Zastosowanie technologii gruntu zbrojonego do posadowienia przyczółków mostowych

Opublikowano 24.10.2019

Ostatnim, a jak dotąd technicznie najbardziej złożonym obiektem były przyczółki mostowe mostów autostradowych na Słowacji, na budowie autostrady D1 w odcinku Jánovce – Jablonov. Są to trzy obiekty mostowe – dwa jednoprzęsłowe (SO 211-00a, SO 211-00b) oraz jeden wieloprzęsłowy (SO 216). Obiekty jednoprzęsłowe stanowią część ronda na skrzyżowaniu autostrady D1 z drogą II/533 na odcinku Levoča – Spišská Nová Ves. Most wieloprzęsłowy przekracza natomiast drogę I/18 prowadzoną głęboką doliną w bezpośrednim sąsiedztwie miejscowości Spišský Hrhov. Ze względu na stosunkowo dobre warunki posadowienia obiektu wieloprzęsłowego oraz ograniczony zakres artykułu, w dalszej części tekstu zajmiemy się problematyką obiektów
SO 211-00a i 211-00b.

Budowa geologiczna obszaru budowy

W budowie geologicznej lokalizacji uczestniczą głównie osady czwartorzędowe i paleogeńskie. W gruntach czwartorzędowych dominują osady fluwialne. Najbardziej złożone warunki posadowienia stwierdzono w rejonie przyczółka 211-00b, czyli w pobliżu istniejącego potoku Levočský potok, który w przeszłości prawdopodobnie meandrował w tym obszarze, wpływając tym samym na jakość gruntów występujących w podłożu obiektu mostowego. Dominującą rolę odgrywają tu osady fluwialne reprezentowane przez iły aluwialne klasy F6/CI, CL oraz gliny o zmiennym udziale frakcji ilastej, z wysokim poziomem wód gruntowych na głębokości ok. 1,0 m poniżej istniejącego terenu, który jednak w okresach intensywniejszych opadów ulega wahaniom i podnosi się praktycznie do poziomu terenu.

Obliczenia

Metodyka projektowa

Procedura obliczeniowa oraz sam projekt konstrukcji przyczółków w bardzo trudnych warunkach, wynikających zarówno z uwarunkowań geologicznych lokalizacji, jak i wyjątkowo dużych obciążeń skoncentrowanych na krawędzi zbrojonego bloku gruntowego (przyczółki mostowe), nie były przedmiotem rozważań teoretycznych, lecz przede wszystkim efektem wieloletnich doświadczeń zdobytych na innych obiektach mostowych w minionych latach. Projekt zbrojonego bloku gruntowego wykonano zgodnie z brytyjską metodyką projektową Tieback Wedge. Quasi-jednorodny blok gruntowy zaprojektowany tą metodą został następnie, zgodnie z zasadami STN EN 1997, sprawdzony pod kątem globalnej stateczności konstrukcji dla granicznego stanu nośności GEO/STR, tj. osiągnięcie stanu granicznego jest spowodowane zniszczeniem (lub nadmierną deformacją gruntu podłoża), w którym wytrzymałość na ścinanie gruntu odgrywa istotną rolę w zapewnieniu odporności. Ocena została przeprowadzona przy użyciu zarówno kołowej, jak i wielokątnej powierzchni poślizgu, która w przypadku środowiska niejednorodnego jest bardziej odpowiednia i lepiej odzwierciedla rzeczywisty mechanizm zniszczenia.

Zachowanie deformacyjne

Obliczenia analizy konsolidacji oraz czasowego przebiegu osiadań wykonano metodą elementów skończonych z zastosowaniem modelowania konstytutywnego. Rozpoznane grunty modelowano sprężyście idealnie plastycznym modelem materiałowym Mohr-Coulomba, który do granicy plastyczności zachowuje się sprężyście, a następnie występują odkształcenia plastyczne przy stałym naprężeniu. Dla bardziej precyzyjnego modelowania (model sprężysto-plastyczny z umocnieniem lub osłabieniem, model hiperplastyczny itp.) nie określono odpowiednich charakterystyk geotechnicznych. Sytuacja ta jest ogólnie typowa dla większości ocenianych konstrukcji geotechnicznych, gdzie wyniki oraz zakres prowadzonych badań inżyniersko-geologicznych zazwyczaj nie odpowiadają wymaganiom dotyczącym oczekiwanych wyników analiz statycznych.

Samo obliczenie metodą elementów skończonych z zastosowanym sprężyście idealnie plastycznym modelem realistycznie określa całkowite wartości osiadań konstrukcji na miękkim podłożu oraz ich przebieg w czasie, jednak znacznie zawyża odkształcenia poziome oraz ogólne zachowanie deformacyjne konstrukcji. W celu całościowej predykcji i określenia deformacyjnego zachowania konstrukcji jako całości konieczne było więc empiryczne skorygowanie obliczonych wartości odkształceń poziomych. W tym celu wykorzystano bogate doświadczenia oraz wyniki pomiarów z już zrealizowanych obiektów. Graniczna wartość maksymalnego poziomego przemieszczenia korony ścian oporowych została określona w obliczeniach statycznych na 93 mm.

Projekt zbrojenia

Rozkład sztywności elementów zbrojących na wysokości konstrukcji uwzględnia w projekcie wymagania dotyczące zachowania deformacyjnego konstrukcji, przy czym przyjęto, że naprężenia w zbrojeniach spowodują ich względne wydłużenie maksymalnie na poziomie 0,5%. Wartość tego wydłużenia w zbrojeniach dla konstrukcji przyczółków mostowych jest zgodna z wymaganiami normy STN 73 3041, względnie BS 8006. Ponad zakres obliczeń statycznych zaprojektowane zbrojenie – w miejscach zwiększonej koncentracji naprężeń (obszar pod progami łożyskowymi) – zostało uzupełnione o dodatkowe zbrojenie zapewniające przejęcie ekstremalnych sił poziomych oraz eliminację odkształceń poziomych.

Konstrukcja przyczółka

Z uwagi na fakt, że podłoże w warstwie przypowierzchniowej było zbudowane głównie z fluwialnych i powodziowych iłów (klasy F6/CI, CL) o miękkiej do półpłynnej konsystencji, z wysokim poziomem wód gruntowych, w rejonie przyczółków mostowych zaprojektowano powierzchniową wymianę gruntów o niskich parametrach deformacyjnych i zastąpienie ich sortowanym kamieniem łamanym frakcji 0/200 mm. Miąższość tej warstwy została określona górnym poziomem żwirów fluwialnych zalegających pod gruntami ilastymi i wynosiła od 2,0 do 2,5 m. Koncepcja rozwiązania samego przyczółka zakładała wykonanie ścian oporowych w technologii gruntu zbrojonego z licem wykonanym z prefabrykowanych elementów żelbetowych. Część nośna konstrukcji jest zapewniona przez geosyntetyczne elementy zbrojące, które są zakotwione w przyległym korpusie nasypu na długość kotwienia określoną obliczeniami statycznymi. Posadowienie progu łożyskowego na zbrojonym bloku gruntowym zaprojektowano w odległości 1,25 m od lica ścian oporowych. Naroża ścian oporowych zaprojektowano z odsunięciem 400 mm od teoretycznego załamania, tak aby poszczególne części ścian mogły deformować się niezależnie, bez wzajemnego oddziaływania. Załamany narożnik po zakończeniu budowy oraz po wystąpieniu zasadniczej części deformacji został zabezpieczony za pomocą okładzinowego kosza gabionowego.

Budowa

Przed rozpoczęciem budowy samych przyczółków wykonano poprawę warunków posadowienia wszystkich przyczółków obu mostów. Stosunkowo płytka warstwa nawodnionych drobnoziarnistych osadów aluwialnych została odkopana i zastąpiona wysokiej jakości kruszywem łamanym (rys. 1).

Rys. 1 Warunki posadowienia

Prace były prowadzone poniżej poziomu wód gruntowych, co utrudniało nie tylko same roboty, lecz przede wszystkim kontrolę dna wykopanych jam. Na przygotowanej powierzchni posadowienia w strefie przyszłego lica z paneli betonowych wykonano smukły pas fundamentowy, który służył do osadzenia podstawowego rzędu paneli. Panele te zostały od strony tylnej wyposażone w poziome konsole zapewniające stateczność bez konieczności dodatkowego podpierania (rys. 2).

Rys. 2 Widok podstawowego rzędu paneli

Panele fundamentowe wykonano naprzemiennie w dwóch wysokościach. Po zainstalowaniu geomatek zbrojących oraz zasypaniu do poziomu niższych paneli kontynuowano montaż kolejnymi panelami bez tylnych konsol. Po osiągnięciu projektowanej wysokości za licem przyczółka wykonano masywne progi łożyskowe (rys. 3), na których następnie osadzono wysokie sprężone prefabrykowane betonowe belki segmentowe (rys. 4).

Rys. 3 Progi łożyskowe

Rys. 4 Belki segmentowe

Po wykonaniu ścian zamykających przyległy nasyp został dosypany do poziomu docelowego. Próg łożyskowy obciążony ciężką betonową konstrukcją nośną wraz z nasypem za ścianami zamykającymi tworzą zatem wyjątkowo intensywne obciążenie bardzo blisko krawędzi przyczółków. Oczekiwane deformacje przyczółków były głównym kryterium projektowym i były następnie szczegółowo monitorowane.

Rys. 5 Finalny przyczółek

Pomiary

Dla wszystkich przyczółków mostowych zaprojektowano rozbudowany monitoring geodezyjny i geotechniczny. Poszczególne pomiary cząstkowe w zdefiniowanych etapach były na bieżąco oceniane w odniesieniu do wartości prognozowanych. Równocześnie prowadzono ciągłą korelację modeli wejściowych oraz doprecyzowywano prognozę końcowego zachowania konstrukcji, która jednak w żadnym z monitorowanych profili nie przekroczyła wartości określonych w projekcie. W większości pomiarów odmienne zachowanie wykazuje przyczółek obiektu 211-00b. Stan ten jest spowodowany usytuowaniem przyczółka w miejscu pierwotnego koryta potoku Levočský, wpływami geologicznymi oraz odmienną geometrią konstrukcji. Monitoring geotechniczny obejmował pomiary precyzyjnej inklinometrii oraz metody hydrostatyczne osiadań. Do monitorowania stateczności podłoża przy każdym przyczółku zainstalowano otwór inklinometryczny o długości 15,0 m. Pomiary w otworach inklinometrycznych nie wykazują dogęszczenia warstw podłoża większego niż 10 mm. Przebieg konsolidacji podłoża pod wpływem budowy przyczółków i nasypu był monitorowany od początku budowy łącznie na sześciu profilach niwelacji hydrostatycznej, zlokalizowanych w odległości 6,0 lub odpowiednio 17,0 m od lica ścian oporowych. Długość profili była zmienna w zależności od geometrii przyczółków mostowych i wynosiła od 66 do 99 m.

Na wykresie na rys. 6 przedstawiono przebieg średniej wartości osiadań w poszczególnych profilach dla środkowej jednej trzeciej przyczółka.

Rys. 6 Średnie wartości osiadań w poszczególnych profilach dla środkowej jednej trzeciej przyczółka

Z wyników analizy wynika, że ostatnie pomiary wykazują stabilizację prędkości osiadań, a tym samym stabilizację konsolidacji nasypu. Pełną linią zaznaczono okres, w którym prowadzona była budowa od poziomu niwelety roboczej. Oznaczenie to obowiązuje dla wszystkich wykresów przedstawionych w artykule. Pomiary geodezyjne wykonywano na reperach niwelacyjnych umieszczonych na panelach licowych. Pomiary te określały bieżące odkształcenia poziome i pionowe paneli oraz zbrojonego bloku w kluczowych fazach budowy, a następnie regularnie w określonych odstępach czasu. Jako stan początkowy do oceny deformacji w odniesieniu do wartości prognozowanych przyjęto moment, w którym przyczółki zostały zasypane do pełnej wysokości, tj. do poziomu progu łożyskowego. Wykresy na rys. 7–10 przedstawiają wyniki pomiarów profilu zlokalizowanego w osi poszczególnych mostów. Osiadania progu łożyskowego (wykres na rys. 7) osiągały dla obu przyczółków obiektu 211-00a oraz przyczółka 00 obiektu 211-00b zbliżone wartości, przy czym wartość końcowa według ostatniego pomiaru stabilizuje się na poziomie 45 mm. Odmienne zachowanie wykazuje przyczółek 211-00b 10, gdzie końcowa wartość osiadania osiąga wartość dwukrotnie wyższą, tj. 90 mm. Przyczółek ten wykazuje jednocześnie większe odkształcenia poziome w analizowanym profilu.

Rys. 7 Osiadania progów łożyskowych

Pionowe deformacje lica przyczółków (wykres na rys. 8) są zróżnicowane dla poszczególnych przyczółków. Najniższe wartości osiadania lica odnotowano dla przyczółka 211-00a 00, natomiast najwyższe wartości zmierzono na przyczółku 211-00b 10, wynoszące ok. 30 mm. Zróżnicowane zachowanie odpowiada przede wszystkim odmiennym warunkom geologicznym. Odkształcenia poziome (wykres na rys. 9), mierzone w koronie umocnienia panelowego, w przypadku poszczególnych przyczółków podążają za pionowymi deformacjami progu łożyskowego. Maksymalne wartości osiągnięto na przyczółku 211-00b 10. Do ostatniego pomiaru wartości te ustabilizowały się na poziomie ok. 85 mm. Początkiem pomiarów dla poszczególnych przyczółków jest zawsze wykonanie nasypu za panelami licowymi do pełnej wysokości. Zasadnicza część deformacji przyczółków wystąpiła na skutek dociążenia konstrukcją nośną obiektu mostowego oraz wykonania stref przejściowych i korpusu nasypu do poziomu niwelety. W przypadku obiektu mostowego 211-00b 10 w tej fazie odnotowano poziome przemieszczenie 55 mm, czyli około 2/3 całkowitej dotychczas zmierzonej wartości deformacji. Taki udział, w przedziale od 60 do 70% całkowitej wartości odkształceń poziomych, osiągają wszystkie przyczółki. Wykres na rys. 10 przedstawia poziome przemieszczenia poszczególnych ścian oporowych w profilu prowadzonym w osi mostu. Widoczne jest, że największe odkształcenia poziome występują w górnej części umocnienia panelowego, gdzie oddziaływanie jest największe ze względu na koncentrację ekstremalnego obciążenia w bezpośrednim sąsiedztwie za tylną stroną przyczółków. W żadnym z mierzonych punktów nie doszło jednak do przekroczenia prognozowanej wartości 93 mm.

Rys. 8 Pionowe deformacje lica przyczółków

Rys. 9 Poziome deformacje lica przyczółków

Rys. 10 Poziome przemieszczenia przyczółków w profilu prowadzonym w osi mostu

Podsumowanie

Przeprowadzone pomiary wykazały, że zmierzone wartości przemieszczeń pionowych i poziomych wszystkich przyczółków nie przekroczyły w żadnym z monitorowanych profili wartości prognozowanych obliczeniami. Trzy przyczółki mostowe (SO211-00a 00, SO211-00a 10, SO 211-00b 00) wykazują podobne zachowanie, a wartości prognozowane dla tych obiektów są stosunkowo konserwatywne. Przyczółek SO 211-00b 10 zachowuje się odmiennie i wykazuje zmierzone deformacje około dwukrotnie do trzykrotnie większe niż pozostałe przyczółki. Okoliczność ta była częściowo przewidywana ze względu na odmienną geometrię w zakresie kształtu rzutu paneli licowych oraz największą wysokość obiektu, a także z uwagi na najwyższe działające obciążenie i obecność obiektu SO 211-00c, przeprowadzającego potok Levočský pod korpusem nasypu, gdzie jednak nie wykonano już wzmocnienia kruszywem łamanym. Jednocześnie mogą tu oddziaływać różnorodne czynniki, które obecnie są trudne do jednoznacznego określenia. Poza wpływami klimatycznymi mogła to być również sytuacja, w której warunki geologiczne stwierdzone w rejonie tego przyczółka nie odpowiadały rzeczywistości ani założeniom przyjętym w obliczeniach.