1 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2008 (17)

???????????

????????????????

T

echnologia konsolidacji podciśnieniowej jest al-
ternatywnym rozwiązaniem problemu wzmocnie-
nia słabego podłoża gruntowego w stosunku do

klasycznej konsolidacji nasypem wraz z przeciążeniem
i drenami pionowymi. To alternatywne rozwiązanie jest
efektywne, szybsze i daje większy współczynnik bezpie-
czeństwa ze względu na przemieszczenia poziome i sta-
teczność skarpy.

Konsolidacja ściśliwych gruntów poprzez podciśnienie

nie jest pomysłem nowym, gdyż pierwsze próby przepro-
wadził we wczesnych latach 50. ubiegłego wieku dr W.
Kjellman w Szwecji. Następne próby zostały przeprowa-
dzone w Chinach oraz USA i, po niezadowalających rezul-
tatach związanych z dużymi problemami praktycznymi, zo-
stały zarzucone. Dopiero przeprowadzona podciśnieniowa
konsolidacja gruntów ściśliwych przez Menard pod kierow-
nictwem prof. J. M. Cogon’a w 1980 r. pozwoliła opracować
skuteczną metodologię wykorzystania pomp próżniowych
do przyśpieszenia kompresji gruntów słabych.

Podstawy teoretyczne

Klasyczna metoda konsolidacji podłoża nasypem prze-

ciążeniowym powoduje wzrost naprężeń efektywnych
w ośrodku gruntowym poprzez wzrost naprężeń całkowi-
tych wynikających z przeciążenia nasypem. Z kolei konso-
lidacja próżniowa powoduje wzrost naprężeń efektywnych
w całym ośrodku gruntowych poprzez spadek ciśnienia
porowego przy naprężeniach całkowitych pozostających
na niezmienionym poziomie.

Dla klasycznego podejścia obliczeniowego wpływ prze-

ciążenia nasypem o wysokości h na naprężenia całkowite,
uwzględniając ciśnienie atmosferyczne, wyraża się równa-
niem:

a

t

a

f

T

P

P

h

z

+

=

+

⋅

+

⋅

=

σ

γ

γ

σ

– wzrost naprężeń całkowitych,

a na ciśnienie w porach gruntu – przy założeniu całkowite-
go drenażu:

a

t

a

w

T

P

u

P

z

u

+

=

+

⋅

= γ

.

Po zsumowaniu otrzymujemy naprężenia efektywne w po-
staci wyrażenia:

h

z

u

u

f

t

t

T

T

⋅

+

⋅

=

−

=

−

=

γ

γ

σ

σ

σ

'

'

Dla konsolidacji podciśnieniowej, zakładając efektywność

systemu próżniowego na poziomie 80%, otrzymujemy:

a

T

P

z

+

⋅

= γ

σ

– wyrażenie dla naprężeń całkowitych,

a

w

a

a

w

T

P

z

P

P

z

u

2

,

0

8

,

0

+

⋅

=

−

+

⋅

=

γ

γ

– wyrażenie na ciśnie-

nie wody w porach, i ostatecznie po zsumowaniu:

a

a

a

T

T

P

z

P

P

z

u

8

,

0

'

2

,

0

'

'

+

⋅

=

−

+

⋅

=

−

=

γ

γ

σ

σ

– wartość naprężenia

efektywnego.

Jak można łatwo zauważyć, dopóki utrzymywane jest

podciśnienie o wartości 80% ciśnienia atmosferycznego,
na podłoże działa naprężenie ekwiwalentne do 4 m na-
sypu przeciążeniowego. Jeżeli rozważymy przebieg ścież-
ki naprężeń na płaszczyźnie dewiatorowej (p’, q) – rys.1,
przy założeniach słabej przepuszczalności gruntu, to dla

klasycznego przeciążenia nasypem ścieżka naprężeń efek-
tywnych podąża w stronę kryterium wytrzymałości gruntu
na ścinanie (punkty A–B). Dalsze układanie warstw nasypu
prowadzi do awarii i zniszczenia konstrukcji.

Podciśnieniowa konsolidacja

podłoża gruntowego

Rys. 1. Porównanie klasycznej metody konsolidacji z konsolidacją
podciśnieniową (MVC™)

Rys. 2. Wzrost spójności gruntu na skutek podciśnienia

Rys. 3. Porównanie klasycznej konsolidacji z konsolidacją podciśnieniową
Schemat systemu do konsolidacji podciśnieniowej MENARD Vacuum Con-
solidation™ (MVC™)

????????????????

???????????????????

2

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2008 (17)

Ścieżkę naprężeń dla konsolidacji podciśnieniowej wy-

znacza linia pomiędzy punktami A i C. Tak długo, jak
działa podciśnienie, zmiany w naprężeniach przebiegają
izotropowo –

3

2

1

σ

σ

σ

Δ

=

Δ

=

Δ

, co w efekcie prowa-

dzi do wzrostu wytrzymałości na ścinanie gruntu. Współ-
czynnik bezpieczeństwa, przy naprężeniach na linii A–C,
wzrasta podczas całego procesu konsolidacji. Podciśnienie
w warstwie gruntu pod membraną tworzy efekt sztuczne-
go wzrostu kohezji gruntu c

m

(rys. 2), dzięki czemu ro-

śnie wytrzymałość na ścinanie, przez co o wiele szybciej
można rozpocząć wykonywanie konstrukcji nasypu, bez
obawy utraty stateczności. Cogon opisał to obrazowym po-
równaniem: paczka kawy w opakowaniu próżniowym jest
bardziej sztywna niż ta sama paczka kawy poddana tylko
ciśnieniu atmosferycznemu. Dodatkowo izotropowość kon-
solidacji podciśnieniowej niweluje wypór gruntu na boki,
ograniczając tym samym zużycie materiału (rys. 3).

Procedura aplikacji konsolidacji podciśnieniowej

Zastosowanie metody konsolidacji podciśnieniowej wy-

maga na początku przygotowania podłoża pod wjazd cięż-
kich maszyn, które zainstalują dreny pionowe. W tym celu
należy nasypać warstwę piasku o odpowiedniej miąższo-
ści, która oprócz spełnienia roli platformy roboczej będzie
również warstwą drenującą. Następnie konstruuje się siat-
kę drenów poziomych, łączących dreny pionowe ze stacją

pomp. Granicę konsolidowanego terenu stanowi rów od-
wadniający wraz z wykopem wąsko przestrzennym, wypeł-
nionym bentonitem w celu wyizolowania terenu objętego
wzmocnieniem.

Ważnym punktem jest instalacja urządzeń pomiarowych

– piezometrów, inklinometrów, ciśnieniomierza oraz repe-
rów talerzowych. W ten sposób na bieżąco monitoruje się
postęp konsolidacji.

Pompowanie kończy się w chwili osiągnięcia projekto-

wanych osiadań lub zakładanych parametrów (wskaźnika
porowatości, wytrzymałości na ścinanie).

Rys. 4. Schemat systemu do konsolidacji podciśnieniowej MENARD Vacuum
Consolidation™ (MVC™)

Rok

Projekt

Obszar zastosowania

Kilient

Obszar konsolidacji

1988

Clemont Ferrand, Francja

Nasyp próbny

MENARD

1000

m

2

1990

Lomme-Sequedin, Francja

Galeria Handlowa

Fondasol/Danzas

8130

m

2

1990

DDE Gironde Ambes, Francja

Droga

CETE Bordeaux/ DOT

21106

m

2

1990

Calais Eurotunnel, Francja

Autostrada

SETEC/Eurotunnel

56909

m

2

1990

SAEPG Ambes, Francja

Magazyny paliw płynnych

Mecasol/SAEPG

17550

m

2

1991

Le Lamentin, Martynika

Terminal lotniczy

CEBTP/CCI

17692

m

2

1992

Le Lamentin, Martynika

Droga ekspresowa

BRGM/DOT

7805

m

2

1992

Ipoh-Gopeng, Malezja

Droga ekspresowa

Zaidun Leeng/PLUS

2600

m

2

1993

A837 Autostrada (faza I), Francja

Autostrada

LCPC/ ASF

44500

m

2

1994

Lubeck Port, Niemcy

Terminal kontenerowy

INROS/Port of Lubeck

22500

m

2

1994

A837 Autostrada (faza II), Francja

Autostrada

Scetauroute/ ASF

10000

m

2

1995

Khimae STP, Korea Południowa

System kanalizacji

KECC/City of Khimae

83580

m

2

1995

Kuching Port, Malezja

Terminal kontenerowy

Acer/Transfi eld

12000

m

2

1996

RN1-RD1, Guadelupa

Droga

CETE/DOT Fort de France

6150

m

2

1996

Khimae PS, Korea Południowa

Stacja pomp

KECC/City of Khimae

20000

m

2

1997

Wismar Port, Niemcy

Terminal kontenerowy

Sellin&Hacker/Port of Wismar

15000

m

2

1999

Quebec, Kanada

Drogi dojazdowe do mostu

QDOT

1000

m

2

1999

Jangyoo STP, Korea Południowa

Oczyszczalnia ścieków

KECC/City of Khimae

70000

m

2

2001

EPEC Power Plant, Tajlandia

Elektrownia

Seatec/ABB Alstom

30000

m

2

2001

EADS Hamburg, Niemcy

Fabryka lotnicza

IGB - Dr Maybaum/ EADS Airbus

238000

m

2

Tab. 1. Projekty w technologii konsolidacji podciśnieniowej (MVC™) 1988–2001

3 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2008 (17)

???????????

????????????????

Zastosowanie

Podczas ostatnich 17 lat firma Menard wykonała wie-

le projektów w technologii konsolidacji podciśnieniowej
(MVC™). Sukcesy przy pierwszych inwestycjach były moż-
liwe dzięki wielkiemu zaangażowaniu grupy specjalistów,
którzy bardzo szybko dostrzegli możliwości drzemiące
w tej technologii. Z każdą następną inwestycją konstru-
owanie stawało się łatwiejsze i szybsze, dzięki czemu kosz-
ty prac ziemnych i konstrukcyjnych uległy dużemu obniże-
niu. Przy pewnych projektach wyłącznie użycie technologii
konsolidacji próżniowej umożliwiło zrealizowanie inwesty-
cji, która w innych warunkach byłaby bardzo trudna bądź
nawet niemożliwa.

Dodatkowo, rozpatrując aspekt techniczno-ekonomicz-

ny, użycie podciśnienia do konsolidacji gruntów ściśliwych
prowadzi do rozwiązań tanich i bezpiecznych. Obszar za-
stosowania konsolidacji podciśnieniowej jest bardzo szero-
ki, poczynając od dróg, autostrad i obszarów pod różnego
rodzaju zbiorniki (paliw, materiałów sypkich) do konstruk-
cji wielkoobszarowych, takich jak terminale lotnicze czy
terminale portów kontenerowych. W tab. 1 zestawiono nie-
które inwestycje.

Konsolidacja podciśnieniowa na przykładzie

inwestycji na autostradzie A 837 (Francja) –

sekcja: Saintes – Rochefort

Całkowita długość sekcji wynosiła 37,5 km, w tym 10 km

przebiegało przez obszar bagienny, gdzie miąższość torfu
dochodziła nawet do 26 m (tab. 2). Kubatura gruntu pod-
danego konsolidacji podciśnieniowej – około 1 mln m

3

.

Dreny pionowe o średnicy 5 cm zainstalowano w odstę-

pach co 1,5 m (siatka kwadratowa) na obszarze 70 000m

2

.

Nie zdecydowano się na użycie nasypu przeciążające-

go – potrzebne naprężenie konsolidujące samo wywołało
wytworzenie się podciśnienia. Konstruowanie właściwego
korpusu nasypu odbywało się bezpośrednio na membranie
jeszcze podczas pompowania, aż do sumy zakładanej rzęd-
nej niwelety i spodziewanych osiadań.

Na rysunku 5 przedstawiono przebieg osiadań w czasie

trwania prac konstrukcyjnych. Pierwszą fazą było wyko-
nanie nasypu 1,5-metrowego, który oprócz spełnienia roli
warstwy drenującej stanowił stabilną platformę dla maszyn
instalujących dreny pionowe (rys. 6). W tym czasie zanoto-
wano pierwsze osiadania na poziomie 15–20 cm. Następnie
wykonano rów odwadniający (rys. 7). Dnia 23 lutego roz-
poczęto wytwarzanie podciśnienia. Jak można zauważyć,
od tej chwili prędkość osiadań znacznie wzrosła.

Tydzień po rozpoczęciu pompowania zaczęto wznosić nasyp

na projektowaną rzędną, którą osiągnięto 16 marca i utrzymy-
wano przez cały okres trwania konsolidacji podciśnieniowej.

Pompowanie przerwano po 6 miesiącach, osiągając za-

kładane przemieszczenia. Od tej chwili prowadzone po-
miary nie wykazywały dalszych osiadań gruntu. Na fot. 3
przedstawiono obszar inwestycji.

Wnioski

Technologia konsolidacji podciśnieniowej (MVC™) jest roz-

wiązaniem efektywnym do wzmocnienia wysoce ściśliwych
gruntów słabych także przy wysokim zwierciadle wody grun-
towej. Przy wydajności systemu sieci podciśnieniowej na po-
ziomie 80% praktycznie zastępuje on 4 m klasycznego nasypu
przeciążeniowego (w warunkach idealnych jest to 5 m). Przy-
toczone przykłady zrealizowanych z powodzeniem projektów
udowadniają, że teza zawarta we wstępie odnośnie efektywno-
ści, bezpieczeństwa i przyśpieszenia osiadań jest prawdziwa.
Korzyści te płyną z charakteru izotropowej konsolidacji w tech-
nologii MVC™ w stosunku do klasycznej konsolidacji nasypem
przeciążeniowym. Izotropowy charakter konsolidacji eliminuje
ryzyko wytworzenia się powierzchni poślizgu (współczynnik
stateczności wzrasta podczas pompowania – rys. 2, 3 i 4), co
umożliwia układanie kolejnych warstw nasypu bez przestojów
konsolidacyjnych pozwalających na dysypację ciśnienia w po-
rach gruntu.

Dodatkowym atutem jest eliminacja przemieszczeń poziomych,

przez co notuje się o wiele mniejsze zużycie materiału gruntowe-
go do wypełnienia powstałych osiadań. Ma to oczywiste znacze-
nie przy redukcji kosztów budowy nasypu drogowego.

Budowa wysokich nasypów na gruntach wysoce ściśli-

wych, nawet z użyciem drenów pionowych, może trwać la-

Obszar

Tonnay

Charente

Boutonne

Agnet

Miąższość warstwy gruntu

słabego

18 do 26 m

4 do 13 m

4 do 20 m

Niezdrenowana wytrzymałość

na ścięcie Su

17 kPa

15,7 kPa

13,5 kPa

Ściśliwość Cc

1,24

0,8

1,07

Projektowana wysokość

nasypu

2 m

5 do 8 m

6 m

Przewidywane osiadania

2 do 2,5 m

2,5 m max

2 m

Tab. 2. Warunki gruntowe na obszarze inwestycji

Rys. 5. Przebieg osiadań w czasie inwestycji

Fot. 1. Instalacja drenów pionowych

????????????????

???????????????????

4

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2008 (17)

tami. Związane jest to z potrzebą dzielenia budowy nasypu
na etapy, w których wysokość sypanej warstwy nasypu jest
determinowana wytrzymałością gruntu na ścinanie. Metoda
konsolidacji podciśnieniowej pozwala ten czas w dużym
stopniu ograniczyć (wzrost spójności gruntu – rys. 2).

W polskich warunkach spotyka się torfy oraz gytie

o miąższości 10–15 m. Dla nasypów o wysokości większej
niż 4 m metoda konsolidacji podciśnieniowej jest rozwiąza-
niem idealnym i trudno znaleźć alternatywę.

Klasyczny wypór nasypem wymaga dość dużej rezerwy mate-

riałowej (zużycie kruszywa jest dużo większe), a przede wszyst-
kim czasu. Przy wysokim zwierciadle wody gruntowej bardzo
problematyczne staje się zagęszczenie dolnych warstw nasypu
znajdujących się pod wodą (czasem wręcz niemożliwe).

Metoda Menard Vacuum Consolidation™ również wymaga cza-

su – zazwyczaj cały proces trwa ok. 6 miesięcy. Czas ten jednak
nie jest uzależniony w tak wysokim stopniu od parametrów grun-
tu, jak w przypadku metody klasycznej. Jednak praktyka poka-
zuje, że roboty ziemne na autostradach trwają ponad 1 rok i od-
powiednie planowanie od początku budowy nie wydłuży czasu
inwestycji.

Niewątpliwe atuty jakie niesie za sobą użycie konsolidacji pod-

ciśnieniowej do stworzenia solidnego podłoża gruntowego pod
konstrukcję spowoduje, że wkrótce w Polsce stanie się ona tak
popularna jak to ma miejsce we Francji, Koreii Południowej, Au-
stralii czy choćby u naszych sąsiadów – w Niemczech.

„

Fot. 2. Rów odwadniający

Fot. 3. Obszar inwestycji pod Tonnay Charente

autor

mgr inż. Krystian Binder

Menard Polska sp. z o.o.