Fundamentowanie obiektów mostowych na palach żelbetowych

W Polsce do fundamentowa­nia mostów i wiaduktów najczęściej wykorzystuje się pale żelbetowe – wiercone wielkośrednicowe oraz wbijane prefabryko­wane lub Vibro (Vibrex). Spotyka się również projekty z zastosowaniem pali wierconych CFA i unowocześnio­nej technologii pali wbijanych Franki. Pojawiają się też próby wykorzystania pali przemieszczeniowych wkręca­nych (np. SDP (FDP) czy Tubex).

Fot. Most Rędziński we Wrocławiu (© mariusz szczygieł – Fotolia.com)

Posadowienie na wierconych palach wielkośrednicowych

Pale wiercone wielkośrednicowe przez wiele lat dominowały na rynku mosto­wym. Obecnie nadal dobrze spełniają swoją funkcję, jednak powinny być ra­czej wykorzystywane do posadawiania dużych obiektów. Należy natomiast przyznać, że w niektórych warun­kach pale wielkośrednicowe są jedy­nymi możliwymi do zastosowania, np. w przypadku małego miejsca na funda­menty podpór lub przy konieczności za­głębiania pali w skałach lub w zwartych gruntach spoistych czy w zagęszczonych gruntach gruboziarnistych.

Technologia wykonywania pali wier­conych wielkośrednicowych jest po­wszechnie znana [1]. Można jedynie przypomnieć, że pale tego rodzaju wykonuje się w rurach osłonowych wyciąganych bądź w zawiesinie iłowej. Druga metoda jest wykorzystywana w wyjątkowych sytuacjach i jest bar­dziej kłopotliwa technologicznie. Typowe rozwiązania konstrukcyjne fundamentów podpór mostowych po­sadowionych na palach wierconych wielkośrednicowych przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1 Posadowienie przyczółka i filara mostowego na palach wierconych wielkośrednicowych

Na rys. 2 znajduje się fundament pylonu mostu podwieszonego jako przykład realizacji posadowienia du­żego obiektu na palach wielkośredni­cowych.

Główne zalety pali wielkośrednicowych:

• możliwość przejmowania dużych obciążeń przez pojedynczy pal dzię­ki szerokiemu przedziałowi śred­nic D = 800-1800 mm i długości L = 10-40 m;
• duża sztywność na zginanie i mniej­sza konieczność stosowania pali ukośnych;
• techniczna możliwość wykonania w dowolnych warunkach gruntowych.

W odniesieniu do ostatniej cechy nale­ży wyraźnie zaznaczyć, że niekorzystne jest kończenie pali wierconych w nawodnionych gruntach piaszczystych średnio zagęszczonych i luźnych oraz w gruntach drobnoziarnistych w sta­nie plastycznym i miękkoplastycznym. W takich warunkach gruntowych za­lecane jest użycie pali przemieszcze­niowych.

Rys. 2 Fundament pylonu mostu im. Jana Pawła II w Gdańsku, posadowiony na palach wielkośrednicowych

Niekorzystny efekt może się pojawić również przy wykonywaniu pali wier­conych w warunkach występowania warstw niestabilnych gruntów orga­nicznych (o parametrze wytrzyma­łościowym Cu < 15 kPa). Nośność takich gruntów może być niewystar­czająca do utrzymania ciśnienia hy­drostatycznego mieszanki betono­wej działającego na ściany otworu wiertniczego. Rozwiązaniem w takiej sytuacji może być użycie rur ochron­nych wprowadzanych do wnętrza otworu razem ze zbrojeniem pala. Mankamentem jest też skłonność wielkośrednicowych pali wierconych do osiadań, co związane jest zarów­no z nieprzemieszczeniową technolo­gią wykonywania, jak i efektem dużej średnicy. Problem ten jest obecnie rozwiązywany za pomocą iniekcji ciś­nieniowej pod podstawami pali [2, 3, 4]. Na rys. 3 przedstawiono przy­kład z praktyki ilustrujący, jak korzyst­ny może być efekt iniekcji pod podsta­wami na współpracę pali z gruntem.

Rys. 3 Wyniki badań porównawczych pali wielkośrednicowych z iniekcją i bez iniekcji pod­stawy (fundament pylonu Mostu Rędzińskiego we Wrocławiu [5])

Posadowienie na palach wbijanych prefabrykowanych i Vibro

Pale wbijane doskonale się nadają do posadowień obiektów mostowych i są coraz częściej wykorzystywane. Z powodu niedużych średnic (przekro­jów poprzecznych) pale tego rodzaju w podporach mostowych wykonuje się w układach kozłowych. Pochylenie pali jest uzależnione od wartości ob­ciążeń poziomych i parametrów pod­łoża gruntowego. W niektórych wa­runkach możliwe jest zastosowanie tylko pali pionowych, jednak musi to być poparte analizą przemieszczeń fundamentu i momentów zginających w palach. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne fundamentów typo­wych podpór mostowych posadowio­nych na palach wbijanych przedsta­wiono na rys. 4.

Rys. 4 Posadowienie przyczółka i filara mostowego na palach wbijanych

Pale prefabrykowane są korzystniej­sze technologicznie, natomiast pale Vibro uzyskują większe nośności, dla­tego ich liczba w fundamencie może być mniejsza. Do zastosowania pali wbijanych najkorzystniejsze są wa­runki gruntowe z warstwami nośny­mi z gruntów niespoistych średnio zagęszczonych do zagęszczonych. Z powodu wstrząsów i hałasu przy wbijaniu zastosowanie pali tego ro­dzaju jest ograniczone w pobliżu ist­niejących budynków i na obszarach zurbanizowanych.

Pale prefabrykowane najczęściej sto­suje się o przekrojach 400 x 400 mm, rzadziej 350 x 350 mm. Przy długościach powyżej 16 m łączy się je z dwóch lub trzech odcinków. Pale Vi­bro wykonuje się o średnicach od 450 do 600 mm i długościach do 25 m. Optymalne zagłębienie pali wbijanych w warstwach nośnych wynosi od 5 do 10 ich średnic.

Wspomniano, że podpory dużych mo­stów posadawia się często na palach wierconych wielkośrednicowych. Rów­nie dobrze funkcjonują podpory ta­kich obiektów posadowione na palach wbijanych, czego dowodem może być przykład przedstawiony na rys. 5, któ­ry nie jest przypadkiem odosobnionym.

Rys. 5 Przykład podpory dużego mostu posadowionej na palach wbijanych (podpora nurtowa mostu łukowego przez Wisłę w Toruniu [6])

Posadowienie na palach CFA

Pale wiercone świdrem ciągłym (CFA) są bardzo popularne w budownictwie kubaturowym. Z biegiem lat, dzięki dopracowaniu technik wykonawstwa, zaczęto je również wykorzystywać w budownictwie mostowym. Charakterystyki pali CFA są zbliżone do pali wierconych w rurach osłonowych. Można je wykonywać w dużym prze­dziale średnic od 400 do 1200 mm, ale o mniejszym zakresie długości – do 25 m. Dobrze się sprawdzają w pod­łożu zbudowanym z twardoplastycznych gruntów spoistych, względnie z zagęszczonych piasków. Zdecydowanie nie powinno się ich stosować w nawodnionych pia­skach drobnych i pylastych, będących w stanie średnio zagęszczonym i luźnym, ze względu na duże ryzyko nieuzyskania wymaganych nośności. Należy ponadto wziąć pod uwagę możliwe trudności z doprowadzeniem zbrojenia do podstaw pali, zdarzające się głównie w przypadkach pali wyko­nywanych w piaskach.

Układy konstrukcyjne pali CFA są podobne do tych posadowionych na palach wielkośrednicowych lub wbi­janych. W fundamentach obiektów mostowych stosuje się głównie pale pionowe o średnicach co najmniej 800 mm.

Tego typu rozwiązania zastosowano w Polsce m.in. w obiektach mosto­wych: estakada wzdłuż Alei Jero­zolimskich w Warszawie czy obiek­ty Pomorskiej Kolei Metropolitalnej w Gdańsku [7].

Posadowienie na palach SDP (FDP)

Technologia pali przemieszczeniowych wkręcanych (np. SDP (FDP), Omega) intensywnie się rozwija w różnych działach budownictwa, jednak w mostownictwie nie znajduje większego zastosowania. Jedną z przyczyn są niewielkie średnice pali (maks. 600 mm), wynikające z dużych oporów gruntu przy wkręcaniu świdra for­mującego [8]. Przy takich wymiarach średnic pale w podporach mostowych muszą być projektowane jako ukośne, co jest kolejną komplikacją dla tej technologii. Inną przyczyną, również związaną z dużymi oporami pogrą­żania świdra, są trudności z odpo­wiednim zagłębieniem pali w gruncie nośnym, co może skutkować obniżo­ną zdolnością przenoszenia obciążeń poziomych. Mimo to znanych jest kil­ka przypadków użycia w Polsce pali SDP (FDP) w posadowieniu niedużych obiektów mostowych [9, 10]. Wszyst­kie zakończyły się powodzeniem. Tym niemniej przy takim sposobie posado­wienia zalecana jest rozwaga.

Projektowanie fundamentów palowych obiektów mostowych

Projektowanie fundamentów palo­wych powinno się odbywać na pod­stawie dokładnie przeprowadzanych badań podłoża gruntowego. Oprócz tradycyjnych wierceń niezbędne jest wykonanie specjalistycznych badań in situ, głównie sondowań statycz­nych CPT. Należy dążyć do tego, aby stały się one obligatoryjne przy pro­jektowaniu fundamentów palowych. Najnowsze metody obliczania nośno­ści i prognozowania charakterystyk współpracy pali z gruntem bazują na wynikach właśnie takich badań.

W praktyce w projektowaniu fun­damentów palowych podpór mo­stowych nadal funkcjonuje oblicze­niowa metoda sztywnego oczepu.

Należy przypomnieć, że wymyślono ją w czasach, kiedy nie było technik komputerowych i uproszczenia mia­ły umożliwić rozwiązanie metodami analitycznymi. W rozpatrywanej me­todzie wyniki obliczeń znacznie odbie­gają od rzeczywistości, a poza tym nie dostarczają ważnych informacji, jak przemieszczenia fundamentu czy momenty zginające w palach. Nie jesteśmy zatem w stanie stwierdzić, czy potrzebne są pale ukośne oraz jakiej wielkości zbrojenie będzie wy­magane. Od ponad 30 lat funkcjonuje już metoda uogólniona [11] (rys. 6), która jest pozbawiona wyżej wymie­nionych mankamentów, a dostęp­ne obecnie aplikacje komputerowe umożliwiają sprawne przygotowanie danych i wykonywanie obliczeń. Me­toda uogólniona jest konieczna przy obliczaniu mostów zintegrowanych. W sprzyjających warunkach grun­towych warto także przeanalizować wariant fundamentów płytowo-palowych obiektów mostowych.

Rys. 6 Schemat statyczny i wyniki obliczeń przykładowego fundamentu palowego przyczółka mostowego w metodzie uogólnionej

Wymagania wykonawcze i materiałowe dotyczące pali

Zasady wykonywania pali w poszcze­gólnych technologiach zawarto m.in. w normach [12, 13]. Każdy pal powi­nien być udokumentowany metryką, w której obecnie, oprócz ogólnych danych, zamieszcza się wyniki mo­nitoringu elektronicznego zawiera­jącego wiele parametrów wykonaw­stwa. Prawidłowe wykonanie pala to przede wszystkim zachowanie re­guł technologicznych. W niektórych przypadkach (szczególnie pali wier­conych i wkręcanych) nawet z po­zoru drobne detale technologiczne mogą znacząco wpłynąć na jakość pali, tzn. na ich odpowiednią współ­pracę z gruntem przy przenoszeniu obciążeń.

W palach obiektów mostowych wy­magana jest minimalna klasa betonu C20/25 oraz klasa wodoszczelno­ści W6 (lub W8 przy podwyższonej agresywności podłoża gruntowe­go). Stosowanie betonu mostowego w palach (na bazie kruszywa łamane­go) wydaje się być nieuzasadnione. Z reguły znajdują się one całkowicie w gruncie, poniżej strefy przema­rzania, a więc nie są tak narażone na czynniki atmosferyczne jak ele­menty nadziemne mostów i wia­duktów. W obiektach mostowych należy stosować pale zbrojone ze względu na siły poziome i zginanie pali. Toczy się jednak dyskusja, czy potrzebne jest zbrojenie na całej ich długości. Skrócone zbrojenie jest dopuszczalne, ale fakt ten musi być poparty obliczeniami, wykonanymi metodą uogólnioną lub równorzęd­ną. Zdarzają się też przypadki pali, a właściwie kolumn, niezbrojonych, jednak wówczas mogą być one trak­towane wyłącznie jako elementy wzmacniające podłoże gruntowe i redukujące osiadania, a rozwiązanie takie nie powinno być stosowane, gdy w podłożu występują grunty or­ganiczne lub inne słabonośne.

Podsumowanie

Przedstawiona krótka charaktery­styka zagadnień związanych z fun­damentowaniem na palach obiektów mostowych nie jest w stanie wy­czerpać bardzo obszernej tematyki. Niektóre stwierdzenia zawarte w ar­tykule są wynikiem indywidualnych przemyśleń autora i z pewnością wy­magają dyskusji. Niewątpliwie, fun­damentowanie obiektów mostowych jest dziedziną, w której postęp i roz­wój są nadal aktualne.

dr hab. inż. Adam Krasiński

Politechnika Gdańska

Literatura

1. K. Gwizdała, Fundamenty palowe. Techno­logie i obliczenia, PWN, Warszawa 2010.
2. K. Gwizdała, A. Pinkowski, Wpływ Iniek­cji pod podstawą na osiadanie pali wier­conych w piaskach, „Inżynieria i Budow­nictwo” nr 7-8/2007.
3. K. Gwizdała, A. Krasiński, Zastosowa­nie pali wierconych wielkośrednicowych w fundamentowaniu obiektów mosto­wych, „Mosty” nr 4/2015.
4. A. Krasiński, Ocena działania Iniekcji pod podstawą pala wierconego za po­mocą badania statycznego nośności z pomiarem rozkładu siły w trzonie pala, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2015.
5. M. Cudny, A. Krasiński, K Załęski, E. Dembicki, Fundament pylonu mostu podwieszonego w ciągu autostradowej obwodnicy Wrocławia (AB), „Mosty” nr 2/2010.
6. D. Sobala, S. Sobczak, J. Szaro, W. Tomaka, Żelbetowe pale prefabrykowane wbijane w fundamentach mostu łuko­wego przez Wisłę w Toruniu, „Inżynieria i Budownictwo” nr 6/2014.
7. T. Rybarczyk, T. Brzozowski, Badania nośności pai! wykonanych pod posa­dowienie obiektów Inżynierskich Po­morskiej Kolei Metropolitalnej, „No­woczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 9-10/2014.
8. A. Krasiński, Pale przemieszczeniowe wkręcane. Współpraca z niespoistym podłożem gruntowym, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Monografie nr 134, 2013.
9. K. Gwizdała, A. Krasiński, Posadowienie obiektów mostowych na palach prze­mieszczeniowych formowanych w grun­cie, „Obiekty Inżynierskie” nr 2/2010.
10. R. Rogowski, P Franczak, Zastosowa­nie pali FDP (FUII Displacement Piles) w budownictwie mostowym, semi­narium IBDiM i PZWFS „Fundamenty palowe”, Warszawa 2009.
11. M. Kosecki, Statyka ustrojów palo­wych, PPH ZAPOL, Szczecin 2006.
12. PN-EN 1536:2010 Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Pale wiercone.
13. PN-EN 12699:2003 Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Pale przemieszczeniowe.
14. A. Krasiński, Na jakich palach posada- wlać podpory obiektów mostowych?, „Inżynieria i Budownictwo” nr 6/2004.
15. PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7 Pro­jektowanie geotechniczne – Część 1: Zasady ogólne.