Analiza numeryczna zabezpieczenia wykopu przy budowie hotelu Sheraton w Krakowie.pdf

XV Konferencja Naukowa - Korbielów' 2003

"Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych"

Analiza numeryczna zabezpieczenia wykopu przy

budowie hotelu Sheraton w Krakowie

Jan Gaszyński 1

Mariusz Posłajko 2

1. WSTĘP

W artykule przedstawiono analizę numeryczną MES zabezpieczenia wykopu podczas

wykonywania robót związanych z posadowniem hotelu Sheraton usytuowanego

w Krakowie, w pobliżu Wawelu. W takich warunkach, ze względu na występowanie

budynków starych i zabytkowych, często z dzisiejszego punktu widzenia niedostatecznie

zabezpieczonych, problem odpowiedniego zabezpieczenia wykopów nabiera szczególnego

znaczenia. Obliczenia wykonano na podstawie wstępnych założeń projektowych obudowy

wykopu w kilku wariantach. Miały one na celu pokazanie wpływu wykonania wykopu na

wartość przemieszczeń starej czterokondygnacyjnej kamienicy, znajdującej się przy jednej

z części projektowanego hotelu. Kamienica znajduje się w odległości ok. od 5,0m do 7,5m

od zaplanowanej krawędzi wykopu. Budynek ma konstrukcję murowaną i drewniane

stropy bez wieńcy. Z tego względu budynek jest obiektem bardzo wrażliwym na wszelkie

deformacje. Dodatkowo, część fundamentów przylegająca do terenu budowy opiera się na

słabych gruntach zalegających bezpośrednio pod nimi. Przed samą krawędzią wykopu

znajduje się masywna ściana z cegieł o wysokości ok. 3m, do której przylegają wiaty

gospodarcze i administracyjne usytuowane na podwórku kamienicy.

2. SFORMUŁOWANIE ZAGADNIENIA

Hotel posadowiono na fundamencie płytowym [3]. Część podziemna budynku będzie

przeznaczona głównie na garaże. Dno wykopu fundamentowego przyjęto na rzędnej

199,85 (gł. 4,35m ppt), lokalnie na głębokości 199,20m npm (gł. 5,00m ppt). W części

południowo-zachodniej przy istniejącej czterokondygnacyjnej kamienicy, ze względu na

stwierdzenie słabonośnych gruntów w poziomie posadowienia zaplanowano wymianę

gruntu pod fundamentem do głębokości ok. 6,0m ppt (rys. 1). To sprawiło, że dno wykopu

fundamentowego znalazło się poniżej stwierdzonego zwierciadła wody gruntowej. Z tego

powodu zaplanowano obniżenie zwierciadła wody na czas prowadzenia wymiany gruntów

do rzędnej 197,20m npm. W związku z lokalnym poszerzeniem fundamentów hotelu

należało zabezpieczyć wykop tak, by roboty budowlane wykonywane przy wznoszonym

1 Dr hab., prof. PK, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej

2 Mgr inż., Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej

obiekcie nie zagrażały sąsiadującym budynkom, które zgodnie z [1] znajdują się

w bezpośredniej strefie oddziaływań wykopu (S I – ok. 0,75H w , H w – wysokość wykopu)

a pozostałe w strefie oddziaływań wykopu (S – ok. 2,5H w ).

Fundament budynku

m pl



// p

szg

G //Pd





// p

G// p



200.30

Nmp

200.00

200.44

mpl

 G //P

Nmg

199.90

199.41

Nmg

G//P

199.41 szg

 p



p//G



twp Nmg Nmp

Nmg

Pg+Nm

Ps+Ż

198.81

p+H

szg

Pr+Ż

szg Po

5m÷7,5m

Dno wykopu

Zabezpieczenie wykopu

Rys. 1. Warunki geologiczno-inżynierskie [2].

Masywna ściana ceglana szer. ok. 0,90m, jest posadowiona na głębokości ok. 2,40m ppt.

