zbliżonych do najsilniejszych wstrząsów górniczych w obszarze GZW. Pomimo, że czas trwania drgań od przejazdu pojedynczego pociągu nie przekracza kilku minut to w myśl definicji normy PN 85/B-02170 należy je traktować jako drgania długotrwałe 349
A. KOTYRBA Drgania podłoża a zagrożenie deformacjami zapadliskowymi w rejonach... (łączny czas ich trwania w ciągu doby < 30 min) względnie ciągłe (przy większych natężeniach ruchu). Ruch pojazdów samochodowych zarówno po drogach ekspresowych jak i miejskich generuje drgania podłoża o charakterze ciągłym. Parametry drgań są znacznie mniejsze od generowanych ruchem pojazdów szynowych. 3) Przeprowadzone badania wskazują, że drgania generowane ruchem komunikacyjnym ulegają zjawisku amplifikacji w utworach geologicznych zalegających w otoczeniu dróg. Powodem tego zjawiska jest zmiana parametrów kinematycznych (częstotliwość) i dynamicznych (amplituda) drgań następująca na drodze ich rozchodzenia się w ośrodku gruntowym. Wstępna analiza zasięgu oddziaływania drgań pozwala oszacować, że zjawiska te są istotne w pasie terenu o szerokości około 50 m od szlaków komunikacyjnych. W takim pasie drgania od ruchu komunikacyjnego zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia deformacji nieciągłych powierzchni terenów pogórniczych. 4) Analiza typowych modeli górotworu z pustkami pogórniczymi wskazuje, że drgania podłoża mogą powodować bezpośredni obwał stropów pustek względnie oddziaływać pośrednio na strukturę i własności fizykomechaniczne gruntów czwartorzędowych uruchamiając procesy ich migracji w szczeliny masywów skał zwięzłych. Literatura [1] Barkan D. D. 1968: Dynamics of bases foundations. New York. [2] Camberfort H. 1971: Introduction a la Geothechnique. Editions Eyrolles. Paris. [3] Cytowicz N. A. 1958: Mechanika gruntów. Wyd. geologiczne. Warszawa. [4] Kotyrba A. 1989: Analiza wpływu drgań na własności fizykomechaniczne gruntów. Praca N-B GIG o symbolu 134300172. Katowice. [5] Kotyrba A. 1990: Studium zmian własności fizykomechanicznych pod wpływem wstrząsów. Praca N-B GIG o symbolu 1343002M2. Katowice. [6] Kotyrba A. 1995: Opinia geofizyczna o podłożu drogi szybkiego ruchu Katowice Bielsko w obrębie filara ochronnego szybu Jakub w aspekcie zagrożenia deformacjami nieciągłymi. Dokumentacja GIG o symbolu 7430685BH. Katowice. [7] Kotyrba A. i inni. 1998: Projekt prac badawczych dla określenia zagrożeń zapadliskowych w rejonach prowadzonej płytkiej eksploatacji węgla kamiennego i rud cynkowo ołowiowych na terenie województwa katowickiego. MOSZNiL. Warszawa. [8] PN 85/B-030170, Ocena szkodliwości oddziaływania drgań przekazywanych przez podłoże na budynki. [9] Tsytovich N. 1976: Soil Mechanics. MIR Publishers. Moscow. Substrate vibrations and sinkhole deformation hazard at areas of shallow underground mining The paper contains a description and analysis of test results on the measures and character of dynamic loads acting on substrate at sites where the sinkholes phenomena have been observed lately. On the base of data analysis characterising vibroacoustic climate at test sites, geological and mining conditions, phenomena observed in soils and rocks upon dynamic loads the preliminary guidelines how to regard seismic and paraseismic loads in prediction of sinkhole hazard have been elaborated. In particular they concern impact of communication traffic vibrations (rails and roads) on the risk of surface deformation. Przekazano: 10 marca 2003 r. 350