[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Kraj
Geotechnika
Zastosowanie iniekcji cementowej
pod podstawami
pali wierconych posadowionych w iłach pęczniejących
❚
dr hab. inż. Kazimierz Gwizdała
, prof. nadzw., Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej
❚
dr inż. Tadeusz Brzozowski
, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej
Posadowienie wielu obiektów budowlanych realizowane jest obecnie w bardzo trudnych warunkach gruntowych. Grunty o bardzo zróżni-
cowanej nośności i odkształcalności, zalegające nawet do kilkunastu metrów poniżej powierzchni terenu, nie są w stanie przenieść znacz-
nych obciążeń od konstrukcji. W takich przypadkach powszechnie stosuje się ulepszanie podłoża gruntowego lub fundamenty palowe.
1. Wstęp
Do bardzo nietypowych i trudnych należy posadowienie pali
w gruntach pęczniejących. Występują one głównie w środkowej
i południowej Polsce [6]. Doświadczenia ostatnich lat podczas
budowy obiektów np. w Bydgoszczy, Poznaniu, Warszawie i w oko-
licach Kra kowa, w y raźnie wskazują na duże trudności projektowe
i wykonawcze przy realizacji fundamentów palowych w gruntach
ekspansywnych. Właściwości zyczne gruntów ekspansywnych
(np. iły plioceńskie, iły krakowieckie) były wielokrotnie omawiane
[3, 4, 6, 11] i nie są przedmiotem tego artykułu.
W odniesieniu do technologii stosowanych w fundamentach
palowych należy wymienić co najmniej pęcznienie lub skurcz
w przypadku zmian wilgotności, istotne zmiany wytrzymałości
na ścinanie w przypadku odprężenia. Szczególnie zjawiska wy-
stępujące przy wykonawstwie pali wierconych mogą bardzo nie-
korzystnie wpływać na ostateczne zachowanie się pala w podłożu
i na charakterystyki obciążenie – osiadanie.
Wykonawstwo pali może powodować m.in.:
zmianę stanu i odkształcenia iłu w bezpośrednim kontakcie
świeżego betonu przy podstawie pala w pierwszej fazie beto-
nowania,
zmiany stanu wilgotności i wytrzymałości na ścinanie wzdłuż
pobocznicy pala, spowodowane wodą zarobową z betonu,
zmiany spowodowane przemieszczaniem się wody (w górę
i w dół) wzdłuż rur osłonowych w czasie drążenia otworu,
zmiany wilgotności iłu spowodowane niewłaściwą technologią
wiercenia (np. zalewanie otworu) lub niesprawnym sprzętem
(np. nieszczelne zamki rur obsadowych),
pogorszenie parametrów zycznych i mechanicznych w rejonie
podstawy, spowodowane odprężeniem podłoża, szczególnie przy
powolnym wykonawstwie i złej organizacji pracy,
niewiadome skutki wpływu temperatury i czasu wiązania be-
tonu na parametry iłów pęczniejących,
Inne skutki i efekty zmian obserwuje się dla pali wbijanych. Zja-
wiska te omawiane i analizowane będą w innych pracach. W osta-
tecznej ocenie należy uwzględnić zmianę modułów odkształcenia
wraz z głębokością z uwzględnieniem naprężenia prekonsolidacji,
gdzie różnice w wartościach podawanych w „typowych” doku-
mentacjach geotechnicznych mogą być trzy-, a nawet pięciokrotne!
Bardzo złożone zjawiska w mikro- i makrostrukturze, szcze-
gólnie istotne w stre e kontaktu pobocznica pala – podłoże oraz
podstawa pala – podłoże, mają decydujące znaczenie dla cha-
rakterystyki obciążenie – osiadanie. Właściwe zaprojektowanie,
obliczenie nośności i osiadania oraz wykonanie pali w gruntach
ekspansywnych stanowi bardzo trudne zadanie inżynierskie.
Doświadczenia ostatnich lat pokazują, że stosowanie zasad za-
wartych w normie palowej PN-83/B-02482 nie jest odpowiednie
dla gruntów pęczniejących.
Niezależnie od powyższych zagadnień należy szukać nowych
rozwiązań ograniczających do minimum omawiane wpływy, by
w możliwie największym zakresie wykorzystać wytrzymałość iłów
jak dla stanu nienaruszonego. W artykule przedstawiono przykład
zastosowania pa li wierconych o średnicy 1200 mm, posadowionych
w iłach pęczniejących, do posadowienia dwóch obiektów mosto-
wych w Bydgoszczy. Podpory palowe wykonano dla mostu przez
Kanał Bydgoski oraz dla mostu przez rzekę Brdę.
W celu poprawienia warunków przenoszenia obciążeń przez
podłoże, zastosowano iniekcję cementową pod podstawami pali.
Przedstawiono charakterystykę podłoża gruntowego (głównie
w oparciu o wyniki badań sondą statyczną CPTU), parametry
iniekcji w czasie rea lizacji podpór pa low ych oraz w y nik i próbnych
obciążeń statycznych pali.
2. Metoda iniekcji pod podstawy pali
Metoda iniekcji cementowej opracowana w Katedrze Geotech-
niki Politechniki Gdańskiej polega na zastosowaniu specjalnej
elastycznej komory, wykonanej zazwyczaj z półprzepuszczalnej
geotkaniny. Komora została opatentowana w 2005 r. jako
Sposób
zwiększania nośności oraz zmniejszania osiadania wielkośred-
nicowych pali wierconych
(patent PL 188356). Schemat komory
iniekcyjnej przedstawiono na rycinie 1, przykład realizacji komór
iniekcyjnych z placu budowy obrazuje rycina 2.
Iniekcję wykonuje się po siedmiu dniach od zabetonowania
trzonu pala za pomocą mody kowanego zaczynu cementowego.
Zaczyn cementowy wprowadzany jest przez dwie rurki iniekcyjne
pod ciśnieniem 2–4 MPa. Komora, łącznie z dyszami iniekcyj-
nymi, przymocowana jest do kosza zbrojeniowego i razem z nim
opuszczana do otworu przed betonowaniem pala. Rurki iniekcyjne
połączone są z dyszą iniekcyjną, składającą się z dwóch płyt sta-
lowych umieszczonych wewnątrz geosyntetycznej komory przed
jej zszyciem.
Ryc. 1. Schemat komory iniekcyjnej według rozwiązania Katedry Geotechniki Politechniki
Gdańskiej
56
Nowoczesne
Budownictwo
Inżynieryjne
Wrzesień – Październik 2009
Geotechnika
Kraj
a)
b)
cyjnej przyczyniły się do minimalnych zmian w stanie naprężenia
i stanie wilgotności gruntów pod podstawą pala.
Przykładowe parametry iniekcji dla podpory 2 przedstawiono
w tabeli 1, a dla całego obiektu mostowego w tabeli 2. Warto zwró-
cić uwagę, że warunki technologiczne mogą znacząco zmieniać się
pod poszczególnymi palami w ramach jednej podpory. Świadczą
o tym współczynniki zmienności, v
c
= 0,21 oraz v
o
= 0,17, odpo-
wiednio dla maksymalnego ciśnienia iniekcji oraz dla objętości
wtłoczonego iniektu.
Proces iniekcji należy przeprowadzić w taki sposób, aby praca
całej podpory była jednorodna. Likwidacja pewnych nierówno-
mierności w pracy całej podpory palowej, jest jednym z zadań
iniekcji cementowej pod podstawami pali wierconych.
Ryc. 2. Most przez rzekę Brdę w Bydgoszczy: a) zbrojenie pala Ø 1200 mm z komorą iniekcyjną,
b) wiercenie pala w iłach pęczniejących
Płaska dysza iniekcyjna zapewnia równomierne rozchodzenie
się iniektu pod całą powierzchnią podstawy pala, a geosyntetyczna
komora iniekcyjna nie dopuszcza do niekontrolowanych wypły-
wów w gruntach silnie przepuszczalnych. Zależnie od potrzeb,
przepuszczalność samej komory może być łatwo regulowana w za-
leżności od lokalnych warunków geotechnicznych (np. warstwa
żwirowa, iły pęczniejące, spękane skały).
W celu zapewnienia właściwych efektów iniekcji zaczyn ce-
mentowy jest odpowiednio mody kowany, dość gęsty, o stosunku
c/w = 1,25–1,50 i dobierany zależnie od fazy iniekcji oraz warun-
ków gruntowych. Skład zaczynu powinien być tak komponowany,
aby umożliwić łatwe jego pompowanie w czasie iniekcji i wiązanie
nie szybsze niż po 2–4 godzinach.
Jednym z warunków skuteczności zabiegu iniekcji jest uzyska-
nie odpowiedniego ciśnienia, wynoszącego 2–4 MPa. Tłocze-
nie odbywa się z małym wydatkiem i utrzymywaniem ciśnienia
na kolejnych stopniach. W czasie całego procesu iniekcji należy
kontrolować podnoszenie pali. Jest to bardzo ważny parametr,
a przemieszczenie pala do góry nie powinno przekraczać 5,0 mm.
W praktyce, przemieszczenia wynoszą najczęściej 0,5–2,0 mm
[1, 7, 8, 9].
Wzmocnienie podłoża za pomocą elastycznej komory iniek-
cyjnej w sposób zdecydowany zmniejsza osiadania oraz zwiększa
nośność. Badania wielu pali potwierdzają jednoznacznie skutecz-
ność tej metody [1, 2, 5, 8].
Ryc. 3. Przekrój geotechniczny i badanie CPTU
Tab. 1. Parametry iniekcji, most nad Kanałem Bydgoskim, podpora 2
Nr pala
Łączny
czas iniekcji
[min]
Maksymalne
ciśnienie iniekcji
[MPa]
Objętość
wtłoczonego iniektu
[dm
3
]
Uzyskane pod-
niesienie pala
[mm]
A2
B2
C2
D2
E2
F2
G2
H2
I2
J2
K2
L2
Ł2
M2
300
95
95
280
325
120
345
305
25
310
125
25
415
380
1,1
1,1
1,4
1,0
1,1
1,2
1,2
1,4
2,0
1,0
1,1
1,4
1,2
1,2
260
280
260
220
270
320
350
260
170
240
280
220
280
280
0,60
0,50
0,55
0,40
0,40
0,60
0,50
0,55
0,80
0,70
0,60
0,40
0,55
0,45
3. Iniekcja wykonana pod most nad Kanałem Bydgoskim
Dla obu mostów pale wykonano w gruntach uwarstwionych,
w iłach pęczniejących. Most nad Kanałem Bydgoskim zaprojekto-
wano ja ko trójprzęsłow y na pa lach o średnicy 1200 mm. Długość
pa li na przyczół kach w y nosiła od 13,0 m do 15,0 m. Na podporach
pośrednich pierwotnie pale zaprojektowano o długości 24,0 m.
Ścisła współpraca projektanta, wykonawcy, geologa i geotech-
nika ostatecznie pozwoliła na skrócenie najdłuższych pali do
18,0 m. Należy podkreślić, że dłuższe pale, wykonywane z trud-
nościami w czasie wiercenia i w dłuższym czasie, w iłach pęcznie-
jących mogą pracować znacznie gorzej. Sprawne wykonanie pali
oraz iniekcja w specjalnie dobrane komory iniekcyjne z geosynte-
tyków (szczelna geomembrana na górze i dole komory iniekcyjnej
z częściową boczną przepuszczalnością) zapewniła bardzo dobre
charakterystyki przenoszenia obciążeń.
Pale wykonywano z zabezpieczeniem otworu rurą do głębo-
kości ok. 15,0 m. Dolną część otworu wiertniczego wykonywano
w naturalnym ile, bez rurowania.
W całym przekroju zalegają iły poznańskie przewarstwione
piaskami drobnymi i pylastymi (ryc. 3). Na rycinie przedstawiono
również wyniki sondowania sondą wciskaną CPTU. Duże tempo
prac wiertniczych, betoniarskich oraz konstrukcja komory iniek-
średnia
odchyl. standard.
wsp. zmienności
225
136
0,61
1,2
0,3
0,21
264
44
0,17
0,54
0,12
0,21
Wyniki próbnych obciążeń pali potwierdziły bardzo do-
brą pracę w podłożu (ryc. 4). Zaobserwowano bardzo małe
osiadania dla całej krzywej osiadania; dla obciążenia maksy-
malnego Q
max
= 8520 kN, osiadanie całkowite, s
c
= 15,58 mm,
a osiadanie trwałe po odciążeniu, s
p
= 9,41 mm. Nośność na
podstawie interpretacji próbnego obciążenia statycznego według
PN-83/B-02482 przyjęto N =6820 kN, przy odpowiadającym
osiadaniu s
c
= 5,29 mm. Obciążenie obliczeniowe dla podpory
wynosiło Q
r
= 4800 kN.
Wrzesień – Październik 2009
Nowoczesne
Budownictwo
Inżynieryjne
57
Kraj
Geotechnika
Tab. 2. Parametry iniekcji dla całego obiektu, most nad Kanałem Bydgoskim
Parametry iniekcji
Wartość
przy małych osiadaniach. Odpowiednie wartości wynoszą:
obciążenie Q
max
= 3860 kN, przy osiadaniu całkowitym s
c
=
12,46 mm oraz osiadaniu trwałym po odciążeniu s
p
= 7,34 mm,
obciążenie pośrednie, przy odciążeniu Q
1
= 2580 kN, przy s
c
=
3,28 mm oraz s
p
= 1,12 mm.
Przyjęto nośność z próbnych obciążeń N = 2860 kN, przy osiadaniu
całkowitym s
c
= 4,36 mm.
1) ciśnienie iniekcji:
a) zakres w [MPa]
0,9–1,2
0,09–0,27
b) współczynnik zmienności
2) objętość zaczynu cementowego:
a) zakres w [dm
3
]
264–415
0,11–0,36
b) współczynnik zmienności
3) czas iniekcji [min]
97–373
4) podniesienie głowicy pala [mm]
0,54–2,34
Ryc. 6. Krzywa osiadania dla pala o średnicy 1200 mm i długości L = 17,0 m
Ryc. 4. Krzywa osiadania dla pala z iniekcją pod podstawą
Tab. 3. Parametry iniekcji, most przez rzekę Brdę, podpora 3
4. Iniekcja wykonana pod most przez rzekę Brdę
Trójprzęsłowy most przez Brdę posadowiono na dwóch przyczół-
kach i dwóch podporach pośrednich. Wszystkie podpory zaprojek-
towano na palach wierconych, z wyciąganą rurą obsadową o śred-
nicy 1200 mm. Pod przyczółkami długość pali w ynosiła 17,0 m, pod
podporami pośrednimi 12,5 m. Pod wszystkimi palami wykonano
iniekcję cementową według rozwiązania Katedry Geotechniki Poli-
techniki Gdańskiej.
Pro l geotechniczny wraz z wynikiem badań CPTU przedsta-
wiono na rycinie 5. W górnej części przekroju znajdują się grunty
nienośne, poniżej wzdłuż całej długości pala zalegają plastyczne
iły. Przykładowe parametry iniekcji pod podstawą dla podpory 3
przedstawiono w tabeli 3.
Podobnie jak poprzednio, parametry iniekcji są dostosowywane do
warunków występujących w rejonie podstawy każdego pala. Przyj-
mując w danych warunkach maksymalne ciśnienie iniekcji rzędu
0,8–1,0 MPa, otrzymano dość zróżnicowane objętości wtłoczonego
iniektu. Dla omawianej podpory 3 średnia objętość iniektu wynosi
358 dm
3
, przy współczynniku zmienności v
o
= 0,28. W wartościach
bezwzględnych (tab. 3) są to objętości od 210 dm
3
do 610 dm
3
. Trudne
warunki posadowienia podpory potwierdzają również sondowania
CPTU (ryc. 5).
Wy ni k i próbnego odcią żenia pa la o d ługości 17,0 m przedstaw iono
na rycinie 6. Obciążenie obliczeniowe jest bezpiecznie przenoszone
Nr pala
Łączny
czas iniekcji
[min]
Maksymalne
ciśnienie iniekcji
[MPa]
Objętość wtło-
czonego iniektu
[dm
3
]
Uzyskane pod-
niesienie pala
[mm]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
230
130
50
155
425
430
415
410
45
–
380
45
160
420
390
235
–
–
40
430
–
425
70
0,8
0,7
0,9
0,8
0,8
0,8
0,9
0,7
1,4
0,9
0,8
1,2
0,8
0,8
0,8
0,9
1,0
0,8
0,8
0,9
–
0,7
0,8
320
610
220
310
390
330
370
570
400
350
330
210
320
360
350
340
400
420
220
445
–
380
240
1,00
–
0,60
1,00
0,60
0,80
1,05
1,20
0,60
1,00
1,10
0,80
1,10
0,75
0,70
0,90
1,20
1,10
–
0,85
–
1,40
0,60
średnia
odchylenia
standardowego
wsp. zmienności
257
163
0.63
0,9
0,2
0,19
358
99
0,28
0,92
0,23
0,26
Zestawienie parametrów iniekcji dla mostu przez rzekę Brdę
przedstawiono w tabeli 4.
Tab. 4. Parametry iniekcji dla całego obiektu, most przez rzekę Brdę
Parametry iniekcji
Wartość
1) ciśnienie iniekcji:
a) zakres w [MPa]
0,6–0,9
0,14–0,19
b) współczynnik zmienności
2) objętość zaczynu cementowego:
a) zakres w [dm
3
]
358–639
0,09–0,28
b) współczynnik zmienności
3) czas iniekcji [min]
257–446
4) podniesienie głowicy pala [mm]
0,86–2,31
Rys. 5. Pro l geotechniczny i wyniki badań sondą statyczną
5. Podsumowanie
Wzmocnienie pali pojedynczych, wchodzących w skład grup palowych,
ma niewątpliwy wpływ na pracę całego fundamentu i spoczywającej
na nim konstrukcji. Zadaniem inżyniera projektanta oraz wykonawcy
powinno być takie dobranie technologii, aby w maksymalny sposób wy-
58
Nowoczesne
Budownictwo
Inżynieryjne
Wrzesień – Październik 2009
Geotechnika
Kraj
korzystać naturalne warunki gruntowe. Panujący w podłożu pierwotny
stan naprężenia powinien być wykorzystany w celu maksymalnego
przeniesienia przez pale obciążeń pionowych i poziomych.
Przytoczone przykłady dla pali posadowionych w iłach pęczniejących
jednoznacznie potwierdzają duże możliwości przeniesienia zwiększonych
obciążeń przy zastosowaniu technologii iniekcji pod podstawami pali. Dla
pali nowo projektowanych zastosowanie iniekcji pod podstawą prowa-
dziło do wyraźnego zmniejszenia osiadań w zakresie obciążeń roboczych
i zauważalnego zwiększenia nośności całkowitej [1, 2, 5]. W kontekście
projektowania całej konstrukcji, a nie tylko samego fundamentu, korzyści
technologiczne i ekonomiczne są jednoznacznie pozytywne.
Zmienne warunki geotechniczne i technologiczne dla konkretnego
pala mogą być łatwo eliminowane przez zastosowanie adekwatnych
parametrów iniekcji. Zapewnia to wyrównanie pracy całej konstrukcji,
porównywalną sztywność poszczególnych podpór oraz ekonomiczną
i bezpieczną pracę całej budowli.
2000, s. 377–387.
5. Pinkowski A., Gwizdała K.:
Analiza wpływu iniekcji pod podstawami
pali wierconych
. „Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Bu-
downictwo” 2006, z. 28.
6. PrzystańskiJ.:
Posadowienie budowli na gruntach ekspansywnych
.
„Politechnika Poznańska. Rozprawy” 1991, nr 244.
7. Tejchman A., Gwizdała K.:
Application of injection under base of
bored piles in cohesive soils
. Proceedings XIII ECSMGE. Prague
2003, s. 399–406.
8. Tejchman A., Gwizdała K.:
Badanie nośności pali wielkośrednicowych
pod pylonem mostu podwieszonego przez Martwą Wisłę w Gdańsku
.
„Inżynieria i Budownictwo” 2000, nr 12, s. 662–664.
9. Tejchman A., Gwizdała K.:
Zwiększanie nośności pali wierconych
.
XLVII Konferencja Krynica 2001. Opole–Krynica, 16–21 września
2001, t. 3, s. 299–306.
10. Tomlinson M.J.:
Pile design and construction practice
. Fourth edition.
London 1994.
11. Materiały Seminarium Instytutu Techniki Budowlanej: Iły plioceńskie
Warszawy. Warszawa, 26 lutego 2004.
12. PN-83/B-02482
Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamen-
tów palowych
.
13. PN-EN 1536:2001
Pale wiercone
.
14. PN-EN 12699:2002
Pale przemieszczeniowe
.
15. PN-EN-12716:2002
Iniekcja strumieniowa
.
16. EN 1997-1 (2004)
Eurocode 7. Geotechnical Design – Part 1: General
Rules
.
Literatura
1. GwizdałaK.:
Pale i fundamenty palowe. Projektowanie i realizacja
wzmocnień
. XXIV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Kon-
strukcji. Wisła, 17–20 marca 2009.
2. Gwizdała K., Pinkowski A.:
Wpływ iniekcji pod podstawą na osiada-
nie pali wierconych w piaskach
. „Inżynieria i Budownictwo” 2007,
nr 7–8, s. 379–381.
3. Jarominiak A., Folta L.:
O wpływie wody zawartej w mieszance beto-
nowej stosowanej w fundamentach na cechy iłów
. „Inżynieria i Bu-
downictwo” 2003, nr 1.
4. Kumor M.K., Szpakowski K.:
Wytrzymałość na ścinanie strefy kon-
taktowej ił ekspansywny – beton
. XII Krajowa Konferencja Mechaniki
Gruntów i Fundamentowania. Szczecin–Międzyzdroje, 18-20 maja
Artykuł ukazał się w materiałach konferencyjnych
XV Krajowej Konferencji Mechaniki Gruntów i Inżynie-
rii Geotechnicznej, Bydgoszcz, 7–10 lipca 2009
R
E
K
L
A
M
A
Wrzesień – Październik 2009
Nowoczesne
Budownictwo
Inżynieryjne
59
[ Pobierz całość w formacie PDF ]