analiza warunków stateczności nasypu autostrady a4 miedzy wezlami wirek batorego

background image

GEOTECHNIKA I BUDOWNICTWO SPECJALNE

ZSMGiG XXIX

© Copyright by KGBiG AGH Kraków 2006

ISBN 83-905407-9-7

* Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

ANALIZA WARUNKÓW STATECZNOŒCI NASYPU

AUTOSTRADY A-4 MIÊDZY WÊZ£AMI

„WIREK” – „BATOREGO”

Marek Ca³a

*

, Jerzy Cieœlik

*

, Jerzy Flisiak

*

, Micha³ Kowalski

*

1.Wprowadzenie

Po zakoñczeniu budowy odcinek autostrady A-4, zlokalizowany na wysokim nasypie w km

330+700 ÷ 331+200, uleg³ we wrzeœniu 2004 roku uszkodzeniu. Zaobserwowano wówczas

[21] wyst¹pienie szeregu deformacji nieci¹g³ych o charakterze pêkniêæ i szczelin, o rozwarto-

œci dochodz¹cej do kilku centymetrów. Deformacje te wyst¹pi³y zarówno na jezdniach auto-

strady jak i w pasie rozdzia³u. Pêkniêcia i szczeliny usytuowane by³y w wiêkszoœci równole-

gle do osi autostrady.

W rejonie awarii, od maja 2004 roku, na g³êbokoœci 540 m, prowadzona by³a przez

kopalniê „Polska-Wirek” eksploatacja œciany 4c o wysokoœci ok. 2,0 m [2, 26].

Wyjaœnienie rzeczywistych przyczyn wyst¹pienia awarii jest spraw¹ bardzo skompli-

kowan¹. Przyczynami awarii mog¹ byæ bowiem b³êdy pope³nione w ca³ym procesie inwesty-

cyjnym, pocz¹wszy od rozpoznania geotechnicznego, poprzez projekt nasypu oraz jego wy-

konawstwo.

Autorzy licznych ekspertyz, wykonanych po wyst¹pieniu awarii, z regu³y nie bior¹

pod uwagê mo¿liwoœci pope³nienia b³êdów na etapie projektowania i realizacji inwestycji,

zak³adaj¹c a priori, ¿e jedyn¹ przyczyn¹ uszkodzenia nasypu by³y deformacje wywo³ane eks-

ploatacj¹ œciany 4c [10, 11, 13, 21]. Autorzy pracy [11] stwierdzaj¹ wrêcz, ¿e „Inne wp³ywy

pozagórnicze, mog¹ce stanowiæ potencjalne przyczyny awarii zosta³y wykluczone w drodze

szczegó³owej ich analizy”.

Stwierdzenie takie budzi szereg w¹tpliwoœci, poniewa¿:

– do analizy statecznoœci nasypu zastosowano metodê Taylora. Stosowanie metody Taylora

prowadziæ mo¿e do du¿ych b³êdów prognozy, co stwierdza miêdzy innymi Glazer [8,

s. 302]: „Metoda Taylora ze wzglêdu na ³atwoœæ obliczeñ jest czêsto i chêtnie stosowana,

i to nawet wtedy, gdy nie powinno siê jej stosowaæ. Dlatego te¿ z naciskiem nale¿y podkre-

œliæ, ¿e jest to metoda opracowana dla gruntów jednorodnych spoistych. Próby stosowa-

nia jej do innych warunków mog¹ mieæ bardzo groŸne skutki i dlatego te¿ nie powinny byæ

podejmowane. Obecnie nawet dla zboczy zbudowanych z gruntów spoistych powinno siê

stosowaæ inne metody obliczeñ, traktuj¹c metodê Taylora jedynie jako daj¹c¹ wyniki orien-

tacyjne.” Poza tym metoda ta nie uwzglêdnia:

background image

772

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

– nachylenia pod³o¿a (w rejonie awarii nachylenie to wynosi³o ok. 10%),

– w³asnoœci pod³o¿a (w pod³o¿u wystêpuj¹ grunty s³abe),

– zastosowania materaca wzmacniaj¹cego na kontakcie pod³o¿e – nasyp,

– obci¹¿enia naziomu (Rozporz¹dzenie [19] zaleca, aby przy analizie statecznoœci

uwzglêdniaæ obci¹¿enie naziomu o wartoœci 25 kPa),

– deformacji II kategorii, na przeniesienie których powinien byæ zabezpieczony nasyp.

– do obliczeñ przyjêto bardzo wysokie wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych nasypu

(k¹t tarcia wewnêtrznego ϕ = 26°, spójnoœæ c = 67 kPa). Przyjêcie do obliczeñ, na podsta-

wie badañ w œredniowymiarowym aparacie bezpoœredniego œcinania [15], bardzo du¿ej

wartoœci spójnoœci budzi powa¿ne w¹tpliwoœci, poniewa¿ jest ona prawdopodobnie spo-

wodowana zjawiskiem klinowania siê grubych ziarn. Wysokiej spójnoœci gruntów z natu-

ry niespoistych, uzyskiwanej z takich badañ, nie powinno uwzglêdniaæ siê w analizach

statecznoœci [2, 16].

– zastosowana w pracy [10] analiza mo¿liwoœci poœlizgu nasypu po nachylonym pod³o¿u nie

uwzglêdnia rzeczywistych warunków wspó³pracy nasypu z pod³o¿em. Zak³ada siê w niej,

¿e nasyp jest cia³em sztywnym, spoczywaj¹cym na nieodkszta³calnym pod³o¿u nachylo-

nym. W rzeczywistoœci zarówno nasyp jak i pod³o¿e s¹ wspó³pracuj¹cymi oœrodkami od-

kszta³calnymi o okreœlonej wytrzyma³oœci.

Reasumuj¹c mo¿na stwierdziæ, ¿e przyjêta w pracach [10, 11] metodyka analizy statecznoœci,

polegaj¹ca na niezale¿nej ocenie wp³ywu ró¿nych czynników na warunki pracy nasypu i pod³o¿a

jest niedok³adna a wyci¹gane na jej podstawie wnioski s¹ zbyt pochopne. Nie mo¿na bowiem

na podstawie oceny wp³ywu poszczególnych czynników na przebieg procesu formu³owaæ

wniosku, ¿e je¿eli ¿aden z niech nie jest przyczyn¹ powstania procesu to jego zajœcie jest

niemo¿liwe.

Podstawowym celem pracy by³o sprawdzenie, czy inne, nie zwi¹zane z górnictwem

czynniki mog³y przyczyniæ siê do powstania awarii. W referacie zamieszczono wyniki anali-

zy statecznoœci nasypu w rejonie awarii, przeprowadzonej metodami równowagi granicznej

(program SLOPE/W) oraz metod¹ ró¿nic skoñczonych (program FLAC).

2.Za³o¿enia do obliczeñ

Analizê statecznoœci przeprowadzono w przekroju prostopad³ym do osi autostrady [2, rys. 1].

W przekroju tym wysokoœæ skarpy pó³nocnej (lewa strona modelu) wynosi 10,4 m a skarpy

po³udniowej (strona prawa) 4,3 m. Nachylenie skarp nasypu jest jednakowe i wynosi 1:1,5.

Zgodnie z projektem [25] przyjêto, ¿e pod³o¿e o gruboœci 6 m i nachyleniu 10%, spoczywa na

skalnych utworach karboñskich, o bardzo du¿ej wytrzyma³oœci, w porównaniu z utworami

gruntowymi. Dla przeprowadzenia obliczeñ zbudowano model przedstawiony na rysunkach

1 i 2 o szerokoœci podstawy równej 120 m, wysokoœci z lewej strony 11,9 m, z prawej strony

23,8 m (rys. 2).

Obliczenia przeprowadzono dla czterech wariantów, ró¿ni¹cych siê od siebie przyjmo-

wanymi wartoœciami parametrów wytrzyma³oœciowych pod³o¿a i nasypu. W wariantach W1,

W2 i W3 przyjêto wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych nasypu okreœlone w projekcie,

natomiast w wariancie W4 zawy¿one, naszym zdaniem, wartoœci parametrów stosowane w pra-

cach [10, 11].

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

773

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

Poszczególne warianty ró¿ni³y siê równie¿ budow¹ geologiczn¹ pod³o¿a. Podobnie

jak w pracy [2] za³o¿ono w nich, ¿e pod³o¿e nasypu stanowi:

wariant W1 – plastyczna glina pylasta,

wariant W2 – twardoplastyczna glina pylasta,

wariant W3 – od strony skarpy pó³nocnej twardoplastyczna glina pylasta wzmocniona

poprzez zastosowanie iniekcji wysokociœnieniowej jet grouting o para-

metrach ekwiwalentnych (zgodnie z zaleceniami projektowymi [25]);

w pozosta³ej czêœci twardoplastyczna glina pylasta,

wariant W4 – pod³o¿e i nasyp o parametrach przyjêtych w pracach [10, 11].

Wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych gruntów pod³o¿a okreœlono na podstawie

wyników badañ geotechnicznych, omówionych w projekcie [25].

Przyjêto, ¿e materac zbudowany jest z ¿u¿la wielkopiecowego.

Przyjmowane do obliczeñ wartoœci fizyko-mechaniczne zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry materia³ów przyjête do obliczeñ

Analizê statecznoœci nasypów przeprowadzono przy zastosowaniu dwóch programów:

– programu metody ró¿nic skoñczonych FLAC, w którym wykorzystano metodê reduk-

cji wytrzyma³oœci na œcinanie [3, 4, 5, 6, 14],

– programu SLOPE/W z pakietu GeoStudio 2004, wykorzystuj¹cego do obliczeñ meto-

dy równowagi granicznej, przy u¿yciu którego przeprowadzono obliczenia metodami

Bishopa oraz Janbu.

Obliczenia metod¹ ró¿nic skoñczonych wykonano przy za³o¿eniu p³askiego stanu od-

kszta³cenia. Dla wszystkich wymienionych warstw geologicznych obiektu w obliczeniach

przyjêto ten sam idealnie sprê¿ysto-plastyczny model fizyczny, z liniowym warunkiem pla-

stycznoœci Coulomba–Mohra. Parametry modelu fizycznego przyjêto wed³ug tabeli 1. Za³o-

¿ono, ¿e pomiêdzy pod³o¿em a nasypem wykonany zosta³ zamkniêty materac o gruboœci 36 cm

z ¿u¿la wielkopiecowego, ograniczony geosiatk¹ o wytrzyma³oœci na jednoosiowe rozci¹ga-

nie odpowiednio, dolna czêœæ 40 kN/m i górna czêœæ 20 kN/m.

Wariant

oblicze

ñ

Warstwa

γ

[kN/m

3

]

E

[MPa]

ν

[–]

c

[kPa]

Ö

[

°]

Wspó

³czynnik

tarcia

kontaktu

µ

Nasyp

20,000

60

0,25

18,000

25,00

0,37

Materac

16,000

60

0,25

60,790

45,80

0,82

W1

Pod

³o¿e

20,500

25

0,30

11,000

12,00

0,35

Nasyp

20,000

60

0,25

18,000

25,00

0,37

Materac

16,000

60

0,25

60,790

45,80

0,82

W2

Pod

³o¿e

20,700

30

0,25

15,000

14,00

0,35

Nasyp

20,000

60

0,25

18,000

25,00

0,37

Materac

16,000

60

0,25

60,790

45,80

0,82

Pod

³o¿e I

20,700

30

0,25

15,000

14,00

0,35

W3

(W2 + jet grouting)

Pod

³o¿e II

20,775

30

0,25

22,707

15,73

0,35

Nasyp

20,000

60

0,20

67,000

26,00

0,39

Materac

16,000

120

0,20

100,000

30,00

0,46

W4 parametry

przyjmowane

w pracach [10, 11]

Pod

³o¿e

20,700

60

0,30

30,000

20,00

0,35

background image

774

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

Rys. 1. Geometria modelu obliczeniowego

Rys. 2. Dyskretyzacja modelu obliczeniowego

Do modelowania geosiatki zastosowano elementy prêtowe, nie przenosz¹ce naprê¿eñ

œciskaj¹cych. Parametry elementów prêtowych wyznaczono na podstawie danych technicz-

nych geosiatek typu LBO 220 SAMP oraz LBO 440 SAMP firmy Tenax. Ze wzglêdu na brak

polskiej normy dotycz¹cej ustalania wytrzyma³oœci d³ugoterminowej wyrobu geosyntetycz-

nego, w obliczeniach przyjêto d³ugoterminow¹ wytrzyma³oœæ geosiatki na rozci¹ganie odpo-

wiadaj¹c¹ sile wystêpuj¹cej w geosiatce przy wyd³u¿eniu wzglêdnym 2% z próby jednoosio-

wego rozci¹gania (14 kN/m geosiatka dolna i 7 kN/m geosiatka górna), co odpowiada wspó³-

czynnikowi bezpieczeñstwa rzêdu 2,9. Wydaje siê, i¿ s¹ to wartoœci i tak zawy¿one, gdy¿ na

stronie producenta podano przyk³ad nasypu drogowego w Bangkoku, gdzie u¿yto podobnych

geosiatek (LBO 302 SAMP) przy zastosowaniu wspó³czynnika bezpieczeñstwa o wartoœci 4.

Podobne, wysokie wspó³czynniki bezpieczeñstwa dla geosiatek z polipropylenu zaleca norma

brytyjska BS 8006 [1].

Podobnie jak w pracy [2] w obliczeniach za³o¿ono, ¿e kontakt pomiêdzy geosiatk¹,

pod³o¿em, materacem, oraz nasypem odbywa siê wed³ug prawa tarcia typu Coulomba. War-

toœæ k¹ta tarcia (b¹dŸ wspó³czynnika tarcia) przyjmowana w tego typu obliczeniach zawsze

jest dyskusyjna i przyjmowana ró¿nie przez ró¿nych autorów. Najczêœciej wartoœæ k¹ta tarcia

pomiêdzy geosiatk¹, a gruntem wyznacza siê wykorzystuj¹c wartoœæ k¹ta tarcia wewnêtrzne-

go gruntu wed³ug formu³y:

ϕ

i

= arctg (F · tg ϕ

s

)

(1)

gdzie:

ϕ

i

– k¹t tarcia na kontakcie,

ϕ

s

– k¹t tarcia wewnêtrznego gruntu,

F – wspó³czynnik redukcyjny.

Podstaw¹ do wyznaczenia wspó³czynnika tarcia mog¹ równie¿ byæ wyniki badañ la-

boratoryjnych lub polowych tzw. testu pull-out, czyli wyrywania geosiatki z gruntu poddane-

go ró¿nego rodzaju obci¹¿eniom.

Wspó³czynnik tarcia wyznaczano dwuetapowo. W pierwszym etapie dla wybranego

kontaktu wyliczano wartoœæ wspó³czynnika wynikaj¹ca z zale¿noœci (1), przyjmuj¹c F = 0,8.

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

775

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

Je¿eli wartoœæ tego wspó³czynnika by³a mniejsza od µ = 0,35 (najni¿szej wartoœci uzyskanej

w teœcie pull-out) do obliczeñ przyjmowano wartoœæ µ = 0,35. Je¿eli zaœ wartoœæ wyliczonego

z zale¿noœci (1) wspó³czynnika by³a wiêksza od µ = 0,35, to wtedy do obliczeñ przyjmowano

wartoœæ wynikaj¹c¹ z zale¿noœci (1). Uzyskane w ten sposób wartoœci wspó³czynników wy-

daj¹ siê byæ nieco zawy¿one, szczególnie dla gruntów s³abych, o ma³ym k¹cie tarcia we-

wnêtrznego. Wartoœci wspó³czynników dla odpowiednich kontaktów modelu obliczeniowe-

go zamieszczono w tabeli 1.

Dla obliczeñ programem SLOPE/W zbudowano model o wymiarach i parametrach

gruntowych identycznych jak w obliczeniach numerycznych. Do modelowania geosiatki za-

stosowano elementy typu Fabric, o wytrzyma³oœci d³ugoterminowej na rozci¹ganie odpowied-

nio 14 kN/m geosiatka dolna i 7 kN/m geosiatka górna.

Analizê statecznoœci przeprowadzono bez uwzglêdniania wp³ywów deformacji górni-

czych. Obliczenia MRS przeprowadzono w dwóch wariantach:

1. bez obci¹¿enia korony nasypu,

2. z równomiernie roz³o¿onym obci¹¿eniem korony nasypu, wynosz¹cym 25 kPa (obci¹¿e-

nie ruchowe autostrady zgodne z [19]).

Dla wariantu W3, zak³adaj¹cego wzmocnienie pod³o¿a iniekcj¹ jet grouting, przepro-

wadzono dodatkowe obliczenia, w których za³o¿ono, ¿e:

1. Na skutek eksploatacji pierwotne nachylenie pod³o¿a zwiêksza siê o 10,0 mm/m (wartoœæ

nachyleñ okreœlona w pracach [10, 21]).

2. W pod³o¿u nie zastosowano wzmocnienia przy wykorzystaniu materaca i geosiatek.

Celem tych obliczeñ by³o sprawdzenie wp³ywu stosowania zbrojenia na warunki sta-

tecznoœci, ocena skutecznoœci zastosowanych zabezpieczeñ, oraz sprawdzenie, czy wykazy-

wane pomiarami nachylenia na skutek eksploatacji maj¹ wp³yw na statecznoœæ nasypu.

3.Omówienie wyników obliczeñ

Ze wzglêdu na ograniczon¹ objêtoœæ pracy, szczegó³owo omówiono jedynie wyniki obliczeñ

uzyskane dla wariantu W3, który, jak siê wydaje, najlepiej odzwierciedla warunki panuj¹ce

w rejonie uszkodzonego nasypu autostrady A-4. Dla wariantów W1 i W2 i W4 ograniczono

siê do omówienia ogólnego.

Wariant W1
W wariancie W1 przyjêto, ¿e w pod³o¿u znajduje siê glina pylasta w stanie plastycz-

nym, o stosunkowo niskich parametrach wytrzyma³oœciowych (tabela 1). Z przeprowadzo-

nych obliczeñ dla tego wariantu wynika, ¿e nasyp znajduje siê praktycznie w stanie zbli¿o-

nym do granicznego. Wartoœci wskaŸników statecznoœci dla nasypu nieobci¹¿onego zawarte

s¹ w przedziale od 1,062 wg metody Janbu do 1,165 wg metody Bishopa i s¹ znacznie ni¿sze

od wymaganych odpowiednimi przepisami (rozporz¹dzenie [19] podaje, ¿e dla ziemnych

budowli drogowych wskaŸnik statecznoœci skarp musi byæ wiêkszy od 1,5). Obliczenia MRS

wskazuj¹, ¿e po uwzglêdnieniu obci¹¿enia eksploatacyjnego nasypu o wartoœci 25 kN/m wskaŸ-

nik statecznoœci spada do wartoœci 1,06 (stan graniczny).

background image

776

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

Wariant W2
W wariancie W2 przyjêto, ¿e w pod³o¿u znajduje siê glina pylasta w stanie twardopla-

stycznym, o parametrach wytrzyma³oœciowych wy¿szych ni¿ w wariancie 1 (tabela 1). W tym

wariancie obserwuje siê wzrost wskaŸników statecznoœci w porównaniu do wariantu W1.

Uzyskane wg ró¿nych metod analizy wartoœci wskaŸników statecznoœci zawarte s¹ w prze-

dziale od 1,224 do 1,355. Zgodnie ze stosowan¹ w budownictwie drogowym klasyfikacj¹

[12] mo¿na wiêc przyj¹æ, ¿e powstanie procesów osuwiskowych jest prawdopodobne, a uzy-

skane wartoœci wskaŸników s¹ znacznie ni¿sze od wymaganych odpowiednimi przepisami.

Wariant W3
Wariant ten stanowi modyfikacjê wariantu W2, polegaj¹c¹ na dodaniu pod pó³nocn¹

(wy¿sz¹) skarp¹ nasypu regionu wzmocnionego poprzez wykonanie pali jet-grouting. Dla

uwzglêdnienia wzmocnienia w analizie statecznoœci zastosowano ekwiwalentne wartoœci pa-

rametrów wytrzyma³oœciowych gruntu dla wzmocnionej warstwy geotechnicznej. Przyjêto,

¿e region wzmocnienia obejmuje strefê od podstawy nasypu do pod³o¿a karboñskiego a jego

szerokoœæ wynosi 8 m (po³owa d³ugoœci rzutu pó³nocnej skarpy na p³aszczyznê poziom¹).

Wyniki obliczeñ dla wariantu W3 bez obci¹¿enia naziomu, uzyskane z programu FLAC

w postaci map:

– przyrostów odkszta³ceñ postaciowych,

– wektorów prêdkoœci,

– odkszta³ceñ postaciowych,

przedstawiono na rysunkach od 3 do 5.

Rys. 3. Mapa przyrostów odkszta³ceñ postaciowych dla wariantu W3

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

777

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

Rys. 4. Wektory prêdkoœci dla wariantu W3

Rys. 5. Mapa odkszta³ceñ postaciowych dla wariantu W3

Dla przypadku tego minimalna wartoœæ wskaŸnika statecznoœci wynosi 1,4, a wiêc jest

ni¿sza od wymaganej dla budowli drogowych. Powierzchnia poœlizgu w tym wariancie prze-

biega g³êbiej w korpusie nasypu ni¿ w wariancie W2, tworz¹c wiêksz¹ potencjaln¹ bry³ê osu-

wiskow¹. Z rysunku 5 wynika, ¿e oprócz powierzchni poœlizgu przebiegaj¹cej poni¿ej dolnej

background image

778

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

krawêdzi skarpy, wyraŸnie widoczna jest druga, potencjalna powierzchnia wskazuj¹ca na

mo¿liwoœæ poœlizgu nasypu po powierzchni materaca. Mo¿na wiêc przypuszczaæ, ¿e przy

mniejszej wartoœci tarcia na kontakcie grunt–geosyntetyk (do obliczeñ przyjêto bardzo wyso-

kie wartoœci wspó³czynnika tarcia) potencjalny poœlizg nasypu po materacu by³by dominuj¹-

cym sposobem utraty statecznoœci.

Z obliczeñ metodami równowagi granicznej uzyskano zbli¿one wartoœci wskaŸników

statecznoœci: dla metody Janbu 1,303 a dla metody Bishopa 1,455.

Obci¹¿enie korony nasypu o wartoœci 25 kPa (rys. 6) powoduje niewielkie zmniejsze-

nie wskaŸnika statecznoœci do wartoœci 1,33.

Rys. 6. Mapa przyrostów odkszta³ceñ postaciowych dla wariantu W3

z uwzglêdnieniem obci¹¿enia korony nasypu

Dla wariantu W3 przeprowadzono dodatkowe obliczenia, których celem by³o spraw-

dzenie, w jakim stopniu wzrost nachylenia pod³o¿a, wywo³any na przyk³ad eksploatacj¹ pod-

ziemn¹, wp³ywa na warunki statecznoœci (wariant W3a). W obliczeniach, które ilustruje rysu-

nek 7 za³o¿ono, ¿e nachylenie pod³o¿a zwiêkszy³o siê o 10 mm/m (1%), czyli o wartoœæ mak-

symaln¹ dla III kategorii terenów górniczych. Zwiêkszenie pierwotnego nachylenia pod³o¿a

o 10 mm/m spowodowa³o niewielkie zmniejszenie wskaŸnika statecznoœci do wartoœci 1,37

(spadek o 2,1%).

Podobne wyniki uzyskano przy zastosowaniu metod równowagi granicznej. Wg meto-

dy Bishopa zwiêkszenie nachylenia o 10 mm/m powoduje spadek wskaŸnika statecznoœci do

wartoœci 1,418 (spadek o 2,5%), a wg metody Janbu do wartoœci 1,271 (spadek o 2,45%).

Mo¿na wiêc stwierdziæ, ¿e dodatkowe nachylenia wywo³ane deformacjami na skutek

eksploatacji, nie wp³ywaj¹ w istotny sposób na warunki statecznoœci nasypu. Jest to potwier-

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

779

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

dzenie znanego powszechnie faktu, ¿e du¿e wartoœci nachyleñ wywo³anych eksploatacj¹ stwa-

rzaj¹ du¿e zagro¿enie dla statecznoœci obiektów wysokich o du¿ej smuk³oœci, a ma³e dla obiek-

tów o du¿ych wymiarach i niewielkiej smuk³oœci, do których zaliczaj¹ siê nasypy drogowe.

Rys. 7. Mapa przyrostów odkszta³ceñ postaciowych dla wariantu W3

z uwzglêdnieniem dodatkowego 1% nachylenia pod³o¿a (wariant W3a)

Dla modelu W3 przeprowadzono równie¿ obliczenia, których celem by³o sprawdzenie

skutecznoœci zastosowanego materaca wzmacniaj¹cego pod³o¿e.

Rozwa¿ono dwa dodatkowe warianty:

1) (wariant W3b), w którym za³o¿ono, ¿e materac nie zosta³ wykonany,

2) (wariant W3c), w którym za³o¿ono, ¿e do wykonania materaca wykorzystano geosiat-

ki o d³ugotrwa³ej wytrzyma³oœci na rozci¹ganie 200 kPa/m.

Z obliczeñ dla wariantu W3b (rys. 8), uzyskano nastêpuj¹ce wartoœci wskaŸników sta-

tecznoœci:

dla metody MRS

– 1,36 (zmniejszenie o 2,9%),

dla metody Bishopa – 1,384 (zmniejszenie o 4,9%),

dla metody Janbu

– 1,241 (zmniejszenie o 4,8%).

Rys. 8. Wyniki obliczeñ wskaŸnika statecznoœci metod¹ Janbu dla wariantu W3b bez materaca

background image

780

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

Mo¿na wiêc stwierdziæ, ¿e zastosowanie materaca z geosiatek o niewielkiej wytrzy-

ma³oœci nie zmienia w istotny sposób warunków statecznoœci nasypu.

Rys. 9. Mapa przyrostów odkszta³ceñ postaciowych dla wariantu W3c

(zbrojenie o d³ugoterminowej wytrzyma³oœci na rozci¹ganie 200 kN/m)

Wyniki obliczeñ dla wariantu W3c ilustruje rysunek 9. Uzyskana z obliczeñ MRS

wartoœæ wskaŸnika statecznoœci wynosi 1,46 i jest o 4,3% wiêksza od uzyskanej dla wariantu

W3. Mo¿na wiêc stwierdziæ, ¿e nawet zastosowanie bardzo wytrzyma³ych geosiatek do zbro-

jenia materaca pod nasypem, nie powoduje znacz¹cego wzrostu wskaŸnika statecznoœci. Od-

mienny jest natomiast przebieg powierzchni poœlizgu. W przypadku zastosowania geosiatek

o niewielkiej wytrzyma³oœci powierzchnia ta przechodzi poni¿ej dolnej krawêdzi skarpy, na-

tomiast przy zastosowaniu mocnych geosiatek powierzchnia ta jest styczna do materaca. Na

rysunku 9 przedstawiono równie¿ si³y rozci¹gaj¹ce w elementach modeluj¹cych zbrojenie.

Maksymalne wartoœci tych si³ dla górnego materaca wynosz¹ 109 kN/m. Jest to wartoœæ po-

nad piêciokrotnie wiêksza od doraŸnej wytrzyma³oœci geosiatek zastosowanych do zbrojenia

nasypu uszkodzonego odcinka autostrady A-4, oraz ponad piêtnastokrotnie wiêksza od ich

wytrzyma³oœci d³ugoterminowej.

Reasumuj¹c mo¿na wiêc stwierdziæ, ¿e nawet przy zastosowaniu bardzo wytrzyma-

³ych geosiatek nie jest mo¿liwe osi¹gniêcie, w istniej¹cych warunkach, wskaŸnika stateczno-

œci 1,5. Zastosowanie mocnych geosiatek prowadzi bowiem do zmiany mechanizmu znisz-

czenia, a ewentualna utrata statecznoœci polega wówczas na poœlizgu nasypu po powierzchni

mocnego materaca. Z przeprowadzonych analiz wynika, ¿e zapewnienie statecznoœci wyma-

ga zmiany koncepcji stosowanych zabezpieczeñ. Oprócz wzmocnienia pod³o¿a konieczne

jest równie¿ wzmocnienie korpusu i korony nasypu.

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

781

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

Wariant W4
W wariancie tym przyjêto wartoœci parametrów wytrzyma³oœciowych gruntów nasypu

i pod³o¿a, jak w pracach [10, 11]. Uzyskane dla tego zestawu danych wartoœci wskaŸników

statecznoœci wynosz¹ od 2,13 z obliczeñ MRS do 2,346 z obliczeñ metod¹ Bishopa. Nale¿y

jednak podkreœliæ, ¿e wyniki te uzyskano przy przyjêciu bardzo wysokich wartoœci parame-

trów wytrzyma³oœciowych gruntów pod³o¿a i nasypu. Zw³aszcza wartoœæ kohezji nasypu

(67 kPa) wydaje siê znacznie zawy¿ona, bior¹c pod uwagê fakt, ¿e materia³ z którego zbudo-

wano nasyp sk³ada siê g³ównie z gruntów sypkich. Jak wspomniano we wstêpie tak wysoka

wartoœæ spójnoœci jest prawdopodobnie wynikiem zastosowanej metodyki okreœlania parame-

trów wytrzyma³oœciowych, a nie cech¹ materia³u.

4.Wnioski

Wyniki obliczeñ zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki obliczeñ wskaŸników statecznoœci

Analiza wyników zamieszczonych w tabeli 2 upowa¿nia do wyci¹gniêcia nastêpuj¹-

cych wniosków:

1. Uzyskane z obliczeñ wartoœci wskaŸników statecznoœci dla wszystkich wariantów, z wy-

j¹tkiem wariantu W4, nie spe³niaj¹ wymagañ odnoœnie nasypów drogowych i przyjmuj¹

wartoœci mniejsze b¹dŸ znacznie mniejsze od 1,5. Nale¿y równie¿ podkreœliæ, ¿e w prze-

prowadzonych analizach nie uwzglêdniano deformacji pod³o¿a na skutek eksploatacji.

Œwiadczy to o nieprawid³owym zaprojektowaniu nasypu w istniej¹cych warunkach i mo¿-

liwoœci utraty statecznoœci nawet bez wp³ywów dzia³alnoœci górniczej.

2. Analiza uzyskanych wyników wskazuje na niewielki wp³yw zwiêkszenia nachylenia pod³o-

¿a, wywo³anego eksploatacj¹ górnicz¹ na warunki statecznoœci. Jak wykaza³y obliczenia

MRS oraz metodami równowagi granicznej wzrost nachylenia o 1% w kierunku pó³noc-

nym powoduje zmniejszenie wskaŸnika statecznoœci o zaledwie ok. 2,5%.

3. Wzmocnienie pod³o¿a nasypu uszkodzonego odcinka autostrady A-4 polegaj¹ce na zasto-

sowaniu materaca z geosiatek i kruszywa, nie ma praktycznie wp³ywu na warunki statecz-

noœci. Niezale¿nie od rodzaju zastosowanych geosiatek uzyskane z obliczeñ wartoœci wskaŸ-

ników s¹ zbli¿one. Wytrzyma³oœæ zastosowanych geosiatek wp³ywa natomiast istotnie na

charakter potencjalnej powierzchni poœlizgu. Przy s³abych geosiatkach powierzchnia ta

przebiega poni¿ej dolnej krawêdzi skarpy, natomiast przy mocnych mo¿liwy jest poœlizg

nasypu po powierzchni materaca.

MRS

Bishop

Janbu

Wariant

oblicze

ñ

bez obci

¹¿enia

z obci

¹¿eniem 25 kPa

bez obci

¹¿enia

bez obci

¹¿enia

W1

1,13

1,06

1,165

1,062

W2

1,31

1,24

1,355

1,224

W3

1,40

1,33

1,455

1,303

W3a

1,37

1,418

1,271

W3b

1,36

1,384

1,241

W4

2,27

2,13

2,346

2,230

background image

782

Geotechnika i Budownictwo Specjalne — ZSMGiG XXIX

Marek Ca³a, Jerzy Cieœlik, Jerzy Flisiak, Micha³ Kowalski

4. Z przeprowadzonych analiz wynika, ¿e zapewnienie statecznoœci wymaga zmiany kon-

cepcji stosowanych dotychczas zabezpieczeñ nasypów poddanych wp³ywom dzia³alnoœci

górniczej. Wydaje siê, ¿e znaczn¹ poprawê warunków statecznoœci mo¿na uzyskaæ po-

przez wzmocnienie oprócz pod³o¿a równie¿ korpusu i korony nasypu.

Literatura

[1] BS 8006:1995: Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills

[2] Ca³a M., Cieœlik J., Flisiak J., Kowalski M.: Przyczyny awarii nasypu autostrady A4 pomiêdzy

wêz³ami „Wirek” i „Batorego” w œwietle obliczeñ numerycznych. Materia³y XXIX Zimowej Szko³y

Mechaniki Górotworu i Geoin¿ynierii

[3] Ca³a M., Flisiak J.: Analiza statecznoœci skarp i zboczy w œwietle obliczeñ analitycznych i nume-

rycznych. XXIII ZSMG 2000, Wydawnictwo KGBiG Kraków, ss. 27-37

[4] Ca³a M., Flisiak J.: Slope stability analysis with FLAC and limit equilibrium methods. FLAC and

Numerical Modeling in Geomechanics (edited by Bilaux, Rachez, Detournay & Hart). A.A. Bal-

kema Publishers 2000, pp. 111-114

[5] Ca³a M., Flisiak J.: Slope stability analysis with numerical and limit equilibrium methods. [In:]

Burczynski, Fedelinski & Majchrzak (eds.): Computer Methods in Mechanics 2003

[6] Dawson E.M., Roth W.H.: Slope stability analysis with FLAC. FLAC and numerical modeling in

geomechanics (Detournay & Hart), A.A. Balkema 1999, Rotterdam, pp. 3-9

[7] Ericson H., Drescher A.: The use of geosynthetics to reinforce low volume roads. Technical report

no. MN/RC – 2001-15, 2001 (opracowanie niepublik.)

[8] Glazer Z.: Mechanika gruntów. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1985

[9] Gryczmañski M.: Wp³yw eksploatacji górniczej na nasypy i ich zabezpieczenie. Konferencja Na-

ukowo-Techniczna: Autostrady na Terenach Górniczych, Katowice 1998

[10] Gryczmañski M., Sternik K.: Analiza przyczyn awarii nasypu autostrady A-4 na odcinku od 330+800

do 331+100 oraz uzasadnienie i koncepcja wzmocnienia budowli. Opracowanie wykonane przez

DiPG „Geokonsulting” na zlecenie PRIN¯ Holding S.A. w Katowicach. Gliwice paŸdziernik-

listopad 2004 r. (praca niepublik.)

[11] Gryczmañski M., Sternik K.: Awaria wysokiego nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek”

– „Batorego”. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2005, Szczecin–Miê-

dzyzdroje 2005

[12] Instrukcja badañ pod³o¿a gruntowego budowli drogowych i mostowych. GDDP, W-wa 1998

[13] Kliszewicz B.: Analiza zagro¿eñ kanalizacji deszczowej na odcinku autostrady A-4 miêdzy wêz³a-

mi „Wirek” – „Batorego”. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2005, Szcze-

cin–Miêdzyzdroje 2005

[14] Lane P.A., Griffiths D.V.: Finite element slope stability analysis – Why are engineers still drawing

circles? Numerical Models in Geomechanics (Pietruszczak & Pande), A.A. Balkema 1997, Rotter-

dam, pp. 589-593

[15] Okreœlenie wytrzyma³oœci na œcinanie przekruszonego materia³u skalnego w aspekcie wykorzy-

stania go do budowy nasypu autostradowego. Katedra Mechaniki gruntów i budownictwa ziemne-

go, Akademia Rolnicza w Krakowie, czerwiec–lipiec, 2003 (praca niepublik.)

[16] Pisarczyk S.: Grunty nasypowe. OW Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004

[17] Porozumienie GDDKiA Oddzia³ Katowice oraz Kompanii Wêglowej S.A. w Katowicach z dn.

10.12.2003 r.

[18] Pullout Tests of Geogrids http://www.tenaxus.com/roads/designinformation/GRID-te5.pdf.

[19] Rozporz¹dzenie Ministra Transportu I Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie

warunków technicznych, jakim powinny odpowiadaæ drogi publiczne i ich usytuowanie. (Dz.U.

Nr 43, poz. 430)

background image

Wp³yw budowli podziemnych na obiekty powierzchniowe

783

Analiza warunków statecznoœci nasypu autostrady A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”

[20] Rozporz¹dzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie

warunków technicznych, jakim powinny odpowiadaæ drogowe obiekty in¿ynierskie i ich usytu-

owanie. (Dz.U. Nr 63, poz. 735)

[21] Strycharz B., Chlipalski K., Grygierek M.: Obliczenie deformacji powierzchni w rejonie autostra-

dy A-4 miêdzy wêz³ami „Wirek” – „Batorego”. XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie

Budowlane 2005, Szczecin–Miêdzyzdroje 2005

[22] Strycharz B.: Problemy projektowania i utrzymania autostrad na terenach górniczych. Konferen-

cja Naukowo-Techniczna: Autostrady na Terenach Górniczych, Katowice 1998

[23] Tenax Technical Papers, Reports and Design Manuals http://www.tenaxus.com/roads/index.html

[24] Wytyczne wzmacniania pod³o¿a gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM, W-wa 2002

[25] Zamierzenie budowlane: Budowa Autostrady A-4 Gliwice-Katowice. Odcinek Wêze³ Wirek – Wêze³

Batorego, km 325+232.80-332+470.00. Projekt budowlany. Transprojekt. Krakowskie Biuro Pro-

jektów Dróg i Mostów, Kraków 2000

[26] Zych K.: Wstêpna analiza wyników pomiarów geodezyjnych w rejonie odcinka autostrady A-4

w km 330.700–331.200. Materia³y XXIX Zimowej Szko³y Mechaniki Górotworu i Geoin¿ynierii

Stability analysis of A-4 highway embankment between hubs Wirek and Batory
This paper shows theresults numerical analysis of embankment stability. The A-4 highway em-

bankment between hubs Wirek and Batory was considered. The stability analysis was performed

for four diffeerent cases. Several mechanical properties of embankment soil and subsoil was con-

sidered. Change of reinforcement capacity was also taken under consideration. The calculations

results allowed to estimate the reasons of embankment failure.

background image

784


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Analiza warunków klimatycznych dla wybranych miejscowości w Polsce, LEŚNICTWO SGGW, MATERIAŁY LEŚNIC
Przykład analiza warunków wodno gruntowych
Geochemiczna analiza warunków siedliskowych łęgu
Analiza warunków technicznych elementów nawierzchni kolejowej oraz graficzna prezentacja
Czynniki religijne w warunkach kształtowania się nowego ładu międzynarodowego, Stosunki Międzynarodo
4 Analiza warunków wynoszenia zwiercin
Sieć A1 między węzłami tworzą się dwa się rodzaje przestrzen, Sie˙ A1 mi˙dzy w˙z˙ami tworz˙ si˙ dwa
Analiza warunków klimatycznych dla wybranych miejscowości w Polsce, LEŚNICTWO SGGW, MATERIAŁY LEŚNIC
Warunki rozwoju prasy w XX leciu międzywojennym
Budowa stacji paliw płynnych przy autostradzie A4
rozporządzenie rm w sprawie szczegółowych warunków zawierania i wykonywania umów sprzedaży między pr
Ćwiczenia rozdział 20 Pobieranie i analiza warunkowa danych
Rozdział 20 Analiza warunkowa koniec
Rozdział 20 Analiza warunkowa
02 Wplyw lokalizacji przystanku autobusowego na dlugosc wzmocnienia konstrukcji nawierzchni na podst
Analiza stateczności wewnętrznej powłoki walcowego pionowego zbiornika dwupłaszczowego w warunkac(1)
Rachunkowość Warunki pozyskiwania kredytu, Technik administacji, Rachunkowość i analiza ekonomiczna
2 Różnice między odruchem warunkowym i bezwarunkowym
Między nieuchronnością a możliwością wychowanie w warunkach zmiany Rozdział 9 Rodzice w profilakt

więcej podobnych podstron