????????????????
???????????
Podciśnieniowa konsolidacja
podłoża gruntowego
echnologia konsolidacji podciśnieniowej jest al- klasycznego przeciążenia nasypem ścieżka naprężeń efek-
ternatywnym rozwiązaniem problemu wzmocnie- tywnych podąża w stronę kryterium wytrzymałości gruntu
Tnia słabego podłoża gruntowego w stosunku do na ścinanie (punkty A B). Dalsze układanie warstw nasypu
klasycznej konsolidacji nasypem wraz z przeciążeniem prowadzi do awarii i zniszczenia konstrukcji.
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.
Rys. 1. Porównanie klasycznej metody konsolidacji z konsolidacją
podciśnieniową (MVC"!)
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:
�T = ł �" z + ł �" h + Pa = � + Pa  wzrost naprężeń całkowitych,
f t
a na ciśnienie w porach gruntu  przy założeniu całkowite-
go drenażu: uT =ł �" z + Pa = ut + Pa .
w
Rys. 2. Wzrost spójności gruntu na skutek podciśnienia
Po zsumowaniu otrzymujemy naprężenia efektywne w po-
staci wyrażenia: � '= �T - uT = � - ut = ł '�"z + ł �" h
t f
Dla konsolidacji podciśnieniowej, zakładając efektywność
systemu próżniowego na poziomie 80%, otrzymujemy:
�T =ł �" z + Pa  wyrażenie dla naprężeń całkowitych,
uT = ł �" z + Pa - 0,8Pa = ł �" z + 0,2Pa  wyrażenie na ciśnie-
w w
nie wody w porach, i ostatecznie po zsumowaniu:
� '= �T - uT = ł '�"z + Pa - 0,2Pa = ł '�"z + 0,8Pa  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-
Rys. 3. Porównanie klasycznej konsolidacji z konsolidacją podciśnieniową
sypu przeciążeniowego. Jeżeli rozważymy przebieg ścież-
Schemat systemu do konsolidacji podciśnieniowej MENARD Vacuum Con-
ki naprężeń na płaszczyz
nie dewiatorowej (p , q)  rys.1,
solidation"! (MVC"!)
przy założeniach słabej przepuszczalności gruntu, to dla
1 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17)
???????????????????
????????????????
Rok Projekt Obszar zastosowania Kilient Obszar konsolidacji
1988 Clemont Ferrand, Francja Nasyp próbny MENARD 1000 m2
1990 Lomme-Sequedin, Francja Galeria Handlowa Fondasol/Danzas 8130 m2
1990 DDE Gironde Ambes, Francja Droga CETE Bordeaux/ DOT 21106 m2
1990 Calais Eurotunnel, Francja Autostrada SETEC/Eurotunnel 56909 m2
1990 SAEPG Ambes, Francja Magazyny paliw płynnych Mecasol/SAEPG 17550 m2
1991 Le Lamentin, Martynika Terminal lotniczy CEBTP/CCI 17692 m2
1992 Le Lamentin, Martynika Droga ekspresowa BRGM/DOT 7805 m2
1992 Ipoh-Gopeng, Malezja Droga ekspresowa Zaidun Leeng/PLUS 2600 m2
1993 A837 Autostrada (faza I), Francja Autostrada LCPC/ ASF 44500 m2
1994 Lubeck Port, Niemcy Terminal kontenerowy INROS/Port of Lubeck 22500 m2
1994 A837 Autostrada (faza II), Francja Autostrada Scetauroute/ ASF 10000 m2
1995 Khimae STP, Korea Południowa System kanalizacji KECC/City of Khimae 83580 m2
1995 Kuching Port, Malezja Terminal kontenerowy Acer/Transfield 12000 m2
1996 RN1-RD1, Guadelupa Droga CETE/DOT Fort de France 6150 m2
1996 Khimae PS, Korea Południowa Stacja pomp KECC/City of Khimae 20000 m2
1997 Wismar Port, Niemcy Terminal kontenerowy Sellin&Hacker/Port of Wismar 15000 m2
1999 Quebec, Kanada Drogi dojazdowe do mostu QDOT 1000 m2
1999 Jangyoo STP, Korea Południowa Oczyszczalnia ścieków KECC/City of Khimae 70000 m2
2001 EPEC Power Plant, Tajlandia Elektrownia Seatec/ABB Alstom 30000 m2
2001 EADS Hamburg, Niemcy Fabryka lotnicza IGB - Dr Maybaum/ EADS Airbus 238000 m2
Tab. 1. Projekty w technologii konsolidacji podciśnieniowej (MVC"!) 1988 2001
Ścieżkę naprężeń dla konsolidacji podciśnieniowej wy-
znacza linia pomiędzy punktami A i C. Tak długo, jak
działa podciśnienie, zmiany w naprężeniach przebiegają
izotropowo  , co w efekcie prowa-
"�1 = "� = "�
2 3
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 (rys. 2), dzięki czemu ro-
m
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
Rys. 4. Schemat systemu do konsolidacji podciśnieniowej MENARD Vacuum
bardziej sztywna niż ta sama paczka kawy poddana tylko
Consolidation"! (MVC"!)
ciśnieniu atmosferycznemu. Dodatkowo izotropowość kon-
solidacji podciśnieniowej niweluje wypór gruntu na boki, pomp. Granicę konsolidowanego terenu stanowi rów od-
ograniczając tym samym zużycie materiału (rys. 3). wadniający wraz z wykopem wąsko przestrzennym, wypeł-
nionym bentonitem w celu wyizolowania terenu objętego
Procedura aplikacji konsolidacji podciśnieniowej wzmocnieniem.
Zastosowanie metody konsolidacji podciśnieniowej wy- Ważnym punktem jest instalacja urządzeń pomiarowych
maga na początku przygotowania podłoża pod wjazd cięż-  piezometrów, inklinometrów, ciśnieniomierza oraz repe-
kich maszyn, które zainstalują dreny pionowe. W tym celu rów talerzowych. W ten sposób na bieżąco monitoruje się
należy nasypać warstwę piasku o odpowiedniej miąższo- postęp konsolidacji.
ści, która oprócz spełnienia roli platformy roboczej będzie Pompowanie kończy się w chwili osiągnięcia projekto-
również warstwą drenującą. Następnie konstruuje się siat- wanych osiadań lub zakładanych parametrów (wskaz
nika
kę drenów poziomych, łączących dreny pionowe ze stacją porowatości, wytrzymałości na ścinanie).
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17) 2
????????????????
???????????
Tonnay
Obszar Boutonne Agnet
Charente
Miąższość warstwy gruntu
18 do 26 m 4 do 13 m 4 do 20 m
słabego
Niezdrenowana wytrzymałość
17 kPa 15,7 kPa 13,5 kPa
na ścięcie Su
Ściśliwość Cc 1,24 0,8 1,07
Projektowana wysokość
2 m 5 do 8 m 6 m
nasypu
Przewidywane osiadania 2 do 2,5 m 2,5 m max 2 m
Tab. 2. Warunki gruntowe na obszarze inwestycji
Zastosowanie
Podczas ostatnich 17 lat firma Menard wykonała wie-
Rys. 5. Przebieg osiadań w czasie inwestycji
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 bądz

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 Fot. 1. Instalacja drenów pionowych
terminale portów kontenerowych. W tab. 1 zestawiono nie-
które inwestycje. Pompowanie przerwano po 6 miesiącach, osiągając za-
kładane przemieszczenia. Od tej chwili prowadzone po-
Konsolidacja podciśnieniowa na przykładzie miary nie wykazywały dalszych osiadań gruntu. Na fot. 3
inwestycji na autostradzie A 837 (Francja)  przedstawiono obszar inwestycji.
sekcja: Saintes  Rochefort
Całkowita długość sekcji wynosiła 37,5 km, w tym 10 km Wnioski
przebiegało przez obszar bagienny, gdzie miąższość torfu Technologia konsolidacji podciśnieniowej (MVC"!) jest roz-
dochodziła nawet do 26 m (tab. 2). Kubatura gruntu pod- wiązaniem efektywnym do wzmocnienia wysoce ściśliwych
danego konsolidacji podciśnieniowej  około 1 mln m3. gruntów słabych także przy wysokim zwierciadle wody grun-
Dreny pionowe o średnicy 5 cm zainstalowano w odstę- towej. Przy wydajności systemu sieci podciśnieniowej na po-
pach co 1,5 m (siatka kwadratowa) na obszarze 70 000m2. ziomie 80% praktycznie zastępuje on 4 m klasycznego nasypu
Nie zdecydowano się na użycie nasypu przeciążające- przeciążeniowego (w warunkach idealnych jest to 5 m). Przy-
go  potrzebne naprężenie konsolidujące samo wywołało toczone przykłady zrealizowanych z powodzeniem projektów
wytworzenie się podciśnienia. Konstruowanie właściwego udowadniają, że teza zawarta we wstępie odnośnie efektywno-
korpusu nasypu odbywało się bezpośrednio na membranie ści, bezpieczeństwa i przyśpieszenia osiadań jest prawdziwa.
jeszcze podczas pompowania, aż do sumy zakładanej rzęd- Korzyści te płyną z charakteru izotropowej konsolidacji w tech-
nej niwelety i spodziewanych osiadań. nologii MVC"! w stosunku do klasycznej konsolidacji nasypem
Na rysunku 5 przedstawiono przebieg osiadań w czasie przeciążeniowym. Izotropowy charakter konsolidacji eliminuje
trwania prac konstrukcyjnych. Pierwszą fazą było wyko- ryzyko wytworzenia się powierzchni poślizgu (współczynnik
nanie nasypu 1,5-metrowego, który oprócz spełnienia roli stateczności wzrasta podczas pompowania  rys. 2, 3 i 4), co
warstwy drenującej stanowił stabilną platformę dla maszyn umożliwia układanie kolejnych warstw nasypu bez przestojów
instalujących dreny pionowe (rys. 6). W tym czasie zanoto- konsolidacyjnych pozwalających na dysypację ciśnienia w po-
wano pierwsze osiadania na poziomie 15 20 cm. Następnie rach gruntu.
wykonano rów odwadniający (rys. 7). Dnia 23 lutego roz- Dodatkowym atutem jest eliminacja przemieszczeń poziomych,
poczęto wytwarzanie podciśnienia. Jak można zauważyć, przez co notuje się o wiele mniejsze zużycie materiału gruntowe-
od tej chwili prędkość osiadań znacznie wzrosła. go do wypełnienia powstałych osiadań. Ma to oczywiste znacze-
Tydzień po rozpoczęciu pompowania zaczęto wznosić nasyp nie przy redukcji kosztów budowy nasypu drogowego.
na projektowaną rzędną, którą osiągnięto 16 marca i utrzymy- Budowa wysokich nasypów na gruntach wysoce ściśli-
wano przez cały okres trwania konsolidacji podciśnieniowej. wych, nawet z użyciem drenów pionowych, może trwać la-
3 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 znalez
ć 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
Fot. 2. Rów odwadniający
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.
mgr inż. Krystian Binder
Menard Polska sp. z o.o.
autor
Fot. 3. Obszar inwestycji pod Tonnay Charente
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2008 (17) 4