36
D
uże wymiary konstrukcji czynią ją ciekawym
obiektem z punktu widzenia fundamentowania.
Wiąże się to bezpośrednio z wysokością obciążenia, jakie
należy przekazać na podłoże gruntowe. Spośród wielu
przeanalizowanych przez projektantów mostu kombinacji
obciążeń największe brane pod uwagę charakterystycz-
ne obciążenie pionowe przekazywane na podporę (bez
uwzględnienia jej ciężaru) wynosi 666,0 MN (wartość
obliczeniowa 887,3 MN).
Lokalizacja oraz warunki
gruntowo-wodne
Projektowany fundament znajduje się w centralnej części
Wyspy Rędzińskiej na Odrze. Od północy przedmiotowy
teren sąsiaduje ze śluzami Rędzin (ok. 70 m), natomiast
od południowego-wschodu z zabytkowym jazem Rędziń-
skim (ok. 110 m). Obszar przeznaczony pod konstrukcję
fundamentu ma wymiary: 67,4 m x 28,0 m i jest zoriento-
wany dłuższym bokiem w kierunku północno-zachodnim
(fot. 1).
Przedmiotowy teren w formie naturalnej jest sto-
sunkowo płaski. Średnia rzędna terenu wynosi około
112,8 m n.p.m. Geomorfologicznie analizowany obszar
położony jest w strefi e Pradoliny Wrocławsko-Magdebur-
skiej, zajmowanej przez dolinę Odry. Dolina ma
ok. 10 km szerokości i wypełniona jest plejstoceńskimi
i holoceńskimi osadami rzecznymi. Zaznacza się kilka
poziomów terasowych.
Wierzchnia warstwa nasypów oraz normalnie skonsolido-
wanych utworów akumulacji rzecznej o miąższości
ok. 2-3,0 m spoczywa na zagęszczonej warstwie gruntów
gruboziarnistych o miąższości 6-7,0 m. W obrębie tej war-
stwy występuje swobodne zwierciadło wody gruntowej
na średnim poziomie 107,6 m n.p.m. Poniżej znajdują
się warstwy gruntów drobnoziarnistych. Warstwę ciągłą
o miąższości ok. 15,0 m stanowią drobnoziarniste utwory
trzeciorzędowe. Tworzą je gliny lodowcowe, iły oraz lokal-
nie piaski pylaste. W warstwach piasków zaobserwowano
sączenie wód gruntowych. Poniżej znajduje się warstwa
piasków pylastych i pyłów piaszczystych, w których
występuje woda gruntowa pod znacznym nadciśnieniem.
Warstwa ta, o miąższości do 2,5 m, nie została zlokalizowa-
na we wszystkich otworach badawczych. Istnieje również
rozbieżność dotycząca wysokości stabilizacji słupa wody
w tej warstwie w różnych dokumentacjach. W dokumen-
tacji (2) we wszystkich otworach głębokich wskazano
na poziom stabilizacji ok. 90,5 m n.p.m., tj. 6,1 m powyżej
stropu warstwy wodonośnej. W dokumentacji (6) wyso-
kość nadciśnienia zarejestrowano 12,0 m powyżej stropu
warstwy wodonośnej, ponadto warstwę tę zlokalizowano
ok. 5,0 m powyżej poziomu wskazanego w dokumen-
tacji (2). Otwór, w którym zlokalizowano tak wysoki
poziom nadciśnienia, znajduje się w środkowej części
projektowanego fundamentu. W pozostałych otworach
głębokich wykonanych w ramach dokumentacji (6),
położonych na krawędziach projektowanego fundamen-
tu, nie zarejestrowano drugiego poziomu wodonośnego
do głębokości 30 m ppt. Kolejną warstwę wodonośną
piasków pylastych i pyłów z nadciśnieniem zlokalizowano
na głębokości 42,5 m.
W obrębie wykonanych wierceń (tj. do 50 m ppt) nie
stwierdzono warstw odbiegających morfologią i cechami
wytrzymałościowymi od opisanych drobnoziarnistych
utworów trzeciorzędowych. Utwory te wykazują dobrą
charakterystykę wytrzymałościową oraz sztywność.
Obecność lokalnych sączeń oraz warstw wodonośnych
z wysokim nadciśnieniem hydrostatycznym była pod-
stawowym problemem w przyjęciu głębokości posa-
dowienia głębokiego. Ostatecznie do analiz obliczenio-
wych przyjęto charakterystykę najbardziej niekorzystną
z punktu widzenia technologii wykonawstwa i warunków
posadowienia (rys. 1 oraz tabela 1), opartą głównie na roz-
poznaniu z dokumentacji (6).
Przyjęte rozwiązanie
technologiczne posadowienia
Rozważono cztery koncepcje posadowienia: posadowie-
nie bezpośrednie w warstwie zagęszczonych gruntów
ziarnistych, posadowienie na ścianach szczelinowych,
posadowienie na bloku wykonanym ze zwartych kolumn
iniekcji strumieniowej (jet grouting) oraz posadowienie
na palach wielkośrednicowych. Ostatecznie przyjęto roz-
wiązanie posadowienia na wierconych palach wielkośred-
nicowych z dodatkową iniekcją w podstawie pali. Roz-
wiązanie to najlepiej odpowiada warunkom gruntowym,
a ponadto jest optymalne z punktu widzenia technologii
wykonawstwa. Posadowienie bezpośrednie odrzucono
ze względu na małą miąższość warstw zagęszczonych
gruntów ziarnistych pod przyjętym poziomem posado-
wienia. W przypadku ścian szczelinowych problemem
konstrukcyjnym jest stosunkowo mała nośność związana
z technologią wykonawstwa ścian szczelinowych przy
Fundament
pylonu mostu
podwieszonego
w ciągu Autostradowej Obwodnicy Wrocławia (A8)
dr inż. Marcin Cudny
dr inż. Adam Krasiński
mgr inż. Krzysztof Załęski
prof. dr hab. inż.
Eugeniusz Dembicki
Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa
Morskiego, Wydział Inżynierii Lądowej
i Środowiska Politechniki Gdańskiej
Główną konstruk-
cją przeprawy
mostowej przez
Odrę w ciągu
Autostradowej
Obwodnicy
Wrocławia jest
most podwieszony
MA21 w Rędzinie.
Konstrukcja mostu
składa się z dwóch
oddzielnych pomo-
stów w technologii
betonu sprężo-
nego, podwieszo-
nych obustronnie
do jednego, cen-
tralnego pylonu.
Przęsło o szeroko-
ści 38,58 m będzie
mierzyć 612 m.
Wysokość
zaprojektowanego
pylonu wyniesie
122 m, co po wybu-
dowaniu sprawi,
że MA21 będzie
najwyższym takim
obiektem w Polsce.
m o s t y
r e a l i z a c j e
37
użyciu zawiesimy bentonitowej. Posadowienie na bry-
le zwartych kolumn iniekcji strumieniowej odrzucono
ze względu na dużą objętość i masę takiej bryły,
a także ze względu na brak w podłożu głębszej warstwy
o dużej sztywności mogącej stanowić podstawę zainiek-
towanej bryły. Przyjęto posadowienie stopy fundamento-
wej o wymiarach w planie 67,4 m x 28,0 m na 160 palach
wielkośrednicowych wierconych w rurze obsadowej.
Pale te są sztywno połączone ze stopą fundamentową.
Przyjęto pale o średnicy D = 150 cm w rozstawie prosto-
kątnym 3,4 m x 3,6 m (rys. 2). Spód stopy fundamento-
wej znajduje się na rzędnej 107,5 m n.p.m. i spoczywa
na półmetrowej warstwie betonu wyrównawczego.
Długość pali wynosi 18,0 m (od poziomu 89,5 m n.p.m.
do 107,5 m n.p.m.). Obwód stopy fundamentowej zabez-
pieczony jest ścianką szczelną o długości 11,0 m (od po-
ziomu 99,0 m n.p.m. do 110,0 m n.p.m.). Ścianka szczelna
nie jest elementem układu fundamentowego odpowie-
dzialnego za przenoszenie obciążeń na podłoże grunto-
we – stanowi zabezpieczenie przeciwerozyjne.
