Badania właściwości materiałów wykorzystywanych

Polsterung (okładzina podatna) ma za zadanie przejąć część negatywnych skutków ruchów górotworu wywołanych podziemną eksploatacją górniczą, zwłaszcza poziomych ruchów ściskających. W zależności od właściwości materiału wykorzystanego przy za-kładaniu okładziny podatnej zmienia się stopień zabezpieczenia ściany fundamentu lub

52 | S t r o n a

też ściany podpiwniczenia. Do materiałów często wykorzystywanych w przemyśle bu-dowlanym jako okładzina podatna można zaliczyć, m.in. piankę poliuretanową i polisty-ren. W celu zbadania zachowania się tych materiałów przeprowadzono szczegółowe badania laboratoryjne ich właściwości (Lippert, Schmidt-Schleicher 1991). Na rysunku 8.16 przedstawiono zależność ściśliwości S(t)/S0 materiałów, takich jak: pianka poliure-tanowa (ang. Ethafoam) oraz polistyren (niem. Styropor) od czasu obciążenia t. Zauwa-żyć można, że wraz ze wzrostem czasu obciążenia, wzrasta ściśliwość materiału, która przedstawiona jest jako zależność pomiędzy grubością pod działaniem obciążenia S(t) a grubością pierwotną S0.

Największy wzrost ściśliwości następuje do czasu obciążenia 1000 godzin, następnie krzywa ściśliwości ma przebieg zbliżony do granicy ściśliwości tego materiału przy za-danym stałym obciążeniu σ1.

Rys. 8.16 Zależność ściśliwości materiałów wykorzystywanych jako okładziny do redukcji deformacji terenu od czasu obciążenia

Źródło: Lippert, Schmidt-Schleicher 1991

Rysunek 8.16 wskazuje również na problem stosowania tych materiałów w ochronie obiektów budowlanych, bowiem materiały te po zdjęciu obciążenia nie powracają do swojej dawnej postaci, tzn. nie są idealnie sprężyste.

W dalszych badaniach przeprowadzono analizy wpływu zmian zadanego ciśnienia ściskającego pc na wartość ściśliwości (kompakcji) materiałów, takich jak: pianka poliu-retanowa (dla różnych jej typów 900, 700, 440 i 220)b, oraz polistyren, w zależności od jego gęstości objętościowej (ρ=11kg/m3, ρ =15kg/m3, ρ =20kg/m3).

53 | S t r o n a

Jak przedstawiono na rys. 8.17 ściśliwość badanych materiałów zmienia się nielinio-wo wraz ze wzrostem wartości ciśnienia pc. Dla pianki poliuretanowej ściśliwość zwięk-sza się odwrotnie proporcjonalnie do jej typu. Przykładowo pianka typu 900 podczas obciążenia ją ciśnieniem ściskającym 0,15MPa ulega kompakcji zaledwie wynoszącej ok. 9%, podczas gdy dla typu 220 kompakcja ta wynosi ok. 94%. Dla polistyrenu, wśród któ-rych, przebadano materiały o gęstościach 20 kg/m3 , 15 kg/m3 oraz 11 kg/m3 , zjawisko to jest słabsze, tzn. zmiany wynikające ze wzrostu wartości ciśnienia pc są mniejsze.

Badania wykazały, że podczas projektowania zabezpieczeń geotechnicznych w posta-ci okładziny podatnej należy dobrać materiał o właśposta-ciwośposta-ciach, które w sposób najsku-teczniejszy ograniczą przenoszenie odkształceń gruntu na ściany obiektu budowlanego.

Rys. 8.17 Ściśliwość materiałów w zależności od ciśnienia ściskającego dla różnych ich gęstości

Źródło: Lippert, Schmidt-Schleicher 1991

W celu potwierdzenia założenia o wpływie jakości okładziny podatnej założonej na ścianach podpiwniczenia obiektów budowlanych na stan naprężenia i odkształcenia gruntu w jego rejonie, przeprowadzono obliczenia (Lippert, Schmidt-Schleicher 1991) dla przykładowego budynku o długość dl=10mc, w którym wykonano zabezpieczenia w postaci okładziny podatnej na całej głębokości posadowienia obiektu hf=hp=6m. Przy-jęto że obiekt posadowiony jest w średnio zagęszczonych piaskach.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń zaprezentowano na rysunku 8.18, gdzie przed-stawiono zależność pomiędzy zmianą wartości poziomego odkształcenia ściskającego ε w zależności od wartości współczynnika parcia gruntu Kp wywieranego na ścianę pod-piwniczenia, przyjmując różne wartości modułu sztywności okładziny Es. Współczynnik parcia gruntu Kp jest wyrażony stosunkiem wartości naprężenia pionowego w gruncie

c Na rysunkach i w tekście odkształcenie poziome ε oraz wartość ciśnienia parcia Kp posiadają indeks

54 | S t r o n a

do wartości naprężenia poziomego. Jak przedstawia rysunek 8.18 największe wartości współczynnika parcia gruntu otrzymano dla materiału o nieskończenie wielkiej sztyw-ności, czyli w uproszczeniu dla sytuacji, gdzie zabezpieczenia w postaci okładziny po-datnej nie zostały wykonane. Następnie wraz ze spadkiem wartości Es maleje wartość Kp dla tych samych wartości odkształceń podłoża.

Rys. 8.18 Wpływ zmian sztywności okładziny założonej na ścianie podpiwniczenia na wartość współczynnika rozporu bocznego

Źródło: Lippert, Schmidt-Schleicher 1991

W celu potwierdzenia skuteczności działania okładziny podatnej zostały przeprowa-dzone obliczenia numeryczne. Lippert i Schmidt-Schleicher (1991) zamodelowali zjawi-sko naporu gruntu na ścianę podpiwniczenia budynku chronionego okładziną podatną (rys. 8.19).

Z uwagi na symetrię rozwiązania zamodelowano połowę podpiwniczenia budynku o długości dl/2=5m, a jej głębokość wynosiła hf=6m, oraz założono, że wartość odkształ-cenia ściskającego w gruncie wynosi 10mm/m. Wybrane wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 8.19. Autorzy badań nie podali w jaki sposób zostały zamodelowane warun-ki brzegowe i jak przyłożono odkształcenia.

W podpunkcie (a) przedstawiono deformację modelowanej siatki numerycznej mo-delu symulującej warstwy gruntowe. Jak widać na rysunku po przyłożeniu odpowiedniej siły parcia siatka deformuje się i następuje jej przemieszczenie w kierunku ścian pod-piwniczenia zabezpieczonego okładziną podatną. Podpunkt (b) przedstawia mapę zmian odkształceń poziomych w gruncie i na jego powierzchni. Zauważyć można że war-tości obliczonych odkształceń zawierają się w przedziale odkształceń ściskających, co jest bardzo niekorzystne dla bezpieczeństwa obiektu budowlanego. Dodatkowo poniżej map odkształceń poziomych zamieszczono wykresy zmian wartości odkształceń dla

55 | S t r o n a

dwóch poziomów badanych: dla poziomu powierzchni terenu oraz dla poziomu posa-dowienia podpiwniczenia. Podpunkt (c) przedstawia mapę zmian naprężeń poziomych.

Rys. 8.19 Wyniki modelowania numerycznego okładziny podatnej (polsterungu) redukującej wskaźniki de-formacji górotworu: a) przemieszczenia poziome u, b) odkształcenia poziome εx, c) poziome naprężenia σx

Źródło: Lippert, Schmidt-Schleicher 1991

8.3.3.2 Wpływ własności gruntu na zmiany wartości współczynnika parcia