Wzmacnianie gruntu. Metody wzmacniania gruntu i kryteria ich doboru

Wzmacnianie gruntu
Autor: gettyimages Praktyka projektowa pokazuje, że częściej spotyka się niekorzystne warunki gruntowe, ponieważ atrakcyjne pod tym względem tereny zazwyczaj są już zagospodarowane. Proces inwestycyjny zazwyczaj rozpoczyna się od zmacniania podłoża gruntowego

Wzmacnianie gruntu to ważny etap inwestycyjny w przypadku niewystarczającej nośności podłoża. Jest kilka metod wzmacniania podłoża grunowego i stosowanych w ich ramach rozwiązań.

Wzmacnianie gruntu - kryteria wyboru metody

Czynnikami wpływającymi na wybór metody wzmocnienia gruntu są:

  • warunki gruntowo-wodne,
  • warunki górnicze, parasejsmiczne lub sejsmiczne,
  • obciążenia przekazywane przez konstrukcję obiektu,
  • dopuszczalne osiadania równomierne i nierównomierne fundamentów,
  • sposób i wartość obciążenia posadzek,
  • lokalizacja obiektów istniejących w sąsiedztwie terenu wymagającego wzmocnienia.
Warto wiedzieć

W dzisiejszej praktyce projektowej coraz częściej spotyka się niekorzystne warunki gruntowe lub gruntowo-wodne, ponieważ atrakcyjne pod tym względem tereny zazwyczaj są już zagospodarowane. Występują one zarówno na obszarach z zalegającymi gruntami rodzimymi (mineralnymi lub organicznymi), jak i na terenach wykorzystywanych wcześniej na cele budowlane, gdzie np. w wyniku likwidacji starych obiektów lub wyrobisk powstają niekontrolowane nasypy. Wzmocnienia z reguły wymagają obszary zalegania gruntów słabonośnych, silnie odkształcalnych oraz zróżnicowanych w planie i przekroju.

Można wprowadzić wiele podziałów metod wzmacniania podłoża gruntowego, np. z uwagi na głębokościowy zakres wzmocnienia, rodzaj stosowanych w tym celu materiałów, występowanie drgań podczas wykonywania robót, czas uzyskania pełnej efektywności wzmocnienia. Zostały one zestawione w tabeli.

Kryterium podziału Rodzaj metod Stosowane rozwiązania
Głębokość wykonywanego wzmocnienia wzmacnianie
powierzchniowe
dogęszczenie powierzchniowe
(np. wałowanie)
stabilizacja powierzchniowa
zabudowa geosyntetyków
wzmacnianie wgłębne konsolidacja dynamiczna,
zagęszczanie impulsowe
kolumny kamienne i żwirowe
kolumny cementowo-gruntowe
(np. jet-grouting, DSM)
kolumny betonowe
dreny pionowe i nasyp przeciążający
Rodzaj stosowanego materiału niewynagające dodatkowych materiałów zagęszczanie powierzchniowe
konsolidacja dynamiczna,
zagęszczanie impulsowe
wymagające użycia materiałów dodatkowych stabilizacja spoiwem (np. cementem)
konstrukcje z geosyntetyków
wzmocnienie kolumnami z kruszywa, betonu
lub zaczynu cementowego zmieszanego
z gruntem
konsolidacja z zastosowaniem drenów
pionowych i nasypu przeciążającego
Występowanie drgań dynamiczne zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne
kolumny kamienne i żwirowe
statyczne stabilizacja gruntu i wałowanie statyczne
kolumny jet-grouting i DSM
kolumny betonowe
Zmiana
parametrów gruntu
zalegającego
w podłożu
poprawiające parametry
wzmacnianych gruntów
zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne
kolumny kamienne i żwirowe (dogęszczenie
gruntów niespoistych, poprawa warunków
konsolidacji gruntów spoistych)
drenaż pionowy i nasyp przeciążający (poprawa warunków konsolidacji
gruntów spoistych)
niepoprawiające
parametrów
wzmacnianych gruntów
stabilizacja spoiwem (brak efektu wzmocnienia gruntu poza warstwą gruntu
zmieszanego ze spoiwem)
kolumny jet-grouting i DSM (poza obszarem iniekcji zaczynu cementowego)
kolumny betonowe
zabudowa geosyntetyków
Wrażliwość
na przeszkody
występujące
w gruncie (np.
w nasypach
antropogenicznych)
niewrażliwe zagęszczanie gruntu powierzchniowe i wgłębne
kolumny kamienne i jet-grouting
wrażliwe kolumny DSM
kolumny betonowe i żwirowe

Wzmacnianie gruntu - warstwy transmisyjne

Na wybór metody wzmacniania gruntu może mieć wpływ konieczność stosowania tzw. warstwy transmisyjnej, pośredniej pomiędzy elementami wzmacniającymi podłoże gruntowe a fundamentem lub posadzką. Ma to miejsce w przypadku użycia bardzo sztywnych elementów o niewielkim przekroju poprzecznym, które wykonywane są w dużych rozstawach.
Warstwa transmisyjna ma przenieść obciążenie z fundamentu lub posadzki na element wzmacniający podłoże gruntowe, co umożliwi zaprojektowanie posadowienia bezpośredniego na zhomogenizowanym podłożu gruntowym o polepszonych parametrach.

