Do prawidłowego przygotowania i prowadzenia procesu budowlanego inwestycji jest konieczna wiedza dotycząca zasięgu oddziaływania nowego obiektu w poszczególnych fazach robót oraz spodziewanych przemieszczeń podłoża gruntowego.
Do prawidłowego przygotowania i prowadzenia procesu budowlanego inwestycji jest konieczna wiedza dotycząca zasięgu oddziaływania nowego obiektu w poszczególnych fazach robót oraz spodziewanych przemieszczeń podłoża gruntowego.
Wykonywanie wykopów głębokich, a następnie realizacja części podziemnej i nadziemnej budynku powodują odkształcenia przylegającego terenu spowodowane zmianą stanu naprężenia i odkształcenia w gruncie na skutek: przemieszczeń obudowy wykopu, odciążenia wykopem (odprężenia), obciążenia nowym budynkiem, obniżeniem zwierciadła wody gruntowej w trakcie realizacji itp.
Fot. 1. Realizacja części podziemnej obiektu w wykopie zabezpieczonym ścianką berlińską kotwioną (Fot. Hanna Michalak)
Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu w sąsiedztwie wykopu oraz zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku zależą przede wszystkim od rodzaju gruntów kształtujących podłoże, zastosowanej obudowy i przyjętego sposobu rozparcia wykopu (rozpory, kotwie iniekcyjne, stropy kondygnacji podziemnych – metoda stropowa), założonego schematu statycznego pracy obudowy wykopu, faz realizacji – stanu odciążenia i obciążenia podłoża gruntowego.
Fot. 2. Palisada rozparta. (Fot. Hanna Michalak)
Przemieszczenia pionowe terenu w strefie przylegającej do nowo wznoszonego budynku są wynikiem ich superpozycji z poszczególnych faz robót, obejmujących wykonanie obudowy w postaci np. ścianki berlińskiej (fot. 1), palisady (fot. 2 i 3), ściany szczelinowej (fot. 4), głębienie wykopu i sukcesywne podpieranie jego obudowy, realizację części podziemnej budynku, a następnie konstrukcji nadziemia i jej użytkowanie.
Proces odkształceń podłoża praktycznie kończy się w zależności od rodzaju gruntów je kształtujących, w wypadku utworów piaszczystych – bezpośrednio po zakończeniu budowy i rozpoczęciu użytkowania, natomiast w spoistych – nawet do trzech lat od tego momentu. Przeciętnie można oszacować, że w podłożach niejednorodnych proces ten trwa około roku po zakończeniu budowy i pełnym obciążeniu nowej konstrukcji obciążeniem użytkowym.
{mospagebreak}
Zasięg oddziaływania realizacji wykopu na przemieszczenia pionowe powierzchni terenu
Z analizy literatury wynika, że zasięg oddziaływania wykopu oraz wartości przemieszczeń pionowych powierzchni terenu i poziomych przemieszczeń obudowy wykopu zależą od rodzaju zastosowanej obudowy, sposobu jej rozparcia, rodzaju gruntów kształtujących podłoże, obniżenia zwierciadła wody gruntowej itp.
Fot. 3. Palisada rozparta o konstrukcję płyt stropów kondygnacji podziemnych obiektu. (Fot. Hanna Michalak)
Jako zasięg oddziaływania wykopu definiuje się zazwyczaj obszar podłoża wokół wykopu, w którym na skutek jego wykonywania występują pionowe i poziome przemieszczenia gruntu. Zasięg ten, wartość przemieszczeń pionowych terenu i przemieszczeń poziomych obudowy wykopu są najczęściej wyrażane jako krotność głębokości wykopu h.
Fot. 4. Ściana szczelinowa rozparta.
(Fot. Hanna Michalak)
Zasięg oddziaływania wykopu, wartość przemieszczeń pionowych terenu i przemieszczeń poziomych obudowy wykopu wg różnych badaczy, w zależności od rodzaju gruntów [5], wynoszą:
2÷4h – wg Clougha, O’Rourkego oraz
2÷2,5h – wg Symonsa i Cardera – w przypadku iłów londyńskich i glin zwałowych,
2÷3h (ekstremalnie 5h) – wg Simpsona w mocnych gruntach spoistych,
1,5÷2h – wg Brema, Breymanna w gruntach niespoistych (piaski drobne, średnie i żwiry),
2,0h w piaskach, 2,5h w glinach, 3÷4h w iłach – wg Wysokińskiego; Kotlickiego [1]; w przypadku niestosowania depresjonowania zwierciadła wody gruntowej zasięg oddziaływania można [1] zmniejszyć o 20%.
Z badań [3, 6] wynika, że największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu występują w strefie o szerokości od 0,5 do 0,75h od krawędzi wykopu, a następnie zanikają w odległości 2h bądź przy stosowaniu obniżenia zwierciadła wody gruntowej 3÷4h od krawędzi wykopu (przy studniach depresyjnych usytuowanych poza obrysem wykopu).
Ocenia się, że wartości przemieszczeń pionowych powierzchni terenu w bezpośrednim sąsiedztwie wykopów, w zależności od rodzaju gruntów, nie przekraczają wartości [5]:
a) wg Burlanda, Simpsona, St Johna:
0,002 – w gruntach niespoistych w stanie zagęszczonym,
0,005h – w gruntach niespoistych w stanie luźnym,
0,0015÷0,02h – w gruntach spoistych twardoplastycznych i półzwartych,
b) wg Simpsona: 0,01÷0,02h – w gruntach spoistych,
c) wg Longa: 0,002h (ekstremalnie 0,007h) – w gruntach niespoistych i spoistych,
d) wg Smoltczyka: 0,002h – w gruntach niespoistych i spoistych.
{mospagebreak}
Z literatury i analiz porównawczych przemieszczeń poziomych U0 obudowy wykopu i przemieszczeń pionowych terenu bezpośrednio za tą obudową V0 wynika, że istnienie zależność:
V0 = 0,5÷0,75U0. To wskazuje na konieczność dokonywania prognozy przemieszczeń poziomych obudów wykopów, szczególnie w sytuacji bezpośredniej bliskości istniejącej zabudowy.
Fot. 5. Realizacja części podziemnej budynku metodą stropową (Fot. Hanna Michalak)
Istnieje zgodność poglądów w odniesieniu do obudów o schemacie statycznym wspornika utwierdzonego w podłożu gruntowym. Przemieszczenia tych ścian są zazwyczaj największe w porównaniu z podpartymi kotwiami, rozporami bądź stropami kondygnacji podziemnych.
Przemieszczenia poziome ścian obudowy wykopu mogą wynosić:
a) wg Burlanda, Simpsona, St Johna – 10÷40 mm,
b) wg Symonsa i Cardera – 0,002÷0,004h,
c) wg Breymanna – 0,002h
d)wg Smoltczyka w przypadku ścian:
– wspornikowych 0,01h,
– rozpartych projektowanych
z uwagi na obciążenie parciem czynnym gruntu, realizowanych w gruntach niespoistych i spoistych w stanie twardoplastycznym do zwartego – ok. 0,001h;
e) wg Longa: – 0,0005÷0,0025h (ekstremalnie 0,007h) – w przypadku ścian kotwionych, rozpartych, realizowanych metodą stropową,– 0,001÷0,02h (średnio 0,003h) w przypadku ścian wspornikowych,
f) wg Wysokińskiego i Kotlickiego [1] – 0,003÷0,005h,
g) wg Siemińskiej-Lewandowskiej [6] – 0,002h w przypadku ścian szczelinowych kotwionych,
h) wg Szulborskiego, Michalaka, Pęskiego, Pyraka [3], w przypadku obudów ze ścianek berlińskich wspornikowych, kotwionych oraz palisad i ścian szczelinowych wspornikowych bądź kotwionych zależność między przemieszczeniami poziomymi U0 obudowy wykopu i pionowymi terenu bezpośrednio za obudową V0 wynosi V0= 0,5÷0,75U0.
W wyniku badań i analiz [2–5, 7, 8] ponad 50 budynków zrealizowanych w Warszawie oceniono, że z uwagi na rodzaj obudowy wykopu największe przemieszczenia poziome doznają ścianki berlińskie, a mniejsze ściany szczelinowe i palisady.
Analizując wpływ rodzaju podparcia stwierdzono, że największych przemieszczeń poziomych doznają obudowy wspornikowe, utwierdzone w gruncie. Przemieszczenia poziome ścian rozpartych ogranicza niewielka podatność podparcia, wynikająca przede wszystkim ze ściśliwości rozpór i luzów montażowych.
W wypadku zastosowania rozpór wstępnie sprężonych odkształcenia ścian obudowy są na ogół niewielkie, gdyż rozpory zazwyczaj charakteryzują się małą podatnością, która wynika z ich odkształcenia (skrócenia) sprężystego. Przemieszczenia poziome ścian kotwionych są integralnie związane z odkształceniami gruntu zawartego między ścianą a powierzchnią przechodzącą przez buławy kotwi iniekcyjnych.
Przedstawione dane literaturowe odnoszą się do oceny zasięgu wpływu wykonywania wykopu, natomiast nie obejmują przemieszczeń występujących w trakcie wznoszenia konstrukcji części podziemnej, a następnie nadziemnej budynku.
{mospagebreak}
Zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku z wielokondygnacyjną częścią podziemną na przemieszczenia pionowe powierzchni terenu
Z własnych badań i analiz obliczeniowych dotyczących obiektów realizowanych w latach 1996–2005 w Warszawie wynika, że przemieszczenia pionowe powierzchni terenu i kształt niecki osiadań zależą nie tylko od rodzaju podłoża gruntowego, zastosowanej obudowy wykopu i schematu jej pracy statycznej, technologii realizacji podziemia budynku, lecz również fazy budowy.
W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące obiektów posadowionych w podłożu niejednorodnym, w którym od poziomu płyty dennej zalegały piaski lub iły [5]. Badaniami objęto obudowy w postaci ścian szczelinowych podparte na wysokości rozporami (fot. 4) i wykopy realizowane metodą stropową (fot. 5). We wszystkich badanych obiektach głęboko posadowionych istniała konieczność odpompowywania lokalnych sączeń wody gruntowej z dna wykopu, nie stosowano studni depresyjnych usytuowanych na zewnątrz obrysu rzutu budynku.
Określono zasięg i charakter wpływu realizacji budynków z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi na przemieszczenia powierzchni terenu, a zatem również istniejącej w bezpośrednim sąsiedztwie zabudowy.
Jako strefę oddziaływania realizacji nowego budynku na przemieszczenia powierzchni terenu i zabudowy sąsiedniej na nim usytuowanej przyjęto obszar na zewnątrz poziomego rzutu wykopu, w którego obrębie występują przemieszczenia pionowe o wartości nie mniejszej niż ±0,6 mm (najczęściej uzyskiwana dokładność prowadzenia obserwacji geodezyjnej przemieszczeń pionowych).
Stwierdzono, że istnieje zależność zasięgu oddziaływania wykopu (strefy S0) od rodzaju podłoża gruntowego i fazy budowy.
W zasięgu oddziaływania nowego budynku wyodrębniono cztery strefy o długości zależnej od wartości bezwzględnej przemieszczeń pionowych na krawędzi wykopu V0:
S0,75 – strefa bezpośrednio za krawędzią wykopu o wartości bezwzględnej przemieszczeń pionowych nie przekraczającej 0,75V0,
S0,50 – strefa, w której wartości bezwzględne przemieszczeń pionowych nie przekraczają 0,50V0,
S0,25 – strefa, w której wartości bezwzględne przemieszczeń pionowych nie przekraczają 0,25V0,
S0 – strefa, w której następuje zanik przemieszczeń, określająca zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku.
Fot. 6. Zrealizowana część podziemna budynku. (Fot. Hanna Michalak)
Analizy prowadzono uwzględniając następujące fazy robót: faza II – odpowiadająca wykonaniu konstrukcji części podziemnej (fot. 6), faza III – wzniesienie budynku i przyłożenie pełnego obciążenia użytkowego.
{mospagebreak}
Tabela 1. Zasięgi stref oddziaływania realizacji nowych budynków z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi na przemieszczenia pionowe powierzchni terenu w sąsiedztwie. (Rys. Hanna Michalak)
Z przeprowadzonych badań i analiz [5], których podstawą były wyniki geodezyjnych pomiarów budynków wzniesionych w Warszawie, wynikają następujące wnioski w odniesieniu do zasięgu stref oddziaływania ich realizacji na przemieszczenia pionowe powierzchni terenu (tabl. 1 i rys. 1, 2):
Rys. 1. Zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku (faza III) posadowionego w piaskach: Y – krotność wartości przemieszczenia pionowego V0; X – odległość od krawędzi wykopu wyrażona jako krotność głębokości wykopu h. (Rys. Hanna Michalak)
1. Największe przemieszczenia pionowe powierzchni terenu o wartości bezwzględnej do 0,75V0 występują w odległości do 0,5h w fazach budowy II i III.
2. Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu o wartości bezwzględnej do 0,50V0występują w odległości do 0,7h w fazie II i 0,8h w fazie III.
3. Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu o wartości bezwzględnej do 0,25V0 występują w odległości do 1,1h w fazie II i 1,3h w fazie III.
4. Zanik przemieszczeń pionowych powierzchni terenu zależy od rodzaju podłoża gruntowego i następuje:
a) w wypadku utworów piaszczystych w fazie II, w odległości 1,7h od krawędzi wykopu, a w fazie III w odległości 2,8h od krawędzi wykopu,
b) w wypadku podłoża wykształconego z iłów w obu fazach w odległości 5,4h od krawędzi wykopu; zasięg strefy S0,75 nie zależy od fazy realizacji budynku.
5. Poza strefą S0,75 zauważa się w fazie III zwiększenie zasięgu poszczególnych stref w stosunku do fazy II.
Rys. 2. Zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku (faza III) posadowionego w iłach: Y – krotność wartości przemieszczenia pionowego V0; X – odległość od krawędzi wykopu wyrażona jako krotność głębokości wykopu h
Z analizy porównawczej poziomych przemieszczeń ścian wykopu i pionowych podłoża gruntowego w obiektach o częściach podziemnych wznoszonych metodą stropową (od poziomu stropu „0”) lub przy rozparciu wykopu (z zastosowaniem zaklinowania rozpór na oczepie lub wstępnego sprężenia od poziomu „0”) wynika, że przemieszczenia poziome obudowy wykopu są nieznaczne w porównaniu do wartości jej przemieszczeń pionowych. Przy zastosowaniu podanych wyżej technologii podparcia ścian szczelinowych dominują przemieszczenia pionowe podłoża gruntowego.
{mospagebreak}
Podsumowanie
Z analizy blisko 50 obiektów z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi realizowanych w ostatnim dziesięcioleciu w Warszawie wynika, że:
przemieszczenia podłoża gruntowego, a więc również zabudowy usytuowanej
w strefie oddziaływania wykopu zależą od głębokości wykopu, rodzaju jego obudowy, sposobu rozparcia, rodzaju podłoża gruntowego, fazy realizacji;
często istnieje konieczność ograniczenia przemieszczeń podłoża gruntowego, zależy to od rodzaju i stanu technicznego zabudowy;
na wartość przemieszczeń podłoża gruntowego można wpływać wybierając odpowiedni rodzaj obudowy wykopu, a zwłaszcza sposób jej rozparcia;
w przypadku zastosowania metody stropowej lub ścian szczelinowych rozpartych dominującymi przemieszczeniami podłoża gruntowego są przemieszczenia pionowe. W obiektach realizowanych pełną metodą stropową lub z zastosowaniem rozparcia wykopu od poziomu „0” przemieszczenia poziome obudowy wykopu są nieznaczne w porównaniu z wartościami przemieszczeń pionowych tej obudowy.
Na podstawie badań własnych oceniono, że w wypadku wznoszenia części podziemnych metodą stropową bądź w ścianach szczelinowych rozpartych znacząca część przemieszczeń pionowych powierzchni terenu następuje w odległości do około 1,3h od krawędzi wykopu, a następnie te przemieszczenia zanikają. Całkowity zasięg oddziaływania realizacji nowego budynku, obejmujący również wykonanie jego części nadziemnej, wynosi: 2,8h w gruntach niejednorodnych z utworami piaszczystymi w strefie posadowienia oraz 5,4h w gruntach niejednorodnych z iłami w strefie posadowienia.
dr inż.
Hanna Michalak
Politechnika Warszawska
Piśmiennictwo
[1] W. Kotlicki, L. Wysokiński: Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów. ITB, praca nr 376/2002. Warszawa 2002.
[2] H. Michalak, S. Pęski, S. Pyrak, K. Szulborski: O diagnostyce zabudowy usytuowanej w sąsiedztwie wykopów głębokich. „Inżynieria i Budownictwo” nr 6/1998.
[3] H. Michalak, S. Pęski, S. Pyrak, K. Szulborski: O wpływie wykonywania wykopów głębokich na zabudowę sąsiednią. „Inżynieria i Budownictwo” nr 1/1998.
[4] H. Michalak: O uwarunkowaniach w projektowaniu i realizacji budynków z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi w zabudowie zwartej. „Inżynieriai Budownictwo” nr 5/2004.
[5] H. Michalak: Ocena wpływu realizacji budynków z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi na odkształcenia
podłoża gruntowego w sąsiedztwie. Zeszyt Naukowy Politechniki Gdańskiej nr 603, „Budownictwo Lądowe” LX/2006 nr 60
(materiały LII Konferencji Naukowej KILiW PAN i KN PZITB „Krynica 2006”. Gdańsk–Krynica, 11-16 września 2006).
[6] A. Siemińska-Lewandowska: Przemieszczenia kotwionych ścian szczelinowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Zeszyt nr 139 „Budownictwo”. Warszawa 2001.
[7] K. Szulborski.: Awarie budowlane związane z głębokimi wykopami. Materiały seminarium pt. „Głębokie wykopy na terenach wielkomiejskich”. IDiM PW oraz IBDiM. Warszawa, 19 listopada 2002.
[8] K. Szulborski: Problemy konstrukcyjne w realizacji inwestycji wznoszonych w zabudowie zwartej. Materiały V Konferencji
Naukowo-Technicznej „Warsztat Pracy Rzeczoznawcy Budowlanego”. ITB, Kielce, 27–29 kwietnia 1999.
Zamów
prenumeratę
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
styczeń 2007.
