Przepusty i mosty ekologiczne, cz. 31. Wpływ odwodnienia na trwałość mostów ekologicznych – studium przypadku na przykładzie konstrukcji gruntowo-powłokowej

Choć mosty ekologiczne stanowią istotny krok w kierunku zrównoważonego rozwoju infrastruktury, wciąż borykają się one z „chorobami wieku dziecięcego”. To nowoczesne rozwiązania, które wymagają ciągłego doskonalenia zarówno pod względem technologii, jak i wyposażenia. Wczesne problemy związane ze sposobem odwodnienia mogą wpływać na stabilność i trwałość konstrukcji, co wzmaga konieczność wnikliwej analizy i optymalizacji stosowanych wcześniej metod.

Niniejszy artykuł analizuje te wyzwania, przedstawiając konkretny przypadek oraz proponując możliwe rozwiązania, które z pewnością przyczynią się do poprawy funkcjonowania i trwałości mostów ekologicznych o tego typu konstrukcji.

Wprowadzenie

W celu przedstawienia tytułowego problemu autorzy artykułu przeprowadzili szczegółową analizę mostu ekologicznego zlokalizowanego nad ciągiem jednej z autostrad w naszym kraju [3]. Analiza ta obejmowała nie tylko ogólną ocenę stanu technicznego tego obiektu, ale również niezbędne obliczenia nośności oraz analizę geometryczną kształtu powłoki przejścia po ponad 15-letnim okresie eksploatacji. Dzięki temu możliwe było zidentyfikowanie ewentualnych problemów użytkowych, m.in. związanych z odwodnieniem i ich wpływem na obiekt mostowy, co stanowi istotny krok w kierunku dalszego doskonalenia tych konstrukcji w aspekcie ich trwałości [4]. Nadrzędnym celem tych analiz było przeprowadzenie dokładnych prac inwentaryzacyjnych obiektu, dostarczających jak największej liczby danych w celu oceny stanu technicznego istniejących elementów konstrukcji obiektu i jego wyposażenia, skupiając się głównie na stwierdzonych imperfekcjach geometrycznych powłoki stalowej mostu ekologicznego.

W ramach tych prac wykonano również analizę statyczno-wytrzymałościową konstrukcji podpór oraz powłok stalowych wraz z ustaleniem parametrów materiałowych głównych elementów konstrukcyjnych: betonu podpór, powłoki stalowej oraz gruntu.

Obiekt, będący przedmiotem analiz opisanych w artykule, jest wiaduktem o konstrukcji gruntowo-powłokowej, pełniącym funkcję górnego przejścia dla zwierząt nad ciągiem komunikacyjnym. Konstrukcję nośną wiaduktu stanowią dwa przęsła wykonane ze stalowych blach falistych współpracujących z zasypką gruntową w przenoszeniu obciążeń. Przęsła zrealizowano jako stalowe, wielopłaszczyznowe łuki dla obu jezdni autostrady. Ogólny widok przedmiotowej konstrukcji przedstawiono na rycinach 1 i 2.

Poniżej przedstawiono parametry geometryczne obiektu, określone na podstawie dokumentacji archiwalnej [3] oraz wykonanych pomiarów inwentaryzacyjnych:

• liczba przęseł: 2,
• rodzaj ustroju nośnego: konstrukcja gruntowo-powłokowa,
• światło poziome obiektu: 2 x 18,90 m,
• szerokość całkowita obiektu w koronie nasypu: 43,00 m,
• długość całkowita obiektu (łącznie ze skarpami): ~89,50 m,
• długość obiektu w poprzek autostrady (w końcach fundamentów): 44,26 m,
• szerokość jezdni pod obiektem: 2 x 10,50 m.

Przekrój poprzeczny konstrukcji obiektu przedstawiono na rycinie 3.

W celu zmniejszenia obciążenia na fundament środkowy nad podporą środkową zastosowano rurę odciążającą o średnicy2400 mm z blach stalowych spiralnie karbowanych o grubości 2,5 mm. Należy podkreślić, że obiekt służy do celów ekologicznych. Z tego względu nawierzchnię stanowi warstwa gruntu urodzajnego o grubości 60,0 cm, umożliwiająca wegetację roślin, ułożona na warstwie gliny o grubości 15,0 cm. Nawierzchnia pokryta jest rozwiniętą roślinnością, m.in. w postaci niskich drzew i krzewów, co przedstawiono na rycinie 4.

