Wprowadzenie.
Stateczność posadowienia obiektu budowlanego nie jest wartością stałą. Należy się liczyć z tym, że nawet po wielu latach spokojnej eksploatacji może dojść do zmian w podłożu budowlanym pod wpływem obciążenia obiektem budowlanym oraz czynników przyrodniczych. Grunt bowiem jako podłoże budowlane nie przestaje być ziemią, glebą, elementem ekosystemu. Wiadomo również, że obecność gruntów spoistych a zwłaszcza iłów w podłożu może być przyczyną zjawisk pęcznienia i skurczu. Przedstawiony poniżej przykład awarii budowlanej dowodzi również, że aby doszło do zmian objętościowych w wyniku zmian wilgotności wystarczy obecność gruntów spoistych, nawet tylko jako domieszek w gruntach podłoża.
Przebieg awarii.
Kościół i klasztor O.O. Dominikanów w Poznaniu wybudowano pod koniec lat 50-tych XX wieku (Fot.1). Jest to zespół obiektów (Rys.1) w skład którego wchodzą: klasztor, ogród przyklasztorny, kościół, plac przykościelny oraz kolumnada krużganków.
Rys.1 Plan sytuacyjny zespołu obiektów
|
Rys.2 Lokalizacja kościoła i klasztoru Ojców Dominikanów w Poznaniu na tle obecnej zabudowy i planu bastionów Twierdzy Poznań
|
Kolumnady krużganków zostały posadowione na fragmentach starych murów fortyfikacji pruskich z XIX wieku tzw. Twierdzy Poznań (Rys.2). Przed kościołem wybudowano plac przykościelny otoczony kolumnadą krużganków. Budynki wykonano w technologii tradycyjnej: mury z cegły na zaprawie cementowo-wapiennej, posadowione na ławach fundamentowych, kolumny żelbetowe. Po stronie północnej kolumnady urządzono ogród przyklasztorny, w którym posadzono drzewa i krzewy m.in. wzdłuż jej ściany zewnętrznej.
Kolumnada, która uległa awarii stanowi krużganek zamknięty od strony zewnętrznej ścianą murowaną z cegły a od strony placu rzędem kolumn równoległych do ściany (Fot.2). Ścianę oparto na ławie fundamentowej (podwalinie gruzobetonowej), kolumny na ceglanych stopach. Podłożem tych fundamentów są przede wszystkim grunty nasypowe zbudowane głównie z gruntów spoistych i organicznych wymieszanych z gruzem ceglanym. W części północno-wschodniej w podłożu pod gruntami nasypowymi występują grunty rodzime (Rys.6).
Fot.1 Widok na kościół O.O. Dominikanów od strony ul. Al. Niepodległości w Poznaniu
|
Fot. 2 Widok na północną część kolumnady krużganków od strony placu przykościelnego
|
Po ponad 40 –tu latach spokojnej eksploatacji obiektu zauważono niespodziewane osiadania i rozprzestrzeniające się spękania kolumnady krużganków. Pierwsze zarysowania na ścianach pojawiły się już na początku lat 90-tych. Mimo wielu opinii i ekspertyz dopiero w połowie 2007 roku zdecydowano się wyjaśnić ich prawdziwą przyczynę.
Na początku sądzono, że spękania kolumnady są skutkiem wzrastającego ruchu ulicznego na Alejach Niepodległości lub nieciągłości w fortyfikacjach pruskich występujących w podłożu, na których częściowo oparto kolumnadę. W drugiej połowie lat 90-tych przeprowadzano remont ulicy i nawet gdy była ona zamknięta dla ruchu pojazdów na ścianach kolumnady krużganków pojawiały się kolejne rysy i pęknięcia. Próbą wyjaśnienia tej niespodziewanej awarii były również metody paranormalne (radiestezja), które nie przyniosły oczekiwanych efektów. Postępującą degradację krużganków (pęknięcia, zarysowania, ubytki tynku na elewacjach) początkowo próbowano zakrywać zaprawą ułożoną na siatce, lecz to okazało się nieskuteczne. Awaria nasilała się. Różna była jej intensywność, większa w latach suchych, mniejsza – w mokrych. Z czasem zaobserwowano również postępującą degradację powierzchni terenu, nawierzchni wokół kolumnady i na placu przykościelnym oraz niesprawność urządzeń kanalizacyjnych i odwadniających w rejonie budynku.
Mechanizm awarii zostanie przedstawiony poniżej na przykładzie uszkodzeń występujących w części północnej kolumnady, w części południowej i zachodniej jest on podobny.
Warunki wystąpienia awarii.
W celu wyjaśnienia przyczyn awarii kolumnady krużganków przeprowadzono liczne badania geotechniczne i ekologiczne (Rys.3) tj. wiercenia i odkrywki fundamentowe od strony placu przykościelnego i ogrodu, ocenę dendrologiczną drzew rosnących w ogrodzie oraz badania laboratoryjne zmian wilgotności w podłożu.
Obecnie (2008 r.) na ścianach zewnętrznych widoczne są liczne zarysowania, spękania ukośne i zbliżone do pionowych, obejmujące obszar od powierzchni terenu aż po konstrukcję dachową. Rozwarcia pęknięć poszerzają się ku górze co świadczy o nierównomiernym osiadaniu podłoża. Spękania widoczne są na ścianie od strony placu przykościelnego i są analogiczne do spękań widocznych na ścianie od strony ogrodu (Rys.4 i 5).
Rys.4 Plan uszkodzeń części północnej kolumnady krużganków od strony placu przykościelnego
|
Rys.5 Plan uszkodzeń części północnej kolumnady krużganków od strony ogrodu przyklasztornego
|
Przeprowadzone badania podłoża gruntowego wykazały, że pozostałości po fortyfikacjach zostały zasypane gruntami nasypowymi. W nasypach oprócz części organicznych i gruzu ceglanego, stwierdzono znaczną ilość domieszek gruntów spoistych (tj. iły, gliny, piaski gliniaste), które z natury są podatne na zjawiska pęcznienia i skurczu. Pod nasypami zalegały grunty rodzime, które w części północno-wschodniej na głębokości ok. 4,2 – 4,8 m zostały nawiercone w postaci iłów serii poznańskiej. Natomiast w części zachodniej kolumnady krużganków w podłożu nasypów nie przewiercono do głębokości 6,5 m (Rys.6).
Badania podłoża (Rys.7) wykazały, że wilgotność gruntu nasypowego była wyraźnie mniejsza w strefie korzeniowej drzew. Strefa o obniżonej wilgotności sięgała również poniżej poziomu posadowienia co na pewno miało wpływ na nierównomierne osiadania wywołanie skurczem domieszek gruntów spoistych kolumnady krużganków. Badania skurczu iłów na próbce pobranej z nasypu świadczą o tym, że grunt nie osiągnął jeszcze swojej granicy skurczalności tj. wilgotności przy której ustaje jego objętościowe kurczenie (wn≠ws). Wilgotność naturalna rzędu 30% oraz granica skurczalności oznaczona w laboratorium równa ws=9,5% potwierdzają iż w podłożu może pogłębiać się skurcz części spoistych w nasypie a więc może postępować dalsze osiadanie prowadzące do pogłębiania się obecnych pęknięć oraz rozwoju kolejnych spękań.
W czasie wykonywania wykopów badawczych stwierdzono obecność gęstego systemu korzeniowego drzew, który wpłynął na przesuszenie podłoża pod kolumnadą krużganków. Korzenie grubsze i cienkie widać było także pod fundamentami kolumnady zarówno od strony ogrodu jak i placu przykościelnego (Fot.3 i 4).
Fot.3 Ekspansja korzeni drzew widoczna od strony placu przykościelnego
|
Fot. 4 Ekspansja korzeni drzew widoczna od strony ogrodu przyklasztornego
|
Dla określenia wielkości strefy korzeniowej, wykonano diagramy zasięgu wpływu drzew na substancję budowlaną i stabilność posadowienia, kierując się ogólnie przyjętą zasadą, że promienie wpływów odpowiadają 1,5-krotnej aktualnej wysokości drzewa. W miejscach nałożenia się stref wpływów dochodziło do największych pęknięć widocznych na ścianach kolumnady (zaznaczone białymi strzałkami na Rys.8).
Przyczyny awarii.
Uzyskane wyniki badań wskazują, że głównie na przesuszenie podłoża pod fundamentami kolumnady krużganków miały wpływ rosnące drzewa wzdłuż ściany zewnętrznej od strony ogrodu przykościelnego (w odległości od 0,8 do 3,5 m od murów), a w szczególności topola biała, wierzba biała zwisła oraz klon zwyczajny (Fot.5). Niestety należało się liczyć z dalszymi osiadaniami, ponieważ drzewa rosnące przy kolumnadzie nie osiągnęły jeszcze wymiarów maksymalnych, więc można się było spodziewać, że zasięg wpływów korzeni będzie się powiększał, a to może prowadzić do dalszego przesuszania podłoża gruntowego i osiadań.
W istniejących warunkach geotechnicznych i ekologicznych na terenie Klasztoru Ojców Dominikanów zachodzi niebezpieczeństwo dalszej ekspansywnej degradacji konstrukcji ścian spowodowanej małą stabilnością gruntów nasypowych występujących poniżej poziomu posadowienia kolumnady krużganków oraz intensywną ingerencją systemów korzeniowych pobliskich drzew.
Możliwe zabiegi ratunkowe.
W celu zatrzymania awarii spowodowanej skurczem gruntów spoistych w nasypach, zaproponowano przycięcie drzew w ogrodzie. Jeśli to okaże się niewystarczające ze względu na duży zasięg penetracji korzeni drzew proponuje się ich usunięcie wraz z korzeniami. Należy mieć na uwadze, że wycięcie drzew mogłoby spowodować penetrację wód do pozostawionych częściowo korzeni, w następstwie czego powstałby efekt pęcznienia podłoża. W obu przypadkach należy wykonać podchwycenie fundamentów krużganków za pomocą pali iniekcyjnych wprowadzając je do gruntów rodzimych poniżej strefy maksymalnego wpływu systemu korzeniowego.
Podsumowanie.
Uważa się powszechnie, że aby doszło do wystąpienia zjawisk ekspansywnych w podłożu musi wystąpić grunt rodzimy podatny na pęcznienie i skurcz. Mimo, że nie spodziewano się iż duża zawartość gruntów spoistych w obrębie nasypów może mieć wpływ na osiadanie budynku to przedstawiony wyżej przykład awarii pokazuje, że należy również liczyć się z osiadaniem podłoża budowlanego nawet jeśli grunty spoiste występują tylko jako składnik w nasypach lub jako domieszki w innych gruntach.
W miarę wzrostu korzeni będzie trwać ekspansja skurczu iłu i osiadanie kolumnady krużganków skurczem tym spowodowane. Grunty spoiste (tj. iły, gliny, piaski gliniaste) występujące w postaci domieszek w nasypach podlegają tu intensywnemu skurczowi, który spowodowany jest przesuszeniem podłoża przez drzewa rosnące w pobliżu budynku.
Artykuł opracowano na podstawie badań własnych zespołu autorskiego.
prof. dr hab. inż. Jan Jeż
dr inż. Paweł Borowczak
mgr inż. Adam Duda
mgr Michalina Flieger
Instytut Inżynierii Lądowej, Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej
Politechnika Poznańska
WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 3’2008
