Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego kolumnami sztywnymi - ebook

PODSTAWOWE OZNACZENIA

Symbol

Jednostka

Opis

A

N

Część obciążenia działającego w komórce elementarnej przekazywana na podporę (głowicę kolumny lub czapkę) w wyniku mobilizacji przesklepienia w nasypie

A

m²

Pole powierzchni (indeksy: b – podstawy kolumny, g − głowicy kolumny lub czapki, p − kolumny, r – pręta, s − gruntu w komórce elementarnej, w poziomie głowicy kolumny lub czapki, t − pobocznicy kolumny, zb – zbrojenia)

AKE

m²

Pole powierzchni wpływu jednej kolumny (komórki elementarnej)

A%

%

Wskaźnik efektywności przesklepienia A% = A/(A + B + C)

a

m

Wielkość geometryczna w Eurokodach

aw

Wskaźnik zastąpienia powierzchni wzmocnienia w poziomie podparcia nasypu/warstwy transmisyjnej/płyty, aw = Ag /AKE

B

N

Część obciążenia działającego w komórce elementarnej przenoszona przez zbrojenie dolne w wyniku mobilizacji przesklepienia w nasypie (składowa B jest dalej przekazywana na kolumny)

B

m

Szerokość

b

m

Szerokość kolumny o przekroju kwadratowym

bg

m

Szerokość kwadratowej czapki; także zastępcza szerokość okrągłej czapki lub głowicy

C

N

Część obciążenia działającego w komórce elementarnej przenoszona przez podłoże w poziomie podpór w wyniku mobilizacji przesklepienia w nasypie

c

Pa

Spójność gruntu

cu

Pa

Wytrzymałość gruntu na ścinanie bez odpływu

d

m

Średnica (indeksy: g − głowicy kolumny lub czapki, p − kolumny,

r – pręta zbrojeniowego, 10, 50, 60 – miarodajna ziaren gruntu)

E

Efekt oddziaływania w Eurokodach

E

Pa

Moduł sprężystości (indeksy: c,eff – efektywny moduł sprężystości betonu z uwzględnieniem pełzania, cm – średnia wartość siecznego modułu sprężystości betonu, p – kolumny, 50 – moduł sieczny odpowiadający pięćdziesięcioprocentowej wytrzymałości na ściskanie, zb – zbrojenia)

Eoed

Pa

Edometryczny moduł ściśliwości gruntu

F

Oddziaływanie w Eurokodach

G

Oddziaływanie stałe w Eurokodach

f

m

Strzałka ugięcia

f

Pa

Wytrzymałość materiału w Eurokodach

g

Pa

Nacisk jednostkowy od obciążenia stałego

H

m

Wysokość efektywna nasypu mierzona od poziomu podparcia warstwy transmisyjnej do powierzchni nasypu, z uwzględnieniem grubości konstrukcji nawierzchni drogowej lub kolejowej

Hc

m

Wysokość krytyczna równa odległości od poziomu podparcia warstwy transmisyjnej do płaszczyzny wyrównanego osiadania w nasypie

Hmin

m

Minimalna wysokość nasypu

h

m

Wysokość, odległość mierzona w pionie

I

m⁴

Moment bezwładności przekroju

J

N/m

Sztywność zbrojenia dolnego na rozciąganie

Ka

Współczynnik parcia czynnego gruntu

Kp

Krytyczny stosunek naprężeń głównych (współczynnik odporu gruntu)

kp

N/m

Sztywność kolumny lub podpory

ksδ

Pa/m

Względna sztywność podłoża

ks

Pa/m

Sztywność podłoża

L

m

Długość

l

m

Rozstaw kolumn

ld

m

Rozstaw kolumn wzdłuż przekątnej,

M

Nm

Moment zginający

N

N

Siła normalna

n

Wskaźnik efektywności wzmocnienia podłoża (stosunek osiadania obiektu bez wzmocnienia do osiadania po wzmocnieniu)

p

Pa

Obciążenie użytkowe

Q

Oddziaływanie zmienne w Eurokodach

Q

N

Siła (indeksy: p − w kolumnie, pb − w podstawie kolumny, t − na pobocznicy kolumny)

Qpo

N

Siła na podporze (w głowicy kolumny lub w poziomie czapki)

QKE

N

Całkowite obciążenie w komórce elementarnej

q

Pa

Nacisk, obciążenie, opór

qb

Pa

Jednostkowy opór podstawy kolumny

qc

Pa

Jednostkowy opór gruntu pod stożkiem sondy wciskanej (indeksy b i t odpowiednio dla uśrednionych oporów stożka przy podstawie qcb oraz wzdłuż pobocznicy qct kolumny)

qso

Pa

Średni nacisk/opór gruntu w poziomie głowicy lub czapki kolumny

R

N, Pa

Nośność/opór w Eurokodach (Resistance)

R

m

Promień komórki elementarnej

Rint

Współczynnik skalujący tangens kąta tarcia wewnętrznego oraz adhezję w elemencie kontaktowym w stosunku do odpowiednich wartości parametrów gruntu

r

m

Promień lub odległość

s

m

Osiadanie (indeksy: s − gruntu, p – kolumny)

sso

m

Osiadanie gruntu w poziomie głowicy lub czapki kolumny

spo

m

Osiadanie kolumny w poziomie głowicy lub czapki

t

Pa

Jednostkowy opór pobocznicy kolumny

t

s

Czas

T

N/m

Wytrzymałość zbrojenia dolnego na rozciąganie

u

m

Przemieszczenie

w

m

Osiadanie niewzmocnionego podłoża

W

m³

Wskaźnik wytrzymałości przekroju

X

Właściwość (parametr) materiału w Eurokodach

z

m

Głębokość

Z

N

Siła rozciągająca w zbrojeniu dolnym (indeksy: M – rozciąganie powłokowe, E – od parcia gruntu)

