34 DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008
mgr inż. Marcin Grygierek Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa Drogi FEDROWANIE POD DROGAMI Wpływ górniczych rozluźnień podłoża na nośność nawierzchni drogowej w świetle badań terenowych Występowanie eksploatacji górniczej bezpośrednio pod drogą, jak również w jej sąsiedztwie, prowadzi do powstania dodatkowych oddziaływań, mogących wpłynąć w sposób zdecydowany na obniżenie jej stanu technicznego. Ujawniające się na powierzchni terenu wpływy eksploatacji górniczej klasyfikuje się do dwóch zasadniczych rodzajów deformacji ciągłych lub nieciągłych (ryc. 2) [1]. Za deformacje ciągłe przyjmuje się takie, które nie powodują wyraźnego naruszenia zwartości skał lub gruntu. Deformacje ciągłe są to łagodne obniżenia powierzchni terenu, które opisuje się wskaźnikami deformacji (ryc. 1) [1]. Wpływ deformacji nieciągłych na stan techniczny nawierzchni drogowej jest oczywisty i jednocześnie nie w pełni przewidywalny. Wpływy deformacji ciągłych prognozuje się, podając wartości wskaźników deformacji (ryc. 1). Intensywność wpływów eksploatacji górniczej, przez którą należy rozumieć prędkość narastania wskaźników deformacji jak i ich maksymalne wartości, uzależniona jest od wielu czynników np. wymiarów eksploatowanej ściany, jej nachylenia, sposobu wypełnienia pustki poeksploatacyjnej, głębokości eksploatacji itp. Wartości wskaźników deformacji w terenie objętym podziemną eksploatacją górniczą weryfikowane są na podstawie cyklicznych badań geodezyjnych. Autor w swych badaniach poddał analizie wpływ ciągłych deformacji górniczych na nośność nawierzchni drogowej w strefie poziomych odkształceń rozluźniających (γ > 0). Na wstępie sformułowano zasadnicze pytanie: czy na podstawie okresowo wykonywanych badań nawierzchni drogowej w strefie rozluźnień zostanie odnotowane obniżenie nośności, w stosunku do strefy nie objętej wpływami górniczymi? Odpowiedzi na to zasadnicze pytanie poświęcono pierwszy etap analizy wyników badań. Badania zostały wykonane na poligonie terenowym założonym na użytkowanej drodze publicznej przebiegającej przez tereny górniczo czynne [2]. Szczegółowym obserwacjom poddano wpływ jednej eksploatowanej ściany przebiegającej pod drogą. W trakcie eksploatacji ściany prowadzono monitoring wpływów górniczych polegający na okresowych pomiarach geodezyjnych oraz pomiarach ugięć nawierzchni drogowej. Częstotliwość oraz termin wykonania kolejnych pomiarów były dostosowane do postępu frontu eksploatacyjnego. Prowadzone badania były finansowane ze środków Katedry Dróg i Mostów oraz własnych. Charakterystyka obserwowanego pasa drogowego Obserwacji poddano odcinek drogi o długości 1,150 km (ryc. 3). Układ warstw konstrukcji nawierzchni na tym odcinku przedstawia ryc. 4, która odpowiada nawierzchni dla obciążenia ruchem KR3. Z powodu występującego poszerzenia na jezdni lewej, dalszą analizę ograniczono tylko do jezdni prawej, charakteryzującej się na swej szerokości jednorodną budową nawierzchni. Na analizowanej jezdni występują dwa pasy ruchu, pas zewnętrzny o długości 1,150 km oraz pas wewnętrzny o długości 0,600 km - zanikający na wysokości skrzyżowania, w km 189,074. Monitorowany odcinek drogi, był poddany wpływom deformacji górniczych, głównie generowanych przez eksploatację ściany 2. W późniejszym okresie obserwacji (maj 2006) rozpoczęła się eksploatacja Piśmiennictwo: [1] Kwiatek J. Praca zbiorowa: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych, Wydawnictwo Głównego Instytutu Górnictwa, Katowice, 1997. [2] Grygierek M., Wpływ kształtującej się niecki górniczej na nawierzchnię drogową badania wstępne, Bezpieczeństwo obiektów budowlanych na terenach górniczych szkody górnicze, GIG, Ustroń 20-21.11.2006. [3] Szydło A., Statyczna identyfikacja parametrów modeli nawierzchni lotniskowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1995. [4] Dokumentacja udostępniona przez zakład górniczy, 2005. [5] Rozporządzenie Ministra infrastruktury z dnia 16.01.2002 r. W sprawie przepisów techniczno budowlanych dotyczących autostrad płatnych Dziennik Ustaw z 2002 r. Nr 12 poz. 116. DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008 35
Ryc. 1 Schemat rozkładu ciągłych deformacji powierzchni wzdłuż profilu nad eksploatacją dużego pola: w obniżenia, T nachylenia, u przemieszczenia poziome, γ odkształcenia poziome, K krzywizny, gg kąt zasięgu wpływów głównych, H głębokość eksploatacji, g grubość pokładu [1]. ściany 1 (ryc. 3). Rozpoczęcie eksploatacji drugiej ściany w tym rejonie spowodowało nakładanie się wpływów górniczych, od dwóch ścian. Ściana 2 przebiegała pod kątem ~60º w stosunku do osi drogi. Eksploatacja była prowadzona na głębokości 810 m ze sposobem likwidacji przestrzeni poeksploatacyjnej na zawał (a=0,7-0,85). Wykonane badania Pomiary geodezyjne W trakcie prowadzonych obserwacji wykonano 4 pomiary geodezyjne współrzędnych x, y, z. Dokładne daty wymienionych pomiarów, w nawiązaniu do postępu robót górniczych zostały przedstawione na rysunku 3. Na podstawie pomierzonych współrzędnych, wyznaczono wartości wskaźników deformacji (ε, w), które przedstawiono na ryc. 5. Pomiary ugięć nawierzchni Pomiar ugięć wykonano ugięciomierzem dynamicznym FWD. Daty pomiarów w nawiązaniu do zaawansowania frontu eksploatacyjnego przedstawia ryc. 3. Pomiar wykonywano co 50 m w śladzie prawego koła o obciążeniu 50 kn. W każdym punkcie pomiarowym wykonywano trzy serie zrzutów obciążenia, w dalszej analizie uwzględniano wyniki zrzutu trzeciego. Pomiary ugięć wykonywano w różnych warunkach temperaturowych, co przedstawiono w tabeli 1. Na podstawie wyników z pomiarów 36 DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008
Drogi Ryc. 2 Rodzaje deformacji nieciągłych: a) lej, b) rów, c) szczelina, d) uskok, e) progi, f) niecka lokalna gdzie: E p Moduł sprężystości podłoża gruntowego nawierzchni drogowej [MPa], q wielkość obciążenia [MPa], a promień kołowej powierzchni obciążenia [m], r odległość geofonu od osi obciążenia (r = 1,8 m), wr przemieszczenie pomierzone przez geofon oddalony o r od osi obciążenia [m] Ryc. 3 Sytuacja eksploatowanych ścian względem obserwowanego odcinka drogi Stosując wzór 2 [3] oszacowano wartości modułu sprężystości podłoża gruntowego, wykorzystując przemieszczenia pomierzone na ostatnim geofonie oddalonym od osi obciążenia o 1800 mm. Na ryc. 5 przedstawiono wartości wyznaczone dla pomiaru inwentaryzacyjnego (przed deformacjami górniczymi) oraz ostatniego uwzględniającego przejście frontu eksploatacyjnego i następujące po nim wygaszanie wpływów. Numer / data pomiaru FWD Temperatura na powierzchni warstwy ścieralnej I / 15.11.2005 6 C Tab. 1 Temperatura powierzchni warstwy ścieralnej w trakcie badań FWD II / 18.08.2006 38 C III / 15.11.2006 8 C IV / 08.06.2007 29 C ugięć wyznaczono wartości zastępczych modułów sprężystości nawierzchni wg wzoru 1 [5] gdzie: E zast Zastępczy moduł sprężystości nawierzchni drogowej [MPa], q wielkość obciążenia [MPa], a promień kołowej powierzchni obciążenia, w 1 przemieszczenie pomierzone przez geofon umieszczony w osi obciążenia [m] (1) (2) Analiza wyników Dane górnicze W wyniku eksploatacji ściany 2 (ryc. 3) ukształtowała się niecka niepełna (ryc. 5) [1]. Na podstawie analizy kolejnych pomiarów geodezyjnych uwidocznił się moment rozpoczęcia nakładania się wpływów ściany 1, nie będącej celem obserwacji. Maksymalne pomierzone obniżenie w max = 1230 mm. Na podstawie obliczonych odkształceń poziomych ε [mm/m], wyznaczono strefy odkształceń rozciągających i ściskających (ryc. 5). W strefie poziomych rozluźnień, maksymalne wartości odkształceń wynoszą: strona zachodnia ε = 2,28 mm/m, strona wschodnia max DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008 37
Ryc. 4 Przekrój typowy obserwowanej drogi. Rys. 6 Moduły odkształcenia podłoża gruntowego (wzór 1) w okresie listopad 2005 czerwiec 2007 Ryc. 5 Wskaźniki deformacji górniczych (w, e) oraz parametry opisujące stan nawierzchni w okresie prowadzonych obserwacji listopad 2005 czerwiec 2007 - ε max = 3,11 mm/m. Przyjęto również odcinek w km 188,550 km 188,725, na którym wyznaczone wartości odkształceń poziomych nie wykraczają poza wartość błędu pomiarowego. W analizie pomiarów ugięć nawierzchni drogowej przyjęto, iż na odcinku tym nie wystąpiły deformacje terenu. Efektem nakładających się krawędzi kolejnych eksploatowanych ścian [4], na zboczu wschodnim są deformacje nieciągłe o dużej intensywności niewspółmiernie duże do wyznaczonych wartości odkształceń. Wyżej wymieniony charakter deformacji górniczych nie stanowi przedmiotu podjętych przez autora rozważań badawczych, dlatego odcinek ten nie będzie poddawany szczegółowej analizie. W strefie poziomych ściskań maksymalna wartość odkształcenia wynosi ε max = - 5,24 mm/m. Przedstawione wartości odkształceń sytuują analizowany obszar w II (strefa poziomych rozluźnień) i w III (strefa poziomego zagęszczenia) kategorii terenów górniczych [1]. Na podstawie oceny wizualnej stwierdzono: w strefie rozluźnień (rozpełzanie) na zachodniej krawędzi niecki brak dostrzegalnych oznak działalności górniczej, w strefie poziomego zagęszczenia (spełzanie) sfalowania na nawierzchni, wypiętrzenia krawężników, co jest konsekwencją dużych wartości odkształceń ściskających (-5,24 mm/m). Ponadto w strefie największych obniżeń nastąpiło odwrócenie spadków niwelety (w tym niwelety dna rowu), co spowodowało zakłócenie funkcjonowania systemu odwodnienia. Z oceny wyników pomiarów geodezyjnych wynika, iż w okresie listopad 2005 listopad 2006 obserwowana była niecka dynamiczna, zaś w okresie listopad 2006 czerwiec 2007 kształtowanie się niecki górniczej przybrało charakter wygaszający. Dane z pomiaru ugięć Na ryc. 5 przedstawiono wyniki z pomiarów ugięć wykonanych na pasie zewnętrznym w strefie deformacji rozluźniających oraz w strefie nie objętej wpływami górniczymi. Pomiary ugięć nawierzchni wykonano w okresie poprzedzającym wpływ eksploatowanej ściany 2 (pomiar I), w trakcie kształtowania się niecki dynamicznej (pomiar II) oraz po zakończeniu eksploatacji - w okresie zanikających wpływów górniczych. Wartości zastępczego modułu sprężystości nawierzchni E zast analizowano parami tj. wyniki pomiaru I i III oraz wyniki pomiaru II i IV. Tego typu analiza była wymuszona zróż- 38 DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008
Drogi nicowaną temperaturą warstw MMA, w trakcie badań ugięć (tab. 1). Wartości te charakteryzują się największymi zmianami w obszarze odkształceń rozluźniających (punkty pomiaru FWD: 50 51), w strefie nie objętej deformacjami wartości E zast nie ulegają obniżeniu (punkty pomiaru FWD: 46 49). Wyznaczone moduły odkształcenia dla podłoża gruntowego również wskazują na obniżenie parametrów podłoża w obszarze deformacji rozluźniających (punkty 50 51). W punktach pomiaru ugięć FWD: 46 49 nie odnotowano znaczących zmian w wartościach modułów. Analiza wstępnie oszacowanych modułów podłoża wskazuje na około 12 % spadek ich wartości po przejściu frontu eksploatacyjnego, czyli po zakończeniu intensywnych deformacji w pasie drogowym. Zaś maksymalne obniżenie wartości modułów (ryc. 6) występuje w trakcie postępującej niecki dynamicznej. W okresie tym moduł podłoża gruntowego uległ zmniejszeniu o około 20 %. Wnioski Wyniki pomiarów geodezyjnych pozwalają na zlokalizowanie stref rozluźnień, ściskań oraz stref znajdujących się poza zasięgiem wpływów eksploatacji górniczej. Przeprowadzone badania umożliwiają ocenę wpływu deformacji górniczych na stan techniczny nawierzchni drogowej. Wstępna analiza wyników badań jednoznacznie wskazuje na negatywny wpływ eksploatacji górniczej na nośność nawierzchni drogowej, potwierdza również słuszność przyjętego planu badań. Uzyskana zgodność stref rozluźnień według pomiarów geodezyjnych z strefami obniżenia nośności nawierzchni według pomiarów ugięć, potwierdza związek przyczynowoskutkowy pomiędzy deformacją terenu, a osłabieniem konstrukcji nawierzchni. W kolejnym etapie badań zostaną zidentyfikowane wartości modułów sprężystości warstw nawierzchni z kolejnych pomiarów ugięć FWD. W oparciu o wyznaczone moduły sprężystości zostanie określony spadek trwałości nawierzchni drogowej na wskutek przejścia frontu eksploatacji górniczej. Autor składa podziękowania dr inż. Barbarze Strycharz oraz dr inż. Krzysztofowi Chlipalskiemu za pomoc w realizacji badań. DROGI lądowe, powietrzne, wodne 10/2008 39