Fundamenty pobliskiej kamienicy wykształcone są z muru z kamienia łamanego (wapień)

posadowione w rejonie wykopu na rzędnej ok. 200,80m npm (rys. 1). Na fundamencie z

kamienia nadbudowano mur z cegły o tych samych wymiarach co fundament. Świadczy to

o tym, iż istniejący budynek został posadowiony na fundamencie wcześniejszej budowli. W

związku ze złożonymi warunkami gruntowym i wykonaniem odwodnienia oraz

istniejącymi budynkami o dużej wrażliwości na nierównomierne osiadanie wykonano

analizę numeryczną zagadnienia.

3. MODEL NUMERYCZNY

Model numeryczny (rys. 2) przyjęto na podstawie przekroju geologicznego [2]

równoległego do ulicy Powiśle (rys. 1), przechodzącego przez budynek istniejący oraz

wzdłuż projektowanego hotelu. Środek układu współrzędnych w modelu numerycznym

przyjęto w punkcie A (rys. 2).

Do obliczeń wzięto pod uwagę dwa czynniki:

 obniżenie zwierciadła wody gruntowej podczas wykonywania wykopu,

 wykop i związaną z nim zmianę stanu naprężeń.

Rys. 2. Siatka elementów modelu numerycznego z podziałem na warstwy.

W celu sprawdzenia wpływu odwodnienia na przemieszczania posłużono się modułem do

obliczania filtracji nieustalonej oraz przyjęto model gruntu sprężysto- plastyczny Druckera

–Pragera w płaskim stanie odkształcenia [4]. Do obliczeń zastosowano system metody

elementów skończonych Z_Soil. Fundamenty i posadzki budynku obciążono ciężarem

własnym obiektu oraz obciążeniem użytkowym. Zabezpieczenie wykopu zamodelowano

elementami prętowymi wraz z elementami kontaktowymi pomiędzy gruntem

a zabezpieczeniem. Kotwy gruntowe przyjęto jako elementy prętowe przenoszące siłę

rozciągającą. W celu uwzględniania wpływu odwodnienia za pomocą studni zastosowano

elementy pozwalające na swobodny wypływ wody z ośrodka gruntowego tzw. seepages.

Jednocześnie symulowano obniżenie zwierciadła wody gruntowej tak, by zamodelować

pracę pozostałych studni oddalonych od zabezpieczenia wykopu. W tabeli przedstawiono

etapy symulacji wykonania poszczególnych robót (tab. 1).

Tab. 1. Podstawowe dane materiałowe przyjęte do obliczeń.

Krok (dni) Opis wykonywanych czynności

0 – 1 Początek odwodnienia wykopu, wykonanie obudowy wykopu

1 – 3 Usunięcie 2 warstw wykopu 2x1m

3 – 4 Wykonanie kotwy gruntowej

3 – 8 Usunięcie kolejno 4 warstw wykopu 4x1m

8 – 20 Obserwacja osiadań w czasie

Na podstawie analizy przekrojów geotechnicznych przyjęto następujące wartości

parametrów dla poszczególnych stref materiałowych (rys. 2), które zostały zestawione w

tabeli nr 2.

Tab. 2. Podstawowe dane materiałowe przyjęte do obliczeń.

Nazwa  [kN/m3] E[kPa]  [-]  [deg] c [kPa] K[m/s]

1 Ił

21,10

22000 0,37 9,0

60,0 10-12

2 Żwir

20,50

139500 0,20 38,5 0,0

3,5 × 10-3

3 Pospółka

20,50

121500 0,20 32,5 0,0

3,5 × 10-3

4 Nasypy

19,00

7200

0,20 15,0 5,0

10-6

5 Piaski średnie 19,60

74700 0,25 32,5 0,0

10-5

6 Namuły

21,00

5600

0,32 14,0 15,0 1,2 × 10-8

7 Piaski gliniaste 21,00

5600

0,32 14,0 15,0 1,2 × 10-6

8 Pyły piaszczyste 21,50

7700

0,32 12,0 15,0 10-6

9 Glina piaszczysta 21,00

15400 0,32 13,0 20,0 10-8

10 Ściana budynku 14,00

4,0e+6 0,2 -

11 Ścianka PU32 78,00

2,1e+8 0,3 -

Obliczenia numeryczne wykonano dla głębokości wykopu 6 m, przy założeniu obniżenia

zwierciadła wody gruntowej o 2 m, dla następujących sposobów zabezpieczenia wykopu:

1. Obciążenie masywną ścianą bezpośrednio przy zabezpieczeniu lub bez niej.

2. Odległość zabezpieczenia od kamienicy 5,0 m lub 7,5 m.

3. Zabezpieczenie wykopu z kotwieniem lub bez kotwienia.

4. WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH

Na wykresach (rys. nr 3 i 4) przedstawiono wartości przemieszczeń pionowych

i poziomych po zakończeniu procesu budowy (krok 20) wzdłuż krawędzi terenu dla

zabezpieczenie bez kotwienia, w odległości 5,0 m od budynku wraz z obciążeniem ścianą

obok ścianki szczelnej. Wartości przemieszczeń poziomych w kierunku wykopu przyjęto

ze znakiem minus. Natomiast osiadania w kierunku do dna wykopu mają znak plus.

-44.0

-40.0

-36.0

-32.0

-28.0

-24.0

-20.0

-16.0

-12.0

-8.0

-4.0

0.0

4.0

Max 0,107 [m]

Min 1,080e-03 [m]

Rys. 3. Wartość przemieszczeń pionowych dla zabezpieczenia bez kotwienia 5,0 m

od budynku wraz z obciążeniem ścianą obok ścianki szczelnej.

-44.0

-40.0

-36.0

-32.0

-28.0

-24.0

-20.0

-16.0

-12.0

-8.0

-4.0

0.0

4.0

Max - 2, 9 9 1e - 03 [m]

Min - 0,1 3 [m ]

Rys. 4. Wartość przemieszczeń poziomych dla zabezpieczenia bez kotwienia 5,0 m

od budynku wraz z obciążeniem ścianą obok ścianki szczelnej.

Widać dużą nierównomierność osiadania pierwszego fundamentu wobec pozostałych ław

fu n damentowych. Wpływ obciążenia ścianą masywną jest zauważalny poprzez duże

os i adania w pobliżu ścianki. Następnie wartości osiadań maleją, aż do miejsca gdzie

z n ajduje się pierwszy fundament kamienicy. Podobnie jest z przemieszczeniami

p o ziomymi. Duże wartości przemieszczeń poziomych wynikają z obciążenie

us y tuowanego bezpośrednio za zabezpieczeniem oraz braku kotwienia ścianki. Na

dalszych wykresach (rys. nr 5 i 6) przedstawiono analogiczną sytuację jak poprzednio,

jednak z wykonaniem kotwienia ścianki. W tym przypadku przemieszczenia pionowe jak i

poziome mają o wiele mniejsze wartości niż w przypadku wykonania ścianki bez

kotwienia, także ich rozkład jest znacznie bardziej równomierny.

-44.0

-40.0

-36.0

-32.0

-28.0

-24.0

-20.0

-16.0

-12.0

-8.0

-4.0

0.0

4.0

Max 0,013 [m]

Min 1,647e-03 [m]

Rys. 5. Wartość przemieszczeń pionowych dla zabezpieczenia z kotwieniem 5,0 m

od budynku wraz z obciążeniem ścianą obok ścianki szczelnej.

N a rys. nr 7 przedstawiono wartości przemieszczeń gruntu podczas wykonywania wykopu

za górną krawędzią ścianki szczelnej dla różnych analizowanych wariantów. Obciążenie

w postaci masywnej ściany znacząco wpływa na wartość przemieszczeń obudowy wykopu.

Widać znaczną różnicę w wartościach przemieszczeń pomiędzy ścianą kotwioną

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: