ANALIZA PRZYCZYN AWARII KOLEKTORA FI700 POSADOWIONEGO NA PODŁOśU ŚCIŚLIWYM.pdf

Dr inŜ. Krzysztof GAJEWSKI, gajewski@tu.koszalin.pl

Politechnika Koszalińska, WBiIŚ, Katedra Geotechniki

ANALIZA PRZYCZYN AWARII KOLEKTORA Ø700

POSADOWIONEGO NA PODŁO ś U Ś CI Ś LIWYM

THE ANALYSIS OF CAUSES FOR DAMAGE TO SEWAGE COLLECTING PIPE Ø700,

FOUNDED ON COMPRESSIBLE SOIL SUBSTRATUM

Streszczenie Artykuł przedstawia przypadek nadmiernego osiadania (ponad 60 cm) odcinka konstrukcji

kolektora ściekowego posadowionego na palach cementowo-piaskowych i przykrytego nasypem ochronnym.

Pokazano wyniki badań parametrów oraz obliczeń stanu granicznego nośności (metodą Bishopa) i stanu

granicznego uŜytkowania (w oparciu o teorię konsolidacji), dla podłoŜa zbudowanego z torfu, gytii i kredy.

Abstract Paper presents a case history for an excessive settlement (more than 60 cm) of sewage collecting pipe

segment founded on cement-sand piles and covered with protective embankment. The results of soil properties

investigations and calculations for ultimate limit state (using Bishop’s method) and serviceability limit state

(using theory of consolidation) for substratum built of peat, gyttia and lake-marl, had been showed.

1. Wprowadzenie

W artykule omówiono awarię (nadmierne osiadanie) odcinka głównego kolektora

sanitarnego 100-tysięcznego miasta na terenie Pomorza Środkowego. Kolektor przebiega

wzdłuŜ doliny rzeki i jest posadowiony w złoŜonych warunkach geotechnicznych. Pomimo

znajomości tego faktu oraz podjętych działań projektowych i wykonawczych, po 3-letniej

eksploatacji jedna ze studni rewizyjnych osiadła ok. 60 cm, co doprowadziło do całkowitej

zmiany spadku kolektora (pracującego grawitacyjnie) oraz zagroziło jego rozszczelnieniem.

2. Charakterystyka techniczna kolektora

Lokalizację kolektora przedstawiono na wycinku mapy topograficznej (patrz rys.1.).

Kolektor na rozpatrywanym odcinku został zrealizowany w 2002 roku, w technologii rur

HOBAS (z Ŝywic zbrojonych włóknem szklanym), o średnicy nominalnej 700 mm, łączonych

z odcinków długości 6,0 m (uszczelkami kielichowymi typu FWC). Studnie rewizyjne,

rozstawione co 70÷100 m, wykonano jako Ŝelbetowe, z płytą denną dociąŜającą, (typu

PREFABET). Kolektor odprowadza grawitacyjnie ścieki sanitarne do oczyszczalni oddalonej

o ok. 15 km, w związku z czym zachodziła konieczność takiego posadowienia rur i studni,

aby uzyskać średni spadek projektowany w granicach 1‰ (tj. 1 cm na 10 m).

393

Rys. 1. Lokalizacja kolektora, studni rewizyjnych oraz wykonanych badań podłoŜa.

Rury kolektora układane były przewaŜnie w wykopie (poniŜej głębokości przemarzania

gruntu) lub teŜ (gdy wynikało to z ukształtowania terenu) na powierzchni terenu, albo na

specjalnie wznoszonych nasypach (z pospółki), a następnie obsypywane gruntem rodzimym,

w celu ochrony przed zmianami temperatury i ewentualną dewastacją. Na analizowanym

odcinku zastosowano właśnie takie posadowienie, przy czym wysokość nasypu ochronnego,

ponad spód rury kolektora, sięgała 2 m.

3. Podło Ŝ e gruntowe a realizacja posadowienia kolektora

Kolektor został zlokalizowany w złoŜonych warunkach geotechnicznych, na obszarze

zakola pradoliny rzeki oraz wzdłuŜ krawędzi tej pradoliny, wyerodowanej w nośnych glinach

zwałowych. Pradolinę wypełniają grunty akumulacji bagienno-rzecznej, takie jak torfy,

namuły, gytie i kreda jeziorna, o łącznej miąŜszości dochodzącej do 7 metrów (patrz rys.2.).

W pobliŜu krawędzi doliny grunty organiczne są często przykryte nasypami oraz glinami

deluwialnymi. Woda gruntowa występuje praktycznie na powierzchni terenu i jest związana z

poziomem wody w pobliskiej rzece oraz intensywnością wód opadowych, spływających po

terenie do rzeki.

NaleŜy podkreślić, Ŝe złoŜoność budowy podłoŜa gruntowego znana była co najmniej od

lat 80-tych XX wieku. Pierwsza koncepcja przebiegu kolektora zakładała bowiem jego

lokalizację nieco bliŜej rzeki. Wykonane wówczas badania podłoŜa, przez Geoprojekt Gdańsk

w 1986 r., w pełni dokumentowały tą budowę. Przy projektowaniu nitki kolektora

(przesuniętej ok. 12÷15 m w kierunku południowo-zachodnim – w stosunku do koncepcji z

roku 1986) wykonano kolejne badania podłoŜa w 2000 r. Niestety ich zakres i sposób

udokumentowania był znacznie skromniejszy niŜ w 1986 r., a do tego brak w nim było badań

parametrów gruntów organicznych. Popełniono teŜ raŜące błędy w rozpoznaniu i klasyfikacji

tych gruntów.

394

Rys. 2. Archiwalny przekrój podłuŜny podłoŜa kolektora (wg badań z 1986 r.)

W projekcie budowlanym kolektora, opartym jedynie na dokumentacji geotechnicznej

z 2000 r., przewidziano pierwotnie na odcinku pomiędzy studniami S5 i S6, oraz częściowo

w kierunku studni S7 – łącznie na 107 metrach - wymianę słabonośnego podłoŜa na grunt

nośny. Kolektor miał być posadowiony na powierzchni istniejącego terenu (rzędna dołu rury

ok. 26,3 m.npm.) i obsypany gruntem do rzędnej ok. 28,00 m.npm. W trakcie robót ziemnych

okazało się jednak, Ŝe realizacja wymiany gruntu jest praktycznie niemoŜliwa, z uwagi na

upłynnianie się podłoŜa pod pracującym sprzętem. Dlatego teŜ roboty ziemne wstrzymano,

zlecono wykonanie uzupełniających badań geotechnicznych (dokumentacja z 2002 r.) oraz

opracowanie projektu zamiennego posadowienia kolektora na odcinku S5 ÷ S6. W projekcie

tym zalecono wykonanie podparcia kolektora, na obszarach ograniczonych do złącz rur

(a więc co 6 m), w postaci pali piaskowo-cementowych, o średnicy 60 cm. ZaleŜnie od

miąŜszości gruntu słabonośnego liczba pali wahała się od 2 do 8 sztuk (w dwóch rzędach) na

jedno złącze rur, przy długości pala równej 2,5 do 5,5 m. Taką technologię przyjęto

w uzgodnieniu z Wykonawcą, który zgłaszał doświadczenia w jej stosowaniu w madach

rzecznych. Zdziwienie budzi brak, w projekcie zamiennym, jakichkolwiek obliczeń

weryfikujących nośność czy teŜ odkształcalność słabonośnego i ściśliwego podłoŜa kolektora.

NaleŜy podkreślić, iŜ pale zostały zaprojektowane i wykonane jedynie pod złączami rur, na

odcinku S5 ÷ S6, zaś ich pierwotna średnica (60 cm) została zredukowana do 30 cm, bez

jakiegokolwiek uzasadnienia obliczeniowego!!!. Prace przy układaniu kolektora, na

analizowanym odcinku, zakończono uformowaniem nasypu w sierpniu 2002 r.

4. Identyfikacja stanu awaryjnego kolektora

We wrześniu 2005 roku, słuŜby Inwestora, w czasie wykonywania rutynowego przeglądu

kolektora, stwierdziły, iŜ światło rury w studni rewizyjnej S6 jest praktycznie całkowicie

wypełnione ściekami, podczas gdy w studniach leŜących zarówno przed, jak i za studnią S6,

spływające ścieki wypełniają jedynie około 20% przekroju kolektora. Natychmiast wykonano

odkrywki złącz kolektora bezpośrednio przy studni S6 oraz w kierunku S5, w odległościach 6

m od S6, a następnie 12 m od S6 i dalej 3 razy po 12 m, w kierunku od studni S6. Wykonano

takŜe kontrolny pomiar geodezyjny rzędnych odkrytych złącz, jednak bez dowiązania go do

jakiegokolwiek punktu odniesienia (!). Wyniki tego roboczego pomiaru wskazywały na

znaczne osiadanie kolektora, rzędu 50÷70 cm, względem wejścia rur kolektora do studni S6.

Aby ustalić przyczyny pojawienia się nadmiernych deformacji (osiadania) rur kolektora

oraz studni rewizyjnej S6, a takŜe przedstawić propozycje technicznych sposobów likwidacji

tych deformacji, uruchomiono temat badawczy [1]. W ramach prac z tym związanych

wykonano dokładny pomiar geodezyjny deformacji kolektora na odcinku pomiędzy studniami

S4 i S7. Wyniki tego pomiaru (patrz rys. 3) potwierdziły deformację podłoŜa pod kolektorem

395

pomiędzy studniami S5 i S6 oraz dodatkowo wykazały takŜe istotne osiadanie podłoŜa

kolektora na odcinku w kierunku studni S7. Uzyskano równieŜ waŜną informację, iŜ studnie

S4, S5, a takŜe S7 praktycznie nie osiadły od czasu przeprowadzenia pomiaru

powykonawczego kolektora w grudniu 2002 r.

Rys. 3. Wyniki pomiarów deformacji kolektora.

PoniewaŜ dokumentacje archiwalne z badań podłoŜa (z lat 2000 i 2002), a zwłaszcza

dokumentacja z 1986 r., bardzo obszernie przedstawiały budowę podłoŜa gruntowego pod

analizowanym odcinkiem kolektora oraz w jego bezpośrednim sąsiedztwie (ponad 20

otworów badawczych na obszarze 200 x 15 m), ograniczono liczbę kontrolnych penetracji

podłoŜa do 4 otworów, w celu pobrania prób gruntów organicznych o nienaruszonej

strukturze (NNS), do badań parametrów ściśliwości oraz określenia skuteczności wykonanych

pali piaskowo-cementowych. Wykonano takŜe sondowania podłoŜa sondą obrotową,

krzyŜakową, określając maksymalną i rezydualną wytrzymałość gruntu, średnio co 0,3 do 0,4

m sondowania.

Przeprowadzona analiza pozwoliła na przedstawienie bardziej precyzyjnego obrazu

(przekroju pionowego) warunków gruntowo-wodnych w rejonie studni S6, (rys. 4.). Przekrój

ten, w odróŜnieniu od większości przekrojów podłoŜa z dokumentacji archiwalnych, został

poprowadzony prostopadle do osi kolektora. Na jego podstawie opracowano uogólnione

przekroje obliczeniowe (dla 2 faz deformacji podłoŜa – patrz rys.rys. 5a. i 5b.), które

pozwoliły na wykonanie obliczeń sprawdzających warunki nośności i uŜytkowalności

podłoŜa.

5. Analiza stanów no ś no ś ci i u Ŝ ytkowalno ś ci podło Ŝ a pod kolektorem

5.1. Budowa podło Ŝ a oraz warunki i parametry geotechniczne

W przeprowadzonych, na potrzeby [1], wierceniach i sondowaniach potwierdzono

generalnie budowę podłoŜa pod nasypem kolektora odnotowaną w badaniach archiwalnych

z 1986, 2000 i 2002 roku. W dokumentacjach z 2000 i 2002 r., bez wykonania jakichkolwiek

badań (!!!), podano wartość edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej warstwy gruntów

organicznych (torfów), oszacowaną na M 0 = 500 kPa. Zastanawiający jest takŜe fakt, iŜ

w dokumentacjach tych brak jest rozpoznania w podłoŜu takich gruntów jak gytia na kredę

jeziorną (ewentualnie namułów o składzie pyłu – zaleŜnie od sposobu klasyfikowania, patrz

[3]), których występowanie odnotowały zarówno dokumentacja Geoprojektu (1986) jak

i wykonane w 2005 r. badania dla potrzeb [1]. Odkształcalność a takŜe proporcje miąŜszości

tych gruntów w całym pakiecie „torf/gytia/kreda”, mają decydujące znaczenie dla warunków

konsolidacji podłoŜa pod kolektorem oraz obliczanych wartości osiadania.

396

Rys. 4. Przekrój poprzeczny podłoŜa kolektora w rejonie studni S6.

Wykonane badania (dla potrzeb [1]) pozwoliły na sprecyzowanie wartości parametrów

fizyko-mechanicznych warstwy gruntów ściśliwych (torfów/gytii/kredy) oraz weryfikację

stanu konsystencji górnej (ok. 0,5 m) warstwy glin zwałowych, które okazały się

miękkoplastyczne. W wynikach badań zwracały uwagę znaczące wartości wilgotności torfów

(rzędu 460÷630%) oraz gytii/kredy (ok. 300%), przy zawartości części organicznych,

odpowiednio (65÷85%) oraz (15÷30%). W pakiecie „torf/gytia/kreda” torf zajmuje

maksymalnie 30% miąŜszości.

Określona w badaniach ściśliwość torfów i gytii/kredy okazała się być sumarycznie

wyŜsza od podanej w dokumentacji z 2000 r. i wyraŜała się wartościami edometrycznych

modułów ściśliwości pierwotnej M 0 = 200÷300 kPa (dla gytii/kredy) i M 0 = 400÷600 kPa (dla

torfu).

Wytrzymałość rezydualna torfów/gytii przy szybkim ścinaniu (dla kąta tarcia

wewnętrznego F U = 0) wynosiła około 8÷10 kPa poza obszarem nasypu, i około 13÷15 kPa –

pod nasypem, co świadczyło o zachodzącym w podłoŜu procesie konsolidacji (wzmacniania)

tych gruntów.

Do celów obliczeniowych wydzielono 8 warstw geotechnicznych, choć „de facto” trzy

z nich (nr 1, 2 i 3) odpowiadają warstwie nasypu w róŜnych stadiach jego wykonania

i osiadania, zaś czwarta (nr 5) symuluje wykonanie pali piaskowo-cementowych. Tak więc,

ogólnie w podłoŜu wydzielono pięć warstw gruntu + pale. Poszczególnym warstwom,

przypisano oznaczenia oraz parametry geotechniczne jak w tablicy nr 1.

Tablica 1. Charakterystyczne wartości parametrów geotechnicznych, wg [1]

warstwy

rodzaj

gruntu

cięŜar

objętościowy

kąt

tarcia

spójność

c (n)

[kPa]

moduł

ściśliwości

M o , [MPa]

nN(Pg//Ps, GH, Gb)

17.0

10.0

nN(Pg//Ps, GH, Gb)

17.0

10.0

nN(Pg//Ps, GH, Gb)

19.0/9.0(naw.)

10.0

nB(Po//Pg)

18.5/8.5(naw.)

30.0

pal piaskowo-cementowy 20.0/10.0(naw.)

, Gp +H//T, typ „C”

16.5

10.0

397

, [kN/m 3 ]

(n) , [°]

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: