Z doświadczeń prostowania budynków wychylonych z pionu metodą wycinania warstw gruntu w podłożu

Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄSK IEJ Seria: B U D O W N IC T W O z. 84

1997 N r kol. 1376

A ntoni M O T Y C Z K A , W ojciech SITK O, Szczepan W Y RA

Z DOŚW IADCZEŃ PROSTOWANIA BUDYNKÓW WYCHYLONYCH Z PIONU METODĄ WYCINANIA WARSTW GRUNTU W PODŁOŻU

S treszczen ie. W artykule przedstaw iono przykłady zastosow ania m etody w ycinania w arstw gruntu w po d ło żu do rektyfikacji obiektów w ychylonych z pionu. Z ebrane dośw iadczenia po­

zw oliły na podanie uw arunkow ań technicznych, jakie pow inny być spełnione, dla uzyskania efektów zabiegu

ON THE BASIS OF THE EXPERIMENTS DEALING WITH

STRAIGHTENING THE DEFLECTED BUILDINGS BY THE METHOD OF CUTTING OUT LAYERS IN THE GROUND FOUNDATION

S u m m a ry . T he article presents the exam ples o f practical application o f the m ethod depen­

ding on cutting o u t layers in th e ground foundation for the rectification o f deflected object.

T he experim ents allow us define the technical specifications w hich should be fulfilled to achieve th e desirable effects o f the operation.

1. Wprowadzenie

W ychylenie się budynków z pionu jest częstym zjawiskiem, jakie w yw ołuje w pływ eksplo­

atacji górniczej. L iteratura dotycząca zagadnień rektyfikacji obiektów nie je st zbyt obszerna.

P roblem ten pozostaw ał ja k gdyby w cieniu głów nego nurtu zainteresow ań, którym jest za­

bezpieczanie budow li przed w pływ am i spodziewanych deformacji terenu Jedną z m etod rek­

tyfikacji budynków w ychylonych z pionu, zap roponow aną przez autorów opracow ania, je st w ycinanie w arstw gruntu w podłożu [1], Id e ą przew odnią m etody jest w ym uszenie pożą­

danego ob ro tu bryły obiektu przez zabieg wycięcia w arstw gruntu w podłożu pod fundam entem (rys. 1).

V---

o b sza r ostabionego podtoża

Rys. 1.

M eto d a została spraw dzona w praktyce przy rektyfikacji trzech budynków mieszkalnych (jednorodzinnych) zlokalizow anych na obszarze Rybnickiego O kręgu W ęglow ego. W wyniku zaistniałej deform acji terenu obiekty uległy trw ałem u wychyleniu, którego w ielkość uniem oż­

liwiała dalsze ich użytkow anie. Zabieg rektyfikacji w e w szystkich przypadkach zakończył się pozytyw nym skutkiem . W artykule om ów iony będzie w ogólnym zarysie przebieg prow adzo­

nych zabiegów rektyfikacyjnych i uzyskane efekty.

2. Konstrukcja i stan techniczny rektyfikowanych budynków

W szystkie trzy obiekty, które poddano zabiegom rektyfikacji, są jednorodzinnym i budyn­

kam i mieszkalnymi, w zniesionym i na przełom ie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych. W projektach każdego z nich przew idziano stosow ne zabezpieczenia przed w pływ am i szkód g órniczych (w zakresie III i IV kategorii).

Pierw szy z obiektów to dw ukondygnacyjny budynek, całkow icie podpiw niczony o zwartej, prostopadłościennej bryle i wym iarach w rzucie poziom ym 9,44 x 11,43 m. Ław y konstrukcji żelbetow ej; m ury zew nętrzne, o grubości 38 cm z cegły pełnej, zaś w ew nętrzne o grubości jednej cegły. Stropy żelbetow e z w ieńcam i O cieplony stropodach

D rugi jest dwukondygnacyjnym budynkiem , całkow icie podpiw niczonym , o prosto­

padłościennej bryle i w ym iarach w rzucie poziom ym 11,48 x 11,60 m. Przylegają do niego, oddzielone konstrukcyjnie, przybudów ka pod taras oraz skład opału. Ław y żelbetow e, mury

Z dośw iadczeń prostow ania 145

konstrukcji m ieszanej: cegła pełna i tzw . żużlobloki gr. 38 cm dla ścian zew nętrznych i 25 cm dla w ew nętrznych. Stropy żelbetow e z wieńcami. D ach konstrukcji drewnianej.

Trzeci je st dw ukondygnacyjnym , całkow icie podpiw niczonym budynkiem o zw artej bryle i w ym iarach 8,80 x 8,50 m. Ław y żelbetow e, m ury konstrukcji mieszanej: cegła pełna i żużlobloki gr. 38 cm dla ścian zew nętrznych, a 25 cm dla ścian w ew nętrznych. Stro­

py w szystkich kondygnacji żelbetow e, z wieńcam i. O cieplony stropodach.

O biekty znajdow ały się w stanie technicznym , które kom isje potw ierdzające zakres szkód g órniczych oceniły jak o dość dobry. Stw ierdzonym i uszkodzeniam i były pęknięcia posadzek, zarysow ania w niektórych miejscach ścian kondygnacji piwnicznej, uszkodzenia elem entów w ykończenia budynku oraz podłączeń sieci wodnej i kanalizacyjnej. K ońcow e w nioski komisji w ykluczyły jednakże m ożliw ość dalszego użytkow ania budynków z racji nadm iernego ich wy­

chylenia z pionu.

3. Charakterystyka podłoża, deformacje terenu i ich skutki dla posadowionych obiektów

W arunki geologiczne dla całego obszaru zostały rozpoznane wcześniej otw oram i w iertni­

czymi. B adania w ykazały, że w budow ie geologicznej bio rą udział utw ory czw artorzędu, trze­

ciorzędu i karbonu.

O m aw iany rejon znajdow ał się p od w pływ em intensywnej eksploatacji górniczej, któ­

rą pro w ad zo n o w 11 pokładach. B ardzo niekorzystny przy tym jest fakt usytuow ania rozw a­

żanego obszaru na obrzeżu filara ochronnego. D la określenia wielkości deform acji po­

w ierzchni w ykonano p rognozę w pływ ów eksploatacji S porządzono m apki rozkładu w artości w skaźników deform acji dla obniżeń, nachyleń i odkształceń poziom ych. W yniki obliczeń w y­

kazały, że w rejonie posadow ienia obiektów ekstrem alne w artości w skaźników deformacji m o g ą osiągnąć: obniżenie W = 6773 mm, nachylenie Traax = 76 mm /m , odkształcenie poziom e e = 45 mm /m . P rzeprow adzone pom iary w ykazały d u żą zgodność faktycznie zaistniałych

deform acji z prognozow anym i.

P rzed przystąpieniem do zabiegu rektyfikacji dokonano także rozpoznania p o d ło ża grunto­

w ego bezpośrednio zalegającego pod obiektami. U kład zalegających w arstw scharakteryzow ać m o żn a następująco: 10 - 30 cm gleby lub gleby z piaskiem, 30 - 50 cm gliny zapiaszczonej, a głębiej gliny zapiaszczonej i lekko zapiaszczonej.

a )

■*!'ł

b)

O BIEKT I

9,44 m

OBIEKT R

D *

Ty

62-

0,60 m

Tmax ” 6 2 ,2 m m /m

| 5,5m m /m Tx

c)

5

«0

OBIEKT l!l

0,80 m

Rys.2.

Z dośw iadczeń prostow ania. 147

K ażdy z w ym ienionych obiektów , w wyniku zaistniałej deformacji, doznał trw ałego w ychy­

lenia z pionu. D ane o wychyleniu budynków przedstaw iono na rys. 2.

4. Założenia wyjściowe dla prowadzenia prac rektyfikacyjnych

Pilotującym w drożeniem m etody było prostow anie w ychylonego z pionu budynku I.

W trak cie zabiegu testow ano rów nocześnie urządzenie do w ycinania w arstw gruntu. P rzed ­ staw iona w niniejszym opracow aniu technologia prac rektyfikacyjnych jest w ynikiem zebra­

nych dośw iadczeń i została spraw dzona przy rektyfikacji dw óch następnych obiektów.

P rzeprow adzenie zabiegu rektyfikacji w ym aga w cześniejszego w ykonania w ykopów dla u ło żen ia torow iska (prow adnic) urządzenia do w ycinania w arstw gruntu U sytuow anie dosto­

sow ano, w każdym z przypadków , do zaistniałej deformacji terenu. N a rys. 3 podano przykła­

dow y plan dla jed n eg o z obiektów (II). P rócz w ykopów dla ułożenia prow adnic na rysunku

prowadnice wykop

przewidywana os obrotu

zasięg wcięcia (OŚ obrotu)

kierunek przesuwu

_ urządzenie do wycinania

--- e : i

/aktad sterujący

Rys. 3.

zaznaczono także w ykopy pom ocnicze, w ykonane do głębokości podstaw y fundam entów . Ich zadaniem było zapew nienie sw obody ruchu budynku przy osiadaniu. Zabieg w ycinania w arstw gruntu prow adzony był od strony, w której budynek usytuow any je st najwyżej, w odniesieniu do położenia terenu Objętość klina gruntu pod fundam entam i, który należy usunąć (w yciąć), pow inna być rów na objętości bryły, k tó rą w zaznaczonym przekroju (rys. 3) określają punkty 1, 2, 3.

G łębokość, na której prow adzone jest wycinanie w arstw gruntu, w inna być przy tym tak dobrana, aby łańcuch urabiający urządzenia m ógł sw obodnie przem ieszczać się po d fundam entem , z zapasem ok. 0,5 m. G rubość wycinanej jednorazow o w arstw y je st cechą charakterystyczną urządzenia urabiającego.

5. Realizacja zabiegu i zachowanie się rektyfikowanych obiektów

K oncepcję urządzenia do w ycinania w arstw gruntu przedstaw iono w pracy [1], P odstaw o­

wym i elem entam i składowym i urządzenia są: łańcuch urabiający, m echanizm napędow y i rów ­ nocześnie napinający łańcuch, hydrauliczny układ napędu, układ sterujący dla całego urzą­

dzenia oraz prow adnice szynowe. Szczegółow e rozw iązanie konstrukcyjne urządzenia przed­

staw iono w dokum entacji patentow ej [2],

W ykopy w o k ó ł rektyfikow anych obiektów w ykonano w edług jednolitej zasady. G łębokość określają cztery czynniki: poziom posadow ienia budynku, założony poziom podcinania, gru­

bość (m iąższość) w arstw y gruntu do usunięcia spod budynku i poziom zabudow anego urzą­

dzenia. Ściany w ykopów w zm ocnione zostały obudową. G rubość w ycinanej w arstw y gruntu zależy od charakterystyki zastosow anego łańcucha urabiającego. W om aw ianych przypadkach zastosow ano łańcuch, który w ycina w arstw ę o grubości 65 mm.

Czynnikam i decydującym i o doborze prędkości prac były: rodzaj gruntu pod fundam entem , lokalne je g o zróżnicow anie oraz w nioski w ynikające z bieżącej obserwacji zachow yw ania się prostow anego obiektu.

Jak ju ż w spom niano, budynki poddane rektyfikacji są piętrowymi, podpiw niczonym i obiek­

tam i, o ścianow ej konstrukcji nośnej, zw ieńczone na poziom ie stropów , posadow ione na żelbetow ych ław ach fundam entow ych, w zm ocnionych przekątniow ym i ściągami. N ależą zatem do budynków zw artych, o dość dużej sztywności. M im o znacznego ich w ychylenia z pionu nie stw ierdzono znaczących uszkodzeń konstrukcji nośnej. Ich stan techniczny oce­

Z dośw iadczeń prostow ania. 149

niono ja k o dość dobry. N a czas prostow ania obiekty zostały dodatkow o w zm ocnione specjal­

nie zaprojektow anym skotwieniem . Składa się ono z kątow ników poprow adzonych w zdłuż pionow ych kraw ędzi narożnych budynku, pasów założonych na w ysokości w ieńców stropo­

w ych i k rzyżulców w ykonanych z prętów zaopatrzonych w śruby rzym skie

Proces rektyfikacji w sposób istotny w płynął na pracę budynków W ybierane spod funda­

m entów w arstw y gruntu zmieniały, w krótkich interw ałach czasow ych, w arunki posadow ienia.

Z aistniał etap w ym uszonego nierów nom iernego osiadania, przy czym osłabienie podłoża g ru n to w eg o m iało miejsce na stosunkow o niewielkiej głębokości. O biekty były zm uszone do szybkiego dostosow ania się do now ych w arunków pracy. Zm ieniał się zatem rozkład sił w e­

w nętrznych w budynkach; poszczególne elem enty konstrukcji nośnej m usiały przejm ow ać m ne obciążenie, niż przew idziano w projekcie. K ondygnacje piw niczne nie stanow iły sztywnych skrzyń, dlatego też w pływ y deformacji podłoża oddziaływały także na w yższe kondygnacje.

W czasie w ycinania w arstw gruntu i dostosow yw ania się budynków do now ych w arunków posadow ienia w elem entach konstrukcyjnych obiektów pojaw iały się zarysow ania i pęknięcia o różnej intensyw ności. Pęknięcia zarejestrow ano w niektórych ław ach i ściągach ław , w ścianach kondygnacji piw nicznych, a także w ścianach kondygnacji naziem nych. W obrębie ścian pęknięcia przebiegały przew ażnie pod kątem 45° w następstw ie w spornikow ej pracy bu­

dynków w czasie w ybierania gruntu. W ściągach i ław ach były to pęknięcia poprzeczne do osi tych elem entów i pochodziły głów nie od dużych sił rozciągających.

W II obiekcie, na górnym poziom ie kondygnacji piwnicznej, w ścianie przeciw ległej do kierunku w ybierania w arstw gruntu nastąpiło naw et odspojenie ściany od w ieńca. Było to skutkiem - ja k w ynikało z przeprow adzonej analizy - oddziaływ ania sił tarcia między ścianą a przylegającym do niej gruntem , przeciwdziałającym sw obodzie obrotu bryły budynku. P o u- sunięciu gru n tu w tym miejscu do poziom u ław fundam entow ych (w ykopy pom ocnicze) ten niekorzystny efekt udało się częściow o zlikwidować. N ajpow ażniejszy pęknięcie, po przekąt­

nej nośnej ściany pierwszej kondygnacji, zaistniało w obiekcie I. O biekt ten, jak o jedyny, nie został bow iem skotw iony przed rektyfikacją, a tylko w zm ocniony opaskam i z lin, założonym i na poziom ie stropów poszczególnych kondygnacji O kazało się, że ten zabieg był niew ystar­

czający dla zapew nienia odpow iedniej sztywności budynku. D latego też zaistniała konieczność w cześniejszego zakończenia procesu rektyfikacji, mimo że końcow e jeg o efekty nie były w pełni zadow alające (porów naj dane w tabeli). W ypoziom ow anie p odłóg (posadzek) uzyskano przez u ło żen ie stosow nej w arstw y w yrów naw czej. N ależy podkreślić, że zaistniałe w czasie

prow adzonych ro b ó t zarysow ania i pęknięcia (stale obserw ow ane) w poszczególnych obiek­

tach nie zagrażały bezpieczeństw u konstrukcji.

P o okresie kilku miesięcy od zakończenia prac przystąpiono do zdjęcia stalow ych elem en­

tó w skratow ania, zabezpieczających obiekty w czasie prostow ania Proces dem ontażu przebie­

gał stopniow o. W czasie tej operacji nie wystąpiły żadne dodatkow e uszkodzenia w obrębie zrektyfikow anych budynków .

6. Uzyskane efekty rektyfikacji

P roces rektyfikacji był rejestrow any geodezyjnie i fotogram etrycznie [3], Celem było u do­

kum entow anie pom iarow e stanu wyjściowego budynku, zmian zachodzących podczas rektyfi­

kacji o raz stanu końcow ego (po zabiegu).

H arm onogram prac zw iązanych z rektyfikacją był korygow any w przypadkach zaistnienia sytuacji losow ych (np. załam ania się pogody, drobne awarie oprzyrządow ania itp.) lub wtedy, gdy obserw acje zachow ania się budynku wskazywały na konieczność w prow adzenia zm ian w tem pie robót. Z a każdym razem starano się utrzym ać taki cykl dokonyw ania w ycięć w arstw gruntu w podłożu, aby kolejny zabieg rozpoczynać po ustabilizowaniu się budynku w now ym położeniu. R ozstrzygającym czynnikiem były w takim przypadku wyniki system atycznie p ro ­ w adzonych pom iarów .

N a rys. 4 przedstaw iono zmiany położenia naroży obiektu (I) podczas zabiegu rektyfikacji.

C zynności zw iązane z w ycinaniem w arstw gruntu zrealizow ano w okresie ok. 5 tygodni (rejestrację danych prow adzono znacznie dłużej). Same zabiegi w ycinania w arstw oznaczono na rysunku sym bolem (z). D la jednego zabiegu (z*) przedstaw iono także w ykres (rys. 5), który podaje inform acje o narastaniu przem ieszczeń w czasie, po wycięciu trzech w arstw w jednym dniu. Cięcia dokonyw ano za pom ocą łańcucha o grubości 6,5 cm O bniżenie naroży A, D w y­

niosło ok. 16 - 17,5 cm, czyli zgodnie z oczekiwaniami.

U zyskane efekty zabiegów rektyfikacyjnych, dla poszczególnych obiektów (I, II, III) przed­

staw iono w tabeli 1. Tabela 1

N achylenie m m /m

Stan wyjściowy

I II III

Stan po rektyfikacji

I II III

Tm ax 118 62,2 104 43 2,2 13,5

T v

...

Tx 52 5,5 60 40 0,8 9

Z dośw iadczeń prostow ania. 151

, --- ---

—=i

w /jo

a

\ \

V

\ V .

_

\ * — * j

8 (naroże)

[cm ] po 2 godz. 4 goc/z. 8 godz. 8 godz. 10 godz. 12godz.

Rys. 5.

7. Podsumowanie

Zrealizow ane zabiegi potw ierdziły, że m etodą w ycinania w arstw gruntu w podłożu m ożna z dobrym skutkiem przeprow adzić rektyfikację obiektów w ychylonych z pionu. In n ą spraw ą jest tutaj koszt przedsięw zięcia. W edług szacunkow ych danych nakłady zw iązane z rektyfikacją w yniosły od 50 -r 70% kosztu budowy. M iał na to wpływ, z pew nością, eksperym entalny cha­

rakter przeprow adzanych zabiegów. Po udoskonaleniu technologii robót zw iązanych z rektyfi­

kacją koszty pow inny być mniejsze.

Z dośw iadczeń prostow ania. 153

L IT E R A T U R A

1 M otyczka A., Sitko W ., W yra Sz., N iemiec T : Sposób prostow ania budynków w ychylo­

nych z pionu B ezpieczeństw o P racy i O chrona Środow iska w G órnictw ie n r 3, 1992.

2. M o ty czk a A., W yra Sz. (z zespołem ): Sposób zabezpieczania obiektów budow lanych przed skutkam i szkód górniczych. P atent nr 151444, 1991.

3. M otyczka A., H ubner A.: Pom iary zw iązane z rektyfikacją obiektów budow lanych.

Z N Pol. Śl. z. 82, Gliwice 1996.

R ecenzent: D o c dr inż. M arian K aw ulok, K ierow nik O ddz ITB w Gliwicach

A b s tr a c t

T he exam ples o f applying th e m ethod o f cutting out layers o f g round in a subsoil to adjust buildings being out o f th e perpendicular w ere discussed. Initial foredesign to carry out adjust­

m ent w orks, th e realization o f the intervention, the behaviour o f th e adjusted objects and the obtained results o f th e adjustm ent w ere presented. A ttention w as paid to th e experim ental cha­

racter o f th e intervention and to the need o f im proving the technology o f work.