AWARIA BUDOWLANA PRZY BUDOWIE PRZEPRAWY MOSTOWEJ.pdf

Dr inŜ. Marek ŚWIECA

Mgr inŜ. Krzysztof WALCZAK

Instytutu Techniki Budowlanej w Warszawie

AWARIA BUDOWLANA PRZY BUDOWIE PRZEPRAWY

MOSTOWEJ

GEOTECHNICAL FAILURE ON BRIDGE CONSTRUCTION

Streszczenie Obiekt mostowy zlokalizowano w dolinie rzeki Kwisy w pobliŜu jej ujścia do Bobru. W trakcie

wykonywania robót budowlanych podpór mostu, w dnie wykopów fundamentowych wystąpiły przebicia

hydrauliczne, spowodowane niekontrolowaną filtracją wód gruntowych z dolnego poziomu wodonośnego.

Rozluźnienie podłoŜa stworzyło zagroŜenie stateczności dla, posadowionych bezpośrednio, części fundamentów

filarów i skrzydełek oporowych przyczółków mostu. W niniejszym referacie przeanalizowano przyczyny

powstania awarii. W ramach analiz przeprowadzono obliczenia stateczności podłoŜa gruntowego z

zastosowaniem nowej normy PN-EN 1997-1: „Projektowanie geotechniczne” . Opisano równieŜ metody oraz

przebieg prac ratunkowych.

Abstract The bridge is localized at Kwisa river valley close to its estuary to Bobr river. Hydraulic failure

caused by filtration of water from artesian level damaged the soil around bridge supports. Internal erosion in the

soil base endangered the stability of abatements and piers. Causes of the failure have been analyzed according to

PN-EN 1997-1 “Geotechnical design”.

1. Informacje ogólne o obiekcie

Opisany problem dotyczy obiektu mostowego, znajdującego się na przebudowywanym

odcinku drogi krajowej w dolinie rzeki Kwisy. Kwisa jest dopływem Bobru i przepływa z

północy na południe przez obszar województw dolnośląskiego i lubuskiego, z Sudetów

Zachodnich na Nizinę Śląsko- ŁuŜycką. Nowy, dwuprzęsłowy most drogowy nad Kwisą

oparto na trzech podporach - dwóch przyczółkach i jednym filarze środkowym. Podpory

zlokalizowano w miejscu niedokończonych, poniemieckich konstrukcji, z okresu wojny.

Fundamenty starych podpór posadowione były bezpośrednio w piaskach tarasu doliny rzeki.

Fundamenty nowych filarów oparto na wielkośrednicowych palach średnicy 1500 mm i

długości 13,5 m (10 m. poniŜej poziomu płyty fundamentowej). Aby wykonać płytę

oczepową na głowicach pali, na obwodzie kaŜdej z planowanych podpór wbito stalową

ściankę szczelną. Przekrój filara środkowego pokazano na rys. nr 1.

W rejonie przeprawy, do głębokości 3,5 m ppt, występują utwory czwartorzędowe,

złoŜone ze średniozagęszczonych osadów rzecznych, głównie piasków i pospółek z płatami

plastycznych glin madowych. Taki płat utworów madowych udokumentowano na głębokości

ok. 5 – 6 m poniŜej poziomu terenu.

511

Rys. 1. Przekrój poprzeczny filara mostu

W poziomie posadowienia pali stopień zagęszczenia podłoŜa określono na Id > 0,8.

Przekrój geologiczny przez dolinę Kwisy w rejonie mostu pokazano na rysunku nr.2

Rys. 2. Przekrój geologiczny doliny Kwisy w rejonie przeprawy

2. Warunki hydrogeologiczne

W rejonie budowy mostu stwierdzono istnienie dwóch niezaleŜnych poziomów

wodonośnych. Woda gruntowa pierwszego poziomu wodonośnego występowała w strefie

przypowierzchniowych osadów piaszczystych (powyŜej przekładki gruntów spoistych) i

miała zwierciadło swobodne, związane z rzeką. Wody z tego poziomu spływały w kierunku

koryta rzeki, która w okresie bezpośrednio poprzedzającym budowę miała charakter

drenujący. Wahania lustra wody w tej warstwie zaleŜały głównie od stanów rzeki.

512

Występowanie wody gruntowej drugiego poziomu wodonośnego stwierdzono w obszarze

osadów piaszczysto- Ŝwirowych znajdujących się pod warstwą gruntów spoistych, tj. ok. 5-6

m poniŜej terenu. Pierwotne rozpoznanie hydrogeologiczne, które posłuŜyło do sporządzenia

dokumentacji projektowej nie wykazało róŜnic w piezometrycznych wysokościach ciśnień

wód gruntowych w obu poziomach wodonośnych. Zaznaczone na rysunku nr 2, nawiercone i

ustabilizowane zwierciadła wód gruntowych, które przyjęto w projekcie, znajdują się na tym

samym poziomie, poniŜej terenu. W rzeczywistości ciśnienie piezometryczne wód

gruntowych II poziomu wodonośnego było znacznie wyŜsze i przewyŜszało w kilku

miejscach rzędne terenu. Wody te miały wszelkie cechy wód artezyjskich.

Błąd w rozpoznaniu prawdziwych warunków hydrogeologicznych zawaŜył na całym cyklu

wykonawczym i stał się przyczyną powstania zagroŜeń dla stateczności wznoszonych

obiektów mostowych oraz spowodował konieczność wykonania prac ratunkowych.

Wykonane, w trakcie robót budowlanych, dodatkowe badania hydrogeologiczne

udokumentowały istnienie wód artezyjskich w 12 piezometrach zafiltrowanych w dolnej

warstwie wodonośnej. Lustro wody w piezometrach stabilizowało się nawet na wysokości 1,6

m ponad terenem. Na podstawie pomiarów ciśnień piezometrycznych sporządzono mapę

hydroizohips dla obszaru budowy, której fragment pokazano na rys nr 3.

Rys. 3. Mapa hydroizohips wód podziemnych w rejonie budowy mostu

Wynika z niej, Ŝe ruch tych wód gruntowych II poziomu wodonośnego odbywa się z

północy na południe, czyli w kierunku przeciwnym niŜ ruch wody w rzece. Świadczy to o

niezaleŜności obu poziomów wód gruntowych. (GT-Projekt2006) .

513

Przyjmując średni poziom spągu warstwy oddzielającej pokłady wodonośnej na rzędnej

129,5 m npm oraz poziom piezometryczny zwierciadła, znajdującej się pod nią wody

gruntowej na rzędnej 135,70 m npm otrzymujemy, Ŝe ciśnienie wywierane od spodu na

cienką warstwę przekładkową przekracza 6 m słupa wody. Związane z nim parcie

hydrostatyczne równowaŜone jest przez słup wody w obszarze górnego poziomu

wodonośnego oraz nadkład gruntu. W sytuacji naruszenia tego układu, poprzez odciąŜenie

nadkładu gruntu wykopami, pompowanie wody z dna wykopów, przebicie warstwy

napinającej palami i stalowymi grodzicami, równowaga sił moŜe ulec zachwianiu.

Konsekwencją zaistnienia kaŜdego z wymienionych wyŜej czynników jest wzrost gradientu

ciśnienia w obszarze cienkiej warstwy napinającej. Długotrwałe utrzymywanie stanu

zachwiania równowagi prowadzi do wzrostu przepływu filtracyjnego a w efekcie do przebić

hydraulicznych i sufozji.

3. Przebieg prac budowlanych

Wykopy budowlane pod nowe obiekty odwadniano poprzez bezpośrednie pompowanie

wody z dna. JuŜ w trakcie rozbiórek starych fundamentów wykonawca napotkał na trudności

z powodu bardzo duŜych ilości wody napływającej z dna wykopów (rys.4). Podczas robót

fundamentowych, ścianki szczelne i pale duŜych średnic przebiły warstwę izolującą, a duŜe

ciśnienie spowodowało, Ŝe wody II poziomu wodonośnego znalazły uprzywilejowane drogi

filtracji wzdłuŜ pobocznic pali i powierzchni grodzic (rys.5).

Rys. 4. Rozbiórki starych fundamentów Rys. 5. Pale wewnątrz stalowej ścianki szczelnej

Początkowo ruch wody koncentrował się wewnątrz stalowych gródz.. Towarzyszyło temu

sufozyjne wynoszenie drobnych frakcji gruntu. Bezpośrednio przed zalaniem płyt

fundamentowych do wykopu napływała woda w ilości 35 m 3 /h. Przy wykonywaniu

konstrukcji fundamentów (zbrojenie i betonowanie), oprócz bezpośredniego pompowania z

dna, wykonawca robót wprowadził dodatkowo okresowe, krótkotrwałe odwadnianie

igłofiltrami. KaŜdorazowe wyłączenie pomp wiązało się z zalaniem wykopów wodą. Po

zabetonowaniu płyt fundamentowych na głowicach pali, wypływy na powierzchnię pojawiły

514

po zewnętrznej stronie gródz, a woda wynosiła małe ilości drobnego piasku. Ilość

wypłukiwanego przez wodę piasku z biegiem czasu malała. Sączenia i przecieki wody

wewnątrz ścianki szczelnej widoczne były nadal na styku stalowych grodzic i betonu.

Koncentrowały się w miejscach wydzielonych przez wykonawcę w czasie betonowania

fundamentów dla odpompowywania do rzeki przecieków. W miarę upływu czasu wynoszenie

na powierzchnię cząstek gruntu ustało całkowicie. Źródliska jednak pozostały, a ich

wydajność nie malała. W trakcie trwania robót i po ich zakończeniu, tj od września 2005 do

czerwca 2006, powoływano komisje eksperckie i wykonano badania w celu określenia

zagroŜeń dla budowli, wywołanych przez niekontrolowaną filtrację. Wiercenia i sondowania

kontrolne nie wykazały rozluźnienia gruntu w poziomie posadowienia pali. Jednak zmiany w

strukturze gruntów zalegających płycej, były w tych warunkach nie do uniknięcia a ich zasięg

mógł się powiększać z biegiem czasu. W tej sytuacji podjęto decyzję o konieczności

wykonania przy podporach dodatkowych prac zabezpieczających, mających na celu:

- obniŜenie ciśnienia piezometrycznego II poziomu wodonośnego,

- uszczelnienie warstwy napinającej zwierciadło wody II poziomu wodonośnego wokół

ścianek szczelnych na zewnątrz obrysu fundamentów,

- zlikwidowanie przecieków na styku stalowych grodzic i betonu wewnątrz ścianek

szczelnych

4. Dodatkowe zabezpieczenia podpór mostu

Projektem i jego realizacją zajął się Zakład Geotechniki i Fundamentowania Instytutu

Techniki Budowlanej. Przyjęte rozwiązanie ratunkowe polegało na ujęciu wód artezyjskich

systemem studni drenaŜowych, łączących dwie warstwy wodonośne oraz iniekcyjnym

doszczelnieniu miejsc filtracji, zarówno na zewnątrz jak i wewnątrz stalowych gródź. Zadanie

było trudne, a ryzyko niepowodzenia duŜe ze względu na nieregularne i niemoŜliwe do

oszacowania pustki i ubytki w obrębie naruszonej warstwy nieprzepuszczalnej oraz duŜe

ciśnienie i przepływ filtracyjny z drugiego poziomu wodonośnego. Warunkiem powodzenia

było spowolnienie ruchu wody, tj. znaczna redukcja ciśnienia piezometrycznego dolnego

poziomu. Drugim warunkiem było znalezienie i zaaplikowanie tamponaŜowego materiału

iniekcyjnego zdolnego trwale wypełnić miejsca przebić. Koncepcja zabezpieczenia podpór

zakładała II etapowe wykonanie prac.

W I etapie, wokół podpór przewidziano wykonanie studni drenaŜowych rozmieszczonych

równomiernie w odległości ok. 2,5 m od ścianek szczelinowych wyznaczających granicę

fundamentów. Konstrukcja studni umoŜliwiała wprowadzenie do środka pomp w celu

wytworzenia w obrębie fundamentów depresji pozwalającej na wykonanie doszczelnienia

warstwy napinającej. Redukcja ciśnienia w obrębie warstwy napinającej musiała odbyć się

bardzo szybko i trwać jak najkrócej, aby ograniczyć zasięg depresji. Po zakończeniu prac,

studnie zafiltrowane w II poziomie wodonośnym, po obcięciu rur nadfiltrowych i przykryciu

szczelnymi pokrywami, miały pozostać w gruncie pełniąc rolę pionowego drenaŜu. Jednak

wobec znacznej róŜnicy wodoprzepuszczalności warstw tworzących oba poziomy

wodonośne, nie spodziewano się duŜej skuteczności tego drenaŜu. Dlatego nadmiar wód

filtracyjnych ujętych studniami miał być wprowadzony w warstwęnarzutów kamiennych

stanowiących zabezpieczenia brzegowe i odprowadzony bezpiecznie do rzeki.

W drugim etapie przewidywano wykonanie właściwej iniekcji uszczelniającej. Kryteria

doboru materiału do iniekcji ustalono w oparciu o ogólne wymagania stawiane preparatom

mającym bezpośredni kontakt z wodą pitną oraz własności szczególne, właściwe tylko temu

konkretnemu zastosowaniu, tj.: bardzo szybkiej reakcji z wodą, wysokiej elastyczności,

dobrej przyczepności do stali i ziaren mineralnych, niskiej lepkości pozwalającej na głęboką

515

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: