2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA FUNDAMENTÓW PALOWYCH

2.1 PRZEKAZYWANIE OBCIĄŻEŃ PRZEZ PALE NA PODŁOŻE GRUNTOWE

Fundamenty palowe stosujemy, gdy:

1. W górnych obszarach podłoża zalegają grunty o małej nośności i dużej odkształcalności ( torfy, namuły, gytie, luźne nasypy )

2. Potrzebne jest przeniesienie dużych obciążeń skupionych w postaci sił pionowych, poziomych, momentów i /lub ich kombinacji ( podpory mostów, wieżowce, maszty, słupy wysokiego napięcia )

3. Warunku konstrukcyjne i/lub eksploatacyjne obiektu wymagają ograniczenia bezwzględnej wielkości osiadania lub różnicy osiadań

4. Potrzebne są stabilizacja, umocnienie, zabezpieczenie skarp, nasypów na podłożu odkształcalnym

5. W celu wzmocnienia istniejących, uszkodzonych fundamentów bezpośrednich i głębokich

Elementy niezbędne do prawidłowego zaprojektowania i wykonania fundamentu:

1. Rozpoznanie podłoża gruntowego w wystarczającej liczbie punktów badawczych, a przede wszystkim do głębokości zapewniającej bezpieczne projektowanie pali określonej długości

2. Wybór technologii pali

3. Wykonanie wariantowej analizy obliczeniowej

4. Przyjęcie i określenie szczegółowych warunków wykonania fundamentu palowego

5. Wykonanie badań kontrolnych nośności i jakości palowania, przeprowadzenie próbnych obciążeń statycznych, dynamicznych, ciągłości i długości pali

6. Kontrola powykonawcza całości posadowienia

Sposób przekazywania obciążeń na podłoże przez pale oraz krzywa obciążenie-osiadanie zależą od wielu czynników.

W odniesieniu do podłoża gruntowego są to:

1. Rodzaj gruntu

2. Naturalny stan naprężenia w podłożu

3. Poziom naprężenia pionowego i poziomego w sąsiedztwie pala przy możliwym nasypie lub głębokim wykopie w odniesieniu do pierwotnego poziomu terenu

4. Stan naprężenia w bezpośrednim sąsiedztwie podstawy i pobocznicy po wykonaniu pala

5. Występowanie gruntów pęczniejących ( np. iły plioceńskie, iły krakowieckie), zapadowych, zjawisk krasowych

6. Uziarnienie gruntu, ze szczególnym uwzględnieniem wskaźnika różnoziarnistości

7. Stopień wilgotności gruntu, stan nawodnienia, zmiany poziomu wód gruntowych

8. Wodoprzepuszczalność gruntu w otoczeniu pobocznicy i w rejonie podstawy

W odniesieniu do pala są to:

1. Rodzaj materiału pala

2. Rzeczywista szorstkość trzonu pala

3. Sposób wykonania pala ( pale wiercone, przemieszczeniowe, w rurze osłonowej, bez rury osłonowej, z iniekcją pod podstawą )

4. Średnica i długość pala

5. Możliwe odchyłki od projektowanej średnicy w zależności od rodzaju i stanu gruntu

6. Rodzaj zastosowanego urządzenia wprowadzającego pal ( młot wolnospadowy, młot spalinowy, młot hydrauliczny, wibromłot )

7. Szybkość, sposób wiercenia i zabezpieczenia otworu

8. Sposób betonowania, prędkość podawania betonu i ciśnienie w czasie betonowania

9. Jakość i konsystencja mieszanki betonowej

10. Czas betonowania po wykonaniu otworu

2.2 EKOLOGICZNE ASPEKTY ZASTOSOWANIA FUNDAMENTÓW NA PALACH

Oddziaływania niekorzystne dla środowiska naturalnego:

1. Wbijanie w podłoże różnych elementów ( pali żelbetowych i stalowych, ścianek osłonowych )

2. Wykonywanie pali wierconych, studni, ścian szczelinowych połączone z wydobywaniem gruntu na powierzchnię terenu

3. Pogrążanie różnych elementów konstrukcyjnych za pomocą młotów i wibratorów wywołujących hałas, drgania i wibracje

4. Ulepszanie podłoża gruntowego za pomocą technik wibracyjnych i dynamicznych

5. Zastosowanie wybuchów i mikrowybuchów do ulepszania podłoża

Technologie „ekologiczne” powinny uwzględniać m.in.:

1. Przemieszczanie gruntu na boki w czasie wykonywania pali, dogęszczanie podłoża

2. Technologie niepowodujące wydobywania gruntu na powierzchnię

3. Możliwość pozostawienia gruntów w miejscu ich naturalnego zalegania

4. Znaczące ograniczenie lub eliminację transportu gruntów słabonośnych, co zmniejsza ruch samochodów ciężarowych

5. Technologie pali niewywołujące drgań, wstrząsów, wibracji, hałasu

6. Właściwy dobór rozwiązań technicznych zapewniający duże tempo robót

Cechy nowoczesnych technologii:

1. Pewność wykonania, dobre zespolenie pobocznicy i podstawy pala z podłożem gruntowym

2. Ciągłość wykonania – bez przerw i przewężeń

3. Przemieszczany grunt powinien pozostać w podłożu

4. Czas wykonania jednego pala nie powinien być dłuższy niż 15-30 minut

5. Niewystępowanie drgań, wstrząsów i hałasu ( szczególnie ważne w terenie zabudowanym )

6. Możliwość wprowadzenia zbrojenia na części lub na całej długości pala

7. Zapewnienia wymaganej klasy betonu pod względem wytrzymałości

8. Możliwość pokonania dużych oporów w gruncie przy wierceniu

3. METODY WYKONYWANIA PALI

Podział fundamentów palowych:

• Pale prefabrykowane ( gotowe elementy ) – drewniane, żelbetowe, stalowe, żeliwne wprowadzane w podłoże za pomocą różnych technik ( np. wbijania, wwibrowywania, wciskania, wkręcania lub kombinacji tych technik )

• Pale monolityczne ( wykonywane w gruncie ) – żelbetowe lub betonowe ( wykonane jako wiercone, wbijane z rurą wyciąganą, wkręcane bez stosowania rury osłonowej )

Inny podział ( zgodnie z dwoma wykonawczymi normami europejskimi ):

• Pale przemieszczeniowe

• Pale wiercone

3.1 PALE WBIJANE

3.1.1 Prefabrykowane żelbetowe pale wbijane

Zalety:

• Szybkość wykonania ( 200-350 metrów pali dziennie za pomocą jednej palownicy )

• Znaczna długość pali ( dla pali łączonych do 45 metrów )

• Łatwość dostosowania aktualnej długości do lokalnych warunków

• Wysokiej klasy beton zapewniający dobrą sprężystość pala

• Brak potrzeby wydobywania gruntów na powierzchnię i ich wywiezienia

• Możliwość wykonania pali nachylonych w dużym zakresie pochylenia

• Możliwość kontynuacji robót i obciążenia pali bezpośrednio po ich wbiciu w podłoże

• Dobra praca pali na wyciąganie umożliwiająca doprowadzenie zbrojenia do końca pala

• Przejrzysta możliwość kontroli

• Całkowita niezależność od warunków pogodowych

• Umożliwiają dogęszczenie podłoża gruntowego ( jako pale w pełni przemieszczeniowe )

Etapy wykonania:

• Wbijanie pala w grunt za pomocą młota wolnospadowego, spalinowego lub hydraulicznego

• Pogrążanie elementów pala na żądaną głębokość

• Podstawienie pala pod kafar

• Łączenie elementów pala w przypadku pali łączonych

• Rozkucie głowicy, odsłonięcie zbrojenia w celu połączenia z konstrukcją oczepu

3.1.3 Pale Vibro-Fundex, Vibrex, Fundex

Etapy wykonania pali Vibro – Fundex

• Wbicie stalowej rury z uszczelnioną podstawą na projektowaną głębokość za pomocą młota spalinowego lub hydraulicznego

• Wprowadzenie zbrojenia do suchego wnętrza rury

• Wypełnienia rury betonem

• Wyciągnięcie rury wibratorem ( stalowa podstawa pozostaje w podłożu )

Największa zaleta pali Vibro – Fundex to duża nośność przy małym osiadaniu

Etapy wykonania pali Vibrex ( Super Vibrex )

• Wbicie stalowej rury z uszczelnioną podstawą na projektowaną głębokość za pomocą młota spalinowego lub hydraulicznego

• Wprowadzenie zbrojenia do suchego wnętrza rury

• Wypełnienia rury betonem

• Wyciągnięcie rury na wysokość 1,5-3,0 przy równoczesnym wibrowaniu

• Uzupełnienie wypełnienia rury betonem

• Powtórne wbijanie rury do poprzedniej głębokości

• Operację powtórnego dobijania można powtarzać kilkakrotnie

• Wyciągnięcie rury wibratorem

Te operacje umożliwiają formowanie poszerzonego trzonu pala na określonej długości

Podczas wykonania pali Fundex rura jest wkręcana i wciskana ( brak drgań i wibracji ) na projektowaną głębokość, do pogrążania wykorzystuje się siłę nacisku do 200kN oraz moment obrotowy do 500 kNm

3.2 PALE WYKONYWANE BEZ RUR OSŁONOWYCH PRZY UŻYCIU ŚWIDRÓW PRZEMIESZCZENIOWYCH

3.2.1 Pale formowane świdrem ciągłym – CFA

Etapy wykonania pali CFA:

• Wwiercenie w grunt ciągłego świdra ślimakowego na pełną długość pala ( grunt jest rozpychany na boki)

• Podczas podciągania świdra ( bez obrotów ) przez przewód rdzeniowy jest tłoczony pod ciśnieniem beton ( część grunt jest wyciągany na powierzchnię terenu ) - specjalnie dobrana mieszanka betonowa powinna wypełniać całkowicie przestrzeń pod świdrem )

• Bezpośrednio po betonowaniu wprowadzane jest zbrojenie za pomocą urządzenia wibracyjnego

Stopień rozluźnienia gruntu w rejonie pali CFA zależy od:

• Rodzaju gruntu

• Stanu wyjściowego zagęszczenia podłoża gruntowego

• Uwarstwienia podłoża

• Kolejności położenia warstw gruntu niespoistego i/lub spoistego

• Parametrów danej technologii

Beton powinien jak najdłużej zachować swoją konsystencję. Można to uzyskać dzięki:

• Maksymalnej płynności betonu w stanie wyjściowym

• Małej wodoprzepuszczalności świeżego betonu

• Stosowaniu specjalnych dodatków do przygotowanej mieszanki betonowej przeciwdziałających odsączaniu się wody zarobowej

Kontrola wykonania pala CFA powinna obejmować pomiary:

• Momentu obrotowego wywieranego na świder ( kNm)

• Prędkości obrotowej świdra ( Obr/min )

• Prędkości zagłębiania świdra ( m/h)

• Ciśnienia podawania mieszanki betonowej ( kPa )

• Prędkości podnoszenia świdra ( m/h )

3.2.2 Pale Starsol

Odpowiadają technologii CFA, jednak posiadają znaczącą modyfikację – zastosowano w nich podwójną rurę rdzeniową, która umożliwia utrzymywanie dolnej części rury zanurzonej około 1 m w betonie. W początkowej fazie betonowania podciągany jest tylko świder ślimakowy, końcówka głównego przewodu rdzeniowego jest dociskana do gruntu pod podstawą pala przeciwdziałając rozluźnieniu gruntu. Dzięki tej modyfikacji eliminowane jest niebezpieczeństwo obwałów.

Typowe wymiar: średnica 0,4 - 1,0 m ; długość do 20 metrów

3.2.7 Pale Omega i CG Omega

Typowe wymiary: Średnica 310 – 610 mm; długość do 32 metrów

Etapy wykonania pali Omega są takie same jak dla pali CFA z tą różnicą, że podczas wyciągania świdra grunt nie jest wyciągany na powierzchnię. Umożliwia to specjalna konstrukcja świdra dzięki której grunt jest rozpychany zarówno przy wkręcaniu świdra jak i jego wyciąganiu.

• Wwiercenie w grunt ciągłego świdra na pełną długość pala ( grunt jest rozpychany na boki)

• Podczas podciągania świdra ( obrót w tę samą stronę co przy zagłębieniu ) przez przewód rdzeniowy jest tłoczony pod ciśnieniem beton ( grunt jest rozpychany na boki) - specjalnie dobrana mieszanka betonowa powinna wypełniać całkowicie przestrzeń pod świdrem )

• Bezpośrednio po betonowaniu wprowadzane jest zbrojenie za pomocą urządzenia wibracyjnego

Elementy charakteryzujące wykonanie pali Omega:

• Zastosowanie świdra osadzonego na rurowym przewodzie rdzeniowym i całkowite wyeliminowanie rurowania

• Pełne przemieszczanie gruntu na boki podczas wkręcania i podnoszenia świdra

• Ciągły, pewny proces betonowania pod ciśnieniem

• Bardzo dobre zespolenie szorstkiej pobocznicy pala wymuszające ścianie grunt-grunt

• Podwyższony opór tarcia na pobocznicy spowodowany elementami technologii

• Duża wydajność wykonywania, około 15-30 minut na pal

• Zbrojenie pala może być umieszczone po betonowaniu lub przed betonowaniem

• Brak wibracji, hałasu, wstrząsów

• Możliwość pokonania znacznych oporów w czasie wiercenia

• Dobra praca w podłożu, zależność obciążenie – osiadanie jest korzystniejsza niż 3.1.1

Etapy wykonania pali CG Omega

• Wwiercenie w grunt ciągłego świdra na pełną długość pala ( grunt jest rozpychany na boki)

• Podczas podciągania świdra ( obrót w tę samą stronę co przy zagłębianiu ) przez przewód rdzeniowy jest tłoczony pod ciśnieniem beton ( grunt jest rozpychany na boki) - specjalnie dobrana mieszanka betonowa powinna wypełniać całkowicie przestrzeń pod świdrem )

• Wtórne pogrążenie świdra w świeżym betonie umożliwiające poszerzenie podstawy pala i pobocznicy na wybranej długości

• Bezpośrednio po betonowaniu wprowadzane jest zbrojenie za pomocą urządzenia wibracyjnego

3.2.8 Pale Atlas

Są to pale wkręcane w grunt z wciskaniem

Etapy wykonania pali Atlas:

• Wwiercenie w grunt ciągłego świdra na pełną długość pala ( grunt jest rozpychany na boki)

• Wprowadzenie zbrojenia poprzez przewód rdzeniowy do dna otworu

• Pod czas podciągania świdra ( obrót w odwrotną stronę niż przy zagłębianiu ) przez przewód rdzeniowy podawany jest beton

• Po wyciągnięciu świdra pal jest gotowy ( powstaje charakterystyczna karbowana pobocznica )

3.2.11 Stosowane świdry przemieszczeniowe

Technologia pali bez rury osłonowej przy zastosowaniu świdrów przemieszczeniowych jest bardzo popularna i efektywna.

Warianty stosowanych świdrów tego systemu – Atlas, Omega, Fundex, Olivier, Screwsol, de Wall, APGD, SVB, SVV, SDP, FDP ( rys. str.81 )

3.3 PALE WIERCONE WIELKOŚREDNICOWE

Typowe wymiary: średnica 0,6 – 3,0 metra ( w Polsce do 1,8 ), długość 10-40, mogą być pionowe lub nachylone ( nachylenia – 20:1, 10:1, 7:1

Rozwiązania technologiczne:

• Pale wiercone bez rury osłonowej ( wiercenie otworu ->oczyszczenie dna otworu -> wprowadznie zbrojenia -> zalanie betonem )

• Pale wiercone w zawiesinie bentonitowej lub polimerowej ( wiercenie otworu w zawiesinie bentonitowej -> dalej ta samo )

• Pale wiercone w rurze osłonowej wwibrowywanej ( wprowadzenie rury bez dna urządzeniem wibracyjnym -> wywiercenie otworu w wodzie -> czyszczenie dna otworu -> wprowadzenie zbrojenia -> zalanie betonem -> wyjęcie rury osłonowej )

• Pale wiercone w rurze osłonowej ( wraz z wprowadzaniem rury następuje wiercenie otworu -> dalej tak samo )

Niedoskonałości technologii powodują:

• Rozluźnienie gruntu

• Zmiany stanu gruntu

• Niekontrolowany napływ wody gruntowej

• Ujemne działanie ciśnienia spływowego

• Odprężenie podłoża

• Zmniejszenie składowej poziomej i pionowej parcia

• Zmianę ciśnienia wody w porach gruntu

3.4 PALE WIERCONE Z INIEKCJĄ POD PODSTAWĄ I NA POBOCZNICY

3.4.1 Iniekcja pod podstawą pali

Iniekcję stosuję się w celu zmniejszenia osiadań i zwiększenia nośności pala. Iniekcja to wstępne naprężenie gruntu bezpośrednio pod podstawą, po wykonaniu pala

Stan zmiany naprężenia i stopień rozluźnienia zależy m.in. od:

• Zastosowanej technologii

• Rodzaju gruntu

• Przestrzegania odpowiednich zasad wiercenia ( np. utrzymywanie nadciśnienia wody wewnątrz rury )

• Rodzaju użytych narzędzi wiertniczych

• Dokładności oczyszczenia dna otworu wiertniczego

Rodzaje iniekcji pod podstawą pali wierconych stosowane w Polsce:

• Metoda sztywnej komory iniekcyjnej ( silnie obciążone obiekty przemysłowe i mostowe )

• Metoda iniekcji bezpośredniej, bezkomorowa ( obiekty typu mostowego )

• Metoda elastycznej komory z geotkaniny ( dla pali posadowionych w gruntach niespoistych )

Parametry iniekcji:

• Maksymalne ciśnienie iniekcji ( MPa )

• Objętość wtłoczonego iniektu ( m2 )

• Podniesienie głowicy pala przy ciśnieniu maksymalnym ( mm )

• Całkowity czas iniekcji ( min )