plik

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 1

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

STRESZCZENIE

Temat: Nasypy drogowe na gruntach słabych

Przedstawiona praca inżynierska została poświęcona zagadnieniom wykonawstwa

nasypów  drogowych  na  gruntach  słabych.    Zostały  omówione  zasady  budowania  i  analizy
stateczności  nasypów  klasycznych  oraz  przedstawiono  inne  rodzaje  nasypów  np.  ze
styropianu  lub  z  keramzytu.  W  pracy  opisano  także  klasyczne  i    nowsze  technologie
wykonawstwa  nasypów  drogowych  na  podstawie  przykładowych  inwestycji  w  Polsce.
Ważnym  elementem,  omówionym  w  pracy,  jest  analiza  stateczności  nasypów  drogowych
posadawianych na słabym podłożu. Przedstawiono analizę odkształceń i konsolidacji podłoża
oraz  analizę  stateczności  skarp  nasypu.  W  przykładzie  obliczeniowym  dla  nasypu
wybudowanego na słabym podłożu, obliczono osiadania, konsolidację, stateczność skarp oraz
określono stan naprężeń w gruncie. Praca inżynierska również przedstawia kilka przykładów
awarii  nasypów  drogowych,  które  były  wynikiem  błędów  w  projektowaniu  lub
wykonawstwie.

SUMMARY

Topic: Roads embankments on weak soils

This presented engineer thesis focuses on building roads embankments on weak soils.

Thesis  includes  rules  in  building  classic  embankments  and  presented  other  types  of
embankments  e.g using styrofoam  or leca as construction fill.  In thesis  are described classic
and modern technology of performance roads embankments  according to polish investments.
Very important, presented in thesis is stability analysis of roads embankments on weak soils.
Deformation  and  consolidation  analysis  is  presented,  and  slope  stability  analysis  as  well.  In
thesis is presented example of calculation embankment on weak soil. There is calculation of
settlements, consolidation and slope stability.  Engineer thesis presents examples of damages
roads embankments, which were result of mistakes in design or performance.

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 3

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

1. Wstęp

Konstruowanie nasypów na słabym i ściśliwym podłożu gruntowym jest coraz częściej

wykorzystywane  ze  względu  na  rosnący  ruch  i  potrzebę  budowania  dróg  na  podłożu
gruntowym  o  trudniejszych  warunkach  posadowienia.  Ściśliwość  takiego  podłoża  skutkuje
jego  konsolidacją  i  osiadaniem.  Konstrukcja  ciągów  komunikacyjnych  na  słabym  podłożu
wymaga szczególnych rozwiązań projektowych i wyboru odpowiednich technologii.

Potrzeba realizacji tras komunikacyjnych na słabym podłożu w wyniku bardzo

szybkiego  rozwoju  gospodarki  przyczyniła  się  do  rozwoju  technologii  wykonawstwa
nasypów  na  takich  terenach.  Technologie  wykonawstwa  różnią  się  w  zależności  od  stopnia
wykorzystania  ciągów  komunikacyjnych  i  wytrzymałości  podłoża.  Wzmocnienie  gruntu
słabego  wiąże  się  z  zastosowaniem  pali,  wymianą,  albo  wyparciem  gruntu.  Innym
rozwiązaniem  posadowienia  nasypów  na  podłożu  ściśliwym  jest  wykorzystanie  materiałów
lekkich.  Wybór  technologii  zależy  od  wielu  czynników,  jednak  najważniejszym  z  nich  jest
ekonomiczność przyjętego rozwiązania i czas realizacji.

Zastosowanie prefabrykatów ze styropianu lub użycie lekkiego kruszywa np. keramzytu

jako wypełnienie konstrukcyjne nasypów skutkuje zmniejszonym obciążeniem podłoża. W
wyniku, użycia takich materiałów można zrezygnować z konieczności wzmacniania słabego
podłoża.

Duża liczba inwestycji drogowych prowadzonych w ramach przygotowań do

mistrzostw  EURO  2012  wykorzystuje  opisane  technologie  wzmacniania  gruntów  oraz
budowy  nasypów.  Jednym  z  przykładów  jest  budowana  w  woj.  Pomorskim  południowa
obwodnica Gdańska (S7 Straszyn - Koszwały), w której w podłożu nasypu występują pokłady
gruntów organicznych.  Wzmocnienie podłoża  wykonywane jest za pomocą  pali CMC  (ang.
Controled Modulus Columns) oraz drenów VD (ang. Vertical Drain) [25]. W Wejherowie w
celu  uniknięcia  wzmacniania  słabego  podłoża,  zastosowano  keramzyt  jako  wypełnienie
konstrukcyjne nasypu.

Projektowanie i wykonawstwo musi być dokładnie przeanalizowane ponieważ słabe i

ściśliwe  podłoże  może  spowodować  utratę  stateczności  nasypu  w  konsekwencji
doprowadzając  do  jego  awarii.  Aby  ich  uniknąć,  przed  budową  warto  wykonać  tzw.  nasyp
doświadczalny,  który  będzie  najlepiej  odzwierciedlał  rzeczywistą  budowlę  i  pozwoli  na
dokładną analizę zachowania podłoża oraz nasypu. W Polsce wystąpiło kilka awarii nasypów
drogowych będących wynikiem błędów w projektowaniu lub wykonawstwie.

Wymienione zagadnienia scharakteryzowano i przeanalizowano w dalszej części pracy.

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 4

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

2. Rodzaje i ogólna charakterystyka nasypów drogowych na gruntach słabych

Nasyp drogowy to liniowa, komunikacyjna budowla ziemna, której niweleta znajduje

się  powyżej  poziomu  terenu.  W  zależności  od  potrzeb,  wypełnienie  konstrukcyjne  korpusu
nasypu  można  wykonać  z  gruntu  naturalnego  lub  z  materiałów  lekkich  np.  styropianu  lub
keramzytu.  Materiały  lekkie  stosuje  się,  gdy  podłoże  stanowi  słaby  ośrodek  gruntowy  (np.
grunt  organiczny),  w  celu  zminimalizowania  ciężaru  nasypu  oraz  zmniejszenia
przekazywanego nacisku na słabe podłoże  gruntowe. Dzięki zastosowaniu lekkich nasypów
zmniejsza  się  także  parcie  gruntu  na  ściany  oporowe  oraz  ograniczone  zostają  długotrwałe
osiadania.

Ogólne zasady dotyczące budowania nasypów drogowych można scharakteryzować

następująco [32]:

 wznoszenie budowli powinno odbywać się z zachowaniem przekrojów poprzecznych i

profilu podłużnego,

 nasypy powinno wznosić się metodą warstwową, jednak dopuszczalne są metody

czołowa i boczna,

 powinny być wznoszone równomiernie na całej szerokości,
 miąższość nanoszonej warstwy w stanie luźnym musi być tak dobrana, aby po jej

zagęszczeniu uzyskać grubość taką jaką przewidziano w projekcie,

 w zależności od spoistości gruntów należy wbudować je w dolne lub górne warstwy

nasypu; grunty spoiste wbudowujemy w dolnych partiach nasypu, a grunty niespoiste w
warstwach górnych,

 kolejną warstwę można wznosić po odbiorze poprzedniej przez nadzór budowy,
 niedopuszczalne jest wbudowywanie gruntów o różnych właściwościach w tych samych

warstwach – należy je konstruować osobno, o stałej wysokości na całej szerokości
nasypu,

 warstwy gruntu słabo przepuszczalnego wbudowujemy ze spadkiem poprzecznym

górnej powierzchni wynoszącym około 4%. Pochylenie to należy wykonać dwustronnie
na terenach płaskich zaś jednostronnie na terenie pochyłym. Warstwy gruntu
przepuszczalnego konstruujemy poziomo,

 budulec do nasypów, przywieziony na miejsce budowy powinien być niezwłocznie

wbudowany w nasyp.

Wymagania dotyczące dokładności budowy nasypów można określić zakładając

dopuszczalne odchyłki o następujących wartościach [32]:

  szerokość korony nasypu - 10%,
  spadek skarp nasypu - 10%,
  szerokość i głębokość rowów - 5cm,
  spadek dna rowów - powinien być wykonany z dokładnością 0,05%.

Określenia „słaby grunt” lub „słabe podłoże” są pojęciami względnymi. Zdefiniowane

są jako warstwy gruntu nie spełniające wymagań, które wynikają z warunków nośności,
stateczności lub przydatności do użytkowania w odniesieniu do konkretnego obiektu lub

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 5

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

elementu konstrukcji. W związku z tym nie da się jednoznacznie określić czy dane podłoże
jest „słabe” oraz czy wymaga wzmocnienia [4].

 Grunty słabe w podłożu nawierzchni drogowych:

Grunty nie spełniające kryteriów określonych w „Rozporządzeniu…” MTiGM (Dz. U. nr 43,
poz. 430, 1999): rodzaju i uziarnienia gruntu, wskaźnika zagęszczenia I

, modułu

odkształcenia E

oraz stosunku modułów E

wymaganych w normie PN-S-02205:1998, jak

również wymagań dla grupy nośności G1 – wysadzinowości i wskaźnika nośności CBR [4].

 Grunty słabe w podłożu budowli ziemnych:

Grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej wytrzymałości oraz o niestabilnej  strukturze:
grunty  o  małej  wytrzymałości  (cu  do  50  kPa)  i  bardzo  ściśliwe  (moduł  do  5MPa),  przede
wszystkim grunty organiczne i  nasypowe  (antropogeniczne); grunty o niestabilnej strukturze
(pęczniejące, zapadowe – lessowe i ulegające deformacjom filtracyjnym – sufozji, podatne na
upłynnienie itp.), tereny osuwiskowe, krasowe i zagrożone deformacjami górniczymi [4].

2.1 Nasypy klasyczne

Są to budowle ziemne wykonywane ponad poziomem terenu z gruntu uzyskanego z

wykopu lub z gruntu przywiezionego na plac budowy, który odpowiada wymaganiom
technicznym dotyczącym budowy nasypów drogowych. Grunt do budowy nasypów powinien
spełniać wymagania normy [PN-S-02205]. Materiał może być wbudowany w nasyp jeżeli
spełni wymagania [23]:

  wskaźnik różnoziarnistości > 5,
  wskaźnik piaskowy > 35,
  wodoprzepuszczalność k > 8m/s.

Nasyp powinien być wykonywany z gruboziarnistego gruntu. Pozwala to na utworzenie

dobrego połączenia w nasypie. Zaleca się stosować [32]:

  gruby tłuczeń,
  glinę morenową o dużej zawartości kamieni i otoczaków,
  żwir zawierający kamienie i otoczaki.

Ponadto do budowy nasypów można stosować żwiry, pospółki, piaski, piaski gliniaste,

żużle wielkopiecowe, łupki przywęglowe, grunty niewysadzinowe, rumosze, otoczaki. Grunty
zawierające zanieczyszczenia (np. gruz, karcze drzew), grunty zamarznięte oraz takie dla
których nie da się określić jakości nie nadają się do budowy nasypów drogowych. Aby można
było wbudować w nasyp grunty spoiste, skażone chemicznie lub zawierające

  części organiczne o zawartości większej jak 3 %,
  frakcję ilastą o zawartości większej jak 30 %,
  gips i sól rozpuszczalną o zawartości przekraczającej 5 %,

należy zastosować specjalne środki oraz zabiegi [32].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 6

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

W przypadku wystąpienia opadów atmosferycznych należy przerwać wykonywanie

nasypów z gruntów spoistych, a wierzchnią warstwę zawałować walcem w celu umożliwienia
swobodnego spływu wody opadowej. W celu zabezpieczenia przed opadami, można
przykryć zagęszczony pas gruntu foliami lub plandekami [32].

2.2 Nasypy ze styropianu

Styropian (spieniony polistyren) jest to sztuczne, porowate tworzywo. Materiał

otrzymuje  się  poprzez  działanie  podgrzanej  i  o  podwyższonym  ciśnieniu  pary  wodnej  na
granulki  polistyrenu  zawierające  porofor.  Materiał  znajduje  bardzo  szerokie  zastosowanie  w
budownictwie, używany jest jako izolacja termiczna, akustyczna oraz jeśli stopień spienienia
będzie  odpowiednio  wysoki,  styropian  można  stosować  jako  wypełnienie  konstrukcyjne
nasypów  drogowych  i  kolejowych.  Styropian  jest  około  sto  razy  lżejszy  od  gruntu,  dzięki
temu  stanowi  niezastąpioną  alternatywę  dla  klasycznych  nasypów  z  gruntów  budowlanych.
Zaleca  się  stosowanie  styropianu  odmiany  30.  Liczba  ta  oznacza  gęstość  pozorną  tego
materiału  nie mniejszą jak 30kg/m

. Dopuszcza się stosowanie odmiany 20 oraz 40, jednak

nie jest to zalecane [23,3].

Tablica 2.1 Typowe właściwości styropianu [3].

Właściwości

Jednostki

Odmiana

Gęstość pozorna

kg/m

≥ 20

≥ 30

≥ 40

Obciążenie wywołujące odkształcenie 10%

kg/m

110 -

160

200 -

250

Obciążenie wywołujące trwałe odkształcenie

kg/m

40 - 50

70 - 90

Moduł sprężystości E

MN/m

3,4 -

7,7 -

11,3

Nasiąkliwość (przy zanurzeniu)

objętości

≤ 7

Styropian jest odporny na alkalia oraz sól. Długotrwałe działanie roztworu soli

kuchennej, mydła, oleju silikonowego nie powoduje uszkodzenia materiału.  Górne warstwy
nasypu ze styropianu są odporne na działania oleju napędowego lub  benzyny, w przypadku
dużego  wycieku  tych  substancji,  materiał  konstrukcyjny  można  wymienić  w  tym  samym
czasie co skażony grunt [9,12,26].

W styropianie nie ma możliwości rozwoju żywych mikroorganizmów, dzięki temu nie

pleśnieje on ani nie gnije. Bakterie znajdujące się w glebie nie atakują styropianu. Zwierzęta
mogą niszczyć nasyp poprzez budowanie dla siebie schronień, jednak lata doświadczenia
pokazują, że nie preferują tego bardziej od innych konwencjonalnych materiałów do
wykonywania nasypów. Nasypy ze styropianu nie powodują degradacji środowiska [9,26].

W celu poprawnego wykonania nasypu istotna dokładność wymiarów bloków. Bloki

muszą być precyzyjnie układane oraz przylegać do siebie całą powierzchnią styku.
Dopuszczalna odchyłka od wymiarów nominalnych wynosi 1 % [16].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 7

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Pierwsza warstwa nasypu z bloków styropianowych jest układana na zagęszczonym,

wyrównanym podłożu, przykrytym kilkunastocentymetrową warstwą dobrze zagęszczającego
się  gruntu,  pospółki  lub  wysiewek  z  produkcji  kruszywa  łamanego.  Zaleca  się  rozłożenie
geosyntetyku  na  podłożu  w  celu  zapobiegania  rozpełzaniu  się  bardzo  słabego  podłoża.
Dopuszczalne są nierówności rzędu 10mm na każde 4m. Gwarantuje to wystarczająco płaską
powierzchnię  dla  leżącego  styropianu.  Współczynnik  tarcia  między  sąsiednimi  warstwami
bloków,  a  także  między  styropianem,  a  gruntem  wynosi  w  przybliżeniu  0,5.  Aby  uniknąć
poślizgu  należy  zastosować  sklejenie  sąsiednich  warstw  styropianu.  Bloki  styropianowe
można  łączyć  również  używając  łączników  metalowych.  Wykonywane  są  jako  specjalne
kształtki z blachy lub z prętów zbrojeniowych. Ilość łączników nie powinna być mniejsza niż
3/4m

warstwy oraz nie mniej jak 2 na blok. Bloki układane są ściśle obok siebie,

dopuszczalny odstęp między nimi wynosi 10mm [9,12,26].

Należy stosować zasadę przykrywania styków bloków niższej warstwy blokami

wyższej warstwy (podobnie jak przewiązanie muru ceglanego). Stosowany blok styropianowy
w drogownictwie ma wymiary 4,0x1,0x0,5m. Do wykonania specjalnej konstrukcji
przestrzennej stosowne są bloki o wymiarach 3,0x1,0x0,5m. Wyższe bloki styropianowe
muszą być połączone z niższymi za pomocą metalowych prętów aby uniknąć przypadkowego
przemieszczenia lub usunięcia bloku spowodowanego operacjami wykonawczymi lub silnym
wiatrem [9,12,26].

Do tej pory, wysokość nasypu jaką udało się uzyskać ze styropianu wynosi 8m. Ważne

jest aby odpowiednio określić wysokość zwierciadła wody gruntowej. Styropianowe bloki ze
względu  na  swoją  małą  masę  muszą  być  przygotowane  na  wypór  wywołany  podnoszeniem
się  zwierciadła  wody  gruntowej.  Styropian  powinien  być  chroniony  przed  przesiąkaniem
przez  grunt  skarpy  substancji  chemicznych.  W  tym  celu  krawędzie  bloków  są  okrywane
pasmami folii. Bariery energochłonne powinny by mocowane do warstwy betonu o grubości
10cm w celu rozłożenia naprężeń na większą powierzchnię [9,12,26].

Woda ze zboczy nasypu może być odprowadzona poprzez kanały w blokach

styropianowych. Mogą być one wykonane poprzez nacinanie bloków styropianowych piłą
łańcuchową. Taka metoda nie doprowadzi do uszkodzenia konstrukcji nasypu [9,12,26].

Projekt nawierzchni na nasypie z bloków styropianowych projektuje się analogicznie

jak  w  przypadku  nasypu  ziemnego.  Przy  projektowaniu  nawierzchni    na  blokach
styropianowych  przyjmuje  się  moduł  odkształcenia  o  wartości  5MPa.  Niedopuszczalne  są
ugięcia  jezdni  utrudniających  ruch  samochodowy.  Warstwy  styropianu  powinny  być
umieszczane w miarę możliwości powyżej zwierciadła wody gruntowej. Do obliczeń wyporu
w otoczeniu nasypów ze styropianu przyjmuje się gęstość objętościową wynoszącą 20kg/m

natomiast do obliczeń osiadań lub stateczności przyjmuje się 100kg/m

[16].

Po skończeniu układaniu bloków styropianowych można ułożyć warstwy konstrukcyjne

nawierzchni.  Jeżeli  sumaryczna  grubość  gruntu  oraz  konstrukcji  nawierzchni  drogowej
ułożonej  na  blokach  styropianowych  przekracza  1,5m  to  nie  wymaga  się  dodatkowego
przykrycia  najwyższej  warstwy  bloków.    W  przeciwnym  wypadku  wymaga  się  przykrycia
najwyższej warstwy styropianu za pomocą płyty betonowej o grubości min. 12cm, zbrojonej
osiowo siatką #15cm z prętów o średnicy 8mm [9,12,26].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 8

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Skarpy nasypu powinny być przykryte gruntem o minimalnej grubości 0,25m, jednak

miąższość musi być wystarczająca do odpowiedniego zakorzenienia roślinności
wzmacniającej skarpę. Grubość warstwy gruntu mierzymy pionowo od krawędzi bloku [16].

Wbudowanie bloków wymaga sprawdzenia [3]:
 właściwości materiałów ( odmiana, ciężar objętościowy, moduł sprężystości),
 prawidłowości ułożenia i połączeń bloków ( odstępy między blokami, położenia, liczba

łączników ),

 osłonięcia bloków folią lub płytą żelbetową.

Badania przeprowadzone na próbkach, które zostały pobrane z pięciu różnych miejsc w

Norwegii,  w  chwili  zakończenia  wykonywania  nasypu  nie  wykazały  zmian  właściwości
materiału  po  24  latach.  Szczegółowa  analiza  wyników  badania  pozwala  stwierdzić,  że
styropian  po  100  latach,  nie  wykaże  niedoboru  parametrów  wyjściowych  materiału.
Dodatkowo  stwierdzono,  że  styropian  znosi  nieograniczoną  liczbę  cykli  obciążeń,  jeżeli
obciążenie w każdym z cykli nie przekracza 80% wytrzymałości na ściskanie [16].

2.3 Nasypy z keramzytu

Niektóre problemy związane z posadowieniem na gruntach słabych można rozwiązać

stosując lekkie nasypy z keramzytu. Takie zastosowanie keramzytu w budownictwie
drogowym umożliwia [12]:

 bezpośrednie posadowienie małych nasypów na powierzchni bagna; np. nasypy pod

nawierzchnie dróg dojazdowych lub ścieżek rowerowych,

 eliminowanie osiadań oraz deformacji istniejących nawierzchni drogowych

wykonanych na gruntach słabych,

Rys. 2.1 Konstrukcja nasypu z wykorzystaniem bloków styropianowych [22].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 9

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

 zminimalizowanie działającego parcia na pionową ścianę obiektu drogowego,
 regulowanie procesu konsolidacji słabego podłoża dzięki przeciążaniu lub odciążaniu za

pomocą nasypu z keramzytu.

Keramzyt jest to ekologiczne, lekkie kruszywo używane w budownictwie. Materiał ma

wiele zastosowań m.in. jako izolacja termiczna, betony o zwartej strukturze oraz w lekkich
nasypach drogowych. Kruszywo otrzymywane jest w procesie wypalania glin pęczniejących
bądź iłów w temperaturze 1000 – 1200

, w wyniku czego otrzymany budulec jest obojętny

chemicznie, niepalny, niepodatny na działanie wody, grzybów oraz pleśni. Dzięki swojej
niskiej gęstości objętościowej (450-550 kg/m

) i wysokiej wytrzymałości jest dobrym

materiałem do wypełnienia konstrukcyjnego nasypów drogowych. Zaleca się stosować
frakcje kruszywa od 8 do 20mm, które po utrzęsieniu uzyskują gęstość objętościową od 300
do 350 kg/m

[12,23].

Przygotowania do wypełnienia z keramzytu obejmują oczyszczenie placu budowy z

pni,  krzewów  oraz  innych  przeszkód.  Korzenie  mogą  pozostać  gdyż  ich  usunięcie  może
spowodować  zniszczenie  kożucha  bagna.  Wymaga  się  aby  duże  zagłębienia  w  terenie  np.
rowy  były  wypełniane  keramzytem  w  „opakowaniu”  cienką  geowłókniną,  ponieważ
wypełnianie takich zagłębień piaskiem doprowadziłoby do niepożądanych osiadań. Warstwa
wyrównawcza  z  piasku  ze  względu  na  możliwość  dociążenia  słabego  podłoża  nie  powinna
być  grubsza  jak  15cm.  Jeżeli  grubość  będzie  większa  to  należy  nierówności,  zagłębienia
zasypywać lekkim keramzytem. Jeżeli okres wykonywania przewidziany jest na czas zimowy
to należy usunąć śnieg oraz lód. Nadmiar wody powinien zostać ujęty oraz wypompowany,
ponieważ  zbyt  wysoki  jej  poziom  może  uniemożliwić  zagęszczenie.  Niedopuszczalne  jest
przechowywanie  nieprzykrytego  keramzytu  w  miejscach  gdzie  występuje  wysoki  poziom
wód [12,27].

W celu bezpośredniego posadowienia nasypu z keramzytu na gruncie organicznym,

charakteryzującym się znacznym osiadaniem i bardzo długim rozwojem odkształceń, należy
grunt poddać działaniu, które doprowadzi do jego stabilizacji. Można to wykonać stosując
metodę czasowego przeciążenia. Polega to na wykonaniu dodatkowego wyższego nasypu,
najczęściej z materiału ziemnego, który można potem wykorzystać w innym miejscu na placu
budowy [12].

Wykonywanie nasypu z keramzytu należy rozpocząć od wykonania podłużnych,

trapezowych  obwałowań  o  wysokości  0,4  grubości  nasypu  z  lekkiego  kruszywa,  w  celu
utworzenia  bocznego  ograniczenia  dla  nasypu.  Wał  wykonuje  się  z  kruszywa  mineralnego
[12].

Zaleca się aby keramzyt był układany warstwami o grubości 0,6 – 1,0m. Każda z nich

musi zostać odpowiednio zagęszczona. Niszczenie materiału powinno być unikane, ponieważ
powoduje to wzrost gęstości wypełnienia oraz ma to wpływ na własności termiczne
keramzytu [27].

Keramzyt nie wymaga intensywnego zagęszczania, a dzięki dużemu tarciu ziarna

kruszywa  dobrze  się  klinują.  Zagęszczanie  powinno  odbywać  się  za  pomocą  walca  z
możliwością regulacji amplitudy oraz częstotliwości  drgań. Wymagane zagęszczenie można
uzyskać  również  dzięki  przejazdom  lekkiej  spycharki  na  gąsienicach.  Po  zagęszczaniu
wymagane  są  badania  kontrolne  wykonywane  za  pomocą  próbnych  obciążeń  płytą  VSS.
Wybór  masy  walca  oraz  jego  energia  zagęszczania  musi  być  dokładnie  przeanalizowana.

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 10

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Energia zagęszczania powinna być ograniczona aby uniknąć miażdżenia, niszczenia oraz
zniekształcania materiału. Skarpy powinny być wykonane z pochyleniem do 1:1,5 [12,27].

Nasyp wykonany z lekkiego kruszywa powinien być zabezpieczony poprzez

zastosowanie osłony z geowłókniny oraz powinien być odseparowany od podłoża. Budowla
ziemna powinna być przykryta warstwą gruntu lub kruszywa o miąższości min. 0,6m [12].

Wykonanie na lekkim nasypie z keramzytu standardowej nawierzchni tłuczniowej

wymaga  zabezpieczenia  przed  koleinowaniem  i  ubytkami.  Wiąże  się  to  z  odpowiednią
grubością takiej nawierzchni, co związane jest ze znacznym jej ciężarem. Takie rozwiązanie
prowadzi  do  znacznych  osiadań  nasypu  oraz  nawierzchni.  Możliwe  jest  zastosowanie
geokraty,  co  pozwala  na  uzyskanie  wystarczająco  wytrzymałej  i  lekkiej  nawierzchni.
Geokrata układana jest bezpośrednio na nasypie keramzytowym [12].

Zagęszczanie walcem [27]:

 Etap I

Ułożenie pierwszej warstwy oraz zagęszczenie jej poprzez sześć przejść walca lub do
czasu nie wykazywania wzrostu zagęszczenia. Zagęszczanie odbywa się z wysoką
amplitudą oraz wysoką częstotliwością.

 Etap II

Ułożenie zasadniczej warstwy oraz zagęszczenie jej poprzez cztery przejścia walcem
lub do czasu nie wykazywania wzrostu zagęszczenia. Zagęszczenie odbywa się z niską
amplitudą oraz wysoką częstotliwością.

 Etap III

Końcowym etapem są dwa przejazdy walcem lub do czasu nie wykazywania wzrostu
zagęszczenia. Zagęszczenie odbywa się z niską amplitudą oraz ze stopniową malejącą
częstotliwością, następnie dwa przejścia walcem.

Rys. 2.2 Przekrój poprzeczny przez nasyp wykonany z keramzytu [27].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 12

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

3. Technologie wykonawstwa i badania stateczności nasypów drogowych

Do budowy nasypów wykorzystuje się wiele technologii wykonawstwa w zależności od

wielkości nasypu, jego przeznaczenia oraz warunków gruntowo – wodnych.

3.1 Nasypy doświadczalne

Parametry odkształceniowe można wyznaczyć za pomocą wykonywania próbnego

obciążenia  od  nasypów  doświaczalnych.  Jest  to  stosowane  szczególnie  w  celu  określenia
parametrów  gruntów  organicznych,  dla  których  powszechnie  stosowane  związki
konstytutywne nie oddają należycie relacji „naprężenie – odkształcenie – czas”. Stosowanie
rozbudowanych równań konstytutywnych w prostych rozwiązaniach technicznych mija się z
celem,  ponieważ  utrudniają  one  proces  obliczeniowy.  Nieliniowa  zależność    „naprężenie  –
odkształcenie  –  czas”  oraz  zmienność  parametrów  geotechnicznych  w  czasie  wymaga
zastosowania  próbnego  obciążenia  podłożna  nasypem  i  wyznaczenie  parametrów
uśrednionych poprzez wsteczną analizę procesu ściśliwości [6].

Dzięki programowi zawierającemu cel i zakres badań z uwzględnieniem

poszczególnych etapów można efektywnie przeprowadzać próbne obciążenia. Zmniejszenie
kosztów można uzyskać dzięki wykonywaniu badań na trasie projektowanego nasypu [6].

Grunt służący do wykonywania nasypów właściwych służy również do konstruowania

nasypów doświadczalnych. Wznoszenie nasypów odbywa się etapami, które wynikają z
analizy stateczności podłoża. Takie wykonanie umożliwia pozyskanie informacji dotyczących
zmienności parametrów odkształceniowych podłoża pod wzrastającym obciążeniem [6].

Każdy cykl polega na wzniesieniu nasypu do dopuszczalnej wysokości, która wynika z

analizy stateczności: w pierwszym etapie przy wytrzymałości na ścinanie

wyznaczonej

dla gruntu w stanie „in situ”, natomiast w kolejnych etapach z uwzględnieniem wzrostu
wytrzymałości spowodowanego konsolidacją gruntu [6].

Budowa nasypów doświaczalnych powinna odbywać się wiosną (kwiecień – maj),

ponieważ  wymagane  są  częste  pomiary  bezpośrednio  po zakończeniu  sypania.  Temperatura
ujemna  utrudnia  wykonanie  pomiarów  poniżej  zwierciadła  wody  gruntowej.  Czas
przewidziany  na  obserwację  każdego  z  etapów  zależy  od  analizy  wyników  pomiarów  i
wynosi około 3 miesiące [6].

Budowa nasypów doświadczalnych pozwala na uzyskanie informacji o możliwościach

zgęszczenia gruntu, które można porównać z wynikami uzyskanymi w laboratorium. Dzięki
próbnym nasypom mogą być uzyskane informacje o osiadaniu słabego podłoża gruntowego.
Lokalizacja  nasypów  musi  być  tak  wybrana,  aby  ich  ewentualna  awaria  nie  stanowiła
zagrożenia  dla  otoczenia,  które  czasem  się  zdarzają.  Ze  względu  na  bezpieczeństwo
pracowników, inżynier nadzorujący pracę przy nasypie musi podjąć środki ostrożności. Próby
zagęszczania  mogą  być  przeprowadzane  dla  różnych  grubości  warstw  oraz  przy  użyciu
różnego sprzętu w celu porównania i wybrania najlepszej metody. Po wykonaniu zgęszczenia
należy  pobrać  próbkę  w  stanie  in  situ  w  celu  porównania  z  wynikami  uzyskanymi  w
laboratorium.  Rozmiary  nasypu  doświadczalnego  zależą  od  względów  ekonomicznych  oraz
od  dokładności  wyników  jakie  mają  zostać  uzyskane.  Jeżeli  wielkość  nasypu

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 15

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Nie zaleca się układania warstw grubszych niż 1m, ze względu na trudności w

równomiernym zagęszczeniu gruntu. Lokalne zagłębienia i nierówności w podnóżu nasypu są
wyrównywane za pomocą pierwszej warstwy gruntu. Kolejne warstwy są najpierw układane
w partiach wysokich nasypów, stopniowo zmniejszając pochylenie podłużne powierzchni
nasypu [4].

Metoda boczna stosowana jest do poszerzania istniejących nasypów oraz do budowania

nasypów  na  zboczach.  Polega  ona  na  bocznym  usypywaniu  materiału  na  całej  wysokości
nasypu.  Zaletą  tej  metody  jest  możliwość  równoczesnego  wyładowania  środków
transportowych [4].

Wadami tej metody są [4]:

  nierównomierne osiadanie,
  tendencja do tworzenia się osuwisk,
  trudność dokładnego zagęszczenia,
  niejednolitość pod względem składu i stateczności.

W przypadku konieczności zastosowania tej metody należy wykonywać niskie nasypy z

gruntów o małym współczynniku spulchnienia (np. piasek, żwir). Nie zaleca się stosowania
tej metody w budowaniu nasypów [4].

Metoda czołowa jest stosowana w budowie krótkich nasypów, w miejscach w których

ruch  środków  transportowych  jest  utrudniony  oraz  na  terenach  bagnistych.  Przy
wykonawstwie  tą  metodą  używane  są  zgarniaki  oraz  spycharki.  Warstwy  układane  są  z
odpowiednim  pochyleniem  na  całej  szerokości  i  wysokości  2m  przekroju  poprzecznego,
wzdłuż osi podłużnej nasypu. Jeżeli nasyp nie został wykonany od razu na całej wysokości, to
kolejne warstwy (poziome) należy układać po 2 – 3 miesiącach od ułożenia warstw pochyłych
-  zapewni  to  większą  stateczność  i  lepsze  zagęszczenie  nasypu.  Do  wad  tej  metody  należy
zaliczyć mały front robót i trudności w równomiernym zagęszczaniu gruntów [4].

3.2.1 Klasyczne technologie wykonawstwa

Nasypy drogowe należy wykonywać uzwględniając warunki terenowe, wodne, formacje

geologiczne występujące na danym obszarze oraz należy zwrócić uwagę na fakt istniejących
bądź  planowanych  obiektów  inżynierskich.  Ważnym  elementem  regulującym  metodę
wykonywania  nasypu  jest  jego  charakterystyka  (wysokość,  nachylenie  skarp)  oraz  czas
przewidziany  na  jego  wykonanie.  Przy  konstruowaniu  nasypów  nieodłącznym  parametrem
decydującym o technologii jego wykonania są względy ekonomiczne [8].

Nasypy wykonywane bezpośrednio na terenach błotnistych lub bagnistych ze względu

na osiadanie, wypieranie na boki, a czasem wyciskanie gruntu podłoża ulegają długotrwałym
i  nierównomiernym  osiadaniom,  których  skutkiem  są  deformacje  oraz  uszkodzenia  korpusu
ziemnego  i  leżącej  na  nim  nawierzchni.  Z  tych  powodów  stosowane  metody  wznoszenia
nasypów muszą zapewnić ich stateczność.

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 16

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Ze względu na skład i stopień nasycenia wodą, grunty organiczne mogą znacznie różnić

się między sobą. Z tego względu można je podzielić pod kątem wykonawstwa na bagna
trzech typów [7]:

 Bagna typu I – zawierają torf o trwałej konsystencji. Charakteryzują się ściśliwością i

zdolnością do utrzymania kształtów skarp do głębokości 2 m, co ułatwia usuwanie torfu
spod podłoża konstruowanego nasypu.

 Bagna typu II – bagna torfowe o niestałej konsystencji, zawierające miękkie muły i iły z

częściami organicznymi. Warstwy mułu ulegają plastycznym odkształceniom, zaś
skarpy w odkrywkach rozpływają się uniemożliwiając usunięcie torfu spod podłoża
nasypu.

 Bagna typu III – nawodnione, zawierające pływający kożuch torfowy bagna. Zawierają

rozwodniony ił oraz rozpływający się torf. Kożuch torfowy wykazuje dużą
wytrzymałość na rozerwanie, co jest charakterystyczne dla tego typu bagien.

Do budowy nasypów na gruntach słabonośnych bagnistych, torfach i iłach stosuje się głównie
dwie metody [5]:

 pozostawienie warstwy słabej pod podłożem nasypu lub częściowe jej usunięcie,
 całkowite usunięcie warstwy słabej spod podłoża nasypu.

Pierwsza metoda ma zastosowanie głównie w trasach o drugorzędnym znaczeniu

komunikacyjnym, szczególnie w przypadku długiego okresu wykonawczego, co pozwoli na
uzyskanie wysokiego stopnia konsolidacji podłoża oraz wzrost jego wytrzymałości. Takie
rozwiązanie stosujemy przy przekraczaniu bagien typu I, w przypadku wysokich nasypów i
pokładów torfu o grubości przekraczającej 2m [7].

Drugi sposób jest wykorzystywany do budowy nasypów o dużym znaczeniu

komunikacyjnym  oraz  przede  wszystkim  wtedy,  kiedy  przewiduje  się  krótki  okres
konstruowania  budowli,  której  zadaniem  będzie  przenoszenie  dużych  obciążeń
eksploatacyjnych. Zastosowanie takiego wykonania jest możliwe jeśli grubość pokładu torfu
nie  przekracza  2m.  Takie  wykonanie  gwarantuje  pełną  stateczność  nasypu  opartego  na
stałym, nośnym podłożu [7].

Rys. 3.4 Nasyp z częściowym usunięciem warstwy torfu [7].

Rys. 3.3 Nasyp posadowiony na dnie bagna typu I po wcześniejszym,
całkowitym usunięciu warstwy torfu [7].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 17

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Nasyp z częściowym zanurzeniem powinien być zagłębiony w warstwie torfu do takiej

głębokości aby miąższość pozostałej warstwy pod podstawą nasypu, która uległa
zagęszczeniu była w granicach

. Gdzie H to wysokość nasypu [7].

Na rysunku 3.6 przedstawiono nasyp posadowiony na dnie mineralnym bagna po

uprzednim usunięciu kożucha torfowego, co ma miejsce w wykonywaniu budowli od „czoła”.
Przecięcie nasypu po obu stronach prowadzi do pogrążenia się kożucha w warstwie torfu i w
rezultacie opuszczenie kożucha na dno mineralne [7].

Inne sposoby wykonywania nasypów na gruntach słabych to zastosowanie drenażu

piaskowego, drenów pionowych, rusztów lub materiałów wybuchowych.

Drenaż piaskowy – wprowadzone sączki pionowe w niewielkich odległościach (3 – 4

m)  powodują  skrócenie  drogi  filtracji.  Przy  takim  sposobie  umocnienia  na  powierzchni
gruntów organicznych usypuje się pod podstawą nasypu poduszkę piaskową o grubości 0,5-
0,6m, następnie na powierzchni podstawy wykonuje się pionowe otwory drenarskie, sięgające
aż  do  dna  mineralnego  i  wypełnia  je  gruboziarnistym  suchym  piaskiem.  Dzięki  otworom
możliwe  jest  szybkie  odprowadzenie  wody  wtłaczanej  przez  nasyp  z  pokładów  torfu  pod
podstawę nasypu [7].

Dreny pionowe – są rozmieszczane mijankowo co 3 – 4m. Otwory wykonywane są za

pomocą świdra bądź poprzez osadzenie w torfie metalowych rur, które po wypełnieniu
piaskiem, są usuwane [4].

Ruszty – znajdują zastosowanie w przypadku niskich nasypów przeznaczonych do

małego natężenia ruchu wznoszonych na bagnach typu II i III. Dzięki rusztom możliwe jest
rozłożenie  ciężaru  nasypu  na  większą  powierzchnię,  wzmacniane  jest  również  podłoże.
Wykonane  są  z  wiązek  faszynowych,  dyliny  oraz  drewnianych  legarów.  Ruszty  zanurzone
całkowicie  lub  częściowo  w  bagnie  zasypywane  są  warstwą  piasku,  żwiru  lub  gruntem
piaszczystym. Dzięki zastosowaniu rusztów podstawa pod nasyp staje się trwałą konstrukcją,
zabezpieczając go przed osiadaniem, deformacjami [7].

Zastosowanie materiałów wybuchowych – stosowane są w celu usunięcia pokładów

torfu. Wybuch może usunąć większość zalegającego torfu, natomiast reszta zostaje usunięta w
wyniku działania ciężaru nasypu. Przyspieszają proces wykonania nasypu na dnie

Rys. 3.5 Posadowienie nasypu na bagnach typu III [7].

Rys. 3.6 Nasyp na kożuchu torfowym, uprzednio przeciętym po
obu stronach [7].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 18

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

mineralnym oraz skracają okres osiadania nasypu. Wykorzystywane są do wykonywania
nasypów przeznaczonych do dróg wyższych klas technicznych [7].

Budowę nasypu rozpoczyna się od usypania wąskiej grobli począwszy od osi nasypu.

Przeznaczona jest ona dla ruchu środków transportowych, dowożących materiał na nasyp. Jest
ona  stopniowo  poszerzana  w  obie  strony  nasypu.  W  metodzie  czołowej  budowania  nasypu,
jest on pogrążany poprzez odpalanie ładunków materiału wybuchowego, zakładanych u stopy
czoła nasypu. Wskutek wybuchu nasyp osiada, a jego środkowa część powinna oprzeć się na
dnie  bagna.  Następnie  nasyp  zostaje  poszerzony  i  podwyższony  oraz  zostają  założone  dwa
kolejne  szeregi  materiałów  wybuchowych  np.  wzdłuż  obu  krawędzi    nasypu.  Eksplozja
materiału  powoduje  dalsze  pogrążenie  nasypu,  równocześnie  wyciskając  pokłady  torfu  na
boki.  Wraz  z  kolejnym  uzupełnieniem  nasypu  zakłada  się  ostatnią  serię  materiału
wybuchowego  wzdłuż  jego  podstaw.  Po  wybuchu  cała  bryła  nasypu  opuszczona  zostaje  do
poziomu  dna  mineralnego.  Duża  pracochłonność  oraz  znaczne  zużycie  materiału
wybuchowego  powoduje,  że  ta  metoda  powinna  być  stosowana  w  przypadku  dużych  i
odpowiedzialnych budowli ziemnych [4,8].

3.2.2 Nowoczesne technologie wykonawstwa

Budowa nasypów drogowych na słabym podłożu gruntowym możliwa jest po jego

wcześniejszym wzmocnieniu. Stosuje się następując sposoby wzmacniania słabego ośrodka
gruntowego [5]:

  wzmocnienie warstwy,
  wstępne obciążenie podłoża,
  udarowa wymiana gruntów podłoża,
  wibro – wymiana gruntu podłoża,
  pale z wapna niegaszonego i drenujące,
  zastosowanie geosyntetyków,
  pale żwirowe,
  technika Jet Grouting,
  drenaż pionowy.

Wzmocnienie warstwy bezpośredniego podłoża nasypu stosowane są w przypadku

niewielkich grubości słabej powierzchni – do 2m. Stosowane są materace wykonane z kilku
warstw geotekstylii i geosiatek, które są wypełnione gruntem piaszczystym. Ze względów
ekonomicznych sumaryczna grubość materaca nie powinna być większa niż 0,75m [5].

Wstępne obciążenie podłoża polega na usypaniu nasypu ze żwiru, gruzu lub gruntu w

miejscu  budowy  zaprojektowanego  nasypu.  Ciężar  nasypu  musi  być  większy  od  ciężaru
nasypu projektowanego, jednak nie powinien  być zbyt duży aby nie spowodował naruszenia
równowagi  podłoża  (wypieranie  torfu).  Metoda  znajduje  zastosowanie  w  gruntach  o  dużej
ściśliwości (torfy, namuły). Równocześnie zaleca się zastosować dreny pionowe piaskowe lub
żwirowe co zapewni lepsze odprowadzenie wód i zagęszczenie podłoża [5].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 20

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Pale z wapna niegaszonego i drenujące stosowane są do wzmocnienia podłoża oraz

do wzmocnienia korpusu. W gruncie wierci się otwory, następnie są one wypełniane wapnem
niegaszonym  lub  mieszaniną  wapna  i  piasku.  Wapno  pochłania  wodę  z  gruntu  nasypu  lub
podłoża,  powodując  osuszenie  i  stwardnienie  gruntu.  Wapno  podczas  procesu  hydratacji
wydziela znaczną ilość ciepła powodując wyparowywanie wody, zespolenie, dogęszczenie i
wzmocnienie  nasypu.  Pale  nie  mogą  być  brane  pod  uwagę  przy  kotwieniu  i  zwiększaniu
stateczności zboczy ponieważ nie przenoszą sił ścinających [5].

Zastosowanie geosyntetyków
Geosyntetyk - materiał o postaci ciągłej, wytwarzany z wysoko spolimeryzowanych

włókien syntetycznych jak polietylen, polipropylen, poliester, charakteryzujący się m.in. dużą
wytrzymałością oraz wodoprzepuszczalnością. Geosyntetyki obejmują: geosiatki,
geowłókniny, geotkaniny, geodzianiny, georuszty,geokompozyty, geomembrany [20].

Geosyntetyki należy układać w taki sposób, aby pasma leżały poprzecznie do kierunku

zasypywania. Układane są „dachówkowo”. Pasma mogą być łączone poprzez zakład, zszycie
lub sklejenie. Wielkość zakładu zależy od warunków terenowych [20]:

 warunki normalne: 30 – 50cm,
 podłoże o małej nośności (CBR ≤ 2 %), nierówne – 100cm.

Geosyntetyki należy zabezpieczyć przed przemieszczaniem wskutek działania np.

wiatru. Należy je przymocować do podłoża za pomocą prętów lub obciążyć na określony czas
workami z gruntem. Zaleca się stosowanie jak najszerszych pasm w celu ograniczenia ilości
zakładów oraz połączeń. W przypadku stosowania wąskich pasm zaleca się stosować układ
krzyżowy z przeplecionych prostopadłych pasm [20].

Zasypywanie geosyntetyków należy rozpocząć od czoła pasma na rozwinięty materiał,

po czym zasypka jest rozkładana na całej powierzchni za pomocą spycharki lub innego

Rys. 3.8 Wibro-wymiana na autostradzie A2 [29].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 22

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Pale żwirowe znajdują zastosowanie w przypadku nasypów o wysokości 6m oraz przy

wzmacnianiu  przyczółków  mostowych.  Technika  polega  na  formowaniu  pali  żwirowych
wykorzystując  tradycyjne  techniki  pali  wierconych.  Ich  średnica  wynosi  od  0,3  do  0,5m,  a
wypełnienie  może  stanowić  żwir  o  średnicy  od  0,5  do  2,0cm  lub  żwir  z  zaczynem
cementowym [5].

Technika Jet Grouting polega na wykonaniu kolumn cementowo gruntowych metodą

mieszania  gruntu  z  zaczynem  cementowym  wprowadzanym  pod  ciśnieniem  za  pomocą
wirującego  świdra.  Komponent  utwardzający  wprowadzany  jest  przy  użyciu  energii
kinetycznej  strumienia  wypływającego  z  dyszy  świdra.  Ciśnienie  iniekcji  dochodzi  do  35  –
45MPa,  a  średnice  kolumn  wynoszą  od  0,5  do  0,8m.  Wytrzymałość  pali  nie  powinna  być
mniejsza  niż  1,0MPa.  Metodę  Jet  Grouting  stosuje  się  w  gruntach  spoistych,  piaskach
różnoziarnistych  oraz  w  gruntach  organicznych  (torfy,  namuły).  J-G  jest  bardzo  skuteczną
metodą  wzmacniania  słabego  podłoża  ale  jest  kosztowna,  dlatego  znajduje  zastosowanie  w
przypadku zalegania soczewek gruntów słabych na większych głębokościach.

Drenaż pionowy stosowany jest w celu przyspieszenia procesu konsolidacji gruntów

organicznych i nieprzepuszczalnych. Odpowiednio wprowadzone dreny w  podłoże skracają
drogę  filtracji  oraz  przyspieszają  odprowadzanie  wody.  Dzięki  temu  proces  konsolidacji
gruntów  przebiega  szybciej,  a  w  rezultacie  można  wcześniej  posadowić  nasyp  drogowy.
Dreny wykonywane są na całej grubości odwadnianej warstwy, a ich górne końce sięgają do
drenażu  poziomego  na  powierzchni  -  ułatwia  to  szybsze  odprowadzanie  wody.  Jako  dreny
stosuje  się  płaskie,  spłaszczone,  plastikowe,  elastyczne  rury  o  przekroju  spłaszczonym  lub
okrągłym.  Drenażowi  pionowemu  towarzyszy  często  wykonanie  nasypu  przeciążającego  w
celu osiągnięcia pełnej wartości osiadań pierwotnych [31].

3.2.3 Przykłady wykonawstwa nasypów na gruntach organicznych

Aleja Armii Krajowej w Gdańsku – wysoki nasyp drogowy posadowiony na gruntach
organicznych [18].

 Trasa

- Długość: 370m
- Szerokość korony nasypu: 34 – 43m
- Maksymalna wysokość nad poziomem terenu: 12,5m.

 Warunki gruntowe

Pokłady torfów i namułów o grubości mniejszej niż 6m, znajdujące się w
bezodpływowym zagłębieniu terenowym.

 Metoda wykonania

Wyparcie gruntów organicznych i wzmocnienie konstrukcyjne nawierzchni za pomocą
geosiatki Tensar SS30.

 Przebieg prac

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 25

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

- Długość: 120m
- Szerokość korony nasypu: 10m
- Maksymalna wysokość nad poziomem terenu: 7m

 Warunki gruntowe

Poniżej gleby znajdują się pokłady torfu o miąższości od 0,5 do 2,8m. Pod gruntem
organicznym znajdują się piaski w stanie od luźnego do średnio zagęszczonego. Woda
gruntowa znajduje się na od 0,1 do 1,5m poniżej poziomu terenu.

 Przebieg prac

1. Wykonanie nasypu o wysokości 3m metodą sypania od czoła na całej jego

projektowanej szerokości. Na wyprzedzającym froncie od strony istniejącego
nasypu, nasyp wykonywano z przewyższeniem o wysokości 2m.

2. Wzmocnienie podłoża kolumnami cementowo – wapiennymi w siatce kwadratowej o

rozstawie 1,6m i średnicy 0,5m. Kolumny zawierały 65kg mieszanki (80% cementu
klasy 35, 20% wapna) na 1mb od podłoża nośnego do zwierciadła wody gruntowej.

3. Podwyższenie nasypu do projektowanej rzędnej niwelety drogi zachowując

odpowiednie wskaźniki zagęszczenia.

4. Wykonanie nasypu przeciążającego do wysokości około 1m powyżej projektowanej

niwelety. Po 3 miesiącach nadnasyp został usunięty.

5. Wykonanie nawierzchni podatnej na siatce polipropylenowej.

Na rys. 3.12 przedstawiono przekrój poprzeczny nasypu z pokazaniem zarysu

poszczególnych etapów wykonawstwa.

Rys. 3.12 Posadowienie nasypu dojazdowego do mostu na Noteci [17].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 27

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

3.2.4 Badania stateczności

W celu sprawdzenia stateczności nasypu drogowego należy określić jego stopień

zagęszczenia  oraz  jego  przekrój  w  celu  zweryfikowania  poprawności  wykonania
poszczególnych warstw.
W celu sprawdzenia zagęszczenia wykorzystuje się metody dynamiczne i statyczne.

Płyta VSS
Płyta  VSS  wykorzystywana  jest  do  zbadania  parametrów  geotechnicznych  podłoża
gruntowego w stanie in situ. Dzięki niej można uzyskać informacje o modułach odkształcenia
wtórnego  i  pierwotnego  oraz  o  wskaźniku  odkształcenia.  Badanie  polega  na  pomiarze
odkształceń  pionowych  podłoża  gruntowego  pod  wpływem  obciążenia  statycznego  od
okrągłej, stalowej płyty VSS. Nacisk na nią wywiera dźwignik hydrauliczny. Zakres badania
wynosi od 30 do 50 pod powierzchnią płyty [28].

Sonda CPT (ang. Cone penetration test)
Stosując  sondę  CPT  można  uzyskać  informacje  o  parametrach  geotechnicznych  gruntu
poprzez pomiar oporu pod podstawą i wzdłuż pobocznicy wciskanego stożka. W przypadku
zastosowania  stożka  elektrycznego,  dodatkowo  przeprowadza  się  pomiar  ciśnienia  wody  w
porach  gruntu.  W  celu  przeprowadzenia  badania,  sondę  należy  rozstawić  i  odpowiednio
przymocować do podłoża za pomocą kotew w punkcie badawczym aby można było uzyskać
informacje  o  parametrach  geotechnicznych  na  odpowiedniej  głębokości.    Po  ustawieniu  i
wypoziomowaniu  urządzenia  przeprowadzane  jest  badanie,  w  którym  stożek  może  być
wprowadzony  na  głębokość  od  kilku  do  30m  w  zależności  od  potrzeb.  Sondę  stosuje  się
najczęściej w celu określenia parametrów geotechnicznych gruntów słabych [28].

Sonda DPSH (ang. Dynamic penetration super heavy)
Jest to sonda dynamiczna służąca do wyznaczania stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych.
Sondowanie  dynamiczne  przy  użyciu  DPSH  może  być  alternatywą  dla  sondowania
statycznego CPT w przypadku gdy w nasypie zalegają duże fragmenty betonu [28].

Sonda DPL (ang. Dynamic penetration light)
Stopień  zagęszczenia  gruntu  rodzimego  oraz  wskaźnik  zagęszczenia  gruntu  nasypowego
można  uzyskać  wykorzystując  sondę  DPL.  Najczęściej  jest  używana  do  określania
zagęszczenia korpusu nasypów drogowych lub innych budowli ziemnych. Badanie polega na
pomiarze ilości uderzeń sondy w celu zagłębienia końcówki stożka na 10cm [28].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 28

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

4. Analiza stateczności nasypów drogowych

Budowa nasypów drogowych na słabym podłożu gruntowym wymaga dokładnej

analizy stateczności ze względu na małą wytrzymałość i dużą ściśliwość podłoża [6].

4.1 Analiza odkształceń podłoża

Analiza odkształceń słabego podłoża gruntowego, obciążonego nasypami

doświadczalnymi  wykazuje  duże  przemieszczenia  pionowe  i  poziome.  Na  podstawie
obserwacji  rozwoju  odkształceń  można  stwierdzić,  że  większość  odkształceń  poziomych
pojawia się w fazie obciążania podłoża oraz zaraz po jego zakończeniu. Prognoza odkształceń
powinna  być  oparta  na  metodzie,  która  uwzględnia  nieliniową  charakterystykę  gruntu  oraz
duże  odkształcenia.  W  celu  uzyskania  wartości  przemieszczeń  w  całym  przekroju
poprzecznym  podłoża nasypu należy zastosować  modele gruntowe, dzięki którym  uzyskana
zostanie  dwuwymiarowa  prognoza  odkształceń.  W  niektórych  przypadkach  (nasyp
posadowiony  na  warstwie  słabej  o  małej  miąższości)  wystarczające  jest  określenie  jedynie
odkształceń w osi nasypów. Dla wysokich nasypów posadowionych na warstwach słabych o
dużej miąższości w celu oceny stateczności wymaga się pełnego opisu zachowania podłoża.
W  tym  celu  stosowane  są  metody  obliczeniowe,  wykorzystujące  modele  gruntowe  przy
założeniu płaskiego stanu odkształcenia [6].

Osiadania gruntu spowodowane są odkształceniami postaciowymi, które powstają w

wyniku przyłożenia obciążenia podczas budowy nasypów na słabym podłożu. Początkowe
osiadania oraz przemieszczenia poziome można obliczyć przy wykorzystaniu równań teorii
sprężystości. Przyjmuje się w niej współczynnik Poissona

i moduł sprężystości bez

odpływu

. Osiadania początkowe

oraz przemieszczenia poziome

można wyliczyć ze

wzorów [6]:

(4.1)

(4.2)

gdzie:
,
,

Współczynniki

oraz

określane są za pomocą klasycznych rozwiązań teorii

sprężystości. Moduł

określany jest na podstawie badań laboratoryjnych lub za pomocą

zależności empirycznych, w których wartość modułu zależy od wytrzymałości na ścinanie w
warunkach bez odpływu. Według Larssona wartość modułu należy do przedziału od

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 29

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

dla gruntów organicznych do

dla glin słaboplastycznych. Foott i Ladd

przeprowadzili badania, które wykazały, że moduł

dla gruntów normalnie

konsolidowanych można obliczyć ze wzoru [6]:

(4.3)

gdzie:

Osiadania natychmiastowe w dowolnym punkcie podłoża można obliczyć za pomocą wzoru
[6]:

(

(4.4)

gdzie:

Wzór 4.4 można stosować po podzieleniu obciążonej strefy na cztery części. Osiadanie

danego punktu jest równe sumie osiadań poszczególnych naroży [6].

Osiadania końcowe obliczane są za pomocą wzorów empirycznych lub na podstawie

metod opartych na wynikach badań ściśliwości. Przedstawione wzory empiryczne zostały
ustalone na podstawie pomiarów terenowych dla konkretnych konstrukcji. Ich stosowanie jest
dopuszczalne dla rodzajów podłoża, dla których zostały one wcześniej opracowane, w innym
przypadku uzyskane wyniki będą błędne [6].

Do prognozy osiadań podłoża torfowego o miąższości mniejszej niż 4,5m, poddanemu

obciążeniu od 10 do 50 kPa służy wzór Ostromęckiego [6]:

(4.5)

gdzie:

W celu obliczenia osiadań końcowych gruntów organicznych można posłużyć się

metodą Drozda- Zająca. Służy do tego wzór empiryczny [6]:

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 30

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

√

(4.6)

gdzie:

Osiadania końcowe torfu o zmiennej wilgotności oblicza się ze wzoru Flaate’a [6]:

(4.7)

Współczynnik zmienności objętościowej

jest wyznaczany z nomogramu, który

został opracowany przez Flaate’a na podstawie badań osiadań torfu. Jest on określony jako
funkcja wilgotności

i współczynnika rozkładu torfu

. Osiadanie podłoża torfowego o

wilgotności 700 – 1500% można wyznaczyć ze wzoru Carlstena [6]:

(4.8)

Pionowe odkształcenia torfu

określa się z wykresu Carlstena [6]:

Rys. 4.1 Wykres Carlstena do określania pionowych odkształceń torfu [6].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 31

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

4.2 Analiza konsolidacji podłoża

Przy wykonawstwie nasypów na słabym podłożu gruntowym, wymagana jest

znajomość wzrostu wytrzymałości na ścinanie dla każdego z etapów budowy. Należy określić
całkowite  osiadania  dla  każdego  z  etapów  oraz  oszacować  prognozę  odkształceń.  Stan
odkształceń  podłoża  oraz  naprężeń  efektywnych  pozwala  na  określenie  wzrostu
wytrzymałości na ścinanie oraz analizę stateczności nasypu. Proces odkształceń na gruntach
jest  skomplikowany  i  długotrwały.  Czas  trwania  osiadań  zależy  od  rodzaju  gruntu  oraz
stopnia  nasycenia  wodą.  Na  początku,  przyłożone  obciążenie  przejmowane  jest  w  całości
przez wodę, na skutek stopniowego wyciskania wody z porów gruntu. Następnie obciążenie
przejmowane jest przez szkielet gruntowy [6].

Na konsolidację wpływają odkształcenia początkowe pęcherzyków fazy gazowej, wody

oraz  deformacje  szkieletu  gruntowego.  W  przypadku  stałego  obciążenia,  czas  trwania
odkształceń  konsolidacyjnych  zależy  od  przepuszczalności  ośrodka  gruntowego.  Wraz  ze
zmniejszaniem  się  przepuszczalności  gruntu,  wydłuża  się  czas  trwania  odkształceń
konsolidacyjnych.  Istnieją  jeszcze  deformacje  wtórne  będące  efektem  długotrwałych
odkształceń  strukturalnych  gruntu.  Ich  czas  trwania  uzależniony  jest  od  właściwości
reologicznych  gruntu  (lepkości).  Proces  pełzania  wydłuża  się  wraz  ze  wzrostem  lepkości
strukturalnej gruntu [6].

Proces konsolidacji słabego podłoża gruntowego zależy od [6]:

  charakterystyki naprężenie – odkształcenie gruntu zalegającego w podłożu,
  charakterystyki przepływu wody w porach w gruncie,
  geometrii nasypu i podłoża,
  warunków drenażu wody pionowej.

W przypadku niskich nasypów o małym znaczeniu stopień konsolidacji

można

wyznaczyć z zależności empirycznych. Wzór 4.9 można stosować w przypadku swobodnego
drenażu w stropie i w spągu warstwy torfu oraz przy grubości

od 2 do 6m, wilgotności

i obciążeniu [6]:

(

(4.9)

Jeżeli dolna warstwa jest nieprzepuszczalna to stopień konsolidacji obliczamy ze wzoru [6]:

(

(4.10)

gdzie:

Do oceny konsolidacji podłoża, oprócz stosowania empirycznej prognozy odkształceń,

wykorzystuje się również metody oparte na teorii konsolidacji, które dzielą się na dwie grupy.
Pierwsza z nich przyjmuje jednowymiarowy stan odkształcenia. Wykorzystywanie tej metody
w gruntach organicznych skutkuje dużym błędem, ponieważ nie została w niej uwzględniona
zmiana parametrów w czasie trwania procesu konsolidacji. Mniejszym błędem obarczone są

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 32

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

metody należące do drugiej grupy teorii konsolidacji, w stanie dwu- lub trójwymiarowym.
Trójwymiarowa analiza konsolidacji jest skomplikowana m.in. ze względu na różnorodność i
zmienność parametrów gruntu, z tego względu częściej są stosowane prostsze metody oparte
na jedno- lub dwuwymiarowych teoriach konsolidacji [6].

Jednowymiarowa analiza konsolidacji – nasypy doświadczalne wykorzystane do

analizy  konsolidacji  posadowiono  w  Białośliwiu,  gdzie  miąższość  gruntu  organicznego
wynosiła  4m  oraz  w  Antoninach,  tam  grubość  podłoża  słabego  wynosiła  7,8m.  Z
przeprowadzonych  obliczeń  osiadań  podłoża  pod  nasypami  doświadczalnymi,  wynika,  że
stosowanie tej metody jest słuszne dla gruntów organicznych o małej miąższości. Pomierzone
osiadania  niewiele  różniły  się  od  obliczonych  metodami  jednowymiarowej  analizy
konsolidacji.  W  przypadku  gruntów  o  dużej  miąższości  różnice  były  znaczące,  z  tego
względu  wskazane  jest  stosowanie  metod  uwzględniających  zmienność  parametrów
gruntowych w czasie oraz zmianę geometrii podłoża [6].

Rys. 4.2 Przebieg osiadania podłoża organicznego: a – w Białośliwiu; b – w Antoninach;
obliczenia przeprowadzone metodą: 1 –Terzaghi’ego, 2 – Gibsona, 3 – Szymańskiego; 4 –
pomierzone [6].

Na rys. 4.2 pokazano przebieg osiadań podłoża organicznego. W podłożu o małej

miąższości,  różnice  w  pomierzonym,  a  obliczonym  osiadaniem  są  niewielkie,  natomiast  w
drugim  przypadku  różnice  są  znaczące.  Największa  rozbieżność  jest  między  obliczonymi
osiadaniami metodą Terzaghi’ego, a osiadaniami pomierzonymi [6].

Dwuwymiarowa analiza konsolidacji – w przypadku dużych przemieszczeń

poziomych prognoza odkształceń może być przeprowadzona na podstawie dwuwymiarowej
analizy konstrukcji i konstytutywnych modeli gruntu. Przeważnie obliczenia projektowe są

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 33

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

przeprowadzane  liniową  metodą  „piece  -  wise”,  w  której  zostaje  uproszczona  zależność
naprężenie  –  odkształcenie.  Zastosowanie  teorii  konsolidacji  Biota  pozwala  na  analizę
konsolidacji  podłoża.  Teoria  wymaga  założenia  sprężystych  właściwości  szkieletu
gruntowego oraz prawa Darcy’ego przepływu cieczy. Równania opisujące proces konsolidacji
[6]:
Równanie opisujące liniową zależność naprężenie – odkształcenie dla szkieletu gruntowego:

(

) (

(4.11)

gdzie:

(4.12)

(4.13)

Prawo Darcy’ego:

(4.14)

gdzie:

Zasada Terzaghi’ego:

(4.15)

gdzie:

Równanie Josselin de Jonga:

(4.16)

gdzie:

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 34

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Na rys. 4.3 przedstawiono analizę konsolidacji podłoża organicznego. Obliczenia

przeprowadzono za pomocą programu Copress, który został opracowany w Katedrze
Geotechniki SGGW, stosując liniową zmienność parametrów. Obliczenia przeprowadzono w
konwencji tzw. małych przemieszczeń, przyjmującej stałą, niezmienną geometrię podłoża w
czasie konsolidacji, co skutkuje rozbieżnością w nadwyżkach ciśnień wody w porach gruntu,
między wartościami pomierzonymi, a obliczonymi [6].

4.3 Analiza stateczności skarp

Analiza stateczności zboczy jest jednym z najważniejszych zadań geomechaniki i

geotechniki, ponieważ utrata stateczności może doprowadzić do poważnych i nieobliczalnych
w skutkach katastrof. Do tej pory nie udało się zdefiniować metody, która jednoznacznie
określałaby stateczność skarpy. Jest to spowodowane wieloma czynnikami, które wpływają
na stateczność oraz trudności w określeniu stanu naprężenia, odkształcenia i przemieszczenia
dla skarpy. Główne przyczyny utraty stateczności to [11,21]:

  obciążenie dynamiczne (ruch pojazdów, maszyn, trzęsienia ziemi),
  siły ciśnienia hydrostatycznego i spływowego,
  kształt i wymiary skarpy (wysokość, nachylenie),
  wpływy chemiczne i biologiczne,
  wytrzymałość gruntu tworzącego zbocze,
  warunki atmosferyczne.

Analiza stateczności skarp nasypów drogowych obejmuje dwa przypadki [6]:

 obciążenie w jednym etapie,
 obciążenie w wielu etapach.

W pierwszym przypadku, początkowa wytrzymałość podłoża na ścinanie jest

wystarczająca aby przenieść całe obciążenie od nasypu, natomiast drugi przypadek wymaga
aby uwzględnić wzrost wytrzymałości na ścinanie w celu bezpiecznego zaprojektowania
nasypu [6].

Rys. 4.3 Wyniki analizy konsolidacji podłoża organicznego w Antoninach, pomierzone oraz
obliczone metodą Biota; a - nadwyżka ciśnienia wody w porach, b - przemieszczenia [6].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 35

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Do analizy stateczności skarp można posłużyć się metodami uproszczonymi lub

wykorzystać  metody  równowagi  granicznej,  zwłaszcza  należące  do  niej  różne  warianty
metody  pasków.  Dzięki  programom  komputerowym  można  przeanalizować  znaczną  liczbę
powierzchni poślizgu o różnych kształtach, z tego względu są to najczęściej wykorzystywane
sposoby do analizy stateczności zboczy [11].

Metody równowagi granicznej – znajdują największe zastosowanie w praktyce, ich

najsłabszą  stroną  jest  przyjęcie,  iż  w  potencjalnej  powierzchni  poślizgu  wystąpił  stan
graniczny,  co  jest  uzasadnione  gdy  wskaźnik  stateczności  jest  równy  jedności.  Praktyka
pokazuje,  że  najczęściej  są  rozpatrywane  skarpy,  w  których  współczynnik  stateczności  jest
większy od 1. Jednym z wariantów metody równowagi granicznej jest metoda pasków, w tej
metodzie  masyw  skarpy  zostaje  podzielony  na  pionowe  elementy  (paski),  przy  założeniu
płaskiego stanu odkształcenia (PSO). Na rysunku 4.4 pokazano przykład takiego podzielenia
oraz rozkład sił jakie działają na dany pasek [6,11].
Siły działające na pojedynczy pasek [6]:

Wzory opisujące warunki równowagi [6]:

 Siły normalne

∑

(4.17)

Rys. 4.4 Siły rozpatrywane w metodzie pasków: a – podział masywu osuwiska na
paski, b – siły działające na pojedynczy pasek [6].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 36

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

∑

(4.18)

 Momenty zginające

∑

(4.19)

Siłę oporu

można obliczyć ze wzoru [6]:

(4.20)

gdzie:

Powierzchnia poślizgu może być przyjęta jako walcowa lub o dowolnym kształcie.

Najczęściej stosowanymi metodami, przy założeniu walcowej powierzchni poślizgu to
metoda Szwedzka – Felleniusa oraz metoda Bishopa. W praktyce do obliczeń stateczności o
dowolnej powierzchni poślizgu najczęściej używana jest metoda Janbu oraz metoda
Morgensterna - Price’a [6].

Wzory na obliczenie współczynnika F w zależności od przyjętej metody obliczeń

stateczności skarpy [6]:

 Metoda szwedzka

∑

(4.21)

 Metoda Bishopa

∑

(4.22)

 Metoda Janbu

∑

(4.23)

gdzie:

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 37

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Trójwymiarowa analiza stateczności – w metodach opartych na płaskim stanie

odkształcenia, obliczenia są przeprowadzane dla wycinka skarpy o jednostkowej szerokości,
co odpowiada osuwisku o nieskończonej długości. Praktyka pokazuje, że osuwiska nasypów
posadowionych  na  gruntach  organicznych  wykazują  ograniczony  zasięg,  z  tego  względu
wymagane  są  metody  obliczeń,  w  których  zostanie  ograniczona  długość  potencjalnego
masywu  osuwiska.  W  trójwymiarowej  analizie  stateczności  masyw  osuwiska  jest
przedstawiony jako wycinek walca z dołączonymi końcówkami o wybranym kształcie – rys.
4.4 (płaskim, stożkowym, elipsoidalnym) [6].

Rys. 4.5 Powierzchnie poślizgu o kształcie walcowym z dołączonymi końcówkami o kształcie:
a – płaskim, b – stożkowym, c – elipsoidalnym [6].

Na rys. 4.5 pokazano powierzchnie poślizgu o walcowym kształcie, wraz z dołączonymi

końcówkami. Stosunkowo prostym sposobem do obliczenia trójwymiarowej analizy
stateczności jest przyjęcie masywu o ograniczonej długości i o płasko zakończonych
podstawach – ilustruje to rys. 4.5a [6].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 38

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

5. Przykład obliczeń stateczności

5.1 Przyjęcie danych do obliczeń nasypu

 Parametry gruntowo – wodne

 Charakterystyka nasypu

 Przykład obliczeniowy nasypu drogowego wykonano dla dwóch wariantów:

 Parametry geotechniczne

Warstwa

γ [

] γ' [

] φ [stopnie]

[MPa]

[MPa] C

[MPa]

[%]

0,5

9,2

0,6

17,16 10,27

175

156

0,45 18,63

9,38

140

128

(nasyp)

0,7

17,7

10,5

130

110

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 40

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

5.2 Wariant I

5.2.1 Określenie stanu naprężenia

Obliczenia przeprowadzono przykładowo dla 3 warstwy na głębokości 2.5m.

 Naprężenia w podstawie nasypu

 Współczynnik zaniku naprężeń obliczono według PN-81-B-03020:

( (

√ (

)

(

)

(√ (

)

√(

)

(

)

√ (

)

(

)

))

 Zanik naprężeń wraz z głębokością:

 Naprężenia pierwotne w gruncie na głębokości

5.2.2 Obliczanie osiadania

 Osiadanie w wydzielonej trzeciej warstwie

 Osiadanie liczymy do poziomu, w którym

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 41

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Tabela 5.1 Zestawienie wyników

Rzędna

z/B

zγ

0,3σ

zγ

[m]

[kPa]

[kN/m

]

[-]

[kPa]

[mm]

34,5

175000

17,16

107,35 107,35

0,00

0,5

34,5 0,5 175000

17,16

0,99 0,01 107,35 106,36

8,58

2,57

0,30

34,5 0,5 140000

18,63

0,98 0,03 107,35 105,37

17,90

5,37

0,38

1,5

34,5 0,5 140000

9,38

0,97 0,04 107,35 104,38

22,59

6,78

0,37

2,5

34,5

140000

9,38

0,95 0,07 107,35 102,41

31,97

9,59

0,73

3,5

34,5

140000

9,38

0,94 0,10 107,35 100,44

41,35

12,40

0,72

4,5

34,5

140000

9,38

0,92 0,13 107,35

98,49

50,73

15,22

0,70

5,4

34,5 0,9 140000

9,38

0,90 0,16 107,35

96,74

59,17

17,75

0,62

34,5 0,6

68000

9,2

0,89 0,17 107,35

95,58

64,69

19,41

0,84

34,5

68000

9,2

0,85 0,23 107,35

91,78

83,09

24,93

2,70

34,5

68000

9,2

0,82 0,29 107,35

88,07

101,49

30,45

2,59

34,5

68000

9,2

0,79 0,35 107,35

84,47

119,89

35,97

2,48

34,5

68000

9,2

0,75 0,41 107,35

81,00

138,29

41,49

2,38

34,5

68000

9,2

0,72 0,46 107,35

77,67

156,69

47,01

2,28

34,5

68000

9,2

0,69 0,52 107,35

74,49

175,09

52,53

2,19

34,5

68000

9,2

0,67 0,58 107,35

71,45

193,49

58,05

2,10

34,5

68000

9,2

0,64 0,64 107,35

68,56

211,89

63,57

2,02

34,5

68000

9,2

0,61 0,70 107,35

65,81

230,29

69,09

1,94

Całkowite osiadanie 25,36

 Całkowite osiadanie

5.3 WARIANT II

5.3.1 Określenie stanu naprężenia pod nasypem

Obliczenia naprężeń pod nasypem w płaszczyźnie poziomej zostaną pokazane na przykładzie
punktu M, który znajduje się 3,1m p.p.t.

 Naprężenia w punkcie w M

Punkt M znajduje się pod obciążeniem prostokątnym, naprężenia w tym punkcie
obliczamy ze wzoru:

W przypadku punktów znajdujących się pod obciążeniem trójkątnym naprężenie
obliczamy ze wzoru:

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 43

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

5.3.2 Przyjęcie geodrenów do przykładu obliczeniowego

 Przyjęto geodreny o wymiarach 100x4mm w układzie prostokątnym w rozstawie

 Pole przekroju drenu

 Średnica zastępcza drenu

√

 Średnica wpływu drenu

5.3.3 Określenie czasu i wielkości przeciążenia

 Nasyp przeciążający wykonano z piasku średniego o

 Zwiększenie obciążenia użytkowego ze względu na bezpieczeństwo

 Obciążenie użytkowe jako równoważnik nasypu z piasku średniego

Przyjęto, że obciążenie użytkowe będzie równe nasypowi z piasku średniego o miąższości
70cm.

 Czas przeciążenia

5.3.4 Obliczenie osiadań i konsolidacji

Konsolidacja

(

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 44

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

 Współczynnik filtracji poziomej

 Współczynnik konsolidacji w kierunku poziomym

 Czynnik czasu

[-]

 Średnia wartość stopnia konsolidacji radialnej

(

) (

)

 Współczynnik filtracji pionowej

⁄

 Współczynnik konsolidacji w kierunku pionowym

 Czynnik czasowy

H – połowa miąższości warstwy (filtracja w dwóch kierunkach)

(

)

(

)

 Stopień konsolidacji pionowej

 Uogólniony stopień konsolidacji przy jednoczesnym odpływie wody w obu kierunkach

według wzoru 4.42 w [10]:

Osiadania

 Osiadanie z obciążeniem użytkowym

(

)

(

)

 Osiadanie z przeciążeniem

(

)

(

)

 Odprężenie po odciążeniu

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 45

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

 Bilans osiadania

Osiadania długotrwałe

 Czynnik czasu

 Średnia wartość stopnia konsolidacji radialnej

(

) (

)

 Czynnik czasu

(

)

(

)

 Stopień konsolidacji pionowej

 Uogólniony stopień konsolidacji przy jednoczesnym odpływie wody w obu kierunkach

według wzoru 4.42 w [10]:

 Osiadanie z obciążeniem użytkowym

(

)

(

)

 Osiadanie z przeciążeniem

(

)

(

)

 Odprężenie po odciążeniu

 Bilans osiadania

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 47

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

 Ciężar bloku

Ciężar i-tego bloku został obliczony według wzoru

gdzie:

 Wyznaczenie sił składowych działających na blok

gdzie:

 Zestawienie obliczeń dla pozostałych pasków

Nr bloku P

sinα

cosα

]

] [m]

[kN]

[°]

[-]

[kN]

1 1,50 0,00 1,02

36,69

0,95

0,33

34,69

11,94

8,06

2 5,50 0,00 1,36 110,91

0,86

0,52

95,06

57,12 38,53

3 7,43 0,64 1,36 136,06

0,75

0,66 102,69

89,26 10,96

4 7,49 2,44 1,36 149,58

0,66

0,75

98,13 112,89 13,86

5 7,49 3,85 1,36 159,42

0,54

0,84

86,83 133,70 16,42

6 7,49 4,93 1,36 166,98

0,45

0,89

75,81 148,78 18,27

7 7,47 5,74 1,10 172,37

0,36

0,93

61,77 160,92 19,76

8 6,84 6,33 0,00 165,44

0,24

0,97

40,02 160,53 19,71

9 5,92 6,71 0,00 151,78

0,16

0,99

23,74 149,91 18,41

10 5,00 6,89 0,00 136,76

0,05

1,00

7,16 136,57 16,77

11 4,08 6,89 0,00 120,44

-3 -0,05

1,00

-6,30 120,27 14,77

12 3,16 6,71 0,00 102,80

-9 -0,16

0,99

-16,08 101,54 12,47

13 2,23 6,33 0,00

83,82 -14 -0,24

0,97

-20,28

81,33

9,99

14 1,31 5,74 0,00

63,39 -21 -0,36

0,93

-22,72

59,18

7,27

15 0,39 4,93 0,00

41,42 -27 -0,45

0,89

-18,80

36,90

4,53

0 3,85 0,00

26,94 -33 -0,54

0,84

-14,67

22,59

2,77

0 2,44 0,00

17,09 -41 -0,66

0,75

-11,21

12,90

1,58

0 0,66 0,00

4,63 -48 -0,74

0,67

-3,44

3,10

0,38

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 49

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

6. Przykłady awarii nasypów drogowych

Awarie nasypów drogowych na gruntach słabych występują podczas wykonawstwa i

eksploatacji  drogi.  Błędy  w  projektowaniu,  nieodpowiednie  rozpoznanie  warunków
gruntowych,  niepoprawna  technologia  wykonawstwa  nasypu  powodują  utratę  stateczności
nasypu.

6.1 Awaria nasypu drogowego na terenie zakładu Michelin w Olsztynie

Awaria nastąpiła na południowej stronie nasypu drogowego w obrębie przepustu kanału

Szczęsne w km 1+740 – 1+780 drogi O-Z na terenie zakładu Michelin Polska w Olsztynie. Po
przeprowadzeniu  wizji lokalnej stwierdzono utratę stateczności lokalnej w postaci  odłamów
powierzchniowych gruntu oraz utratę stateczności globalnej na podstawie deformacji korony
w  pobliżu  krawędzi  drogi  asfaltowej.  Na  podstawie  przeprowadzonych    badań
geotechnicznych  stwierdzono,  że  nasyp  drogowy  wykonany  jest  w  większości  z  gruntów  o
charakterze  spoistym.  Nasyp  został  posadowiony  na  pokładach  gruntów  organicznych
(namuły, torfy) oraz na gruntach mineralnych z domieszkami części organicznych [13].

Do analizy statycznej wykorzystano metodę pasków Bishopa oraz MES. Analiza ponad

10 000 potencjalnych powierzchni poślizgu wykazała, że minimalna wartość współczynnika
bezpieczeństwa według metody Bishopa wyniosła

, oznacza to bezpośredni stan

zagrożenia  spowodowany  utratą  stateczności  globalnej  skarpy.  Wszystkie  z
przeanalizowanych,  krytycznych  powierzchni  poślizgu  znajdują  się  w  warstwie  gruntów
organicznych.  Obliczenia  MES  wykazały,  dodatkowe  zagrożenie  spowodowane  rozłamem
bryły nasypu wskutek odkształcenia materiału warstw gruntów słabych [13].

Rys. 6.1Widok zniszczonej skarpy nasypu [13].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 50

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

Analiza wyników wskazała na bezpośrednią przyczynę niestabilności konstrukcji

nasypu – jest nią słabe podłoże z gruntami organicznymi, które mogą też zagrażać utratą
stateczności globalnej wg schematu z walcowymi powierzchniami poślizgu [13].

Awaria nasypu jest konsekwencją nieodpowiedniego rozpoznania warunków

geologicznych w jego podłożu i braku nadzoru geologicznego w trakcie wykonywania
nasypu. Następstwem było nieuwzględnienie gruntów organicznych zalegających w podłożu,
które ze względu na małą nośność stanowią bezpośrednią przyczynę utraty stateczności
nasypu drogowego [13].

6.2 Awaria nasypu autostrady A-4 pomiędzy węzłami „Wirek” i „Batorego”

Awaria nasypu nastąpiła po zakończeniu budowy autostrady A-4 w km 330+700 –

331+200.  Początkowo  za  bezpośrednią  przyczynę  awarii  uznano  deformacje  wywołane
eksploatacją ściany poprzez kopalnię „Polska-Wirek”. Jednak taka przyczyna budziła szereg
wątpliwości,  dlatego  przeprowadzono  szczegółową  analizę,  której  celem  było  ustalenie  czy
inne czynniki, nie związane z górnictwem mogły być przyczyną awarii [2].

W rejonie awarii autostrada położona jest na wysokim nasypie, którego maksymalna

wysokość  wyniosła  11,32m,  a  nachylenie  skarp  było  zbliżone  do  1:1,5.  Nasyp  był
posadowiony  na  słabych  gruntach  wysadzinowych  w  stanie  plastycznym  i
twardoplastycznym.  Warunki  gruntowe  określono  jako  skomplikowane,  a  budowla  została
zakwalifikowana do III kategorii geotechnicznej [2].

Jako wzmocnienie słabego podłoża w rejonie awarii, przewidziano w projekcie

zastosowanie pali iniekcyjnych jet grouting o średnicy 80 cm w rozstawie 4,0 x 4,0m o
długości zależnej od miąższości i występowania gruntów organicznych [2].

Nasyp wykonano w szczególności z gruntów uzyskanych z wykopu, na podstawie

przeprowadzonych badań stwierdzono, że są to głównie grunty niespoiste zawierających
frakcje pyłowe i iłowe [2].

W celu ustalenia przyczyny awarii nasypu autostrady przeprowadzono obliczenia

numeryczne, których zakres obejmował [2]:

 sprawdzenie możliwości uszkodzenia nasypu i podłoża autostrady pod własnym

ciężarem w trakcie wznoszenia obiektu,

 sprawdzenie możliwości uszkodzenia nasypu, pod działaniem ciężaru własnego oraz

poddanego wpływom deformacji górniczych.

Do obliczeń wykorzystano dwie techniki numeryczne: metodę elementów skończonych oraz
metodę różnic skończonych [2].

Przeprowadzone obliczenia wskazują, że dla podłoża zbudowanego z plastycznej gliny

pylastej oraz dla podłoża zbudowanego z twardoplastycznej gliny pylastej wzmocnionej przez
jet  grouting  uszkodzenia  podstawy  nasypu  oraz  jego  korony  mogą  wystąpić  przed
pojawieniem się odkształceń wynikających z eksploatacji obiektu. Niesymetryczne osiadanie
podłoża  nasypu  jest  spowodowane  niskimi  parametrami  wytrzymałościowymi.  Większe
odkształcenia  po  stronie  północnej  powodują  naprężenia  rozciągające  w  rdzeniu  i  koronie
nasypu.  Wpływ  zastosowanego  materaca  zbrojonego  na  odkształcenia  w  nasypie  jest

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 51

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

niewielki, ze względu na duży współczynnik tarcia między geosiatką, a gruntem. Materac
będzie się odkształcał podobnie jak podłoże, na którym jest posadowiony nie wpływając na
stateczność nasypu [2].

Zaprojektowane i zastosowane zabezpieczenie nasypu autostrady poddanego wpływom

deformacji było niewystarczające w analizowanych warunkach geotechnicznych [2].

6.3 Awaria nasypu na drodze nr 61 na odcinku Grajewo – Augustów

Droga krajowa nr 61 na odcinku Grajewo – Augustów została poddana modernizacji. W

wyniku tej modernizacji w miejscowości Rajgród na odcinku długości około 200m, została
przeprowadzona pełna wymiana gruntów organicznych. Awaria nastąpiła na odcinku 55m w
wyniku jednostronnej utraty stateczności nasypu - utworzył się uskok o wysokości około
10cm w okolicach chodnika [15].

Na odcinku w km 236+820 – 236+950 podłoże pod nasypem stanowiły grunty

organiczne  o  maksymalnej  miąższości  5,3m,  które  zostały  wymienione  na  pospółkę  w  celu
wzmocnienia  podłoża  pod  nasypem.  Wymianę  gruntu  przeprowadzano  etapowo  aby  był
możliwy ruch  pojazdów na drodze krajowej.  W pierwszej  kolejności  wymiana  gruntu oraz
budowa nasypu została przeprowadzona po prawej stronie jezdni. Następnie przystąpiono do
wymiany  gruntu  po  lewej  stronie.  Podczas  wymiany  gruntu  na  ostatnim  odcinku  wystąpiły
intensywne opady deszczu, które utrudniały wykonawstwo – w wykopie pojawiła się woda o
głębokości  1m.  Po  zakończeniu  prac,  wykonaniu  nasypu  i  nawierzchni  na  odcinku  w  km
236+885 – 236+940 utworzył się uskok o wysokości 10cm [15].

Analiza przyczyny awarii wymaga dokładnego rozpoznania podłoża gruntowego.

Wskutek nieprawidłowego odprowadzania wody od separatora i podnóża nasypu podczas
intensywnych opadów deszczu tworzą się bajora w rejonie osuwiska. Nasyp jest stateczny w
miejscach gdzie wymiana gruntu została przeprowadzona prawidłowo. Po lewej stronie drogi
krajowej, osuwisko tworzy się raz w roku powodując utworzenie małego uskoku o wysokości
od 5 do 10cm w rejonie chodnika [15].

Rys. 6.2 Projektowany przekrój poprzeczny w rejonie uszkodzenia nasypu [2].

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 53

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

7. Podsumowanie

W przekonaniu autora przedstawione powyżej metody wzmacniania podłoża przed

budową nasypów są najczęściej wybieranymi technologiami. Używane są ze względu na
rosnącą potrzebę prowadzenia szlaków komunikacyjnych przez grunty słabe. Technologie
zawarte w niniejszej pracy inżynierskiej są alternatywą do bezpośredniej wymiany gruntu.

Do zadań projektantów i budowniczych dróg należy wybór jednej z metod technologii

wykonawstwa nasypu. W pracy zawarto cechy charakterystyczne, które pozwalają na
odróżnienie i odpowiednie zastosowanie każdej z metod.

Autor niniejszej pracy inżynierskiej po zapoznaniu się z licznymi artykułami

zaobserwował, że technologią wykorzystywaną częściej niż pozostałe jest użycie geodrenów.
Najrzadziej  stosowaną  metodą  wzmacniania  jest  wykorzystanie  styropianu,  ze  względu  na
zachodzący  w nim proces utleniania. Wpływa on niekorzystnie na trwałość konstrukcji. Do
wypełniania  konstrukcyjnego  częściej  stosuje  się  keramzyt,  w  przypadku  prowadzenia
rurociągów wewnątrz nasypu drogowego. Zachowuje on swoje właściwości w długim okresie
czasu ale jego koszt przekracza trzykrotnie wypełnienie gruntem.

W przykładzie obliczeniowym porównano dwie metody wykonawstwa nasypu, takie

jak drenaż pionowy oraz wymiana gruntu. Metoda drenażu pionowego pozwala na obniżenie
kosztu wykonawstwa przez przyspieszenie procesu konsolidacji. W rezultacie ciąg
komunikacyjny może być szybciej eksploatowany. Wymiana gruntu stosowana jest
w przypadku małej miąższości gruntu słabego — do 2m. W stosunku do drenażu pionowego
opłacalność wymiany gruntu wynika z braku konieczności wynajmu sprzętu do wzmacniania.

Głównymi celami nowoczesnych technologii wzmacniania są:

 poszukiwanie rozwiązań zmniejszających czas realizacji budowy w porównaniu np. z

tradycyjną wymianą gruntu lub konsolidacją,

 ograniczenie dopuszczalnego osiadania i różnic osiadania korpusu nasypu dzięki,

któremu nastąpi poprawa bezpieczeństwa i wykonawstwa nasypów drogowych,

 ograniczenie bezpośredniej wymiany gruntu dzięki zastosowaniu wgłębnego

wzmacniania podłoża.

Stosowanie nowoczesnych rozwiązań geotechnicznych wzmacniania podłoża wiąże się z
pokonywaniem pewnych przeszkód wynikających m.in. z braku znajomości wybranej
technologii oraz braku doświadczenia w projektowaniu i wykonawstwie.

Projektując nasyp drogowy na słabym podłożu oraz wybierając technologię

wykonawstwa należy dokładnie przeanalizować warunki gruntowo-wodne, ponieważ
praktyka pokazuje, że częstą przyczyną awarii nasypów jest błędne rozpoznanie podłoża oraz
błędy w projektowaniu.

Przeprowadzona analiza wykazała, że największe osiadania podłoża występują w

momencie obciążania nasypem. Grunt pod wpływem konsolidacji zwiększa swoją
wytrzymałość, powinno to być uwzględnione przy wykonawstwie etapowym nasypu.
Dodatkowo nie istnieje metoda pozwalająca określić stateczność skarpy.

Twórcy nowych metod konstrukcji nasypów na słabych gruntach powinni uwzględniać

przede wszystkim obniżenie kosztu wykonawstwa oraz zwiększenie szybkości konsolidacji
gruntów aby jak najszybciej wykonać nasyp drogowy.

Politechnika Gdańska

Praca Dyplomowa Inżynierska

Str. 54

KGGiBM

Nasypy drogowe na gruntach słabych

8. Literatura

[1] Bolt A., Cichy W., Topolnicki M., Zadroga B. (1982): Mechanika gruntów w zadaniach.

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej.

[2] Cała M., Cieślik J., Flisiak J., Kowalski M. (2006): Przyczyny awarii nasypu autostrady

A-4 pomiędzy węzłami "Wirek" i "Batorego" w świetle obliczeń numerycznych.
Geotechnika i budownictwo specjalne.

[3] Gajewska B., Kłosiński B. (2011): Rozwój metod wzmacniania podłoża gruntowego.

Materiały X Seminarium IBDiM, Warszawa.

[4] Głażewski M., Nowocień E., Piechowicz K. (2010): Roboty ziemne i rekultywacyjne w

budownictwie komunikacyjnym. Wydawnictwo komunikacji i łączności.

[5] Gradkowski K. (2010): Budowle i roboty ziemne. Oficyna wydawnicza Politechniki

Warszawskiej.

[6] Lechowicz Z., Szymański A. (2002): Odkształcenia i stateczność nasypów na gruntach

organicznych. Cz. I Metodyka Badań, cz. II Metodyka Obliczeń. Wydawnictwo SGGW.

[7] Lenczewski S., Sokalski K., Gajkowicz A. (1961): Roboty ziemne. Wydawnictwo

Arkady.

[8] Molisz R., Baran L., Werno M. (1986): Nasypy drogowe na gruntach organicznych.

Wydawnictwo komunikacji i łączności.

[9] Montepara A., Giuliani F. (2000): Design of road embankments lightened by expanded

polystyrene (EPS) laying on low - bearing capacity grounds. Road environment. Tokyo.

[10] Pisarczyk S. (2005): Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego. Oficyna

wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa.

[11] Przewłócki J. (2004): Kilka uwag o ocenie stateczności zboczy. Inżynieria Morska i

Geotechnika nr 2.

[12] Rzeźniczak J. (2011): Zastosowanie keramzytu w nasypach i obiektach drogowych.

Przykład realizacji. Problemy do rozwiązania. Materiały X Seminarium IBDiM,
Warszawa.

[13] Srokosz P., Damicz J., Bartoszewicz A. (2007): Materiały XXIII Konferencji Naukowo -

Technicznej, Szczecin - Międzyzdroje.

[14] Surarak C., Balasubramaniam A.S., Huang M:Observed Field Behaviour of Soft Clay

Due to Embankment Loading. A Case Study in Queensland, Australia.

[15] Szypcio Z., Dołżyk K. (2011): Awaria nasypu na drodze nr 61 na trasie Grajewo -

Augustów. Materiały XXV Konferencji Awarie Budowlane, Szczecin - Międzyzdroje.

[16] Werno M. (1999): Nasypy drogowe z materiałów lekkich. Materiały III Konferencji

Naukowo Technicznej, Olsztyn - Kortowo.

[17] Werno M., Juszkiewicz - Bednarczyk B., Inerowicz M. (1999): Budowa dróg na gruntach

organicznych. Materiały V Międzynarodowej Konferencji Trwałe i bezpieczne
nawierzchnie drogowe.

[18] Werno M., Juszkiewicz - Bednarczyk B., Inerowicz M. (2000): Przykłady rozwiązań

geotechnicznych w budownictwie komunikacyjnym województwa pomorskiego.
Inżynieria Morska i Geotechnika nr 5.