il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
i i l i i i i i i
ll l li i i i
i i i i i i
i l i i i
i i i li ii l i i l i
l i i i i l l i i
i l i i i i i i
i i i i i i
i l ii i i i i i i i
i i i i i i
li ii l i i i i
i i l li i i i
l i i i
i l i il i ll i i l l i l
i l i i l i i l li
i i i i i i i i l
l i il i i i i i i i il l i
l li i i l i
i l l il i i ll i
i l i i i i
i il l l l i
i l i i li i il l l i
i ll i i i i i i i
l i l i i i i
i l i i i
i i i i i i
i i i i i i i
l i li i l i l
i i l
i l i i i i
i i li ii l i i i i i i
i i i
1
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
i li i
ll i l i i i
i li ii l l ii i i i
i l li i i i i l
l l i i i l l l i
i i li
" l i i ll
" l i l
" i l i
2. KOLUMNY ŻWIROWE I BETONOWE SYSTEMU KELLERA
W 1994 roku Niemieckie Koleje oficjalnie wprowadziły technologię wzmacniania słabego
podłoża za pomocą wibrowymiany do katalogu zalecanych rozwiązań technicznych [1].
Kolumny żwirowe (KSS) stosuje się najczęściej wówczas, gdy w podłożu zalegają grunty słabe
ale jednocześnie zdolne do zmobilizowania odpowiedniej reakcji bocznej, koniecznej do
zapewnienia stateczności żwirowego trzonu kolumny. W przypadku bardzo słabych warstw
gruntu, a zwłaszcza gruntów organicznych o dużej miąższości, zachodzi potrzeba zastąpienia
kolumn żwirowych kolumnami z trzonem stabilizowanym, wykonywanym najczęściej z cztero-
frakcyjnego betonu ubijalnego (kolumny FSS). W niektórych zastosowaniach bardzo skuteczne
jest użycie kolumn kombinowanych, polegających na wykonaniu trzonu betonowego tylko
w obrębie warstwy gruntu organicznego, a na pozostałej długości ze żwiru (kolumny TVSS).
Rozwój technologii wgłębnego zagęszczania i wibrowymiany przedstawili szczegółowo między
innymi Kirsch (1993) oraz Sondermann (1996). Metody obliczeń statycznych i wymiarowania
obiektów na podłożu wzmocnionym kolumnami KSS zaproponowali Smolczyk/Hilmer (1991)
oraz Priebe (1995). Pierwsze w Polsce zastosowanie kolumn betonowych ze żwirową stopą dla
posadowienia obiektów komunikacyjnych miało miejsce w roku 1994 w Gdańsku, na odcinku
autostrady miejskiej o szerokości około 40 m i długości około 163 m (Topolnicki, 1995).
Kolumny żwirowe KSS Kellera wykonywane są w technologii wibrowymiany, tj. za pomocą
wibratora wgłębnego z wewnętrznym podawaniem materiału. W pierwszej fazie wibrator
wypełnia się kruszywem i pogrąża w podłoże przy udziale wibracji i docisku maszyny,
dochodzącym do 150 kN. Po osiągnięciu projektowanej głębokości następuje formowanie
poszerzonej stopy żwirowej w gruncie nośnym, przy czym rodzimy grunt ulega dodatkowemu
wzmocnieniu na skutek zagęszczenia (grunty sypkie) lub postępującej w czasie konsolidacji
(nawodnione grunty spoiste). W drugiej fazie następuje formowanie trzonu kolumny w obrębie
gruntów słabych. Kruszywo o uziarnieniu od 2 do 32 mm, podawane przez śluzę wibratora,
spływa rdzeniowo w kierunku ostrza wibratora przy udziale sprężonego powietrza. Trzon
kolumny formowany jest w czasie posuwisto-zwrotnych ruchów wibratora, czemu towarzyszy
rozepchnięcie kruszywa na boki i zwiększenie efektywnej średnicy kolumny. Dodatkowym
efektem jaki towarzyszy formowaniu trzonu kolumny żwirowej jest poprawienie parametrów
mechanicznych otaczajÄ…cego gruntu.
W trakcie formowania kolumny rejestruje się automatycznie głębokość i prędkość penetracji
wibratora, pobór prądu, zużycie materiału i czas wykonania. Parametry te pozwalają na bieżące
2
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
śledzenie dokładności wykonywanych robót oraz na kontrolę osiąganego stopnia zagęszczenia
trzonu kolumny. W typowych przypadkach kolumny żwirowe mają nośność od około 250 do
300 kN.
Kolumny betonowe FSS oraz TVSS wykonuje się w ten sam sposób, przy czym zamiast
kruszywa podawany jest cztero-frakcyjny beton ubijalny, najczęściej klasy B10. Przy nieco
zmodyfikowanym wykonawstwie można formować trzon kolumny z betonu klasy B25 (kolumny
BRS), jednak o mniejszej średnicy i bez ubijania (tj. bez poszerzenia trzonu). W obliczeniach
statycznych sprawdzeniu podlega zarówno nośność betonowego trzonu jak i  zewnętrzna
nośność kolumny, zależna od stopnia zagęszczenia rodzimego gruntu lub żwirowej stopy
w poziomie posadowienia. W typowych przypadkach kolumny FSS mają nośność obliczeniową
od około 500 do 650 kN.
Zasadniczymi zaletami kolumn żwirowych i żwirowo-betonowych systemu Kellera
w odniesieniu do wzmacniania podłoża linii kolejowych są:
" szybka penetracja i wysoka częstotliwość pracy wibratora, umożliwiająca eksploatację
sąsiednich torów,
" zagęszczenie otaczającego gruntu i wysoka nośność żwirowych i betonowych trzonów
kolumn,
" możliwość szybkiej zamiany kruszywa (KSS) na ubijalny beton (FSS, TVSS) w przypadku
stwierdzenia w podłożu gruntów organicznych (np. torfów i namułów),
" dostosowanie długości kolumny do rzeczywistego przebiegu nośnych warstw gruntu
w podłożu dzięki automatycznej rejestracji oporu penetracji wibratora,
" poprawa dynamicznych parametrów podłoża pod obciążeniem od ruchu pociągów poprzez
zwiększenie tłumienia gruntu i redukcję amplitudy drgań,
" wykonywanie kolumn bez wystÄ…pienia efektu rozluz
nienia gruntu,
" poprawienie parametrów wytrzymałościowych wzmocnionego podłoża, a w konsekwencji
jego nośności oraz stateczności skarp nasypów,
" duża wydajność dzienna, a tym samym krótki czas realizacji robót,
" niewielkie zakłócenia dla ruchu na sąsiednich torowiskach dzięki zastosowaniu wielokrotnie
sprawdzonej organizacji robót,
" niższe jednostkowe koszty wykonania w porównaniu do wymiany gruntu, szczególnie przy
konieczności wzmacniania podłoża do znacznej głębokości oraz poniżej poziomu wód
gruntowych, jak również w stosunku do większości pali i innych metod głębokiego
wzmacniania gruntu.
3. PRZYKA
ADY ZASTOSOWAC

3.1 Wzmocnienie nasypu kolejowego kolumnami żwirowymi KSS
DwutorowÄ… linÄ™ kolejowÄ… na trasie Magdeburg-Helmsted poddano w 1992 roku, jako jednÄ…
z pierwszych, elektryfikacji i adaptacji do prędkości eksploatacyjnych Ve =160 km/godz.
3
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
W pobliżu miejscowoÅ›ci Ovelgünne linia kolejowa przebiegaÅ‚a na nasypie o dÅ‚ugoÅ›ci ok. 800 m
i wysokości do 6 m, który zbudowano około 150 lat temu. Nasyp usypywano od czoła, bez
zagęszczania gruntu. Rdzeń nasypu wykonany jest z gliny, gliny pylastej i iłu, natomiast korona
i skarpy z piasków. Badania geotechniczne wykazały zły stan górnej części korony nasypu oraz
bardzo niski stopień zagęszczenia gruntów w koronie.
W celu wzmocnienia piaszczystej korony i jej lepszego powiÄ…zania z rdzeniem nasypu
wykonano kolumny żwirowe pod jednym z torowisk, przy jednoczesnym zachowaniu ruchu
kolejowego na torze sąsiednim. Z poziomu platformy roboczej wykonano trzy rzędy kolumn
żwirowych KSS, o średnicy około 0,7m. Trzony kolumn formowano z tłucznia odzyskanego
z podtorza lub z kruszywa o uziarnieniu 0-32 mm (rys. 1).
W celu sprawdzenia efektu zagęszczenia wykonano w osiach kolumn oraz pomiędzy nimi
kontrolne sondowania statyczne CPT. Na rys. 1 przedstawiono poczÄ…tkowe wyniki sondowania
(tj. bez kolumn) oraz wzrost wytrzymałości gruntów sypkich po wykonaniu kolumn żwirowych.
Należy zaznaczyć, że w gruntach spoistych sondowania nie wykazują wzrostu oporu podłoża
między kolumnami. W takich przypadkach kolumny żwirowe przenoszą większą część
obciążenia.
Rys.1. Przekrój nasypu kolejowego na linii Magdeburg-Helmstedt wzmocnionego kolumnami żwirowymi
KSS. Wykresy uziarnienia gruntów w podłożu nasypu oraz wyniki początkowych i końcowych
sondowań statycznych gruntu w koronie nasypu [4].
Próbne obciążenia płytą, wykonane z poziomu warstwy wyrównawczej po zakończeniu prac
wzmacniających, wykazały podatności podłoża rzędu Ev e" 55 MN/m2 znacznie przewyższające
wymaganą wartość 20 MN/m2 (przy odchyleniu standardowym 8,8 MN/m2 dla 11 badań).
4
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
Po oddaniu linii do eksploatacji wykonane kolumny żwirowe poddane zostały ciężkiej próbie.
W wyniku intensywnych opadów deszczu w roku 1994 doszło do utraty stateczności
południowej skarpy nasypu. Nawodnione piaski skarpy zsunęły się po zawilgoconych gruntach
spoistych podłoża, powodując osiadanie warstwy tłucznia wraz z zewnętrzną szyną. Kolumny,
dzięki dużej wytrzymałości na ścinanie, powstrzymały rozwinięcie się linii poślizgu na obszar
nasypu wzmocniony kolumnami i zapobiegły poważniejszym uszkodzeniom torowiska.
3. 2 Wzmocnienie podłoża linii szybkiego ruchu kolumnami żwirowymi KSS
Modernizacja linii kolejowej Hamburg-Berlin przewidywała dopuszczenie do ruchu
superszybkich pociągów serii ICE, o prędkości eksploatacyjnej Ve =250 km/godz. Na dwóch
odcinkach tej linii, pomiÄ™dzy Wittenberge-Dergenthin oraz Bredin-Glöwen, planowano
wykonanie sztywnego betonowego podtorza (FF - Festefahrbahn) na podłożu wzmocnionym
kolumnami KSS, wykonanymi ze starego tłucznia lub kruszywa.
Na obydwu odcinkach występowały w podłożu luz
ne grunty sypkie z domieszkami gruntów
organicznych. Technologia wgłębnego zagęszczania i wibrowymiany zastąpiła planowaną
wstępnie wymianę gruntu. W projekcie modernizacji założono, że podłoże podtorza musi
spełniać podwyższone wymagania między innymi odnośnie stopnia zagęszczenia [2]. Wskaz
nik
zagęszczenia gruntu poniżej warstwy nośnej i mrozoodpornej musiał przekraczać 95%
(Is e" 0,95), co w przypadku gruntów piaszczystych odpowiada oporowi mierzonemu na stożku
sondy statycznej qce"10 MPa.
Na odcinku Wittenberge-Dergenthin o długości 6150 mb wykonano wzmocnienie podłoża
kolumnami KSS, rozmieszczonymi w sposób pokazany na rys. 2. W celu kontroli postępu prac
i efektu zagęszczenia wykonano około 300 sondowań statycznych. Do wykonania kolumn
stosowano tłuczeń odzyskany ze starego podtorza względnie kruszywo żwirowe. Osiadanie
całego wzmocnionego nasypu, mierzone w czterech różnych przekrojach poprzecznych
torowiska, nie przekraczało 5 mm. Pomiary dynamiczne prędkości i amplitudy drgań podłoża,
prowadzone w trakcie wykonania kolumn i podczas ruchu pociągów wykazały, że wzmocnienie
gruntu technologią wibrowymiany Kellera redukuje prędkość i amplitudę drgań w podłożu
wywołanych ruchem pociągów (Kempfert,1996).
Podobne wzmocnienie podÅ‚oża za pomocÄ… kolumn KSS wykonano na odcinku Bredin-Glöwen.
W wyniku kontrolnych sondowań statycznych, przeprowadzonych co 50 m wzdłuż
modernizowanych linii kolejowych, wykryto dalsze odcinki na których występowały grunty
luz
ne lub organiczne wymagające wzmocnienia. Ze względu na zasięg dynamicznych
oddziaływań od ruchu pociągów należało, w świetle wytycznych [2], przede wszystkim
wzmocnić podłoże gruntowe do głębokości 3,1 m poniżej krawędzi szyny (p.k.s.). Grunty
w stanie luz
nym (qc d" 4 MPa), zalegające głębiej niż 3,1 m p.k.s., wzmacniano kolumnami
żwirowymi zagłębionymi w gruncie nośnym na około 0,5 m. Średnia długość kolumn,
wykonywanych z platformy roboczej usytuowanej 0,6 m p.k.s., wynosiła 3,0 m.
Układ poprzeczny kolumn na dalszych wzmacnianych odcinkach był podobny do
przedstawionego na rys. 2. Po wykonaniu badań i próbnych obciążeń zwiększono jednak
podłużny rozstaw kolumn z 1,25 m do 1,60 m. Szczegółowe wyniki badań i pomiarów
wykonanych na powyższych budowach przedstawił Kempfert (1996).
5
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
Rys.2. Przekrój nasypu linii szybkiego ruchu na odcinku Wittenberge-Dergenthin ze sztywnym betonowym
podtorzem systemu Züblin (FF), posadowionym na kolumnach KSS [4].
3.3 Wzmocnienie nasypu kolejowego kombinowanymi kolumnami żwirowo-betonowymi
(TVSS)
Kolejny przykład dotyczy również linii kolejowej Berlin-Hamburg, która po północno-
zachodniej stronie Berlina przebiega przez rozlegÅ‚e tereny bagienne rejonu Havelländisches
Luch. Pod powierzchnią terenu zalegają słabe grunty bagienne, torfy i namuły, o miąższości
dochodzÄ…cej do 6,6 m w osi linii kolejowej.
Stary, około 150 letni nasyp kolejowy o wysokości od 2,0 do 3,0 m wykonano z piasku. Torf
oraz inne grunty organiczne zalegające bezpośrednio pod nasypem uległy w tym czasie
konsolidacji. Jednak ze względu na cykliczny charakter obciążeń od przejeżdżających pociągów
6
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
Rys.3. Nasyp kolejowy na słabych gruntach organicznych, wzmocniony kombinowanymi kolumnami
żwirowo-betonowymi TVSS Kellera. Tor 1: stan po zakończeniu modernizacji torowiska, Tor 2:
stan po wykonaniu kolumn [4].
oraz w związku z rosnącym natężeniem ruchu obserwowano postępujące deformacje nasypu
i podłoża, które powodowały konieczność częstego kompensowania osiadań torowiska.
W ramach modernizacji tego odcinka linii kolejowej założono zwiększenie prędkości
eksploatacyjnej do Ve =200 km/godz oraz wymianę gruntu do głębokości 9,0 m p.k.s.
Wymiana gruntu w ilości około 1 miliona m3 okazała się, ze względów ekologicznych,
logistycznych oraz ekonomicznych nie do przyjęcia. Jako alternatywę, technicznie równoważną
i jednocześnie tańszą, przyjęto zaproponowane przez firmę Keller rozwiązanie, polegające na
wzmocnieniu nasypu przy pomocy kombinowanych kolumn żwirowo-betonowych (TVSS).
Pod każdym z dwóch torów przewidziano cztery rzędy żwirowo-betonowych kolumn,
rozmieszczonych w układzie przedstawionym na rys. 3. Powierzchnia przypadająca na jedną
kolumnę wynosiła 2,0 m2, a obciążenie pochodzące od ruchu pociągów około Q=200 kN.
Obciążenie od torowiska przekazywane jest przez warstwę wyrównawczą i warstwę
mrozoodporną zbrojoną geosiatką na zagęszczone żwirowe głowice kolumn TVSS, wchodzące
dolną część nasypu. Dzięki zjawisku wysklepiania gruntu między kolumnami, wspomaganego
działaniem geosiatki, osiadania całego systemu są ograniczone i wyrównane. Jednocześnie
7
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
betonowy trzon kolumn w obrębie gruntów organicznych zapewnia przeniesienie obciążenia na
głębiej leżące, nośne grunty piaszczyste. Koniec trzonu zagłębiony jest
w poszerzonej stopie z zagęszczonego żwiru, co zapewnia wysoką nośność kolumny.
W celu spełnienia wymagań Niemieckich Kolei odnośnie bezpieczeństwa ruchu na sąsiednich
torach w czasie prowadzenia opisanych robót zrealizowano następujący program badań
i kontroli:
" sondowania statyczne i pomiary wytrzymałości na ścianie gruntów nasypu i podłoża,
" wykonanie odcinka pilotażowego o długości 100 m, na którym wykonano badania dotyczące
wpływu prowadzonych robót na sąsiednie torowiska po których odbywał się ruch pociągów
z prędkością ograniczoną do 30 km/godz,
" przeprowadzenie pomiarów przemieszczeń torów w trakcie i po zakończeniu prac
wzmacniajÄ…cych,
" pomiary nadciśnienia porowego w warstwie torfu, prowadzone pod jednym
z eksploatowanych torów w czasie ruchu pociągów i prac wzmacniających.
Obserwacje na odcinku pilotażowym wykazały, że praca wibratorów Kellera powoduje jedynie
niewielkie, milimetrowe przemieszczenia torów, które mieszczą się w granicach przemieszczeń
dopuszczalnych.
Pomiary ciśnienia porowego w warstwie torfu wykonali pracownicy Instytutu Geotechniki
(IGBE) Uniwersytetu w Hanowerze. Wzrost ciśnienia porowego w torfie, na głębokości 4 m
p.k.s, był niewielki podczas ruchu pociągów i wynosił 10 cm słupa wody (0,01 bara) podczas
przejazdu pociągu osobowego oraz 40 cm (0,04 bara) przy pociągu towarowym. W trakcie robót
wzmacniających najwyższy wzrost ciśnienia porowego stwierdzono przy wykonywaniu kolumn
w bezpośrednim sąsiedztwie eksploatowanego toru i czujników pomiarowych. Przy
wykonywaniu kolumny odległej o 1,1 m od czujnika ciśnienia zaobserwowano na głębokości 4,5
m maksymalny przyrost ciśnienia porowego o 115 cm (0,115 bara). Przy wykonywaniu dalszych
rzędów kolumn, odległych od osi pomiarowej i toru o 3,0 do 5,0 m, nadwyżka ciśnienia
porowego w torfie wynosiła od 30 do 60 cm słupa wody.
W podsumowaniu wyników pomiarów przeprowadzonych na trzech różnych przekrojach
badawczych stwierdzono, że wzrost ciśnienia porowego w warstwie torfu na skutek ruchu
pociągów oraz robót wzmacniających podłoże nie przekraczał łącznie 200 cm słupa wody (0,2
bara) i był mniejszy od wartości dopuszczalnej równej 0,3 bara, którą określono na podstawie
analizy stateczności nasypu i podłoża. Wartość dopuszczalna wynikała z warunku, że wzrost
ciśnienia porowego nie może przekraczać 60 % wartości całkowitego naprężenia pionowego na
danej głębokości.
Na podstawie zdobytych doświadczeń oraz pozytywnych wyników pomiarów na odcinku
pilotażowym zwiększono prędkość przejazdu pociągów w czasie wykonywania pierwszego
i drugiego rzędu kolumn z 30 km/godz do 50 km/godz, a dla rzędu trzeciego i czwartego do 70
km/godz.
W szczytowym okresie prac wykonywano tygodniowo kolumny żwirowo-betonowe na odcinku
około 1200 m, przy zaangażowaniu dziewięciu maszyn Kellera. Beton klasy B15, użyty do
wykonania betonowych trzonów, przygotowywano w mobilnych węzłach betoniarskich
i przewożono wywrotkami na plac budowy. Dzienne zużycie żwiru i kruszywa sięgało 1000 ton.
8
 il i l i i i i i " i i i
i l i ii i " i i i l i ii i
Ta ilość materiału, wbudowana w podłoże w czasie wykonywania kolumn TVSS, stanowiła
jednak zaledwie około 10% objętości materiału, którą należałoby przetransportować i zużyć przy
wykonywaniu tradycyjnej wymiany gruntów.
Zmodernizowana linia kolejowa na odcinku Havelländisches Luch jest od roku 1996
eksploatowana z prędkością Ve =160 km/godz. Co pół roku pociągi pomiarowe Niemieckich
Kolei sprawdzają stan i przemieszczenia torów. Najnowsze z opublikowanych wyników
pomiarów pochodzą z roku 1998 i wskazują na bardzo dobry stan torowisk posadowionych na
nasypach i podłożu wzmocnionym za pomocą technologii wprowadzonych przez firmę Keller.
4. PODSUMOWANIE
Przedstawione przykłady ilustrują zastosowanie kolumn żwirowych (KSS), kolumn z betonu
ubijalnego (FSS) oraz kombinowanych kolumn żwirowo-betonowych (TVSS) systemu Kellera
do wzmocnienia nasypów i podłoża modernizowanych linii kolejowych. Prezentowane metody,
oparte na technologii wibrowymiany i wgłębnego zagęszczania, stosowane są również
z powodzeniem do rozwiązywania innych problemów geotechnicznych, między innymi do:
" wzmacniania podłoża pod fundamenty, posadzki, budowle ziemne i komunikacyjne,
" wykonywania drenów pionowych, przyspieszających konsolidację słabych gruntów
spoistych i organicznych,
" wzmacniania i zabezpieczania zagrożonych skarp i zboczy,
" łączenia i zazębienia starych i nowych nasypów i budowli ziemnych.
5. LITERATURA
[1] DS 836: Vorschriften für Erdbauwerke (VE), Przepisy dot. budowli ziemnych, DB AG,
styczeń 1994.
[2] Anforderungskatalog Feste Fahrbahn (AFF): Wymagania dot. sztywnych podtorzy, DB AG,
czerwiec 1995.
[3] Kirsch, K. (1993): Baugrundwerbesserung mit Tieferüttlern , Historischer Überblick über die
Entwicklung der Tiefenverdichtungsverfahren, Engbert,K.-Stocker,M (Hrsg)Ö Festschrift
für Karlheinz Bauer zum 65. Geburstag. Werner Düsseldorf, 1993.
[4] Soderman, W., Jebe W.,(1996): Methoden zur Baugrundverbesserung für den Neu- und
Ausbau von Bahnstrecken auf Hochgeschwindigkeitslinien, Baugrundtagung, Berlin 1996.
[5] Smoltczyk, U., Hilmer, K.,(1991): Baugrundverbesserung im Grundbautaschenbuch, 4
Auflage, Teil 2, Ernst , 1991.
[6] Priebe, H., (1995): Die Bemessung von Rüttelstopfverdichtungen, Bautechnik, 72 Jahrgang,
3, 1995.
[7] Topolnicki, M., (1995): Nowy sposób posadowienia trasy W-Z w Gdańsku w rejonie bardzo
słabego podłoża, XLI Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i
Komitetu Nauki PZITB, Krynica 1995.
[8] Kempfert, H.-G., (1996): Gründungstechnische Besondercheiten bei der Ausführung von
zwei Abschnitten mit Fester Fahrbahnim norddeutschen Raum. 3. Darmschtädter
Geotechnik Kolloquium, März, 1996.
9