Settlement of a historic building due to seepage-induced soil deformation

• Autorzy: Popielski Paweł , Bednarz Bartosz , Majewski Tomasz , Niedostatkiewicz Maciej

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.145253

Warianty tytułu

PL

Osiadanie zabytkowego budynku w wyniku deformacji filtracyjnych gruntu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The research paper reviews issues associated with the impact of groundwater flow on soil characteristics and parameters, hence, the entire structure of a building set on it. Water seepage through the ground, building subsoil or structural elements of buildings made of soil affects the soil skeleton and may lead to changes in the arrangement of individual grains relative to each other, i.e., a modified soil structure. Soil solid phase (soil skeleton) deformations resulting from seepage forces are called seepage-induced deformations. The article characterizes typical seepage-induced deformations and specifies a criterion defining the beginning of the phenomenon. The case study involved using data on cracks and deformations in a historic building, as well as water seepage in its subsoil. Seepage was analysed, and zones where the seepage process initiation criterion was exceeded, were determined based on subsoil water level monitoring data. The determined zones coincide with the location of building cracks and scratches and confirm the possible cause behind building damage.

PL

W artykule dokonano przeglądu zagadnień związanych z wpływem przepływu wód gruntowych na właściwości i parametry gruntu, a tym samym na całą konstrukcję posadowionego na nim budynku. Filtracja wody przez grunt, podłoże budowlane lub elementy konstrukcyjne budowli wykonanych z gruntu oddziałuje na szkielet gruntu i może prowadzić do zmian w układzie poszczególnych ziaren względem siebie, czyli do modyfikacji jego struktury. Odkształcenia szkieletu gruntowego wynikające z działania sił filtracji nazywane są deformacjami filtracyjnymi. W artykule scharakteryzowano typowe deformacje wywołane filtracją wody w gruncie oraz podano kryterium określające moment pojawiania się danego zjawiska. W studium przypadku wykorzystano dane dotyczące spękań i odkształceń w zabytkowym budynku oraz filtracji wody w jego podłożu. Na podstawie danych z monitoringu poziomu wody gruntowej przeanalizowano przepływ wód podziemnych i wyznaczono strefy, w których przekroczone zostało kryterium inicjacji procesu sufozji. Wyznaczone strefy pokrywają się z lokalizacją pęknięć i zarysowań budynku i potwierdzają możliwą przyczynę jego uszkodzenia.

Słowa kluczowe

EN

building subsoil; seepage; ground; building settlement; seepage-induced deformation; historic building

PL

podłoże budowlane; filtracja; grunt; osiadanie budynku; deformacja filtracyjna; budynek zabytkowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 2
• Strony: 65--82
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Popielski Paweł

• Warsaw University of Technology, Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, Department of Hydro Engineering and Hydraulics, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5425-5821

autor

Bednarz Bartosz

• Warsaw University of Technology, Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, Department of Hydro Engineering and Hydraulics, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3791-5234

autor

Majewski Tomasz

• Gdańsk University of Technology, Doctoral School of Implementation, Gdańsk, Poland
• Pracownia Projektowo-Inżynierska [Design and Engineering Studio] Tomasz Majewski, Sztum, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0444-8753

autor

Niedostatkiewicz Maciej

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Concrete Structures, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6451-6220

Bibliografia

• [1] S. Bonelli, Erosion of Geometarials. London: Hoboken, NJ: ISTE, Wiley, 2012.
• [2] L. Ke and A. Takahashi, “Experimental investigations on suffusion characteristics and its mechanical consequences on saturated cohesionless soil”, Soils and Foundations, vol. 24, no. 4, pp. 713-730, 2014, doi: 10.1016/j.sandf.2014.06.024.
• [3] T. C. Kenney and D. Lau, “Internal stability of granular filters”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 22, no. 2, pp. 215-225, 1985, doi: 10.1139/t85-029.
• [4] H. Adamowicz and P. Popielski, “Analysis of changes in groundwater and soil conditions in a highly urbanized area due to deep building foundations”, Technical Transactions, Environmental Engineering, vol. 2-Ś, pp. 3-20, 2015, doi: 10.4467/2353737XCT.15.222.4608.
• [5] K. Howard and R. Israfilov, Current problems of hydrogeology in urban areas, urban agglomerates and industrial centers. Kluwer Academic Publishers, 2002, doi: 10.1007/978-94-010-0409-1.
• [6] J. Marsalek, B. E. Jimenez-Cisneros, P. A. Malmquist, M. Karamouz, J. Goldenfum, and B. Chocat, Urban water cycle processes and interactions. Unesco/IHP, 2006. [Online]. Available: https://www.ipcc.ch/apps/njlite/ar5wg2/njlite_download2.php?id=8016. [Accessed: 26 Oct. 2022].
• [7] J. Ślusarek and M. Łupieżowiec, “Analysis of damage to structures as a result of soil suffusion”, Engineering Failure Analysis, vol. 120, art. no. 105058, 2021, doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.105058.
• [8] A. Halicka, “Ocena istniejących konstrukcji budowlanych według normy ISO 13822-2010 [Evaluation of existing construction structures as per standard ISO 13822-2010]”, presented at 5th Polish National Conference - Technical and legal problems of building maintenance, 11-12.04.2019, Warszawa.
• [9] E. Kucharska-Stasiak, “Metody pomiaru zużycia obiektów budowlanych [Methods for measuring the building wear]”, Materiały Budowlane, vol. 2, pp. 29-38, 1995 (in Polish).
• [10] W. Musiał and Z. Zwierzchowska, “Dokumentacja archiwalna jako podstawowe źródło informacji o obiekcie budowlanym [Archival documents as the basic source of information on a building]”, presented at 7th Scientific and Technical Conference - Repair Issues in General Construction, 1996, Wrocław-Szklarska Poręba, Poland, 1996.
• [11] M. Substyk, Utrzymanie i kontrola okresowa obiektów budowlanych. Warsaw: ODDK, 2012.
• [12] G. Bartnik and M. Bukowski, “Analiza przyczyny spękan Kościoła parafialnego Św. Rocha w Jazgarzewie [The reasons of cracking of St. Roch Parish Church in Jazgarzew]”, in Proceedings of the 23rd Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2007, Szczecin-Międzyzdroje. ZUT, 2007, pp. 207-212. [Online]. Available: http://www.awarie.zut.edu.pl/files/ab2007/artykuly/0005.pdf. [Accessed: 26 Oct. 2022].
• [13] T. Błaszczyński, H. Oleksiejuk, E. Firlei, and M. Błaszczyński, “Wielostopniowy monitoring i zabezpieczenie budynków pod ochroną konserwatorską przed awarią lub katastrofą [Multi-stage monitoring and protecting buildings under preservation maintenance against failure or disaster]”, in Proceedings of the 25th Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2011, Szczecin-Miedzyzdroje. ZUT, 2011, pp. 395-402.
• [14] Ł. Drobiec, “Przyczyny zniszczeń i sposób remontu murów Bazyliki Matki Boskiej Anielskiej w Dąbrowie Górniczej [Causes for destruction and repair method of the Our Lady of Angels Basilica in Dąbrowa Górnicza]”, Czasopismo Techniczne, vol. 106, pp. 25-36, 2009 (in Polish).
• [15] Z. Janowski, “Problemy konstrukcyjne związane z odbudową Biblioteki Tynieckiej “Wielkiej Ruiny” w Opactwie Tynieckim [Structural issues associated with the reconstruction of the “Great Ruin” Tyniec Library in the Tyniec Abbey]”, in Proceedings of the 24th Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2009, Szczecin-Międzyzdroje. ZUT, 2011, pp. 631-642.
• [16] Z. Janowski, Ł. Hojdys, and P. Krajewski, “Analiza oraz naprawa i rekonstrukcja sklepień w obiektach historycznych [Analysis, repair and reconstruction of vaults in historic buildings]”, in Proceedings of the 23rd Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2007, Szczecin-Międzyzdroje. ZUT, 2007, pp. 251-260.
• [17] A. Malczyk, “Uszkodzenia i sposoby napraw konstrukcji murowej wież zabytkowej bazyliki [Failures and repair methods for the masonry structure in the towers of a historic basilica]”, in Proceedings of the 25th Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2011, Szczecin-Miedzyzdroje. ZUT, 2011, pp. 477-484.
• [18] L. Małyszko, R. Orłowicz, and A. Wasilewski, “Zastosowanie pomiarów fotograficzno-geodezyjnych do oceny wytężenia mur [The application of photographic and geodetic measurements to evaluate wall effort]”, in Proceedings of the 7th Scientific and Technical Conference - Repair Issues in General Construction, Wrocław-Szklarska Poreba. 1996, pp. 105-114.
• [19] P. Matysek and M. Witkowski, “Badania wytrzymałości i odkształcalności XIX-wiecznych murów ceglanych [Strength and deformability testing of 19th century brick walls]”, in Proceedings of the 26th Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2013, Szczecin-Międzyzdroje. ZUT, 2007, pp. 183-190.
• [20] N. Stawiska and B. Stawiski, “Rewaloryzacja murów w obiektach zabytkowych [Restoration of walls in historic buildings]”, Wiadomości Konserwatorskie, vol. 11, pp. 18-22, 2005 (in Polish).
• [21] D. Wałach, J. Jaskowska-Lemańska, and P. Dybeł, “Analiza przyczyn powstania uszkodzeń kościoła pod wezwaniem Podwyższenia Krzyża Świętego w Podlegórzu [Cause analysis of the damage to the Church of the Holy Cross Exaltation in Podlegórz]”, in Proceedings of the 24th Scientific and Technical Conference - Construction Failures - 2009, Szczecin - Miedzyzdroje. ZUT, 2009, pp. 239-248.
• [22] E. Masłowski and D. Spiżewska, Wzmacnianie konstrukcji budowlanych [Reinforcing building structures]. Warsaw: Arkady, 2000 (in Polish).
• [23] A. Mitzel, W. Stachurski, and J. Suwalski, Awarie konstrukcji betonowych i murowych [Failures in concrete and masonry structures]. Warsaw: Arkady, 1982 (in Polish).
• [24] P.G. Kossakowski, “Relocation of a Historic Building at the Old Norblin Factory in Warsaw”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 1, pp. 39-55, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.136460.
• [25] M. Kamiński, Ed., Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych [Durability and effectiveness of building repairs]. Wrocław: Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, 2007 (in Polish).
• [26] S. Jurczakiewicz and S. Karczmarczyk, “Tension-Strut Systems in Conservation of Historical Buildings: Examples of Applications”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 3, pp. 659-674, 2020, doi: 10.24425/ace.2020.134419.
• [27] International Commission on Large Dams, International erosion of existing dams, levees and dikes, and their foundations. Bulletin 164. Vol. 1: Internal erosion processes and engineering assessment. CIGB ICOLD, 2015. [Online]. Available: http://www.ussdams.org/wp-content/uploads/2016/04/B164.pdf. [Accessed: 26 Oct. 2022].
• [28] R. Moffat, R.J. Fannin, and S.J. Garner, “Spatial and temporal progression of internal erosion in cohesionless soil”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 48, no. 3, pp. 399-412, 2011, doi: 10.1139/T10-071.
• [29] J. Riha, Z. Alhasan, L. Petrula, P. Popielski, A. Dąbska, J.-J. Fry, S.V. Solski, N.A. Perevoshchikova, and F. Landstorfer, “Harmonisation of Terminology and Definitions on Soil Deformation Due to Seepage. In Internal Erosion in Earth-dams”, in Internal Erosion in Earthdams, Dikes and Levees, S. Bonelli, C. Jommi, D. Sterpi, Eds. Springer, 2018, pp. 347-366, doi: 10.1007/978-3-319-99423-9_31.
• [30] A. Dąbska and P. Popielski, “Deformacje filtracyjne gruntów - klasyfikacja [Seepage deformation of soils - classification]”, Gospodarka Wodna, vol. 8, pp. 7-13, 2019 (in Polish).
• [31] K.S. Richards and K.R. Reddy, “Critical appraisal of piping phenomena in earth dams”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 66, no. 4, pp. 381-402, 2007, doi: 10.1007/s10064-007-0095-0.
• [32] K.F. Busch, L. Luckner, and K. Tiemer, Geohydraulik, 3rd ed. Berlin, Germany: Gebrüder Borntraeger, 1993.
• [33] L. Ke and A. Takahashi, “Experimental investigations on suffusion characteristics and its mechanical consequences on saturated cohesionless soil”, Soils and Foundations, vol. 54, no. 4, pp. 713-730, 2014, doi: 10.1016/j.sandf.2014.06.024.
• [34] L. Sibille, D. Marot, and Y. Sail, “A description of internal erosion by suffusion and induced settlements on cohesionless granular matter”, Acta Geotechnica, vol. 10, no. 6, pp. 735-748, 2015, doi: 10.1007/s11440-015-0388-6.
• [35] O. Semar, K.J. Witt, and R.J. Fannin, “Suffusion evaluation - comparison of current approaches”, in Proceedings of the Fifth International Conference on Scour and Erosion. American Society of Civil Engineering, 2010, pp. 251-261, doi: 10.1061/41147(392)24.
• [36] Regulation of the Minister of Environment of 20 April 2007 on the technical conditions to be fulfilled by offshore hydrotechnical buildings and their locations. Dz.U.2007 nr 86 poz. 579. [Online]. Available: https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id$=$WDU20070860579. [Accessed: 26 Oct. 2022].
• [37] W.G. Bligh, “Dams, barrages and weirs on porous foundations”, Engineering News Record, vol. 64, no. 26, pp. 708-710, 1910.
• [38] I. Jantzer and S. Knutsson, “Critical gradients for tailing dam design”, in Proceedings of the First International Seminar on the Reduction of Risk in the Management of Tailing and Mine Waste, 29.08-01.10.2010, Perth, Australia. E. Fourie, R. Jewell, Eds. Australian Centre for Geomechanics, 2010, pp. 23-32.
• [39] T. Majewski and M. Szczepkowski, “Program pomiarów poziomu wody gruntowej w piezometrach zamontowanych w sąsiedztwie budynku Bazyliki Św. Mikołaja w Gdańsku [Schedule of groundwater level measurements in piezometers installed in the vicinity of the St. Nicholas Basilica in Gdańsk]”, Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski, Gdynia, July 2019.
• [40] T. Majewski, M. Niedostatkiewicz, K. Wilde, M. Topolnicki, and P. Samól, “Opinia techniczna dotycząca oceny kierunku działań ratunkowych w Bazylice pw. Świetego Mikołaja zlokalizowanej w Gdańsku przy ulicy Świętojańskiej 72 w aspekcie zdarzenia losowego polegającego na uszkodzeniu sklepień południowej nawy bocznej [Technical evaluation of the direction of emergency activities in the St. Nicholas Basilica in Gdańsk, located at 72 Świętojańska Street, in respect of a random event involving damaged vaults of the southern aisle]”, Politechnika Gdańska, Gdańsk, September 2019.
• [41] T. Majewski, M. Niedostatkiewicz, P. Samól, and M. Szczepkowski, “Program monitorowania dotyczący montażu i okresowej kontroli stanu szczelinomierzy w zabytkowym budynku Bazyliki pw. Św. Mikołaja w Gdańsku [A monitoring schedule concerning the installation and periodic inspection of gap gauge condition in the historic building of the St. Nicholas Basilica in Gdańsk]”, Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski, Gdynia, November 2019.
• [42] T. Majewski, L. Szczerbiak, and K. Portasiak, “Program pomiarów geodezyjnych dotyczących przemieszczeń punktów pomiarowych zamontowanych na zabytkowych budynkach Klasztoru OO. Dominikanów w Gdańsku [A schedule of geodetic measurements concerning the displacement of measurement points installed on the historic buildings of the Dominican monastery buildings in Gdańsk]”, Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski, Gdynia, February 2020.
• [43] T. Majewski and M. Niedostatkiewicz, “Ekspertyza techniczna dotycząca uszkodzonych sklepień nawy południowej w budynku Bazyliki pw. Św. Mikołaja, zlokalizowanej w Gdańsku przy ul. Świętojańskiej 72 [Technical expert evaluation on damaged vaults of the southern aisle in the building of the St. Nicholas Basilica located in Gdańsk at 72 Świętojańska Street]”, Pracownia Projektowo-Inżynierska Tomasz Majewski, Gdynia, October 2020.
• [44] EN 1997-1 Eurocode 7: Geotechnical design - Part 1. General rules. Poland, 1997.