Problemy projektowe wymiarowania głębokich budowli podziemnych.pdf

budownictwo podziemne

wymiarowania głębokich

budowli podziemnych

ziemnych posiada swoją specyfikę i najczęściej wiąże

się z koniecznością rozwiązania szeregu złożonych

i trudnych problemów inżynierskich [5], [9], [10]. Obliczenia

statyczne i wymiarowanie silnie związane są z przyjętym

modelem podłoża gruntowego oraz opisującymi grunt pa-

rametrami geotechnicznymi. Dodajmy, że najczęściej pod-

stawą obliczeń konstrukcyjnych są normowe wartości para-

metrów geotechnicznych, ustalone w oparciu o tzw. cechy

wiodące określające genezę, rodzaj i stan fizyczny gruntu.

Normowe określenie wartości parametrów geotechnicznych,

a w szczególności parametrów wytrzymałościowych jest pro-

ste i polega na odczytaniu odpowiednich wartości z tablic,

wykresów lub wzorów obliczeniowych podanych w normach

geotechnicznych [7], [8]. Alternatywą normowej metody okre-

ślania wartości parametrów geotechnicznych jest ich zbadanie

w stosunkowo drogich i skomplikowanych testach polowych

lub laboratoryjnych.

Należy również zauważyć, że zachowanie się tych kon-

strukcji w kolejnych etapach ich realizacji, a później w okresie

eksploatacji jest różne i zależy od wielu czynników, w tym

od zmieniającego się schematu statycznego poszczególnych

elementów konstrukcyjnych. Dotyczy to zwłaszcza ścian ze-

wnętrznych wykonanych w technologii ścian szczelinowych

oraz płyt stropowych i fundamentowej płyty dennej.

Celem referatu jest ukazanie różnic w wynikach obliczeń sta-

tycznych i wymiarowaniu głębokich konstrukcji podziemnych

w zależności od przyjętych założeń projektowych, na przykładzie

wielopoziomowego parkingu podziemnego położonego na tere-

nie placu Wolności w Poznaniu, którego podłożem budowlanym

są iły plioceńskie. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe wyko-

nano dla różnych wartości parametrów gruntowych.

Główne założenia konstrukcyjne i realizacyjne par-

kingu podziemnego

Projektowany obiekt zlokalizowany jest w centrum Po-

znania na placu Wolności. Jest to plac o wymiarach ok.

50 x 200 m. Otoczenie placu stanowią budynki użyteczno-

ści publicznej i banki powstałe przed I i II wojną świato-

wą. Trójkondygnacyjny, podziemny obiekt zaprojektowano

w formie szczelnego, monolitycznego zbiornika żelbetowego

(rys. 2), którego głównymi nośnymi elementami konstrukcyj-

nymi są: szczelinowe ściany zewnętrzne i wewnętrzne, płyta

stropowa poziomu placu, stropy międzykondygnacyjne oraz

płyta denna.

Stropy pośrednie oraz strop poziomu zerowego zaprojekto-

wano w układzie konstrukcyjnym słupowo-płytowym i oparto

na wewnętrznych słupach oraz na podłużnych ścianach szcze-

linowych. Stropy wewnętrzne stanowią jednocześnie ram-

Rys. 1. Przekrój projektowanego parkingu podziemnego

Nazwa

Parametry geotechniczne dla war-

stwy:

Parametry geotechniczne podłoża gruntowego

W miejscu projektowanej konstrukcji podziemnej, tj. pod pla-

cem Wolności w Poznaniu, podłoże gruntowe zbudowane jest

zasadniczo z dwóch warstw: gliny zwałowej zlodowacenia środ-

kowopolskiego i iłów trzeciorzędowych (plioceńskich). Poglądo-

wy plan i przekrój geologiczny w rejonie projektowanego parkin-

gu pokazano na rys. 1.

Z przeprowadzonych badań geologiczno-inżynierskich

[1], [2] wynika, że obie warstwy tworzą grunty w stanie twar-

doplastycznym zbliżonym do półzwartego (I L ≈0,05). Dla

warstwy iłu, w której zaprojektowano zamocowanie ścian

szczelinowych parkingu, średnie wartości parametrów wytrzyma-

łościowych określone metodą normową wynoszą: C u = 56 kPa,

ϕ u = 12 o ; natomiast wyznaczone w testach bezpośrednich:

C u * = 89 kPa, ϕ u * = 9 o . Wartości podstawowych parametrów geo-

technicznych zestawiono w tab. 1.

parametr

I – górnej (glina) II – dolnej (ił)

ciężar objętościowy

γ [kN/m 3 ]

21,9*) 21,0*)

moduł odkształcenia

E [MPa]

52,5

24,0 / 23,5*)

współczynnik Poissona

ν [ – ]

0,25

0,37

spójność

C u [kPa]

56,0 / 89,0*)

kąt tarcia wewnętrznego

ϕ u [ o ]

12,0 / 9,0*)

Tab. 1. Parametry geotechniczne podłoża gruntowego

*) wartości uzyskane w bezpośrednich testach wytrzymałościowych w la-

boratorium

36 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 04/2005 (07)

budownictwo podziemne

Problemy projektowe

P rojektowanie i wykonawstwo głębokich budowli pod-

budownictwo podziemne

Rys. 2. Rzut poziomu zerowego konstrukcji parkingu pod placem Wolności w Poznaniu

py wjazdowe parkingu. Wjazd do parkingu zaprojektowano

w połowie długości obiektu w północnej ścianie podłużnej.

W szczytowej części zachodniej parkingu zaprojektowano śli-

makową rampę wyjazdową.

Podstawowe wymiary parkingu podziemnego: całkowita

długość – 145,0 m, podstawowa szerokość – 28,5 m, maksy-

malna szerokość obiektu – 45,0 m, głębokość użytkowa do

górnego poziomu płyty fundamentowej – 11,0 m, osiowy roz-

staw słupów w kierunku poprzecznym – 2 x (4,50-7,50-4,50) m,

natomiast w kierunku podłużnym – 7,50 m.

Ściany szczelinowe mają grubość 0,80 m. Słupy zapro-

jektowano jako żelbetowe, monolityczne, o przekrojach

prostokątnych: słupy dolnej kondygnacji 0,40 x 0,50 m

oraz 0,50 x 0,50 m, pozostałe 0,40 x 0,40 m oraz 0,45 x 0,45 m.

Stropy międzykondygnacyjne poziomu –1 i –2 mają grubości

0,20 m, a strop poziomu zerowego 0,35 m. W obszarach gło-

wicowych słupów o długości 2,0 m w kierunku poprzecz-

nym oraz 2,20 m w kierunku podłużnym parkingu podwojo-

no grubości płyt stropowych, konstruując głowice stropowe.

Posadowienie słupów obiektu zaprojektowano jako bez-

pośrednie na żelbetowych, monolitycznych stopach funda-

mentowych. Wymiary podstawowych stóp fundamentowych

w rzucie poziomym 3,00 x 3,00 m oraz lokalnie 2,50 x 2,50 m

i 3,50 x 3,50 m. Rzędne posadowienia stóp fundamentowych

są zmienne w zakresie od 11,25 do 13,65 m.

Ściany szczelinowe, stanowiące wewnętrzną i zewnętrzne

przegrody pionowe parkingu, wykorzystano jako podpory

płyt stropowych. Rzędna posadowienia ścian, z uwagi na ram-

powy układ stropów, jest zmienna na obwodzie obiektu i wy-

nosi od –14,25 do –6,65 m.

Konstrukcję parkingu zaprojektowano w monolitycznej

technologii żelbetowej z betonu klasy B37 zbrojonego stalą że-

browaną klasy A-IIIN o znaku BSt500S. Ponadto ściany szcze-

linowe zaprojektowano z betonu hydrotechnicznego W-8.

Wykonywanie obiektu podzielono na 7 zasadniczych faz reali-

zacji i eksploatacji, dla których przyjęto odpowiednie modele

obliczeniowe. W projekcie przyjęto, że konstrukcja rozporo-

wa, zabezpieczająca stateczność ścian szczelinowych w fazach

głębienia wykopu, będzie zrealizowana z wykorzystaniem na-

stępujących elementów konstrukcyjnych:

• fragmentów docelowych stropów poziomu zerowego i po-

ziomów –1 oraz –2,

• żelbetowych stropów tymczasowych w obszarze ślimako-

wej pochylni wyjazdowej,

• stalowej konstrukcji rozpór i oczepów tymczasowych za-

stosowanych na 2 poziomach.

Ze względu na rampowy układ stropów i płyty dennej

obiektu parkingu, w obszarach górnego i dolnego poziomu

konstrukcji rozparcia istnieją różnice poziomów dochodzące

do 1,50 m. Na rys. 3 przedstawiono wybrany przekrój po-

przeczny parkingu z zaznaczeniem lokalizacji żelbetowych

stropów docelowych i tymczasowej stalowej konstrukcji roz-

porowej, zaznaczonej linią przerywaną.

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 04/2005 (07)

budownictwo podziemne

budownictwo podziemne

Rys. 3. Przekrój poprzeczny parkingu

Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe konstruk-

cji parkingu

Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe konstrukcji ściany

szczelinowej wykonano dla siedmiu faz budowy, uwzględniając

wytyczne projektowe zawarte w pracach [3], [6].

Poszczególne fazy uwzględnione w obliczeniach statyczno

-wytrzymałościowych to:

faza I – ściana wykonana do pełnej głębokości, wykop do po-

ziomu –1;

faza II – ściana wykonana do pełnej głębokości, wykop do po-

ziomu –2, założone tymczasowe rozpory poziomu gór-

nego;

faza III – ściana wykonana do pełnej głębokości, wykop do po-

ziomu –3, założone tymczasowe rozpory poziomów

górnego i dolnego;

faza IV – ściana wykonana do pełnej głębokości, założone tym-

czasowe rozpory poziomów górnego i dolnego, wyko-

nana płyta fundamentowa;

faza V – ściana wykonana do pełnej głębokości, założone tym-

czasowe rozpory poziomu górnego, wykonane: płyta

fundamentowa oraz strop poziomu –2;

faza VI – ściana wykonana do pełnej głębokości, wykonane:

płyta fundamentowa, strop poziomu –2 oraz strop

poziomu –1;

faza VII – ściana wykonana do pełnej głębokości, wykonane: pły-

ta fundamentowa, strop poziomu –2, strop poziomu –1

oraz strop poziomu zerowego.

Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe konstrukcji par-

kingu wykonano, przyjmując następujące założenia oblicze-

niowe:

• parametry geotechniczne podłoża wg tab. 1, pkt 2;

• parcie gruntu zmienne: od wartości parcia granicznego, po-

przez wartości pośrednie, do parcia spoczynkowego w zależ-

ności od aktualnej fazy pracy konstrukcji;

• odpór graniczny podzielony przez uogólniony współczynnik

o wartości 1,50;

• obciążenie naziomu i płyty poziomu zerowego – 20,0 kN/m 2 ;

• obciążenie stropów międzykondygnacyjnych – 5,0 kN/m 2 ;

• beton klasy B37 zbrojony stalą żebrowaną klasy A-IIIN o zna-

ku BSt500S.

Przy wyznaczeniu długości ściany szczelinowej zastosowano

metodę Jamesa i Jacka [4] – rys. 4. W rezultacie otrzymano głębo-

kość ściany oraz reakcje w miejscu podparcia ściany rozporami.

Rozpatrzono dwa etapy pracy: etap I, gdy wykonany jest tylko

1. rząd rozpór, oraz etap II, po wykonaniu 2. rzędu rozparcia

konstrukcji ściany. Dla I etapu uzyskano równania:

(1)

gdzie: P a – parcie gruntu na ramieniu z a ,

P b – odpór gruntu na ramieniu z b ,

R – reakcja rozpory odległa o z r od poziomu gruntu.

Dla II etapu uzyskano następujące warunki równowagi:

(2)

gdzie: R 1 , R 2 , z R1 , z R2 – odpowiednio reakcje R i na ramieniach

z Ri w rozporach.

Wartości parcia P a i odporu gruntu P b wyznaczono w funkcji

głębokości wykopu h w . Uzyskano w ten sposób dwa rów-

nania, w których niewiadomymi są h i z R . Przy wyznaczaniu

głębokości ściany kluczową sprawą są wartości przyjętych pa-

rametrów geotechnicznych, jak również liczba i położenie roz-

pór. Obliczenia wykonano komputerowo przy wykorzystaniu

programu własnego ŚCIANA-SZCZELINOWA.

W obliczeniach ściany szczelinowej, traktowanej jako pręt

osadzony w sprężystym podłożu, obciążony siłami poziomy-

mi, oddziaływania gruntu oraz rozpór były zastąpione przez

podpory sprężyste o odpowiedniej podatności. Przy takim za-

łożeniu stosunkowo dokładnie wyznaczono siły wewnętrzne

w konstrukcji oraz oszacowano jej przemieszczenia. Założono,

że grunt jest ośrodkiem spełniającym zależność:

(3)

gdzie: P z – nacisk poziomy wywierany przez ścianę na grunt

na głębokości z,

C z – współczynnik proporcjonalności odkształceń pod-

łoża,

y z – przemieszczenie poziome ściany na głębokości z.

38 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 04/2005 (07)

budownictwo podziemne

budownictwo podziemne

Wartości współczynnika odkształcalności podłoża C z wyzna-

czono w funkcji modułu odkształcalności gruntu E 0 wg wzoru:

Wykres zależności C z od rzędnej głębokości wykopu przyję-

to jako uśredniony w postaci paraboli, zgodnie z rys. 5.

Podpory ściany szczelinowej poniżej dna wykopu zastą-

piono oddziaływaniem gruntu, w jednakowym rozstawie

l p = 0,50 m. Współczynniki sprężystości podpór K i przyjęto

wg wzorów (5). Obliczenia statyczne wykonano komputero-

wo przy wykorzystaniu programu analizy statycznej RM-WIN,

wprowadzając do modelu obliczeniowego wartości sprężysto-

ści podpór wyznaczonych ze wzorów (5). W zależności od

fazy pracy ściany szczelinowej jako obciążenie poziome ścia-

ny przyjęto parcie graniczne, pośrednie czy wreszcie spoczyn-

kowe w ostatniej fazie pracy – fazie eksploatacji.

Rys. 4. Schemat statyczny do metody Jamesa i Jacka dla I i II etapu rozparcia

ściany: a – etap I (1 rząd rozpór), b – etap II (2 rzędy rozpór)

(5)

Wyniki przeprowadzonych obliczeń numerycznych długości

zakotwienia ściany z warunku jej stateczności w poszczegól-

nych, charakterystycznych przekrojach poprzecznych parkin-

gu zestawiono w tab. 2. Podano w niej ponadto pozostałe

wyniki obliczeń statycznych. Wartości długości zakotwienia

podano dla dwóch wariantów obliczeń: normowych oraz rze-

czywistych wartości parametrów wytrzymałościowych gruntu

otrzymanych z badań.

Rys. 5. Rozkład wartości współczynnika odkształcalności podłoża C z

Przemiesz-

czenie

ściany [mm]

A-B - / 17.6 542 6,4

D-E 21.2 / 17.2 461 7,5

G-H 19.8 / 15.8 376 5,9

L-M (południe) 17.6 / 13.6 262 7,9

L-M (północ) 14.4 / 11.4 193 7,4

O-P 16.1 / 14.1 167 6,8

Tab. 2. Zestawienie wyników obliczeń

Wyniki obliczeń numerycznych

Wysokość

ściany

[m]

Wnioski

Przeprowadzone obliczenia statyczno-wytrzymałościowe

oraz uzyskane na ich podstawie rezultaty dla podziemnej

konstrukcji parkingu pod placem Wolności w Poznaniu, po-

sadowionej na iłach poznańskich, wykazały znaczną „czułość”

procesu projektowania ścian szczelinowych na zastosowane

w obliczeniach wartości parametrów wytrzymałościowych

gruntów. Uwzględnienie rzeczywistych wartości parametrów

geotechnicznych, a w szczególności wpływu spójności c u

i kąta tarcia wewnętrznego ϕ u – znacznie wyższych od warto-

ści normowych – pozwoliło na istotne zmniejszenie długości

projektowanych ścian szczelinowych zamocowanych w pod-

łożu gruntowym. Znacznie mniejszy wpływ przyjętych warto-

ści parametrów geotechnicznych uzyskano na stan graniczny

nośności i użytkowalności konstrukcji ściany szczelinowej.

W przypadku projektowania głęboko posadowionych obiek-

tów budowlanych na iłach poznańskich konieczne jest usta-

lenie rzeczywistych wartości wytrzymałościowych parame-

trów geotechnicznych na podstawie bezpośrednich testów

wytrzymałościowych w terenie lub w laboratorium. Dodajmy,

że szereg zrealizowanych, głęboko posadowionych na iłach

poznańskich obiektów budowlanych w Poznaniu potwierdza

słuszność proponowanego w pracy podejścia obliczeniowego

oraz istniejącą rozbieżność normowych i rzeczywistych warto-

ści parametrów wytrzymałościowych iłu poznańskiego. 

[2] Florkiewicz A., Troć M.: Problemy piętrzenia wód gruntowych

na przykładzie głębokiego posadowienia obiektów w Pozna-

niu. Inżynieria i Budownictwo 7/2002.

[3] Grzegorzewicz K., Kłosiński B.: Warunki techniczne wykony-

wania ścian szczelinowych. Warszawa, IBDiM 2003.

[4] Jarominiak A.: Lekkie konstrukcje oporowe. Warszawa ,WKŁ

2000.

[5] Michalak H., Pęski S., Pyrak S., Szulborski K.: O wpływie wy-

konywania wykopów głębokich na zabudowę sąsiednią. Inży-

nieria i Budownictwo 1/1998, s.12-15.

[6] Piaskowski A.: Wytyczne projektowania i wykonywania funda-

mentów szczelinowych. ITB 230/1980.

[7] PN-81/B-03020 Posadowienie bezpośrednie budowli. Oblicze-

nia statyczne i projektowanie.

[8] PN-B-04452:2002. Geotechnika. Padania polowe.

[9] Runkiewicz L.: Zasady realizacji budowli o głębokich posado-

wieniach w centrach miast. XLVI Konf. Naukowa KILiW PAN

i KN PZITB, Wrocław-Krynica 2000, s. 397-412.

[10] Wysokiński L., Kotlicki W., Motak E.: Zagadnienia geotech-

niczne w realizacji inwestycji w gęstej zabudowie. Inżynieria

i Budownictwo 10/1999, s.579-583.

autor

Referat został wygłoszony podczas Międzynarodowej Kon-

ferencji „Budownictwo Podziemne 2005” Kraków, wrzesień

2005, oraz zamieszczony w kwartalniku „Górnictwo i Geo-

inżynieria”.

LITERATURA

[1] Florkiewicz A.: Dokumentacja geologiczno-inżynierska dla bu-

dowy garażu podziemnego w Poznaniu na placu Wolności.

Poznań, Politechnika Poznańska 2001.

prof. nadzwyczajny dr hab. inż. Antoni Florkiewicz,

dr inż. Jacek Ścigałło

Politechnika Poznańska

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 04/2005 (07)

budownictwo podziemne

(4)

Przekrój

poprzeczny

parkingu

Moment

zginający

[kNm]

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: