DANI PODZEMNE GRADNJE 2011 Prof.dr.sc. Željko Arbanas

Građevinski fakultet Sveučilišta u RijeciZagreb, 06. srpanj 2011.

Principi projektiranja u stijenskoj masi Osnovna razlika u konstrukcijama pri izvedbi iskopa

za građevne jame i podzemne otvore u tlu i stijenskoj masi sastoji se u elementima podgradne konstrukcije.

Dok je u tlu podgradna konstrukcija od odabranih inženjerskih materijala osnovni nosivi element, u stijenskom materijalu osnovni inženjerski materijal predstavlja in situ stijenska masa s relativno ograničenim mogućnostima za njezino poboljšanje ili ojačanje.

2

Podgradne konstrukcije u tlu, kao što su dijafragme pri izvedbi građevnih jama i podgradni elementi podzemnih otvora, izvode se od odabranih elemenata izvedenih u armiranom betonu i/ili čeliku unaprijed određenih dimenzija i kvalitete koju je moguće kontrolirati tijekom izvedbe, pri čemu djelovanja tla isključivo predstavljaju opterećenje na podgradneelemente.

Pri izvedbi iskopa građevnih jama i podzemnih otvora u stijeni, stijenska masa predstavlja osnovni element podgradne konstrukcije, s obzirom da preraspodjelom naprezanja unutar stijenske mase ista „nosi samu sebe“.

3

Pri tome je kvaliteta stijenske mase predodređena insitu uvjetima, koji su daleko od kontroliranih, a zbog heterogenosti stijenske mase koja se zbog sustava diskontinuiteta u pravilu rijetko ponaša kao kvazikontinuum, iste je vrlo teško u cijelosti odrediti istražnim radovima.

Osnovna aktivnost inženjerstva u stijenskoj masi je projektiranje i izvedba konstrukcija u stijenskoj masi kroz tri osnovana aspekta i to: Procjena stabilnosti iskopa ili temeljenja; Projektno rješenje mjera, kao što su geometrija i/ili

podgradni sustav, potrebnih da zadovolji traženu stabilnost i

Projektno rješenje mjera potrebnih da održi deformacije stijenske mase u traženim granicama.

4

Inženjersko projektiranje u mehanici stijena u pravilu uključuje razvoj rješenja do usvojenog savladavanja problema .

Pri tome ne postoji jedinstveno rješenje, svaki od inženjera predložiti će različito rješenje, pri čemu će neka rješenja biti bolja, neka lošija, ali sva moraju osigurati djelovanje primijenjenog rješenja.

Zadovoljavajući inženjerski projekt uključuje projektni proces koji se sastoji od dijelova koje proces mora logički slijediti.

5

Bieniawski (1991, 1992) je definirao niz projektnih principa pri projektiranju u stijenskoj masi koji usmjeravaju metodologiju projektiranja u proces projektiranja.

Projektni principi: Projektni princip 1: Jasnoća projektnih ciljeva i zahtjeva

funkcionalnosti konstrukcije; Projektni princip 2: Minimum neizvjesnosti geoloških uvjeta; Projektni princip 3: Jednostavnost elemenata projekta; Projektni princip 4: Praksa prema poznatim dostignućima

(eng. state-of-the-art); Projektni princip 5: Optimizacija; Projektni princip 6: Izvedivost rješenja (eng. constructibility).

6

Projektna metodologija Stanje problema (ciljevi izvođenja) PP1 Funkcionalni zahtjevi i postavke (projektne varijable i

projektna pitanja) PP1 Raspoloživi podaci (informacije o lokaciji, karakteristike

stijenske mase, podzemna voda, stanje naprezanja) PP2 Koncepcija rješenja (geotehnički model) PP3 Analiza komponenti rješenja (analitičke, numeričke,

empirijske analize, opservacijske metode) PP3,4 Sinteza i razmatranje alternativnih rješenja (oblik, veličina,

lokacija, orijentacija iskopa) PP3,4 Evaluacija (procjena projekta, revizija projekta) PP5 Optimizacija (procjena projekta) PP5 Preporuke (metodologija izvedbe, tehnički uvjeti) PP6 Implementacija (izvedba, monitoring, kontrola,

preprojektiranje) PP6

7

Proces projektiranja u mehanici stijena Definicija problema Identifikacija mogućeg rješenja Definiranje prihvatljivog projektnog kriterija za svaki

dio rješenja i odabir faktora sigurnosti (ili vjerojatnosti pojave sloma)

Određivanje ulaznih parametara za projektiranje (čvrstoća, deformabilnost)

Provedba procesa projektnih analiza ili proračuna za projekt koji zadovoljava definirane kriterije.

8

Predviđanje ponašanja

Niels Bohr: Prediction is very difficult, especially if it's about

the future.

9

Uobičajeni pristup procesu projektiranju podrazumijeva završetak projekta prije početka gradnje.

U mehanici stijena, u kojoj se, za razliku od drugih grana projektiranja, materijali odlikuju se izrazitom heterogenošću i praktično ih je nemoguće kontrolirati, postoji velika neizvjesnost u odabiru projektnih parametara.

Korištenjem klasičnog pristupa završetka projekta prije gradnje, kako bi konstrukcija sadržavala zadovoljavajući faktor sigurnosti, u konzervativnom pristupu projektiranju koriste se najnepovoljniji uvjeti koji se mogu pojaviti u stijenskoj masi.

Dimenzioniranje geotehničke konstrukcije na temelju odabira najnepovoljnijih parametara, rezultira ekonomski nepovoljnom konstrukcijom.

10

Ukoliko se u ovakvom pristupu projektiranju, tijekom izvedbe radova provode mjerenja i promatranja ponašanja geotehničke konstrukcije predviđena projektom, rezultati mjerenja služe samo kao potvrda da se geotehnička konstrukcija ponaša u predviđenim i dozvoljenim okvirima.

U ovom pristupu ne postoji tendencija da se geotehnička konstrukcija prilagodi stvarnim uvjetima tla.

Ukoliko se tijekom gradnje ustanovi da su geotehnički uvjeti znatno povoljniji od onih predviđenim projektom, nije moguće izvršiti promjenu u cilju uštede na konstrukciji (bez promjene dokumentacije, što znači i dozvole za gradnju).

Ukoliko se tijekom gradnje na konstrukciji pojave nedozvoljeni pomaci i deformacije, kao posljedica uvjeta lošijih čak i od konzervativne procjene usvojene u projektu, nastupa izvanredna situacija koja nije predviđena projektnim rješenjem.

11

Opservacijska metoda prema Pecku Integrirani pristup projektiranja u geotehnici zasnovan

na predviđanju ponašanja, opažanju i promatranju, te modifikaciji projekta zasnovan na novijim teorijama mehanike tla i stijena, opservacijska metoda ili metoda opažanja, uveli su u praksu Terzaghi i Peck (1967).

U ovom pristupu proces građenja geotehničke konstrukcije započinje s projektom temeljenim na pretpostavkama o optimističnijim uvjetima u tlu od onih korištenih u konzervativnom klasičnom pristupu, ali uz uvjet da se omogući promatranje geotehničke konstrukcije.

12

Projekt mora sadržavati i mjere koje će se poduzeti ako ponašanje geotehničke konstrukcije izađe iz okvira ponašanja predviđenih projektom (u oba smjera).

Projektiranje se nastavlja tijekom gradnje, projekt se prilagođava stvarnom stanju na terenu na temelju rezultata mjerenja i opažanja na ugrađenoj mjernoj opremi.

Peck je identificirao dvije osnovne mogućnosti korištenja opservacijske metode: Od početka projekta, ab initio (lat.) Tijekom gradnje kad nastupe neočekivana događanja, best way out (eng.)

13

Peck (1969) je definirao je osam nužnih principa od kojih se sastoji opservacijska metoda: Istražni radovi su dovoljni za utvrđivanje opće prirode i

svojstava tla, ali ne i nužno detaljni, Procjena najvjerojatnijih prilika u tlu kao i mogućih

najnepovoljnijih odstupanja od tih prilika, Izrada projekta temeljena na radnoj hipotezi o najvjerojatnijim

prilikama u tlu, Određivanje veličine koje će se opažati tijekom izvođenja te

njihov proračun na temelju radne hipoteze, Proračun veličina koje će se opažati za najnepovoljnije prilike u

tlu, Prethodni izbor djelovanja ili promjena u projektu za svako

predvidivo znatnije odstupanje opaženih od predviđenih veličina,

Mjerenje veličina kojima će se opažati i vrednovati stvarno stanje,

Promjene projekta radi prilagodbe stvarnom stanju.

14

Nužan uvjet da se realizira projekt geotehničke konstrukcije u skladu s opservacijskom metodom, je da projektant geotehničke konstrukcije bude uključen u cjelokupan projekt izgradnje konstrukcije:Istražne radoveOdabir geotehničkih parametraProjektiranje glavnog projekta po kojem se konstrukcija izvodiProces monitoringaNadzor nad izvedbom konstrukcije.

15

Opservacijska metoda prema CIRIA-iConstruction Industry Research and Information Association (CIRIA) daje slijedeću definiciju opservacijske metode:

Opservacijska metoda u geotehničkom inženjerstvu predstavlja kontinuirani, upravljani i integrirani proces projektiranja, kontrole ponašanja geotehničke konstrukcije, monitoringa i ponovne provjere koji omogućuje prethodno predviđene modifikacije koje se mogu uključiti u konstrukciju tijekom ili nakon izvođenja radova, ako se to pokaže potrebnim. Svi ovi aspekti moraju biti izrazito jasno određeni. Cilj procesa je izgraditi ekonomičnu geotehničku konstrukciju bez ugrožavanja sigurnosti.

16

Opservacijska metoda prema Eurocode 7Granična stanja prema Eurocode 7 mogu se verificirati proračunima, eksperimentalnim modelima zasnovanim na pokusima, opservacijskom metodom ili kombinacijom ovih metoda.Eurocode 7 prepoznaje ulogu opservacijske metode u projektiranju i izvedbi radova, ali vrlo slabo određuje na koji način se ista provodi.

17

Eurocode 7 određuje opservacijske metode kroz slijedeće odredbe: Kada je predviđanje ponašanja geotehničke konstrukcije

otežano, moguće je primijeniti pristup korištenjem opservacijske metode u kojem se projekt može mijenjati tijekom izvođenja.

Tijekom izvođenja plan opažanja treba provesti u potpunosti.

Rezultate opažanja treba razmatrati u prikladnim fazama, a planirane mjere korekcije geotehničke konstrukcije treba provesti ako su granice ponašanja prekoračene.

Mjernu opremu treba zamijeniti ili proširiti ako prestane davati pouzdane podatke ili ih daju u nedovoljnom opsegu.

18

Prije početka izvođenja geotehničke konstrukcije, moraju biti zadovoljeni slijedeći uvjeti : Moraju se utvrditi prihvatljive granice ponašanja; Potrebno je procijeniti raspon mogućeg ponašanja geotehničke

konstrukcije te treba pokazati da postoji prihvatljiva vjerojatnost da će stvarno ponašanje geotehničke konstrukcije biti unutar prihvatljivih granica;

Potrebno je izraditi plan opažanja koji će pokazati da se stvarno ponašanje geotehničke konstrukcije nalazi u okvirima prihvatljivih granica; opažanje mora omogućiti da se odstupanja utvrde u dovoljno ranoj fazi i u dovoljno kratkim intervalima kako bi se omogućila pravodobna primjena mjera korekcije;

Vrijeme odaziva instrumenata i postupaka analize rezultata mora biti dovoljno kratko u odnosu na mogući razvoj ponašanja geotehničke konstrukcije;

Potrebno je uspostaviti plan mjera korekcije koje će se primijeniti ako opažanja upućuju na ponašanje geotehničke konstrukcije izvan prihvatljivih granica.

19

Sustavni pristup planiranju i provođenju monitoringa Sustav monitoringa je lanac s mnogo slabih veza, s

većim zahtjevima od drugih zadataka geotehničkog inženjerstva, te zahtjeva sustavno upravljanje, provođenje i stručnost u korištenju mjerne opreme koja je u cijelom postupku samo alat.

20

Planiranju i provođenju monitoringa treba pristupiti slijedeći korake: Definirati uvjete projekta; Predvidjeti mehanizme preko kojih se može kontrolirati

ponašanje tla i/ili geotehničke konstrukcije. Definirati geotehnička pitanja na koja će sustav monitoringa

dati odgovore; ako ne postoji pitanje, nije potreban niti mjerni uređaj;

Definirati svrhu mjernih uređaja; Definirati izbor parametara koje treba mjeriti, pri čemu

parametri mogu biti rezultat uzroka ili posljedice; Predvidjeti rezultate kako bi se odabrala potrebna osjetljivost

i točnost mjernih uređaja; prema najvećoj očekivanoj vrijednosti vrši se odabir raspona, a prema najmanjoj očekivanoj vrijednosti, odabir mjernog uređaja odgovarajuće osjetljivosti i točnosti;

21

Odrediti mjere intervencije u smislu podizanja stupnja sigurnosti i zaštite za sve potencijalno opasne, hazardne situacije;

Dodijeliti zadatke vezane za monitoring sudionicama građenja (investitor, projektant, provoditelj mjerenja, izvođač…);

Odabir mjernih uređaja; najvažniji kriterij pri odabiru je pouzdanost, a prednost imaju što jednostavniji uređaji. Mjerna oprema trebala bi imati dobre reference i trajnost u okolišu u kojem je instalirana, a potrebno je osigurati i zahtijevanu točnost mjerenja, minimalan utjecaj opreme na konstrukciju, te minimalne poteškoće pri ugradnji opreme i mjerenjima;

Odabir lokacija na kojima će se ugraditi mjerna oprema; izabrana lokacija mora rezultirati reprezentativnim mjerenjima i biti kompatibilna s provedenim analizama koje će se koristiti u interpretaciji rezultata;

22

Registriranje faktora koji mogu utjecati na izmjerene podatke –korištenje mjerne opreme obično uključuje povezivanje rezultata mjerenja s uzrocima;

Osigurati točnost mjerenja; Popisati mjernu opremu i odrediti specifičnu svrhu pojedinog

mjernog uređaja, odnosno opravdati planiranu opremu; Nabava mjerne opreme; podjela odgovornosti između sudionika

u projektu, određivanje primjerene cijene koštanja opreme; Planiranje ugradnje mjerne opreme; potrebno je unaprijed

planirati faze ugradnje, pridržavajući se uputstava proizvođača i smjernica projektanta koji je upoznat s geotehničkim uvjetima lokacije;

23

Mjerna oprema izuzetne preciznosti može biti nepouzdana ukoliko se previdi samo jedan važan, a naizgled vrlo malen zahtjev tijekom ugradnje.

Jedno od osnovnih pravila o kojima treba voditi računa tijekom ugradnje mjerne opreme je Prvi Murphyev zakon o mjernoj opremi : Ako bilo što može krenuti po zlu, to će se

dogoditi pri ugradnji mjerne opreme. Pri tome će mjerna oprema biti ili potpuno ili djelomično neupotrebljiva ili će rezultati mjerenja biti netočni.

24

Planiranje redovite kalibracije i održavanja mjerne opreme; mjerenje na ugrađenoj mjernoj opremi prihvatljivo je jedino ako je provedena odgovarajuća kalibracija opreme;

Planiranje prikupljanja podataka, obrade, prezentacije, interpretacije, i izvještavanje;

Ugovoriti usluge terenske izvedbe mjerenja koje se odnose na ugradnju opreme, redovite kalibracije i održavanje, te prikupljanje podataka, obradu, prezentaciju, interpretaciju i izvještavanje.

25

Zaključci: Kvaliteta stijenske mase predodređena je in situ uvjetima, koji su

daleko od kontroliranih, a zbog heterogenosti stijenske mase koja se zbog sustava diskontinuiteta u pravilu rijetko ponaša kao kvazikontinuum, iste je vrlo teško u cijelosti odrediti istražnim radovima.

Metodologija projektiranja i izvedbe podzemnih iskopa u stijenskoj masi zasnovana je na principima usvojenim iz iskustava pri izvedbi iskopa u stijenskoj masi.

Klasični pristup projektiranja zasniva se na usvajanju mogućih nepovoljnih uvjeta stijenske mase, što rezultira ekonomski nepovoljnim konstrukcijama, a koje ne omogućavaju potpunu kontrolu ponašanja.

26

Zaključci: Opservacijske metode zasnovane su na proračunima za prosječno

stanje stijenske mase, a na osnovi mjerenja omogućene su promjene projekta tijekom izvedbe.

Projektiranje po opservacijskoj metodi zahtijeva sudjelovanje projektanta u projektu od provođenjima istražnih radova do izvedbe.

Projektiranje po opservacijskoj metodi zahtijeva daleko složeniji projekt, koji mora predvidjeti sve moguće nepovoljne situacije i akcijski plan za svako nepovoljno odstupanje utvrđeno promatranjem.

Promatranje konstrukcije po opservacijskoj metodi zahtijeva sustavni pristup suradnje promatrača i projektanta,a promatranje zahtijeva pouzdanost ugrađenog sustava mjerenja i promatranja i iskustvo u korištenju opreme i provođenju radova promatranja, kao osnovu za efikasnost implementacije opservacijske metode.

27

28