AWARIA SKARPY GŁĘBOKIEGO WYKOPU BUDYNKU PRZEMYSŁOWEGO.pdf

Dr n.t. Stanisław ŁUKASIK

Instytut Techniki Budowlanej, s.lukasik@poczta.itb.pl

AWARIA SKARPY GŁ Ę BOKIEGO WYKOPU BUDYNKU

PRZEMYSŁOWEGO

SLOPE FAILURE IN DEEP EXCAVATION FOR INDUSTRIAL BUILDING

Streszczenie Praca przedstawia analizę przyczyn awarii zabezpieczenia skarpy głębokiego wykopu. Omówiony

przypadek jest przykładem jak niewłaściwe rozpoznanie budowy geologicznej i brak rzetelnej analizy warunków

geotechnicznych moŜe doprowadzić do awarii a nawet katastrofy budowlanej. Innym problemem jest niezgodne

ze sztuką inŜynierską zaprojektowanie i wykonanie zabezpieczenia ścianą berlińską. Omawiane zadanie

geotechniczne zgodnie z prawem zalicza się do 3. kategorii geotechnicznej. Z tego powodu powinno być

rozwiązywane indywidualnie przez osoby z duŜym doświadczeniem geotechnicznym i wysokimi

kwalifikacjami.

Abstract In the study the causes of slope failure in deep excavation have been presented. The considered

example shows how improper recognition of geology and lack of reliable analysis of geotechnical conditions

may lead to construction failure. The design and execution of excavation protection by berliner wall (soldier pile

wall) has been considered as being not in agreement with engineering art. The described geotechnical task is

qualified as 3 geotechnical category according to regulations. Because of this it should be solved by individuals

with great geotechnical experience and high qualifications.

1. Wst ę p

Posadowienie duŜego budynku przemysłowego na Śląsku wymagało wykonania wykopu o

głębokości od 8 do 10 m. Zaprojektowano go jako otwarty ze skarpami nachylonymi pod

kątem 45 0 (1:1). Górna krawędź jednej ze skarp była oddalona o około 7 m od skraju jezdni,

po której się odbywał się cięŜki ruch samochodowy. Na etapie głębienia wykopu, skarpę

wykopu wzmocniono poprzez zmniejszenie nachylenia, wykonując półkę o szerokości około

2 m w połowie jej wysokości. Powierzchnię skłonu skarpy (powyŜej półki) dodatkowo

zabezpieczono płytami Ŝelbetowymi MON. Mimo tych zabiegów skarpa okazała się

niestateczna i na skarpie powstało osuwisko. Obszar naruszony był dosyć płytki i niezbyt

rozległy. Ustalono, Ŝe głębokość osuwiska wynosiła 6,0 – 6,5 m a szerokość dochodziła do

20 m. Osuwisko zabezpieczono przyporą ziemną. Przypora musiała być jednak rozebrana dla

wykonania fundamentów. Zdecydowano się wtedy podeprzeć skarpę wykopu ścianą

berlińską. Mimo widocznych uskoków i powstania osuwiska autorzy projektu i wykonawcy

ściany berlińskiej przyjęli do obliczeń „uśrednione warunki geotechniczne” nie sprawdzając

przyczyn powstania osuwiska. Jako pale zastosowano dwuteowniki 160 mm o długości 9,5 m

osadzone w otworach wiertniczych. Zostały one osadzone 1,50 m poniŜej projektowanego

dna wykopu w warstwie mułowca/iłowca. Rozstaw pali wynosił 1,5 m. Opinkę stanowiły

445

deski o grubości 50 mm. Zakotwienie pali przewidziano na trzech poziomach gwoździami z

pręta stalowego o średnicy 25 mm. Gwoździe zostały zamocowane przez przyspawanie z

boku dwuteownika. Rozstaw gwoździ wynosił 1,50 m, a ich długość 10 m na pierwszym

poziomie (-1,5 m), 8 m na drugim poziomie (-3,5 m) i 6 m na trzecim poziomie (-5,5 m).

Trzeciego poziomu gwoździ nie zdąŜono wykonać, gdyŜ nastąpiło zerwanie 3 gwoździ (2 na

poziomie drugim i 1 na poziomie pierwszym). Dodatkowym wzmocnieniem był poziomy

oczep na wysokości górnego poziomu gwoździ z ceowników 80 – 100 mm ułoŜonych na

płask.

Rys. 1. Konstrukcja ściany berlińskiej po awarii. RóŜne sposoby mocowania oczepu i gwoździ

2. Charakterystyka warunków geologicznych

Teren, na którym prowadzona jest budowa znajduje się na obszarze pogórniczym

zlikwidowanej kopalni gdzie eksploatację górniczą pokładów węgla zakończono na początku

XX wieku. Eksploatacja pokładu do głębokości około 230 m, którego wychodnie stwierdzono

w wykopie pod budynek prowadzona była w latach 1895 – 1911.

