Intensywny rozwój infrastrukturalny kraju oraz coraz bardziej rygorystyczne uwarunkowania środowiskowe wymagają projektowania w trudnych warunkach gruntowych i wodnych. Dotyczy to także krytycznej infrastruktury podziemnej, w tym rurociągów tłoczących surowce paliwowe, takie jak ropa naftowa i gaz ziemny. Zadaniem inżyniera konstruktora oraz inżyniera geotechnika jest racjonalne oraz bezpieczne zaprojektowanie konstrukcji. W artykule omówione zostaną dwa nietypowe sposoby posadowienia rurociągu w gruntach organicznych.
Czytaj też:
- Gazociąg do naprawy
- Budowa gazociągu Strachocina-granica RP
- Budowa gazociągu do EC Żerań
- Izolacja termiczna instalacji w gruncie
Rys. 1. Układanie gazociągu – zdjęcie poglądowe (źródło: Gaz-System.pl)
Obowiązujące akty prawne, w szczególności rozporządzenie „w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych” z 25 kwietnia 2012 r. regulują metodologię postępowania przy projektowaniu w zakresie geotechniki. Dla rurociągów o dużych średnicach i/lub wysokich ciśnieniach ww. rozporządzenie mówi o „obiektach infrastruktury krytycznej” lub „nietypowych obiektach budowlanych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników, takie jak: obiekty energetyki, rafinerie, zakłady chemiczne…” klasyfikując je do tzw. trzeciej, najwyższej kategorii geotechnicznej. Kategoria ta reprezentuje wysoki poziom ryzyka geotechnicznego rozpatrywanej infrastruktury podziemnej nawet w prostych warunkach gruntowych i wodnych. Tym większą odpowiedzialnością obarczony jest przypadek takich obiektów budowlanych posadawianych w warunkach bardzo trudnych.
Rys. 2. Profil geotechniczny podłoża w okolicach cieku wodnego, charakteryzujący się występowaniem gruntów organicznych o dużych miąższościach.
Szczególnym przypadkiem trudnych warunków są rozległe torfowiska i doliny rzek (lub starorzeczy) o dużych miąższościach (rys. 2). Występujące tam grunty organiczne cechują się bardzo niskimi parametrami wytrzymałościowymi i małą sztywnością (lub inaczej mówiąc dużą odkształcalnością), zazwyczaj przy bardzo wysokim poziomie zwierciadła wody gruntowej. Stwarza to wiele problemów projektowych i wykonawczych.
Typowymi metodami postępowania w takich przypadkach są: wymiana gruntów, wzmocnienie podłoża z użyciem kolumn żwirowych lub betonowych czy posadowienie pośrednie na palach. Takie rozwiązania mogą być określone jako typowe. Rozwiązaniami nietypowymi są metody równoważenia naprężeń z wykorzystaniem materiałów lekkich, takich jak keramzyt lub polistyren ekstrudowany.
Metoda równoważenia naprężeń oparta jest na obserwacji, że proces posadowienia rurociągów z reguły nie wprowadza do podłoża znacznych przyrostów stanu naprężenia. Przy posadowieniu w gruntach mineralnych zmiany te nie mają istotnego wpływu ponieważ moduły odkształcenia gruntów mineralnych rzadko są niższe niż 5 MPa, a w większości przypadków przekraczają 10-20 MPa. Inaczej jest w gruntach organicznych, takich jak torfy, namuły czy gytie. Grunty te wykazują moduły odkształcenia od 200 kPa do kilku MPa. Jako grunty najbardziej odkształcalne uważane są świeże, w niewielkim stopniu rozłożone torfy. Gruntom tym zazwyczaj towarzyszy wysoki poziom wód gruntowych.
Rys. 3 Posadowienie rurociągu DN700 na geomateracu z wypełnieniem polistyrenem ekstrudowanym
W metodzie równoważenia naprężeń podstawowym założeniem jest doprowadzenie do odtworzenia stanu naprężenia w gruntach słabych z minimalną nadwyżką. Z pomocą przychodzą materiały lekkie, które są odporne na środowisko w których są zabudowywane. Przedstawione na rysunkach 3 i 4 dwa przypadki przewidywały zastosowanie polistyrenu ekstrudowanego w postaci płyt i keramzytu w postaci kruszywa. Ponieważ konieczne jest zapewnienie pracy całości konstrukcji, wypełnienie geomateraca musi zostać skrępowane opinką z geotkaniny. Możliwe jest zastosowanie w tej roli również innych geosyntetyków, takich jak geosiatki czy georuszty. W opince nie występują wysokie wartości sił rozciągających, ważna jest natomiast trwałość. Stąd każdorazowo należy sprawdzić zachowanie się materiałów w środowisku zabudowania.
Rozwiązanie przedstawione na rys. 3 cechuje bardzo wysoki poziom wyporu geomateraca. Dla zachowanie stateczności i przy okazji aby zwiększyć sztywność ustroju zastosowano warstwę płyt betonowych prefabrykowanych. Na płytach ułożono warstwę podsypki z gruntu niespoistego i rurociąg odpowiednio dociążony obciążnikami siodłowymi.
Drugie rozwiązanie cechuje znacznie niższy wypór. Keramzyt w porównaniu do XPS nie tylko posiada większy ciężar objętościowy ziaren, ale także wykazuje ok. 30-35% nasiąkliwość. Z drugiej strony ziarna dobrze się klinują i geomaterac zachowuje stateczność i dużą sztywność bez dociążenia płytami betonowymi.
Rys. 4 Posadowienie rurociągu DN700 na geomateracu z wypełnieniem keramzytem
W rozpatrywanych przypadkach należy sprawdzić odpowiednie stany graniczne. Stan graniczny nośności w zakresie GEO nie występuje ponieważ nie występuje przyrost naprężenia w podłożu. W zakresie konstrukcji rurociągu stan STR jest zależny m.in. od różnicy przemieszczeń (osiadań) i występuje zawsze jako konsekwencja przekroczenia równowagi spowodowanej wyporem (UPL).
Stan UPL jest stosunkowo prosty do sprawdzenia od strony rachunkowej. Należy jednak pamiętać, że cechy fizyczne materiałów podawane są przez producentów albo w widełkach, albo podawana jest wartość średnia przy nieznanych odchyleniach statystycznych. W drugim przypadku należy uzyskać dodatkowe informacje od producenta, albo wykonać badania. Analizując stan UPL należy pamiętać, że konsekwencje przekroczenia stanu granicznego są katastrofalne i pewne: nastąpi wyparcie rurociągu wraz z geomateracem. Stąd bezpieczną praktyką jest w tym przypadku kierunek niewielkiego dociążenia podłoża.
W zakresie stanu GEO precyzyjne wyznaczenie osiadań i różnic osiadań jest trudne. Ma to związek z kilkoma czynnikami. Po pierwsze sztywność ośrodka torfowego jest niewielka, stąd niewielkie naprężenia są w stanie wywołać istotne odkształcenia, a w konsekwencji przemieszczenia. Po drugie wykonanie wykopu wywołuje odprężenie podłoża, przy czym odprężenie postępuje w czasie i jest nieliniowe, a stosowanie podejścia klasycznego z wykorzystaniem współczynnika lambda (równego zero przy wykopie otwartym poniżej roku i równego 1 w pozostałych przypadkach) jest podejściem bardzo uproszczonym. Trzecim czynnikiem jest niekompatybilność stosowanych w mechanice gruntów teorii w zakresie pracy ośrodka w tzw. zakresie „małych odkształceń”. Ma to szczególnie duże znaczenie w opisywanej metodzie równoważenia naprężeń, bowiem celem metody jest wytworzenie stanu naprężenia w podłożu bliskiego stanowi pierwotnemu. Prokuruje to posługiwanie się bardzo małymi naprężeniami (czy przyrostami naprężeń), czasami bliskimi 0. Wobec tego reakcja odkształceniowa również będzie w zakresie małych, a w tym zakresie charakterystyka gruntów jest bardzo silnie nieliniowa. Sztywność gruntów przy bardzo małych odkształceniach jest wielokrotnie wyższa w stosunku do sztywności w zakresie tzw. obciążeń eksploatacyjnych (średnich i bliskich stanu granicznego).
Przedstawiona metoda posadowienia nie jest rozwiązaniem typowym i wymaga indywidualnego podejścia w każdym przypadku. Dodatkowo poziom ryzyka geotechnicznego odpowiada trzeciej kategorii i powinna być stosowana przez inżyniera doświadczonego w rozwiązywaniu problemów geotechnicznych i obeznanego z mechaniką gruntów. Z drugiej strony jest to jednak metoda stosunkowo prosta w zastosowaniu i konkurencyjna ekonomicznie.
Dr inż. Rafał Uliniarz
Katedra Geotechniki i dróg
Wydział Budownictwa
Politechnika Śląska
Sprawdź: Produkty budowlane
