W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
ZAGROŻENIA I BŁĘDY W GEOTECHNICE.
KRZYWA WIEŻA W PIZIE – MINI-STUDIUM PRZYPADKU
1. Modele obliczeniowe to nie wszystko
Materiał z poprzednich wykładów mocno eksponował obliczeniowe aspekty w geoinżynierii, ponieważ liczby są niezbędnym narzędziem do projektowania konstrukcji i oceny jej bezpieczeństwa. Kończąc ten wykład, należy w szerszym kontekście przeanalizować zagadnienie zagrożeń, błędów i katastrof budowlanych z geotechnika w tle – z odniesieniem się również do czynników niemierzalnych.
Podobnie jak w motoryzacji – drogi w USA uchodzą za bezpieczne, samochody są zaprojektowane dobrze i generalnie też są bezpieczne, a jednak codziennie ginie na drogach 100 Amerykanów; żadne obliczenia projektowe nawet z dokładnością do czterech miejsc po przecinku nie są w stanie tej sytuacji poprawić.
Oczywiście wykład musi się kończyć najsłynniejszą chyba europejską konstrukcją – przynajmniej dla geotechników – krzywą wieżą w Pizie, ponieważ analiza tego przypadku, splotu wielu okoliczności, jest bardzo kształcąca.
2. Klasyfikacja zagrożeń geotechnicznych
Najlepszych informacji na temat zagrożeń – bynajmniej nie wirtualnych – dostarcza analiza awarii geotechnicznych, a mówiąc ogólniej – analiza błędów geotechnicznych. Bardzo przydatne w tym celu są np. powszechnie znane publikacje1,2 i wiele innych; chociaż te analizy nie obejmują najnowszych technologii fundamentowych, nowych trendów w posadawianiu i nowoczesnej metodyki badania podłoża, to jednak nie wpływa to znacząco na ogólną klasyfikację przyczyn zagrożeń i kształtowanie się proporcji między nimi. Aktualnym uzupełnieniem są oczywiście specjalistyczne konferencje poświęcone awariom budowlanym, wyodrębnione sesje geotechniczne, czy np. szczegółowe dyskusje panelowe na temat konkretnych spektakularnych katastrof geotechnicznych3.
Głównymi elementami w klasyfikacja zagrożeń geotechnicznych są:
1) chybiona wstępna koncepcja inwestora/architekta/projektanta, nie skorygowana (skonsultowana) przez doświadczonego geotechnika,
2) niewystarczające lub wadliwe rozpoznanie podłoża gruntowego, jego genezy i historii obciążania, 3) niewłaściwe modele obliczeniowe, niereprezentatywne sytuacje obliczeniowe,
4) nieprawidłowy doboru wartości parametrów modelu obliczeniowego,
5) wadliwa prognoza zjawisk geotechnicznych i nieprzewidziane zmiany warunków, 6) błędy ludzkie w projektowaniu i wykonawstwie,
7) brak niezależnej kontroli lub jej słaba jakość (w fazie projektowania i wykonawstwa), 8) błędne postępowanie w sytuacjach awaryjnych.
1 Rosiński, B. (1978). Błędy w rozwiązaniach geotechnicznych. Warszawa: Wyd. Geol.
2 Wysokiński, L. (2007). Błędy systematyczne w rozpoznaniu geotechnicznym i ich wpływ na projektowanie budowlane.
Mater. III Konf. Naukowo-Techniczna „Awarie budowlane”, Szczecin-Międzyzdroje, 527-540, Szczecin: ZUT.
3 Leonards, G.A., ed., (1987). Dam Failures. Proc.Inter.Workshop on Dam Failures, held at Purdue Univ., West Lafayette, Ind., U.S.A., August 6-8, 1985. Elsevier.
Wyzwania i realne możliwości w zakresie redukcji zagrożeń, to niekoniecznie użycie najnowszej apa- ratury badawczej, czy wyrafinowanych metod numerycznych. Oceniając problem z pewnego dystansu i w skali makro - poprawę niezawodności w geotechnice można najszybciej i najprościej osiągnąć poprzez podniesienie ogólnego poziomu świadomości oraz wiedzy geotechnicznej, dobry system norm i przede wszystkim eliminowanie możliwości popełniania „błędów grubych” (odpowiedni system nadzoru i monitoringu).
Kilka przykładów z zakresu wymienionych punktów 1)-8).
ad 1)
Jeśli budynek biurowy (3 kondygnacje podziemne i 5 kondygnacji naziemnych) w miejscowości A okazał się sukcesem budowlanym, to wcale nie wynika stąd, że podobny projekt konstrukcyjny będzie równie dobry w nieodległej miejscowości B, ale w „gorszych” warunkach gruntowo-wodnych;
na pewno warto wykazać się elastycznym podejściem i rozważyć koncepcję może np. 2 kondygnacji podziemnych i 6 kondygnacji naziemnych (o ile miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego nie stoi temu na przeszkodzie). Różnica głębokości wykopu rzędu 3m i ciśnienia wody rzędu 30kPa może okazać się bardzo znacząca, np. dla lekkich podziemnych parkingów (stateczność UPL).
Błędnej koncepcji nie da się już potem „uratować”, a w każdym razie nie są to zadania proste i tanie;
ryzykowne może okazać się również stosowanie nowych technologii geoinżynieryjnych bez wielo- aspektowego sprawdzenia tej technologii w skali naturalnej – w tym w odpowiednio długiej skali czasowej i w warunkach nieodbiegających od sytuacji projektowej.
W rozwiązaniach geoinżynieryjnych lepiej się sprawdza powolna ewolucja, niż rewolucja.
ad 2)
Na temat „oszczędności inwestorów” na badaniach podłoża, które pochłaniają tylko znikomą część kosztu całej inwestycji, powiedziano i napisano już niemal wszystko. Nie są częste sytuacje, by w fazie projektowania zlecano np. specjalistyczne badania w kierunku uzupełnienia/doprecyzowania rozpoznania podłoża wobec pojawiających się wątpliwości (nie należy mylić tej sytuacji z dodatko- wymi badaniami wykonywanymi przez duże firmy projektowo-wykonawcze przed złożeniem oferty w systemie „zaprojektuj i wybuduj”). O ile problem zostanie w ogóle dostrzeżony, to duże rozrzuty danych zapewne skończą się zwiększeniem projektowanego marginesu bezpieczeństwa i w sumie wzrostem kosztu inwestycji; o tych okolicznościach „oszczędny” inwestor może w ogóle się nie dowiedzieć, a dodatkowe badania mogłyby per saldo znacznie obniżyć koszty, np. poprzez wzmocnienie podłoża, czy lokalną wymianę gruntów zamiast kosztownego posadowienia pośredniego na palach.
W przypadku obiektów liniowych te zagrożenia są szczególnie poważne. Na załączonym przekroju na Rys.1 przedstawiono obraz rzeczywistej budowy geologicznej podłoża na małym odcinku w
Warszawie (budowa Trasy Łazienkowskiej, kartowanie powykonawcze)4. Gdyby wykonać model budowy geologicznej podłoża na podstawie czterech 15-metrowych odwiertów oznaczonych kolorem niebieskim i analogiczny model w oparciu o cztery 15-metrowe odwierty, ale przesunięte o ok.10m, (kolor zielony), to zapewne trudno byłoby zgadnąć, że dotyczą one tego samego rejonu.
4 W.Brząkała, Referat Generalny w Sesji nr 3, XVIII Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i Inżynierii Geotechnicznej, Warszawa, wrzesień 2018 (prezentacja na podstawie pracy Godlewski T., Niemyjska M., Ryzyko geotechniczne w projektowaniu i realizacji głębokich wykopów. Acta Sci. Pol.Architectura 17 (3) 2018, 27–36).
W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
Rys.1. Skomplikowana budowa geologiczna podłoża.
Za potencjalne zagrożenie dla jakości i przydatności rozpoznania podłoża należy też uznać brak stałego kontaktu pomiędzy geologiem-dokumentatorem, a inżynierem-konstruktorem, przede
wszystkim na wczesnych etapach przygotowania inwestycji, ale też później, przy realizacji wykopów i elementów posadowienia.
ad 3)
W ogólnej ocenie niezawodności projektowania trudno przecenić rolę dobrej, krótkiej i jasno zredago- wanej normy, która reguluje sprawy m.in. modeli obliczeniowych – w oparciu o dobrze sprawdzone w praktyce doświadczenia. Zredagowanie dobrego aktu prawnego (normatywnego) to wielka sztuka, a Eurokod EC7 obowiązujący w 2020r. nie w pełni jest tu dobrym przykładem, ponieważ niepotrzebnie aspiruje do miana podręcznika lub encyklopedii. Nie chodzi tylko o zakres meritum, ale w równym stopniu o formę i zakres percepcji, unikanie niejednoznaczności oraz luk, nieporozumień
interpretacyjnych, kolizji oznaczeń itp. W pracach nad aktem normatywnym często potrzebna jest współpraca z (pod)zespołem złożonym z „niespecjalistów”, ponieważ specjaliści nie dostrzegają
„pułapek”, które pozostawiają w tworzonych przepisach prawnych5.
ad 4)
Dobór wartości parametrów użytych w modelu obliczeniowym rzutuje bezpośrednio na jakość projek- towania, chociaż popularne powiedzenie „Garbage In – Garbage Out” jest chyba za mocnym określe- niem; najsłynniejsze osuwisko warszawskie sprzed 20 lat – złamanie się ściany szczelinowej przy ul.Puławskiej/ul.Chocimskiej jest tu dobrym przykładem, jak bardzo mogą się różnić parametry wytrzymałościowe przyjmowane przez różne zespoły ekspertów. Do parametrów modelu
obliczeniowego zaliczyć należy również współczynniki bezpieczeństwa, ale w tym ostatnim przypadku trudno doszukać się przykładów, żeby ich za małe wartości były przyczyną awarii, tzn. więcej jest trudności z ustaleniem wiarygodnych wartości charakterystycznych niż obliczeniowych.
Można odnieść wrażenie, że podłoże budowlane „toleruje” pojedyncze lokalne błędy geotechniczne, których można byłoby się doszukać niemal w każdym procesie budowlanym – „nie toleruje” natomiast nakładających się wielu błędów o podobnej naturze i zlokalizowanych w tym samym miejscu,
a przede wszystkim „błędów grubych”, których trzeba się najbardziej wystrzegać.
ad 5)
Nieprzewidziane zmiany warunków należy odróżnić od zmian nieprzewidywalnych; tych drugich gene- ralnie nie da się prognozować, jak np. awarii budynku A w wyniku nieprawidłowo prowadzonych robót i katastrofy na sąsiedniej działce B (choć odpowiedni nadzór i monitoring może być bardzo pomocny).
5 Ratajczak, Z. (1988). Niezawodność człowieka w pracy. Studium psychologiczne. Warszawa: PWN.
Przewidywanie zmian sytuacji gruntowo-wodnej nie zawsze wymaga dużej wiedzy specjalistycznej – wiadomo, czym się może skończyć bardzo intensywne pompowanie wody ze studni/wykopu, wody która jest mętna i wynosi drobne frakcje pylaste, jakie zjawiska reologiczne wystąpią w kotwach trwałych, jaki może być wpływ warstwy torfów na nośność pali itp.; szczególną rolę odgrywa prognoza przyrostu obciążeń, w tym prędkości wzrostu obciążeń w stosunku do zdolności filtracyjnych podłoża.
Do tej grupy zagrożeń nieprzewidywalnych nie można zaliczać zjawisk dobrze rozpoznanych, jak np.
tereny osuwiskowe we fliszu karpackim, który posiada charakterystyczną strukturę warstewkową (ponad 3000 potencjalnych osuwisk w strefie zamieszkałej na podkarpaciu, do 30÷40% powierzchni niektórych gmin). Zagrożeniem jest ignorowanie tej sytuacji: brak aktywnych zabezpieczeń, drenażu, nieuregulowany spływ wód – szczególnie z opadów nawalnych, dopuszczanie do stepowienia, wylesianie, biodegradacja pokrycia terenu. Te czynniki mają zwykle większe znaczenie niż np.
używanie metod obliczeniowych uchodzących za przestarzałe.
ad 6)
Błędy ludzkie są dominującym powodem katastrof i awarii, w szczególności w budownictwie – różne źródła podają od kilkunastu procent do ponad 65% ich udziału. Te ogromne rozbieżności wynikają z niejasnych, fragmentarycznych, a czasem może zafałszowanych dokumentacji powypadkowych oraz braku precyzji sformułowania „błąd ludzki” – jest nim zapewne pomylenie wytrzymałości „szczytowej”
i rezydualnej gruntu, brak koniecznego drenażu podłoża, czy np. niewłaściwa kalibracja inklinometru (odczyt zerowy), ale już niekoniecznie wyinterpretowanie przebiegu granicy między warstwami grun- tów. Lepszych danych na temat błędnych reakcji człowieka dostarcza analiza przyczyn wypadków lotniczych, zazwyczaj bardzo skrupulatnie badanych w interesie różnych zainteresowanych stron;
szacunki wskazują na co najmniej 75% udziału błędów ludzkich, a w grupie wypadków samochodo- wych jest to jeszcze większy odsetek.
Oczywiście, błędy wykonawcze mogą zawsze zniweczyć wysiłki związane z wiarygodnym rozpoznaniem podłoża i zaprojektowaniem niezawodnego posadowienia.
ad 7)
Zrozumiałe jest, że projekt budowlany musi być sprawdzony przez uprawnioną osobę, ale w przypad- ku bardziej specjalistycznego projektu wykonawczego takiego obowiązku prawnego już nie ma. Trud- no to wytłumaczyć. Bardzo ważna jest funkcja inspektora nadzoru w procesie budowlanym, w tym nadzoru geotechnicznego, a zajmują się tym w sposób profesjonalny wyspecjalizowane firmy;
nierzadko inwestorzy zlecają niezależnym specjalistom opracowanie koreferatu projektu, jego posz- czególnych rozwiązań lub koncepcji – i to również na bardzo wczesnych etapach inwestycji. Niepokoi, że najrzadziej postępują tak władze publiczne, dla których korzystanie z doradztwa instytutów
naukowo-badawczych i z potencjału wydziałów budownictwa (lub pokrewnych) w regionie powinno być standardem. Generalnie jednak, należy odnotować w tym zakresie duży postęp po transformacji ustrojowej w Polsce, a monitoring terenu budowy i jego otoczenia (również powykonawczy) zdobywa należną rangę i znacznie redukuje zagrożenia.
ad 8)
W przypadku awarii geotechnicznych konieczne jest wnikliwe, a przy tym szybkie, rozważenie skut- ków podejmowanych działań ratowniczych (podobnie jak przy udzielaniu pierwszej pomocy
medycznej), ponieważ łatwo jest o pogorszenie stanu awaryjnego; niektóre próby stabilizacji krzywej wieży w Pizie są tego dobrym przykładem.
W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
3. Podsumowanie zagrożeń geotechnicznych
1. Na bezpieczeństwo w geotechnice ma wpływ wiele różnorodnych czynników, począwszy od wstępnej fazy projektowej i rozpoznania budowy geologicznej podłoża, po zmiany warunków gruntowo-wodnych na skutek zrealizowania inwestycji i monitoring powykonawczy.
2. Katastrofy budowlane - groźne w skutkach przekroczenie stanów granicznych nośności z przyczy- nami geotechnicznymi w tle - nie są częste, w przeciwieństwie do naruszenia stanów granicznych użytkowalności o kłopotliwych następstwach. Rzadko zdarza się, aby awaria budowlana miała tylko jedną przyczynę; groźne jest nakładanie się wielu przyczyn, czyli seria zaniedbań, naruszeń procedur i zwykłych błędów ludzkich. Wśród najgroźniejszych błędów dominują błędy elementarne, na pozio- mie wiedzy podręcznikowej – związane najczęściej z wodą gruntową i brakiem monitoringu.
3. Eurokod EC7, z jego „podręcznikowym stylem” formułowania zasad i głównie informacyjnym charakterem (stan na początek roku 2020), nie jest w stanie zastąpić fachowej analizy sytuacji przez doświadczonego geotechnika. Trzeba jednak przyznać, że nawet już samo wypunktowanie proble- mów jako „checklisty” spełnia rolę prewencyjną, choć ma poważnego antagonistę w postaci rutyny.
4. Krzywa wieża w Pizie – mini-studium przypadku6
Krótka charakterystyka budowli
Rys.2. Katedra i dzwonnica w Pizie7
Nawiasem mówiąc, to właśnie katedra jest perłą romańszczyzny w północnych Włoszech oraz miejs- cem kultu religijnego, a nie późniejszy dodatek do niej – czyli dzwonnica. Dla Włochów z północy kraju ranga katedry (wraz z najcenniejszym sąsiadującym z nią baptysterium) jest szczególna, nie wszyscy zagraniczni turyści mają tego świadomość, bo katedra nie miała tyle szczęścia żeby się … przechylić.
6 Opracowano głównie na podstawie:
Constanzo D., Jamiołkowski M., Lancellotta R., Pepe M.C., Leaning tower of Pisa. Description of the behavior.
ASCE Specialty Conference on Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments.
College Station, Texas, June 17th, 1994.
Skrócona polska wersja:
Jamiołkowski M., Lancellotta R., Pepe M.C., Krzywa Wieża w Pizie. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 1/1994.
7https://toskania.org.pl/krzywa-wieza-w-pizie/
Jest to budowla uznawana za sztandarowy przykład porażki geotechnicznej – raczej niesłusznie, bo niewiele konstrukcji sprzed 850 lat przetrwało w ta- kim stanie do dnia dzisiejszego, a wieża w Pizie – co by nie powiedzieć – przetrwała i nie jest zagro- żona; co więcej, w swojej historii dobrze przetrwała cztery poważne trzęsienia ziemi.
Oczywiście działania naprawcze i konserwacyjne w odniesieniu do budowli zabytkowych to całkiem inna sprawa.
Wieża jest 8-kondygnacyjną dzwonnicą, wybudowa- ną kilkadziesiąt lat po katedrze częściowo
widocznej na zdjęciu, a początki budowy samej katedry sięgają 1063/64 roku.
Te trzy wybitne zabytki i przyległy trochę młodszy cmentarz tworzą Plac Cudów (Piazza dei Miracoli)8, znajdujący się obecnie na płaskim terenie kilka kilometrów od morza.
To ważna informacja z wywiadu środowiskowego - w połączeniu z dużymi wahaniami poziomu morza w ostatnich kilkunastu tysiącleciach oraz dużymi zmianami linii brzegowej, w tym rejonie można spodziewać się w podłożu luźnych niejednorodnych gruntów drobnoziarnistych o zawartości części organicznych (namuły, osady wapienne CaCO3) oraz wahań ciśnienia porowego.
Podstawowe pytanie brzmi:
czy obecnie, w dobie bliskich już lotów załogowych na Marsa, wieżę da się wyprostować?
Odpowiedź jest krótka: nie da się tego zrobić, ponieważ … nikt się na to nie zgodzi!
1) Przede wszystkim lokalna społeczność, gdyż mało kto z zagranicy przyjedzie oglądać
„wyprostowaną wieżę w Pizie” (bilet wejściowy rzędu 20 euro, kilka mln turystów rocznie).
2) Od strony technicznej jest to też zupełnie niemożliwe, ponieważ wieża oprócz przechylenia jest wygięta i ma kształt banana (Rys.3).
Wieża była budowana ponad 200 lat i już w czasie budowy uległa przechyleniu; zapewne rozważano możliwość jej rozbiórki, ale ostatecznie dokonano korekty jej kształtu w okolicach IV kondygnacji - strop oraz posadzkę wykonano poziomo w postaci klina (por. Rys.3, ma on zmienną grubość, co łatwo sprawdzić, widoczne są też gzymsy różnej grubości); kolejną kondygnację wznoszono pionowo, po czym następowało dalsze przechylanie się wieży i cykl się powtarzał.
Budowa wieży
Chociaż w minionych wiekach ten rejon Toskanii nie należał do spokojnych, to jednak zachowała się bardzo szczegółowa dokumentacji z okresu budowy:
1173-1178r. – pierwszy etap budowy, przerwa na IV kondygnacji (ok.50% obciążeń),
1272-1278r. – wznowienie budowy, kondygnacje IV-VII; przechylnie małe, ale już zauważalne, 1360-1370r. – ukończenie ostatniej VIII kondygnacji, zawieszenie dzwonu.
Dokumenty, pomiary przechylenia, krzywizny wieży oraz grubości stropów i gzymsów wskazują na to, że pod koniec budowy przechylenie wynosiło już ok. 1,5o, czyli 1:40. Długi na ponad 200 lat okres budowy nie wynikał jednak z powodów technicznych, lecz politycznych i zapewne finansowych, bo w XIIIw. Pisa już traciła na znaczeniu ponadregionalnym (podobno pierwotne plany z czasów prosperity mówiły o wieży 70-metrowej). Takie opóźnienie było niezamierzone, budowa w tamtych latach
niewątpliwie mogłaby być ukończona w ciągu kilku lub kilkunastu lat, ale w świetle dzisiejszej wiedzy jest niemal pewne, że wieża wybudowana sprawnie i bez przerw czasowych, uległaby szybko wywró- ceniu. Powodem są bardzo duże naprężenia pod fundamentem i przede wszystkim występowanie
8 https://albumromanski.pl/album/piza-campo-dei-miracoli-z-xixii-wieku
Rys.3.
Przechylenie i wygięcie krzywej wieży w Pizie.
W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
gruntów nawodnionych o małej zdolności filtracyjnej, czyli warunki bliskie niekorzystnemu stanowi undrained; rozłożenie budowy w długim czasie umożliwiło stopniową konsolidację podłoża i rozpro- szenie nadciśnienia porowego u w prawie Terzaghiego τ = (σ-u)⋅tgϕ’ + c’.
Takie rozłożenie w czasie obciążeń stosuje się dosyć często w obecnych czasach, ale zawsze ze środkami wspomagającymi konsolidację podłoża (drenaż pionowy).
Parametry geometryczne. Stan obecny budowli.
• Wysokość wieży: 58,36m (z tego prawie 4m poniżej p.t., również w wyniku dużych osiadań),
• Ciężar własny: 144,53MN (ponad 14.000 Ton, prawie 50% więcej od 324m wysokiej wieży Eiffla),
• Promień zewnętrzny fundamentu pierścieniowego: 9,79m,
• Promień wewnętrzny fundamentu pierścieniowego (otworu w płycie): 2,25m,
• Szerokość pierścienia fundamentu B = 9,79-2,25 = 7,54m,
• Poziom posadowienia: obecnie bardzo zmienny w związku z przechyleniem, orientacyjnie ok.4m poniżej p.t. (ok.1m poniżej średniego poziomu morza),
• Grubość muru w podstawie: 4,1m (spiralna klatka schodowa o szer.1m znajduje się w ścianach),
• Mimośród ciężaru własnego: e = 2,3m,
• Średnie obciążenie pod ławą pierścieniową: qśr = 500kPa.
Z powodu dużego mimośrodu, wartości obciążenia podłoża pod fundamentem są obecnie bardzo zróżnicowane, szacunkowo pod skrajnymi krawędziami od qmax = +950 kPa (!) do qmin = +50 kPa;
było to i nadal jest przyczyną nierównomiernego osiadania fundamentu wieży.
Pod koniec XXw. przechylnie wieży wynosiło już ok. 5,5o (ok.10%, wychylenie górą 5,7m), była to wartość maksymalna w historii budowli i - co najgorsze - stale rosnąca; wprawdzie oszacowano, że są jeszcze zapasy stateczności na przewrócenie się wieży, ale pojawiły się inne groźne symptomy, które pośrednio wynikały z przechylania się wieży – redystrybucja sił w ścianach wieży i w efekcie miejscowe odspajanie się marmurowej okładziny zewnętrznej ścian (dodatkowe siły w paśmie ścis- kanym, wyboczenie i rozłupywanie licowania, utrata przyczepności); doprowadziło to w 1989r. do decyzji o zamknięciu wieży dla turystów i ogrodzeniu terenu. Konstrukcję muru wzmocniono klamrami i sprężonymi kablami, co jest odrębnym zagadnieniem.
Podjęte na początku tego wieku działania stabilizujące pozwoliły na zmniejszenie przechylenia do obecnego ok. 5,0o, co uznano za wartość akceptowalną, zbliżoną do wartości przechylenia sprzed ponad 100 lat.
Budowa geologiczna podłoża
Chociaż rozpoznaniem geologiczno-inżynierskim zajmowały się już zapewne dziesiątki osób przez ponad 100 lat, to nie jest ono pełne. W celu ochrony wieży zakazane jest bowiem wykonywanie badań inwazyjnych (wiercenia, pobieranie próbek, a nawet sondowania CPTU) w odległości mniejszej niż 10m od fundamentów wieży. Nie są to obawy przesadne – w roku 1985 wykonano dużą liczbę wierceń rozpoznawczych w sąsiedztwie wieży i czułe inklinometry bardzo szybko odnotowały przyśpieszenie przechylania się wieży.
Cennym i bezpiecznym uzupełnieniem w tym zakresie są bezinwazyjne badania geofizyczne (skanowanie georadarem).
Z tego powodu stan techniczny kołowej płyty fundamentowej też nie jest dokładnie znany, ale badania podobnych fundamentów z końca XII wieku wskazują na bloki kamienne i gruz połączone zaprawą wapienną, miejscami już wyerodowaną. Jest oczywiste, że nie tyle sama budowa geologiczna podłoża, ale udokumentowane charakterystyki gruntów i wartości parametrów fizyko-mechanicznych są trochę inne w odległości 10÷30m od wieży niż dokładnie pod nią, ponieważ bezpośrednio pod fundamentem grunty były przez wieki poddane dużym obciążeniom (znaczny wzrost OCR).
W terminologii kategorii geotechnicznych występuje oczywiście trzecia kategoria geotechniczna – skomplikowane warunki gruntowe, że nie wspomnieć o unikatowym charakterze budowli.
Teren jest płaski, położony ok.3m powyżej średniego poziomu morza.
Poniżej poziomu posadowienia wydzielono trzy uogólnione warstwy (pakiety) zwane Seriami.
Seria A – to ok. 10m nawodnionych pyłów, częściowo piaszczystych oraz ilastych, przewarstwionych iłem, gliną oraz piaskiem równoziarnistym; ZWG w najwyższym poziomie piezometrycznym występuje ok.1,0÷1,5m p.p.t, czyli niemal cały fundament o wysokości 1,60÷2,97m jest stale
„podtopiony”,
Seria B – podściela Serię A, ma poziomy strop, tworzy ją ok.30m niejednorodnych miękkoplastycz- nych iłów zwanych Pisa Clay, przewarstwionych gliną, z soczewkami i laminacjami nawod- nionych piasków drobnych/pylastych (wody napięte), możliwe domieszki części organicznych;
pomimo podobieństwa, Seria B stwarza więcej zagrożeń geotechnicznych niż Seria A, na co wpływa wyraźnie podwyższony wskaźnik plastyczności tych gruntów, a szczególnie w górnej podwarstwie B1 o grubości ok.10m,
Seria C – podściela Serię B, tworzą ją nawodnione piaski pylaste do gł. ponad 70m p.p.t.;
ta głęboko zalegająca warstwa tylko pozornie nie ma wpływu na zachowanie się budowli – notuje się w niej duże sezonowe wahania ciśnienia porowego (rzędu ±1m, intensywne
podlewanie upraw w sezonie wegetacyjnym), a w latach 1970-1974 udokumentowano obniże- nie poziomu piezometrycznego o 4 metry, związane z działaniem głębokich studni w okolicy;
w następstwie nastąpiło wyraźnie przyśpieszenie rocznego przechylania się wieży;
po interwencji i ograniczeniu pompowania, ta prędkość roczna się zmniejszyła (po ok. 2
latach); obecnie zakaz głębokiego pompowania obowiązuje w 1000-metrowej strefie ochronnej wokół wieży.
Granice warstw nie wszędzie są dokładnie poziome, co może w pewnym stopniu sprzyjać nierówno- miernemu osiadaniu, średnie poziomy piezometryczne wód gruntowych w Serii A oraz B są w przybli- żeniu stałe. Na lokalnie większe niejednorodności w podłożu wskazują wahania wartości oporu stożka qc w badaniach CPTU (w odległości 20÷25m od wieży) – generalnie ok.1÷2MPa, ale lokalnie do 6÷7MPa blisko spągu Serii A. W sumie: podłoże należy uznać za poziomo niejednorodne.
W zakresie inżynierii sejsmicznej, brak gruntów mocnych w podłożu uważa się za element korzystny z powodu redukcji wpływów trzęsień ziemi; przy posadowieniu na litej skale, wieża nie przeniosłaby wzbudzonych sił poziomych i zawaliłaby się już kilka wieków temu. Z drugiej jednak strony, budowa podłoża wskazuje na prawdopodobieństwo wystąpienia dynamicznego upłynnienia gruntu (wzrostu ciśnienia porowego u) w niektórych przewarstwieniach z pyłu i piasku drobnego, ale ten aspekt nie jest podnoszony przez ekspertów.
Działania w celu zabezpieczenia stateczności wieży
Punktem wyjścia do działań naprawczych i zabezpieczających jest ustalenie przyczyn i mechanizmu przechylania się wieży. Bezsprzecznie podstawową przyczyną jest duże jednostkowe obciążenie wieży, a przy tym coraz bardziej nierównomierne, a także budowa geologiczna podłoża pod płytą fun- damentową. Można byłoby podejrzewać wystąpienie utraty nośności słabych gruntów z Serii B1, ale badania nie potwierdziły tej hipotezy – powodem przechylenia wieży są raczej nierównomierne osia- dania, czyli SGU, a nie SGN GEO na wypieranie gruntu spod przeciążonej krawędzi fundamentu.
Kryterium różnicowania jest tutaj stwierdzenie stref wypierania gruntu do góry obok fundamentu, typowy objaw utraty nośności. W tym przypadku zastosowano badania geofizyczne, które wykazały, że pierwotnie poziomy strop gruntów Serii B osiadł pod wieżą mocno w dół (ponad 2,5m), tworząc regularną nieckowata depresję, jak dla półprzestrzeni sprężystej, ale więcej przy krawędzi przeciążo- nej. Wypieranie gruntów do góry w stropie serii B oszacowano na tylko 0,4m, co może być też skut-
W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
kiem dużej wartości współczynnika Poissona. Za drugorzędną rolą SGN przemawiają również nienaj- gorsze wyprowadzone parametry wytrzymałościowe najsłabszej warstwy stropowej w Serii B, tj.
ϕ’=22o, c’=16kPa. Co więcej, warstwa ta występuje na głębokości ok.7m poniżej poziomu posadowie- nia, czyli znacząca jest stabilizująca rola ok.10m gruntów zalegających powyżej (por. q’ we wzorze GEO na wypieranie).
Występują również zjawiska o charakterze reologicznym (pełzanie, osiadania wtórne).
Już w XIXw. prawidłowo oceniono, że znaczącą przyczyną narastającego przechylania się wieży mogą być zmiany stosunków wodnych w podłożu, a konkretnie intensywne sczerpywanie wód głębi- nowych. Jest to zgodne z dzisiejszym stanem wiedzy, ponieważ odwadnianiu towarzyszy osiadanie, a w miejscach mocno obciążonych - szczególnie.
W połowie lat 30-tych XX wieku podjęto próbę iniekcyjnego uszczelnienia i wzmocnienia podłoża pod częścią bardziej osiadającą. Iniekcji dokonano w pyłach i w przewarstwieniach piaszczystych Serii A.
Koncepcja nie jest trafna, ponieważ standardowa iniekcja nisko-ciśnieniowa zaczynem cementowym jest mało skuteczna, a często wręcz niewykonalna, w gruntach o tak małych porach, porównywalnych z wymiarami cząstek cementu. Co więcej, podawanie zaczynu cementowego pod ciśnieniem w grun- tach uwarstwionych, w rejonie silnie obciążonej części fundamentu, może spowodować tzw. przebicie hydrauliczne. Oznacza to „ucieczkę” iniektu w grunty bardziej przepuszczalne, pod część fundamentu mniej obciążoną, napieranie od spodu na fundament, a zatem może … zwiększyć przechylenie.
Trudno oczekiwać, żeby te działania mogły być skuteczne – i rzeczywiście, po ich wykonaniu prze- chylenie wieży nagle się zwiększyło. Nagły przyrost przechylenia wieży zaobserwowano też w latach 1953-1955, zaraz po tym, jak wykonano 15 odwiertów badawczych bezpośrednio pod wieżą; to samo powtórzyło się, gdy dodatkowe odwierty wykonano w 1985r., choć tym razem w pewnej odległości od wieży.
Uśrednione linie trendu wskazują, że wieża przechylała się z prędkością:
w latach 1940-1950 ok.3 sek/rok = ok.1/1200o/rok, w latach 1960-1970 ok.4,5 sek/rok = ok.1/800o/rok, w latach 1980-1990 ok.6 sek/rok = ok.1/600o/rok.
W całym okresie 1911-1990, gdy prowadzono systematyczne i bardzo precyzyjne pomiary przechyla- nia się wieży, otrzymano wartość średnią 5,5 sek/rok, natomiast każda z wymienionych operacji:
wiercenia rozpoznawcze, grouting, pompowanie za pomocą głębokich studni dawała w następnym roku przyrost prędkości do poziomu 7,5 sek/rok, a nawet 10,0 sek/rok (pompowanie).
Wskaźnik stateczności na wywrócenie na tym etapie szacowano na 1,05÷1,15; mocno nieliniowe zachowanie się gruntu pod obciążeniem i jego losowe niejednorodności wymagają użycia bardzo zaawansowanych modeli konstytutywnych gruntu oraz profesjonalnej analizy MES do prognozy zachowania się wieży.
Lata powojenne, to już epoka nowoczesnej mechaniki gruntów i „festiwal pomysłów” – dosłownie, ponieważ ogłaszane były konkursy na koncepcję „wyprostowania krzywej wieży w Pizie”, na które wpływały dziesiątki prac z całego świata, w tym kilka z Polski.
Generalnie są dwie grupy metod:
a) podniesienie strony, która bardziej osiadła, czyli południowej, b) opuszczenie strony, która mniej osiadła, czyli północnej.
Wymienić jeszcze można metodę mieszaną c), tj. trochę a), trochę b).
Oczywista jest analogia z metodami prostowania przechylonych budynków na terenach górniczych, co było przedmiotem krótkiej analizy na Wykładzie 4.
Wariant podnoszenia a) jest mało realny z 3 powodów:
1) ciężar wieży jest ogromny, nawet podniesienie tylko 40% tego ciężaru stanowi duży problem,
2) siłę z punktu 1) należałoby przenieść jako skupioną reakcję na podłoże, które jest złożone z gruntów o małej nośności; trzeba byłoby wykonać konstrukcję wsporczą pośrednio posadowioną, 3) taka operacja podnoszenia wymagałaby bardzo wytrzymałego fundamentu,
a jest akurat odwrotnie.
Trudności z p.2) proponowano rozwiązać np. w następujący sposób: wykopanie pionowego szybu w odległości co najmniej 10m od fundamentu, na głębokość ok. 6m, następnie wydrążenie obudowane- go poziomego chodnika w stronę fundamentu wieży, w zabezpieczonej komorze pod fundamentem podziemne wykonanie pali o długości ponad 30m do gruntów Serii C, wykonanie oczepu palowego jako podpory do oparcia siłowników hydraulicznych podnoszących część wieży. Realne możliwości i skuteczność takiej metody są bardzo wątpliwe, szczególnie w nawodnionych gruntach, a trudności związane z p.3) stanowią jeszcze większą przeszkodę. Trwałym rozwiązaniem mogłoby być użycie długich kolumn Jet Grouting, jednak w trakcie ich wykonywania następuje krótkotrwałe osłabienie podłoża i możliwość dodatkowych osiadań podłoża o tak dużym wytężeniu.
Proponowano również metody bardzo niekonwencjonalne, np. mrożenie gruntów pod częścią funda- mentu, doprowadzenie do pęcznienia zamarzających pyłów, co wytworzyłoby siłę unoszącą na dużej powierzchni fundamentu9. Przedstawiono również obliczenia, że wymaganą siłę podnoszącą część wieży mógłby zapewnić układ kilku ogromnych balonów helowych, de facto zeppelinów.
Warianty z grupy b) są znacznie bardziej realne i były dwukrotnie zastosowane, jednak nie od razu z sukcesem.
Wykluczone jest użycie dociskowego nasypu gruntowego obok wieży (Rys.4), który na zasadzie
„wpływu sąsiada” mógłby spowodować korzystne prostujące osiadania samej wieży. Pomijając sprzeciw służb ochrony zabytków i lokalnej społeczności, jest to koncepcja niewykonalna z powodu dużego wytężenia podłoża pod wieżą, dużego ciśnienia porowego, słabej przepuszczalności podłoża, czyli w sumie znacznego ryzyka pogorszenia stanu podłoża. Użycie w to miejsce dużych płyt docisko- wych i sprężonych kotew gruntowych zakończonych w warstwach nośnych jest również nierealne.
Podjęto taką próbę na początku lat 90-tych, dodatkowo mrożąc ciekłym azotem nawodnione podłoże w celu jego uszczelnienia oraz wzmocnienia zakotwienia. W efekcie, w ciągu jednej nocy 7.września 1995r. przechylenie wieży wzrosło bardziej niż w ciągu całego minionego roku10 (efekt oczywistego zwiększania objętości zamarzającego nawodnionego gruntu).
W latach 1993-94 dociążono stronę mniej osiadającą za pomocą balastu z płyt ołowianych (zaprojek- towane 6MN=600 Ton), ułożonych na specjalnej konstrukcji wsporczej, por. schematyczny Rys.4.
Pomimo zastosowania wzmocnień ścian, tak duże obciążenie skupione naruszyło statykę ściany (zgi- nanie, moment skupiony) i nadal występowały odpryski okładziny, a jej spadające fragmenty stanowiły zagrożenie. Wieżę musiano zamknąć, co na pewno nie zwiększyło liczby entuzjastów tej metody.
Wycofanie się z tej koncepcji przyśpieszyły jednak przede wszystkim bardzo krytyczne opinie dotyczące zgromadzenia w jednym miejscu tak dużej masy szkodliwego dla zdrowia ołowiu oraz zeszpecenia budowli wraz z zabytkowym placem i to na wiele lat; krótko mówiąc - liczba turystów spadła o połowę.
Zasadniczo jednak koncepcja przeciwwagi na wsporniku jest prawidłowa (Rys.4), abstrahując od długiego czasu potrzebnego do wystąpienia kilkucentymetrowych osiadań kompensujących przechylenie; po kilku miesiącach zaobserwowano oczekiwane przechylanie się wieży w północną stronę, choć niewielkie.
9 nie wiadomo, dlaczego pęcznienie miałoby nie nastąpić w mniej obciążonym kierunku poziomym, a co by się działo z wieżą po odmrożeniu pyłu – strach pomyśleć.
10 http://madridengineering.com/case-study-the-leaning-tower-of-pisa/
W.Brząkała: Fundamentowanie II - Wykład 8
Rys.4. Schematy metod zwiększenia osiadania lewej (północnej) strony wieży:
- metoda doraźna (balast z płyt ołowianych),
- metoda docelowa (częściowe wybranie gruntu Serii A).
Ostatecznie wdrożony wariant jest inny - z wybieraniem gruntu spod mniej osiadającej strony wieży - rozwiązanie proste, bezpieczne i znane od ponad 3000 lat11. Często zapomina się, że ten wariant był już nie tylko zaproponowany w latach 60-tych XXw. przez włoskich inżynierów, ale wręcz zaprojekto- wany w latach 90-tych XXw. (niezależnie od zgłaszanych zagranicznych rozwiązań tego typu, również polskich – w oparciu o doświadczenia z terenów górniczych); ostatecznie jednak zasługi przypisano zespołowi międzynarodowemu powołanemu w ostatnich latach XXw., który promował to rozwiązanie i nadzorował wykonanie.
„Podkopywanie” mniej osiadającej strony wieży następowało za pomocą ukośnych odwiertów (Rys.5) oraz stopniowego, kilkuletniego wydobywania ponad 70 ton zwiercin gruntowych z jednej strony wieży; powstałe w ten sposób puste przestrzenie stopniowo się zaciskały. W ciągu kilku lat wytwo- rzono różnicę osiadań strony lewej i prawej rzędu 20cm, co oczywiście może być w każdej chwili zwiększone przez dodatkowe odwierty.
Sprawą o podstawowym znaczeniu jest tutaj zachowanie należytej ostrożności, usuwanie gruntu w małych porcjach, bardzo powoli (okres w miesiącach i latach), stała obserwacja „reagowania wieży”
oraz dostosowanie następnego etapu do rozwoju sytuacji12.
11 Chodzi o tzw. groby szybowe budowane w starożytnym Egipcie, które zastąpiły drogie, a i tak nieskutecznie chroniące piramidy: wydrążone w miękkiej skale niemal pionowe wyrobisko (odkrywka) miało ponad 10m głębokości, a na zewnątrz odkrywki wykonywano kilka pionowych szybów o podziemnych chodnikach prowadzących poziomo na dno wyrobiska; gotowa odkrywka była zasypywana gruzem i piaskiem do pierwotnego poziomu terenu, ustawiany nad nią był ciężki kamienny sarkofag i wyposażenie grobu, po czym wydobywano ponownie gruz i piasek, ale tym razem metodą podziemną – przez pionowe szyby na odwodzie wyrobiska; odpowiednie kierowanie pracą szybów umożliwiało równomierne opuszczanie sarkofagu; po posadowieniu sarkofagu na dnie wyrobiska całość ostatecznie zasypywano, łącznie z szybami wydobywczymi; miejsce maskowano.
12 Jest to podręcznikowy wręcz przykład tzw. metody obserwacyjnej rozwiązywania (unikatowych) problemów geoinżynieryjnych, którą zaleca m.in. Eurokod EC7.
https://archidose.blogspot.com/2000/07/tower-of-pisa.html
W sumie:
sytuacja jest obecnie całkowicie pod kontrolą, a użytkowanie wieży nie jest ograniczone.
Wadą tego rozwiązania, zresztą mało istotną, jest zwiększenie osiadania wieży, która i tak już dużo osiadła (osiadanie średnie, niezależnie od przechylenia), co widać na załączonym zdjęciu (Rys.2).
Być może celowe byłoby lepsze wyeksponowanie wieży poprzez niewielkie lokalne obniżenie terenu i zmianę jego ukształtowania w rejonie przyległym do wieży.
Rys.5. Wykonywanie ukośnych odwiertów.
Na elewacji ściany widoczne są jeszcze nie zdemontowane płyty balastowe.