Greckie

γ

Współczynnik częściowy wg Eurokodów

γ

N/m³

Ciężar objętościowy

δ

Kąt tarcia na styku pobocznicy kolumny lub konstrukcji, i gruntu

δ

m

Przemieszczenie względne (indeksy: b – podstawy kolumny, t – pobocznicy)

ν

Współczynnik Poissona

σ

Pa

Naprężenie normalne

τ

Pa

Naprężenie ścinające

ϕ

Kąt tarcia wewnętrznego gruntu (indeksy: ʹ – efektywny, cv – w stanie krytycznym, p – szczytowy, u – bez odpływu)

Indeksy

d

Wartość obliczeniowa

k

Wartość charakterystyczna

rep

Wartość reprezentatywna

s

Grunt

u

Wartość graniczna, wartość bez odpływu wody

Z

Parametr zastępczy

x, y, z

Współrzędne układu 0xyzPODSTAWOWE SKRÓTY

ASIRI Zalecenia francuskie dotyczące projektowania, wykonawstwa i kontroli wzmocnienia podłoża za pomocą kolumn sztywnych (2012)

BRN Liczba obrotów belki mieszającej na metr długości kolumny (Blade Rotation Number)

CC Klasa konsekwencji wg prEN 1990 (Consequence Class)

CD Badanie trójosiowe z odpływem (Consolidated Drained)

CFA Technika wiercenia świdrem ciągłym (Continuous Flight Auger)

CoV Współczynnik zmienności (Coefficient of Variation)

CPT Badanie sondą statyczną (Cone Penetration Test)

CU Badanie trójosiowe bez odpływu (Consolidated Undrained)

CUR Zalecenia holenderskie dotyczące projektowania zbrojenia dolnego nasypów podpartych na palach (CUR 226:2016)

D Warunki z odpływem (Drained)

DR Metoda wymiany dynamicznej (Dynamic Replacement)

DSM Metoda wgłębnego mieszania gruntu (Deep Soil Mixing)

EB Element belkowy zanurzony w kontinuum materialnym, stosowany w MES do modelowania kolumn sztywnych (implementacja PLAXIS 3D) (Embedded Beam)

EBGEO Zalecenia niemieckie dotyczące projektowania i analiz konstrukcji ziemnych zbrojonych geosyntetykami (2010)

EBR Element belkowy zanurzony w kontinuum materialnym, stosowany w MES do modelowania kolumn sztywnych w PSO (implementacja PLAXIS) (Embedded Beam Row)

EC Eurokod (Eurocode)

EFA Podejście obliczeniowe wg EC (Effects Factoring Approach)

EN Norma Europejska

GC Kategoria geotechniczna wg EC (Geotechnical Category)

GCC Klasa złożoności geotechnicznej wg EC (Geotechnical Complexity Class)

GDM Model geotechniczny wg EC (Geotechnical Design Model)

GDR Geotechniczna dokumentacja projektowa wg EC (Geotechnical Design Report)

GIR Dokumentacja badań podłoża gruntowego wg EC (Ground Investigation Report)

GM Model budowy podłoża wg EC (Ground Model)

GMM Metoda modelu gruntu wg EC (Ground Model Method)

HS Model konstytutywny gruntu (Hardening Soil)

KE Komórka elementarna (powierzchnia przypadająca na kolumnę sztywną)

LTM Metoda obliczeniowa dla układu KE (Load Transfer Method)

LTP Warstwa transmisyjna (Load Transfer Platform)

MC Mohr–Coulomb, model konstytutywny gruntu

MES Metoda Elementów Skończonych

MFA Podejście obliczeniowe wg EC (Material Factor Approach)

MPM Metoda pala modelowego wg EC (Model Pile Method)

OS Układ osiowo-symetryczny

PMT Badanie presjometyryczne (Pressuremeter Test)

PSO Płaski stan odkształcenia

RFA Podejście obliczeniowe wg EC (Resistance Factor Approach)

RI Kolumny sztywne (Rigid Inclusions)

SLS Stan graniczny użytkowalności (Serviceability Limit State)

SPT Sondowanie dynamiczne w otworze wiertniczym (Standard Penetration Test)

U Warunki bez odpływu (Undrained)

UDL Obciążenie równomiernie rozłożone (Uniformly Distributed Load)

ULS Stan graniczny nośności (Ultimate Limit State)

VC Sposób sprawdzenia wg prEN 1990 (Verification Case)PRZEDMOWA

Wzmacnianie podłoża gruntowego kolumnami sztywnymi typu RI (Rigid Inclusions) od wielu lat jest powszechnie stosowane na świecie. Używa się również kilku innych nazw firmowych, w tym m.in. kolumny CMC (Controlled Modulus Columns) oraz kolumny CSC (Controlled Stiffness Columns). Duża liczba wdrożeń w Polsce pozwala na stwierdzenie, że metoda kolumn sztywnych ma swoje trwałe miejsce także w krajowym wykonawstwie. W wielu przypadkach jej zastosowanie pozwala na szybkie i ekonomiczne posadowienie obiektów infrastrukturalnych oraz kubaturowych. Jednak korzyściom ze stosowania kolumn towarzyszą specyficzne wymagania dotyczące badań gruntu, zaawansowanego projektowania wzmocnień, doboru metod i materiałów oraz kontroli wykonawstwa. Niezrozumienie tych wymagań może niekiedy, szczególnie przy błędnym utożsamianiu sztywnych kolumn z palami, prowadzić do kosztownych lub nadmiernie ryzykownych projektów i realizacji.

