W artykule omówiono przykład skutków pustek występujących w podłożu pod fundamentami budynku eksploatowanego od ponad 50 lat.
Jednym z warunków bezpieczeństwa obiektów budowlanych jest właściwe ich posadowienie na podłożu gruntowym. Warunki gruntowe muszą być dobrze rozpoznane już na etapie projektowania i realizacji inwestycji, a fundamenty oraz całość konstrukcji – odpowiednio zaprojektowane. W trakcie eksploatacji budowli mogą jednak wystąpić zmiany w strukturze podłoża gruntowego, szkodliwie wpływające na ich konstrukcję w wyniku zmiany układu i wielkości obciążeń. Zdarza się to m.in. w przypadku posadowienia obiektów budowlanych na terenach o niekorzystnej strukturze geologicznej oraz hydrotechnicznej lub terenach pogórniczych. Może wówczas dochodzić do wystąpienia lokalnych, nieciągłych deformacji terenu, które zazwyczaj przybierają formę mniej lub bardziej głębokich zapadlisk lub niecek. Zazwyczaj powstają one w sposób nagły. Według M. Kawuloka proces ich formowania może trwać nawet kilka minut, godzin lub, rzadziej, kilka dni [1].
W niniejszym artykule przedstawiono przykład skutków pustek powstałych w podłożu gruntowym pod fundamentami istniejącego budynku biurowego.
Budynek biurowy zlokalizowany jest na terenie jednego z miast Górnego Śląska (fot. 1). Zaprojektowano go w 1963 r., a w 1966 r. oddano do eksploatacji. Jest to obiekt dwukondygnacyjny bez podpiwniczenia. Składa się z trzech oddylatowanych segmentów różniących się od siebie zarówno pod względem funkcji, jak i rozwiązań konstrukcyjnych.
Fot. 1. Budynek administracyjno-biurowy
Fundamenty budynku w postaci wzajemnie powiązanych ław miały przenosić pionowe obciążenia z konstrukcji na grunt i zabezpieczać budynek przed wpływami kategorii górniczej deformacji terenu IIa. Ławy zostały posadowione na ubitej warstwami podsypce piaskowej grubości 30 cm oraz warstwie chudego betonu o grubości 10 cm.
W trakcie realizacji obiektu stwierdzono, że poziom wody gruntowej znajdował się poniżej poziomu posadowienia fundamentów.
Budynek zaprojektowano w tradycyjnej konstrukcji murowej ze ścianami w układzie podłużnym o grubości 38 cm, wykonanymi z cegieł ceramicznych pełnych. Stropy typu DZ-3 powiązane są obwodowo ze ścianami nośnymi.
Uszkodzenia budynku
W pierwszych dniach sierpnia 2018 r. w części pomieszczeń parteru segmentu środkowego i skrajnego północnego stwierdzono uszkodzenia ścian, nadproży okiennych i drzwiowych oraz betonowych posadzek. Te uszkodzenia budynku powstały w sposób nagły (w ciągu kilku godzin). Polegały one na:
- silnym spękaniu podłużnych wewnętrznych ścian nośnych oraz ścian przydylatacyjnych i działowych (fot. 2, 3); rozwartość tych pęknięć dochodziła do ok. 15 mm (na parterze budynku) oraz do ok. 5 mm w części pomieszczeń pierwszego piętra,
Fot. 2. Uszkodzenia budynku. Pęknięcia ściany podłużnej nośnej parteru budynku przechodzące na poprzeczną ścianę przydylatacyjną [2]
- pęknięciach zachodniej ściany zewnętrznej o rozwartości do 10 mm,
- spękaniu ścian w strefie podparcia nadproży okiennych o rozwartości do 5 mm,
- lokalnej deformacji (spękania i pochylenie do ok. 18‰) betonowych posadzek w pomieszczeniach biurowych i na korytarzu parteru budynku.
Lokalizację uszkodzeń przedstawiono na rys. 1.
Fot. 3. Uszkodzenia budynku. Pęknięcia przydylatacyjnej ściany poprzecznej parteru budynku [2]
Rys. 1. Lokalizacja uszkodzeń w budynku biurowym [2]
>> Stropy w starym budownictwie – uszkodzenia i naprawy
>>> Uszkodzenia płyty fundamentowej w garażu podziemnym
Rozwój uszkodzeń
Przez pierwsze 1,5 miesiąca od momentu powstania uszkodzeń budynku obserwowano znaczące przyrosty rozwartości rys i spękań ścian, powiększanie się pochylenia posadzek parteru budynku, a także ujawnianie się nowych uszkodzeń. Rozwartości pęknięć ścian parteru budynku i stref podpór nadproży powiększyły się o dalsze 5–24 mm (fot. 4). W jednej ze ścian przydylatacyjnych parteru stwierdzono także jej odcinkową deformację i odchylenie od pionu o ok. 50 mm (fot. 5).
Po dalszych 3 miesiącach nastąpiła wyraźna stabilizacja odkształceń konstrukcji, a od drugiej połowy grudnia 2018 r. – pełna ich stabilizacja [3].
Fot. 4. Pęknięcia ścian i strefy oparcia nadproża okiennego
Fot. 5. Uszkodzenia budynku. Pęknięcia przydylatacyjnej ściany parteru budynku z oddzieleniem jej fragmentów [2]
Ustalenie przyczyn uszkodzenia konstrukcji budynku
W czasie dotychczasowej, ponadpięćdziesięcioletniej eksploatacji budynku jego konstrukcja nie była przebudowywana, a charakterystyka obciążeń nie uległa w tym czasie zmianie. Przy takich uwarunkowaniach nagłe wystąpienie uszkodzeń w części obiektu mogło mieć związek przyczynowy jedynie ze zmianą warunków jego posadowienia – nastąpić na skutek podmycia fundamentów i niewłaściwego rozpoznania.
Wykonane badania wykazały:
- uszkodzenia instalacji wodociągowej i kanalizacyjnej przebiegającej pod fundamentami w strefie z uszkodzeniami konstrukcji budynku,
- wystąpienie w podłożu gruntowym w obszarze z uszkodzeniami obiektu dwóch rodzajów pustek.
W wykonanych odwiertach stwierdzono, iż pierwsze pustki występowały już na granicy betonowej posadzki i jej żwirowej podbudowy (o wysokości od 2 do 5 cm) – fot. 6.
Fot. 6. Pustka pod posadzką podłogi pomieszczeń parteru budynku
Drugi rodzaj pustek – śródwarstwowych powstał w obrębie niżej położonych warstw żużla hutniczego. Pustki śródwarstwowe występowały na różnych głębokościach: od 1,9 do ok. 5,7 m p.p.t. W otworach stwierdzono ponadto znaczące zawilgocenie żużla – od stanu wilgotnego do plastycznego.
Rys. 2 i 3 ilustrują strukturę podłoża gruntowego [4].
Rys. 2. Przekrój geotechniczny I–I`
Rys. 3. Przekrój geotechniczny II–II`
W sierpniu 2018 r. i lipcu 2021 r. Główny Instytut Górnictwa w Katowicach przeprowadził geofizyczne badania podłoża gruntowego zalegającego pod budynkiem, w oparciu o metodę radarową w wariancie refleksyjnym (rys. 4).
Rys. 4. Lokalizacja geofizycznych profili pomiarowych i stref zagrożeń deformacjami podłoża gruntowego
Badania georadarowe wykonane wewnątrz budynku umożliwiły rozpoznanie struktury podłoża gruntowego do głębokości blisko 8 m. W terenie przyległym do tego obiektu rozpoznano natomiast strukturę podłoża do głębokości ok. 18 m.
Po przetworzeniu uzyskanych zapisów pomiarowych sekcji radarowych uwidocznił się falowy, trójwarstwowy obraz struktury podłoża do głębokości ok. 4–6 m (rys. 5).
Rys. 5. Przykład głębokościowych sekcji radarowych R1, R2 i R7 [2]
Rys. 6. Głębokościowe sekcje radarowe profili P3 i P4 [2]
Na części fotogramów widać lokalne, kilkumetrowej długości, ukośne horyzonty refleksyjne, które mogą wskazywać na obecność rozwarstwień w obrębie skalistego podłoża, względnie granic warstw różniących się wilgotnością.
W kilku miejscach w obrębie warstw II i III widoczne są również zaburzenia obrazu falowego, mogące wskazywać na obecność pionowych lub quasi-pionowych szczelin.
