Awaria zabezpieczonego wykopu drogowego

Warunki gruntowo-wodne według dokumentacji geologiczno-inżynierskiej

Awaria zabezpieczonej skarpy wykopu drogowego nastąpiła na odcinku autostradowym położonym w obrębie Wyżyny Śląskiej oraz Kotliny Ostrawskiej. Osuwisko powstało w dwudziestometrowym wykopie.

Do projektowania zabezpieczeń skarp wykorzystano, wykonaną zgodnie z zasadami, dobrej jakości dokumentację geologiczno-inżynierską. Przekrój geologiczny dla omawianego wykopu przedstawiono na rys. 1. W poziomie niwelety drogi w początkowym odcinku dominują wodnolodowcowe średniozagęszczone, niezawodnione piaski pylaste, drobne i średnie, na pozostałym obszarze podłoże jest bardziej zróżnicowane, pojawiają się i przeważają wodnolodowcowe gliny i gliny pylaste, iły zastoiskowe w stanie twardoplastycznym z przewarstwieniami średniozagęszczonych piasków. W skarpie przekopu w przypowierzchniowej partii lessopodobne gliny pylaste i pyły przeważnie w stanie twardoplastycznym. Poniżej występują piaski wodnolodowcowe z przewarstwieniami glin twardoplastycznych i plastycznych oraz zastoiskowych glin pylastych zwięzłych i iłów. Począwszy od obiektu (mostu) w rejonie analizowanego osuwiska, udział piasków maleje, przeważają wodnolodowcowe gliny przeważnie twardoplastyczne.

Woda gruntowa głównie o zwierciadle swobodnym i miejscami naporowym występuje w stropowej partii podłoża wśród piasków. Wody gruntowe stwierdzono na głębokości od 3,7 do 8,8 m ppt (pod poziomem terenu), czyli woda występowała powyżej projektowanej niwelety drogi.

Parametry obliczeniowe z dokumentacji geologiczno-inżynierskiej przedstawiono w tabl. 1.

Grunty spoiste zaliczono do grupy nośności G2 i G3, a niespoiste do G1 i G2. Warunki wykonania wykopu określono jako niekorzystne ze względu na poziom wody gruntowej występujący powyżej projektowanej niwelety (wykop należało odwodnić). W poziomie niwelety występują grunty nośne.

Rys. 1 Przekrój geotechniczny

Założenia projektowe – zabezpieczenia skarp wykopów

Projekt budowlano-wykonawczy na analizowanym odcinku autostrady przewidywał dwa rodzaje zabezpieczeń skarp – typ lekki i ciężki. Typy te zależały od wartości współczynnika stateczności skarpy wykopu uzyskanego z analiz numerycznych. Dla współczynnika stateczności F ≥ 1,3 zastosowano zabezpieczenia konstrukcyjne; dla współczynnika stateczności F ≥ 1,5 zastosowano zabezpieczenia przeciwerozyjne.

Typ lekki zabezpieczeń przewidywał:

? hydroobsiew na warstwie humusu i siatce przeciwerozyjnej zamiennie z ręcznym obsiewem również na siatce przeciwerozyjnej,

? przypory drenażowe (drenaż kamienny),

? wgłębny drenaż poziomy.

Typ ciężki zabezpieczeń przewidywał:

? gwoździe gruntowe dł. 6 m z siatką stalową,

? palościankę z oczepem,

? hydroobsiew, przypory drenażowe i drenaż poziomy.

Fot. 1 Spękania gruntu – obrywy

Wyniki obliczeń współczynnika stateczności wykonane dla dwóch typów zabezpieczeń autostradowych przedstawiają się następująco:

? typ lekki zastosowany przy   F ≥ 1,5,

? typ ciężki – przy F ≥ 1,3.

Zgodnie z [5]:

? jeżeli F >1, to skarpa jest stateczna,

? jeżeli F = 1, to skarpa jest w stanie równowagi granicznej,

? jeżeli F < 1, to skarpa jest niestateczna.

Zgodnie z wytycznymi [1] zagrożenie osuwiskiem jest:

? przy F < 1 – bardzo prawdopodobne,

? przy 1,3 > F > 1,0 – prawdopodobne,

? przy 1,5 > F > 1,3 – mało prawdopodobne,

? przy F > 1,5 – bardzo mało prawdopodobne.

Fot. 2 Widok na osuwisko

Przyczyny powstania osuwiska

Dla omawianego przekroju wykopu wykonane obliczenia (na etapie projektu budowlano-wykonawczego) wykazały, że współczynnik stanu równowagi F wynosi powyżej 1,3. Zgodnie z interpretacją [1] pojawienie się osuwiska jest mało prawdopodobne.

Pojawienie się osuwiska pokazało, że grunty charakteryzowały się innymi właściwościami niż określane w dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Grunty warstw przypowierzchniowych to gliny pylaste o mniejszych wartościach parametrów (mniejsza wilgotność, niższa wartość stopnia plastyczności, spójność, kąt tarcia wewnętrznego itd.). Prawdopodobnie, gdyby w trakcie prac ziemnych uczestniczył nadzór geotechniczny, można by było zaobserwować spękania w gruncie.

Po uruchomieniu się osuwiska widoczne były bryły gruntu, które świadczyły o spękaniach (fot. 1 i 2). Takie bryły charakterystyczne są dla gruntów lessopodobnych.

W czwartorzędzie analizowany obszar został trzykrotnie częściowo pokryty lądolodem – dwukrotne zlodowacenia Sanu oraz jedno zlodowacenie Odry. Powstałe w tym czasie osady zaliczono do plejstocenu, który reprezentowany jest m.in. przez utwory lessopodobne. Tworzą one przypowierzchniową pokrywę.

W celu określenia parametrów gruntu w momencie powstania osuwiska dokonano analizy wstecznej. Wykonano obliczenia numeryczne, zakładając, że spójność, stopień plastyczności i kąt tarcia wewnętrznego warstwy gliny pylastej (warstwy pierwszej) są niższe niż wartości podane w dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Z uwagi na fakt, że obryw mas ziemnych nastąpił w pierwszej warstwie geotechnicznej, zredukowano jedynie parametry dla tej warstwy.

Otrzymane w ten sposób wyniki analizy potwierdziły prawdopodobieństwo powstania osuwiska (współczynnik F bliski 1).

W tabl. 2 zamieszczono zredukowane parametry, jakie zostały przyjęte do analizy wstecznej.

Wyniki obliczeń współczynnika stateczności wykonane dla dwóch typów zabezpieczeń autostradowych:

? typ lekki  –  F = 1,076

? typ ciężki  –  F = 1,016

Uzyskane wartości współczynnika stanu równowagi są bliskie 1, ale nie mniejsze od 1, co pozwala wnioskować, że skarpa była w stanie równowagi granicznej. Zgodnie z [2] i [5] w takich warunkach można było spodziewać się powstania osuwiska.

Tabl. 1 Parametry geotechniczne według dokumentacji geologiczno-inżynierskiej

Podsumowanie

? Do awarii doszło na ograniczonym obszarze zabezpieczonej, zgodnie z projektem, skarpy wykopu drogowego w obrębie wierzchniej warstwy gruntów lessopodobnych na długości ok. 60 m i głębokości ok. 2 m.

? Grunt tej warstwy miał inne właściwości niż parametry przyjęte do projektowania zabezpieczeń skarp drogowych (szczególnie stopień plastyczności, kąt tarcia wewnętrznego i spójność).

? Analizy obliczeniowe po awarii dowodzą, że bezpośrednią przyczyną uruchomienia się osuwiska były niewłaściwie dobrane zabezpieczenia dla tego rodzaju gruntów.

? Przy obowiązujących przepisach dotyczących sporządzania dokumentacji geologiczno-inżynierskiej odmienność właściwości rzeczywistych gruntów jest możliwa i wynika z gęstości punktów badawczych.

? W tym przypadku oraz w wielu podobnych sytuacjach nie można o błąd obwiniać wykonawcy, który realizuje projekt w ramach czasowych i finansowych. Projektant zabezpieczeń również nie jest winien, bo on swoje rozwiązania opiera na założeniach z zatwierdzonej dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

? W tym przypadku można było zapobiec awarii na etapie wykonawstwa, wprowadzając zmiany rodzaju zabezpieczeń odpowiednie do rzeczywistych warunków gruntowo-wodnych. Jedynie kompetentną osobą do stwierdzenia różnic generujących zagrożenia jest inżynier geotechnik lub geolog wyznaczony przez inwestora do sprawowania nadzoru nad przebiegiem prac ziemnych.

Tabl. 2 Parametry obliczeniowe ustalone w wyniku osuwiska

Wnioski

? Projektowanie zabezpieczeń skarp drogowych wymaga bardzo dokładnego rozpoznania warunków geotechnicznych. Przepisy polskie w tym zakresie wymagają sporządzenia dokumentacji geologiczno-inżynierskiej na podstawie wierceń i sondowań wykonanych zgodnie z projektem prac geologiczno-inżynierskich. Przyjęte do projektowania parametry geotechniczne są uśrednione dla obszarów, których wielkość zależy od gęstości punktów badawczych określonych przez przepisy. W związku z tym przyjęte parametry stanowią jedynie przybliżenie rzeczywistych warunków panujących w gruncie, co z kolei ma decydujący wpływ na zastosowanie odpowiednich rozwiązań technicznych.

? Praktyka wykazuje, czego przykładem jest opisany przypadek osuwiska, że projekty w trakcie realizacji wymagają korekt, uzupełnień, a nawet zmian spowodowanych zmianami warunków gruntowo-wodnych, których nie można wykryć na etapie badań geotechnicznych do celów dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

? Aby uniknąć awarii wywołanych realizacją projektów opartych na błędnych założeniach, zdaniem autora, należy wprowadzić obligatoryjnie nadzór geotechniczny ze strony inwestora na etapie prowadzenia robót ziemnych. Brak systematycznego nadzoru geotechnicznego na tak poważnych budowach, jakimi są drogi (gdzie często występują głębokie wykopy, wysokie nasypy, trudne warunki gruntowo-wodne), skutkuje konsekwencjami braku prawidłowego rozpoznania gruntów w podłożu; pozostawienie skarpy bez zabezpieczeń powodujące nadmierne wysuszenie albo nawodnienie warstw powierzchniowych itd. może stać się jedną z przyczyn uruchomienia osuwiska, co spowoduje z kolei między innymi zwiększenie kosztów inwestycji, przedłużenie pobytu wykonawcy na budowie, późniejsze oddanie drogi do użytkowania.

? Dodatkowo zbyt krótki czas na realizację całej inwestycji powoduje często, że wykonawca nie jest w stanie spełnić założeń projektowych nakazujących wykonywać i zabezpieczać skarpy w określonych porach roku oraz przy określonych warunkach pogodowych.

mgr inż. Anna Gniwek

Instytut Techniki Budowlanej
Zakład Geotechniki i Fundamentowania

Literatura

1. Instrukcja obserwacji i badań osuwisk drogowych, Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, Warszawa 1999.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 16 stycznia 2002 r. w sprawie przepisów techniczno-budowlanych dotyczących autostrad płatnych (Dz.U. z 2002 r. Nr 12, poz. 116).

3. PN-EN 1997-1:2007 Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Część 1: Zasady ogólne.

4. W. Kotlicki, L. Wysokiński, M. Świeca, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych, część A – Roboty ziemne i konstrukcyjne, zeszyt 1 – Roboty ziemne, ITB, Warszawa 2007.

5. L. Wysokiński, Ocena stateczności skarp i zboczy, ITB, Warszawa 2006.

6. Seminarium Skarpy drogowe, IBDiM, Warszawa 2010.

7. B. Kłosiński, Ł. Leśniewski, O wymaganiach dotyczących stateczności zboczy i skarp, Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej, oddział w Krakowie, Kraków 2009.

8. M. Głażewski, E. Nowocień, K. Piechowicz, Roboty ziemne i rekultywacyjne w budownictwie komunikacyjnym, WKŁ, Warszawa 2010.