W Polsce, mimo powszechnego stosowania kolumn, brakuje uznanych reguł postępowania. Wraz z coraz szerszym wprowadzaniem tej metody pojawiają się również rozwiązania błędne lub niewłaściwie realizowane. Biorąc pod uwagę doświadczenia zebrane przez dużą grupę współautorów reprezentujących jednostki naukowo-badawcze oraz praktyków, podjęto się opracowania monografii w celu kompleksowego ujęcia zasad projektowania, wykonawstwa i kontroli robót, co w konsekwencji ma doprowadzić do zwiększenia bezpieczeństwa i efektywności wykonywanych wzmocnień. Monografia, która spełnia rolę krajowych wytycznych, powstała z inicjatywy Instytutu Badawczego Dróg i Mostów oraz firm geotechnicznych Keller Polska i Menard, przy wsparciu Polskiego Zrzeszenia Wykonawców Fundamentów Specjalnych. Inspiracją była francuska praca badawcza i wytyczne Amélorations de Sols par Inclusion Rigides (ASIRI, 2012).

Od 2010 roku podstawą projektowania budowlanego są Eurokody. W normie PN-EN 1997-1:2008 o wzmacnianiu podłoża jest niestety tylko wzmianka. Opracowany w latach 2020–2021 projekt nowego Eurokodu 7 „Projektowanie geotechniczne” zawiera, w części trzeciej „Konstrukcje geotechniczne”, rozdział 11 „Wzmacnianie podłoża gruntowego” oraz uzupełniający go informacyjny załącznik G. Troską autorów monografii było, aby jej treść była spójna z zapisami projektów Eurokodów prEN 1997 oraz prEN 1990, które przeszły pierwszy etap międzynarodowych konsultacji i obecnie są poprawiane oraz sprawdzane. Uznano, że zachowanie zgodności z projektami Eurokodów jest ważne, ponieważ wprowadzają one istotne zmiany w projektowaniu geotechnicznym oraz określają, po raz pierwszy, zasady wykonywania obliczeń numerycznych. Odwołanie do projektów norm jest ryzykowne ze względu na prawdopodobne dalsze zmiany, ale pozwala zachować aktualność wytycznych po ogłoszeniu nowych norm, przynajmniej w zasadniczych sprawach. Założono, że ewentualne poprawki w projektach Eurokodów, które nie zostały uwzględnione w monografii przed jej oddaniem do druku, zostaną zauważone przez projektantów i będą przedmiotem aktualizacji opracowania. Należy wyjaśnić, że Czytelnicy nie muszą sięgać do wymienionych projektów Eurokodów, które są trudno dostępne. Wykorzystane propozycje normowe opisano w monografii w sposób wyczerpujący.

Niniejsze wytyczne są przeznaczone dla jednostek projektujących, wykonujących i nadzorujących budowle, specjalistycznych wykonawców robót wzmacniania podłoża gruntowego, a także dla administracji drogowej i kolejowej oraz innych inwestorów. Zakres monografii umożliwia poznanie podstaw teoretycznych i schematów pracy wzmocnienia podłoża przy zastosowaniu kolumn sztywnych, a także zasad oraz dobrej praktyki projektowania i wykonywania robót. Informacje zawarte w wytycznych mogą być wykorzystywane na różnych etapach procesu budowlanego: począwszy od prac koncepcyjnych i przygotowania planu rozpoznania podłoża gruntowego, kończąc na opracowaniu projektów wykonawczych i technologicznych oraz realizacji i kontroli jakości robót geotechnicznych. Aby ułatwić korzystanie z wytycznych szerokiemu gronu odbiorców, szczegółowe materiały pomocnicze wykorzystywane bezpośrednio przez projektantów wzmocnienia podłoża zamieszczono w załączniku.

Z literatury (Topolnicki, 2013) znane są klasyfikacje metod wzmacniania podłoża w zależności od ryzyka stosowania (A, B i C) ze względu na różnicę sztywności między elementami wzmacniającymi a wzmacnianym gruntem, rodzaj potencjalnych mechanizmów zniszczenia i ryzyko techniczne. Kolumny sztywne, w zależności od ich średnicy i materiału, są zaliczane do kategorii średniego (B) lub wysokiego ryzyka (C). Zwiększone ryzyko w przypadku kolumn sztywnych ma związek ze złożonym mechanizmem ich pracy, interakcji z gruntem oraz większym niż w przypadku innych systemów wpływie jakości robót pozaspecjalistycznych (np. roboty ziemne) na bezawaryjną pracę systemu. Dlatego prawidłowe ich stosowanie wymaga większej uwagi oraz doświadczenia w projektowaniu i wykonawstwie. Mając na względzie charakter ryzyka związanego z projektowaniem i wykonaniem oraz znane autorom przypadki niewłaściwych i błędnych aplikacji wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi, w wytycznych położono szczególny nacisk na opisanie poprawnych praktyk oraz najczęściej popełnianych błędów wykonawczych.

W rozdziale 1 przedstawiono istotę metody, rodzaje kolumn, zakres stosowania i podstawowe rozwiązania konstrukcyjne wzmocnienia.

Zagadnienia badań i oceny podłoża potrzebnych do projektowania wzmocnienia opisano w rozdziale 2. Podano w nim zalecenia odnośnie do zakresu i rodzajów badań oraz potrzebnych parametrów geotechnicznych.

W rozdziale 3 opisano zasady projektowania wzmocnienia podłoża oparte na projektach nowych Eurokodów prEN 1990:09.2020 i prEN 1997:11.2021 (uwzględniając zmiany wprowadzone do sierpnia 2022 r. przez międzynarodową grupę roboczą, w skład której wchodzą także osoby z grona autorów wytycznych). Podano zalecenia w zakresie sprawdzania stanów granicznych nośności z wykorzystaniem współczynników częściowych i podejść obliczeniowych RFA, MFA i EFA oraz stanów granicznych użytkowalności, w tym także w odniesieniu do obliczeń wykonywanych z wykorzystaniem metod numerycznych. Przedstawiono ogólne zasady projektowania kolumn, warstwy transmisyjnej, zbrojenia dolnego, stref przejściowych oraz platform roboczych.

