PALOWANIE CZY WZMACNIANIE PODŁOŻA?
Obecnie obiekty budowane są coraz częściej na terenach na których zalegają grunty potocznie nazywane „słabymi” (o małej wytrzymałości i dużej ściśliwości) co niejednokrotnie nastręcza wielu trudności Projektantom konstrukcji, Architektom i Inwestorom. Poszukiwanie optymalnego rozwiązania posadowienia w złożonych lub skomplikowanych warunkach gruntowych to bardzo często duże wyzwanie nawet dla doświadczonych projektantów konstrukcji. Dobrze zaprojektowany fundament to taki który spełnia warunki stanu granicznego nośności i użytkowalności, ale także jest dobrany ekonomicznie z uwzględnieniem realnych możliwości jego wykonania.
Badania podłoża gruntowego dla posadowienia nowo projektowanych obiektów budowlanych
Warunkiem koniecznym do dobrego (bezpiecznego/wykonalnego/ekonomicznego) zaprojektowania posadowienia jest wykonanie odpowiednich badań podłoża gruntowego. Budowę podłoża gruntowego i parametry wydzielonych warstw geotechnicznych należy określać na podstawie kombinacji badań polowych (odwierty, sondowania, dylatometr itp.), badań makroskopowych oraz badań laboratoryjnych. Właściwe rozpoznanie podłoża jest kluczowe do ustalenia sposobu posadowienia. Bardzo często im mniejsze nakłady na badania geologiczne tym bardziej kosztowne jest wykonanie zaprojektowanego fundamentu.
Podstawową metodą posadowienia konstrukcji obiektów są fundamenty bezpośrednie
W tym sposobie posadowienia siły z konstrukcji przekazywane są na podłoże gruntowe poprzez podstawę fundamentu (stopy, ławy, płyty) – patrz. Rys 1: I.
Przy projektowaniu posadowienia bezpośredniego należy sprawdzić następujące stany graniczne zgodnie z EN 1997-1:
- Stany graniczne nośności (ULS):
- utrata stateczności ogólnej – GEO
- wyczerpanie nośności, zniszczenie na skutek przebicia lub wypierania – GEO
- utrata stateczności na skutek przesunięcia (poślizgu) – GEO
- łączna utrata stateczności podłoża i zniszczenie konstrukcji – GEO/STR
- zniszczenie konstrukcji na skutek przemieszczenia fundamentu – STR
- Stany graniczne użytkowalności (SLS)
- nadmierne osiadania
- nadmierne wypiętrzenie spowodowane pęcznieniem, przemarzaniem lub innymi przyczynami
- niedopuszczalne drgania
Inne sposoby posadowienia powinny być analizowane dopiero w sytuacji gdy posadowienie bezpośrednie nie gwarantuje odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa posadowienia lub gdy występują inne ograniczenia (np. bardzo ograniczona przestrzeń do wykonania fundamentu bezpośredniego lub bardzo restrykcyjne wymagania ograniczenia osiadań).
Zwiększenie wymiarów fundamentów bezpośrednich jest podstawowym sposobem poprawy warunków stanu granicznego nośności. Jednak powiększanie podstawy fundamentów nie zawsze jest efektywne i bardzo często nie jest możliwe.
Jakie posadowienie zastosować gdy w określonych warunkach gruntowych dla posadowienia bezpośredniego któryś z stanów granicznych nie jest spełniony?
Rys. 1: Rodzaje fundamentów: I – fundament płytki (posadowienie bezpośrednie) II – fundament na palach III – fundament płytowo palowy IV – wzmocnienie podłoża kolumnami sztywnymi z warstwą transmisyjną
Pierwszym rozwiązaniem tego wyzwania projektowego jest tzw. palowanie tzn. posadowienie głębokie na palach fundamentowych które poprzez tarcie na pobocznicy i opór podstawy przenoszą 100% obciążeń pionowych na grunt nośny – patrz Rys. 1: II. Ciekawym podejściem projektowym jest fundament palowo-płytowy (ang. pile raft foundation) gdzie nieduża część obciążenia (z reguły kilka %) jest przenoszone przez grunt pod podstawą płyty fundamentowej – patrz Rys. 1: III. Możliwość zastosowania takiego modelu powinna być poparta odpowiednimi obliczeniami numerycznymi (np. MES).
Najczęściej stosowane technologie palowe to:
- wiercone pale CFA
- wkręcane pale przemieszczeniowe FDP, SDP itp.
- wiercone pale wielkośrednicowe w orurowaniu
- barety
- mikropale
- itp.
Palowanie jest rozwiązaniem klasycznym i z reguły bardzo efektywnym. Poprawnie zaprojektowane pale pozwalają na ograniczenie wartości osiadań fundamentów nawet do bardzo restrykcyjnych wymagań.
Co jeśli nie palowanie?
Drugim, często pomijanym w praktyce projektowej na etapie koncepcji/projektu budowlanego/wykonawczego rozwiązaniem jest wzmacnianie podłoża gruntowego. Jest to rozwiązanie pośrednie między posadowieniem bezpośrednim na podłożu rodzimym, a głębokim fundamentowaniem (palowaniem).
Wzmacnianie podłoża gruntowego polega na modyfikacji podłoża w taki sposób by jego parametry gwarantowały spełnienie stanów granicznych podłoża gruntowego (GEO) i konstrukcji (STR/SLS) co równoważne jest z zachowaniem odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa posadowienia budowli.
Metod wzmacniania podłoża pod nowo projektowane obiekty jest bardzo dużo, a rozwój technologiczny metod jest bardzo szybki więc nie sposób wymienić wszystkie technologie – poniżej przedstawiam kilka wybranych metod:
- klasyczna wymiana gruntu słabonośnego na grunt nośny (częściowa lub całkowita)
- nasypy przeciążające w celu przyspieszenia konsolidacji (konsolidacja statyczna słabego podłoża)
- geomaterace z kruszyw i geosyntetyków
- powierzchniowa stabilizacja spoiwami (np. cementem)
Powszechnie stosowane są także specjalistyczne metody wzmacniania podłoża metodami dynamicznymi i wibracyjnymi tj. tzw. „technologie miękkie”:
- zagęszczanie impulsowe RIC (Rapid Impact Compaction)
- zagęszczanie dynamiczne DC (Dynamic Compaction)
- kolumny kamienne wymiany dynamicznej DR (Dynamic Replacement)
- kolumny żwirowe i wibroflotacja
Nieocenione również są specjalistyczne metody „palopodobne” tzn. technologie kolumn:
- DSM (Deep Soil Mixing) – kolumny cementowo-gruntowe (wgłębne mieszanie gruntu)
- FDC* (Full Displacement Columns) – kolumny wkręcane przemieszczeniowe
- kolumny betonowe wykonywane świdrem ciągłym (analogicznie jak pale CFA)
* betonowe kolumny przemieszczeniowe funkcjonują też pod innymi nazwami – FDC, CSC, SDC, CMC itp.
Fot. 1: Świeżo wykonane kolumny DSM w regularnej siatce w ramach wzmocnienia podłoża gruntowego oraz narzędzie mieszające do wykonywania kolumn DSM
Traktowanie kolumn wzmacniających podłoże tak jak pali wynika z braku zrozumienia koncepcji wzmacniania podłoża
Pale projektowane są tak by przenosić ok. 100% obciążeń – patrz Rys. 1 : II. Kolumny wzmacniające podłoże współpracują z gruntem i obciążenie z konstrukcji jest rozdzielane pomiędzy kolumny i grunt w zależności od stosunku sztywności kolumn i gruntu wzmacnianego. Patrz Rys. 1: IV.
Kolumny stanowią zbrojenie słabonośnego gruntu i polepszają jego parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe. Kolumny różnych sztywności wraz z gruntem i często warstwą transmisyjną* stanowią kompozyt współpracujących ze sobą elementów które zwiększają zdolność podłoża rodzimego do przenoszenia obciążeń.
* Warstwa transmisyjna (LTP – Load Transfer Platform) to z reguły warstwa zagęszczonego kruszywa lub warstwa gruntu stabilizowanego spoiwami która za zadanie ma redystrybucję obciążeń pomiędzy kolumny i grunt – patrz Rys. 1 – IV.
Kolumny wykonane w różnych technologiach różnią się sztywnością i ich zastosowanie warunkowane jest m.in. wymaganym stopniem wzmocnienia podłoża zależnym od wartości osiadań bez wzmocnienia i pożądanej wartości osiadań. Stopień wzmocnienia mocno zależy od materiału kolumn (żwir,piasek, kruszywo łamane, cementogrunt, beton), średnicy kolumn, ich rozstawu i sztywności.Najbardziej podatne są kolumny kruszywowe (wymiana dynamiczna i kolumny żwirowe), sztywniejsze od nich są kolumny DSM oraz kolumny betonowe.
Kolumny wzmacniające podłoże w sposób objętościowy, w szczególności kolumny betonowe bardzo często błędnie nazywane są palami i są błędnie traktowane tak jak pale. Modelowanie i wymiarowanie kolumn wzmacniających opiera się na zdecydowanie innych założeniach niż projektowanie pali. Z uwagi na brak na dzień dzisiejszy polskich wytycznych do projektowania i wymiarowania takich elementów idea projektowania wzmocnienia podłożami sztywnymi kolumnami jest dla wielu projektantów, inwestorów, inspektorów nadzoru itd. niejasna i trudna do weryfikacji. Trudność wynika z zastosowanych złożonych metod obliczeniowych i mniej intuicyjnego sposobu przenoszenia obciążeń niż w typowym posadowieniu palowym. Następstwem tego jest np. wymaganie próbnych obciążeń na pojedynczych kolumnach wzmacniających podłoże.
Kiedy więc stosuje się wzmacnianie podłoża, a kiedy palowanie?
Wzmacnianie podłoża i palowanie stosowane jest gdy wartość obciążeń przekazywanych z obiektu na grunt jest większa niż nośność gruntu lub/i gdy konieczne jest ograniczenie osiadań. Jakie są typowe zastosowania obu metod?
Tab. 1: Kiedy wzmacnianie podłoża, a kiedy palowanie?
Wzmacnianie podłoża jest alternatywą dla palowania w ramach posadowienia obiektów na gruntach słabonośnych. Dobór odpowiedniej metody wzmacniania podłoża powinien opierać się na rozpoznaniu podłoża odpowiedniej jakości. Projekt wzmocnienia podłoża powinien być poparty odpowiednimi obliczeniami wykonanymi przez projektanta geotechnika lub doświadczonego konstruktora. Właściwie dobrana metoda wzmocnienia podłoża już na etapie koncepcji, projektu budowlanego lub wykonawczego pozwala przeważnie wygenerować oszczędności dla Inwestora.
Z pewnością wzmacnianie podłoża ma swoje ograniczenia i nie zastąpi palowania we wszystkich przypadkach ale z uwagi na mnogość technologii wzmacniania podłoża i zaawansowane metody obliczeniowe jest opcją którą warto brać pod uwagę w większości typowych zagadnień posadowienia obiektów budowlanych na podłożu słabonośnym.
