Projektowanie ścian głębokich wykopów na podstawie wyników badań kotew gruntowych

(1)

Seria: BUDOW NICTW O z. 97 N r kol. 1573

Anna SIEM IŃSKA-LEW ANDOW SKA Politechnika W arszaw ska

PROJEKTOWANIE ŚCIAN GŁĘBOKICH WYKOPÓW

NA PODSTAWIE WYNIKÓW BADAŃ KOTEW GRUNTOWYCH

Streszczenie. W referacie przedstaw iono znaczenie w yników badań kotew iniekcyjnych w procesie projektow ania i realizacji kotw ionych ścian głębokich wykopów. O mówiono rodzaje badań oraz opisano przeprow adzone na kilku w arszaw skich budow ach badania próbne, związane z w yznaczaniem wolnej długości cięgna, zerw aniem kotew , a także odkopywaniem buław kotw iących. W yniki badań i w nioski przedstaw iono w podsum ow aniu pracy.

THE INFLUENCE OF GROUND ANCHORS TESTING ON DEEP EXCAVATION WALLS DESIGN

Summary. The influence o f testing o f ground anchors on design and construction o f anchored deep excavation w alls has been described in the paper. The m ethods o f anchors testing has been discussed and the exam ples o f tests application, considering evaluation o f the apparent tendon free length, braking anchors, as w ell as the exploration o f the grout body, has been described. In the sum m ing up the results o f tests and conclusions have been presented.

1. Wstęp

Projektując kotw ione ściany głębokich w ykopów określa się cechy układu ściana-kotew-grunt, zapew niające jego wytrzymałość, stateczność, bezpieczeństw o i ograniczenie do m inim um niekorzystnego wpływu na obiekty sąsiadujące z budową. Te cechy to: rodzaj i param etry wytrzym ałościow e zaproponowanej konstrukcji (ściana szczelna, berlińska, szczelinow a, palościanka), przem ieszczenia poziom e i pionow e ściany wykopu oraz przyległego terenu w każdej fazie realizacji, wartości sił w kotw ach iniekcyjnych oraz

(2)

260 A nna Siemińska-Lewandowska

ich param etry geom etryczne i wytrzymałościowe, a także stateczność globalna układu obejmującego kotw ioną konstrukcję i przyległy obszar.

W ostatnich latach czyni się wiele starań nad w prow adzeniem podejścia przem ieszczeniowego do pow szechnego projektow ania kotw ionych ścian głębokich wykopów. Podejście to zw iązane je st z badaniam i w skali naturalnej: długotrw ałą obserwacją odkształceń konstrukcji i przyległego terenu oraz obszernym i badaniam i kotew stanowiących o stateczności ściany i bezpieczeństw ie prowadzonych robót. Zdarza się, że wyniki wykonanych wcześniej testów decydują o zm ianach w projekcie, a doświadczenia z badań przeprowadzonych na innych obiektach s ą jednym z elem entów projektow ania tego typu konstrukcji.

Obecnie, zasady przeprow adzania badań kotew gruntow ych reguluje polska norma [3], która je st oficjalnym tłum aczeniem norm y europejskiej [4]. W latach poprzednich korzystano z normy niemieckiej [5] oraz zaleceń francuskich [6], Poniżej przedstaw iono krótki opis aktualnie wymaganych badań.

2. Opis badań kotew gruntowych

W norm ie PrPN-EN -1537 wyróżnia się trzy rodzaje badań in situ. S ą to: badania wstępne, przydatności oraz odbiorcze.

Badania wstępne wykonuje się na kotw ach próbnych, przed realizacją kotew użytkowych.

Ich celem je st określenie w ytrzymałości kotwy na styku buława/grunt; wyznaczenie krytycznego naciągu pełzania lub krzywej pełzania na różnych poziom ach obciążenia aż do zerwania; krzywej spadku naciągu pod obciążeniem użytkowym oraz umownej swobodnej długości cięgna. Badania te wykonuje się, gdy kotwy wykonywane są w nowych lub trudnych warunkach gruntowych lub gdy przewiduje się, że naciągi użytkowe będ ą większe od dotychczas stosowanych w podobnych warunkach gruntowych. W yniki badań wstępnych dostarczają projektantow i inform acji o wartości granicznej nośności kotw y z uwzględnieniem rzeczywistych w arunków geotechnicznych, potw ierdzają m ożliw ości techniczne wykonawcy lub służą spraw dzeniu nowego typu kotw y poprzez jej zniszczenie na styku buława/grant (wyrwanie). Poniew aż kotw y do badań wstępnych są obciążane większymi siłami niż użytkowe, nie m ogą być wykorzystyw ane w obiektach trwałych. D odatkow ą korzyścią w ynikającą z badań wstępnych je st czasam i m ożliw ość odkopania kotw y i ocena kształtu i w ym iarów buławy kotwiącej w danych w arunkach geotechnicznych.

