15__Wojtasik_A_T_i_inni_Awaria_skarp_wysokich_nasypow_oraz_glebokich_wykopow_na_przykladzie_budowy_obwodnicy_Gorzowa_Wielkopolskiego.pdf

XXIV

awariebudowlane

Dr inŜ. A NDRZEJ T. W OJTASIK

Politechnika Poznańska & GT Projekt

mgr M ICHAŁ R ÓśAŃSKI

GT Projekt

AWARIA SKARP WYSOKICH NASYPÓWORAZ GŁ Ę BOKICH

WYKOPÓW NA PRZYKŁADZIE BUDOWY

OBWODNICY GORZOWA WIELKOPOLSKIEGO

LARGE SCALE SLOPES FAILURE ON THE GORZÓW WIELKOPOLSKI BYPASS ROAD

Streszczenie W niniejszym artykule w sposób syntetyczny opisano problemy związane z statecznością wysokich

skarp nasypów i wykopów na przykładzie zrealizowanej budowy obwodnicy Gorzowa Wielkopolskiego. Budowę

ukończono w listopadzie 2007 r. Zaprojektowane i wykonane nasypy lokalnie osiągają około 20,0 m, a głębokie

wykopy około 12,0 m. Awaria budowlana nastąpiła w styczniu 2008 r. i objawiła się spływami powierzchniowymi

i wcięciami erozyjnymi skarp na znacznej powierzchni. Łącznie zlokalizowano ponad 60 obszarów zniszczeń

o powierzchni przekraczającej 2,37 ha. W artykule przedstawiono przykładowe obliczenia stateczności skarp

(wykonane w trakcie realizacji budowy), powstałe zniszczenia oraz sposób naprawy powstałych uszkodzeń.

Abstract This paper presents description of a large scale slope stability problem related to the construction

of the Gorzów Wielkopolski bypass road. The construction of the bypass was finalized in November 2007.

The slopes that failed are up to 20 m high in the fill areas and up to 12 high in cut areas. A large number

of slopes failed in January 2008 and resulted mainly in deep surface failures. A total number of over 60 failed

slope areas of ca 2,37 ha, have been recorded. Authors present slope stability calculations, description

of the slope failures and the description of the executed repair works.

1. Wst ę p – ogólny opis problemu

W listopadzie 2007 r. został oddany do eksploatacji ponad 9,4 kilometrowy odcinek zachod-

niej obwodnicy Gorzowa Wielkopolskiego. Prace budowlane trwały przez ponad trzy lata. Trasa

obwodnicy przebiega przez dolinę Warty, gdzie droga została zaprojektowana na wysokich

nasypach oraz przez obszar zbocza wysoczyzny gdzie droga połoŜona jest w stosunkowo

głębokich wykopach. Rzędne terenu wahają się od około 20 m n.p.m na tarasie akumulacyj-

no-erozyjnym, bezpośrednio przy rzece, do około 70 m n.p.m. na terenie wysoczyzny.

Trasa obwodnicy została zaprojektowana i wybudowana na bardzo wysokich nasypach

drogowych oraz lokalnie, w stosunkowo głębokich wykopach. Przebieg analizowanego frag-

mentu drogi wraz ze wskazaniem obszarów występowania wysokich nasypów i głębokich

wykopów pokazano na rysunku nr 1.

Przed oddaniem inwestycji do eksploatacji, po zakończeniu prac ziemnych, stwierdzono

liczne osuwiska powierzchniowe, zarówno na skarpach nasypów jak i skarpach wykopów.

Osuwiska miały charakter powierzchniowy jednak ich rozległość i skala były bardzo rozległe.

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Geotechnika

Po kilku miesiącach eksploatacji drogi, w okresie wiosennym powstały liczne nowe osuwiska,

a ich zakres objął większą część wysokich nasypów oraz znaczącą część wykopów. Inwenta-

ryzacja powstałych zniszczeń wykazała, Ŝe do grudnia 2008 r. powstało ponad 60 lokalnych

osuwisk o łącznej powierzchni ponad 2,37 ha.

