Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Wykopy - zagrożenia i awarie. Z punktu widzenia projektanta i wykonawcy obudowy wykopu najistotniejsza jest ocena, a później obserwacja osiadań powierzchni terenu i kontrolowanych obiektów. Interpretacja wyników pomiarów i ewentualne zagrożenia konstrukcji obudowy, budynków i otoczenia głębokiego wykopu powinny być prowadzone przez niezależnego specjalistę-konstruktora. Projektant decyduje o konstrukcji obudowy i jej parametrach oraz o działających na obudowę obciążeniach (wybierając wartości parametrów geotechnicznych podłoża i wartości współczynników bezpieczeństwa). Grunt, w odróżnieniu od innych materiałów budowlanych, posiada właściwości zmieniają się w szerokich granicach. Problemem jest również punktowe rozpoznanie podłoża. Dotychczasowa wiedza geotechniczna, którą wykorzystuje między innymi Eurokod 7 wskazuje, że poprawne uzyskanie wartości właściwości wytrzymałościowych i odkształceniowych gruntu wymaga spełnienia nie jednej, a szeregu procedur, które w rezultacie prowadzą do określonych oszacowań warunków w podłożu. Można przytoczyć cały szereg przykładów, gdy podawane wartości znacznie różniły się od siebie. W Polsce jedną z większych katastrof budowlanych było złamanie ściany szczelinowej na budowie przy ul. Puławskiej w Warszawie. Jak ustalono, błędy popełniono na etapie projektowania i w czasie realizacji budowy. W fazie projektowania niewłaściwie wybrano wartości parametrów wytrzymałościowych iłów, co wpłynęło na niedoszacowanie obciążenia parciem gruntu ściany wykopu i w konsekwencji złe parametry projektowe ściany szczelinowej. W czasie budowy między innymi zaniechano obserwacji przemieszczeń obudowy i pobliskich wysokich budynków mieszkalnych oraz nie uwzględniono ruchów pionowych chodnika i jezdni w pobliżu krawędzi wykopu sygnalizujących narastanie poziomych przemieszczeń ściany szczelinowej. Konsekwencje tej katastrofy były dotkliwe zarówno dla projektantów, jak i wykonawcy. Efektem oddziaływań głębokich wykopów i zarazem kryterium szkodliwości lub dopuszczalności realizacji są przede wszystkim deformacje ścian obudowy wykopów oraz okalającego terenu wraz z obiektami sąsiednimi i zmiany warunków gruntowo-wodnych w rejonie wykonywanej inwestycji. Deformacje podłoża i elementów konstrukcyjnych, związane z nimi zarysowania, a następnie pęknięcia - mogą powodować znaczne uszkodzenia obiektów w bezpośrednim sąsiedztwie. Oddziaływanie głębokiego wykopu może wywołać trzy różne kategorie uszkodzeń: efekty wizualne, estetyczne (szkody architektoniczne), szkody użytkowe lub funkcjonalne, szkody zagrażające stateczności konstrukcji. Przyjęcie określonego rozwiązania obudowy wykopu (wspornikowa lub podparta) decyduje o charakterze deformacji gruntu za ścianą.
Charakterystyczne schematy awarii konstrukcji oporowych ze ścianek szczelnych zakotwionych w gruncie przedstawia rys. 1. Schemat (a) obrazuje przypadek utraty ogólnej stateczności wskutek nadmiernego obciążenia naziomu. Takiej awarii zapobiega się przyjmując długie kotwy gruntowe. Schemat (b) przedstawia awarię spowodowaną niewystarczającym zagłębieniem ścianki poniżej dna wykopu. Można tego uniknąć wbijając ściankę głębiej. Rys. 1. Schematy awarii obudów wykopów [1]. Schemat (c) odpowiada przesunięciu poziomemu bryły gruntu zawartej między ścianką a płaszczyzną pionową, przecinającą koniec kotwy gruntowej. Takiemu wypadkowi przeciwdziała poprawienie naturalnych cech gruntu za ścianką lub zmniejszenie w nim ciśnienia spływowego. Schemat (d) dotyczy szczególnego przypadku poślizgu masywu za ściankę po przewarstwieniu ze słabego gruntu. W takich warunkach geotechnicznych jest celowe zaprojektowanie oprócz kotew utrzymujących górną część ścianki, także rozpór usytuowanych w poziomie bliskim słabej warstwie. Specyficzna przyczyna uszkodzenia konstrukcji oporowej ze ścianek szczelnych może wystąpić w przypadku stosowania do ich wzmocnienia kotew gruntowych wstępnie naprężonych. Schemat takiego uszkodzenia i mechanizm jego powstania przedstawia rys. 2. Przemieszczenie w stronę wykopu górnej części ścianki, utrzymywanej przez kotwę, może zajść bez poślizgu kotwy w gruncie lub bez znacznego wydłużenia jej cięgna. Przyczyną jest wciśnięcie ścianki w grunt przez składową pionową siły przekazywanej na nią przez kotwę.