(3)

Badanie przydatności je st to próbne obciążenie, m ające na celu w ykazanie, że określona kcconstrukcja kotwy będzie odpow iednia w danych warunkach gruntowych. Celem badań pnrzydatności je st potw ierdzenie dopuszczalnych krzywych pełzania i spadku naciągu poróbnego i siły blokow ania na potrzeby przyszłych badań odbiorczych lub krytycznej siły poełzania; wyznaczenie kryteriów pełzania lub spadku naciągu, dopuszczalnych przy naciągu ppróbnym podczas badań odbiorczych oraz w yznaczenie um ow nej, swobodnej długości ccięgna. Badanie przydatności przeprow adza się na co najmniej 3 kotw ach użytkowych,

«reprezentatywnych w danych w arunkach gruntowych, przed realizacją pozostałych. Ich vwyniki potw ierdzają założenia projektow e oraz są podstaw ą do praw idłow ego przebiegu bbadań odbiorczych.

Badanie odbiorcze je st to próbne obciążenie kotw y wykonywane w celu potw ierdzenia, iż sspełnia ona kryteria odbiorcze określone w normie. Celem badań odbiorczych je st wykazanie, żże kotwa przenosi naciąg próbny, którego w artość zależy od m etody badań, lecz najczęściej oodpowiada 120% nośności obliczeniow ej kotwy; w yznaczenie, je śli to konieczne, krzywych ppełzania i spadku naciągu w stanie granicznym użytkow ania oraz um ow nej, swobodnej

«¿długości cięgna. Badaniom odbiorczym poddaw ane są wszystkie kotw y obiektu. Ich wyniki ssą podstawą do dopuszczenia kotw y do eksploatacji, inform acją o uzyskaniu przewidywanej

\w projekcie nośności, zapew niającej stateczność ściany wykopu. W Polsce, w zorując się na mormie niemieckiej DIN 4125, przeprow adza się dodatkowo tzw. badania częściowe.

IProcedura badań częściow ych odpow iada badaniom odbiorczym , lecz naciąg próbny wynosi 1150% nośności obliczeniow ej. Badaniom częściowym poddaje się 10% w szystkich kotew cobiektu.

Przebieg badań odbiorczych i częściow ych je st dokum entow any w m etryce kotwy, gdzie copisuje się tok sprężania, pom iary przem ieszczeń cięgna oraz w yznacza jego w ydłużenie ssprężyste. W artość ta pozw ala na wyznaczenie swobodnej długości cięgna Lapp, a na tej {podstawie globalnej stateczności układu. Zbyt m ała wartość swobodnej długości cięgna m oże sspowodować konieczność zm ian długości kotew realizow anych w dalszej kolejności (np.

ggłębiej położonych). P rzebieg przem ieszczeń cięgna oraz stabilizacji siły w kotwie na {poszczególnych poziom ach obciążania pozw alają na ocenę zjaw isk Teologicznych, tj.

{pełzania. Jest to szczególnie istotne podczas w ykonywania kotew, których buławy są {posadowione w gruntach spoistych. Inform acje zawarte w metryce kotw y dotyczą również ttechnologii wykonania, sposobu w iercenia oraz iniekcji ( jednokrotna, w ielokrotna sselektywna itp.), ilości iniektu oraz term inów. M etryka zaw iera też opis rzeczywistych w arunków gruntowych, ja k ie stw ierdzono podczas w iercenia kotwy. K otew iniekcyjna je st

(4)

głębokim fundam entem trudnym do bezpośredniej obserwacji. Dane z metryki są dla projektanta jedynym źródłem inform acji w przypadku w ystąpienia nadmiernych przem ieszczeń poziom ych ściany w ykopu lub awarii. Dlatego obow iązkiem wykonawcy jest sporządzanie oraz archiw izacja m etryk wszystkich wykonanych na obiekcie kotew.

3. Opis przeprowadzonych badań

W referacie przedstaw iono badania kotew iniekcyjnych wykonane na stacji warszaw skiego m etra oraz podczas budowy głębokiego w ykopu pod budynek biurowy.

N a stacji m etra Centrum zabezpieczenie w ykopu o głębokości 17,45 m stanowiła kotw iona ściana szczelinow a o grubości 80 cm połączona w górnej części ze ścianą berlińską.

Stateczność ściany berlińskiej zapew niał pierwszy poziom kotew iniekcyjnych o nośności 500 kN w rozstaw ie 2,7 m, a ściany szczelinowej trzy lub cztery poziomy kotew o nośności 550 lub, w najniższym poziom ie 600 kN, w rozstaw ie - 1,35 m. Całkowita długość kotew była zm ienna: od 25 m do 15,0 m w zależności od poziom u. B uław y kotwiące, których długość była stała i w ynosiła 8,5 m, posadowiono w bardzo zróżnicow anych gruntach - od piasków drobnych i średnich po gliny piaszczyste zwarte. Łącznie na stacji wykonano 1241 kotew. K onstrukcja kotw y zaw ierała elem ent oddzielający buław ę od swobodnej długości cięgna tzw. separator. Sposób jego w ykonania nie zabezpieczał przed penetracją zaczynu podczas iniekcji w strefę wolnej długości cięgna, co potw ierdzały wartości sprężystego wydłużenia cięgna Al pom ierzone podczas badań odbiorczych, przeprowadzonych dla pierwszego poziom u kotw ienia. U m owna, sw obodna długość cięgna Lapp je st obliczana na podstawie następującego w zoru [3]:

Lapp = (At E, Al)/ AP (1)

gdzie:

At - pow ierzchnia przekroju poprzecznego cięgna, Et - m oduł sprężystości cięgna, Al - wydłużenie sprężyste cięgna, AP - różnica pom iędzy naciągiem próbnym a wstępnym, W artość dolnej granicy Lapp wynosi:

Lapp= 0,8 Ltf + Le (2)

gdzie:

Ltf - sw obodna długość cięgna, Le- zewn. długość cięgna pom iędzy głow icą a naciagarką

(5)

Po przeanalizow aniu w yników sprężania stwierdzono, że nastąpiło skrócenie umownej, swobodnej długości cięgna o około 20%, co wpłynęło na stateczność zew nętrzną układu ściana-kotew-grunt, z uwagi na zm ianę położenia głębokiej płaszczyzny odłamu. Wartość współczynnika stateczności w yznaczonego m etodą K ranza dla drugiego poziom u kotew zmalała poniżej dopuszczalnej w artości [2], Dlatego projektant ściany dokonał korekty projektu, w ydłużając kotw y niższych poziomów.

Drugim obiektem , na którym prowadzono badania, był wykop pod budynek biurowy w Warszawie [1], C elem badań m iała być ocena rzeczywistej nośności kotew wykonanych w złożonych w arunkach geotechnicznych oraz analiza pełzania buław posadowionych w zaburzonych glacitektonicznie, silnie pęczniejących iłach plioceńskich. Stateczność ściany szczelinowej w ykopu zapew niały jed en lub dwa poziom y kotew o długości całkowitej od 12 do 16m (w tym buław y 7 i 9 m ) i nośności 500 kN. D la celów badaw czych wykonano wewnątrz w ykopu blok oporow y oraz trzy kotw y oznaczone literam i A, B, C , przeznaczone do całkowitego zerwania. C ałkow ita długość kotew A i B w ynosiła 14 m, w tym buław a 8 m, a kotwy C - 16 m , w tym buław a 10 m. Stanowisko badaw cze przedstaw iono na fo t.l, a próbne obciążenie na fot. 2.

Fot. 1. Widok stanowiska badawczego Phot. 1. The view of testing site

Ustalono następujący przebieg badań:

• sprężanie stopniam i odpow iadającym następującym siłom: 90, 180, 270, 360, 450, 540, 630, 720, 810, 900 kN,

• czas utrzym yw ania obciążenia dla stopni 20, 30, 40% - 15 minut, a powyżej 40% - 60 m inut

• pomiary przem ieszczeń cięgna w 1, 2, 5, 10, 15 m inucie dla stopni do 40%

oraz w 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 i 60 m inucie dla stopni powyżej 40%, Fot. 2. Bania wstępne

Phot. 2. Investigation test

(6)

• odciążanie takim i stopniami, ja k sprężanie, czas utrzym ywania siły - 1 min., pomiar przem ieszczeń po 1 minucie.

N a rys. 1. przedstaw iono zaproponowany w badaniach przebieg sprężania kotew B i C, a na rys. 2 [7] wykres krzywej pełzania kotwy C, któ rą obciążano aż do zerwania. Obciążenie wprowadzono bez stopni pośrednich do siły 810 kN, a następnie stopniam i 5-minutowymi:

900 kN, 960 kN, 1000 kN, 1100 kN, 1150 kN, 1200 kN i 1250 kN. K otew była stabilna przy sile 950 kN, a zerwanie nastąpiło w przedziale 1200 do 1250 kN. Pełzanie osiągnęło wartość 2,03 mm.

Rys.

Fig.

Rys. 2. Krzywe pełzania kotwy C Fig. 2. Creep displacement for anchor C

t

1. Sposób obciążania kotew B i C 1 Loading procedure for anchor B i C

N a podstaw ie w yników sprężania oraz zerwania stwierdzono, że posadowione w trudnych warunkach gruntowych, jakim i są iły plioceńskie, buławy kotew gwarantowały współczynnik bezpieczeństw a kotw y w granicach 2, przy założonej nośności projektowej 500 kN. Wynika to z faktu, że kotwy o długości buławy równej 8 m przy sile 900 kN były stabilne, a utrata nośności nastąpiła w przedziale pom iędzy 900 a 1000 kN, natom iast kotew o długości buławy równej lOm była stabilna dla siły 950 kN, a zerwanie nastąpiło w przedziale 1200 i 1250 kN.

W projekcie przyjęto, że średnica buławy wynosi od 16,5 do 18 cm, przy średnicy wiercenia 150 mm. Dlatego buławy kotwi odkopano i stw ierdzono, że ich średnice wynoszą około 20 cm. Odkopany i wycięty fragm ent buławy przedstaw iono na fot. 3.

(7)

Fot. 3. Widok odkopanej buławy kotwy C

Phot. 3. The view o f explorated grout body of anchor C

Na podstaw ie [6] w yznaczono graniczną nośność kotwy, która wynosi:

Tu

= 7i DsLsqs

(3)

gdzie:

Ds - średnica buławy, Ls - długość buławy, qs - jednostkow e tarcie na pobocznicy, wg [6] 200 kPa.

Po podstaw ieniu odpow iednich wartości (Ds=0,2 m; Ls= 8 m i 10 m ) T u wynosi około 1000 kN i 1256 kN dla kotew o buławie 8 m i 10 m.

4. Posumowanie

W podsum ow aniu należy zw rócić uwagę na wpływ, jak i m a ją wyniki przeprow adzonych badań na projektow anie kotw ionych konstrukcji. N a przykładzie pierwszego z opisanych przypadków m ożna stw ierdzić, że rezultaty badań odbiorczych w ykonanych dla pierwszego poziomu kotw ienia pozw oliły na zachow anie bezpiecznych w spółczynników stateczności całej konstrukcji. A naliza budow y separatora pozw oliła w ykonawcy na dokonanie poprawek i uniknięcie dalszych błędów. W drugim przykładzie wyniki obliczeń nośności kotew posadowionych w iłach plioceńskich, w ykonane dla rzeczywistej średnicy buławy są zgodne

(8)

z projektem oraz potw ierdzone rezultatam i badań wstępnych. Jest to cenna informacja dla projektanta oraz dośw iadczenie, które zostanie wykorzystane w praktyce.

LITERATURA

1. Siem ińska-Lewandowska A., W ojnarow icz M ., Analiza kotwionej ściany szczelinowej na budowie Saski Bussines Park w W arszawie, Inż. M orska i G eotechnika 2000, nr 3, s. 133-136, 2. Siem ińska-Lew andow ska A .,W pływ technologii wykonania kotw i n a stateczność układu ściana-kotew-grunt. Sesja N aukow a IDiM PW i SG KILiW PAN, W arszawa 1996, s.105-111.

3. PrPN-EN-1537, W ykonaw stw o specjalnych robót geotechnicznych, Kotwy gruntowe, PKN/2001.

4. EN 1537, Execution o f special geotechnical work-G round anchor, CEN/1999.

5. DIN 4125, K urzzeitanker und Daueranker, Bemessung, Ausfiirung und Priifung, 1990.

6. Reccom andation TA 95 Com ité Français de la M écanique des Sols et des Travaux.

7. Hydrobudowa-bis, D okum entacja badań kotwi, W arszaw a 1998.

Recenzent: Prof. zw. dr hab. inż. Bohdan ZADROGA

Abstract

Ground anchors investigation and control test results are im portant in designing of anchored structures. The outcom e o f tests should be taken into account in the execution stage o f a ground anchor or in the design o f deep excavation anchor system.