Zasadniczą konstrukcję przęseł stanowią wielopłaszczyznowe łuki stalowe z blachy falistej o grubości 7,0 mm ze wzmocnieniami, zasypka inżynierska o grubości min. 35 cm oraz zasypka konstrukcyjna z zatopionym geokompozytem odprowadzającym wodę. Światło poziome przęseł wynosi 18,90 m.

Konstrukcje stalowe przęseł zabezpieczono antykorozyjnie przez ocynkowanie ogniowe oraz zastosowanie dodatkowej warstwy powłoki epoksydowej od wewnątrz i na zewnątrz (system duplex). Widok ogólny spodu konstrukcji przęseł wiaduktu przedstawiono na rycinach 5 i 6.

Zabezpieczenie skarp usytuowanych w kierunku prostopadłym do osi drogi pod obiektem zrobiono z materacy gabionowych o grubości 20,0 cm, położonych na warstwie geowłókniny. Na skarpach usytuowanych w kierunku równoległym do osi drogi wykonano tradycyjne zabezpieczenie przez obsianie trawą.

Ogólny stan techniczny obiektu ze szczególnym uwzględnieniem odwodnienia obiektu

W celu identyfikacji uszkodzeń konstrukcji ekomostu zostały przeprowadzone szczegółowe oględziny zasadniczych elementów obiektu. W wyniku przeglądu stwierdzono, że stan techniczny ekomostu jest ogólnie zadowalający pod względem jego dalszej eksploatacji, choć niektóre elementy wymagają analizy. Szczególną uwagę zwrócono na sposób i wydajność systemu odwodnienia konstrukcji.

Konstrukcje stalowe przęseł wraz z zasypką konstrukcyjną osłonięto geokompozytem składającym się z trzech warstw: geowłókniny, geomembrany oraz kolejnej warstwy geowłókniny. Osłona z geokompozytu została wykonana w warstwie zasypki inżynierskiej z zachowaniem grubości minimalnych warstw zapewniających stateczność konstrukcji powłokowej. Jej zadaniem z założenia miało być odprowadzanie wody poza ściany zewnętrzne (skarpy) przy zastosowaniu systemu drenów. Woda przesączająca się przez materace gabionowe, stanowiące umocnienie skarp (ryc. 7), zbierana jest na drugiej warstwie geokompozytu znajdującego się pod rurą odciążającą i następnie odprowadzana spustową rurą drenarską na powierzchnię skarpy.

Odwodnienie samej rury odciążającej znajdującej się w zasypce pomiędzy powłokami ze względu na skraplającą się we wnętrzu wodę zrealizowano przez zapewnienie spadku podłużnego rury wynoszącego 0,5%, zastosowanie drenu podłużnego z geowłókniny i wprowadzenie go w nasyp w niższym końcu rury.

Na podstawie przeprowadzonych wizji lokalnych autorzy stwierdzili, że system odwodnienia obiektu nie działa prawidłowo. Świadczyły o tym liczne przecieki występujące wzdłuż wszystkich podpór obiektu. Ogólny stan techniczny systemu odwodnienia należy uznać za niedostateczny.

Szczególnie intensywne przecieki, występujące na końcowych odcinkach podpór, spowodowane były przez niewłaściwe odprowadzenie wody przesączającej się przez materace gabionowe, stanowiące umocnienie skarp. Woda ta według założeń powinna być zbierana na drugiej warstwie geokompozytu znajdującego się pod rurą odciążającą i następnie odprowadzana rurą drenarską. W trakcie wizji lokalnych stwierdzono występowanie czynnego przesączania się wody w obrębie podpór obiektu (ryc. 8) przy jednoczesnym ograniczonym wycieku wody z zaprojektowanych elementów systemu odwodnienia.

Skutkiem tych nieszczelności są miejscowe uszkodzenia powłok antykorozyjnych konstrukcyjnych blach stalowych, co przedstawiono na rycinie 9.

W trakcie wizji lokalnych stwierdzono również, że wykonane w ramach bieżącego utrzymania obiektu prowizoryczne rowy nie zapewniają odpowiedniego odpływu wody spływającej wzdłuż podpory środkowej.

W trakcie przeglądu stwierdzono, że stan techniczny podpór obiektu jest ogólnie dostateczny, jednakże na powierzchni korpusów obu podpór skrajnych występują pionowe zarysowania o regularnym charakterze. Znaczna część z nich została poddana miejscowym naprawom. W większości przypadków nie stwierdzono występowania widocznych oznak dalszej propagacji spękań w miejscach przeprowadzenia napraw. Zdaniem autorów ekspertyzy uszkodzenia te nie świadczą o przeciążeniu konstrukcji podpór i mają charakter ustabilizowany.

Analiza geometrii konstrukcji powłoki stalowej

Największe wątpliwości podczas przeglądu konstrukcji ekomostu budziły stwierdzone odkształcenia powierzchni obu powłok stalowych wykonanych z blach falistych. W celu oszacowania skali odkształceń powłok oraz ustalenia ich przyczyn przeprowadzono analizę geometrii konstrukcji powłok, w trakcie której porównano stan istniejący konstrukcji ze stanem projektowanym.

Na rycinach 10 i 11 przedstawiono przykładowe widoki spodu konstrukcji powłok stalowych przęseł obiektu z niewielkimi odkształceniami w linii połączeń śrubowych arkuszy blach.

W celu dokładnego pomiaru aktualnej geometrii obu powłok stalowych obiektu i określenia imperfekcji geometrycznych zastosowano analizę kształtu powłoki w terenie na podstawie zdjęć fotogrametrycznych.

Do analiz wykorzystano fotogrametrię płaską (jednoobrazową), która pozwoliła na digitalizację powłoki w programie graficznym. Przeprowadzone pomiary cyfrowe bazowały na przestrzennej triangulacji obrazu, w szczególności na analizie położenia charakterystycznych punktów konstrukcji względem siebie.

Przeprowadzona analiza dotyczyła ustalenia wewnętrznej obwiedni powłoki w odległości 12,50 m od jej skrajnych zewnętrznych elementów. Dzięki temu pominięto wpływ skosów (usytuowanych na wlocie i wylocie z obiektu) na rzeczywisty kształt powłoki w strefie pełnej zasypki gruntowej.

Następnie przeanalizowano dostępne dane archiwalne konstrukcji w fazie projektowej oraz przeprowadzone pomiary powykonawcze, dostępne w przekazanej przez zamawiającego dokumentacji projektowej oraz dokumentacji odbiorowej. Na tej podstawie stworzony został quasi-rzeczywisty model 2D konstrukcji powłoki stalowej, który porównano z dostępnymi danymi archiwalnymi. Wyniki przeprowadzonej analizy zestawiono na rycinie 12.

Na podstawie analizy dostępnych danych ustalono, że powłoka stalowa na etapie pomiarów powykonawczych została zinwentaryzowana jedynie w trzech punktach wysokościowych na jej obwiedni. Bardziej dokładne pomiary dotyczyły inwentaryzacji wysokościowej konstrukcji gzymsów wykonanych z żelbetu. Jednakże punkty pomiarowe dotyczące konstrukcji gzymsu były w dokumentacji powykonawczej usytuowane w strefie skosów, które, jak już wspomniano, mają wpływ na rzeczywistą geometrię powłoki. Z tego względu do dalszych porównawczych analiz imperfekcji geometrycznych brano pod uwagę dane zawarte w dokumentacji projektowej jako wyjściowy kształt powłoki. Dane te porównywano z aktualnym kształtem powłok stalowych, które otrzymano z własnych pomiarów przeprowadzonych na potrzeby niniejszej ekspertyzy. W celu określenia ewentualnego wpływu stwierdzonych imperfekcji obu powłok na ograniczenie skrajni drogowej przeprowadzono analizę geometryczną skrajni w krytycznych punktach geometrycznych (narożach). Analiza ta wykazała, że zarówno pionowa, jak i pozioma skrajnia drogowa jest zachowana.

Wskazanie prac naprawczych w celu dalszej bezpiecznej eksploatacji obiektu

Celem koncepcji prac naprawczych było wskazanie technologii i zakresu prac niezbędnych do dalszej bezpiecznej eksploatacji przedmiotowego obiektu. Koncepcja opierała się na przeprowadzonej inwentaryzacji obiektu oraz wykonanej ocenie stanu technicznego głównych elementów konstrukcji nośnej na podstawie określonej aktualnej nośności użytkowej obiektu i przy użyciu najnowszych metod obliczeniowych [5–7]. Uwzględniała również określone warunki dalszej eksploatacji.

Koncepcja przebudowy obejmowała wskazanie technologii mającej na celu odtworzenie stanu istniejącego wraz z zabezpieczeniem obiektu przez negatywnym oddziaływaniem wód opadowych przez wykonanie kompleksowego uszczelnienia konstrukcji za pomocą dodatkowej geomebrany PEHD o wymaganej wytrzymałości.

Proponowana technologia z zastosowaniem warstwy geomembrany spełnia podwójną funkcję – chroni zasypkę gruntową przed oddziaływaniem wód opadowych w funkcji czasu, jak również wzmacnia konstrukcję przez redystrybucję sił wewnętrznych przekazywanych na powierzchnię powłok stalowych, co autor wykazał w licznych publikacjach, m.in. [8–10]. Dodatkowo koncepcja obejmowała wykonanie uszczelnienia materacy gabionowych stanowiących zabezpieczenie skarp bocznych na wlocie i wylocie konstrukcji przejścia. Nieszczelności te zostały wskazane jako jedna z głównych przyczyn imperfekcji geometrycznych powłok stalowych.

Uszczelnienie to polegało na wykonaniu specjalistycznej
geopiany, która – wstrzyknięta pod konstrukcję materacy gabionowych – wypełniała wolne przestrzenie, stanowiąc w ten sposób doszczelnienie zasypki gruntowej. Geopiana to materiał na bazie polimerów, który po wprowadzeniu do gruntu rozszerza się, a następnie tworzy trwałą, wodoodporną i stabilną strukturę. Dzięki swoim unikatowym właściwościom materiał ten umożliwia efektywne i trwałe uszczelnienie oraz stabilizację gruntu, co przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji bez konieczności jej robiórki.

Ogólną koncepcję doszczelnienia obiektu przedstawiono na rycinie 13.

Koncepcja obejmowała również wykonanie prac remontowych podpór żelbetowych – skrajnych i podpory środkowej. W tym celu zaproponowano wykonanie uzupełnienia ubytków w obrębie stwierdzonych rys materiałami niskoskurczowymi z grupy PCC oraz zabezpieczenie nieelastycznymi powłokami antykorozyjnymi, tak aby umożliwić monitoring rys, szczególnie pionowych.

W celu poprawy bezpieczeństwa ruchu i zapewnienia odpowiedniej trwałości obiektu proponowane rozwiązanie techniczne prac remontowych zakładało również wykonanie nowej, biologicznie czynnej nawierzchni na przejściu dla zwierząt, zgodnie z aktualnymi zaleceniami dotyczącymi migracji zwierząt, wymianę ogrodzeń i osłon przeciwolśnieniowych wraz z odpowiednimi zabezpieczeniami antykorozyjnymi.

Podsumowanie i wnioski

W niniejszym artykule omówiono kluczową rolę systemów odwodnienia w funkcjonowaniu gruntowo-powłokowych mostów ekologicznych oraz ich wpływ na geometrię powłoki. Przedstawiono praktyczny przykład obiektu, który ilustruje problemy związane z niespełniającym swojej funkcji systemem odwodnienia. Zastosowanie umocnień gabionowych o dużym pochyleniu (bez dodatkowego zabezpieczenia przed napływem wody opadowej z dużej powierzchni) prowadzi do nasączenia gruntu wodą opadową, a co za tym idzie – do zmiany parametrów fizycznych zasypki oraz istotnego zwiększenia obciążeń stałych oddziałujących na konstrukcję powłokową.

Biorąc pod uwagę opisane imperfekcje, można mieć wiele uwag do ogólnego stanu technicznego ocenianego obiektu pod względem konstrukcji nośnej oraz elementów jego wyposażenia. Należy podkreślić, że, jak wykazano, nośność podpór nie budzi zastrzeżeń, co dotyczy zarówno podpór skrajnych, jak i podpory pośredniej usytuowanej w pasie rozdziału. Nośność obiektu jako konstrukcji gruntowo-powłokowej była zachowana, ale bez jakichkolwiek zapasów eksploatacyjnych (poziom wytężenia łączników wynosił 93%), co wynika z nasączenia gruntu wodą opadową na skutek niesprawnego systemu odwodnienia, o czym już wcześniej wspomniano. Widoczne liczne intensywne przecieki wody, które stwierdzono podczas przeglądów obiektu, występują głównie w dolnych częściach konstrukcji. Przecieki te są szczególnie intensywne po opadach deszczu przy jednoczesnym braku sprawnego odprowadzenia wody z systemu odwodnienia.

Zdaniem autorów artykułu problem odwodnienia obiektów gruntowo-powłokowych ma bezpośredni wpływ na zachowanie projektowych parametrów nośności i użytkowania i należy go każdorazowo rozwiązać w sposób kompleksowy i w trybie pilnym, uwzględniając specyfikę tego typu konstrukcji [11–12]. Pozwala to na dalszą bezpieczną eksploatację obiektu. Przeprowadzone pomiary i analizy geometrii powłok oraz wykonane na ich podstawie obliczenia statyczne wykazały, że nośność obiektu jest zachowana. Wynika to z dużych zapasów nośności tego typu konstrukcji hybrydowych, co dowiodły wcześniejsze badania autorów [13–16].

Biorąc pod uwagę konieczność doszczelnienia zasypki analizowanego obiektu, a co za tym idzie – rozbiórkę części nawierzchni przejścia dla zwierząt, należy wprowadzić nowe, zaktualizowane rozwiązania z zakresu zagospodarowania elementów biologicznie czynnych, które podnoszą efektywność ekologiczną tego typu obiektów.

Trzeba podkreślić, że efektywne odwodnienie jest kluczowym elementem zapewniającym trwałość i stabilność mostów ekologicznych [17]. Zaniedbania w tej dziedzinie na etapie projektowania i wykonawstwa mogą prowadzić do poważnych konsekwencji, w tym deformacji geometrii powłoki i obniżenia nośności konstrukcji.

Przedstawione w artykule studium przypadku dobrze ilustruje ponadto, jak ważne jest regularne monitorowanie i konserwacja systemów odwodnienia w celu zapewnienia wymaganej trwałości i bezpieczeństwa użytkowanych mostów gruntowo-powłokowych.

Literatura

[1] Janusz L., Madaj A.: Obiekty inżynierskie z blach falistych. Projektowanie i wykonawstwo. WKiŁ. Warszawa 2007.
[2] Rymsza J., Bohatkiewicz J., Wysokowski A., Dębiński M., Howis J., Jukowski M., Turek W., Rymsza B.: Efektywność przejść dla zwierząt na drogach publicznych w Polsce. Studia i Materiały, z. 84. Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Warszawa 2019.
[3] Wysokowski A.: Trwałość mostów stalowych. Wydawnictwo PWN. Warszawa 2022.
[4] Wysokowski A., Howis J., Dołęga W.: Ocena stanu konstrukcji nośnych i podpór dwóch przejść dla zwierząt o konstrukcji gruntowo-powłokowej nad autostradą A4. Infrastruktura Komunikacyjna Sp. z o.o. Żmigród 2021.
[5] Wysokowski A., Howis J.: Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 7. Metody obliczeń konstrukcji przepustów. Cz. I. Ogólne zasady obliczeń. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2010, nr 2, s. 88–95.
[6] Wysokowski A., Howis J.: Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 9. Metody obliczeń konstrukcji przepustów. Cz. III. Nowe metody obliczeń. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2010, nr 5, s. 72–81.
[7] Wysokowski A., Howis J.: Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 15. Projektowanie przepustów według eurokodów. Cz. III. „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” 2013, nr 6, s. 20–25.
[8] Wysokowski A.: Efektywne metody wzmacniania przepustów infrastruktury kolejowej. „Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji Rzeczypospolitej Polskiej w Krakowie: Nowoczesne technologie i systemy zarządzania w transporcie szynowym” 2020, nr  2, s. 181–207.
[9] Wysokowski A.: Influence of single-layer geotextile reinforcement on load capacity of buried steel box structure based on laboratory full-scale tests. „Thin-Walled Structures” 2020, Vol. 159.
[10] Wysokowski A.: Trwałość i współczesne technologie wzmacniania przepustów i przejść dla zwierząt. Materiały XXIX Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Awarie Budowlane. Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Szczecin 2019, s. 541–544.
[11] Wysokowski A.: Durability of flexible steel corrugated shell structures – theory and practice. Materiały III Europejskiej Konferencji Konstrukcje Podatne z Blach Falistych w Budownictwie Drogowym i Mostowym, Rydzyna, 24–25 kwietnia 2017.
[12] Wysokowski A., Howis J.: Trwałość przepustów komunikacyjnych. „Materiały Budowlane” 2013, nr 5, s. 21–24.
[13] Jasiński W., Łęgosz A., Nowak A., Pryga-Szulc A., Wysokowski A.: Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych drogowych konstrukcji inżynierskich z tworzyw sztucznych.
IBDiM. Żmigród 2006.
[14] Rowińska W., Wysokowski A., Pryga A.: Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych konstrukcji inżynierskich z blach falistych. GDDKiA, IBDiM. Żmigród 2004.
[15] Wysokowski A.: Przepusty i przejścia dla zwierząt – niezbędny element nowoczesnej infrastruktury drogowej. „Magazyn Autostrady” 2020, nr 2, s. 20–25.
[16] Wysokowski A., Machelski C., Howis J.: Ekologiczne obiekty gruntowo-powłokowe w budownictwie komunikacyjnym. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne. Wrocław 2022.
[17] Madryas C., Kolonko A., Machajski J., Olearczyk D., Wysocki L.: Zalecenia projektowania, budowy i utrzymania odwodnienia tuneli samochodowych, przejść podziemnych i przepustów. GDDKiA. Warszawa 2009.