Opis i analiza przebiegu osiadań podłoża gruntowego kominów w Nowym Czarnowie

(1)

Seria: BUDOWNICTWO z. 55 Nr kol. 707 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ ____________________ 1981

Marian BELA, Jacek PIECZYRAK

OPIS I ANALIZA PRZEBIEGU OSIADAŃ PODŁOŻA GRUNTOWEGO KOMINÓW W NOWYM CZARNOWIE

Streszczenie. W artykule opisano, rejestrowany przez 7,5 lat,pro

ces osiadania dwóch kominów żelbetowych. Przedstawiono również geo

techniczny opis podłoża gruntowego oraz hipsograficzny epis wahań zwierciadła wody gruntowej, wywołany długotrwałym odwadnianiem gruntu. W pracy zamieszczono analizę opisanego woześniej procesu osia

dań.

1. WSTĘP

W sierpniu 1975 roku, odbierając wykop pod fundament dla turbozespołu nr 7 Elektrowni "Dolna Odra" w Nowym Czarnowie koło Szczecina, stwierdzo

no, że warunki geotechniczne podłoża są gorsze od opisanych w dokumonta- oji geologicznej. Podłoże wzmooniono tu palami żwirowymi.Stwierdzono jed

nak, że słabe podłoże znajduje się i w innych obszarach tego terenu, a w szczególności w obrębie estakady kolejowej i turbozespołu nr 3. V czerwcu 1976 dokonano awaryjnego odstawienia turbozespołu nr 3, uszkodzenia płyty fundamentowej okazały się niebezpieczne. Z tych powodów we wrześniu i paź

dzierniku 1976 roku wykonano dodatkowe badania pddłoża gruntowego.Stwier

dzono, że zalegające tu grunty niespoiste mają mniejsze zagęszczenie od te

go, jakie stwierdzono przed przystąpieniem do budowy. Za przyczynę tych zmian uznano wahania zwierciadła wody gruntowej. Istotnie, w latach 1971- 1 9 7 6 , za pomocą studni głębinowych dokonywano okresowego, znacznego obni

żania zwierciadła wody gruntowej. Wody tej używano jako wody technologicz

nej; pompownia jest usytuowana na przedpolu maszynowni.

Postanowiono przeto poddać obserwacji i analizie stan obiektów rozloko

wanych w obszarze zaistniałych wpływów, aby określić ich aktualne warun

ki pracy i stan bezpieozeństwa.

W Zakładzie Geotechniki przeprowadzono analizę warunków pracy dwu ko

minów usytuowanych w tym obszarze. W niniejszym artykule przedstawiono wy

niki analiz oraz część materiałów z opracowania [1] .

(2)

lit M, Dela, .1. Pioczyrok

2. OPIS POSADOWIENIA KOMINÓW

Obydwa kominy są identycznej konstrukoji i wymiarów. Usytuowane są one równolegle do budynku głównego, w odległości 7 0 m od niego.

oP-6 \ Budynek główny

° P -7 t ---

S Nr2

> 0

O -

P-9 P-tO

O o

154,5

N e l

Kominy P-11

O

Nys. 1. Plan rozmieszczenia kominów i piezonotrów

Są to żelbetowe kominy o wysokości 250 m, posadowiono na głębokość

;,1 n ppt. poprzez żelbetowe, kołowe płyty fundamentowe.

Rys. 2. Fundament konina

(3)

Opis i analiza przebiegu osiadań. 15

1f tablicy 1 zestawiono obciążenia jednostkowe, jakie fundament przeka

zuje na podłoże gruntowo,

Tablica 1

Zestawienie obciążeń podłoża gruntowego

Ciężar fundamentu i częśc*i trzonu do poziomu

£ 0 , 0 m »

ŁF = 70700 kN

^Ciężar fundamentu i części trzonu do poziomu

£ 0 , 0 m wraz z gruntom (fundament zasypany)

^FZ — 1 2 3000 kX

Ciężar trzonu komina _{q t} = 83133 kN

Ciężar trzonu, izolacji i wykładziny

*TIV = 103691 kN Sumaryczny moment w poziomie posadowienia = *•69307 kNm

Schemat obciążenia

Nacisk jednostkowy na Grunt, kPa

^ćr n

'max T ■‘m m fi

“F l*FZ M

łciF ♦ Qt ♦ M '4p2 ^ M

^FZ + 'TÏW + M

69 121

151 20 J 22 3

102 253 305 325

-102 49 101 ,21

Kominy były budowane w różnym cżasio. Poszczególne etapy realizacji komi

nów i przedziały czasowe tycb prac przedstawiono w tablicy 2 .

Tablica 2

Harmonogram wykonanych prac przy budowie kominów

Komin Nr 1 Komin Nr 2

Kykopy fundamentowe ^ XII.70 r. - 26.1.71 r. 8.1.72 - 16.IV.72 Roboty palowe (pale żwi

rowe ) - 12.VI.71 - 17.VII.72

Stabilizacja podłoża

Rruntowego - 25*VII - 8 .VIII.72

Chudy boton 27.1 - 30.1.71 9.VIII - 22.VIII.72 Roboty izolaoyjne,

montaż zbrojenia 22.11 - 2 .VIII. 7 1 7.IX - 24 .IX. 72 Hetonottanie płyty 20.IX - 2**,IX.71 27.XI - 30.XI.72

Znsypanie fundamentu T/II.72 1.73

Budowa trzonu komina III.72 - IV.73 11.73 - IX.74 Izolacja i wykładzina

wewnątrz komina 2.V. - 30.XI.73 16.X.74 - 30.IV.75

(4)

16 M. Dela, J. Pieczyrak

3. OPIS PODŁOŻA GRUNTOWEGO

/ V rejonie obydwu kominów podłoże rozpoznano 13 otworami badawczymi. Na rysunku 3 przedstawiono uśrednione profile geotechniczne podłoża grunto

wego tych kominów.

_________—J Komin nr i

Piasek średni i gruby ; 0,2

.

x V x X > v v Piasek średni i gruby 1^0,5

r, . o . „ . » . . v * O ' 'l 1 ■>•,«• O ■ O —

• m a ■ e ■ e ■ o ■ o

> ż f t i r i p o s p ó t k a ■ ° I n - 0,8 . / o • V ■O

O *o 0 O ° ■ o \ *? - o - O ■ O •o • o o „ ■ o O

* - o • » ■ " • » • • • • • * • ■ . O - o ■ O ■ o . o • 0 . 0 - 0

Żwir i pospótka ° I D= 0.8 ° r

O . O -0. 0 •0 - 0 . ć • B • 6 • •

• c . o ■ o - o • o - o • o ■ o . # 0 . O - o - O ■° • e . O . p . o .

O • V - O ■12 - o ■ V • O

. . . V o / ' - / J y ; f r7-

"o/Piasek średni i gruby 1/0,8

V , / ", o / / . / ’/ . / ’A

Glina piaszczysta I L=0,I5 - Glina piaszczysta / Q I5

Rys. 3. Uśrednione profile geotechniczne podłoży gruntowych kominów

Dla obydwu kominów podłoże gruntowe ma bardzo podobną budowę. Z uwagi na małe zagęszczenie piasków w górnej części podłoża, zdecydowano się wzmoc

nić je, wykonując pod komin nr 2 1 7 2 pale żwirowe o średnicy 0,^5 ni i dłu

gości 6,0 m.

W 1976 roku wykonano w rejonie kominów 8 sondowań kontrolnych, lekką sondą wbijaną z końcówką krzyżakową typu ITB-ZW. Podłoże gruntowe kominów okazało się średnio zagęszczone i zagęszczone.

