Skuteczność wzmacniania słabych podłoży metodą udarową oraz przez statyczne przeciążenie i odciążenie
Metoda udarowego zagęszczania podłoża
Ulepszanie słabych gruntów metodami dynamicznymi charakteryzuje się prostotą, skutecznością i niedużymi kosztami realizacji. Istota tych metod polega na swobodnym spadaniu ciężkiego ubijaka z dużej wysokości, po odczepieniu od podnoszącego urządzenia dźwigowego, wprost na powierzchnię terenu. Uderzenie takie wybija krater, a kolejne uderzenia pogłębiają go zagęszczając usytuowaną pod nim bryłę gruntów w kształcie elipso-podobnym. Kolejne miejsca uderzeń rozmieszcza się w takich odstępach, by zagęszczone bryły gruntu zachodziły na siebie (por. rys. 1). Po wykonaniu głównej operacji zagęszczania powstałe kratery wypełnia się dowiezionym gruntem zagęszczalnym lub wyrównuje spycharką. Całą przypowierzchniową niedogęszczoną strefę poddaje się tzw. prasowaniu przez udary z małej wysokości, techniką "miejsce przy miejscu". Prawie wszystkie publikacje, dotyczące wzmacniania gruntu udarami o dużej energii, rozpoczynają się od przywoływania L. Ménarda, który w latach 70. opatentował dynamiczną metodę wzmacniania gruntów. Duże wrażenie robią zawsze informacje o stosowaniu przez Ménarda 200-tonowych ubijaków, spadających swobodnie z wysokości 30 m. Taka energia doprowadzała do wzmocnienia podłoży nawet na głębokości 40 m, np. na budowie lotniska w Nicei. W Polsce początkowo zastosowano nieduże ubijaki o masie 3÷5 t., zrzucane z wysokości 5÷10 m [6, 7, 8, 9]. W wielu innych praktycznych zastosowaniach [12, 13, 14] wykorzystywano ubijaki 10-tonowe, zrzucane z wysokości 10 m przy zastosowaniu dźwigu KU-1207 Unikop. Ta sama maszyna po adaptacji może zrzucać z wysokości 16 m ubijak o masie do 15 t. [2, 23].
Charakterystyczne skutki działania dużych udarów na słabe podłoże
Zjawiska, zachodzące podczas dynamicznego zagęszczenia nasypowego podłoża, można przeanalizować na przykładzie niemieckich badań wykonanych dla potrzeb poprowadzenia drogi przez zwałowisko kopalni odkrywkowej [5]. Na rys. 1 przedstawiono pomierzone efekty oddziaływania udarów od ubijaka o masie m = 10,5 tony, zrzucanego z wysokości H = 9,5 m na nasypowe podłoże piaszczysto-gliniaste (ok. 30% pyłów, glin i węgla brunatnego). Wykonane tu sondowania lekką sondą dynamiczną wykazały zasięg oddziaływań do głębokości 7 m, przy wyraźnym wzroście zagęszczenia w górnej części nasypu do głębokości ok. 4 m. Spadający ubijak - po 6 udarach - utworzył kawerny o głębokości do 1 m. Na tym etapie robót widoczne jest znaczne przypowierzchniowe rozluźnienie pomiędzy kawernami, sięgające do głębokości ok. 0,6 m. Od głębokości ok. 1,50 m wzrost zagęszczenia występuje w całym podłożu, także w przestrzeniach między miejscami uderzeń. Uzyskanie w tych badaniach zasięgu wzmocnienia h = 7,0 m oznacza, że we wzorze Ménarda: przy: h = 9,5 m i m = 10,5 tony, współczynnik k wynosi 0,7. Rodzaje metod dynamicznych Zależnie od rodzaju wzmacnianego słabego podłoża oraz od wielkości zastosowanej energii udarów, można rozróżnić dwie metody:
- Zwyczajne zagęszczanie udarowe, stosowane przy gruntach niespoistych (piaski, żwiry), gruntach nienasyconych, podłożach o bardzo porowatej strukturze (na przykład zwałowiska oraz wysypiska: żużla, śmieci i różnego rodzaju odpadów). W języku angielskim metoda ta określana jest jako "Dynamic Compaction" (zagęszczanie dynamiczne).
- Dynamiczne wzmacnianie gruntów o małej i średniej przepuszczalności (także gruntów spoistych), bardzo wilgotnych lub nasyconych wodą, nazywana w terminologii angielskiej "Dynamic Consolidation" (konsolidacja dynamiczna).
Nazewnictwo angielskie pozwala dobrze uchwycić różnicę w obu metodach. Przeprowadzanie konsolidacji dynamicznej w nawodnionym spoistym podłożu wymaga zastosowania bardzo dużych energii udarów i specjalnego sposobu jej przekazywania; koniecznym jest działanie etapowe - z przerwami na rozproszenie ciśnienia porowego. Największą wadą konsolidacji dynamicznej nawodnionych gruntów spoistych jest dość długi czas oczekiwania na efekty. Jest on jednak zdecydowanie krótszy niż w przypadku konsolidacji pod obciążeniem statycznym. Sprawiają to osobliwe zjawiska towarzyszące ciężkiemu ubijaniu: przyśpieszenie filtracji w wyniku rozprężania pęcherzyków powietrza sprężonych impulsami oraz tworzenie sieci dodatkowych kanalików wskutek niszczenia struktury gruntu przez udary. Zakres zastosowania dynamicznej konsolidacji omija niestety torfy. Specyficzne właściwości torfów (duża ściśliwość, mała wytrzymałość, mała gęstość objętościowa szkieletu) powodują, że przez dynamiczną konsolidację nie można uczynić z torfów gruntów nośnych. W takich przypadkach potrzebne wzmocnienie podłoża można uzyskać przez wykonanie dynamicznej wymiany, polegającej na formowaniu w słabym podłożu kolumn kamiennych przy wykorzystaniu sprzętu i techniki ciężkiego ubijania. W tym rozwiązaniu krater zapełnia się materiałem gruboziarnistym o ziarnach 20÷100 mm i więcej (tłuczeń, nadziarno, rumosz, żużel hutniczy, odpad pomiedziowy, przepalony łupek itp.). Kolejnymi uderzeniami wbija się cały materiał w podłoże i zapełnia krater nową porcją. Końcowym produktem takiego wzmocnienia są kolumny kamienne o nieregularnym kształcie i średnicy większej od średnicy ubijaka. Szczegółowe dane o technologii i warunkach wykonywania oraz o właściwościach kolumn formowanych metodą dynamiczną można znaleźć w specjalistycznej literaturze [1, 3, 9, 11, 22, 23].
Sposoby kontroli skuteczności wzmocnienia podłoża metodą udarów
Wzmacnianie gruntu metodą konsolidacji dynamicznej polega na zagęszczeniu, tj. na nieodwracalnym zmniejszeniu porowatości ośrodka. Jego globalną miarę stanowi sumaryczna pojemność kraterów, powiększona lub pomniejszona o zmianę objętości gruntu, wynikającą z przemieszczeń (osiadania lub podniesienia) powierzchni między kraterami po zakończeniu zabiegu prasowania. Taką miarę skuteczności nazwano efektywnością konsolidacji dynamicznej [3], która poglądowo przedstawia objętość powietrza usuniętego z zagęszczonego gruntu. Po wykonanym wzmocnieniu przeprowadza się badania kontrolne w celu określenia parametrów geotechnicznych podłoża. Wybór rodzaju takich badań jest uzależniony od badanego podłoża oraz od oczekiwań jakościowych stawianych mu po wzmocnieniu. Możliwymi do zastosowania są:
- sondowania dynamiczne,
- sondowania statyczne,
- badania presjometryczne,
- próbne obciążenia przy użyciu sztywnej płyty o wymiarach 1,0 x 1,0 m lub większych,
- próbne obciążenia płytą VSS,
- badania ugięciomierzem dynamicznym.
Zastosowanie sond dynamicznych jest dość oczywiste - do zbadania stopnia zagęszczenia - przy badaniu podłoży z mineralnych gruntów niespoistych. Natomiast w nasypach z odpadami (żużlem, gruzem, śmieciami itp.) mierzone opory wbijania nie są tożsame z zagęszczeniem ośrodka i takie sondowania można wówczas traktować jedynie jako rozpoznanie jakościowe. Należy uwzględnić, że zastosowanie do próbnego obciążenia płyty VSS o średnicy 30 cm dostarczy informacji tylko o wierzchniej, ok. 60 cm warstwie podłoża. Podobną głębokość zasięgu pomiarowego ma ugięciomierz dynamiczny, mierzący moduł dynamiczny podłoża, który (po kalibracji) można interpretować jako pomocniczy parametr służący do szybkiego określenia zagęszczenia i nośności górnej warstwy podłoża. Próbne obciążenia - wykonane na wzmocnionym podłożu z zastosowaniem sztywnej płyty (stalowej lub żelbetowej), o wymiarach co najmniej 1,0 x 1,0 m - dostarczają informacji o nośności i odkształcalności górnej części podłoża. Badania takie można wykonać metodą balastową, wykorzystując jako obciążenie żelbetowe ubijaki lub betonowe płyty drogowe. Można też obciążyć płytę siłownikiem hydraulicznym podłożonym pod odpowiedni balast.
Badania kontrolne drgań wywołanych dynamicznym wzmacnianiem podłoża
Ograniczeniem stosowania metod udarowych jest bliskie sąsiedztwo istniejących obiektów budowlanych ze względu na wpływ drgań na ich konstrukcję. Przed rozpoczęciem ubijania należy sprawdzić pomiarami czy przyspieszenie drgań [m/s2] nie przekracza wartości ustalonych w normie PN-85/B-02170. W tym celu należy miernik drań przytwierdzić do konstrukcji obiektu i wykonać testujące uderzenia z różnych wysokości w miejscu najbliższym projektowanego obszaru zagęszczenia.
Wyniki zarejestrowanych przyspieszeń umożliwiają:
- określenie sposobu propagacji fal sprężystych w podłożu, wywołanych procesem dynamicznego wzmacniania,
- określenie obszarów wpływów dynamicznych i podanie bezpiecznej odległości źródła wymuszenia od obiektu.
Aby efektywnie zmniejszyć dynamiczne oddziaływanie na budowlę, można:
- wytłumić fale powierzchniowe, odcinając obiekt od źródła drgań rowem o głębokości min. 1,5 m,
- zmniejszyć energię 1 udaru, ograniczając wysokość zrzutu ubijaka i zwiększając odpowiednio ilość uderzeń,
- zabezpieczyć obiekt stalową ścianką szczelną.
Przykłady skuteczności takich zabezpieczeń:
Budowa Centrum Wykładowego Politechniki Poznańskiej
Przeprowadzonymi pomiarami wyznaczono bezpieczne odległości wykonywania dynamicznego zagęszczania od sąsiedniego budynku:
- 40 m przy energii 11 ton x 10 m,
- 25 m przy energii 11 ton x 5 m.
Budowa hotelu "Ibis" w Poznaniu
Luźne piaszczyste nasypy zagęszczono udarami w wykopie odległym ok. 15 m od budynku przedszkola, zabezpieczonego stalową ścianką szczelną. Stwierdzono, że takie zabezpieczenie skutkowało 10-ciokrotną redukcją przyspieszeń drgań odczuwanych przez budynek.
Przykłady skuteczności wzmocnienia słabych podłoży metodą udarową
Przykład 1 - Zagęszczenie luźnego nasypu z piasku średniego Wykonywana przebudowa mostu granicznego przez Odrę w Świecku wymagała przebudowy istniejącego nasypu na dojeździe (po polskiej stronie) o wysokości ok. 18 m. Należało go podwyższyć i poszerzyć. Przeprowadzone badania wykazały jednak, że nasyp ten - wykonany z piasku średniego - jest w przewadze w stanie luźnym i nie może stanowić podłoża dla nowej nawierzchni. Po przeanalizowaniu wszystkich możliwych sposobów naprawy wybrano wykonanie dynamicznego zagęszczenia tego luźnego nasypu. Dla zachowania ciągłości ruchu na połowie jezdni roboty prowadzono w dwóch etapach. Nasyp zagęszczano ubijakiem o masie 10 t., zrzucanym z wysokości 10 m, przy 3 seriach uderzeń na całej powierzchni. Skuteczność wykonanego zabiegu jest widoczna na rys. 2, przedstawiającym stan zagęszczenia (zbadany sondą dynamiczną) przed i po dynamicznym zagęszczeniu. Nasypy ze stanu luźnego doprowadzono do stanu zagęszczonego (do głębokości ok. 3,5 m) i średnio zagęszczonego (do ok. 7 m). Po wyrównaniu powierzchni i powierzchniowym dogęszczaniu (ciężkim walcem wibracyjnym) stwierdzono obniżenie całej powierzchni średnio o 0,85 m (lokalnie nawet o 1,20 m).
Przykład 2 - Wzmocnienie nasypów o bardzo zróżnicowanym składzie [13, 14]
Charakterystyka istniejących nasypów:
Duże centrum handlowe wraz z parkingiem zlokalizowano w całości na terenie byłego wyrobiska, wypełnionego nasypami, o średniej grubości 6,0 m. Wśród nasypów wydzielono 3 warstwy geotechniczne, różniące się stanem i właściwościami:
- warstwa IA - przypowierzchniowa część nasypów (tworząca dość wytrzymałą "skorupę"), utworzona głównie z gruzu ceglanego i piasków o grubości do 1,5 m,
- warstwa IB - utworzona w przewadze z żużla (do 50% składu), zalegająca do poziomu wody gruntowej, średnio do głębokości 3,5 m,
- warstwa IC - obejmuje nasypy zalegające pod wodą; w ich składzie występują: żużle, grunty niespoiste, piaski gliniaste, ma także namuły organiczne.
Opis wykonanego dynamicznego zagęszczenia:
- energia zagęszczenia: ubijak żelbetowy o masie 10 ton, z podstawą o wymiarach 2 x 2 m, zrzucany z wysokości 10 m;
- liczba uderzeń: powierzchnię podzielono jak szachownicę na kwadraty o boku 2,5 m, udary przekazywano najpierw na "czarne pola" (po 6 udarów), później po 4 udary na "białe pola" szachownicy.
Ocena skuteczności wykonanego zagęszczenia dynamicznego:
Badania kontrolne stanu podłoża przed i po dynamicznym zagęszczeniu obejmowały: sondowania sondą dynamiczną, badania presjometryczne, próbne obciążenia podłoża płytą o wymiarach 0,9 x 0,9 m, próbne obciążenia płytą VSS oraz oznaczenia modułu dynamicznego ugięciomierzem dynamicznym. Po wykonaniu (w pierwszym etapie) 6 uderzeń ubijaka na powierzchni nasypu tworzyły się kawerny o głębokości do 60 cm. W obszarach między kawernami występowało wyraźne przypowierzchniowe rozluźnienie nasypu.
