Grodzice (ścianki szczelne) w budownictwie

Grodzice są powszechnie sto­sowane we wszystkich rodza­jach budownictwa, pomagają rozwiązać różne problemy, stosowa­ne są najczęściej nie tylko jako elementy technologiczne, ale również coraz powszechniej jako trwały ele­ment konstrukcyjny. Ściany z grodzic powszechnie nazywane są ściankami szczelnymi (opisywane były w nume­rach 5/2012 i 5/2014 „IB”). Nazwa ta wskazuje na cechę odróżniającą tego rodzaju konstrukcje od innych, np. ścianek berlińskich, przez które może wypływać woda za względu na nieciągłą opinkę drewnianą. Ścianki z grodzic z powodzeniem wykorzy­stywane są do zabezpieczania wy­kopów w gruntach nawodnionych i powszechnie w budownictwie hy­drotechnicznym. Jednak trzeba pamiętać, że nie są to konstrukcje stu­procentowo szczelne, co pokazano na fot. 1. Widoczne wypływy wody przez zamki ścianki szczelnej wynikają z ich konstrukcji (luz w zamku umożliwia­jący pogrążenie sąsiedniego elemen­tu), stanu zamków po wielokrotnym użyciu (pogrążeniu i wyciągnięciu na wcześniejszych obiektach, transpor­cie i składowaniu), wysokiego poziomu wody za ścianką. Te drobne nieszczel­ności z upływem czasu mogą ulegać kolmatacji. Wypływy niekoniecznie muszą być zjawiskiem dyskwalifikują­cym ściankę. W wykopach technologicznych, w których odprowadza się wodę pochodzącą z innych źródeł, np. opadową lub przenikającą przez dno, niewielkie przecieki przez ścian­kę nie mają praktycznego znaczenia. Możliwe jest uszczelnienie zamków np. przez zaspawanie lub zastosowanie środków uszczelniających zamek. żądanie takie można for­mułować jedynie wtedy, kiedy jest to niezbędne ze względów technicznych lub kiedy zamawiającego na to stać. Literalne trzymanie się nazwy ścianek szczelnych i żądanie ich stuprocentowej szczelności może w szczególnych przypadkach wpływać nega­tywnie na konstrukcje. Takim przykładem mogą być głębokie wykopy zabezpieczane ściankami. Zwykle taki wykop – przez odprężenie, odsłonięcie warstw nośnych, na których posadawia się obiekt, i utrzy­mywanie odwodnienia gruntu – negatywnie wpływa na nośność i odkształcalność podłoża budowli. Dlatego głębienie wykopu wraz z wykonaniem konstruk­cji trzeba prowadzić jak najszybciej, aby wpływ tych czynników ograniczyć. Często ten etap budowy niesie ze sobą największe ryzyko i jest najmniej przewidy­walny. W związku z tym wykonywanie operacji przedłużających czas budowy (jak uszczelnianie styków), które w danym przypadku nie są niezbędne, może być szkodliwe. Jednocześnie w każdym przypadku wypływu wody spoza obudowy należy ocenić czy nie wynosi ona cząstek gruntu i czy nie rodzi to zagro­żenia dla konstrukcji w otoczeniu wykopu.

Fot. 1 Wypływy wody przez zamki grodzic ścianki szczelnej

Fot. 2 Ścianka stalowa z widocznymi śladami korozji, umożliwiająca po­łówkowe wykonanie przebudowy wiaduktu kolejowego

Fot. 3, 4 Posadowienie mostu na grodzicach stalowych na Pomorzu Zachodnim pochodzą­ce sprzed II wojny światowej [2]

Dylematy z odpowiednią nazwą dla konstrukcji widocz­ne są również w normalizacji. Piąta część Eurokodu 3 ma obecnie tytuł „Palowanie i ścianki szczelne” [1], ale w wersji uznaniowej z 2007 r. tytuł brzmiał „Palo­wanie i grodze”, a po angielsku jest po prostu „Part 5: Piling”.

Tab. Zalecane wartości ubytków grubości wskutek korozji pali lub grodzic [1]

Kolejnym zagadnieniem budzącym nieuzasadnione wątpliwości jest kwestia trwałości ścianek stalo­wych. Obawa ta wynika z obserwacji, które możemy poczynić na przykładowej budowie (fot. 2). Najczę­ściej ścianka służąca jako zabezpieczenie technologiczne nie wygląda ładnie i jest pordzewiała. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że używana jest ona w dość niekorzystnych warunkach. W trakcie jej pracy i składowania następuje stały dostęp tlenu i wil­goci, wielokrotne pogrążanie i wyciąganie usuwa produkty korozji. Jeśli ścianka jest zainstalowana w stałej konstrukcji, sytuacja wygląda korzystniej. Może ona nie mieć dostępu do tlenu lub do wilgoci. Powstające produkty korozji, które nie są usuwane, hamują postęp korozji w późniejszym czasie. Pro­ste obserwacje pokazują, że ścianki stalowe mogą być z powodzeniem stosowane w konstrukcjach stałych. Na fot. 3 i 4 widoczne jest posadowie­nie mostu [2]. W budownictwie hydrotechnicznym powszechne jest wykorzystywanie grodzic stalowych w konstrukcjach stałych. Na fot. 5 zaprezentowano budowę konstrukcji żelbetowej w nurcie rzeki. Za­bezpieczeniem przed napływem wody i gruntu jest ścianka stalowa tymczasowa, natomiast po prawej stronie widoczne jest stałe umocnienie brzegu rzeki również wykonane z grodzic stalowych. Konstrukcje stałe z wykorzystaniem grodzic z powodzeniem wy­korzystywane są w budowanych portach, marinach, przystaniach kajakowych itp. (fot. 6 i 7).

W celu zapewnienia odpowiedniej trwałości ścianek stalowych stosuje się różne metody. Można wyobra­zić sobie np. stosowanie elementów wykonanych ze stali trudnordzewiejącej. Jednak w gruncie nie ma warunków na wytworzenie się warstwy ochronnej z produktów korozji (patyny). Najprostszym i naj­powszechniejszym sposobem zapewnienia trwałości ścianek stalowych jest zaprojektowanie naddatku korozyjnego. Stosuje się element o większej grubo­ści, tak aby po uwzględnieniu tempa korozji na ko­niec okresu eksploatacji pozostał profil o wskaźniku wytrzymałości potrzebnym do przeniesienia projektowa­nych obciążeń. Zalecane ubytki grubości podano w tabli­cach 4-1 i 4-2 w normie [1]. Najmniejsze i największe wartości ubytków z tych tablic pokazano w tabeli niżej.

Fot. 8 Ścianki stalowe na budowie gazoportu w Świnoujściu

Fot. 9 Konstrukcja stalowa posadowienia stawy nawigacyjnej na Bałtyku ok. 10 km od brzegu [3]

Fot. 10 Ścianka stalowa stanowiąca trwały przyczółek oraz ściany oporowe dojazdów do wiaduktu

W przywołanych tablicach w normie znajdują się ponadto ubytki dla gruntów skażonych, agresywnych, niezagęszczonych i zagęszczonych oraz dla wody słodkiej, skażonej i morskiej w strefie pełnego zanurzenia. Ubytki korozji atmosferycznej można przyjmować jako 0,01 mm/rok, a w środowisku morskim – 0,02 mm/rok. Wartości przed­stawione w tablicach pochodzą z rzeczywistych badań, jedynie dla okresów 50 lat i dłuższych są ekstrapolowane. Znajomość właściwości materiału pozwala projektować konstrukcje w bardzo niekorzystnych warunkach. Na fot. 8 pokazano ścianki kombinowane, składające się z pali rurowych i uzupełniających grodzic na budowie gazoportu w Świnoujściu, a na fot. 9 na budowie stawy nawigacyj­nej na Bałtyku ok. 10 km od brzegu. Na fot. 5 pokazano ścianki zastosowane w nurcie rzeki. Planując trwałość konstrukcji, można uwzględnić również fakt, że intensyw­ność korozji i rozkład momentów zginających są zmienne na długości ścianek. Szczęśliwie się składa, że miejsca maksymalnych momentów i największej korozji zwykle się Spośród innych metod zapewniają­cych projektowaną trwałość kon­strukcji można wymienić powło­ki ochronne (np. ocynkowanie lub malowanie), ochronę katodową i obetonowanie w strefie intensyw­nej korozji. Należy również zwrócić uwagę na możliwość występowania prądów błądzących. Na fot. 10 jest widoczna ścianka stalowa stanowiącą trwały przyczółek oraz ściany oporo­we dojazdów do wiaduktu, zasadnicza część jest pomalowana, natomiast górne części zostaną obetonowane. Ciekawą alternatywą jest zmiana ro­dzaju materiału. Coraz większą popu­larność zdobywają grodzice winylowe. Doskonale nadają się do takich roz­wiązań, w których momenty zginające ścianki nie osiągają dużych wartości, oraz tam gdzie warunki pogrążania są łatwe, np. do zabezpieczania brzegów rzek, kanałów, przystani jachtowych i kajakowych. Na fot. 11 pokazano niewielkie zabezpieczenie nasypu ko­lejowego, a na fot. 12 rozdzielenie obszaru budowanego węzła drogo­wego z wymianą gruntu od obszaru Natura 2000 z nienaruszonym bagnem (torfowiskiem) wykonane z gro­dzic winylowych.

Fot. 11 Zabezpieczenie skarpy nasypu kolejowego z grodzic winylowych

Fot. 12 Grodzice winylowe jako rozdzielenie obszaru Natura 2000 z nienaruszonym torfowiskiem a budową węzła drogowego z wymianą gruntu w podłożu

Fot. 13 Ścianka stalowa w konstrukcji bul­warów wiślanych w Warszawie

Wskaźniki wytrzymałości profili z PVC są porównywalne ze wskaźnikami standardowych profili stalowych, jed­nak wytrzymałość ich jest kilkakrot­nie mniejsza. Ponadto w przypadku konieczności przeniesienia dużych momentów zginających w ściankach stalowych możliwe jest zastosowanie dużych przekrojów (np. A-Z lub kom­binowane), co kilkakrotnie zwiększa możliwy do przeniesienia moment zgi­nający. Pewne kłopoty może sprawiać pogrążanie grodzic winylowych. Zasto­sowanie standardowych wibromłotów i procedur pogrążania ze ścianek sta­lowych może doprowadzić do uszko­dzeń ścianki w przypadku napotkania przeszkód lub dużych oporów zagłębia­nia. Rozwiązaniem tego problemu jest używanie specjalnych prowadnic stalo­wych, które osłaniają grodzicę winylo­wą i jej głowicę w czasie pogrążania i są elementem pośrednim między wi­bromłotem a grodzicą, a jednocześnie mają zdolność pokonywania przeszkód w gruncie. Po zagłębieniu element ten się wyciąga i używa do pogrążenia ko­lejnego elementu z PVC.

mgr inż. Piotr Rychlewski

Instytut Badawczy Dróg i Mostów

Literatura

1.  PN-EN 1993-5:2009 Eurokod 3 Projek­towanie konstrukcji stalowych – Część 5: Palowanie i ścianki szczelne.

2.  J. Rybak, D. Sobala, Stalowe ścianki szczelne,Seminarium IBDiM i PZWFS „Konstrukcje stalowe w geotechnice”, Warszawa, 18 listopada 2010.

D. Sobala, L. Cichy, Palowanie w rze­kach i zbiornikach wodnych,Seminarium IBDiM i PZWFS, „Fundamenty palowe 2015″, Warszawa, 5 marca 2015.