Analiza odkształceń i wzajemnych przemieszczeń różnych części tego samego obiektu lub różnych obiektów sąsiadujących ze sobą jest niezwykle ważna. Niepożądane mogą być zarówno zbyt duże, jak i zbyt małe przemieszczenia.
Projektowanie i wykonawstwo obiektów mostowych, dróg i innych budowli stawiają przed inżynierami wiele wyzwań. Celem nadrzędnym tych działań jest zapewnienie użytkownikom możliwości wygodnego i komfortowego korzystania z obiektów. Zapewnione to jest przez zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji o odpowiedniej nośności, nieodczuwalnych dla użytkownika przemieszczeniach i np. ciągłej niwelecie w przypadku dróg. To ostatnie zagadnienie nabiera bardzo dużego znaczenia w miejscu wykonania obiektów mostowych lub w miejscach podłoża gruntowego o niewielkiej nośności i dużej podatności. Podczas budowy mostów i wiaduktów zagadnienie to jest zwykle rozwiązywane dwutorowo przez specjalistów z branży mostowej oraz drogowej. Podział na te dwie specjalności jest wymuszony również przez Prawo budowlane, gdyż inne uprawnienia potrzebne są do projektowania i wykonywania dróg, a inne do mostów i wiaduktów. W konsekwencji inny zespół projektowy zajmuje się projektowaniem nasypu, a inny obiektu inżynierskiego. Przykład takiego postępowania jest przedstawiony na fot. 1. Konstrukcja obiektu inżynierskiego wykonana jest już w całości, a przyległy nasyp będzie wybudowany później.
Należy zwrócić uwagę, że zwykle na tym etapie robót już zamontowana dylatacja wyregulowana zgodnie z temperaturą montażu i zapewniająca odkształcenia przęsła pod wpływem sezonowych zmian temperatury. Każdy z etapów budowy jest realizowany w różnym czasie, przez różne zespoły, a często w ogóle przez różne firmy (podwykonawców).
Fot. 1 Obiekt mostowy wykonany w całości przed wykonaniem nasypów
Podczas budowy drogi ekspresowej wykonano nad niewielką rzeczką most (fot. 2). W podłożu, przy powierzchni, nad gruntami nośnymi występowała dwumetrowa warstwa namułów. Z tego powodu obiekt posadowiono na palach.
Po oddaniu obiektu do eksploatacji zaobserwowano delikatne zaklęśnięcia w nawierzchni za przyczółkiem oraz niewłaściwą pracę dylatacji.
Dokładne oględziny konstrukcji wykazały, że w obiekcie konstrukcja przęsła stała się rozporą między przyczółkami w wyniku zaciśnięcia dylatacji. Z powodu przesunięcia blach ścięciu uległy również śruby mocujące elementy łożyska do przęsła. Przyczyną były odkształcenia konstrukcji oraz przemieszczenia przyczółków przekraczające zakres pracy dylatacji. Analiza dokumentacji powykonawczej wykazała, że obiekt budowany był w sposób analogiczny do pierwszego przykładu (fot. 1). W pierwszej kolejności wykonano przyczółki na palach i konstrukcję przęsła. W tym czasie prace przy wykonywaniu sąsiedniego nasypu były mało zaawansowane. Wybudowanie nasypu przylegającego do przyczółka generuje w takim przypadku powstanie dwojakich obciążeń i w konsekwencji przemieszczeń:
– po pierwsze istotnie się zwiększa parcie poziome na ścianę przyczółka;
– po drugie ciężar zbudowanego nasypu obciąża warstwę słabego gruntu (w tym przypadku namułu), który chce się wycisnąć spod nasypu. Najbliżej i najłatwiej jest to możliwe w kierunku rzeki, co powoduje dodatkowe parcie na pale umiejscowione w namule.
Fot. 2 Most posadowiony na palach
Suma tych obciążeń, przy prawidłowo nawet zaprojektowanych palach, powoduje przemieszczenie poziome przyczółka, które zwiększa się wraz ze wzrostem jego wysokości. W prezentowanym obiekcie oszacowano te przemieszczenia na kilkanaście milimetrów. Nie jest to sama w sobie wartość szokująca i koresponduje z wyczuciem inżynierskim oraz zasadą, że każdemu obciążeniu towarzyszą odkształcenia. Jednak w przypadku niewielkich obiektów i taka wartość przemieszczeń może już stwarzać problemy. Przemieszczenia te sumują się z obydwu przyczółków i muszą być uwzględnione w przemieszczeniach dylatacji. Ze względu na małą długość przęsła dylatacja ma mały zakres przesuwu. Jeśli nie przewidziano, że dylatacja zostanie zamontowana przed ujawnieniem się wszystkich przemieszczeń poziomych przyczółka, a dodatkowo się ujawnią jakieś niedoskonałości wykonawstwa lub nieco odmienne warunki gruntowe, to dylatacja nie będzie pracowała prawidłowo i może dojść do jej całkowitego zaciśnięcia. Wbrew pozorom nie są to sytuacje takie rzadkie, dotyczą szczególnie obiektów małych i jeśli nie dojdzie do odłamania skrzydełek lub ścianki zaplecznej, funkcjonują bez dodatkowej ingerencji.
Fot. 3 Przykład przemieszczenia podpory wiaduktu prostopadle do osi drogi
Przy przebudowie istniejących dróg, gdzie istnieje konieczność utrzymania ruchu, obiekty mostowe buduje się metodą połówkową. Po wybudowaniu połowy konstrukcji przenosi się na nią ruch pojazdów i w sąsiedztwie wykonuje fundamenty i podpory brakującej części. Proces ten może być rozciągnięty w czasie, kiedy budujemy obiekt mostowy jednej nitki drogi, a po kilku latach uzupełniamy drugą nitkę, budując podpory obok istniejących. Przykład takiego obiektu pokazano na fot. 3. Ze względu na warunki gruntowe zapewniające nośność i akceptowalne dla konstrukcji osiadania zaprojektowano bezpośrednie posadowienie podpór wiaduktu. Co prawda, występujące w podłożu piaski nie były zbyt dobrze zagęszczone, ale wykorzystana do budowy przyczółków konstrukcja była niewrażliwa na pojawiające się w czasie budowy odkształcenia. W czasie eksploatacji obiektu nie zaobserwowano niczego niepokojącego aż do momentu budowy obok podpór drugiej nitki drogi. Na fot. 3 widoczne są przemieszczenia poprzeczne podpory w stronę budowanego obok przyczółka oraz przemieszczenia wzdłuż osi drogi w kierunku przęsła widoczne np. na taśmie barieroporęczy. Osiadania podpory były większe od strony nowo budowanego obiektu, co ze względu na dużą wysokość powodowało przechylanie się podpory. Po wykonaniu obiektu sąsiedniego przemieszczenia ustały. Analiza dokumentacji wykonawczej wykazała, że jedną z przyczyn takiego zachowania było dogęszczenie piasków w podłożu spowodowane użyciem technik wibracyjnych do pogrążania i wyciągania ścianek stalowych w nowo budowanym fundamencie. Ponadto wykonanie wykopu w sąsiedztwie wysokiej podpory posadowionej bezpośrednio powoduje powstanie przemieszczeń ścianki stalowej w stronę wykopu oraz naturalnie odciąża grunt, co powoduje dodatkowe osiadania istniejącego obiektu.
Jeśli w podłożu będzie wysoki poziom wody gruntowej, zmuszający do prowadzenia pompowania z wykopu, to realizacja będzie jeszcze bardziej problematyczna, jak w obiekcie pokazanym na fot. 4.
Fot. 4 Obiekt wykonywany metodą połówkową w trudnych warunkach
Wiadukt w ciągu drogi ekspresowej był budowany w dwóch etapach. Po wykonaniu jednej nitki wykonano „w styk” drugą połówkę. Przy przebudowie istniejącego wcześniej obiektu posadowionego na palach wybudowano nowy obiekt posadowiony bezpośrednio. Spowodowało to znaczące zwiększenie obciążeń na podporę, ale dało się uzasadnić obliczeniowo na podstawie nowego rozpoznania podłoża. Niefortunnie rozpoznanie było wykonywane pod istniejącym obiektem, wobec czego dla jednej podpory wykonano dwa odwierty na zewnątrz obiektu i jedno sondowanie w środku. W sondowaniu nie da się określić bezpośrednio rodzaju gruntu, a interpretacja opiera się na oporach pogrążania sondy. Jak się później okazało, było to miejsce największych przemieszczeń.
Po wykonaniu całego obiektu okazało się, że część wykonywana jako pierwsza miała zaciśniętą dylatację (fot. 5). W czasie budowania drugiej nitki wykonana już konstrukcja podpory doznała przemieszczeń większych niż zakres przemieszczeń dylatacji. Wynikało to z faktu, że prowadzony obok wykop niekorzystnie oddziaływał na wykonany już fundament. Ze względu na konieczność odpompowywania wody z wykopu potęgowały się niekorzystne oddziaływania opisane dla obiektów wcześniej przedstawionych. Dodatkowo warunki gruntowe okazały się trochę gorsze, niż zakładano w projekcie ze względu na przebiegającą w pobliżu rzekę. W czasie budowy drugiej nitki obserwowano istotne odkształcenia ścianek stalowych zabezpieczających wykop. W związku z tym generalnie wydaje się, że uzasadnione jest zastosowanie fundamentów palowych w przypadku połówkowej budowy obiektów i niepewnych warunków gruntowych.
Fot. 5 Zaciśnięta dylatacja wiaduktu
Realizacja obiektów inżynierskich połączonych z nasypami na słabym podłożu może powodować również pewne komplikacje. Na fot. 6 pokazano niewielki przepust, które go jednak nie dotyczyły opisywane problemy.
Wbudowywane w nasyp tego rodzaju i większe konstrukcje są w trudnych warunkach zwykle posadawiane na palach. Jednak trzeba pamiętać, że w przypadku przepustów wbudowanych w nasyp zmniejszają one naciski na podłoże ze względu na fakt, że składają się głównie z powietrza. Posadowienie przepustu na fundamencie pośrednim sprawia, że jego osiadania są bardzo małe. Natomiast dopuszczalne osiadania sąsiadującego nasypu drogowego mogą sięgać kilkudziesięciu milimetrów. Jeśli strefa przejściowa nie jest właściwie rozwiązana lub nie zadbamy o wyrównanie osiadań, powstaną nieakceptowalne przez użytkownika drogi zakłócenia ciągłości niwelety. Problem jest jeszcze poważniejszy w przypadku linii kolejowych.
Podobne problemy zdarzały się w przypadku realizacji budynków wysokich. Zwykle składają się one z dwóch, a czasem i większej liczby części o różnej wysokości. Obecnie projektowanie takich obiektów odbywa się za pomocą złożonych modeli obejmujących całość zagadnienia i uwzględniających wzajemne wpływy fragmentów konstrukcji o różnej wielkości i obciążeniach. Natomiast w początkach realizacji takich budynków stosowane były proste narzędzia obliczeniowe, w których analizowano poszczególne części konstrukcji. Paradoksalnie źródłem problemu było to, że ze względu na dużą niepewność przyjmowano dość konserwatywne założenia. Toteż rzeczywiste osiadania były znacznie mniejsze niż obliczone, a poziomy stropów w poszczególnych stykających się częściach nie znalazły się końcowo na tym samym poziomie i konieczne było likwidowanie powstałych progów.
Fot. 6 Przepust wbudowany w nasyp
Podsumowanie
Z przedstawionych przykładów widać, że bardzo istotna jest analiza odkształceń i wzajemnych przemieszczeń różnych części tego samego obiektu lub różnych obiektów sąsiadujących ze sobą. Niepożądane mogą być zarówno zbyt duże, jak i zbyt małe przemieszczenia. Konieczne jest w projekcie uwzględnienie fazowania robót i wzajemnego wpływu konstrukcji wykonywanej w różnym czasie. Wydaje się, że obiekty komunikacyjne wykonywane połówkowo w niepewnych warunkach powinny być posadawiane na palach. Wskazane jest, aby dylatacje mostowe montować po zrealizowaniu obiektu i wystąpieniu wszystkich przemieszczeń poza termicznymi lub uwzględniać te przemieszczenia w obliczeniach dylatacji, co jest trudniejsze.
Rozwój wiedzy, możliwości badawczych i obliczeniowych sprawiają, że w konstrukcjach geotechnicznych coraz większego znaczenia będą nabierały analizy odkształceń, przemieszczeń i ocena stanów granicznych użytkowalności, spychając na dalszy plan kwestie nośności. Odmiennie niż w dotychczasowej praktyce, kiedy w pewnych przypadkach analizowana jest tylko nośność, a sprawy osiadań są ukryte w obliczeniach za pośrednictwem założeń projektowych.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