Warstwy te można wykonywać z gruntu stabilizowanego cementem lub z konstrukcji z gruntu zbrojonego (w formie geomateracy i półgeomateracy). Ich prawidłowe zaprojektowanie i zrealizowanie jest podstawowym warunkiem właściwej pracy konstrukcji opartej na podłożu gruntowym. Schematy budowy warstw transmisyjnych pokazano na rysunku.

Schemat budowy warstw transmisyjnych
Autor: T. Blejarski Z lewej: schemat budowy warstw transmisyjnych z konstrukcji z gruntu zbrojonego; z prawej: schemat budowy warstw transmisyjnych z konstrukcji z gruntu stabilizowanego cementem

Niepoprawne wykonanie lub zaprojektowanie warstwy transmisyjnej niesie ryzyko:

  • przebicia warstwy transmisyjnej przez kolumny (szczególnie te o niewielkim przekroju poprzecznym),
  • uszkodzenia warstw zbrojenia geosyntetycznego,
  • niedostatecznej sztywności warstwy transmisyjnej, powodującej brak równomiernej sztywności mierzonej na powierzchni warstwy,
  • zerwania zbrojenia geosyntetycznego,
  • zbyt dużego odkształcenia pionowego i poprzecznego warstwy transmisyjnej w wyniku za małej sztywności początkowej zbrojenia geosyntetycznego.

Aby zapewnić jednorodne warunki podparcia fundamentu lub posadzki, warstwy transmisyjne muszą mieć dużą sztywność. Wartości tej ostatniej, mierzone zarówno nad elementami wzmacniającym podłoże (np. kolumną betonową), jak i pomiędzy nimi, powinny być zbliżone. Efektywność działania w głównej mierze zależy od stosunku grubości warstwy do rozstawu osiowego elementów wzmacniających podłoże oraz od sztywności poprzecznej warstwy. Im grubsza i sztywniejsza, tym skuteczniejsza. Warstwy transmisyjne można projektować w postaci warstwy gruntu stabilizowanego cementem, ułożonej na głowicach kolumn, lub stabilizowanego wraz z głowicami kolumn kamiennych bądź żwirowych lub jako konstrukcję z gruntu zbrojonego geosyntetykami (np. georusztami oraz geosiatkami, geokomórkami bądź geotkaninami), tzw. geomaterac z kruszywem dobranym do zastosowanego typu zbrojenia. Największą sztywność warstwy transmisyjnej uzyskuje się przy użyciu gruntu stabilizowanego cementem lub geomateraca ze zbrojeniem geosyntetycznym, np. georusztem o działaniu trójkierunkowym, o sztywnych węzłach i dużej sztywności początkowej (geosiatki ekstrudowane).

Ogólne wytycze doboru metody wzmocneinia gruntu

Opis warunków gruntowych Zalecany sposób wzmocnienia
Nasypy antropogeniczne z gruntów
niespoistych grubookruchowych
wszelkie metody zagęszczania przy użyciu
wibracji lub udarów (bez wprowadzania
dodatkowego materiału)
Luźne grunty niespoiste rodzime
Nasypy antropogeniczne z gruntów
niespoistych drobnoziarnistych i spoistych,
zalegające naprzemiennie
kolumny kamienne i żwirowe
Grunty rodzime spoiste i niespoiste zalegające naprzemiennie
Słabonośne grunty spoiste i niespoiste
(z wyjątkiem gruntów organicznych)
wszelkiego rodzaju kolumny betonowe,
cementowo-gruntowe (np. jet-grouting, DSM)
Grunty organiczne kolumny betonowe, kamienne i żwirowe
(w tym w osłonie geotekstylnej)

Wzmacnianie gruntu - analiza obliczeniowa

Kolumny kamienne lub żwirowe zwiększają nośność i sztywność podłoża. Podczas ich formowania następuje zagęszczenie podłoża rodzimego oraz jego częściowa wymiana poprzez wprowadzenie dodatkowego materiału. W przypadku kolumn kamiennych wykonywanych metodą wymiany dynamicznej stosuje się materiał grubookruchowy, o dopuszczalnej wielkości ziaren ok. 120 mm. Przy żwirowych, tworzonych przez wibrowymianę lub wibroflotację, używa się materiału zdecydowanie drobniejszego o dopuszczalnej wielkości ziaren 32 mm.
Projektując kolumny z kruszywa, należy rozważyć:

  • stan graniczny nośności – jego niespełnienie oznacza utratę stateczności kolumn,
  • drugi stan graniczny, wymagający równocześnie nieprzekroczenia: dopuszczalnego osiadania (graniczny stan przemieszczenia), granicznego stanu odkształcenia kątowego, wynikającego z nierównomierności osiadania (według Eurokodu 7 wartość ta wynosi 1/500).