Rys. 1. Orientacyjny przebieg obwodnicy z wydzielonymi strefami wysokich nasypów i głębokich wykopów

2. Warunki gruntowo-wodne terenu budowy obwodnicy

Analizowany obszar znajduje się w obrębie dwóch jednostek geomorfologicznych:

– w km 0+000 – 4+540 to strefa wysoczyzny morenowej;

– w km 4+540 – 9+467 to strefa doliny rzeki Warty.

Wysoczyzna charakteryzuje się bardzo duŜą zmiennością ukształtowania terenu, jej pier-

wotna powierzchnia znajdowała się na rzędnych 20,0÷70,0 m n.p.m., a jej deniwelacje sięgały

~50,0 m. W związku z powyŜszym zaprojektowana niweleta obwodnicy w niektórych

miejscach została poprowadzona na wysokich nasypach (dochodzących do ~20,0m) oraz

w głębokich wykopach (dochodzących do ~12,0 m).

Dolina (z wyjątkiem strefy kontaktu z częścią wysoczyznową) kształtuje się na rzędnych

~17,5÷20,0 m n.p.m. Zaprojektowana niweleta poprowadzona została na nasypach o wyso-

kości do ~8,0 m.

Obszar kontaktu doliny z częścią wysoczyznową oraz istniejący układ komunikacyjny,

wymusiły zaprojektowanie niwelety na wysokich nasypach (dochodzących do ~18,0 m).

Budowa geologiczna jest charakterystyczna dla wysoczyzny i doliny. Obszar wysoczyzny

zbudowany jest z osadów lodowcowych i wodnolodowcowych (gliny zwałowe i róŜnoziar-

330

Wojtasik A. T. i inni: Awaria skarp wysokich nasypów oraz gł ę bokich wykopów na przykładzie...

niste piaski). W dolinie dominują osady rzeczne (facji korytowej – róŜnoziarniste piaski

i pozakorytowej – mady) oraz osady pochodzenia roślinnego – grunty organiczne.

Woda gruntowa stwierdzona badaniami archiwalnymi występowała:

– na wysoczyźnie w postaci sączeń (w glinach zwałowych na zróŜnicowanych głęboko-

ściach) oraz w postaci zwierciadła napiętego lub swobodnego (w piaskach śródgli-

nowych i wodnolodowcowych);

– w dolinie w postaci swobodnego zwierciadła (w osadach piaszczystych) na głębokoś-

ciach max. do 2,0 m p.p.t. tj. w zakresie rzędnych 17,0÷18,5 m n.p.m. lub lokalnie

w postaci lekko napiętego zwierciadła przez nadkład gruntów organicznych.

3. Krótki opis projektu obwodnicy

Na obecnym etapie realizacji obwodnicy, została ona zbudowana jako jednojezdniowa o dwóch

pasach ruchu. Szerokość pasa ruchu wynosi 3,5 m, a szerokość jednej jezdni wynosi 11,0 m.

Ponad 1200 m drogi zaprojektowano na wysokich nasypach, o maksymalnej wysokości

lokalnie dochodzącej do około 20 m, oraz około 1100 m drogi zaprojektowano w głębokich

wykopach, dochodzących lokalnie do około 12 m. Przykładową geometrię wysokiego nasypu

pokazano na rysunku nr 3.

Docelowo, w drugim etapie, planuje się dobudowanie drugiej jezdni z dwoma pasami

ruchu a obwodnica będzie stanowiła fragment drogi ekspresowej S3.

Nasypy został zbudowane w znaczącej części z gruntów pozyskanych w obszarach wyko-

pów. Nasypy są więc zbudowane z mieszaniny gruntów rodzimych, przede wszystkim,

gruntów spoistych z przewarstwieniami gruntów sypkich. Do budowy nasypów wykorzystano

wszystkie dostępne grunty, zgodnie z zaleceniami specyfikacji technicznej oraz PN-S-02205.

Przykładowa budowa analizowanego nasypu został opisana w rozdziale 4.

4. Analiza stateczno ś ci wybranych obszarów – nasypów i wykopów

Ze względu na realizację bardzo wysokich nasypów, dochodzących lokalnie do około

20,0 m oraz na załoŜenia projektowe (skarpy o nachyleniu 1:1,5 lokalnie z jedną półką; brak

odpowiedniego wzmocnienia skarp przed utratą stateczności; brak odpowiedniego odwod-

nienia i odprowadzeniu wody powierzchniowej) pojawiły się wątpliwości, co do stateczności

skarp nasypów. Generalny Wykonawca podjął decyzję o konieczności przeprowadzenia analiz

stateczności skarp [1]. NiezaleŜnie, sporządzono takŜe dwie dodatkowe opinie dotyczące

stateczności skarp wysokich nasypów, zlecone przez Inwestora.

Pierwsze obliczenia zostały wykonane dla skarpy nasypów w km 4+800 ( wrzesie ń 2005 )

i dotyczyły nasypu o wysokości ~16,2 m. Obliczenia stateczności przeprowadzono progra-

mem „SKARPA dla Windows”, autorstwa Jacka Stasierskiego (1999 r.) wykorzystując

uproszczoną metodę Bishopa, metodę Felleniusa oraz metodę Morgensterna-Price’a.

Przekrój obliczeniowy zlokalizowany został w km 4+800 budowanej obwodnicy na słabo-

nośnym podłoŜu gruntowym. Parametry geotechniczne podłoŜa gruntowego zostały określone

na podstawie badań terenowych: sondowań statycznych CPTU oraz wierceń badawczych

wykonanych w czerwcu i lipcu 2005 r. Warunki gruntowe, na których zaprojektowano posado-

wienia nasypu drogowego naleŜy uznać za złoŜone. Do głębokości około 8 m p.p.t zalegały

warstwy gruntów słabonośnych w postaci namułów i torfów. PoniŜej tych gruntów występowały

piaski drobne oraz średnie, rzeczne w stanie średniozagęszczonym o średnim I D = 0,60. Analiza

stateczności skarpy przeprowadzona została dla dwóch wariantów materiału, dostępnych do

zbudowania nasypu drogowego. Wariant I zakładał, Ŝe nasyp zostanie wykonany z materiału

331

Geotechnika

niespoistego (piaski drobne i średnie) o cięŜarze właściwym 18,0 kN/m 3 oraz wariant II przewi-

dywał, Ŝe nasyp drogowy będzie wykonany z materiału spoistego (piasku gliniastego/gliny

piaszczystej) o cięŜarze właściwym 20,0 kN/m 3 . Wyniki przeprowadzonych analiz wykazały

jednoznacznie brak stateczności ogólnej skarp nasypu w obu rozwaŜanych wariantach. Obliczo-

ne współczynniki bezpieczeństwa wyniosły F ~ 0,70÷0,85. Wymagany współczynnik bezpie-

czeństwa powinien wynosić, co najmniej 1,3 (zalecany normami niemieckimi DIN-4084),

a zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu z 2.03.1999 r. Dz. U. 99.43.430) F≥1,5.

Dodatkowo stwierdzono, iŜ w obszarach, w których zalegają miąŜsze pokłady gruntów organi-

cznych poza duŜym prawdopodobieństwem utraty stateczności obliczone osiadania znacznie

przekraczały wartości dopuszczalne.

Rys. 2. Przekroje obliczeniowe dla nasypów w km 4+800

Następne obliczenia stateczności skarp nasypów wykonano w marcu 2007 r. i obejmowały

obszar bardzo wysokiego nasypu drogowego w km 3+450÷4+150 [2]. Przekrój obliczeniowy

zlokalizowano w km 3+868 obwodnicy. Parametry geotechniczne podłoŜa gruntowego zosta-

ły określone na podstawie archiwalnych badań terenowych wykonywanych podczas budowy

nasypu w ramach prowadzonych badań geotechnicznych (w okresie od stycznia 2006 r. – do

lutego 2007 r.) oraz z danych otrzymanych od Wykonawcy. Obliczenia stateczności przepro-

wadzono równieŜ za pomocą programu „SKARPA dla Windows”.

Obliczenia stateczności nasypu drogowego posadowionego na podłoŜu mineralnym (piaski

średnie) wykonano dla charakterystycznego przekroju połoŜonego w km 3+868.17 (o wyso-

kości 17,7 m).

W przedmiotowym przekroju (uformowanym nasypie) warunki gruntowe przedstawiały się

następująco:

– grunty budowlane o zróŜnicowanym składzie i stanie tj. zarówno grunty spoiste i mało-

spoiste (gliny piaszczyste i piaski gliniaste) w stanie generalnie twardoplastycznym, jak

i grunty niespoiste (piaski drobne – w stanie średniozagęszczonym i zagęszczonym);

– poniŜej, w rodzimym podłoŜu, występują piaski średnie w stanie średniozagęszczonym.

Ze względu na niejednorodny skład materiału wbudowanego w nasyp wykonano obliczenia

w róŜnych konfiguracjach parametrów geotechnicznych, z uwzględnieniem obciąŜenia od ruchu

drogowego na poziomie 25 kPa.

Do obliczenia stateczności, ze względu na budowę nasypu, opracowano cztery charaktery-

styczne przekroje obliczeniowe, o następujących parametrach geotechnicznych:

PRZEKRÓJ nr I – jednorodny nasyp budowlany, z piasków drobnych na pograniczu piasków

gliniastych o

[kN/m 3 ] = 19,5;

u [º] = 20,0; C u [kPa] = 8,5; Hkb [m] = 1,0.

332

Wojtasik A. T. i inni: Awaria skarp wysokich nasypów oraz gł ę bokich wykopów na przykładzie...

u [º] = 22,0; C u [kPa] = 10,0; Hkb [m] = 1,0.

PRZEKRÓJ nr III – nasyp budowlany zbudowany z:

– piasków drobnych o

[kN/m 3 ] = 19,5;

[kN/m 3 ] = 17,5;

u [º] = 30,9; C u [kPa] = 0,0; Hkb [m] = 0,5 (od

góry nasypu do głębokości 5,0 m);

– piasków gliniastych na pograniczu gliny piaszczystej o

u [º] = 14,8;

C u [kPa] = 17,0; Hkb [m] = 1,5 (od 5,0 do 17,7 m – tj. do podstawy nasypu);

PRZEKRÓJ nr IV – jednorodny nasyp budowlany, z piasków gliniastych na pograniczu gliny

piaszczystej o g [kN/m 3 ] = 21,5; f u [º] = 14,8; C u [kPa] = 17,0; Hkb [m] = 1,5.

W podłoŜu nasypu przyjęto parametry geotechniczne dla rodzimych piasków średnich w sta-

nie średniozagęszczonym (tj. g [kN/m 3 ] = 18,5; f u [º] = 33,3; C u [kPa] = 0,0; Hkb [m] = 0,3).

PoniŜej przedstawiono schematycznie profil obliczeniowy (przekrój I)

[kN/m 3 ] = 21,5;

Rys. 3. Przekrój obliczeniowy dla nasypu w km 3+868

Prezentując i opisując wyniki wykonanych obliczeń stateczności skarp, wyróŜniono dwie

moŜliwości zniszczenia skarpy:

a) utratę stateczności ogólnej skarpy w postaci osuwiska, obejmującego masyw całej skar-

py bądź znacznej jej części;

b) zsuw powierzchniowy (zwany czasami „wyłuszczeniem”) obejmujący powierzchniowe

partie całej skarpy bądź jej części.

NaleŜy podkreślić, Ŝe obie postacie zniszczenia skarpy mogą prowadzić do katastrofy

budowlanej, mogącej powodować znaczne straty materialne a w skrajnej sytuacji wypadki

z udziałem ludzi.

Wyniki obliczeń (minimalne współczynniki) stateczności skarpy przedstawiono w tabeli.

Tablica 1. Wartości obliczeniowe współczynników stateczności skarpy nasypu w km 3+868.

Nr przekroju

Metoda szwedzka

(Felleniusa)

Uproszczona metoda

Bishopa

Metoda Morgensterna-

Price'a

0,96

1,02

1,01

1,08

1,15

1,14

III

0,87

0,88

0,87

0,93

0,98

Na podstawie powyŜszych wyników moŜna ocenić, przyjmując terminologię zaproponowa-

ną przez Instytut Techniki Budowlanej, Ŝe w kaŜdym z analizowanych przekrojów oblicze-

niowych (geotechnicznych) stwierdzono bardzo prawdopodobn ą utrat ę stateczno ś ci ogólnej

oraz stateczno ś ci powierzchniowej.

333

PRZEKRÓJ nr II – jednorodny nasyp budowlany, z piasków drobnych na pograniczu piasków

gliniastych o

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: