Prof. dr hab. in\. Maciej GRYCZMACSKI, Maciej.Gryczmański@polsl.pl
Politechnika Śląska
JESZCZE O PRZYCZYNACH AWARII WYSOKIEGO NASYPU
W KM 330+970 AUTOSTRADY A4
BACK TO THE SUBJECT OF CAUSES UNDERLYING THE STRUCTURAL FAILURE OF THE
HIGH EMBANKMENT AT 330+970 KM STRETCH OF A4 MOTORWAY
Streszczenie. Referat jest repliką na opublikowane ostatnio opinie na temat przyczyn awarii nasypu na
autostradzie A4, które podwa\ają stanowisko wyra\one w prezentacjach problemu, w ramach poprzedniej
konferencji Awarie budowlane .
W referacie zidentyfikowane są główne rozbie\ności. Jak wykazano, obserwacje i pomiary nie potwierdzają
tezy o utracie stateczności pod samym cię\arem nasypu. Nie jest równie\ uzasadnione u\ycie w obliczeniach
spójności tak zdecydowanie ni\szej od spójności wynikającej z badań w aparacie skrzynkowym, ani te\
przekonanie o nieprzydatności stosowanych geomateraców do ochrony nasypu przed szkodami górniczymi.
Abstract The paper is a response to ideas published recently, concerning the disputed causes of the structural
failure of the A4 motorway s high embankment which appear to completely contradict the standpoint expressed
when the problem was presented at the previous Structural Failures conference.
The paper identifies main controversies. It shows that observation and measurements do not support the claim
that stability of the embankment was lost solely due to its own weight. It demonstrates that employing, for the
purposes of the analysis, the values of cohesion so considerably lower than the cohesion obtained in shear box
tests is utterly unjustified, as is the view that geomattresses are of no use as a method of protection of the
embankment against mining deformations.
1. Kontrowersje w sprawie przyczyn awarii
Przypadek awarii wysokiego nasypu autostrady A-4 między węzłami Wirek i Batorego ,
a dokładniej w km 330+970, znalazł się centrum uwagi uczestników sesji Geotechnika
poprzedniej XXII edycji Konferencji Awarie Budowlane . Został szczegółowo opisany
i przeanalizowany w trzech komplementarnych referatach [7], [11], [19]. Wydawałoby się, \e
temat został wyczerpany. Nic bardziej błędnego. W kolejnych miesiącach rozgorzał ostry spór
o przyczyny awarii, a w podtekście o winnego. Przeciwne do prezentowanego na Awariach
Budowlanych stanowisko zajęli autorzy konferencyjnych wystąpień [1], [2], [18] i artykułu
[3]. W opinii adwersarzy współdecydującą z oddziaływaniami górniczymi przyczynę defor-
macji i uszkodzeń jezdni i poboczy autostrady stanowiły (cytuję za [1]): błędy popełnione w
całym procesie inwestycyjnym, począwszy od rozpoznania geotechnicznego, poprzez projekt
nasypu, a\ po jego wykonawstwo . Jeszcze bardziej sugestywny w tym względzie był tytuł
publikacji [3]. Dotyczyło to nawet formy druku. Początek brzmiący Błędy w projektowaniu
wydrukowano mianowicie czcionką dwa razy większą ni\ ciąg dalszy, zawierający zwrot
eksploatacja górnicza .
Jak widać, pogląd adwersarzy na przyczyny awarii wyra\ony został jasno i jednoznacznie.
Głoszona teza, to jednak tylko ogólne hasła, które musiałyby być wypełnione treścią, by
mogły stanowić przedmiot powa\nej dyskusji. Chodzi o sprecyzowanie, jakie konkretnie
403
błędne decyzje podjął projektant, lub jakich uchybień dopuścił się wykonawca. Czy, w opinii
autorów zbyt strome są skarpy? Czy zle dobrany pod względem uziarnienia i/lub niedo-
statecznie zagęszczony materiał na korpus? W cytowanych pracach [1], [2], [3] odpowiedzi
na tak postawione pytania nie ma. Dowodzi się natomiast, \e (cytuję za [1]): uszkodzenia
podstawy nasypu oraz korony mogą wystąpić jeszcze przed wystąpieniem odkształceń
związanych z eksploatacją , mówiąc inaczej pod obcią\eniem samym cię\arem własnym.
Podstawą tej autorytarnej tezy były wyłącznie wyniki obszernych studiów numerycznych
zagadnienia, prezentowane w [1], [2], [3]. Dane liczbowe do analiz zaczerpnięte zostały
z projektu [16].
Analiza przyczyn awarii zawarta w [1], [2], [3] ma dwa powa\ne mankamenty:
1) nie uwzględnia rezultatów obserwacji zachowania się nasypu oraz licznych pomiarów
osiadań podło\a budowli i przylegającego terenu, prowadzonych systematycznie
w trakcie i po zakończeniu budowy [11], [19],
2) neguje fakt, \e tworzywo nasypu, jako silnie zagęszczony materiał okruchowy, musi
się odznaczać wysokimi wartościami parametrów mechanicznych, potwierdzonymi
w odniesieniu do oporu na ścinanie wynikami badań doświadczalnych [12], [13] ( w
następstwie przyjmowane są, jako dane do obliczeń, bardzo konserwatywne
oszacowania z projektu [16]).
Niniejsza publikacja jest w pierwszym rzędzie obroną autorskiego stanowiska [7], \e
w procesie inwestycyjnym nie popełniono błędów, które mogłyby być współodpowiedzialne
(wraz z oddziaływaniami górniczymi) za tak du\e deformacje i uszkodzenia, jakie wystąpiły
we wrześniu 2004 w rejonie km 330+970 autostrady A-4. Tym bardziej niewyobra\alne jest,
by nasyp o nachyleniu skarp 1:1.5, wykonany z takiego materiału i w taki sposób jak ten w
rejonie km 330+970, utracił stateczność pod działaniem cię\aru własnego.
Nie byłoby, być mo\e, dramatycznej rozbie\ności stanowisk, gdyby autorzy prac [1], [2],
[3] dysponowali wszystkimi wynikami dokonanych obserwacji oraz pomiarów i bacznie im
się przyjrzeli. Zwięzła ich analiza zamieszczona będzie w p. 2 opracowania.
Nie byłoby te\ twierdzenia o niestateczności w warunkach obcią\enia samym cię\arem
własnym, gdyby nie bezpodstawne, powa\ne (w stosunku do wyników badań [12], [13])
niedoszacowanie oporu na ścinanie tworzywa nasypu w obliczeniach. W p. 3 rozwa\any
będzie kluczowy z punktu widzenia wyników analizy stateczności nasypu dobór wytrzy-
małościowych parametrów jego tworzywa. Pod lupą znajdą się w szczególności kontrowersje
wokół spójności.
Osobny, niezwykle wa\ny w aspekcie dociekania przyczyn awarii problem stanowią
zabezpieczenia układu nasyp podło\e przed szkodami górniczymi. Konieczność wspoma-
gania praktycznie niezdolnych do przenoszenia górniczego rozpełzania terenu gruntów
ró\nego rodzaju przeponami z geosyntetyków nie jest kwestionowana. Bardzo zró\nicowane,
często przeciwstawne, bywają natomiast poglądy na istotę współdziałania konstrukcji zbro-
jących z masywem gruntowym.
Przykładem tego mo\e być krytycyzm prezentowany w pracach [1], [2], [3] wobec matera-
ców z kruszywa obleczonego geosyntetykami, zastosowanych jako zabezpieczenie przed
przenoszeniem się górniczych rozpełzań podło\a II kategorii na nasyp. Na podstawie studiów
numerycznych stwierdza się tam, \e (cytuję za [1]): Ze względu na du\y współczynnik tarcia
pomiędzy geosiatką a gruntem oraz du\ą odkształcalność zastosowanych geosiatek materac
będzie się odkształcał dokładnie tak, jak podło\e, na którym jest posadowiony. Pozwala to
zrozumieć nieznaczny wpływ takiego zabezpieczenia na odkształcenia powstające w
podstawie nasypu oraz w jego koronie (koniec cytatu). Autorzy wysuwają stąd wniosek, \e:
zaprojektowane i zastosowane zabezpieczenie nasypu... było niewystarczające w analizo-
wanych warunkach geotechnicznych . Odmienne stanowisko, poparte wynikami obserwacji
doświadczalnych przedstawione będzie w p. 4.
404
2. Przyczyny awarii w świetle obserwacji i pomiarów
Budowa wysokiego nasypu autostrady A-4 między km 330+700 a km 331+200 zakończyła
się poło\eniem warstwy wią\ącej asfaltu w ostatnich dniach listopada 2003. W tym stanie
pozostawał obiekt do września 2004, kiedy to doszło do opisanej w [7], [11], [19] awarii.
Przynajmniej do lipca 2004 systematyczna, drobiazgowa kontrola powierzchni jezdni, pobo-
czy i skarp, prowadzona przez nadzorującą firmę Jacobs Gibb nie wykazała \adnych uszko-
dzeń nasypu. Przez 7 miesięcy nie było spływów, osuwisk, szczelin w masywie gruntowym,
spękań asfaltu niczego, co by wskazywało na słuszność tezy o mo\liwości uszkodzeń pod-
stawy i korony nasypu, w wyniku działania samego cię\aru. Gdyby takie zdarzenia miały
wystąpić, stałoby się to w momencie zakończenia budowy obiektu, czyli w grudniu 2003, lub
(biorąc pod uwagę co najwy\ej średnią spoistość podło\a) w krótkim okresie po jego wznie-
sieniu, kiedy nie rozpoczęło się jeszcze stabilizujące rozpraszanie ciśnienia porowego. Jak
wspomniano, \adnych symptomów zniszczenia w tym czasie nie było. Pózniej, ka\da chwila
procesu konsolidacji oddalała wywołane cię\arem budowli naprę\enia efektywne w podło\u
od stanu granicznego. Rumoszowy nasyp był ju\ wtedy skonsolidowany.
Zasadniczym uwiarygodnieniem powy\szych wizualnych wniosków byłoby potwier-
dzenie ich wynikami odpowiednich pomiarów. Okazji ku temu dostarczył kompleksowy
monitoring obni\eń terenu pod autostradą i w jej otoczeniu, w rejonach spodziewanych nie-
cek górniczych, prowadzony od końca marca 2003, z częstotliwością co 3 miesiące. Osnowę
geodezyjną tworzyły ciągi reperów równoległych do autostrady (dwa po obu jej stronach,
poza pasem robót ziemnych, jeden w osi wysokiego nasypu), oraz kilkanaście poprzecznych
ciągów reperów ([5], [19] rys. 1).
Kluczowy dla potwierdzenia antytezy o mo\liwości destabilizacji nasypu pod cię\arem
własnym był przebieg procesu osiadania reperu 10 N w osi wysokiego nasypu, w km 330+
900, pokazany na rys. 1. Nie jest to wynik bezpośredniego pomiaru. Ten musiał być zreduko-
wany o średnie górnicze obni\enie terenu.
CZAS [dni]
05. 2003 08. 2003 11. 2003 02. 2004 05. 2004
0 90 180 270 360
Rys. 1. Przyrost osiadania wysokiego nasypu w czasie (od maja 2003)
Gwoli ścisłości, dla uchwycenia nieska\onego wpływu cię\aru własnego trzeba by jeszcze
odjąć od rzędnych, przytoczonych na rys. 1, niewielkie, niemo\liwe do pomierzenia, osiada-
nia, będące skutkiem górniczego rozluzniania podło\a w rozwa\anym czasie. Nawet i bez tej
redukcji, z przebiegu osiadań na rys. 1 w \aden sposób nie wynika zagro\enie utratą state-
czności nasypu.
W miesiącach letnich 2004 nastąpił dramatyczny zwrot teren po północnej stronie skarpy
autostrady zaczął się gwałtownie obni\ać, a apogeum tego obni\enia zanotowano na reperze
85TN, usytuowanym w km 330+970, w odległości niecałe 40 m od podnó\a skarpy. W ciągu
trzech miesięcy od czerwca do września 2004 osiadanie w tym punkcie gwałtownie wzrosło,
osiągając wartość 181 cm (sic!). Jest to de facto przyrost od pierwszego pomiaru w marcu
2003. W dalszych miesiącach obni\enie powoli rosło przekraczając w maju 2005 200 cm. Na
rys. 2a pokazany został opisany przebieg obni\enia reperu 85TN, oraz dla porównania
poło\onego vis ą vis po drugiej stronie autostrady reperu 84 TN. Rys. 2a uświadamia skalę
405
3.2
13.6
15.2
15.8
OSIADANIA
PRZYROST
[cm]
zjawiska. W ciągu trzech letnich miesięcy osiadanie reperu 85 TN wzrosło a\ piętnasto-
krotnie. Jeszcze bardziej brzemienny w skutki jest fakt, \e we wrześniu 2004 osiadanie to
było trzynastokrotnie większe ni\ osiadanie po południowej stronie autostrady. Świetną
wizualizację sytuacji stanowi mapa warstwicowa, przedstawiająca nieckę obni\eniową we
wrześniu 2004. Została stworzona w drodze interpolacji osiadań 54 reperów. Zasadniczą jej
część centralną przytoczono na rys. 2b dzięki uprzejmości autorki mapy dr in\. Barbary
Kliszczewicz.
2004 2005
04 06 08 10 12 02 04
0.0
84TN
STRONA POAUDNIOWA
0.5
1.0
1.5
STRONA PÓANOCNA
85TN
2.0
Rys. 2. Obni\enie terenu po północnej stronie autostrady, a) przebieg w czasie kulminacji
obni\enia (reper 85 TN), b) mapa warstwicowa niecki obni\eniowej wrzesień 2004.
Wynika z tego rysunku, \e wokół kulminacji w punkcie 85 TN wytworzyła się głęboka,
bardzo wąska niecka o stromych brzegach i podłu\nej osi odchylonej o kąt 20o od osi auto-
strady w kierunku północnym. Obni\enie terenu, przekraczające 1 m, miało długość 50 m
i szerokość zaledwie 15 m, a najmniejszy promień wypukłej krzywizny pod południową
stroną jezdni był rzędu 3.8 km. Z obrazem takim doskonale korespondują głębokie szczeliny
wzdłu\ południowego pobocza i jezdni, o maksymalnej rozwartości na powierzchni korony,
szybko zwę\ające ku dołowi. Rzeczą znamienną jest, \e monitoring przemieszczeń w kilku-
nastu poprzecznych przekrojach autostrady w rejonie km 330+970, prowadzony we wrześniu
i pazdzierniku 2004 z częstotliwością co 3 dni, wykazywał narastające nierównomierne
obni\enia powierzchni korony drogi i \adnych poziomych przemieszczeń podstawy nasypu.
Związek wszystkich powy\szych zjawisk z wydobywaniem węgla kamiennego jest oczy-
wisty. Jego istnienia dowodzi zgodność miejsca i czasu. Intensywna eksploatacja ściany po-
kładu węgla, zlokalizowana dokładnie pod miejscem kulminacji niecki obni\eniowej na
głębokości średnio 550 m, rozpoczęła się w maju 2004, na trzy miesiące przed awarią. Jest
i wspomniana zgodność miejsca i charakteru uszkodzeń z usytuowaniem i geometrią niecki.
Rozciągania korony nasypu, którego skutkiem była szeroka szczelina wzdłu\ 150 m odcinka
pobocza i spękania asfaltu jezdni o tym samym kierunku (udokumentowane w [19]), mo\na
było oczekiwać w sytuacji, gdy wypukła krzywizna brzegu niecki osiągała lokalnie wartości
kwalifikowane do IV kategorii deformacji górniczej. Nie było natomiast we wrześniu 2004
symptomów utraty stateczności nasypu (osunięć skarp, koluwiów, podnoszenia terenu obok).
3. Niewiarygodność analiz stateczności w [1], [2], [3]
Nieukrywaną intencją publikacji [1], [2], [3] było przekonanie zainteresowanego zdarze-
niem środowiska, \e nie nale\y przesadzać z ferowaniem odpowiedzialności eksploatacji
górniczej za awarię. Wszak według tych zródeł nie byłoby gwarancji stateczności wzniesione-
go w rejonie km 330+970 nasypu, nawet gdyby nie powstała tam \adna niecka obni\eniowa.
Brak symptomów zagro\enia w siedmiomiesięcznym okresie od zakończenia budowy do
rozpoczęcia eksploatacji ściany w maju 2004 był dla autorów bez znaczenia. Mia\d\ącym
406
obni
\
enie [m]
dowodem miały być wyniki teoretycznych analiz stateczności układu nasyp podło\e , pod
działaniem samego cię\aru własnego nasypu.
Całość ujęto w kompleksowym studium numerycznym obejmującym sprę\ysto
plastyczne analizy MES [1] i MRS [2] z wykorzystaniem procedury redukcji c - Ć , oraz
klasyczne obliczenia blokowymi metodami równowagi granicznej Bishopa i Janbu [2]. W [2],
[3] rozwa\ano cztery warianty parametrów geotechnicznych. Obliczenia w [1], [2], [3]
spełniają postulaty eksperymentalnej in\ynierii gruntowej (ESE). Warunkiem sine qua non są
realistyczne (dostatecznie zgodne z doświadczeniem) oszacowania parametrów modeli
gruntów. W rozwa\anych analizach stateczności są to parametry wytrzymałościowe: kąt
tarcia wewnętrznego Ć i spójność c.
Wspomniany mia\d\ący dowód inherentnej niestabilności układu globalny wskaznik
stateczności F = 1.13 (w przypadku sprę\ysto plastycznej analizy MRS) z nawet F = 1.06
(metoda Janbu) ustalony został w [2] przy parametrach zaczerpniętych z projektu [16]:
Ć = 25, c = 18 kPa dla materiału nasypu,
Ć = 12, c = 11 kPa dla gruntu podło\a.
Nie ma \adnej wątpliwości, \e wartość globalnego wskaznika stateczności zale\y w spo-
sób zasadniczy od parametrów wytrzymałościowych materiału nasypu i w wyraznie mniej-
szym stopniu od analogicznych charakterystyk gruntów podło\a. Dla potwierdzenia
wystarczy porównać wskazniki uzyskane dla ró\nych wariantów w [1], [2], [3]. Skoro więc
wyniki obliczeń mają mieć siłę niezbitego dowodu, \e błędy w procesie inwestycyjnym
stanowią wa\ną przyczynę awarii, oszacowania Ć i c tworzywa nasypu muszą być absolutnie
wiarygodne.
Do wykonania nasypu na odcinku od km 330+850 do km 331+120 u\yto ostatecznie
przekruszonego zaglinionego piaskowca, pochodzącego z pobliskich wykopów. yródłem wie-
dzy o fizyko mechanicznych właściwościach materiału są badania [12], [13] na trzech du-
\ych próbach. Dwie z nich, pobrane losowo z zupełnie ró\nych miejsc wykazują (po odrzuce-
niu okruchów o średnicach zastępczych, większych od 60 mm) du\e podobieństwo, co
pozwala na następujące uśrednienie parametrów: zawartość frakcji grubych (powy\ej 20
mm) ok. 52%, udział frakcji pyłowej ok. 9% a iłowej - 3.8%, wilgotność naturalna ok.
7.1% a optymalna ok. 9%. Istotnie ró\nią się wskazniki ró\noziarnistości (425 i 1750), są
jednak oba bardzo du\e. Makroskopowy ogląd nasypu sugerował, \e powy\sze dwie próby
mo\na uznać za reprezentatywne, a przynajmniej typowe.
A oto uśrednienie parametrów wytrzymałościowych obu prób, po odrzuceniu ziaren dz >
60 mm i zagęszczeniu metodą normalną Proctora do wskaznika zagęszczenia 1.0 [12], [13]:
Ć = 39.5, c = 79.4 kPa
Parametry trzeciej, wyselekcjonowanej pod kątem zbadania skutków większego udziału
cząstek drobnych (zawartość frakcji pyłowej ok.17%, iłowej ok.14%) są mniejsze:
Ć = 26, c = 67 kPa.
Porównując uzyskane w badaniach parametry wytrzymałościowe zastosowanego do budo-
wy nasypu przekruszu piaskowca z przyjętymi do obliczeń w [1], [2], [3] mo\na pomyśleć, \e
ma się do czynienia z całkowicie ró\nymi gruntami. Szokujący jest zwłaszcza stosunek
spójności ok. 4.5 . W pracy [1] tę drastyczną rozbie\ność kwituje się następująco (cytuję):
Uzyskana z powy\szych badań bardzo wysoka spójność budzi powa\ne wątpliwości. Jest ona
prawdopodobnie spowodowana znanym zjawiskiem klinowania się grubych ziaren przy
ściankach aparatu bezpośredniego ścinania. Uzyskiwana w badaniach bezpośredniego ścina-
nia wysoka spójność gruntów z natury niespoistych nie jest więc cechą materiału, ale wyni-
kiem błędów związanych ze stosowaną procedurą badawczą, której nie nale\y uwzględniać
przy obliczaniu stateczności nasypów budowli . W tym kategorycznym stwierdzeniu , które
ma stanowić niepodwa\alne uzasadnienie przyjęcia do obliczeń bardzo niskiej spójności, a
tym samym uwiarygodnienie grozby niestateczności nasypu pod działaniem samego cię\aru
407
własnego, podpierają się autorzy autorytetem Pisarczyka powołując się na jego ksią\kę [15].
Uwa\na lektura [15] prowadzi do zgoła innych wniosków. Na str. 44 mo\na przeczytać, \e
klinowaniu ziaren wzdłu\ wymuszonej płaszczyzny i przy ściankach aparatu skrzynkowego
zapobiega strefa ramek o wysokości co najmniej 2 razy większej od maksymalnej średnicy
ziarna. W badaniach [12], [13] wymaganie to zostało spełnione. Pisarczyk przytacza, uzy-
skane w aparatach bezpośredniego strefowego ściskania, wysokie opory spójności gruntów
gruboziarnistych, m.in. c = 56 kPa okruchów piaskowca (rys. 5.44) i c = 50 70 kPa ziaren
tłucznia kolejowego (rys.5.54). O tym, \e du\y opór spójności jest cechą materiału grubo-
okruchowego, a nie (jak chcą autorzy [1]) skutkiem błędów związanych z procedurą
badawczą, świadczy wynik badań Homand Etienne i in. [9] gruboziarnistego gruntu o stru-
kturze agregatowej w aparacie trójosiowego ściskania - c = 45 kPa. Najbardziej spekta-
kularnego dowodu dostarczają jednak wyniki próbnych obcią\eń w skali 1:1 nasypu drogo-
wego z grubookruchowych, nieprzepalonych odpadów kopalnianych, przeprowadzonych
przez Kawalca [10]. W drodze sprę\ysto plastycznych analiz wstecznych zagadnień grani-
cznych uzyskał on przy ró\nych nachyleniach skarpy opory spójności w granicach 43 kPa
55 kPa.
Jak się to ma do sugestii zawartej w cytowanym za [1] komentarzu, \e w gruntach
z natury niespoistych nie nale\y spójności uwzględniać przy obliczeniu stateczności
nasypów? Rzecz w tym, co się rozumie przez spójność. W przytoczonej wypowiedzi autorzy
[1] mają najwyrazniej na myśli klasyczne pojęcie mechaniki mikrostrukturalnej, czyli
wzajemne przyciąganie cząstek gruntu, uwarunkowane występowaniem sił Van der Waalsa
i elektrostatycznych. W stosowanym do obliczeń prawie Coulomba Mohra jest to jednak
tylko wytrzymałość gruntu na ścinanie przy zerowym naprę\eniu normalnym, niezale\nie od
fizykalnego znaczenia. Równie dobrze mo\e to być wzajemne zazębianie się czastek gruntu,
zwane przez Parylaka [14] spójnością strukturalną. Taylor [20] uwa\ał, \e to nie spójność
sensu stricto, lecz właśnie zazębianie się ziaren (interlocking) jest drugim obok tarcia składni-
kiem oporu ścinania.
W tym miejscu trzeba koniecznie przywołać niedawno opublikowany esej [17] o zna-
miennym tytule: The Mohr Coulomb error , autorstwa Andrew Schofielda, jednego
z najbardziej opiniotwórczych mechaników gruntów w światowej historii dyscypliny. W
pracy tej wyjaśnia autor rzeczywistą naturę oporu spójności . Czyni to w drodze interpretacji
klasycznego prawa Coulomba-Mohra, z wykorzystaniem wyników podstawowych badań
Hvorsleva i twórców mechaniki stanu krytycznego. Punktem wyjścia jest ogólnie znany fakt,
\e spójność właściwa tworzy się w dłu\szym, bli\ej nieokreślonym czasie, oraz mniej pow-
szechna wiedza, \e zniszczenie gruntów normalnie skonsolidowanych lub słabo prekonso-
lidowanych, związane ze stanem krytycznym i zaawansowanym plastycznym płynięciem, ma
charakter czysto tarciowy. Dowodzi tego przebieg obwiedni stanów krytycznych (CSL)
w przestrzeni naprę\eń efektywnych. Jest to zawsze prosta przechodząca przez początek
układu (rys. 3).
Linia, którą w codziennej praktyce laboratoryjnej uwa\a się za prostą Coulomba Mohra,
jest w istocie obwiednią wytrzymałości szczytowych, odkrytą dla mechaniki gruntów przez
Hvorsleva (gruba linia na rys. 3). Wytrzymałość szczytowa charakteryzuje wyłącznie grunty
silnie prekonsolidowane. Doświadczenia wykazują, \e istotnym jej składnikiem jest opór
spójności , który powstaje i rośnie w trakcie obcią\ania.
408
prosta Hvorsleva
(obwiednia wytrzymałości
szczytowych)
normalne naprę\enie
efektywne
Rys. 3. Prawo Coulomba-Mohra w ujęciu Schofielda
Schofield konkluduje, \e nie mo\e być to spójność właściwa, bo ta tworzy się w długim
czasie. Jest to wyłącznie zazębianie się cząstek (interlocking), które stanowi cechę uniwer-
salną, znamionującą zarówno grunty spoiste, jak niespoiste. Nie trzeba nikogo przekonywać,
\e jeśli się podda silnej prekonsolidacji materiał składający się w połowie z grubych, ostro-
krawędzistych okruchów skalnych, a przy tym bardzo ró\noziarnisty, odznaczał się on
będzie szczególnie wysokim oporem spójności w rozumieniu Schofielda (du\ym
interlockingiem).
Taka właśnie była charakterystyka tworzywa nasypu autostrady A-4 w rejonie km 330+970
zagęszczanego warstwowo cię\kim walcem wibracyjnym. W świetle powy\szej analizy nie
istnieje \aden racjonalny powód, by oporu spójności nasypu nie uwzględniać w obliczeniach
stateczności a nawet by istotnie zani\ać jej wartość uzyskaną w badaniach w aparacie
bezpośredniego ścinania [12], [13].
Wcześniej przytoczone parametry gruntów podło\a, przyjęte za [16] w pracach [1], [2],
[3], odpowiadają (według PN-81/B-03020) gruntowi średniospoistemu o stopniu plastyczno-
ści IL = 0.4 z grupy genetycznej C. Badania gruntów podło\a autostrady nie objęły
bezpośrednich oznaczeń parametrów. Nieuniknione stało się więc wykorzystanie normowych
korelacji. Nie oznacza to bynajmniej akceptacji przyjętych w pracach [1], [2], [3] wartości.
Inny przede wszystkim profil układu uwa\a się za obliczeniowy (rys.4). Jest to przekrój pop-
20.4 18.0
nawierzchnia
materac
piasek pylasty
glina piaszczysta
I = 0.5
I = 0.17 B
D
L
40%
o o
Ć = 30 c = 0 Ć = 17 c = 30kPa
.
Rys.4. Obliczeniowy przekrój geotechniczny
rzeczny autostrady, poło\ony najbli\ej miejsca kulminacji niecki obni\eniowej i awarii , tj.
km 330+970 .
Nawet przy najmniej korzystnych wiarygodnych parametrach, tj. Ć = 26, c = 67 kPa,
analiza MES, z redukcją c - Ć, stateczności nasypu pod cię\arem własnym daje wysoki
globalny wskaznik stateczności F = 2.4. Wynik ten jest adekwatny do zachowania się nasypu
w siedmiomiesięcznym okresie od zakończenia budowy do rozpoczęcia eksploatacji ściany,
w którym to okresie brak było jakichkolwiek oznak destabilizacji. Warto zauwa\yć, \e w [2]
podano jako wynik analogicznej analizy F = 2.27. Mało istotna ró\nica wyniknęła z nieco
ró\niących się od siebie profilów obliczeniowych i modeli geomateraca. W [2] zgodnie
409
styczne
naprę\enie
zazębianie
ziaren
(interlocking)
4.6
10.5
0.
6.4
0.3
h
c
y
n
z
c
y
t
y
r
k
w
ó
n
a
t
s
a
i
n
i
l
5
.
1
:
1
z przyjętą filozofią negowania oporu spójności (interlockingu) rezultat ten został oczywiście
odrzucony jako nierealistyczny.
W ramach niniejszej pracy przeanalizowano te\ wpływ na stateczność nasypu deformacji
górniczej II kategorii. Okazał się relatywnie mały. Wartość F = 2.3 oznacza stan wcią\
odległy od zagro\enia osuwiskiem, co potwierdziło się wspomnianym ju\ brakiem sym-
ptomów osuwisk w czasie awarii. W świetle analiz numerycznych w pracy [1] osunięcie się
skarpy północnej byłoby nieuniknione.
Rodzi się pytanie, czy zupełnie odmienny od tego, rzeczywisty obraz awarii deformacje
nieciągłe i spękania w górnej strefie nasypu bez utraty stateczności skarp, jest do uchwycenia
w sprę\ysto plastycznych analizach MES spełniających postulaty ESE? Odpowiedz brzmi:
tak , lecz pod warunkiem uwzględnienia zgodnego z wynikami badań [12], [13], wysokiego
oporu spójności tworzywa nasypu i równocześnie jego znikomej zdolności do przenoszenia
ciągnień. Takim wymaganiom mo\e sprostać sprę\ysto idealnie plastyczny model Coulomba
Mohra w wersji cut off , czyli mówiąc precyzyjnie model o prawie płynięcia stowarzy-
szonym (lub niestowarzyszonym) z powierzchnią graniczną Coulomba Mohra, zamkniętą
od strony ciągnień płaszczyzną dewiatorową (np. q = 0).
4. Problem zabezpieczeń nasypu przed awarią
Jedynym konkretnym zarzutem postawionym przez adwersarzy autorom projektu jest
zarzut całkowitej nieskuteczności zabezpieczeń geomateracami. Autorzy prac [1], [2],[3]
wyrokują to na podstawie wspomnianych ju\ analiz numerycznych, z których wynikało, \e
wskutek du\ej odkształcalności zastosowanych geosiatek materac odkształcał się dokładnie
tak jak podło\e.
Na wstępie rozwa\ań nad adekwatnością powy\szego wyniku trzeba przypomnieć od-
notowany w p. 2 fakt, \e prowadzone we wrześniu i pazdzierniku 2004 z du\ą częstotliwością
i w gęstej siatce punktów pomiary geodezyjne sygnalizowały relewantne do stanu awarii du\e
przemieszczenia powierzchni korony, nie wykazując \adnych ruchów poziomych podnó\y
skarp (końcówek materaca).
Trzeba zauwa\yć, \e du\a odkształcalność geosiatek ustalana była w [1], [2], [3] na pods-
tawie standardowych testów rozciągania, dokonywanych w warunkach drastycznie odbiega-
jących od tych, w których pracowały pózniej. Aspekt znaczącego wzrostu sztywności
geosiatki w wyniku klinowania się w jego oczkach ziaren kruszywa matrycy a tak\e docisku
nasypem jest silnie akcentowany w publikacji [8]. Ponadto za miarodajną przyjęto w
cytowanych obliczeniach du\ą odkształcalność odpowiadającą wydłu\eniu 2%, tj. ok. 1.3 m
na szerokości podstawy nasypu, podczas gdy wydłu\enie w wyniku eksploatacji jest rzędu
0.3%, tj ok. 20 cm. Powy\sze rozwa\ania mają znaczenie ogólniejsze, sygnalizują bowiem
konieczność rewizji obowiązującego podejścia do projektowania materaców, opartego na
kryterium nieprzekroczenia długotrwałej wytrzymałości zbrojenia (por. m.in. [18]). Nie trzeba
natomiast po nie sięgać, by wykazać efektywność zastosowanego pod wysokim nasypem w
330+970 autostrady materaca. Trudnego do zakwestionowania dowodu dostarczają wyniki
badań modelowych Chlipalskiego [4], informujące jaka część górniczego odkształcenia
przedostaje się przez materac do nasypu. Poza sposobem symulacji rozpełzania na stanowisku
badawczym wszystkie elementy modelu są wierną kopią w skali 1:1 konstrukcji
zrealizowanej na autostradzie (rys. 5a). Zale\ność między odkształceniami poziomymi pod
materacem i nad materacem, pokazana na rys. 5b bazuje na wynikach badań [4].
Przytoczone wyniki ukazują bardzo du\ą skuteczność zastosowanego rozwiązania jako
zabezpieczenia przed rozpełzaniem. Geomaterac redukuje poziome odkształcenia górnicze
w sposób zasadniczy. Przedostaje się do nasypu odkształcenie, które nie przekracza 0.05% (I
kategoria szkód górniczych). Warto podkreślić, \e Chlipalski prowadził badania dotyczące
410
a) b)
0.6
Piasek
CZUJNIKI INDUKCYJNE
0.4
GEORUSZT TENAX 220
0.2
Kruszywo
0.0
GEORUSZT TENAX 440
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
CZUJNIKI INDUKCYJNE
Piasek
Piasek ODKSZTAACENIE POZIOME GÓRNICZE
(ROZPEAZANIE) 0
!
WYMUSZENIE ROZLUyNIENIA
Rys. 5. Badania modelowe Chlipalskiego [4], a) przekrój przez materac,
b) zale\ność odkształcenia poziomego gruntu nad materacem od wymuszenia górniczego
przepon i materaców z ró\nych geosyntetyków, które opublikował wykazując, \e choć w
ró\nym stopniu wszystkie one stanowią barierę dla rozpełzań. Wybór zródła ([4]) uzasadnio-
ny jest geometryczną i materiałową to\samością badanego tam modelu z prototypem na
autostradzie.
Badania Chlipalskiego nic nie mówią o zdolności rozwa\anego geomateraca do łagodze-
nia nierównomierności osiadań nasypu wskutek oddziaływania górniczej krzywizny terenu.
To, \e geomaterac, jako sztywna inkluzja redukuje nierównomierności osiadań, potwierdzały
inklinometryczne badania nasypu autostrady A-4, prowadzone przez Katedrę Geotechniki
Politechniki Śląskiej na odcinku między węzłami Mikołowska i Batorego [6]. Badania te
wykazały, \e mimo stwierdzonych wpływów eksploatacji materac wbudowany w korpus
autostrady pozostawał prawie płaski i poziomy.
Rodzi się oczywiste pytanie, dlaczego mimo powy\szych zabezpieczeń doszło do awarii?
Trzeba jednak pamiętać, \e materac znajdował się kilka metrów pod obszarem nieciągłych
odkształceń i uszkodzeń. Nawet małe, nie zredukowane w poziomie materaca krzywizny
mogły skutkować znaczącymi rozluznieniami w pasie korony.
Jest prawdopodobne, \e lokalne zastosowanie drugiego geomateraca pod nawierzchnią
uchroniłoby autostradę od awarii. Gdy jednak powstawał projekt a nawet gdy był realizowa-
ny, obowiązywała prognoza niecki o głębokości rzędu 0.6 m.
Literatura
1. Cała M., Cieślik J., Flisiak J., Kowalski M.: Przyczyny awarii nasypu autostrady A-4
pomiędzy węzłami Wirek i Batorego w świetle obliczeń numerycznych, XXIX Zimo-
wa Szkoła Mechaniki Górotworu i Geoin\ynierii, Krynica 2006, W: Geomechanika
i Budownictwo Specjalne Wyd. Katedry Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
AGH, Kraków 2006, 755-770.
2. Cała M., Cieślik J., Flisiak J., Kowalski M.: Analiza warunków stateczności nasypu
autostrady A-4 między węzłami Wirek - Batorego , XXIX Zimowa Szkoła Mechaniki
Górotworu i Geoin\ynierii, Krynica 2006, W: Geomechanika i Budownictwo Specjalne
Wyd. Katedry Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki AGH, Kraków 2006, 771-783.
3. Cała M., Cieślik J., Flisiak J., Kowalski M.: Błędy w projektowaniu, a nie tylko
eksploatacja górnicza przyczyną uszkodzenia autostrady, Nowoczesne Budownictwo
In\ynieryjne nr 5 (8), 2006, 26-31.
411
ODKSZTAACENIE POZIOME
GRUNTU NAD MATERACEM0
4. Chlipalski K.: Badanie wpływu geosiatki TENAX 220 i 440 na wzmocnienie konstrukcji
nawierzchni poddanej górniczemu rozpełzaniu podło\a, Katedra Komunikacji Lądowej
Pol. Śl., Gliwice 2002.
5. Gryczmański M. i in.: Monitoring wpływu eksploatacji górniczej na odcinek autostrady
A-4 między węzłami Wirek Batorego . Raporty I VIII, Cz. 1 4, Pol. Śląska, Kat.
Geotechniki, Gliwice styczeń 2000 pazdziernik 2004.
6. Gryczmański M. i in.: Weryfikacja doświadczalna wzmocnień na wpływy górnicze
nasypów i konstrukcji autostrady płatnej A-4 dla odcinka Gliwice Katowice. Cz. II.
Weryfikacja wzmocnienia konstrukcji nasypów i podło\a. Praca NB-211/RB-7/98. Kat.
Geotech. Pol. Śl. Gliwice 1998 2002.
7. Gryczmański M., Sternik K.: Awaria wysokiego nasypu autostrady A-4 między węzłami
Wirek - Batorego , XXII Konferencja Naukowo Techniczna Awarie Budowlane
Szczecin Międzyzdroje 2005, 545 552.
8. Gryczmański M., Kawalec J.: Analiza skuteczności geosyntetyków w materacach zabez-
pieczających nasypy na terenach górniczych, Górnictwo i Środowisko, Spec. Wyd., 2006,
105-113.
9. Homand-Etienne F., Rapin H., Song Y.: Effect of aggregates angularity on granular
material behaviour, Powders and Grains , Balkema, Rotterdam 1989, 135-141.
10. Kawalec J.: Ocena wytrzymałości odpadów górniczych na podstawie próbnych obcią\eń
skarpy nasypu, Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice, 2000.
11. Kliszczewicz B.: Analiza zagro\eń kanalizacji deszczowej na odcinku autostrady A-4
między węzłami Wirek Batorego , XXII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie
Budowlane , Szczecin Międzyzdroje 2005, 579-586.
12. Kozielska Sroka E., Michalski P.: Określenie wytrzymałości na ścinanie przekruszone-
go materiału skalnego w aspekcie wykorzystania go do budowy nasypu autostradowego,
Kat. Mech. Gruntów i Bud. Ziemnego Akademii Rolniczej w Krakowie, Kraków 2003.
13. Kozielska Sroka E., Michalski P.: Określenie wytrzymałości na ścinanie przekruszone-
go materiału skalnego pochodzącego z wykopu MOP Halemba w aspekcie wykorzystania
go do budowy nasypu autostradowego, Kat. Mech. Gruntów i Bud. Ziemnego Akademii
Rolniczej w Krakowie, Kraków 2003.
14. Parylak K.: Charakterystyka kształtu cząstek drobnoziarnistych gruntów niespoistych i jej
znaczenie w ocenie wytrzymałości, Rozprawa habilitacyjna, Zesz. Nauk. Pol. Śl.,
Budownictwo, 90, 2000.
15. Pisarczyk S.: Grunty nasypowe, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa
2004.
16. Projekt wykonawczy autostrady A-4, odcinek Węzeł Wirek Węzeł Batorego , km
325+232.80-km332+470.00, opracowany przez Krakowskie Biuro Projektów Dróg i
Mostów Transprojekt . Oddział Katowice, luty - czerwiec 2000.
17. Schofield A.N.: The Mohr Coulomb error, In Mechanics and Goetechnics , ed. M.
Luong, LMS Ecole Polytechnique, Paris 1998, 23, 19-27.
18. Sobolewski J.: Uwagi co do zasad projektowania nasypów ze zbrojeniem geosytnetycz-
nym w podstawie, w tym nasypów na terenach szkód górniczych, XXIX Zimowa Szkoła
Mechaniki Górotworu i Geoin\ynierii, Krynica 2006, w Geomechanika i Budownictwo
Specjalne , Wyd. Katedry Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki AGH, Kraków
2006, Dodatek, 1-18.
19. Strycharz B., Chlipalski K., Grygierek M., Basiński T.: Górnicze deformacje i uszkodze-
nia nawierzchni autostrady A-4 między węzłami Wirek Batorego , XXII Konferencja
Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane , Szczecin-Międzyzdroje 2005, 625-634.
20. Taylor D.W.: Fundamentals of soil mechanics, Wiley, New York 1948.
412
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Jeszcze raz przytul mnie D BombHyperchem jeszcze raz od podstawZATANCZYSZ ZE MNA JESZCZE RAZHej raz, jeszcze raz Cyganie Tip TopJeszcze raz o polskich jeńcach w sowieckiej niewoli 1919 1922jeszcze razWernerowa Jeszcze raz o zwierzętachPocałuj jeszcze raz Karpowicz FamilyJeszcze raz BraciaJeszcze razanaliza warunków stateczności nasypu autostrady a4 miedzy wezlami wirek batoregowięcej podobnych podstron