Rozdział 4 zawiera informacje na temat wykonawstwa robót, w tym: przygotowania platformy roboczej, sposobów wykonywania kolumn przemieszczeniowych, wierconych, prefabrykowanych, DSM i iniekcyjnych, przygotowania głowic/czapek, układania warstwy transmisyjnej oraz zbrojenia dolnego. Wskazano ograniczenia i zagrożenia realizacyjne.

W rozdziale 5 zestawiono wymagania dotyczące badań i kontroli robót: platformy roboczej, sprzętu, materiałów kolumn i zbrojenia, procesu formowania kolumn w podłożu, wykonanych kolumn, próbnych obciążeń, warstwy transmisyjnej i zbrojenia dolnego, a także monitorowania.

W załączniku przedstawiono szczegółowo metody i procedury obliczeniowe wykorzystywane do projektowania wzmocnionego podłoża oraz do wymiarowania elementów wzmacniających. Wszystkie odwołania do załącznika w treści monografii, w tym do wzorów, rysunków i tablic, poprzedzono literą Z.

Opracowanie uzupełniają dwa przykłady obliczeń ilustrujące zalecany sposób projektowania. Przykład A obejmuje nasyp drogowy posadowiony na słabym podłożu wzmocnionym kolumnami betonowymi z czapkami oraz geosyntetycznym zbrojeniem dolnym, a przykład B – wzmocnienie miękkoplastycznych i plastycznych gruntów spoistych pod posadzką hali przemysłowej za pomocą kolumn DSM.

Zamieszczono również wykaz związanych przepisów i piśmiennictwa źródłowego, uzupełniającego informacje podane w wytycznych.

Wytyczne zawierają zbiór zasad i procedur stanowiących niezbędne minimum przy projektowaniu i wykonaniu wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi. Należy pamiętać, że sytuacje geotechniczne cechuje duża różnorodność zależna głównie od warunków gruntowych, a projektowane i wdrażane rozwiązania są zazwyczaj unikatowe. Stosowanie niniejszych wytycznych nie zwalnia projektantów i wykonawców z odpowiedzialności zawodowej.1
OGÓLNE ZASADY WZMACNIANIA PODŁOŻA KOLUMNAMI SZTYWNYMI

1.1. Metoda wzmacniania

Metoda wzmacniania podłoża gruntowego kolumnami typu RI, którymi najczęściej są regularnie rozmieszczone kolumny o smukłości zwykle większej niż 10/1, polega na wprowadzeniu w ośrodek gruntowy sztywnych elementów konstrukcyjnych, których zadaniem jest odciążenie bardziej ściśliwego gruntu. Udział pola przekroju kolumn sztywnych w powierzchni wzmacnianej, tzw. wskaźnik zastąpienia, wynosi zwykle od 2 do 10%, zależnie od rodzaju obiektu, kolumn i parametrów podłoża. Jednocześnie dąży się do wykorzystania nośności gruntu między kolumnami, co pozwala uzyskać oszczędności materiałowe, a posadawiany obiekt ma bardziej elastyczne oparcie. Zwiększenie udziału gruntu w przenoszeniu obciążenia osiąga się dzięki racjonalnemu dopuszczeniu większego osiadania obiektu. W odróżnieniu od klasycznego posadowienia na palach, słabego gruntu nie utożsamia się tu ogólnie z materiałem nienośnym, ale z ośrodkiem, którego sztywność oraz wytrzymałość są istotnymi parametrami systemu wzmocnienia podłoża.

Projekt normy prEN 1997-3 zawiera rozdział 11 „Wzmacnianie gruntu”, w którym wprowadzono nową klasyfikację technik wzmacniana. Klasyfikacja obejmuje grupę A – rozproszone (masowe, objętościowe), z podgrupami AI – bez wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie i AII – grunt wzmocniony z wytrzymałością na jednoosiowe ściskanie, oraz grupę B – dyskretne (rozproszone), z podgrupami BI – elementy (kolumny) niesztywne oraz BII – elementy (kolumny) sztywne, które są przedmiotem niniejszej monografii. Wskazano, że termin „inkluzje sztywne” oznacza różne kolumny i materiały. W praktyce kolumny najczęściej są wykonane z betonu, zaprawy, iniektu lub kompozytu gruntu ze spoiwem, ale także z drewna i stali. Stosunek sztywności kolumn do otaczającego gruntu może wynosić ok. 40 do 4000 i więcej, ale sztywność materiału kolumny przestaje wpływać na stopień wzmocnienia gruntu, jeżeli wartość wskaźnika jest większa niż ok. 500 (Topolnicki, 2013).

System kolumn sztywnych przedstawiono na rysunku 1.1 obok tradycyjnych sposobów fundamentowania, tj. bezpośredniego, palowego i palowo-płytowego. Pale w klasycznym fundamencie głębokim mają za zadanie przenieść całe obciążenie od budowli bez udziału gruntu pod zwieńczeniem. W fundamentach palowo-płytowych, stosowanych coraz częściej również w Polsce, część obciążeń z założenia jest przenoszona przez grunt pod płytą fundamentową zwieńczającą pale. W systemie kolumn sztywnych udział gruntu pod fundamentem oraz między kolumnami w przenoszeniu obciążenia od budowli jest jeszcze większy niż w przypadku fundamentów palowo-płytowych i wynika z zastosowania warstwy transmisyjnej między fundamentem a głowicami kolumn, co wpływa na zmianę zasad projektowania. W typowych warunkach wskaźnik efektywności wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi z warstwą transmisyjną n, zdefiniowany jako stosunek osiadania obiektu bez wzmocnienia do osiadania po wzmocnieniu, wynosi od ok. 2 do 8.

Rys. 1.1. System kolumn sztywnych w porównaniu do innych sposobów fundamentowania (rysunek wzorowany na ASIRI, 2012)

Możliwe jest również zastosowanie rozwiązania płytowo-kolumnowego, w którym kolumny podpierają bezpośrednio płytę fundamentową, bez połączenia konstrukcyjnego. Rozwiązanie bez warstwy transmisyjnej wykorzystuje się dla fundamentów płytowych, które mają zapewnić bardzo małe osiadanie obiektu.

Praca kolumn i pali w gruncie jest podobna, jednak kolumny od pali odróżnia:

• większa podatność w gruncie (mniejsza sztywność osiowa), która stymuluje mobilizację oporu gruntu między kolumnami;

• mniejsza nośność ze względu na płytsze zagłębienie w gruncie nośnym;

• brak konstrukcyjnego połączenia z fundamentem;

• mniejsze wytężenie trzonu na ściskanie ze względu na udział gruntu w przenoszeniu obciążenia, co umożliwia wykonywanie kolumn także z materiałów o mniejszej wytrzymałości, np. z zaprawy, iniektu lub cementogruntu (kolumny mogą przenosić ograniczone zginanie, ale wówczas zwykle wymagają zbrojenia).

W ogólnym przypadku system wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi z warstwą transmisyjną i/lub nasypem obejmuje (rys. 1.2):

Rys. 1.2. Elementy systemu wzmocnienia podłoża za pomocą kolumn sztywnych: rozwiązanie z nasypem (a) i płytą fundamentową (b)

• nasyp, zwieńczony konstrukcją nawierzchni drogowej, kolejowej lub parkingu, albo fundament, np. stopa, ława, płyta fundamentowa lub posadzkowa;

• warstwę transmisyjną (LTP, Load Transfer Platform), która może być częścią nasypu;

• kolumny sztywne;

• grunt słaby lub o dużej ściśliwości;

• grunt nośny;

• opcjonalne zbrojenie warstwy transmisyjnej, tzw. zbrojenie dolne, wykonywane z geosiatek, geotkanin albo siatek z prętów stalowych lub kompozytowych;

• opcjonalne płyty nad głowicami kolumn, tzw. czapki, lub poszerzone głowice stosowane w celu poprawienia efektywności przesklepienia, zmniejszenia wytężenia zbrojenia dolnego oraz wyeliminowania zjawiska przebicia kolumn przy zbyt dużym rozstawie.

Warstwa transmisyjna powinna mieć odpowiednią grubość, zwykle od 0,3 do 1 m. Najczęściej jest wykonywana z dobrze zagęszczonego kruszywa lub odpowiednio dobranego gruntu niespoistego. Umieszczenie zbrojenia dolnego w jednej lub w kilku warstwach umożliwia zwiększenie rozstawu kolumn i wyrównuje różnicę osiadania gruntu ponad i między kolumnami. Warstwę transmisyjną można wykonywać także z gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym, ale w takim przypadku powinna być wystarczająco elastyczna, aby zapobiec spękaniom; skrajnym przypadkiem jest schemat płyty nad kolumnami, który jednocześnie wyłącza schemat oddziaływania właściwy dla systemu kolumn sztywnych. Dobrze dobrana warstwa transmisyjna/nasyp pełni wiele ważnych funkcji, a mianowicie:

• umożliwia wystąpienie przesklepienia między kolumnami/czapkami oraz tarcia negatywnego na pobocznicy kolumn, powodując odciążenie gruntu słabego;

• pozwala na zredukowanie naprężenia kontaktowego i oddziaływania kolumn na fundamenty, płyty i posadzki oraz konstrukcje nawierzchni drogowych i kolejowych;

• przy odpowiedniej miąższości, dostosowanej do rozstawu kolumn, pozwala na projektowanie fundamentów jak posadowionych bezpośrednio;

• zmniejsza oddziaływanie sił poziomych oraz obciążenia mimośrodowego na kolumny.

Metoda wzmacniania podłoża kolumnami sztywnymi cechuje się szerokim spektrum rozwiązań szczegółowych, które można wykorzystać przy poszukiwaniu optymalnego pod względem technicznym i ekonomicznym sposobu posadowienia obiektu budowlanego dostosowanego do wymagań funkcjonalnych.

1.2. Mechanizm i podstawowe schematy wzmocnienia podłoża

Rozdział obciążenia na kolumny i grunt zależy głównie od geometrii układu podparcia (rozstaw kolumn, powierzchnia głowicy lub czapki), parametrów warstwy transmisyjnej/nasypu (grubości/wysokości i kąta tarcia wewnętrznego materiału), wytrzymałości i sztywności zbrojenia dolnego, jeżeli występuje, sztywności warstwy ściśliwej oraz od sztywności fundamentu/płyty, jeżeli występuje.

Stopniowe przekazywanie obciążenia poprzez warstwę transmisyjną/nasyp na sztywniejsze kolumny wywołuje koncentrację naprężenia oraz penetrację głowicy i podstawy kolumny przy udziale odkształceń plastycznych w warstwie transmisyjnej/nasypie i w gruncie. Zjawisko takie jest nieodzownym elementem mechanizmu działania wzmocnienia. Tarcie ujemne na pobocznicy obciąża dodatkowo kolumny, ale odciąża warstwę ściśliwą i tym samym zmniejsza jej osiadanie. W ogólnym bilansie działanie tarcia ujemnego jest korzystne. Tarcie ujemne działa do tzw. głębokości neutralnej, na której osiadania gruntu i kolumn się wyrównują. Poniżej tej głębokości tarcie ujemne przechodzi w tarcie dodatnie. Na poziomie neutralnym siły osiowe w kolumnach osiągają wartości maksymalne (rys. 1.3).

Całkowite osiadanie fundamentu posadowionego na podłożu wzmocnionym kolumnami sztywnymi jest sumą następujących składowych:

• penetracji kolumn w warstwę transmisyjną/nasyp,

• penetracji kolumn w podłoże nośne,

• osiadania warstwy transmisyjnej/nasypu,

• skrócenia trzonu kolumn,

• osiadania (niewzmocnionego) podłoża poniżej kolumn.

Rys. 1.3. Schematy działania wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi w przypadku wysokiego nasypu (a) i sztywnego fundamentu (b)

Rozwiązania ze zbrojeniem dolnym najczęściej stosuje się, gdy warstwa ściśliwa jest zbudowana z gruntu organicznego (torf, namuł, gytia) lub z gruntu mineralnego o bardzo niskich parametrach mechanicznych, zalegającego blisko powierzchni terenu. Zbrojenie jest korzystne także przy wzmacnianiu podłoża pod niskimi nasypami lub placami składowymi o wiotkiej konstrukcji nawierzchni. Dodatkowo, zbrojenie dolne może być wykorzystywane wspomagająco przy konieczności przeniesienia przez wzmocnione podłoże dużych obciążeń lub w celu ograniczenia osiadania konstrukcji, a także w celu poprawy stateczności budowli ziemnej oraz ograniczenia zginania kolumn.

Projektując długoterminową wytrzymałość zbrojenia dolnego, należy uwzględnić wpływ pełzania w czasie, destrukcyjny wpływ środowiska gruntowego na trwałość materiału zbrojenia, siły przenoszone na połączeniu sąsiednich pasm materiału zbrojącego, uszkodzenia w czasie wbudowania oraz tarcie między gruntem/zasypką a zbrojeniem. Ze względu na dużą odkształcalność geosyntetyków ekonomicznym rozwiązaniem jest nieraz stosowanie kolumn o poszerzonych głowicach lub czapek. Zbrojenie z siatek stalowych, ze względu na dużą sztywność na rozciąganie, ogranicza przemieszczenia poziome podłoża gruntowego i kolumn. Okazuje się to korzystne przy posadowieniu wysokich nasypów.

Rozwiązania bez zbrojenia dolnego stosuje się najczęściej pod posadzkami żelbetowymi lub pod fundamentami płytowymi budynków, zbiorników lub innych konstrukcji inżynierskich. Również wtedy, gdy wysokość nasypu w stosunku do przyjętej geometrii podparcia zapewnia wytworzenie naturalnego przesklepienia ponad głowicami kolumn oraz w przypadkach, w których warstwę ściśliwą stanowią grunty mineralne (nieskonsolidowane, nawodnione grunty spoiste, luźne piaski drobne i pylaste) lub grunty organiczne zalegające na większych głębokościach. Rozwiązania takiego nie należy stosować pod niskimi nasypami oraz pod placami składowymi i parkingami o wiotkiej konstrukcji nawierzchni, gdy mała grubość warstwy transmisyjnej nie eliminuje zjawiska przebicia nad głowicami kolumn i nierównomiernego osiadania nawierzchni.

W wariancie płytowo-kolumnowym (także w płytowo-palowym), na poziomie spodu płyty fundamentowej osiadania kolumn i gruntu są jednakowe (rys. 1.4). Wraz ze zwiększaniem głębokości osiadanie kolumn jest większe niż osiadanie gruntu, dzięki czemu nie ma zjawiska tarcia negatywnego. Rozwiązanie z płytą żelbetową opartą na głowicach kolumn stosuje się w sytuacjach restrykcyjnych wymagań dotyczących osiadania konstrukcji. Kolumny stykają się z płytą, ale nie są z nią konstrukcyjnie połączone w celu uniknięcia wzajemnego przekazywania momentów zginających. Rozwiązanie to może być stosowane niezależnie od rodzaju i stanu gruntu ściśliwego. W przypadku gruntu organicznego lub mineralnego o bardzo małej wytrzymałości rozwiązanie niewiele różni się od klasycznego posadowienia na palach i powinno być projektowane wg zasad zbliżonych do dotyczących fundamentów palowych. W korzystniejszych warunkach gruntowych rozwiązanie jest podobne jak w przypadku fundamentu płytowo-palowego, w którym obciążenia przejmowane są częściowo przez kolumny i częściowo przez grunt między nimi.

Rys. 1.4. Schemat działania wzmocnienia podłoża kolumnami sztywnymi w przypadku płyty opartej bezpośrednio na kolumnach

Omówione rozwiązania wzmocnienia z zastosowaniem kolumn sztywnych charakteryzują się różnymi wartościami wskaźnika efektywności przekazania obciążenia na kolumny oraz wskaźnika efektywności wzmocnienia. W rozwiązaniu z zastosowaniem warstwy transmisyjnej/nasypu na głowice kolumn przypada zazwyczaj ok. 60–80% działającego obciążenia. W rozwiązaniu kolumn bezpośrednio podpierających płytę kolumny przejmują ok. 80–100% obciążeń, jednocześnie najbardziej redukując osiadania (n powyżej 6).

1.3. Podłoża wymagające wzmocnienia

Nie ma jednego kryterium określającego podłoże gruntowe jako wymagające wzmocnienia. Potrzeba wzmocnienia zależy od cech danego podłoża oraz rodzaju budowli i uwarunkowań eksploatacyjnych. Jako wymagające wzmocnienia klasyfikuje się warstwy gruntu niespełniające kryteriów wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatności do użytkowania w odniesieniu do konkretnego obiektu lub elementu konstrukcji. W przypadku podłoża budowli ziemnych do wymagających wzmocnienia należą grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej wytrzymałości oraz o niestabilnej strukturze.

Metody badania słabego podłoża na potrzeby poszczególnych sposobów jego wzmacniania opisano w rozdziale 2.

1.4. Cele wzmacniania podłoża gruntowego

Cele wzmacniania podłoża wg Gajewskiej i Kłosińskiego (2012) zależą od rodzaju zadania budowlanego i występujących warunków gruntowych. Należą do nich:

• zwiększenie nośności i zmniejszanie osiadania budowli,

• zapobieganie utracie stateczności (poślizgom lub osuwiskom),

• zabezpieczenie skarp wykopów i ochrona pobliskich konstrukcji,

• zapobieganie upłynnianiu podłoża i stabilizacja struktury gruntu.

Podłoże budowli musi zapewniać wymagany poziom bezpieczeństwa w odniesieniu do nośności i stateczności. Nie powinno też ulegać nadmiernym odkształceniom przez cały okres użytkowania budowli. Ogólnym zadaniem wzmocnienia podłoża jest dostosowanie jego parametrów do wymagań stawianych konstrukcji posadowionej na nim budowli. Wymagania dotyczące całokształtu projektowania geotechnicznego i badań podłoża ujmują normy PN-EN 1997-1:2008, uściślone w Załączniku Krajowym PL, i PN-EN 1997-2:2009 oraz ich nowe opracowywane wersje (prEN 1997:202x). Wymagania dotyczące drogowych budowli ziemnych zawiera norma PN-S-02205:1998, a w odniesieniu do nasypów i podtorzy kolejowych – m.in. Warunki Techniczne Id-3, 2009.

Kolejną zaletą zastępowania fundamentów głębokich lub masowej wymiany gruntu przez wzmocnienie istniejącego podłoża są korzyści ekologiczne. Wykazano (O’Riordan i in., 2011, Topolnicki, 2018b), że wzmacnianie podłoża zwykle zmniejsza wskaźnik emisji CO₂ w stosunku do użycia pali lub innych tradycyjnych rozwiązań. Czynnik ten jest w wielu krajach coraz częściej analizowany na równi z innymi kryteriami przy wyborze projektowanych rozwiązań konstrukcji geotechnicznych.

1.5. Zakres stosowania kolumn sztywnych

Wzmocnienie kolumnami sztywnymi jest szczególnie przydatne w posadawianiu na słabym podłożu nasypów obiektów komunikacyjnych i innych budowli ziemnych. Kolumny służą także do wzmacniania podłoża pod płytami fundamentowymi, zbiornikami naziemnymi, posadzkami hal, fundamentami elektrowni wiatrowych, jak i pod pojedynczymi stopami lub ławami fundamentowymi (rys. 1.5). Mogą też być wykorzystywane do wzmacniania skarp nasypów (w celu poprawy stateczności ich podnóża), jednak w takich przypadkach ograniczeniem może być zginanie kolumn. Kolumny nie są zalecane do posadawiania budowli, wobec których wymagane jest radykalne ograniczenie osiadania, szczególnie w odniesieniu do różnic osiadania, poddanych działaniu dużych obciążeń skupionych, a zwłaszcza obciążonych dużymi siłami poziomymi lub wyciągającymi oraz narażonych na znaczne oddziaływania dynamiczne.

Rys. 1.5. Przykłady budowli na podłożu wzmocnionym kolumnami sztywnymi (wzorowane na ASIRI, 2012): a) nasyp kolejowy, b) nasyp dojazdu do obiektu mostowego, c) zbiorniki na ciecze i materiały sypkie, d) fundamenty i posadzki budynków przemysłowych

Wzmacnianie kolumnami jest stosowane dla bardzo różnych warunków gruntowych, przede wszystkim w słabych gruntach spoistych, a także w materiałach antropogenicznych, np. składowisk odpadów. W pewnych warunkach jest jednak wymagana duża ostrożność. Z uwagi na trudność formowania i możliwość uszkodzenia trzonu, kolumny betonowane w gruncie, szczególnie o mniejszej średnicy, należy z dużą ostrożnością stosować w gruntach o bardzo małej wytrzymałości na ścinanie, a także w wielometrowych warstwach gruntów silnie ściśliwych. Ograniczenia dotyczą także kolumn wykonywanych z zaprawy, iniektu lub cementogruntu i są związane z większą wrażliwością tych materiałów na oddziaływanie agresywnego środowiska. Z uwagi na długotrwałe zachowanie konstrukcji, specjalnej uwagi wymagają grunty o dużej zawartości części organicznych (zwłaszcza torfy, namuły, gytie) wykazujące pełzanie.

Dodatkowym warunkiem prawidłowej pracy systemu kolumn sztywnych jest zapewnienie trwałego kontaktu fundamentu z podłożem i jego współdziałanie w przenoszeniu obciążeń.

1.6. Rodzaje kolumn objętych opracowaniem

Monografia obejmuje kolumny sztywne związane spoiwem, przenoszące głównie siły osiowe. Kolumny mają zwykle średnice 0,25–0,5 m, rzadziej do 0,8 m lub większe. Wykonywane są z betonu, zaprawy, iniektu i cementogruntu, rzadziej z drewna, stali lub innego materiału i zwykle są niezbrojone. Nie są to maksymalne średnice, jakie można wykonać w poszczególnych technologiach. Przykładem są kolumny DSM o średnicy 1,5–2,5 m albo kolumny iniekcyjne (jet grouting) o średnicy dochodzącej do 4 m, które należy projektować wg innych zasad.

Wzmocnienie podłoża można klasyfikować jako projektowane ze sztywnymi kolumnami w przypadku, gdy:

• podłoże gruntowe bierze udział w przenoszeniu obciążenia,

• w obliczeniach uwzględnia się wpływ interakcji kolumn i gruntu na przekazywanie obciążenia oraz na przemieszczenia,

• kolumny pod obciążeniem zachowują swój kształt przekroju poprzecznego,

• stosunek sztywności kolumn do otaczającego gruntu jest wystarczający do wywołania efektu redystrybucji i koncentracji naprężeń (podłużnych i poprzecznych),

• wskaźnik zastąpienia wynosi nie więcej niż 10% wzmacnianej powierzchni (w większości przypadków i rozwiązań bez czapek).

Rozróżnia się dwa zasadnicze sposoby wykonywania kolumn: z przemieszczaniem (rozpychaniem) i bez przemieszczania gruntu otaczającego kolumnę. Kolumny z przemieszczaniem gruntu:

• formowane wkręcanym świdrem przemieszczeniowym;

• formowane rurą obsadową wbijaną lub wwibrowywaną albo wibratorem śluzowym;

• prefabrykowane (żelbetowe, stalowe, żeliwne, drewniane), zagłębiane metodą wbijania, wibrowania lub wciskania.

Kolumny bez lub z niewielkim przemieszczaniem gruntu:

• wiercone, np. ciągłym świdrem spiralnym CFA (Continuous Flight Auger);

• formowane przez mieszanie gruntu ze spoiwem – DSM (Deep Soil Mixing);

• iniekcyjne, formowane metodą iniekcji strumieniowej (jet groutig).

Typowe rodzaje i parametry kolumn przedstawiono w tabeli 1.1. Zalety i ograniczenia poszczególnych rodzajów kolumn, przydatne do oceny możliwości ich zastosowania, podano w rozdziale 4. Istnieją też różne odmiany i kombinacje metod wykonania, jak np. kolumny „hybrydowe” z odcinkami trzonu formowanymi różnymi technologiami lub z różnych materiałów (np. betonowo-żwirowe).

Tabela 1.1. Typowe kolumny sztywne wzmacniające podłoże

Rodzaje kolumn

Materiał wypełniający

Typowe średnice(1)

Typowe głębokości

przemieszczeniowe

formowane świdrem

beton, beton zbrojony, zaprawa

25–50

5–15 (25)(3)

przemieszczeniowe formowane rurą obsadową

beton, beton zbrojony, zaprawa

25–50

5–20 (30)

przemieszczeniowe formowane wibratorem śluzowym

beton

40–60

5–12 (20)

prefabrykowane

beton zbrojony

30–40(2)

6–15 (45)

wiercone

beton, beton zbrojony, zaprawa

40–80

6–20 (30)

mieszane wgłębnie (DSM)

cementogrunt

60–120

6–15 (20)

iniekcyjne (jet grouting)

cementogrunt

60–150

6–15 (25)

(1) Przy średnicy mniejszej niż 30 cm należy poszerzyć wymagania projektowe o sprawdzenie wyboczenia.

(2) Kolumny prefabrykowane żelbetowe zazwyczaj mają przekrój kwadratowy.

(3) Orientacyjna głębokość maksymalna w krajowych warunkach.

Wytyczne nie obejmują klasycznych pali, a także kolumn podatnych (niezwiązanych spoiwem), do których zalicza się: kolumny z kruszywa wykonywane metodą wibrowymiany (np. żwirowe) oraz ubijane (DR), w otoczce z geosyntetyków i formowane mikrowybuchami. Nie uwzględniono również podchwytywania fundamentów kolumnami iniekcyjnymi.

1.7. Ograniczenia w stosowaniu kolumn

Do ograniczeń kolumn przemieszczeniowych można zaliczyć trudności z wykonaniem w mocnych gruntach. W gruntach niespoistych o qc > 14 MPa wiercenie lub pogrążanie rury lub prefabrykatu jest utrudnione, a przy qc > 20 MPa jest bardzo trudne. W gruntach spoistych o qc > 4 MPa wykonanie jest utrudnione, a przy qc > 7 MPa jest bardzo trudne. Należy również zwrócić uwagę na występujące przy tej technologii zjawiska przemieszczania obiektów sąsiednich na skutek wykonania kolumn. Wykonanie kolumn przemieszczeniowych w bezpośrednim sąsiedztwie lekkich obiektów lub instalacji wiąże się z ryzykiem ich przesunięcia (zarówno w poziomie, jak i w pionie).

Istotne znaczenie ma także wzajemne oddziaływanie kolumn na siebie przy zbyt małym ich rozstawie, które może spowodować uszkodzenia trzonu, zwłaszcza w przypadku kolumn o małej średnicy, wykonywanych metodą przemieszczeniową (p. 5.3.6).

W przypadku kolumn formowanych w gruncie zaleca się, ze względu na stateczność otworu i możliwość wykonania, aby wytrzymałość gruntu na ścinanie bez odpływu cu wynosiła co najmniej 15 kPa. W przypadku, kiedy grunt charakteryzuje się wytrzymałością mniejszą niż 15 kPa, należy sprawdzić stateczność świeżego trzonu kolumny (podrozdz. Z7.4). Jeżeli stateczność jest niewystarczająca, można zastosować zabiegi mające wzmocnić podłoże, np. wstępne przeciążenie. Konieczna jest wówczas odpowiednia kontrola osiągniętego wzmocnienia.

W przypadku agresji chemicznej ze strony wody gruntowej lub gruntu oraz kolumn wykonanych z betonu, zapraw, iniektu lub cementogruntu należy się kierować klasami ekspozycji XA określonymi w PN-EN 206 albo porównywalnym doświadczeniem, albo wynikami bezpośrednich badań. Kolumny z cementogruntu można stosować przy oddziaływaniu klasy XA1, a w przypadku agresji siarczanowej w gruntach mało przepuszczalnych i użycia cementu HSR – także klasy XA2. W pozostałych rodzajach średniej (XA2) i silnej (XA3) agresji chemicznej oraz w przypadku występowania w gruncie albo w wodzie gruntowej substancji, które mogłyby negatywnie wpłynąć na właściwości cementogruntu, wdrożenie wymaga indywidualnej oceny przez projektanta. Przy zawartości części organicznych większej niż 20% oraz gdy woda gruntowa wykazuje wartości pH < 5 stosowanie kolumn z cementogruntu nie jest zalecane.

Głównymi mankamentami kolumn formowanych wibracyjnie lub udarowo są konieczność oceny wpływu drgań na otoczenie i hałas w trakcie wykonania.

Do ograniczeń kolumn CFA należy zaliczyć ryzyko rozluźnienia gruntu (głównie w nawodnionych gruntach niespoistych). Zagrożenie to rośnie w miarę przedłużania się czasu wiercenia, np. po napotkaniu przeszkód lub mocnych przewarstwień gruntów spoistych.