Rys. 2. Schemat awarii obudowy wraz z kotwami gruntowymi [1]. Należy pamiętać, że realizacja głębokich wykopów w terenie silnie zurbanizowanym może powodować olbrzymie straty, a niejednokrotnie awarie i katastrofy. Wyniki obserwacji przemieszczeń obudowy wykopu są informacją o potencjalnym zagrożeniu awarią. Zwiększone zagrożenie katastrofą występuje, gdy wykop jest realizowany: w słabych gruntach, na znacznej głębokości poniżej ustabilizowanego zwierciadła wody gruntowej, w sąsiedztwie wysokiej zabudowy, obok intensywnie obciążonej ruchem drogi lub linii kolejowej, w sąsiedztwie podziemnej infrastruktury (np. rurociągu ciśnieniowego, rurociągu ciepłowniczego, przewodów gazowych i energetycznych). Wówczas powinien być na budowie ustanowiony zespół, którego obowiązkiem jest stałe obserwowanie zachowania się obudowy wykopu, jego dna i sąsiedniego terenu oraz analiza wyników pomiarów przemieszczeń. Zdarzają się także zarysowania ścian budynków w czasie wykonywania wykopów kanalizacyjnych czyli robót w stosunkowo wąskim pasie. Zjawiska te są na tyle ważne, że warto o tym również wspomnieć. Roboty instalacyjne prowadzone są z reguły przez mniejsze firmy, a awarie wynikają z braku należytego przygotowania fachowego przypadkowych często pracowników i zwykłego niedbalstwa. Przyczyną i wynikiem zarysowania ścian budynków jest więc osiadanie tych ścian, których fundamenty znalazły się w zasięgu klina odłamu gruntu wywierającego parcie na obudowę, np. wykopu o głębokości 6 m zabezpieczonego balami drewnianymi z rozparciem.
Znajomość płaszczyzny klina odłamu, która odchyla się od pionowej ściany wykopu o kąt α = 45 % umożliwia w każdym przypadku stwierdzenie potencjalnego wpływu wykopu ) na istniejący obiekt. Zakładając, że kąt tarcia wewnętrznego w tym rodzaju gruntu wynosi max. 20 o otrzymamy tgα = 0,7 stąd zasięg płaszczyzny odłamu 4,2 m, a więc przewyższający odległość wykopu od budynku, czyli 3,05 m. Aby nie dopuścić do wytworzenia się klina odłamu należało zastosować w tym przypadku ściankę szczelną z rozparciem na całej wysokości. W innym przypadku, gdy wykop o głębokości ok. 3 m był realizowany bardzo blisko budynku w gruntach budowanych przez gliny w stanie zwartym założono, że nie będzie żadnego szalowania wykopu.
W trakcie szybkiego wykonawstwa, zaczął padać jednak deszcz. Opady okazały się na tyle długotrwałe, że nastąpiła zmiana właściwości fizyko-mechanicznych gruntów spoistych i w konsekwencji utrata stateczności ścian wykopu i fundamentów budynku. W wyniku czego zawaliła się ściana budynku. Według najczęściej cytowanego kryterium Bjerruma, graniczne wartości osiadań wynikające z reakcji i wpływu wykopów odniesione do długości, na której występują mogą powodować zagrożenia: β = 1/750 - możliwość uszkodzenia urządzeń wyposażenia budynku (1,33 mm/m), β = 1/600 - granica bezpieczeństwa ustrojów ramowych (1,66 mm/m), β = 1/500 - granica bezpieczeństwa dla budynków, w których konstrukcji pojawienie się pęknięć jest niedopuszczalne (2,00 mm/m), β = 1/300 - pojawienie się pierwszych pęknięć w ścianach działowych, możliwość pojawienia się usterek w eksploatacji żurawi bądź dźwigów (3,33 mm/m), β = 1/250 - widoczne wizualnie przechylenie budynków wysokich o sztywnej konstrukcji (4,00 mm/m), β = 1/150 - poważne pęknięcia w ścianach działowych i murowych, granica bezp. dla ścian murowych o stosunku wysokości do rozpiętości mniejszym od 1/4, możliwość wystąpienia awarii (szkód konstrukcyjnych) większości budynków (6,67 mm/m). Szerzej o kryteriach i przyczynach powstawania zagrożeń i awarii przeczytać można w materiałach z XXVIII Ogólnopolskich warsztatów pracy projektanta konstrukcji [2]. Literatura : 1. Jarominiak A. : Lekkie konstrukcje oporowe. WKŁ, Warszawa 2000 r. 2. Materiały z XXVIII Ogólnopolskich warsztatów pracy projektanta konstrukcji. Wisła 2013 r.