Budowa geologiczna podłoża gruntowego na przed-
miotowym terenie nie pozwala na zaprojektowa-
nie słupowego podparcia fundamentów palowych
ze względu na brak warstwy mocnej o charakterystyce
wytrzymałościowej wyraźnie przewyższającej nośność
płyciej zalegających warstw gruntowych. Powoduje
to konieczność zastosowania układu zawieszonego,
gdzie przenoszenie obciążeń na podłoże odbywa się
zarówno przez pale, jak i przez spód stopy fundamen-
Fot. 1. Wyspa Rędzińska – zdjęcie
satelitarne. Na fotografi i widoczny jest
zarys powstającego fundamentu, jaz oraz
dwie śluzy
fot
. w
w
w
.c
om
towej (ruszt palowy). W takim rozwiązaniu głównymi
warstwami decydującymi o nośności i osiadaniach
zaprojektowanego posadowienia są warstwy prekon-
solidowanych gruntów drobnoziarnistych Va oraz Vc.
Długość pali przyjęto tak, aby podstawa pali znajdowała
się możliwie głęboko w górnym piętrze warstwy geo-
technicznej Va, jednakże ponad warstwą wodonośną Vc
z nadciśnieniem wody w porach. Warstwa Vc nie jest
warstwą słabą w sensie wytrzymałościowym, należało
jednak dążyć do pozostawienia jej w stanie nienaruszo-
nym ze względu na występowanie dużego nadciśnienia
wody w porach. Zalecono betonowanie pali wierconych
metodą na sucho, jednakże w trakcie realizacji nie udało
się całkowicie spełnić tego zalecenia. Przewidując to,
przyjęto wzmocnienie podstaw pali poprzez iniekcję
zaczynu cementowego pod ciśnieniem kontrującym
stan naprężenia w podstawie (kontrola wzniesienia pala
podczas iniekcji).
Obliczenia
W początkowym etapie projektowania posadowienia py-
lonu sprawdzono kilka wariantów układu fundamentów
palowych przy założeniu braku bezpośredniej współpracy
stopy fundamentowej z gruntem, a także przy założeniu
dużej sztywności korpusu fundamentu. Tak przyjęte
założenia stanowią podstawę obliczeniową tzw. metody
sztywnego oczepu. W ostatecznie przyjętym układzie
pali otrzymano maksymalną obliczeniową siłę 7200 kN
w schemacie obwiedni maksymalnych momentów
Nr warstwy
geotech.
Symbol gruntu
Ciężar objętościowy
gruntu γ/γ’ [kN/m
3
]
Efektywny
kąt tarcia
wewnętrznego φ’ [°]
Efektywna
spójność c’ [kPa]
Moduł
edometryczny
pierwotny M
0
[kPa]
Wskaźnik
Poissona υ [-]
IIa/IIb
G, Gπ, π
21,0/11,0
15,0
5,0
30 000
0,20
IIIa
Ps, Pr, Pd
19,0/10,0
33,0
1,0
85 000
0,20
IIIb
Ps, Pr, Pr/Po
20,0/10,0
35,0
1,0
150 000
0,15
IIIc
Po, Ż, Pr/Po
20,0/10,0
35,0
1,0
220 000
0,15
Va
I, Iπ, Gπz, Gz
21,5/11,5
23,0
18,0
40 000
0,20
Va
*(głębsza)
I, Iπ, Gπz, Gz
21,5/11,5
23,0
18,0
100 000
0,20
Vc
Pπ
20,5/11,0
32,0
1,0
85 000
0,15
Tabela 1. Wartości charakterystyczne podstawowych parametrów geotechnicznych
38
Rys. 1
Rys. 2
Rys. 3
m o s t y
r e a l i z a c j e
39
działających w koronie fundamentu. Minimalna siła w tym
schemacie była również wciskająca i wynosiła 5300 kN.
W kolejnym etapie obliczeniowym fundament przyjęto
jako zagadnienie brzegowo-początkowe i rozwiązano
metodą elementów skończonych przy dyskretyzacji
na elementy strukturalne – płyty i belki oparte na podpo-
rach sprężystych. Charakterystyki podpór sprężystych ob-
liczono na podstawie sztywności warstw gruntu według
metody opisanej w (3). Oddziaływanie pod płytą przyjęto
jako równomierny odpór gruntu o wartości 100 kPa.
Pozwoliło to na oszacowanie sił wewnętrznych w płycie
fundamentowej do obliczeń zbrojenia oraz sił wewnętrz-
nych w palach przy uwzględnieniu utwierdzenia w płycie.
W obliczeniach tych maksymalna siła osiowa w palu
wyniosła 7367 kN (spełnia warunek nośności według
normy), natomiast maksymalny moment zginający w palu
osiągnął 4742 kNm.
Ostateczny etap obliczeń polegał na symulacji kom-
pleksowej zagadnienia brzegowo-początkowego przy
użyciu metody elementów skończonych i dyskretyzacji
ośrodka ciągłego. Korpus fundamentu oraz warstwy
geotechniczne przyjęto jako kontinuum, natomiast
pale zdyskretyzowano belkami bezpośrednio kontak-
tującymi się z otaczającymi elementami gruntowymi.
Obliczenia przeprowadzono w uproszczonych sche-
matach w płaskim stanie odkształcenia, uśredniając
sztywności pali w rzędach oraz w układzie przestrzen-
nym. W układzie przestrzennym zastosowano elementy
belkowe, których przebieg jest niezależny od dyskrety-
zacji podłoża (tzw. embedded piles). Nośność podstawy
pala modelowana jest poprzez zastępczą siłę skupioną
obliczaną na podstawie stanu naprężenia i nośności
gruntu w punkcie oparcia pala. Odpowiednie schema-
ty przyjętych modeli z dyskretyzacją przedstawiono
na rysunkach 2 i 3.
Podstawowym celem przeprowadzenia tego etapu obli-
czeniowego było określenie wytężenia podłoża grunto-
wego oraz oszacowanie osiadań fundamentu w czasie
budowy i przyszłego użytkowania. Oprócz charakterysty-
ki wytrzymałościowej, którą opisano modelem spręży-
sto-plastycznym, bazującym wariantowo na kryterium
wytrzymałościowym Coulomba-Mohra oraz Matsuoki-
-Nakai’ego, szczególną uwagę zwrócono na możliwie do-
kładny opis sztywności zalegających warstw gruntowych.
Przyjęto nieliniową charakterystykę sztywności w zakresie
małych odkształceń. Standardowe zastosowanie stałej
sztywności z parametrami siecznymi (tab. 1) prowadzi
w większości praktycznych przypadków obliczeń rusztów
palowych do otrzymania zbyt dużych, nierealistycznych
osiadań obliczeniowych.
Rys. 1. Charakterystyczny przekrój
geotechniczny z naniesionym
zarysem konstrukcji fundamentu
(a) oraz uproszczony układ warstw
przyjęty do obliczeń (b)
Rys. 2. Model fundamentu i dyskretyzacja
w obliczeniach metodą elementów
skończonych w płaskim stanie
odkształcenia: a) przekrój podłużny;
b) przekrój poprzeczny. Pale
i ściankę szczelną zamodelowano
elementami belkowymi o uśrednio-
nej charakterystyce sztywności
Rys. 3. Model fundamentu i dyskretyzacja
w obliczeniach metodą elementów
skończonych w układzie przestrzen-
nym: a) widok ogólny z warunkami
brzegowymi; b) szczegół elementów
palowych (tzw. embedded
piles) oraz elementów ścianki
szczelnej (elementy płytowe).
Korpus fundamentu zamodelowano
elementami bryłowymi
Rys. 4. Rzut fundamentu z rozmieszczeniem
głowic pali
Rys. 5. Krzywa degradacji sztywności
z odkształceniem postaciowym.
G
t
=G
ref
i G
s
są odpowiednio stycznym
i siecznym modułem ścinania,
natomiast G
t
min
jest minimalnym
modułem ścinania przy akumulacji
odkształcenia postaciowego γ
co
Fot. 2. Widok głowicy pala podczas
próbnych obciążeń z zastosowaniem
pomiarów ekstensometrycznych
w osi pala
Rys. 4
Rys. 5
Fot. 2
40
Głębokość
Siła
Głębokość
Siła
Jak wiadomo z badań laboratoryjnych i polowych,
sztywność rośnie z poziomem średniego naprężenia
efektywnego, jednakże z drugiej strony ulega degra-
dacji w przypadku akumulacji znacznych odkształceń
postaciowych (γ) (1, 5). Charakterystykę tę uwzględnio-
no w modelu gruntów drobnoziarnistych w rozpatry-
wanym zagadnieniu. Moduły sztywności zalegających
warstw gruntów drobnoziarnistych w zakresie małych
odkształceń określono w dokumentacji (6), w badaniach
w aparacie trójosiowego ściskania za pomocą specjal-
nych elementów piezoelektrycznych, pozwalających
na pomiar prędkości fali ścinającej w próbce gruntu
przy różnych poziomach naprężenia (tzw. elementy
bender).
Aktualną wartość modułu ścinania (G) obliczano wg na-
stępujących formuł:
ܩ
ൌ ܩ
ቌ
ߛ
ǡ
ߛ
ǡ
͵
ߛ
ቍ
ଶ
ܩ ൌ ܩ
ۉ
ۇ
ටͳ
͵ ߪ
௦
ߪ
௦
ی
ۊ
ଵିఉ
,
gdzie G i G
ref
są odpowiednio aktualnym i referencyjnym
stycznym modułem ścinania; G
ref
=E
ref
/(2(1+ν)) przy śred-
nim naprężeniu referencyjnym p
ref
=200 kPa; σ jest tenso-
rem naprężenia; β = 0,5 jest wykładniczym parametrem
zależności sztywności od naprężenia efektywnego oraz
γ
0.7
≈0,0001 odkształceniem postaciowym, przy którym
moduł G
ref
ulega 30% degradacji w stosunku do G
0
– po-
czątkowego modułu przy naprężeniu p
ref
(rys. 5).
Wyniki obliczeń zachowania się układu fundamento-
wego pozwalają stwierdzić, że parametry wytrzymało-
ściowe podłoża gruntowego zapewniają stateczność tej
konstrukcji. Równowaga statyczna pozostała zachowa-
na nawet przy przeciążeniu dwukrotnym w stosunku
do działających stałych obciążeń obliczeniowych.
Minimalny współczynnik stateczności modelu funda-
mentu otrzymany metodą redukcji φ-c wyniósł F = 1,35.
Osiadania równomierne fundamentu nie przekroczyły
wartości 0,08 m, natomiast maksymalne różnice osiadań
obliczeniowych nie przekroczyły wartości 0,01 m. Różni-
ce osiadań od obciążeń całkowitych (stałych oraz zmien-
nych) i zmiennych osiągnęły maksymalnie wartości
0,01 m. Przykładowy rozkład przemieszczeń pionowych
w wariancie obliczeniowym maksymalnych obciążeń
bocznych przedstawiono na rysunku 8.
Próbne obciążenia
pojedynczych pali
W celu potwierdzenia założeń projektowych oraz zgodnie
z ogólnymi zaleceniami dotyczącymi fundamentów
palowych wykonano badania nośności pali fundamentu
pylonu. Badania wykonano metodą próbnych obciążeń
statycznych. Ze względu na dużą rangę inwestycji oraz
odważne założenia projektowe próbne obciążenia pali
wykonano z rozszerzonym programem pomiarowym,
który uzgodniono z głównym projektantem oraz inwesto-
rem. Jeden pal przeznaczony do badania wykonano bez
iniekcji podstawy. Pozostałe trzy pale wykonano z iniekcją
podstaw. Celem takiej decyzji było sprawdzenie skutecz-
ności działania iniekcji, a zarazem dodatkowa kontrola ja-
kości jej wykonania. Ponadto w trzech palach zainstalowa-
no system do pomiarów dystrybucji siły w trzonach pali,
zbudowany z czujników ekstensometrycznych. Pomiary
tym systemem miały na celu przede wszystkim określenie
wartości siły przenoszonej przez poszczególne odcinki
pobocznicy oraz przez podstawę, a ponadto przybliżone
określenie wartości siły wygenerowanej w podstawie
w wyniku iniekcji. Dodatkowo pomiary ekstensometrycz-
ne zaplanowano z tego względu, że w przypadku ewen-
Rys. 6
m o s t y
r e a l i z a c j e
41
Piśmiennictwo
1. Atkinson J.H.: Non-linear Soil
Stiff ness in Routine Design.
40
th
Rankine Lecture. „Géo-
technique”, 2000, vol. 50,
No. 5, 487-508.
2. Dokumentacja geologicz-
no-inżynierska: Autostrada
A-8. AOW, Wykonawca: Geo-
Tech Sp. z o.o., Rzeszów 2006.
3. Kosecki M.: Statyka ustrojów
palowych. PZITB O. Szczecin,
2006.
4. Opracowanie sposobu po-
sadowienia podpory P14 py-
lonu mostu podwieszonego
w ciągu AOW (A8) nad rzeką
Odrą we Wrocławiu. Wyko-
nawca: Geosyntex Sp. z o.o.,
Gdynia 2008.
5. Santos J.A., Correia A.G.: Re-
ference Threshold Shear Strain
of Soils. Its Application to Ob-
tain a Unique Strain-Depen-
dent Shear Modulus Curve for
Soil. Proceedings of the 15
th
International Conference
On Soil Mechanics and Geo-
technical Engineering, Istan-
bul, 2001, vol. 1, 267-70.
6. Sprawozdanie z badań geo-
technicznych i laboratoryj-
nych pod pylon i podpory sta-
łe dla potrzeb budowy mostu
podwieszonego nad Odrą
we Wrocławiu. Wykonawca:
Geoteko Projekty i Konsulta-
cje Geotechniczne Sp. z o.o.,
Warszawa 2008.
tualnych niekorzystnych wyników badań nośności pali
pozwoliłyby one określić ich przyczynę, tzn. czy spowo-
dowane były niską nośnością pobocznicy, czy podstawy
pala. Czujniki ekstensometryczne rozmieszczono w sied-
miu poziomach na całej długości pali. Należy nadmie-
nić, że prawdopodobnie były to pierwsze tego rodzaju
pomiary w czasie próbnych obciążeń pali w Polsce.Widok
obciążanej głowicy pala z widocznym opomiarowaniem
do badań ekstensometrycznych przedstawiono na fo-
tografi i 2. Próbne obciążenia pali zrealizowano według
procedury standardowej do wartości siły Q
max
= 11000 kN
z odciążeniem pośrednim przy sile Q
1
≈ Q
r
= 7400 kN.
Otrzymane wyniki próbnych obciążeń pali w pełni
potwierdziły słuszność decyzji o rozszerzonym progra-
mie pomiarowym. Uzyskano wiele cennych informacji,
dzięki którym potwierdzono bezpieczeństwo przyszłej
pracy fundamentu podczas eksploatacji mostu. Ważną
obserwacją jest wykazanie wyraźnej skuteczności iniekcji
pod podstawami pali, a więc dobrą jakość ich wykona-
nia, a także zasadność jej zastosowania. Zilustrowano
to poprzez porównanie krzywych osiadania na rysunku 7.
Wyniki badań ekstensometrycznych w postaci rozkładu
siły w trzonach pali przedstawiono na rysunku 6.
Badania ekstensometryczne pozwoliły na wgląd w pracę
pali w istniejących warunkach gruntowych. Zdecydowaną
większość siły przenosiły pobocznice pali, co odpowiada
przyjętej koncepcji pali zawieszonych w systemie rusztu
palowego.
Podsumowanie
W niniejszym artykule przedstawiono w skrócie warun-
ki oraz przyjęty sposób posadowienia pylonu mostu
MA21 w miejscowości Rędzin (obwodnica Wrocła-
wia A8). Bardzo ważną decyzją przy wyborze długości
pali było ich skrócenie ze względu na występowanie
lokalnych przewarstwień z nadciśnieniem wody
w porach, które mogły być źródłem upłynnienia gruntu
w podstawie pali. Decyzję tę można było podjąć dzięki
rozszerzonemu programowi obliczeń oraz dzięki dodat-
kowym, niestandardowym badaniom parametrów pod-
łoża. Przeprowadzenie próbnych obciążeń pali z eks-
tensometrycznym pomiarem dystrybucji siły wzdłuż
trzo
nów pali okazało się trafnym i bardzo przydatnym
przedsięwzięciem, które pozwoliło na kontrolę popraw-
ności przyjętych założeń obliczeniowych w modelu
obliczeniowym.
Rys. 7
Rys. 8
Rys. 6. Rozkłady sił w trzonach
pali otrzymane z pomiarów
ekstensometrycznych
Rys. 7. Wykresy próbnych obciążeń pali
Rys. 8. Rozkład przemieszczeń
pionowych otrzymany w jednym
z wariantów obliczeniowych
(maksymalne obciążenia boczne)