Zasadzenie nasypu drogowego na nawodnionym miękkim podłożu z osadami stawowymi

W roku 2010, w ramach zwiększenia przepustowości drogi II/405 Jihlava – Třebíč, prowadzono jej przebudowę na odcinku pomiędzy miejscowościami Příseka i Brtnice. Część trasy przebiegała przez obszar o bardzo niekorzystnych warunkach posadowienia, z wysoce nie nośnymi, zróżnicowanymi gruntami. Jednocześnie analizowany odcinek drogi prowadzony był na wysokim nasypie, zlokalizowanym bezpośrednio w śladzie istniejącej drogi, przy czym wysokość budowanego nasypu wynosiła od 2 m do 4 m ponad istniejącą niweletą jezdni. Maksymalna wysokość nowego nasypu w środkowej części odcinka wynosiła tym samym niemal 6,5 m.

Z tych powodów spodziewano się problemów związanych ze zróżnicowanym zachowaniem odkształceniowym gruntów oraz z późniejszymi zmianami geometrii obiektu po zakończeniu budowy. Ze względu na ograniczony czas zamknięcia drogi na wykonawcę nałożono duży nacisk na szybki postęp robót oraz dotrzymanie harmonogramu prac budowlanych.

Warunki geologiczne lokalizacji

Zgodnie z przeprowadzonym rozpoznaniem inżyniersko-geologicznym zostały one ocenione jako bardzo skomplikowane. Stary korpus nasypu był zbudowany z słabo przepuszczalnych gruntów dawnej grobli stawowej o charakterze gliniastych piasków, wykazujących konsystencję na granicy miękkiej do twardej, z bardzo niską nośnością natychmiastową. W związku z projektowaną zmianą wysokości niwelety (w skrajnym przypadku nawet o 4 m) nastąpiło również znaczne poszerzenie podstawy nasypu, która w swoich skrajnych częściach wkraczała w osady czwartorzędowe o odmiennym układzie po prawej i lewej stronie nowego nasypu.

W istocie w tych skrajnych częściach były to znacznie podmokłe tereny o błotnistym charakterze, zbudowane z silnie heterogenicznych drobnoziarnistych materiałów o miękkiej do mazistej konsystencji, o różnym stopniu plastyczności, bardzo często również z zawartością domieszek organicznych lub przewarstwień torfu i namułów gnilnych o miąższości sięgającej nawet 6 m.

Po prawej stronie nasypu warstwy te o niskiej nośności były reprezentowane przede wszystkim przez osady stawowe, natomiast po stronie lewej były to głównie osady deluwialno-fluwialne aż torfowe, które zalegały głębiej pod istniejącym terenem i sięgały poniżej poziomu pierwotnego nasypu oraz ziemnej grobli.

Warunki hydrogeologiczne lokalizacji

Warunki hydrogeologiczne terenu budowy zostały na całym jego obszarze ocenione jako złożone i były determinowane faktem, że w przeszłości znajdował się tu staw. Poziom zwierciadła wód gruntowych na tym obszarze zależy przede wszystkim od litologicznego charakteru pokrywających czwartorzędowych osadów doliny potoku Špitálský i występuje na kilku poziomach wysokościowych. Oprócz przypowierzchniowej warstwy wodonośnej osadów stawowych, aż po wody powierzchniowe w obszarze mokradeł, została ona stwierdzona również głębiej – w poszczególnych kolektorach porowych. Stan ten powoduje ogólne podmoknięcie korpusu ziemnego i jego podłoża, z konsystencją gruntów zmieniającą się od twardej aż do bardzo miękkiej (mazistej).

Wybór odpowiedniego rozwiązania

Z przedstawionych faktów wynika, że całokształt problematyki projektowania posadowienia tego odcinka nie był z punktu widzenia projektowego wcale prosty. Zastosowana technologia realizacji musiała ponadto respektować wymaganie stosunkowo krótkiego czasu wykonania, przy czym dla umożliwienia konsolidacji projektowanego obiektu wartością graniczną był okres około dwóch miesięcy.

Z punktu widzenia projektanta jedynym w pełni niezawodnym rozwiązaniem, które w tak ekstremalnych warunkach zapewnia całkowicie bezawaryjną konstrukcję, jest wymiana gruntów nienośnych na odpowiedni materiał zasypowy. Rozwiązanie to jest jednak bardzo wymagające, przede wszystkim pod względem tempa realizacji, zakresu robót ziemnych, odprowadzenia wód gruntowych oraz zabezpieczenia wykopu (miąższość gruntów nienośnych sięgała nawet 6 m). Dlatego wariant ten był dla inwestora ekonomicznie nieakceptowalny i nierealny.

Z technicznego punktu widzenia można ponadto w projekcie rozważać różnorodne konwencjonalne technologie specjalnego posadowienia obiektów, które z różnych przyczyn są nieodpowiednie, ewentualnie warunkowo możliwe do zastosowania i/lub trudne do realizacji albo finansowo bardzo kosztowne.

Rozwiązaniem alternatywnym jest natomiast (po odkopaniu przypowierzchniowych warstw osadów stawowych) wykonanie u podstawy nasypu sanacyjnej, quasi-homogenicznej płyty gruntowej z wykorzystaniem geosyntetyków stabilizujących. W zależności od jakości podłoża, bezwzględnej wielkości całkowitego osiadania oraz całkowitych kosztów finansowych, rozwiązanie to można realizować trzema technologiami:

• warstwa rozkładająca obciążenia z gruntów żwirowych wzmocniona warstwami stabilizujących geomat, która wyrównuje osiadania, lecz w zasadzie nie redukuje ich bezwzględnej wartości

• trójwymiarowa struktura geokomórkowa Tensar, która wyrównuje osiadania i redukuje maksymalną wartość deformacji w przybliżeniu o połowę w porównaniu z rozwiązaniem klasycznym

• platforma rozkładająca obciążenie (Load Transfer Platform – LTP), która łączy zbrojony materac rozkładający obciążenie z posadowieniem głębokim (pale), tj. ogranicza osiadanie do minimalnych (zerowych) wartości

Z uwagi na typ konstrukcji (korpus nasypu) oraz bardzo niekorzystne warunki gruntowe wybrano technologię posadowienia z wykorzystaniem struktury geokomórkowej Tensar, stosowanej w przypadkach podłoża o bardzo niskiej nośności.

W istocie jest to trójwymiarowy element fundamentowy zbudowany z geosyntetyków zbrojących i stabilizujących, charakteryzujący się wysoką sztywnością przestrzenną. Z punktu widzenia przestrzennego rozmieszczenia geomatek w matracy wyróżnia się dwa układy tej konstrukcji: „Chevron (strzałka)” oraz „Diamond (diament)”, przy czym drugi układ stanowi sztywniejszy wariant rozwiązania struktury geokomórkowej:

Tak utworzona trójwymiarowa quasi-jednorodna struktura fundamentowa zapewnia w konstrukcji, że w nasypie nie ujawniają się zróżnicowane właściwości podłoża, ponieważ struktura ta nie dopuszcza, względnie praktycznie eliminuje nierównomierne osiadania oraz poziome przemieszczenia w podłożu. Wtórnymi korzyściami struktury geokomórkowej są:

• utworzenie platformy roboczej umożliwiającej samo udostępnienie placu budowy
• utworzenie drenażu powierzchniowego przerywającego podciąganie kapilarne i oddzielającego grunt nasypu od oddziaływania wód gruntowych
• zwiększenie stateczności konstrukcji nasypu, ponieważ dochodzi do wyprostowania potencjalnej powierzchni poślizgu przechodzącej przez strukturę geokomórkową

Projekt rozwiązania

Na podstawie planu warstwicowego wyznaczono miejsca o niewystarczającej nośności podłoża oraz określono zakres zastosowania struktury geokomórkowej. Ze względu na wymóg minimalizacji ingerencji w istniejący nasyp, strukturę geokomórkową zaprojektowano oddzielnie po obu stronach nasypu w dwóch samodzielnych konstrukcjach.

W kierunku poprzecznym zmodyfikowany wariant został następnie umieszczony na dwóch poziomach wysokościowych oraz w dwóch różnych szerokościach – 10 m oraz 12 m. W celu zapewnienia całkowitej sztywności nasypu oraz wzajemnej interakcji poszczególnych struktur projektowaną konstrukcję uzupełniono dwiema warstwami poprzecznego usztywnienia (zob. następny rysunek).

Pierwszym usztywnieniem było wzajemne połączenie samodzielnych konstrukcji struktury komórkowej za pomocą sztywnych jednoosiowych monolitycznych geosiatek Tensar RE, które zostały zakotwione na długości min. 10 m w szczelinie fundamentowej struktury komórkowej. Te elementy łącząco-usztywniające były rozmieszczane symetrycznie po obu stronach nasypu w rozstawie co 20 m i następnie łączone na poziomie korony struktury komórkowej.

Połączenie obu struktur prawej i lewej strony nasypu wykonano również w najniższym miejscu nasypu, gdzie dokonano przekopu nasypu na szerokość 10 m w celu utworzenia łączącego żebra drenażowego. W tym obszarze struktura komórkowa została zamknięta w kształt litery „H”. W kolejnej fazie budowy cała konstrukcja została powierzchniowo wzmocniona drugą warstwą usztywniających geosiatek, które zaprojektowano w przybliżeniu w połowie całkowitej wysokości nasypu (na poziomie korony istniejącego nasypu).

Powyżej opisanymi działaniami stabilizującymi i wzmacniającymi zapewniono, z geotechnicznego punktu widzenia, jednorodność obu części nowo budowanego nasypu oraz zwiększono ogólną stabilność konstrukcji.

Zasada obliczeń struktury komórkowej

Zasada projektowania struktury komórkowej wynika z analogii pomiędzy zachowaniem gruntów a ściskaniem metali pomiędzy dwiema sztywnymi płytami. W miękkim podłożu, pod wpływem rosnącego obciążenia, pole naprężeń przemieszcza się w kierunku środka struktury (zob. poniższy rysunek).

Po przekroczeniu krytycznej wartości obciążenia dochodzi do wyparcia gruntu na boki i do następczego zniszczenia konstrukcji. Projekt struktury komórkowej zapobiega temu zjawisku. Zasady projektowania są częścią podejścia normatywnego zgodnie z BS 8006:2010 Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills.

Ogólnie całkowite wymiary struktury komórkowej zależą od właściwości gruntów w podłożu oraz od rodzaju materiału zasypowego. Wysokość struktury komórkowej najczęściej wynosi 1 m. Rozstaw głównych ścian nośnych zależy przede wszystkim od kąta tarcia wewnętrznego kruszywa zastosowanego do wypełnienia komórek, przy czym wraz ze wzrostem tej wartości zwiększa się ich rozstaw.

W projekcie naszego nasypu przyjęto kruszywo żwirowe frakcji 32/63 mm, które umożliwiło wykonanie głównych ścian nośnych w rozstawie co 1 m. Przy ocenie wymiarów poszczególnych elementów struktury komórkowej (ściana, podstawa oraz przekątna) wychodzi się z aktualnej nośności gruntów w podłożu oraz z określenia maksymalnego naprężenia poziomego działającego na modułowy rząd komórek.

Analiza konsolidacyjna

Niezbędnym elementem projektu było również przeprowadzenie analizy konsolidacyjnej. Obliczenia wykonano metodą elementów skończonych z wykorzystaniem programu PLAXIS, przy czym obliczono, że całkowite osiadanie nasypu będzie mieścić się w zakresie 12–16 cm, z czego przewidywana deformacja po zakończeniu budowy odpowiada ok. 70% całkowitego osiadania korpusu (ok. 10 cm).

Realizacja struktury komórkowej

Budowa struktury komórkowej była prowadzona w następujących etapach:

• układanie nietkanej separacyjnej geowłókniny Geomatex NTB
• układanie stabilizującej trójosiowej geosiatki Tensar TriAx
• montaż podłużnych ścian z jednoosiowej geosiatki Tensar RE, ich mocowanie i naciągnięcie w pozycji pionowej
• przeplatanie ścian poprzecznych z jednoosiowej geosiatki Tensar RE
• zasypywanie warstwami materiałem ziarnistym frakcji 32/63 mm

Monitoring

W trakcie budowy w miejscu żebra drenażowego (przekrój krytyczny) zainstalowano pomiary w celu określenia konsolidacji oraz wyrównania ciśnień porowych w wykonanym korpusie nasypu. Pomiary były prowadzone w kilku etapach, przy czym osiadanie oceniano metodą niwelacji hydrostatycznej w profilu poprzecznym o długości 47 m, z jednoczesnym pomiarem ciśnienia porowego na poziomie 1,5 m poniżej szczeliny fundamentowej nasypu.

Zarejestrowana maksymalna wartość osiadania pierwotnego wyniosła ok. 5 cm, przy czym od października 2010 r. obserwowano już wyraźne zmniejszenie jego tempa. Wzrost ciśnień porowych następował stopniowo od początku maja (pierwszy pomiar) do początku września 2010 r. (maksymalny wzrost 7–10 kPa), po czym od tego momentu następował ich spadek.