Badania nośności (rys. 3) wykazały wyraźny wpływ dynamicznego zagęszczenia na nasypowe podłoże; średnie wartości modułu ogólnego odkształcenia wynosiły:
- dla stanu naturalnego "A" Eo = 8.152 kPa,
- na dnie kawerny "B" Eo = 10.958 kPa, (powiększenie o 35%),
- między kawernami "C" Eo = 6.762 kPa.
Przeprowadzenie drugiej serii udarów (po 4 uderzenia w "białe pola" szachownicy) spowodowało dodatkowe dogęszczenie nasypowego podłoża. Po zakończeniu dynamicznego zagęszczenia powierzchnię wyrównano spycharką i dogęszczono ciężkim okołkowanym walcem wibracyjnym. Stwierdzono wówczas obniżenie całej powierzchni terenu średnio o 45 cm.
Badania presjometryczne przeprowadzone przed i po dynamicznym zagęszczeniu wykazały wzrost nośności nasypowego podłoża, co łatwo zauważyć przy porównaniu wartości naprężeń granicznych Pgr podanych w tab. 1.
Sondowania dynamiczne wykonane w nasypach z żużla mogą służyć jedynie do ocen jakościowych, a wykresy sondowań trzeba interpretować następująco:
- "gdyby pomierzony opór przy sondowaniu dotyczył mineralnych piasków to ich stopień zagęszczenia wynosiłby ID = ...". Rys. 4 przedstawia zestawienie średnich wartości stopnia zagęszczenia rozważanych nasypów przed dynamicznym zagęszczeniem (rys. 4a) oraz po wykonaniu tego zabiegu (rys. 4b). Porównanie tych dwóch sytuacji (rys. 4c) wykazuje stwierdzone przyrosty zagęszczenia, wynoszące dla warstw odpowiednio: IA - 36%, IB - 65%, IC - 74%.
Przykład 3 - Wzmocnienie organicznego podłoża metodą dynamicznego formowania kolumn z kruszywa [21]
Opis wykonanego wzmocnienia
Lokalizację drogowego przejścia granicznego Świnoujście - Garz wyznaczono na terenie bagiennym, gdzie do głębokości 2,0÷3,5 m zalegają torfy. Średnie wartości parametrów geotechnicznych torfów są następujące:
- wilgotność wn = 592%,
- ściśliwość Mo = 156 kPa,
- wytrzymałość na ścinanie ?f max = 33,2 kPa.
Na tym podłożu zlokalizowano: 3 parterowe obiekty, wiatę oraz ok. 13.000 m2 placów i dróg. W 2006 r. zaprojektowano i wykonano wzmocnienie całego terenu (również w celu posadowienia obiektów) przy zastosowaniu kolumn formowanych przez dynamiczną wymianę. Kolumny wykonano ze żwiru, o minimalnej średnicy 2,0 m, rozstawiane zasadniczo w układzie trójkątów o boku 4,50 m, łącznie 993 szt. kolumn. Głowice kolumn zwieńczone zostały nasypem zbrojonym geotkaniną z poliestru o wytrzymałości 200 kN/m.
Próbne obciążenie kolumny żwirowej wykonanej metodą wybijania
1) Obciążenie na kolumnę przekazywano za pośrednictwem sztywnej stalowej płyty o wymiarach 3,0 x 3,0 m. Płyta obciąża także część organicznego podłoża, zalegającego obok badanej kolumny o średnicy 2,0 m.
2) Obciążenie balastowe stanowiły betonowe płyty drogowe układane na stalowej płycie.
3)Wielkość obciążenia ustalono w ten sposób, aby badanie było modelem projektowanych obciążeń wzmocnionego podłoża, i tak uzyskano następujące dane:
- obciążenie płyty 20 kN/m2 jest przybliżoną wielkością obciążenia organicznego podłoża od nasypu drogowego i konstrukcji nawierzchni,
- dodatkowe obciążenie 25 kN/m2 stanowi rekompensatę równomiernie rozłożonego obciążenia użytkowego od pojazdów samochodowych.
4) Osiadania płyty ustalono przez geodezyjną niwelację techniczną, mierząc osiadania 4 reperów utrwalonych na narożach stalowej płyty. Błąd pomiarów szacowano na ą 1 mm.
5) Próbne obciążenia do 20 + 25 = 45 kN/m2 przeprowadzono w czasie od 28.04.2006 r. do 08.05.2006 r.
Poszczególne stopnie obciążeń utrzymywano do uzyskania praktycznej stabilizacji osiadań.
Analiza wyników próbnego obciążenia kolumny:
Na rys. 5 przedstawiono przebieg średnich osiadań stalowej płyty o wymiarach 3,0 x 3,0 m, obciążającej balastem kolumnę żwirową o średnicy 2,0 m uformowaną metodą wybijania. Uzyskane wyniki próbnego obciążenia tak wzmocnionego organicznego podłoża - dla potrzeb projektowanych nawierzchni - wykazują, że:
1) Widoczna jest dość szybka stabilizacja osiadań. Po przyłożeniu obciążenia już po około 4 dniach występuje praktyczne ustabilizowanie osiadań.
2) Obciążenie kolumny i przyległego organicznego podłoża obciążeniem 20 kN/m2 - równoważnym ciężarowi projektowanego tu nasypu drogowego i nawierzchni - skutkowało osiadaniem ?s = 18,5 mm.
3) Dodatkowe obciążenie naciskiem 25 kN/m2 - traktowanym jako rekompensata równomiernie rozłożonego obciążenia od ciężkiego ruchu samochodowego - doprowadziło do wystąpienia osiadań ?s = 24,25 mm.
Przy dokonywaniu oceny wyników uzyskanych z próbnego obciążenia należy uwzględnić, że w rozważanym przypadku wystąpią pewne korzystne okoliczności, a mianowicie:
- znaczna część osiadań od ciężaru nasypu i podbudowy nawierzchni wystąpi w czasie budowy,
- można oczekiwać, że obciążenia od rzeczywistego ruchu pojazdów będą mniejsze od przyjętych obciążeń 25 kN/m2.
- w czasie budowy - jeszcze przed ułożeniem ostatniej warstwy nawierzchni - na podbudowie będzie odbywał się technologiczny ruch pojazdów, co doprowadzi do wystąpienia wstępnych osiadań, częściowo redukujących osiadania od przyszłych obciążeń użytkowych.
STATYCZNE METODY CZASOWEGO PRZECIĄŻENIA I CZĘŚCIOWEGO ODCIĄŻENIA ORGANICZNEGO PODŁOŻA
Wprowadzenie do metody czasowego przeciążenia organicznego podłoża
Jednym z prostych sposobów uzyskania wzmocnienia i stabilizacji osiadań torfowego podłoża jest zastosowanie metody czasowego przeciążenia. Praktycznie przeciążenie realizuje się przez ułożenie dodatkowego wyższego nasypu, najczęściej z materiału ziemnego możliwego do wykorzystania w innym miejscu budowy. Rys. 6 przedstawia schematycznie zależności występujące w podłożu torfowym przy zmiennym w czasie obciążeniu. Widocznym jest, że obciążenie q1 powoduje długotrwały rozwój osiadań (krzywa 1), natomiast zastosowanie odciążenia o wartości ?q po czasie tp może doprowadzić do bardzo korzystnej sytuacji (krzywa 2), charakteryzującej się ustabilizowaniem odkształceń organicznego podłoża. Można stwierdzić, że doprowadzenie do stanu s = const (krzywa 2) jest założonym oczekiwaniem skuteczności zastosowanego czasowego przeciążenia organicznego podłoża. Schemat podany na rys. 6 pokazuje, że przy założonym obciążeniu eksploatacyjnym q0, przekazywanym stale przez budowlę na organiczne podłoże, uzyskanie stabilizacji odkształceń można osiągnąć, stosując odpowiednio dwa parametry charakteryzujące czasowe przeciążenie:
q - wielkość przeciążenia,
tp - czas działania przeciążenia.
Przykład 4 - Przeciążenie organicznego podłoża pod nasypową platformą obok Wzgórza Lecha w Gnieźnie [15]
Projektowana przebudowa otoczenia Wzgórza Lecha (obok Katedry w Gnieźnie) wymagała wykonania nasypu dla półkolistej platformy, posadowionej na 5-metrowej warstwie gytii, usytuowanej pod 7,5-metrową warstwą luźnych nasypów. Prognozowano, że dociążenie gytii (Mo = 1100 kPa) dodatkowym nasypem o wysokości 1,70 m spowoduje wystąpienie osiadań (ok. 14 cm), rozwijających się w długim czasie, co było niedopuszczalne. Zastosowano więc przeciążenie terenu na projektowanej lokalizacji platformy, odkładając tu pospółki przeznaczone później do budowy nasypów w innych częściach przebudowywanego otoczenia Wzgórza. Kolejność wykonywanych robót budowlanych doprowadziła do odciążenia podłoża w dwóch etapach. Końcowe pomiary geodezyjne wykazały praktyczną stabilizację odkształceń nawierzchni ułożonej na platformie (rys. 7).
Wprowadzenie do metody częściowego odciążenia organicznego podłoża W miejscach przejścia nasypów drogowych przez lokalne doliny - wypełnione gruntami organicznymi - dość często na nawierzchniach występują duże zagłębienia i znaczne deformacje. Naprawa takich odkształceń jest nieskuteczna, jeśli sprowadza się tylko do ułożenia nowej wyrównawczej warstwy nawierzchni. Kolejne warstwy asfaltobetonu dodatkowo dociążają ściśliwe organiczne podłoże i deformacje nawierzchni rozwijają się w dalszym ciągu. Znane są przypadki, gdy grubość kilkakrotnie naprawianej nawierzchni asfaltobetonowej przekraczała nawet 1 metr, a odkształcenia występowały nadal. Prostym i tanim rozwiązaniem takiego problemu może być wykonanie przebudowy nasypu tak, aby wystąpiło korzystne odciążenie organicznego podłoża, skutkujące zahamowaniem osiadań. Potrzebne odciążenie można uzyskać wbudowując w nasyp - w miejsce usuniętego znacznie cięższego gruntu mineralnego - warstwę z lekkiego materiału, którym może być: keramzyt [18, 19, 20], pianobeton [15, 16] lub styropian [4]. Tak wykonana przebudowa nasypu daje podobny rezultat jak zwykłe czasowe przeciążenie organicznego podłoża. Odciążające zastosowanie lekkich materiałów zostało wielokrotnie praktycznie sprawdzone przy posadawianiu na gruntach organicznych: posadzek w halach, lekkich obiektów oraz nasypów drogowych. W dalszej części opracowania podano kilka przykładów skuteczności takich rozwiązań.
Przykład 5 - Wzmocnienie i zabudowa zbocza Wzgórza Lecha w Gnieźnie [15]
Dla potrzeb spotkania z Papieżem w Gnieźnie (1997 r.) koniecznym było wykonanie odpowiedniego zagospodarowania terenów wokół Katedry. Dotychczasowe nieużytki należało przemienić w park krajobrazowy, przeznaczony na plac zgromadzeń. Potrzebne było też wykonanie platformy na ołtarz papieski, usytuowanej w połowie wysokości zbocza.
Opis warunków gruntowych w zboczu:
Katedra w Gnieźnie usytuowana jest na Wzgórzu Lecha, które w bardzo bliskim sąsiedztwie ma zbocze o wysokości około 10 m i dość stromym nachyleniu - około 34°. Przystępując do nowego ukształtowania zbocza i analizując możliwości jego dodatkowej zabudowy (platformą i schodami), konieczne było uwzględnienie występujących tu niekorzystnych uwarunkowań, a w szczególności tego, że cały fragment wzgórza w tym rejonie zbudowany jest z nasypów utworzonych w przewadze z namułów organicznych, znajdujących się w bardzo luźnym stanie, istniejące nachylenie zbocza było bliskie stanu granicznego, rosnące dotychczas drzewa i krzewy swymi korzeniami wpływały korzystnie na utrzymanie stateczności zbocza, u podnóża zbocza zalegają torfy, które sięgają pod zbocze, natomiast strop gruntów mineralnych pod gruntami organicznymi ma znaczne nachylenie (nawet 27°!). W takich bardzo złożonych warunkach niemożliwym było wykonanie przebudowy i zabudowy tego zbocza zwyczajnym sposobem. Konieczne stało się opracowanie odpowiednich wzmocnień i zabezpieczeń.
Opis wykonanego odciążenia i wzmocnienia zbocza:
Przeprowadzona analiza technicznie możliwych sposobów wzmocnienia rozważanego zbocza doprowadziła do stwierdzenia, że w tym przypadku najwłaściwszym będzie doprowadzenie do wzmocnienia oraz do korzystnego odciążenia przebudowywanego zbocza. Można to było uzyskać przez wykonanie odpowiedniej konstrukcji powierzchniowej, z wylewanego lekkiego pianobetonu, później maskująco przykrytej warstwą humusu. Na rys. 8 przedstawiono przekrój poprzeczny konstrukcji przebudowanego zbocza. Cała nowa skarpa wzgórza wzmocniona została powłoką grubości 1 metra, z pianobetonu o ciężarze objętościowym 8 kN/m3. Nowe ukształtowanie skarpy wymagało usunięcia około 1350 m3 gruntu i wbudowania około 1600 m3 pianobetonu. Pianobeton wylewany był poziomymi warstwami o grubości 0,5 m, bez dylatacji i bez stosowania specjalnych zabiegów dla połączenia starej i nowej warstwy pianobetonu. Na zewnętrznych stopniach pianobetonu ułożono warstwę humusu zabezpieczoną przed rozmyciem geosyntetykami. Obecnie całą powierzchnię skarpy pokrywają odpowiednio dobrane krzewy. Przed przyjęciem tego rozwiązania analizowano zachowanie przestrzennej struktury pianobetonowej w dłuższym czasie, po wystąpieniu pewnych osiadań organicznego podłoża. Stwierdzono, że ewentualne spękania pianobetonu nie zagrażają stateczności skarpy. Bardzo korzystnym było doprowadzenie do wyraźnego odciążenia skarpy dzięki usunięciu 1350 m3 gruntu (22950 kN) i ułożeniu 1600 m3 pianobetonu (14800 kN) oraz 0,5 metrowej warstwy humusu (6700 kN). Łącznie bilans obciążeń jest korzystny i wynosi: -22950 + (14800 + 6700) = -1450 kN.
Przykład 6 - Posadowienie na torfach stacji paliw w Gnieźnie [16]
Opis warunków gruntowych:
W miejscu projektowanej lokalizacji stacji paliw występują bardzo niekorzystne warunki gruntowe, uniemożliwiające bezpośrednie posadowienie obiektów stacji oraz nawierzchni dróg i placów. Jest to spowodowane zaleganiem w podłożu nasypów - utworzonych z dużym udziałem gruntów organicznych - oraz torfów pod nimi. Torfy występują w warstwie o zróżnicowanej grubości od 1 do 6 m, do maksymalnej głębokości 10,5 m. Średnia wartość edometrycznego modułu ściśliwości torfów wynosiła Mo = 1288 kPa.
Opis sposobu posadowienia wykonanych obiektów stacji i nawierzchni:
Przyjęto (i zrealizowano) posadowienie z wykonaniem odciążającego i wzmacniającego działania lekkiego pianobetonu, ułożonego w miejsce usuniętego ciężkiego gruntu (rys. 11). Występujące tu duże zróżnicowanie grubości warstwy torfu, a także wielkość obciążeń wymagało ułożenia pianobetonu o różnych grubościach warstw. Ponadto głębokość ułożenia pianobetonu podporządkowano poziomowi posadowienia fundamentów budynku i wiaty oraz poziomowi ułożenia instalacji, tak aby fundamenty, studzienki i przewody ułożone były na pianobetonie. Ostatecznie cały teren podzielono na kilka rejonów o zróżnicowanych grubościach i głębokościach ułożenia pianobetonu. Dodatkowo wypełniono pianobetonem przestrzeń pod posadzką budynku, a także wykop ze zbiornikami na paliwo (zamiast ciężkiej zasypki z piasku). Zastosowano pianobeton o ciężarze objętościowym 5,5 kN/m3. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że projektowana zabudowa spowoduje bardzo mały przyrost obciążeń, od 11,9 do 24,0 kN/m2. Tak nieduże dociążenia organicznego podłoża pozwoliły obliczeniowo prognozować wystąpienie średnich osiadań rzędu 2,6 cm; w rzeczywistości największe pomierzone osiadania po roku wynosiły tylko około 3,5 mm. Przykład 7 - Odciążenie organicznego podłoża pod nasypem drogi krajowej nr 5 w Modliszewie [18]
Opis stanu drogi przed przebudową:
Na drodze nr 5 w km 123 + 770 w miejscowości Modliszewo, na odcinku długości ok. 125 m, wystąpiły duże i nierównomierne osiadania nawierzchni spowodowane głównie zaleganiem pod nasypem drogowym torfów i namułów, a także - bardzo luźnym stanem samego nasypu. Konieczna była naprawa i modernizacja drogi, wymagająca także lokalnego podwyższenia niwelety (maksymalnie o 60 cm). Podwyższony nasyp dociążyłby organiczne podłoże, wywołując nowe dodatkowe (około 15 cm) nierównomierne osiadania nawierzchni.
Opis wykonanego odciążenia i wzmocnienia organicznego podłoża:
Skuteczność zaprojektowanego odciążenia - przez wbudowanie warstwy keramzytu - łatwo oszacować dzięki prostemu obliczeniu:
- istniejący nasyp 18 kN/m3
- nasyp z keramzytu 4 kN/m3
- odciążenie 14 kN/m3
Po zastosowaniu warstwy keramzytu o grubości 0,75 m wystąpi odciążenie: 14ˇ0,75 = 10,5 kN/m2, co umożliwi bezpieczne ułożenie potrzebnej tu dodatkowej warstwy wyrównawczej o grubości do 0,6 m.
Konstrukcję odciążającą i wzmacniającą wykonano, układając (rys. 9) dwie warstwy:
- keramzytu 10/20 o grubości 75 cm (razem ok. 900 m3), ułożonego w formie poduszki owiniętej geotkaniną z poliestru o wytrzymałości 120 kN/m,
- kruszywa łamanego 0-31,5 mm, grubości 50 cm, zbrojoną geosiatką z poliestru 65/65-30. W celu zachowania ciągłości ruchu drogowego roboty wykonano w dwóch etapach (rys. 9).
Przykład 8 - Zastosowanie keramzytu do odciążenia organicznego podłoża i redukcji parcia na oporową ścianę szczelinową [19]
Nasyp drogi na odcinku ok. 120 m przechodzi po obrzeżu jeziora. Pod nasypem zalegają torfy i gytie, które wzmocniono kolumnami tłuczniowymi. Strop gruntów mineralnych jest tu nachylony pod kątem około 28°, ze spadkiem do jeziora. Stateczność nasypu zabezpieczona została żelbetową oporową ścianą szczelinową o głębokości 22 m. Konstrukcja - istniejąca od 1997 r. - wykazywała dwa niepokojące objawy awaryjne: ściana szczelinowa przemieszczała się poziomo (ponad 14 cm), a na nawierzchniach obu jezdni wystąpiły znaczne deformacje. Zrealizowany projekt remontu nasypu [19] przewidywał m.in. odciążenie przez wbudowanie w nowy nasyp warstwy keramzytu 10/20 o grubości 2,35 m (rys. 10). Keramzyt ułożono tu w osłonie z geowłókniny, na 70 cm warstwie tłucznia zbrojonego geosiatką R90/90-35M. Łącznie pod obiema jezdniami wbudowano 6830 m3 keramzytu. Uzyskane odciążenie korzystnie zmniejszyło obciążenie kolumn tłuczniowych, a przede wszystkim - znacznie zredukowało parcie przekazywane na ścianę szczelinową. Po przebudowie nastąpiła redukcja parcia o 33% w stosunku do sytuacji wyjściowej, gdy nasyp drogowy zbudowany był z ciężkich gruntów mineralnych (rys. 12).
Referat został wygłoszony w trakcie kursu "Wzmacnianie podłoża i fundamentów" organizowanym przez Polskie Zrzeszenie Wykonawców Fundamentów Specjalnych
LITERATURA
[1] Dembicki E., Schlosser F.: Ulepszanie podłoża gruntowego. Konferencja Naukowo-Techniczna "Geotechnika w budowie składowisk odpadów", Pułtusk, 1997 r.
[2] Gryczmański M.: Zastosowanie urządzenia DYZAG do wzmocnienia podłoża metodą ciężkiego ubijania. "Inżynieria i Budownictwo", nr 3/2000.
[3] Gryczmański M.: Dynamiczne metody wzmacniania podłoża gruntowego. XVI Ogólnopolska Konferencja: Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, 2001 r.
[4] Grzegorzewicz K., Kłosiński B.: Styropian ratunkiem dla przeciążonych przyczółków. "Drogownictwo", nr 6/1998.
[5] Hanspach P., Just H., Maack K.L.: Zur Anwendumg der dynamischen Intensivverdichtung im Verkhersbauwesen. "Bauplannung - Bautechnik", nr 1/1987.
[6] Kłosiński B., Gawor B., Grzegorzewicz K.: Krajowe próby wzmacniania podłoża udarami o dużej energii. "Inżynieria i Budownictwo", nr 7/1979.
[7] Kłosiński B., Gawor B.: Wzmocnienie podłoża udarami o dużej energii. Przegląd doświadczeń. "Inżynieria i Budownictwo", nr 4/1983.
[8] Kłosiński B., Jankowski P.: Wzmocnienie podłoża nasypowego hali metodą ubijania. "Inżynieria i Budownictwo", nr 8/1991.
[10] Kłosiński B.: Wzmacnianie podłoża i fundamentów. Seminarium PZWS, Warszawa, 2004 r.
[11] Pisarczyk S.: Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego. Of. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005 r.
[12] Rzeźniczak J.: Koncepcja zagęszczenia i powiększenia istniejącego nasypu na dojeździe do mostu przez rzekę Odrę w Świecku. Wyk. w ramach projektu "Drogowe przejście graniczne Świecko", PBPDiM "TRANSPROJEKT" Poznań, 1994 r.
[13] Rzeźniczak J.: Geotechniczny projekt wzmocnienia słabego nasypowego podłoża na terenie budowy Centrum Handlowego KORONA we Wrocławiu. "GEOPROJEKT - Poznań", 1998 r.
[14] Rzeźniczak J.: Analiza i ocena badań kontrolnych, sprawdzających skuteczność dynamicznego zagęszczenia i kolumn żwirowych wzmacniających nasypowe podłoże na terenie budowy Centrum handlowego KORONA we Wrocławiu. "GEOPROJEKT - Poznań", 1998 r.
[15] Rzeźniczak J., Przystański J.: Projekt wzmocnienia skarpy zachodniej Wzgórza Lecha w Gnieźnie. "Geoprojekt - Poznań", 1995 r.
[16] Rzeźniczak J.: Opracowanie geotechniczne dotyczące sposobu wzmocnienia słabego podłoża organicznego dla posadowienia stacji paliw "Statoil" w Gnieźnie. "Geoprojekt - Poznań", 1997 r.
[17] Rzeźniczak J.: Stabilizacja odkształceń organicznego podłoża drogowego przez czasowe przeciążenie. I Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna "Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym", Poznań, 1998 r.
[18] Rzeźniczak J.: Projekt wzmocnienia organicznego podłoża w ciągu drogi krajowej nr 5 w rejonie km 123 + 770 w Modliszewie. "Geoprojekt - Poznań", 2002 r.
[19] Rzeźniczak J., Janiński S.: Projekt remontu nasypu drogowego położonego przy estakadzie w Gnieźnie. Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Lądowej, Poznań, 2003 r. (praca nr 12-580/U/02).
[20] Rzeźniczak J.: Przykłady zastosowania keramzytu dla odciążenia organicznego podłoża pod nasypami drogowymi. "Autostrady", nr 1-2/2005.
[21] Rzeźniczak J.: Geotechniczna analiza i ocena sposobów wzmocnienia organicznego podłoża dla potrzeb posadowienia obiektów oraz nawierzchni dróg i placów przejścia granicznego Świnoujście - Garz. GEOTECHNIKA, Poznań, 2006 r.
[22] Saloni J.: Wymiana dynamiczna - skuteczna metoda wzmacniania gruntów spoistych, organicznych i nasypowych. XX Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła - Ustroń, 2005 r.
[23] Sękowski J., Stefanik K.: Wzmocnienie podłoża drogowego metodą konsolidacji dynamicznej. "Drogownictwo", nr 1/1998.
[24] "Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym". IBDiM, Warszawa, 2002 r.