(5)

Opis i analiza przebiegu osiadań,«, 17

^ł. WARUNKI WODNO-GRUNTOWE

Woda gruntowa o zwierciadle swobodnym utrzymywała się w przypowierzch

niowej warstwie gruntów niespoistych na poziomie około 2,0 m ppt., czyli ekoło ił, 5 ™ ponad poziom posadowienia fundamentów kominów.

Cały rejon budowy Elektrowni był odwadniany w czasie trwania budowy,za

stosowano 88 studni głębinowych G-80 i G-125. Wodę pompowano przez okres H 5 lat.

Dla odwodnienia podłoża gruntowego komina nr 1 wykonano 9 studni G-100 i G-125. Studnie rozmieszczono równomiernie wzdłuż okręgu, oddalonego od zewnętrznego obrysu płyty fundamentowej o około i| m, tj. o średnicy około iłił m. Odwodnienie działało od stycznia 1971 do grudnia 1972 roku. Uzyska

no depresję wody o około 8 m, czyli jej poziom ustalił się na głębokości 10 m ppt. Odwodnienie było na tyle skuteczne, że nie było już potrzeby od

wodnienia terenu w rejonie komina nr 2. Poziomy wody gruntowej obserwowa

ne w 6 piezometrach rozmieszczonych w tym obszarze (rys. 1 ). Obraz wahań wód gruntowych przedstawiono na rysunku *ł.

Jak widać z wykresu, uzyskano odwodnienie terenu do głębokości posado

wienia keminów = 0,0) aż do końca 197*ł roku. Maksymalne odwodnienie do

chodziło do głębokości względnej j - = 0,1.

5. OPIS I WYNIKI OBSERWACJI OSIADAŃ KpMINÓW

Począwszy od 1972 roku prowadzono pomiary osiadań kominów. Na każdym z kominów założone po 12 reperów. Obserwacje osiadań kominów były prowadzo

ne o fi 1 2 .0 *4 . 1 9 7 2 r. dla komina nr 1 i od 16.03.1973 r. dla komina nr 2, ostataie zaś odczyty wykonano 21.08.1979 r. Wykonano 93*4 pomiary pio

nowych przemieszczeń reperów, niektóre z reperów uległy zniszczeniu i dla

tego do analizy nic uwzględniono początkowych pomiarów na nich. Na rysun

kach 5 i 6 przedstawiono wykresy osiadań obydwu kominów.

Wszystkie wyniki pomiarów i obserwacji poddane zostały opracowaniu statys

tycznemu.

6. ANALIZA OSIADAŃ KOMINÓW

Celem badań i analiz było określenie bezpośrednich przyczyn zaistnia

łych osiadań kominów, jak również ocena dlaszego przebiegu zjawiska,a za

tem określenie stanu bezpieczeństwa badanych obiektów. Należało wyjaśnić, jaki był tu wpływ zmian poziomów wód gruntowych oraz wpływ konsolidacji warstwy gruntów spoistych.

Na rysunku 7 podano rozkład naprężeń w podłożu gruntowym komina nr 1.

Wykresy naprężeń pierwotnych, wtórnych i dodatkowych przedstawiono dla róż

nych poziomów wody gruntowej.

(6)

18 M. Iiela, J, Pieczyrak

cci

Rys.WykresywahańwódgruntowychokreślonenapodstawiewskazańpiezomotrówP-6t P-

(7)

Opis i analiza przebiegu osiada/.. 19

1 9 7 2 1 9 7 3 1 9 7 4 1 9 7 5 1 9 7 6 1 9 7 7 1 9 7Ś 1 9 7 9

i \ n ' w n i a m j v i \ t M n i n m ' i v i n w ñ T i r W i v

T“ ’

! ! i

--- _

i i I

7 X lata

t, doby

Rys. 6. Wyniki pomiarów pionowych przemieszczeń reperów (komin nr 2)

(8)

20 M # Hela, J. Pieczyrak

Mo^*61 MPo M * 66 MPo

M- 248 MPo M = 248MPo Mo’ 175 MPo' M --m M P a >

M „- 3 6 MPo M - P i « P f f

fis, Pr

7.1 m ? ' W k N / n ?

_______ y*. 7,8kK'm3 P s ,P r

9 0 m r - W W n 3 f - 9 ,8 M /m 3

7.2m Z . Po f'-1 D ,8 kN /m 3 3,6 m Ps' Pf , ; iQ 3 k H /rł

G p 14,4 m f = 12,0 kN/m

■ ,

* 259 . j

Rys* 7. Rozkład naprężeń w podłożu gruntowym komina nr 1

Dla obniżonego zwierciadła wody gruntowej przyjęto, że dociążenie po

dłoża, wywołane likwidacją wyporu wody, realizowane jest w całości już w poziomie posadowienia. Mamy wtedy:

q śr = 223 - 3,6 £ ' ♦ 3,6 ^ = 223 + 3,6 - y ) 3 223 + 3,6.10 3? 259 kPa,

q, = 223 + 7,2. 10 “ 295 kPa.

2

Warto tu wyjaśnić, że przyjęty model obliczeniowy, jak również ocena wartości założonych parametrów obciążenia i gruntu, nie upoważniają do o- kreślenia napóężeń z dokładnością do 1 kPa. Obliczenia i analizę prowadzo

no jednak, przyjmując wartości zestawione na wykresach rysunku 7, traktu

jąc je jako wartości średnie.

V podłożu gruntowym (rys. 7) zalegają,od poziomu posadowienia do głę

bokości względnej z:D = 0,55, grunty niespoiste, a więc charakteryzują

ce się krótkim czasem konsolidacji filtracyjnej. Poniżej tej głębokości, aż do spągu strefy aktywnej podłoża, zalegają dłużej konsolidujące się grunty spoiste. W tablicy 3 zestawiono wyniki obliczonych osiadań ostate

cznych komina.

W tablicy 3 oddzielnie podano wartości osiadań obliczonych dla różnych położeń zwierciadła wody gruntowej. Wpływ wahań wody (obniżenie poziomu) Jest znaczący i daje dla poziomu 2 przyrost o 31'* wartości osiadań, zaś dla ZKG-3 o 11,5^ - w stosunku do poziomu wody ZWG-1. Zwraca ponadto uwa

gę znaczny udział osiadań gruntów spoistych w stosunku do całkowitych,wy

nosi on od 53, y i do 55,Gii. Wynika więc stąd, że ponad 50'i osiadań będzie

(9)

realizowane w długotrwałym procesie. Osiadania od zmian poziomów wody grun

towej będą długotrwałe również w takim samym stosunku.

Tablica 3

Wyniki obliczeń spodziewanych osiadań komina

Miąższość warstwy C-]

Osiadania

przy ZUG-1 przy Zl.'G-2 przy Zit’G-3 M ^{l i} całk. [m] ' i całk. W 3 całk.

0 < z < 19 , 8 (grunty niespoiste)

0 , 0 2 5 0 *<5,0 0,0331 *<5,5 0,0289 - *<6,7

1 9 , 8 < z < 3*<,2 (grunty spoiste).

0 , 0 3 0 5 55,0 0,0396 5**,5 0,0330 53,3

0 < z < 3*<,2 (osiadania całkowite)

0 , 0 5 5 5 100,0 0,0707 100,0 0,0619 100,0

Pomiary osiadań kominów rozpoczęto w chwili, gdy w podłożu gruntowym proces zmian stanu naprężenia, a tyra samym i odkształcenia, miał już swo

ją historię. \’a rysunku 8 pokazano przebieg zmian wartości obciążenia q / jako funkcję czasu.

Pomiary osiadań komina nr 1 rozpoczęto po 205 dobaoh od chwili rozpo

częcia betonowania płyty oraz *<98 dób od czasu rozpoczęcia wykopów.Dla ko

mina nr 2 odpowiednio odcinki czasu wynoszą 109 i *<33 doby.Z pomiarów nie uzyskano więc bezwzględnej wartości osiadań kominów, nie można przeto przy

równać ich do wartości oblięzonych (tablica 3). Xnteresuj4ce są tu Jednak porównania dotyczące konsolidacji podłoża. Pomiary potwierdzają wniosek wysnuty z obliczeń, że proces osiadań jest długotrwały, osiadania gruntów spoistych stanowią ponad 50Ó całkowitych. Prędkość osiadań była stosunko

wo duża w okresie 772 dób dla komina nr 1 i 702 dla komina nr 2 (por. rys.

5 i 6). Ten długi okres osiadań świadczy o utrudnionej konsolidacji gliny piaszczystej z powodu dużej miąższości warstwy. Po tym okresie obserwuje się gwałtowną zmianę prędkości osiadań i ^ząnik przyrostu. Podłoże uległo konsol idąc Ji.

Zaobserwowano pewną różnicę pomiędzy osiadaniami obydwu kominów, różni

ca ta dotyczy zmian prędkości osiadań i etapów poszczególnych faz konsoli

dacji. Różnice te są wyraźnie związane z przebiegiem procesu pompowania wody ze studzien (porównaj wykresy 5,6 i *0.

(10)

22

*1* Hela, J. Pieczy rak

lłvs. 8. Historia obciążenia podłoża Gruntowego kominów (na poziomic z = 0)

(11)

7. teNIOSKI I ZAKOŃ CZ EN I E

Wykonano badania i przeprowadzona anaJ i za pozwoliły na określenie sta

nu konsolidacji podłoża i bezpioczeństwa kominów. Przebieg osiadań w cza

sie oraz prędkości osiadań odpowiadały warunkom konsolidacji filtracyjnej warstwy gliny piaszczystej, zalegającej w strefie aktywnej podłoża grun

towego.

Obniżenie zwierciadła wody gruntowej spowodowało przyrost osiadań o o- koło 30';<■ w stosunku do osiadań całkowitych.

LITERATURA

[l^j Bela M . , Pieczyrak J. : Analiza odkształcał nośc i i nośności podłoża gruntowego kominów nr 1 i 2 Elektrowni ''I)oina Odra" w Szczecinie ma

szynopis w Zakładzie 'eotechniki. Instytutu Budowy itróg Pol, śj, ' Gli

wice IV SO r,

Recenz«?nt: Doc. dr inż. Maciej Gryczmański

WplynvJo w listopadzie 1 9 -SO r.

0;WCAHH£ /! A iiA Jiilb X0,ijjl CCETGiHii/I rP /H S O d O rC G C K C 3 A » H T?yc 3 hosoii hafhoils

P e 3 » u e

3 cTaTbe oniicaH 3aperecTpapoBaKHŁiii Ha npoinsceHHH 7 ,5 Jie i n pouecc o c e ja - hhs\ £Byx sceJieaoCeroHKHX xkkobhx Tpyó, IlpexcTaBJieHH Toxe reoTexHH*iecKce onncaHHe rpyHTOBoro ochob.ahhh w runcorpatym ecK oe KOJiedann:* 3epK aaa rpynTo-

bli:c bo x, Bb:3iiaH!iioc rcoxo^acHTeJibKHM „ipoKHpoBćtKHen rpyHTa. B paĆcTe npej;cT-ap-

;ieK ana.i;!o o iriie ird io n paiibus n p c r e c c a

DESCRIPTIO?: AXn ANALYSIS OF TITE CONSOLIDATION PROCESS 01 SUBSOIL FOR CHIMNEYS IN NOWY CZARXÔV

S u m m a r y

In the paper, tho consolidation process of two reinforced concrete chim

neys is discussed, based on a seven and a half year observât ion per iod.The p a p e r also presents a _{g e o t}cchnif;al description of subsoil and hypsonietri- ca.l d e s c r i p t i o n o f ground watci Jevol movements caused by lcng-lasting draining, o f soil. An analysis of the abovt ment oned consol ; da t ion pro

cess is also described.