Granica płytkiej eksploatacji (prowadzonej do głębokości 100 m) występuje na północ od

omawianego terenu w odległości około 350 m.

Warstwy karbonu zapadają w kierunku południowo - zachodnim (SSW), pod kątem

10 0 ÷ 20 0 . Szerokość strefy dyslokacyjnej wynosi, co najmniej 60 m. Budowa geologiczna

podłoŜa jest skomplikowana z uwagi na występujące tu zaburzenia związane z tektoniką

nieciągłą.

Profil geologiczny podłoŜa tworzą:

– nasypy niebudowlane,

– utwory plejstoceńskie,

446

– utwory zwietrzelinowe skał karbońskich,

– węgiel kamienny,

– utwory karbońskie,

Budowę geologiczną rejonu skarpy przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Przekrój geologiczny wzdłuŜ omawianej skarpy

Wyraźnie widoczne nieciągłości warstw węgla, wskazują, Ŝe obszar jest zaangaŜowany

tektonicznie. Wykonanie głębokiego wykopu (otwartego) powoduje odciąŜenie i wywołuje

przemieszczenia. Przy niekorzystnym układzie upadu warstw oraz drgań wywołanych ruchem

samochodowym naleŜało szczególnie starannie analizować stateczność skarp. W podłoŜu

analizowanego terenu stwierdzono jeden poziom wód gruntowych związanych z

przypowierzchniową serią piasków zalegających pod warstwą nasypów oraz lokalnie w

soczewkach gruntów spoistych. Ten czwartorzędowy poziom wód gruntowych charakteryzuje

się zwierciadłem swobodnym i zasilany jest poprzez infiltrację z wód opadowych. Poziom ten

w zaleŜności od miejsca występowania stabilizuje się na głębokości od 0,3 do 3,6 m.

Zwierciadło wody tego poziomu występujące w soczewkach gruntów niespoistych,

charakteryzuje się zwierciadłem napiętym i stabilizuje się na głębokości od 0,8 do 3,6 m.

W badanym podłoŜu występuje równieŜ drugi poziom wodny - poziom karboński,

związany głównie z ławicami piaskowców. Wody tego poziomu mają generalnie charakter

zwierciadła swobodnego i stabilizują się na głębokości od 1,4 do 6,7 m. Poziom ten zasilany

jest wodami pochodzenia opadowego infiltrującymi z pierwszego poziomu wodonośnego

(neogeńskiego).

3. Charakterystyka warstw geotechnicznych

W zakresie oddziaływań wykopów i obiektów główny udział w budowie podłoŜa mają trzy

warstwy geotechniczne. Według dokumentacji geotechnicznej ich charakterystyka jest

następująca:

Warstwa gruntów plejstoceńskich — grunty róŜne litologicznie od pyłów i glin

piaszczystych po gliny pylaste zwięzłe Są to grunty w stanie twardoplastycznym, dla których

447

= 20 kN/m 3

c = 0 - 4 kPa

φ = 31 0 - 36 0

Warstwa gruntów skalistych - to skały karbońskie, charakteryzujące się dość jednorodnym

wykształceniem litologicznym. Tworzą ją mułowce, iłowce, lokalnie zawierające laminy

węgla oraz piaskowce drobno i średnioziarniste, słabozwięzłe. Skały te określa się jako

miękkie.

Wśród gruntów karbońskich przewaŜający udział w budowie mają grunty skaliste,

wykształcone w postaci słabozwięzłych piaskowców, mułowców i iłowców. Są to grunty o

dobrej nośności i niewielkiej odkształcalności, nadające się do bezpośredniego posadowienia.

W ich stropie zalegają grunty zwietrzelinowe o zróŜnicowanej miąŜszości od 0,4 m do 10,0

m. Zwietrzeliny przybierają postać wzajemnie przewarstwiających się glin, glin pylastych i

pyłów piaszczystych, glin pylastych zwięzłych i iłów oraz lokalnie piasków drobnych i

pylastych z domieszkami glin i pyłów. Grunty zaliczone do tych warstw charakteryzujące się

dość dobrą nośnością i małą ściśliwością, stanowią dość dobre podłoŜe budowlane i nadają

się do bezpośredniego posadowienia. Wśród warstw karbońskich występują pokłady węgla

kamiennego. Węgiel (skała miękka) jest bardzo podatny na spękania i powstawanie w nim

luster tektonicznych.

4. Analiza stateczno ś ci skarp

Projekt wykonawczy obiektu przewidywał zabezpieczenie skarpy jedynie poprzez jej

odpowiednie nachylenie. Rozwiązanie to oparto na danych geologicznych pochodzących z

otworów znajdujących się 20 – 30 m od krawędzi skarpy. Profile otworów sugerowały, Ŝe w

rejonie skarpy pod niewielkim nadkładem nasypów antropogenicznych i gruntów

neogeńskich występują piaskowce i mułowce karbońskie.

Powstanie osuwiska powinno być sygnałem do ponownej analizy warunków

geotechnicznych w rejonie skarpy. Nowych badań nie wykonano, a po usypaniu przypory i

zasypaniu niszy osuwiskowej wykonano ścianę berlińską. JeŜeli powstanie osuwiska nie było

wystarczającym sygnałem do analizy warunków geotechnicznych to, co nim mogło być?

Niedostosowanie rozmieszczenia i liczby badań do skomplikowania budowy geologicznej

powoduje, Ŝe wyniki wierceń nie zawsze wystarczająco dokładnie pozwalają określić budowę

geologiczną podłoŜa. Dokładniej budowę geologiczną rejonu skarpy wzdłuŜ ulicy rozpoznano

dopiero po awarii ściany berlińskiej. Wykonano w tym celu 7 otworów, – z czego 5 przed

krawędzią jezdni oraz dwa po jej północnej stronie. Z badań uzupełniających wynika, Ŝe

skarpę budują utwory plejstoceńskie o miąŜszości 2,5 - 4,0 m, pod którymi zalegają

karbońskie utwory zwietrzelinowe. Wśród osadów karbonu występuje prawie 1 metrowej

grubości warstwa węgla. Pokład węgla jest nachylony w kierunku wykopu. We

448

przyjęto stopień plastyczności I L = 0,12.

Oznaczone dla tej warstwy wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych

wynoszą :

g = 20,5 kN/m 3

c = 3 - 4 kPa

φ = 29 0 - 32 0

Warstwa zwietrzelin karbońskich - grunty zwietrzelinowe utworów karbońskich z

domieszkami okruchów iłowca, piaskowca i wkładek węgla. Grunty te o konsystencji

półzwartej i twardoplastycznej, o średnim stopniu plastyczności I L = 0,05 zalegają ciągłą

warstwą, o grubości od 0,4 m do 10,0m.

Wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych:

wcześniejszych wierceniach węgla w tym rejonie nie stwierdzono.

Badania sejsmiczne wykonane po awarii ścianki berlińskiej wykazały, Ŝe podłoŜe

gruntowe w miejscu powstałego osuwiska zostało naruszone do głębokości około 6 m ppt.

Wartość ta jest zbliŜona do głębokości powierzchni poślizgu obserwowanej po powstaniu

osuwiska. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki profilowania sejsmicznego metodą płytkiej

refrakcji. Zaznaczono na nim równieŜ wyinterpretowane strefy naruszenia podłoŜa przez

osuwisko na róŜnych głębokościach.

Rys. 3. Wyniki profilowania sejsmicznego – zasięg i głębokość osuwiska

Wykorzystując nowe dane o budowie geologicznej podłoŜa w rejonie skarpy

przeprowadzono obliczenia stateczności. Wyniki obliczeń potwierdzają obserwacje terenowe

zarówno, co kształtu jak i zasięgu powierzchni poślizgu. Porównanie przebiegu poślizgu w

terenie z kształtem i zasięgiem powierzchni obliczeniowej pozwala na stwierdzenie, warstwą

poślizgową był węgiel kamienny. W wyniku obliczeń ustalono, Ŝe juŜ przy kącie tarcia

wewnętrznego φ = 10 0 i spójności c = 5 kPa współczynnik stanu równowagi (F) jest

mniejszy od 1.

W niniejszym tekście współczynnik stanu równowagi (F) oznacza stosunek sił utrzymujących

do sił zsuwających w skarpie. Odwrotność wartości F określa się jako wskaźnik stanu

równowagi ( max ).

W strefach spękań tektonicznych a w szczególności na powierzchniach luster

tektonicznych wartości parametrów geotechnicznych spadają praktycznie do zera.

Dodatkowym elementem sprzyjającym powstaniu osuwiska jest obecność wody gruntowej.

Wystarczyły niewielkie opady, aby powierzchnie nieciągłości nasyciły się wodą stanowiącą

smar znakomicie ułatwiający poślizg między warstwami.

Wyniki obliczeń skarpy niezabezpieczonej wykazują małą wartość współczynnika stanu

równowagi – od 0,71 do 0,86 w zaleŜności od połoŜenia zwierciadła wody.

Skarpa w kształcie przed podparciem - przy istniejących warunkach geotechnicznych jest

449

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: