od koncepcji, badań podłoża, poprzez projekt i realizację do monitoringu konstrukcji
Wzmacnianie podłoża i posadowienie głębokie fundamentów
- pale formowane świdrem ciągłym cfa
- pale i kolumny przemieszczeniowe formowane w gruncie (cmc)
- mikropale wiercone
- kolumny cementowogruntowe (DSM)
- iniekcja wysokociśnieniowa (jet-grouting)
- iniekcja niskociśnieniowa
- pale prefabrykowane
pale formowane świdrem ciągłym cfa
Technologia pali przemieszczeniowych jest nowoczesną, wydajną metodą, praktykowaną od kilkudziesięciu lat. Technologia ta zakłada formowanie i wykonania pala podczas jednego cyklu technologicznego bez wyjmowania narzędzia wiercącego.
Realizacja pala formowanego świdrem ciągłym (FSC lub CFA – Continuous Flight Auger Pile) polega na wwierceniu w grunt na projektowaną głębokość ciągłego, ślimakowego świdra. Podczas wwiercania świdra, grunt w otoczeniu formowanego pala częściowo jest rozpychany jest na boki, a częściowo wynoszony na powierzchnię. Po osiągnięciu przez palownicę i świder projektowanej głębokości, przez rdzeń świdra pod ciśnieniem podawana jest mieszanka betonowa o określonej, specjalnej recepturze. Mieszanka winna wypełniać szczelnie przestrzeń pod świdrem, a ciśnienie podawania betonu nie może dopuścić do rozluźnienia podłoża i powstania nieciągłości pala. Przy formowaniu pali w gruntach słabonośnych obserwowane i mierzone jest zwiększenie średnicy pala oraz dogęszczenie ośrodka gruntowego. Prędkość podnoszenia świdra musi być dostosowana do wydajności podawania betonu, tak aby cały czas zapewnić nadciśnienie betonu w formowanym palu.
Po uformowaniu w gruncie pala CFA, w świeżą mieszankę betonową można wprowadzić element zbrojenia: najczęściej kosz zbrojeniowy lub, alternatywnie, kształtownik. Zbrojenie pala jest wprowadzane przez wciskanie (pod własnym ciężarem lub ze wspomagania np. koparką) lub wibrowanie.
Cały proces formowania pali CFA może być monitorowany, poprzez ciągłą kontrolę i rejestrację parametrów wiercenia (posuw świdra, prędkość obrotowa, ciśnienie na głowicy i moment stołu wiertniczego) i formowania (prędkość unoszenia świdra, ciśnienie mieszanki betonowej, zużycie mieszanki). Palownice są wyposażone w urządzenia rejestrujące parametry wykonywania pala CFA, obrazowane na monitorze i zapisywane w pamięci wewnętrznej urządzenia. Rejestrowane wartości są podstawą do sporządzenia metryk pali.
Największą zaletą pali CFA jest możliwość projektowania i wykonywania ich we wszystkich warunkach gruntowych (nawet w zagęszczonych piaskach i zwartych glinach – w gruntach uniemożliwiających wykonywanie pali przemieszczeniowych formowanych w gruncie). Możliwość wykonywania pali CFA o większych średnicach umożliwia stosowanie ich w konstrukcjach obciążonych dużymi siłami poziomymi i momentami zginającymi. Pale FCA cechuje też większa nośność niż klasycznych pali wierconych o tych samych średnicach.
pale i kolumny przemieszczeniowe formowane w gruncie (cmc)
Technologia pali przemieszczeniowych jest nowoczesną, wydajną i sprawdzoną metodą fundamentowania, stosowaną dziś bardzo powszechnie przez firmy wykonawcze. W Polsce pale i kolumny przemieszczeniowe są znane i stosowane od kilkunastu lat.
Realizacja pali i kolumn przemieszczeniowych polega na wkręceniu w grunt głowicy przemieszczeniowej na zaprojektowaną głębokość. Wkręcanie prowadzone jest w jednym cyklu, bez wyjmowania narzędzia, a dzięki odpowiedniej konstrukcji świdra grunt w otoczeniu formowanej kolumny (pala) jest rozpychany i dogęszczany, a ilość urobku jest niewielka. Po osiągnięciu projektowanej głębokości penetracji, głowica przemieszczeniowa jest podnoszona, z równoczesnym wprowadzaniem w podłoże przez rurę rdzeniową wiertnicy i świdra mieszanki betonowej o odpowiedniej recepturze. Mieszanka betonowa winna cechować się odpowiednią konsystencją (S3/S4), być wykonana z użyciem właściwego kruszywa (najczęściej do 16 mm) i odpowiedniej ilości cementu (około 350 kg/m3). Prędkość podnoszenia głowicy przy formowaniu kolumny (pala) winna być taka, aby przy jej formowaniu zapewnić wymagane nadciśnienie i ciągłość elementu fundamentowego. Po uformowaniu kolumny (pala) w gruncie, w świeżą mieszankę betonową można wprowadzić element zbrojenia: kształtownik lub kosz zbrojeniowy. Zbrojenie pala jest wprowadzane przez wciskanie (pod własnym ciężarem lub ze wspomagania np. koparką) lub wibrowanie.
Cały proces wykonywania kolumn (pali) przemieszczeniowych może być monitorowany, poprzez ciągłą kontrolę i rejestrację parametrów wiercenia (posuw świdra, prędkość obrotowa, ciśnienie na głowicy i moment stołu wiertniczego) i formowania (prędkość unoszenia świdra, ciśnienie mieszanki betonowej, zużycie mieszanki). Palownice mogą być wyposażone w urządzenia rejestrujące parametry wykonywania pala, obrazowane na monitorze i zapisywane w pamięci wewnętrznej urządzenia. Rejestrowane wartości są podstawą do sporządzenia metryk kolumn (pali).
Technika kolumn i pali przemieszczeniowych rozwinęła się szybko i jest sukcesywnie udoskonalana. Technikę tę można stosować do wzmacniania słabonośnego podłoża i do formowania kolumn i pali w nieomal każdych warunkach gruntowych, za wyjątkiem zagęszczonych piasków i żwirów oraz zwartych, skonsolidowanych glin. Duża wydajność, brak udarów i wibracji towarzyszących formowaniu pali i kolumn decydują o powszechnym i skutecznym stosowaniu. Pale i kolumny przemieszczeniowe znane są pod kilkoma nazwami handlowymi: jako pierwsze pojawiły się pale CMC, później SDP i SDC (soil displacement piles and columns) oraz FDP i FDC (full displacement piles and columns).
mikropale wiercone
Mianem mikropali określa się najczęściej pale formowane w gruncie, o niewielkiej średnicy trzonu pala, najczęściej nie większej niż 30 cm.
Mikropale mogą być formowanie w gruncie świdrem ślimakowym o niewielkiej średnicy lub odpowiednią wiertnicą rdzeniową z rdzeniami samowiercącymi.
Mikropale wykonywane w technologii CFA stanowią połączenie tradycyjnej metody wykonywania pali CFA z zabiegami iniekcyjnymi właściwymi dla mikropali i kotew. Wykonanie mikropala CFA polega na wykonaniu otworu za pomocą ciągłego świdra ślimakowego; a po osiągnięciu projektowanej głębokości, poprzez przez przewód rdzeniowy wtłacza się zaczyn cementowy lub zaprawę, następnie w świeży zaczyn lub zaprawę wprowadza się zbrojenie. Najczęściej stosowanym zbrojeniem są kształtowniki stalowe: dwuteowniki, rury lub pręty żebrowane dużych średnic.
Najczęściej mikropale wykonuje się jednak poprzez wiercenie z użyciem systemowych żerdzi samowiercących (np. titan, gonar), z odpowiednią koronkę wiertniczą, która jest elementem traconym i spełnia rolę przewodu wiertniczego i iniekcyjnego. Równocześnie z procesem wiercenia prowadzona jest iniekcja, gwarantująca utrzymanie stateczności otworu i pozwalająca na wypełnienie wolnych przestrzeni. Po odwierceniu otworu na projektowaną głębokość wykonuje się iniekcję końcową, a żerdź z koronką pozostają w otworze, stanowiąc zbrojenie mikropala.
Ogromną zaletą mikropali jest możliwość wykonywania ich w trudnodostępnych miejscach, np. w piwnicach bądź budynkach, w rejonach niedostępnych dla ciężkiego sprzętu.
kolumny cementowogruntowe (DSM)
Technologia wzmacniania podłoża poprzez utworzenie kolumn cementowogruntowych metodą wgłębnego mieszania gruntu (Deep Soil Mixing – DSM) zastosowana została po raz pierwszy w latach 70-tych w Japonii. W polskiej praktyce stosowana od początku obecnego wieku.
Technologia polega na wzmocnieniu słabonośnego podłoża gruntowego przez wykonanie w gruncie kolumn o odpowiednio dobranej średnicy, dokładnie określonej konstrukcją tzw. padla wiertnicy.
Kolumny DSM wykonuje się przy użyciu palownicy z głowicą, wyposażoną w tzw. padel, tj. zestaw zakończony mieszadłem o specjalnej konstrukcji. Formowanie kolumny polega na pogrążaniu w gruncie mieszadła, które odspaja i miesza grunt ze spoiwem hydraulicznym o odpowiednio dobranych parametrach, tłoczonym za pomocą pompy. Najczęściej stosowanym spoiwem jest zaczyn cementowy (kolumny DSM-wet) albo cement lub wapno w stanie suchym, które reagują z wodą zawartą w gruncie (kolumny DSM-dry). Zestaw z mieszadłem jest pogrążany na projektową głębokość z jednoczesnym obrotem i tłoczeniem zaczynu. Następnie poprzez podciągania i opuszczanie padla spoiwo zostaje w sposób odpowiedni wymieszane z gruntem stanowiącym kruszywo i z wodą gruntową, a tym samym zostaje uformowana prawidłowa kolumna DSM. Niekiedy stosuje się zbrojenie kolumn DSM.
Bardzo istotną zaletą technologii DSM jest brak oddziaływań dynamicznych: udarów, wibracji przy wykonywaniu kolumn, praktycznie brak urobku oraz relatywnie duża szybkość realizacji robót.
Ograniczeniem w stosowaniu technologii DSM jest występowanie w podłożu gruntów organicznych; cementogrunt formowany w gruntach organicznych lub nasypach z dużą zawartością materii organicznej cechuje się niewielką wytrzymałością i ograniczoną trwałości.
Technologię DSM wykorzystywana jest do wzmacniania podłoża słabonośnego zarówno pod budynki jak i pod budowle oraz pod drogi i linie kolejowe.
Technologię DSM wykorzystuje się również do wykonywania przesłon przeciwfiltracyjnych, np. na wałach przeciwpowodziowych. Spoiwo modyfikuję się poprzez dodanie np. bentonitu, a kolumny są wykonywane liniowo z zakładem tak aby utworzyć przesłonę o odpowiednich parametrach filtracyjnych.
iniekcja wysokociśnieniowa (jet-grouting)
Technologia wzmacniania podłoża poprzez jego scementowanie i utworzenie kolumn cementowogruntowych zastosowana została po raz pierwszy w latach 70-tych w Japonii. W polskiej praktyce stosowana od lat 90-tych ubiegłego wieku.
Idea iniekcji strumieniowej zasadza się na zniszczeniu pierwotnej struktury i rozdrobnieniu gruntu przez strumień wody lub zaczynu cementowego (podawanego pod dużym ciśnieniem, kilkudziesięciu MPa, o dużej prędkości, przekraczającej 100 m/s) i utworzenie kolumny tzw. cementogruntu (mieszaniny szkieletu gruntowego i spoiwa hydraulicznego, o parametrach wytrzymałościowych od około 2 do ponad 10 MPa). Wytrzymałość cementogruntu na ściskanie zależna jest od przede wszystkim od rodzaju wzmacnianego gruntu, a także rodzaju i klasy cementu, zaczynu cementowego oraz parametrów pracy wysokociśnieniowego zestawu iniekcyjnego (tj. ciśnienia podawania iniektu, prędkości podnoszenia i obrotu monitora).
Iniekcja strumieniowa, prócz wzmocnienia podłoża, podniesienia jego własności mechanicznych skutkuje także uszczelnieniem, tj. znaczącym obniżeniem współczynnika filtracji gruntu.
Iniekcja strumieniowa realizowana jest w dwóch fazach. W pierwszej wiercony jest przy pomocy żerdzi wiertniczej zakończonej monitorem i specjalną końcówką wiercącą otwór wiertniczy o średnicy około 100-180 mm; wiercenie może być wspomagane strumieniem wody lub zaczynu. W drugiej fazie formowana jest cementowogruntowa kolumna iniekcyjna. Proces formowania kolumny składa się z dwóch elementy: odspojenie gruntu w przestrzeni wokół żerdzi wraz z wynoszeniem urobku na powierzchnię terenu oraz mieszanie pozostających w otworze wiertniczym elementów szkieletu gruntowego z wprowadzanym zaczynem cementowym.
Obecnie stosowane są trzy podstawowe systemy iniekcji strumieniowej: system jednomediowy (tylko zaczyn), dwumediowy (zaczyn plus powietrze lub woda) oraz trójmediowy.
Kolumny cementowogruntowe projektowane i wykonywane są jako niezbrojone lub, w razie potrzeby, zbrojone, najczęściej kształtownikami stalowymi.
Największymi zaletami technologii iniekcji wysokociśnieniowej jest możliwość wykonywania kolumn cementowogruntowych przy użyciu niewielkiego sprzętu, w miejscach w których niemożliwe jest zastosowanie ciężkiego sprzętu i stosowanie innych technologii. Kolumny cemnetowogruntowe można wykonywać pod istniejącymi, starymi fundamentami, w piwnicach, pod fundamentami maszyn oraz możliwość wykonywania kolumn o dowolnym kształcie i głębokości.
Zasadniczy element układu technologicznego, tj. mieszalnik i wysokociśnieniowa pompa do zaczynów cementowych połączona wężami z urządzeniem wiertniczym może znajdować się w odległości do kilkudziesięciu metrów od miejsca wykonywania iniekcji.
iniekcja niskociśnieniowa
Iniekcja niskociśnieniowa to jedna z najbardziej uniwersalnych metod zmiany parametrów gruntu; polega na wtłoczeniu przez niewielki odwiert specjalnego spoiwa hydraulicznego na głębokość sięgającą kilkunastu metrów.
Stosowana jest do scementowywania podłoża i jego uszczelniania.
Technologia stosowana najczęściej w przypadku wzmacniania podłoża istniejących fundamentów i posadzek, przy remontach będących skutkiem awarii oraz przy uszczelnianiu wodoprzepuszczalnego podłoża gruntowego.
Podobnie jak w przypadku technologii jet-grouting, zasadniczy element układu technologicznego, tj. mieszalnik oraz pompa do zaczynów cementowych połączona wężami z urządzeniem wiertniczym może znajdować się w odległości do kilkudziesięciu metrów od miejsca wykonywania iniekcji.
pale prefabrykowane
Pale prefabrykowane to wykonane w zakładzie prefabrykacji, następnie dostarczone na plac budowy i pogrążone w gruncie elementy (metodą wbijania). Najczęściej stosuje się pale żelbetowe z betonu wysokiej wytrzymałości (np. C50/60), o wymiarach 25x25, 30x30, 35x35, 40x40 cm. Ich podstawowym zadaniem jest przeniesienie oddziaływujących z konstrukcji obiektów obciążeń na głębsze (nośne) warstwy podłoża gruntowego.
W palach prefabrykowanych wykorzystywane są materiały o wysokiej jakości i wytrzymałości. Technologia zapewnia zachowanie w palach projektowanego kształtu oraz grubości otuliny zbrojenia niezależnie od zmiennych warunków gruntowych. Technologię charakteryzuje wysoka powtarzalność konstrukcyjna od pierwszego do ostatniego wbitego pala.
Pale prefabrykowane stosowane mogą być praktycznie we wszystkich warunkach gruntowych, także przy występowaniu gruntów o bardzo małej wytrzymałości, takich jak płynne i półpłynne osady organiczne, słabonośne grunty spoiste, luźne piaski oraz nasypy antropogeniczne.
Kluczową cechą pali prefabrykowanych jest możliwość kontroli ich nośności w trakcie robót palowych poprzez pomiar wpędów czy badań dynamicznych.
Zabezpieczenia wykopów / Konstrukcje oporowe
- obudowy wykopów "berlińka", ścianka berlińska
- palisady
- ściany szczelinowe
- ścianki szczelne
obudowy wykopów "berlińka", ścianka berlińska
Określenie obudowy wykopu „berlinka” pochodzi od pierwszych zastosowań tej metody dla zabezpieczania wykopów podczas robót wykonywanych na początku XX wieku przy budowie berlińskiego metra.
Ścianka berlińska – obudowa berlińska jest jedną z lekkich technologii obudowy głębokich wykopów, najczęściej pod jedną lub dwie kondygnacje podziemne lub pod piwnice technologiczne bądź np. podziemne zbiorniki.
Obudowa berlińska, składa się z dwóch elementów: pali lub stalowych kształtowników oraz najczęściej drewnianej opinki. Elementem konstrukcyjnym są najczęściej stalowe dwuteowniki (IPE lub HEA), mocowane w gruncie w rozstawie od około 1,2 do około 2,2 m; kształtowniki są mocowane np. w palach cfa lub kolumnach dsm bądź wbijane lub wwibrowywane w podłoże. Osadzanie kształtowników w otworach – palach cfa lub kolumnach dsm jest szczególnie zalecana na terenach zurbanizowanych, z uwagi na redukcję oddziaływań na otoczenie: brak szkodliwych drgań i wibracji.
Przestrzeń pomiędzy kształtownikami wypełniana jest najczęściej drewnianą opinką (grubości 5 – 10 cm). Opinka winna być zakładana za półki kształtowników, sukcesywnie w miarę głębienia wykopu.
Obudowa berlińska jest wielokrotnie, pozytywnie zweryfikowanym sposobem zabezpieczenia skarp wykopów i dlatego jest szeroko stosowana.
Istotnym ograniczeniem przy stosowaniu obudów berlińskich jest możliwość stosowania ich dla zabezpieczania wykopów wykonywanych w gruntach nienawodnionych. W zamian za to: istotną zaletą tej metody jest relatywnie niski koszt wykonania oraz możliwość wykonania obudowy berlińskiej jako elementu tymczasowego lub stałego, także jako zewnętrznego szalunku zewnętrznych ścian piwnic.
palisady
Palisady wykonywane z pali wierconych są jedną z metod zabezpieczania ścian wykopów. Często stosuje się je dla niewielkich zadań, przy których (z uwagi na ograniczony zakres robót specjalistycznych) niezasadne jest wykonywanie ścian szczelinowych. Wygrodzenie wykopu palisadą z pali wierconych umożliwia minimalizację wpływu robót specjalistycznych na zabudowę sąsiednią. Pale, najczęściej wykonywane w technologii cfa, realizowane są na zakład, stycznie lub jako rozsunięte, w niewielkich odległościach pomiędzy sobą, możliwie blisko siebie w zależności od warunków gruntowych. Pierwsze rozwiązanie (z palami wykonywanymi na zakład) umożliwia uzyskanie palisad szczelnych – zabezpieczających wykop przed lateralnym dopływem wody do wykopu. Palisady z pali wierconych zwieńczane są oczepem stalowym lub żelbetowym, który ma na celu zwiększenie sztywności całej obudowy. Palisady mogą być wspornikowe, kotwione, lub rozpierane, w zależności od głębokości zabezpieczanego wykopu oraz warunków gruntowych.
Najpierw wykonuje się pale pierwotne, a potem między nimi pale wtórne. Pale wtórne są zwykle zbrojone. W przypadku zbrojenia pali pierwotnych zbrojenie należy tak ukształtować, aby nie przeszkadzało w wierceniu pali wtórnych.
Przy realizacji pali wierconych i palisad oddziaływanie na otoczenie jest zminimalizowane, dlatego tę technologię wykorzystuje się dla zabezpieczenia wykopów w terenach zurbanizowanych, w bliskim sąsiedztwie obiektów istniejących.
Palisady mogą być wykonane z różnych rodzajów pali. Najczęściej stosuje się klasyczne pale cfa, alternatywnie: pale wiercone w rurze obsadowej, pale VdW lub mikropale.
ściany szczelinowe
Technologia ścian szczelinowych zastosowana została po raz pierwszy w końcu lat czterdziestych XX wieku przy budowie metra w Mediolanie. Następnie rozwijana była w Europie i Ameryce Północnej. Sukcesywne doskonalenie metody spowodowało jej upowszechnienie, a możliwość wygradzania głębokich wykopów i przenoszenia bardzo dużych obciążeń przyniosło zastosowanie przy budowie wielu najwyższych budynków wysokościowych. Obecnie powszechnie stosowana w budownictwie ogólnym, przemysłowym i komunikacyjnym.
Ściany szczelinowe stanowić mogą zabezpieczenie głębokich wykopów, a z uwagi na dużą sztywność oraz możliwość wykorzystania zarówno jako ściany kondygnacji podziemnych jak i fundamenty budynku są szeroko stosowane, zarówno dla budynków z jedną jak i wieloma kondygnacjami podziemnymi.
Ściany szczelinowe, to ściany wykonana z żelbetu, formowane w szczelinie wykopanej w gruncie. Wykonanie ściany szczelinowej obejmuje prace przygotowawcze, wykonanie murków prowadzących, głębienie szczeliny w osłonie zawiesiny bentonitowej lub polimerowej, wstawienie elementów rozdzielczych oraz koszy zbrojeniowych a następnie betonowanie metodą contractor.
Technologia ścian szczelinowych pozwala na wykonanie fundamentów np. w tzw. ostrej granicy działki czemu stanowi doskonałe połączenie obudowy wykopu (pozwalające bezpiecznie wykonać wykop o pionowych ścianach, także w gruntach nawodnionych) jak również fundament przenoszący obciążenia z obiektu na głębsze warstwy podłoża gruntowego.
Ściany szczelinowe mogą być wykonywane na głębokość kilkudziesięciu (a nawet ponad stu) metrów; zwykle mają szerokość 60 lub 80 cm, ale specjalistyczny sprzęt umożliwia wykonywanie ścian o bardzo różnej grubości: 40 – 50 – 60 – 80 – 100 – 120 cm.
Ściany szczelinowe pełnią trzy podstawowe funkcje: zabezpieczenie skarp wykopu i przejęcie parcia gruntu; przeniesienie sił pionowych na głębsze podłoże oraz zapewnienia wodoszczelności. Stateczność ścian wygradzanych głębokimi wykopami zapewniana jest przez stosowanie tymczasowych stalowych konstrukcji rozparcia, kotew gruntowych lub budowę tzw. metodą stropową.
Zaletami ścian szczelinowych są: skrócenie czasu realizacji oraz optymalizacja kosztów poprzez zastosowanie jednej konstrukcji spełniającej funkcję docelowego elementu budynku, zabezpieczenia stateczności i wodoszczelności wykopu, możliwość wykonywania w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących budowli, brak znaczących oddziaływań dynamicznych przy wykonywaniu robót.
ścianki szczelne
Stalowe ścianki szczelne, zwane też ściankami Larsena, wykonywane są ze stalowych, walcowanych profili pogrążanych w podłoże gruntowe. Ścianki mogą być wbijane, wwibrowywane lub statycznie wciskane w podłoże. Ścianki stosuje się jako elementy trwałe (tracone) albo też jako elementy tymczasowe (odzyskiwane).
Ścianki szczelne mogą stanowić obudowy wykopów, stosowane w bardzo zróżnicowanych warunkach gruntowych. Ich stateczność mogą zapewniać systemy stalowych rozparć lub kotwy.
W ostatnich latach, przy lżejszych konstrukcjach, w sprzyjających warunkach gruntowych, zamiennie, zamiast profili stalowych, stosuje się niekiedy profile z tworzyw sztucznych.
Grodzice i ścianki szczelne są powszechnie stosowane w wielu konstrukcjach oporowych, palisadach w budownictwie lądowym i konstrukcjach hydrotechnicznych. Do zalet grodzic stalowych należy m.in. ich wysoka efektywność w sytuacjach wymagających elastyczności rozwiązania konstrukcyjnego i technologicznego.