Na jednym z profili, na głębokości od 7 do 10 m (a więc w warstwie, która najprawdopodobniej jest już zwięzłą skałą karbońską) uwidoczniła się grupa refleksów o relatywnie dużej amplitudzie. W tym miejscu na archiwalnej mapie górniczej pokładu 501 widoczny jest chodnik górniczy. Jest więc bardzo prawdopodobne, że zarejestrowana anomalia falowa wywołana została obecnością w karbońskim podłożu wtórnej pustki górniczej, powstałej w wyniku zawału wyrobiska chodnikowego (rys. 6).
Na innych profilach pomiarowych, pomiędzy ok. 15,5 a 18,5 m (rejon północno-zachodniego naroża budynku) widoczna jest grupa poziomych refleksów, które mogą wskazywać zarówno na obecność w tym miejscu strefy silnego rozluźnienia gruntu, jak i wystąpienia ubytków gruntu z warstwy, na której posadowione są elementy nośne budynku.
Analiza danych górniczych wskazała, że cały budynek zlokalizowany jest na terenie pogórniczym, gdzie w okresie od ok. 1885 r. do końca lat dwudziestych XX w. prowadzona była eksploatacja zawałowa pokładu 501 o grubości do 6–7 m. Spąg tego pokładu zalegał na głębokości blisko 23 m. Eksploatacja była prowadzona systemem filarowo-komorowym i powodowała przeobrażenie struktury warstw nadkładu. Ponieważ pomiędzy pokładem 501 a pierwotną powierzchnią terenu zalega gruba warstwa piaskowca, eksploatacja węgla powodowała jedynie jej miejscowe pękanie.
W oparciu o analizę map górniczych można zakładać, iż w pasie terenu obejmującym rzut poziomy budynku znajdowało się sześć lub siedem wcześniej nierozpoznanych przez projektantów budynku parcel wydobywczych. Parcele te przedzielone były wyrobiskami chodnikowymi. Chodniki wyznaczają najbardziej prawdopodobne miejsca, w których mogło wystąpić przerwanie ciągłości warstw nadkładu. W rejonie powstałych w konstrukcji budynku uszkodzeń zlokalizowane są trzy takie chodniki przedstawione na rys. 7.
Rys. 7. Lokalizacja budynku na obszarze starych eksploatacji górniczych [2]
W oparciu o analizę wyników badań geofizycznych z dużym prawdopodobieństwem można zakładać, że chodniki te uległy zawałowi, powodując jednak utworzenie się pustek pierwotnych i wtórnych na głębokościach rzędu 8–10 m. Obecność pustek może być związana zarówno z podziemną eksploatacją pokładu 501, prowadzoną bezpośrednio pod budynkiem na głębokości od 15 m p.p.t., jak i z eksploatacją odkrywkową w rejonie wychodni tego pokładu (pustki w materiale zasypowym wyrobiska odkrywkowego). Do pustek tych i szczelin mogła przedostawać się woda opadowa oraz pochodząca z niesprawnej kanalizacji lub wodociągu, powodując wymywanie luźnych gruntów z warstwy przypowierzchniowej, na której posadowione są ławy fundamentowe budynku, do pustek i szczelin w stropie masywu karbońskiego. Pośrednią przyczyną mogła być także obecność w obrębie głębszych warstw podłoża wtórnych pustek powstałych w wyniku zawalenia się starych wyrobisk górniczych.
>>> Uszkodzenia tynków i sposoby ich naprawy
>>> Konstrukcje żelbetowe – przykłady awarii
Przywrócenie sprawności technicznej obiektu
Zatrzymanie ruchów podłoża oraz jego długoterminowa stabilizacja wymagały wykonania następujących prac zabezpieczających:
- etap I i II – stabilizacja i wzmocnienie podłoża gruntowego,
- etap III – wykonanie wzmocnień/remontu konstrukcji nośnej i elementów wyposażenia budynku.
Przywrócenie stabilności podłoża
Pierwszy etap obejmował prace wiertniczo-podsadzkowe w strefie od stropu utworów karbonu do spągu pokładu 501.
W wyniku tych prac powinny zostać wypełnione pustki i szczeliny w obrębie masywu karbońskiego. W tym celu zalecono wykonanie czterech otworów wiertniczych o głębokości 25–28 m. Przeprowadzono nimi wypełnianie pustek i szczelin w górotworze karbońskim, początkowo sposobem grawitacyjnym, a następnie z zastosowaniem ciśnienia o wartości nieprzekraczającej 0,3 MPa. Materiałem iniekcyjnym były hydrospoiwa sporządzane z popiołów lotnych, wody i cementu. Prace te zrealizowano na zewnątrz budynku. W otwory wtłoczono prawie 760 m³ iniektu.
W drugim etapie wykonano prace iniekcyjno-cementacyjne w strefie głębokości 2–3 m, usytuowanej pod uszkodzoną posadzką oraz w rejonie ław fundamentowych. Zrealizowano je wewnątrz budynku. Odległości pomiędzy otworami wynosiły 2–3 m. W otwory iniekcyjne metodą ciśnieniową wtłoczono ok. 40 m3 iniektu cementowo-popiołowego.
Rys. 8. Koncepcja lokalizacji otworów iniekcyjnych do wzmocnienia podłoża gruntowego pod istniejącym budynkiem [4]
Naprawa konstrukcji i remont budynku
Po wykonaniu nowej instalacji wodociągowej oraz wzmocnieniu podłoża rozpoczęła się naprawa istniejącej konstrukcji budynku. Celem tych prac było odtworzenie pierwotnego sztywnego układu konstrukcji. Fragmenty ścian z większymi uszkodzeniami naprawiono poprzez ich częściową wymianę (obszary z poziomą deformacją) oraz ich przemurowanie.
Ściany z mniejszymi uszkodzeniami (rysy i pęknięcia o rozwartości <5 mm) naprawiono poprzez zastosowanie iniekcji ciśnieniowej. Zdeformowane betonowe posadzki w pomieszczeniach parteru wymieniono po uprzednim utwardzeniu podłoża gruntowego.
W ostatnim etapie prac remontowych wymieniono uszkodzoną i/lub zdeformowaną stolarkę okienną i drzwiową oraz odtworzono uszkodzone fragmenty izolacji termicznej ścian zewnętrznych wraz z ujednoliceniem ich malatury.
Po wykonaniu opisanych prac remontowych nie odnotowano dotychczas kolejnych uszkodzeń obiektu.
W lipcu 2021 r. (czyli po upływie trzech lat od ujawnienia się pierwotnych uszkodzeń konstrukcji budynku) ponownie skontrolowano stan podłoża gruntowego w oparciu o badania georadarowe.
Badania te pozwoliły na stwierdzenie, iż większość z występujących wcześniej w podłożu pustek została wypełniona spoiwem geotechnicznym, niepodatnym na procesy sufozyjne, czyli na przemieszczenia w głębsze partie podłoża. Na zabezpieczonym w ten sposób podłożu została w pełni i z zadowalającym skutkiem odtworzona pierwotna sprawność techniczna budynku.
Podsumowanie
Nawet we właściwie i bezusterkowo eksploatowanych budynkach może dojść do uszkodzeń ich konstrukcji na skutek zaistnienia nieprzewidzianych zdarzeń losowych (takich jak awaria sieci wodociągowej). Rozmiary uszkodzeń mogą być dodatkowo zwielokrotnione na skutek niezbyt dokładnie rozpoznanych warunków geotechnicznych, np. związanych z lokalizacją budynków na terenach pogórniczych.
Artykuł został opublikowany w: „Aktualne problemy budownictwa na terenach górniczych i pogórniczych. IV Konferencja Obiekty budowlane na terenach górniczych” pod red. Mariana Kawuloka, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2021.
Literatura
- M. Kawulok, Szkody górnicze w budownictwie, ITB, Warszawa 2015.
- Ekspertyza podłoża w rejonie deformacji lokalnej budynku zlokalizowanego na terenie pogórniczym, GIG, Katowice, sierpień–wrzesień 2018.
- K. Konieczny, L. Słowik, Przykład awarii budynku biurowego na terenie Śląska [w:] Materiały z Konferencji Naukowo-Technicznej „Awarie budowlane”, Międzyzdroje 2019.
- Sprawozdanie z uzdatniania terenu w rejonie budynku administracyjnego, Geo-Industrial A., Katowice-Wełnowiec, luty 2019.
- Kontrolne badania georadarowe po wykonaniu w 2019 roku zabezpieczających prac iniekcyjno-podsadzkowych w rejonie budynku na terenie pogórniczym, GIG, Katowice, sierpień 2021.