Nośność kolumny oraz postać jej zniszczenia zależy od smukłości (rys. 2). Kolumny smukłe (np. żwirowe), których podstawa oparta jest na gruntach o dużej sztywności, tracą stateczność w wyniku spęcznienia górnej ich części. W przypadku kolumn krępych (np. kamiennych) formowanych metodą wymiany dynamicznej, zniszczenie następuje w momencie osiągnięcia stanu granicznego nośności i objawia się wyparciem gruntu w otoczeniu głowicy kolumny.

Mechanizmy utraty stateczności układu kolumna-grunt
Autor: M. Gryczmański Rys. 2. Mechanizmy utraty stateczności układu kolumna-grunt: a) kolumna smukła - spęcznienie kolumny; b) kolumna krępa - stan graniczny w otoczeniu głowicy, [M. Gryczmański. Metody analizy nośności i osiadania podłoża wzmocnionego kolumnami kamiennymi. Inżynieria Morska i Geotechnika]
Schemat konstrukcji komórki jednostkowej dla obliczeń metodą Priebego. a)siatki i średnice równoważne, b) przekrój osiowy komórki
Autor: A. Danikiewicz Rys. 3. Schemat konstrukcji komórki jednostkowej dla obliczeń metodą Priebego. a) siatki i średnice równoważne, b) przekrój osiowy komórki

Analizę nośności i osiadania podłoża gruntowego wzmocnionego kolumnami kamiennymi wykonuje się zazwyczaj analitycznie metodami Priebego (rys. 3) i Braunsa. Opierają się one na koncepcji komórki jednostkowej, w której podłoże pod obiektami rozległymi i równomiernie obciążonymi sprowadza się do równowagi pojedynczej kolumny otoczonej słabym gruntem (podział na obszary wpływu poszczególnych kolumn). Średnicę komórki jednostkowej ustala się na podstawie rozstawu kolumn i przyjętej siatki wzmocnienia.
Kolumny cementowo-gruntowe oraz betonowe projektuje się w oparciu o znane od wielu lat wzory, definiujące ich nośność jako sumę wartości tego parametru dla podstawy i pobocznicy.
Nośność tę oblicza się ze wzorów statycznych, z wprowadzeniem współczynników bezpieczeństwa osobno do nośności podstawy i pobocznicy:

Rc;d = R c;k/Yt     lub    Rc;d = Rb;k/Yb + Rs;k/Ys,

gdzie:
Rc;d – całkowita obliczeniowa nośność pala Rc zależna od wytrzymałości
gruntu,
Rc;k – charakterystyczna wartość,
Rc, Rb;k – charakterystyczna nośność podłoża pod podstawą pala,
Rs;k – charakterystyczna nośność gruntu wzdłuż pobocznicy,
γt, γb, γs – częściowe współczynniki bezpieczeństwa (dla całkowitej nośności pala, podstawy i pobocznicy).

Rb;k = Abqb;k

Rs;k = ∑n i=1 As,iqs,i;k

Wielkość:

qb;k – charakteryzuje opór jednostkowy pod podstawą pala,
qs,i;k – określa charakterystyczny opór na pobocznicy pala w kolejnych warstwach gruntu,
Ab – pole przekroju poprzecznego podstawy kolumny,
As,i – pole pobocznicy kolumny zagłębionej w gruncie w obrębie warstwy i.

W praktyce inżynierskiej nadal jednak korzysta się ze starej normy palowej PN-B-02482, która podaje wartości oporów q i t, biorąc pod uwagę rodzaj oraz stan gruntu. Takich zależności nie określa natomiast EN 1997-1, a wartości oporów podstawy (qb;k) i pobocznicy (qs,i;k) nie są tu równoznaczne z oporami q i ti z normy PN-B-02482.
Na podstawowych założeniach, uwzględniających nośność kolumny jako sumę nośności podstawy oraz pobocznicy, opartych jest również bardzo wiele metod projektowania kolumn betonowych oraz iniekcyjnych (procedury projektowe adaptowane do konkretnych technologii podał w swojej pracy prof. K. Gwizdała w monografii Fundamenty palowe).
Kolumny można także opracowywać na podstawie sondowań CPT metodami: EAP (metoda niemiecka) oraz LCPC (metoda francuska) z uwzględnieniem wytycznych EN 1997-2 (załącznik D).

Eurokod dopuszcza projektowanie w oparciu o wyniki badań terenowych pali próbnych, co może okazać się szczególnie opłacalne przy realizacji dużych zadań. Znaczne oszczędności mogą wówczas przekroczyć wartość wykonywania badań terenowych w skali naturalnej
oraz zrekompensować ich wydłużony czas.

Artykuł ukazał się w publikacji "Hale przemysłowe"

Zobacz e-wydanie

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej