Seria: T R A N SPO R T z. 40 N r kol. 1490
Jerzy PA W LICK I Jaroslav BROU L Libor IŻ Y O L T
METODYKA BADAŃ GEOTECHNICZNYCH DLA POTRZEB MODERNIZACJI DRÓG ŻELAZNYCH
S treszczen ie. W artykule przedstaw iono m etodę oraz zakres prac geotechnicznych i geologiczno-inżynierskich rozpoznania podłoża linii kolejow ych przew idzianych do m odernizacji. W yniki badań dostarczają pełnego zbioru danych przydatnych do opracow y
w ania dokum entacji projektow ej przy rekonstrukcjach, napraw ach lub rozbudow ie odcinka linii.
METHODOLOGY OF GEOTECHNICS RESEARCH FOR RAILWAY LINES MODERNIZATION
S u m m a ry . In the paper there are described the principles o f the geotechnics research and m ethods o f a closed research (dynam ical penetration, kernel drills, loading tests, pattern design). R equested results o f the geotechnics research are also published here.
1. W PR O W A D ZEN IE
W ostatnich latach na w ielu odcinkach sieci kolejow ej Ż SR i Ć D były prow adzone, w ram ach m odernizacji linii dużych prędkości, szczegółow e badania geotechniczne. W Polsce takie badania w ykonuje się na linii E 20 i na północnym fragm encie linii E 65.
B adania geotechniczne dróg żelaznych stanow ią dziś jednolity system licznych prac, które obejm uje tzw. w ielostopniow a diagnostyka podłoża podkładów . B adania szczegółow e dla celów odnow y lub rekonstrukcji m o g ą być realizow ane jednostopniow o lub dw u
stopniow o (w przypadku konieczności rozszerzenia obserw acji). Ich zadaniem je s t ocena jakości naw ierzchni, podłoża, obiektów inżynierskich i w yodrębnienie tzw. miejsc problem ow ych, które w y m ag ają w ykonania dodatkow ych czynności pom iarow ych lub
napraw czych. W efekcie otrzym uje się pełne inform acje o podłożu, podtorzu i naw ierzchni, które u m o żliw ią podjęcie decyzji inw estycyjnych [3,4,5,8].
P rogram badań geotechnicznych je s t przygotow any w taki sposób, aby w yniki pom iarów pozw oliły na stw orzenie pełnego obrazu stosunków geologiczno-inżynierskich badanego teren u oraz w łasności m iejscow ych gruntów .
2. O G Ó LN E Z A S A D Y B A D A Ń G E O T EC H N IC Z N Y C H
2.1. U w agi w stę p n e
N a zakres b adań sk ład ają się m iędzy innym i [1,6]:
• spraw dzenie istniejącej konstrukcji podłoża podkładów ,
• opracow anie opisu m orfologicznego trasy, geologicznego opisu uw arstw ienia oraz poznanie w arunków w odnych,
• ocena stanu podsypki, zalecenie recyklacji,
• ocena poziom u, stanu i jak o ści budow li ziem nej,
• spraw dzenie ch arak tery sty k geotechnicznych podłoża gruntow ego (uziam ienia, masy objętościow ej, w ilgotności, stopnia zagęszczenia, konsystencji, klasy gruntów ),
• ustalenie składu chem icznego p odtorza gruntow ego (zaw artości lignitu, w apnia),
• określenie m odułu odkształcenia i zredukow anego m odułu deform acji podtorza,
• ocena w arunków w odnych podtorza i m rozoodporności,
• w ydzielenie charakterystycznych odcinków linii na podstaw ie uzyskanych w yników ,
• orientacyjna ocena przydatności gruntów do stabilizacji w łącznie z zaleceniem odpow iedniej m etody,
• ocena p odstaw ow ych w arunków w ybranych obiektów podtorza,
• ocena stanu konstrukcji obiektów ,
• ocena składu chem icznego w ód znajdujących się w otoczeniu obiektów ,
• przew idzenie m ożliw ych trudności przy budow ie,
• zaproponow anie d odatkow ych badań.
Z akres badań m oże b y ć zm ieniony zależnie od oczekiw ań inw estora. Z w ykle jed n ak zakres ten w y n ik a ze w stępnej (zgrubnej) fazy badań geotechnicznych. N ajczęściej testow ane m iejsca są oddalone od siebie o 150 - 200 m dla każdego terenu oddzielnie z uw zględnieniem konfiguracji terenu i zauw ażonych m iejsc charakterystycznych. G łębokość sond pow inna być taka, aby m ożna było spraw dzić w szystkie obciążone w arstw y, skutki dynam icznych
naprężeń lub inne w pływ y. M inim alną głębokość w nasypach o k reślają w arstw y, których osiadanie i brak stabilności je s t znaczący. G ranicę stanow i 10% udział całkow itego osiadania budow li ziem nej.
2 .2 . B a d a n i e p o d ło ż a p o d k ła d ó w
B adania w podłożu podkładów „in situ” s ą realizow ane tzw. m e to d ą k o m b in o w an ą która polega na w ykonaniu sond penetracyjnych, w ierceń rdzeniow ych, szybików w raz ze statycznym i i dynam icznym i testam i obciążeniow ym i, pobieraniem próbek z podłoża podkładów i p odłoża gruntow ego. O dw ierty i próbki w ykonane za p o m o cą jed n o stk i do diagnostyki podtorza (D SŻS) um ożliw iają w ykorzystanie w yników dynam icznych badań penetracyjnych; statyczne i dynam iczne badania obciążeniow e p o zw alają utw orzyć bazę danych dynam icznych m odułów penetracji i statycznych (dynam icznych) m odułów deform acji, przydatnych do określenia zależności korelacyjnych m iędzy tym i charakterystykam i dynam icznym i. Efektem je s t m ożliw ość oceny i w ym iarow ania podłoża podkładów [1,7].
2 .3 . P e n e t r a c j a d y n a m ic z n a
D ynam iczne sondy penetracyjne, które s ą um ieszczone m iędzy podkładam i w środku toru, b ad ają podsypkę i podłoże gruntow e, czym uzupełnia się ja k o śc io w ą ocenę m ateriałów w aktyw nej strefie podłoża podkładów . T estow ane m iejsca należy w ybrać w projekcie na podstaw ie rozpoznania (w yw iadu) terenow ego całego odcinka.
Po w stępnej ocenie prób penetracji dynam icznej (jej zaletą je s t szybkie dostarczenie w yników ), przy której m ożna określić grubość w arstw y podsypki, w arstw konstrukcyjnych, jakość podłoża ziem nego, obecność w ód gruntow ych, przystępuje się do dokładnego ustalenia m iejsc w y konyw ania prób obciążeniow ych, w ierceń rdzeniow ych - usytuow anych poza zew nętrznym torem w odległości około 1,05 m od osi toru. M ożna także respektow ać m iejsca testow ania przew idziane w projekcie. O trzym ane z prób p enetracyjnych w artości m ają znaczenie nie tylko przy określaniu charakterystyki ty p u odkształcenia p odłoża podkładów , ale także przy w yborze w łaściw ego sposobu sanacji podłoża podkładów .
D ynam iczne sondy penetracyjne są w ykonyw ane za p o m o cą dynam icznego penetracyjnego urządzenia, w które w yposażona je s t jed n o stk a D SŻS. U rządzenie to odpow iada w ym aganiom DIN 4094 [1,2],
R y s .l. Pojazd diagnostyczny do badań geotechnicznych podtorza F ig .l. T he diagnostic vehicle for subgrade geotechnics research
2 .4 . W i e r c e n i e r d z e n io w e
U rządzeniem w iertniczym , w jak ie w yposażona je s t jed n o stk a D SŻS (rys. 1), m ożna realizow ać w iercen ia na m ak sy m aln ą głębokość ok. 15 m, w yjątkow o do 18 m. O dw ierty rdzeniow e o m inim alnej średnicy 110 m m są w ykonyw ane w odległości 0,7-1,2 m od skrajnego toru. Ich celem je s t spraw dzenie m ateriałów podsypki, p odtorza lub podłoża.
W iercenia w obiektach podtorza w ykonuje się w celu spraw dzenia ich stanu i są realizow ane za p o m o c ą przenośnych urządzeń w iertniczych o średnicy m in 45 mm .
Z odw iertów m ożna otrzym ać próbki skał, m uru, gruntów , w ody podziem nej w celu spraw dzenia ich fizykom echanicznych param etrów i składu chem icznego. Po zakończeniu prac w iertniczych odw ierty rdzeniow e likw iduje się przez zasypanie piaskiem . T orow isko po likw idacji otw oru je s t zagęszczone.
2.5. P o m i a r s t a t y c z n e g o m o d u łu o d k s z t a łc e n ia E 0
Statyczny m oduł odkształcenia m ożna m ierzyć w punktach ustalonych w projekcie lub na podstaw ie dynam icznej penetracji. B adania s ą realizow ane za p o m o cą urządzenia typu E U R O PA Q , który odpow iada kryterium ISO 9000. D o w ykonania pom iaru w ykorzystana je s t sztyw na p ły ta o średnicy 300 mm . W łaściw y pom iar w ykonyw any je s t w dw óch cyklach obciążeniow ych, zaw sze z odciążeniem do zera.
S tatyczny m oduł deform acji je s t m ierzony w szybiku na odkrytym torow isku. Z tego typu sondy m ożna otrzym ać nie tylko próbki podtorza, ale rów nież próbki skał lub wód podziem nych. Profile geologiczne z szybików są opisane z ta k ą sam ą dok ład n o ścią ja k z w ierceń rdzeniow ych. W ad ą szybików je s t znaczna pracochłonność i czasochłonność.
2.6. P o b i e r a n i e p r ó b e k
Z w ierceń rdzeniow ych i szybików m ożna otrzym ać próbki skalne, m uru, gruntów do analiz laboratoryjnych, których celem je st ustalenie param etrów fizykom echanicznych i w spółczynnika popraw kow ego „z” . A nalizę próbek w ykonuje się w yłącznie w akredytow a
nych laboratoriach.
2.7. W y n ik i b a d a n ia g e o t e c h n ic z n e g o
Struktura spraw dzanych czynników i w ielkości (w spom nianych w yżej) je st dobierana w taki sposób, aby w yniki dostarczyły z w ym aganą dokładnością i obiektyw izm em w szystkie niezbędne inform acje dla potrzeb opracow ania dokum entacji projektow ej.
B adania geotechniczne dostarczą o każdym torze następujących inform acji (rys. 2):
• skład konstrukcji podtorza,
• skład podsypki i stopień jej zanieczyszczenia,
• geotechniczne param etry w arstw konstrukcyjnych,
• dane w ysokościow e torow iska, jeg o stan i przebieg,
• indeksow e i odkształceniow e charakterystyki m ateriałów torow iska,
• w spółczynnik popraw kow y „z”,
• m rozoodporność i przepuszczalność torow iska,
• stan obiektów w podtorzu,
• granice pseudohom ogenicznych bloków badanego odcinka linii kolejow ej d la każdego toru oddzielnie,
• określenie m iejsc, w których niezbędne je s t przeprow adzenie uzupełniających badań.
P r o f il g e o t e c h n ic z n y , k m 2 6 .4 2 0 - 3 1 .7 0 0
R ys. 2. P rzykład geotechnicznego profilu linii kolejow ej Fig. 2. E xam ple o f railw ay line geotechnics profil
3. PO D SU M O W A N IE
N a podstaw ie przeprow adzonej na kolejach ĆD i Ż S R w izualnej oceny stanu w szystkich składników o raz w ykonanych badań geotechnicznych i geologiczno- inżynierskich m ożna w ysunąć następujące ogólne w nioski:
• O dcinki linii ko lejo w y ch s ą przew ażnie prow adzone n a nasypach (tereny nizinne), w przekopach i n asy p ach o w ysokości 6 m (tereny piaszczyste), z częstym i zm ianam i w ysokości n asypów i głębokości przekopów - h>6 m (tereny podgórskie i górskie).
• S ystem o dw adniania nie spełnia swej funkcji przew ażnie w przekopach, niezależnie od konfiguracji terenu.
• W y stęp u ją bardzo niekorzystne w arunki hydrogeologiczne (tereny nizinne), zróżnicow ane z p rzew ag ą niek o rzy stn y ch (tereny piaszczyste).
• G runty p odtorza s ą słabo odporne lub nieodporne n a działanie m rozu (tereny nizinne) oraz częściow o m rozoodpom e (tereny piaszczyste).
• N asy p y zbudow ane s ą przew ażnie z gruntów piaszczy sto-gliniasty ch.
• G rubość w arstw y podłoża podkładów często (tereny nizinne), na ogół (tereny piaszczyste) lub rzadko przew yższa 1 m. S topień zanieczyszczenia podsypki drobnym i frakcjam i w yno
si od około 20% (tereny nizinne) do 60% (tereny piaszczyste).
• M oduł odkształcenia podłoża podkładów tylko na terenach podgórskich i górskich odpow iada w ym aganiom norm y.
• C harakterystyki odkształcenia podtorza nie spełniają w ym ogów norm y.
Literatura
1. B ro u l J., Iz v o lt L ., R y s ä v k a J.: M e to d ik a g e o te c h n ic k e h o p rie s k u m u p re m o d e rn iz a c iu tra ti. X . m e d z in ä ro d n ä k o n fe re n c ia „ V y s o k o ry c h lo s tn e tr a tę ” , Ż ilin s k a u n iv e rz ita , Ż ilin a 7 .1 0 .1 9 9 9 , s .8 7 -9 4 .
2. Iz v o lt L ., P a w lic k i J.: M e to d y w z m o c n ie n ia p o d to r z a d ró g k o le jo w y c h Ż S R i Ć D . Z e s z y ty N a u k o w e P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j, s. T ra n sp o rt, z .3 0 , G liw ic e 1998, s.9 7 -1 0 7 . 3. K re sta F .: G e o te c h n ic k e p rü z k u m y p ra z c o v e h o p o d lo ź i v e II. ż e le z n ić n im k o rid o ru .
S b o m ik re fe ra tu M e d z in ä ro d n i k o n fe re n c e a o d b o m ä v y s ta v a „ Ż e le z n ić n i k o rid o ry 2 0 0 0 ” , V Ś B - T e c h n ic k ä u n iv e rz ita , O stra v a , 1 4 -1 7 .0 6 .2 0 0 0 , s. 8 2 -8 8 .
4. M ik ś ik M .: V y u z ite d ru h o tn y c h m a te riä lo v v k o n śtru k c ii d ra ż n e h o te le s a . S b o rn ik re fe rä tü M e d z in ä ro d n i k o n fe re n c e a o d b o m ä v y s ta v a „ Ż e le z n ić n i k o rid o ry 2 0 0 0 ” , V S B - T e c h n ic k ä u n iv e rz ita , O stra v a , 1 4 -1 7 .0 6 .2 0 0 0 , s. 8 9 -9 4 .
5. M y n ä r J., N e je z c h le b M .: P ro b le m a tik a ż e le z n ić n ih o sp o d k u n a II. ż e le z n ić n im k o rid o ru . S b o m ik re fe ra tu M e d z in ä ro d n i k o n fe re n c e a o d b o m ä v y s ta v a „ Ż e le z n ić n i k o rid o ry 2 0 0 0 ” , V S B - T e c h n ic k ä u n iv e rz ita , O stra v a , 1 4 -1 7 .0 6 .2 0 0 0 , s. 9 5 -1 0 0 . 6. P a w lic k i J., Iz v o lt L ., S le p e c k y J.: M e to d y k a r o z p o z n a w a n ia p rz y c z y n i
k la s y fik a c ja o d k s z ta łc e ń p o d to r z a n a m o d e r n iz o w a n y c h d ro g a c h k o le jo w y c h Ż S R i P K P . Z e s z y ty N a u k o w e P o lite c h n ik i Ś lą sk ie j, s. T ra n s p o rt, z .2 9 , G liw ic e 1997, s.8 3 -9 1 .
7. P a w lic k i J., Iz v o lt L .: M e to d y d ia g n o s ty k i p o d to rz a . Z e s z y ty N a u k o w e P o lite c h n ik i Ś lą sk ie j, s. T ra n s p o rt, z. 38, G liw ic e 1999, s. 55 -6 0 .
8. R y s a v k a J.: M o n ito rin g z e le z n ic n ih o sp o d k u p o m o d e m iz a c i. S b o m ik re fe ra tu M e d z in a ro d n i k o n fe r e n c e a o d b o m a v y s ta v a „ Z e lc z n ic n i k o rid o ry 2 0 0 0 ” , V S B - T e c h n ic k a u n iv e r z ita , O s tra v a , 1 4 -1 7 .0 6 .2 0 0 0 , s. 101-105.
R ecenzent: Doc. dr inz. Z bigniew G inalski
A bstract
C oncerning a railw ay m odernization o f both the C zech R ailw ays and the Slovak R ailw ays and a b u ilding o f high speed corridors, m ethodology o f geotechnics research is p resented in th e article. T here are described the principles o f the geotechnics research and m ethods o f a closed research (dynam ical penetration, kernel drills, loading tests, pattern design). R equested results o f the geotechnics research are also published here.
