Inwestycje w wymagających warunkach – fundament to podstawa

Inwestorzy, projektanci, wykonawcy oraz pozostali uczestnicy procesu budowlanego stają przed niełatwym zadaniem właściwego zaplanowania i wzniesienia inwestycji w coraz trudniejszych warunkach. Takie zamierzenia budowlane wymagają indywidualnego podejścia już na starcie, czyli na etapie planowania fundamentów. Przykładami takich inwestycji są: „Kwartał zabudowy mieszkalno-usługowej nr 3 między ulicami: Warzywną, Kłodną, Małą Odrzańską i Rybaki na Podzamczu w Szczecinie” oraz „Zespół budynków mieszkalnych wielorodzinnych z usługami, parkingami podziemnymi i nadziemnymi przy ul. Ostrobramskiej w Warszawie”. W artykule dzielimy się cennym doświadczeniem, z jakim ryzykiem należy się liczyć przy wymagających warunkach gruntowo-wodnych.

Wymienione inwestycje zlokalizowane są w innych częściach Polski, różnią się warunkami gruntowo-wodnymi i charakterystyką projektowanych obiektów, a łączy je jedno – zastosowana technologia wzmocnienia podłoża w postaci przemieszczeniowych kolumn betonowych. Technologia przemieszczeniowa FDC/FDP (Full Displacement Column/Pile) jest metodą bezwstrząsową i bezwibracyjną, dzięki czemu można ją wykorzystywać w ścisłej zabudowie miejskiej. Kolumny/pale przemieszczeniowe wykonywane są za pomocą żerdzi zakończonej świdrem w kształcie wrzeciona. W trakcie pogrążania świdra jego końcówka rozpycha grunt na boki bez wynoszenia urobku, co prowadzi do dogęszczenia ośrodka gruntowego. Po pogrążeniu żerdzi na projektowaną głębokość obracający się świder podnoszony jest ku górze z jednoczesnym podawaniem pod ciśnieniem mieszanki betonowej. FDC/FDP mogą mieć różne średnice. Najczęściej spotykane to 260, 320, 380, 410 i 510 mm. Mocną stroną tej technologii są brak wibracji i drgań oraz fakt, że jest ona bezurobkowa, co pozwala na optymalizację kosztów związanych z wywiezieniem i utylizacją urobku. Dodatkowo technologia przemieszczeniowa polepsza parametry ośrodka gruntowego, zapewniając dobrą współpracę gruntu z kolumną/palem. Proces wykonywania FDP i FDC pokazano na rys. 1. Dobór średnicy, długości i układu kolumn FDC odbywa się po szczegółowej analizie danych dotyczących poszczególnych inwestycji i wymaga każdorazowo indywidualnego podejścia.

Rys. 1. Proces wykonywania FDP i FDC: 1. ustawienie maszyny, 2. i 3. wiercenie z naciskiem, któremu towarzyszy rozpychanie gruntu, 4. wykręcanie świdra, któremu towarzyszy rozpychanie gruntu wraz z podawaniem mieszanki betonowej, 5. wprowadzenie zbrojenia. Rys. Bauer

Technologia przemieszczeniowa przy realizacji inwestycji mieszkalno-usługowej na Podzamczu w Szczecinie

Przedsięwzięcie budowlane na terenie szczecińskiego Podzamcza stanowiło typową inwestycję w centrum miasta o przeznaczeniu mieszkalno-usługowym. Zlokalizowana była ona w kwartale nr 3 między ulicami Warzywną, Kłodną, Małą Odrzańską i Rybaki. Przed rozpoczęciem robót teren od dłuższego czasu stanowił nieużytek.

W pierwszym etapie procesu budowlanego zbadano podłoże gruntowe. Wstępna dokumentacja geotechniczna oraz geologiczno-inżynierska wykonana była dla obszaru znacznie większego niż kwartał 3. Dokumentacje zawierały wyniki badań otworów wiertniczych, sondowań statycznych CPTU, sondowań dynamicznych DPSH, badań laboratoryjnych, edometrycznych oraz analizy wody gruntowej pod kątem agresywności w stosunku do betonu.

Niestety, dla terenu kwartału 3 przedstawiono wyniki badań tylko jednego otworu wiertniczego i jednego sondowania statycznego CPTU. Dla obszaru o kształcie zbliżonym do prostokąta o wymiarach 50 x 30 m to stanowczo za mało. W celu doszczegółowienia rozpoznania zlecono wykonanie dodatkowych czterech sondowań statycznych CPTU, rozłożonych symetrycznie na całym kwartale 3. Wykazały one zaleganie nasypów kulturowych znacznej miąższości, powstałych na skutek ponadtysiącletniej działalności osadniczej człowieka, zbudowanych w dużej mierze z gruntów organicznych ze zmiennym udziałem drewna. Poniżej nasypów zalegały warstwy namułów gliniastych oraz gytii. Grunty organiczne podścielone były niespoistymi osadami rzecznymi i wodnolodowcowymi o zróżnicowanym stopniu zagęszczenia – od średnio zagęszczonych po zagęszczone. W trakcie wykonywania dodatkowych sondowań w poszczególnych wyrobiskach za pomocą świstawki hydrogeologicznej zmierzono poziom stabilizowania się wody gruntowej. W dniu badań woda stabilizowała się na głębokości 5,2–7,1 m p.p.t., co potwierdziło, że poziom wody gruntowej nie będzie problematycznym zagadnieniem przy posadowieniu budynku ok. 1,0 m p.p.t. Przyjęty poziom posadowienia płyty fundamentowej, wartości obciążeń przekazywane na fundament oraz warunki gruntowe wpłynęły na konieczność wzmocnienia podłoża.

Na etapie projektowania oraz późniejszej realizacji bardzo duży wpływ na fundamentowanie miała historyczna zabudowa działki. Badania i wykopy archeologiczne wykonywane były etapowo. Na powierzchni niezabudowanej działki namierzenie w planie pozostałości historycznej zabudowy, wraz z pomiarem rzędnych, było bardzo ważnym czynnikiem, który przyczynił się do finalnego układu fundamentowego projektowanego obiektu. Dopiero po ostatecznej weryfikacji przebiegu tej zabudowy oraz głębokości, na jakich znajdują się podziemne pozostałości, dobrano układ wzmocnienia podłoża kolumnami przemieszczeniowymi FDC.

Optymalny ekonomicznie i bezpieczny dla przyszłej konstrukcji budynku układ fundamentowy udało się dobrać dzięki dobrej współpracy konstruktora obiektu z projektantem geotechnicznym odpowiedzialnym za zaprojektowanie wzmocnienia podłoża. Przy dopasowanym układzie kolumn, omijającym obrys pozostałości murów, projektant konstrukcji obiektu wyznaczył rozkład obciążeń działających na kolumny. Projektant geotechniczny miał za zadanie dobrać odpowiednią długość FDC tak, aby ich obliczone nośności geotechniczne w gruncie były większe niż obciążenia przypadające na poszczególne kolumny. Wykorzystano do tego wykonane wcześniej sondowania statyczne CPTU. Nośność graniczną kolumn na wciskanie R_c obliczono na podstawie wartości oporu pod podstawą stożka q_c. Dla kolumn pod płytą fundamentową wyznaczono średnią i minimalną wartość nośności granicznej na wciskanie (R_c,mean i R_c,min). Kolejno, zgodnie z PN-EN 1997-1:2008. Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne – Część 1: Zasady ogólne i zawartą w normie tablicą A.10, określono nośność charakterystyczną FDC na wciskanie R_ck poprzez podzielenie nośności granicznej przez współczynniki ξ3 (dla wartości średniej) i ξ4 (dla wartości minimalnej). Dodatkowo, zgodnie z punktem 7.6.2.3 (7) Eurokodu 7 uwzględniono w obliczeniach nośności wpływ sztywnego oczepu na redystrybucję obciążenia z kolumn „słabszych” na „mocne”, to znaczy współczynniki ξ3 (dla wartości średniej) i ξ4 (dla wartości minimalnej) podzielono przez współczynnik 1.1. Nośność obliczeniową FDC wyznaczono poprzez podzielenie wartości charakterystycznej (mniejsza z wartości R_ck,mean i R_ck,min) przez współczynnik zgodny z tablicą A.6, podejściem R2 z normy Eurokod 7. Obliczenia nośności geotechnicznej kolumn o średnicy 410 mm wykazały, że należy wykonać kolumny o długości efektywnej (długość poniżej poziomu spodu płyty fundamentowej) 18,6–20 m. Obliczeniowe nośności kolumn przemieszczeniowych o takich długościach wynosiły odpowiednio 950–1150 kN.

W celu wzmocnienia podłoża zaprojektowano 293 szt. FDC o łącznej długości całkowitej ok. 5780 m.b. W związku z tym, że zbadana woda gruntowa wykazywała słabą agresywność węglanową w stosunku do betonu – klasa ekspozycji XA1, zaprojektowano kolumny z betonu klasy C30/37. W celu weryfikacji poprawności założeń projektowych zaplanowano przeprowadzenie dwóch próbnych obciążeń statycznych na wciskanie. W kolumnach testowych oraz kotwiących osadzono kształtowniki IPE160 ze stali klasy S355. Próbne obciążenia zaprojektowano na siłę ~1500 kN. Układ FDC wraz z oznaczoną historyczną zabudową przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Układ kolumn przemieszczeniowych FDC

W pierwszej kolejności wykonano kolumny przeznaczone do próbnych obciążeń. Przeprowadzone po blisko 30 dniach próby nośności pali metodą statyczną wykazały osiadania pali testowych nieprzekraczające wartości 6 mm dla największego poziomu obciążenia stanowiska (~1500 kN).

W trakcie wykonywania docelowych FDC (fot. 1) okazało się, że pomimo inwentaryzacji historycznej zabudowy część kolumn należało przesunąć ze względu na przeszkody w gruncie. Każdorazowa zmiana współrzędnych przeanalizowana została przez konstruktora obiektu oraz projektanta geotechnicznego. Dobra współpraca pozwoliła na wykonanie wzmocnienia podłoża odpowiednio dobranego do projektowanej konstrukcji oraz możliwości realizacyjnych. Przyjęte założenia obliczeniowe zostały potwierdzone na podstawie przebiegu próbnych obciążeń statycznych kolumn przemieszczeniowych. Dobrana technologia FDC pozwoliła na uzdatnienie podłoża w rejonie kwartału nr 3 na szczecińskim Podzamczu do dalszych prac budowlanych.

Fot. 1. Formowanie kolumn przemieszczeniowych

Fakt stwierdzenia obecności reliktów wcześniejszej zabudowy to nie jedyne ryzyko, z jakim należy się liczyć, projektując wzmocnienie podłoża gruntowego w postaci przemieszczeniowych kolumn betonowych. Przy projektowaniu tej technologii bardzo ważne jest zrozumienie zjawisk zachodzących w gruncie na skutek wykonywania kolumn. Pomocne w tym są wyniki badań gruntowych. Niezmiernie rzadko badania stanu podłoża realizuje się po zakończeniu prac związanych z posadowieniem wznoszonych obiektów. Uzasadnienia takiego działania należy szukać w przesłankach wynikających z obserwacji prac realizacyjnych i oceny skuteczności ich prowadzenia.

>>> Jak AARSLEFF wspiera budowę kompleksu Plaza w Kielcach

>>> W poszukiwaniu niskoemisyjności pod ziemią

>>> Platformy robocze do prowadzenia robót geotechnicznych

>>> Fundamenty poniżej poziomu wody gruntowej w zabudowie miejskiej

Technologia przemieszczeniowa przy realizacji budynków mieszkalnych przy ul. Ostrobramskiej w Warszawie

Przed rozpoczęciem prac geotechnicznych – w oparciu o obserwacje zjawisk zachodzących w gruntach niespoistych, szerzej opisanych w wielu publikacjach, np. [2] – przeprowadzono uszczegóławiające rozpoznanie warunków gruntowych inwestycji zlokalizowanej w Warszawie przy ulicy Ostrobramskiej. Po zakończeniu prac wzmocnieniowych ponownie zbadano warunki gruntowe w wyznaczonych miejscach. Okazuje się bowiem, że stan podłoża może ulec zmianie w zależności od zastosowanej technologii prowadzenia prac, a także rozstawu, średnicy czy długości wykonanych elementów wzmocnienia podłoża.

Wzmocnienie podłoża inwestycji przy ul. Ostrobramskiej polegało na wbudowaniu w podłoże ok. 500 szt. betonowych kolumn FDC (formowanych w pełni przemieszczeniowo). Miały one spełnić warunki określonej nośności geotechnicznej przy zachowaniu określonych wymogów sztywności (ustalono wartość relacji wartości obciążenie/osiadanie) na podstawie statycznych testów nośności. Dokumentacja geologiczno-inżynierska dla terenu inwestycji stwierdza występowanie utworów akumulacji rzecznej reprezentowanych przez piaski, mady rzeczne i grunty organiczne. Trudność posadowienia inwestycji stanowiły soczewki ściśliwych gruntów organicznych i luźne piaski rzeczne w poziomie posadowienia oraz bezpośrednio poniżej. Dopiero głębiej zalegające warstwy piasków były średnio i bardzo zagęszczone. Wnioski z badań jednoznacznie wskazywały na konieczność posadowienia pośredniego inwestycji. W tak określonych warunkach zaprojektowano wzmocnienie gruntu w celu uzdatnienia terenu do stabilnego przenoszenia obciążeń z kilkukondygnacyjnego budynku mieszkaniowego. Nowsza wiedza techniczna wskazywała na możliwość wystąpienia zmian stanów gruntów po wykonaniu kolumn. Należało się spodziewać, że skutkiem wiercenia przemieszczeniowego (oprócz samego wbudowania kolumn betonowych) w gruncie niespoistym może być zmiana jego stanu zagęszczenia. Wzmocnienie podłoża polegało na wykorzystaniu technologii przemieszczeniowej FDC.

Warto nadmienić, że literatura przedmiotu opisuje dwojakie efekty zastosowania technologii przemieszczeniowych w gruntach niespoistych. Obserwowane jest zarówno poprawienie warunków gruntowych (dogęszczenie), jak i w określonych warunkach degradacja parametrów ośrodka gruntowego (rozluźnienie gruntów niespoistych).

Warunki gruntowe panujące na terenie inwestycji przy ul. Ostrobramskiej rozpoznano za pomocą sondowań statycznych CPTU. Opisuje je wykres sondowania CPTU A. Stwierdzono na terenie objętym programem badań występowanie przewarstwień gruntów organicznych i pokładów piaszczystych w stanie luźnym do rzędnej ok. –1,0 m n.p.0W. Stopień zagęszczenia naturalnie występujących słabonośnych piasków określono jako ID < 0,35. Nie stwierdzono w dokumentacji badań podłoża istotnych rozbieżności w opisywanej prawidłowości budowy warstw. Wyżej opisane warunki mogły sprzyjać pomiarom zmiany warunków gruntowych. Przy prawidłowym wykonaniu kolumn możliwe było dogęszczenie warstwy gruntów niespoistych (piasków). Według obserwacji [2] należałoby się spodziewać zmiany stanu gruntu wzdłuż pobocznicy elementów wzmocnienia podłoża przy zasadniczo niezmienionych warunkach panujących od poziomu podstaw kolumn betonowych. Ponownie przeprowadzone sondowania metodą CPTU dostarczyły odpowiednich danych do zmierzenia efektu zmian, jakie zaszły w podłożu po wykonaniu kolumn.

Po zakończeniu prac wzmocnieniowych zrealizowano ponownie sondowania statyczne w miejscach oznaczonych CPTU B, CPTU C i CPTU D. Miejsce CPTU B znajdowało się w odległości ~3,1 m od zagęszczonej do rozstawu ~1,5 m siatki wzmocnienia podłoża. Z kolei CPTU C i D zbadano w obszarze wykonania zagęszczonej siatki kolumn, przy czym badanie CPTU D przeprowadzono w odległości ~0,6 m od najbliższej kolumny, a badanie CPTU C w miejscu równoodległym (~1,12 m) od najbliższych kolumn. Przebieg wykresów wartości zmierzonego oporu wciskania sondy pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Fragment układu kolumn przemieszczeniowych FDC wraz z rozmieszczeniem badań CPTU i wykresami oporu q_c

Wykresy sondowań i przebieg linii wykresów oporu wciskania q_c naniesione na wspólny układ osi odniesienia pozwalają na obserwację zjawisk zachodzących w podłożu gruntowym terenu inwestycji. Zauważono, że efekt zmiany stanu podłoża, rozumiany jako dogęszczenie podłoża, został stwierdzony w obszarze siatki kolumn wykonanych w rozstawie ~1,5 m. Porównano wykresy przebiegu oporu q_c uzyskanego w punktach C i D do wykresów dotyczących punktów A i B. Przebieg zmian oporu sondy CPTU w gruncie (wykres q_c) wykazuje zmianę stanu podłoża zbudowanego z niespoistych gruntów mineralnych. Występujące w stanie luźnym warstwy piasków zalegające pomiędzy rzędnymi +1,0 a –4,0 m n.p.0W. uległy wyraźnemu wzmocnieniu (q_c pierwotne ~5–10 MPa, q_c zarejestrowane po wykonaniu kolumn betonowych ~15–20   MPa). Wzmocnienie warstw o pierwotnym q_c ~15 MPa lokalnie osiągnęło wartość q_c ~20 MPa.

W części stopowej kolumn betonowych (zakres rzędnych od –4,0 do –4,5 m n.p.0W.) pokłady piaszczyste osiągały pierwotnie opór q_c > 20 MPa. Badania wykonane po wbudowaniu kolumn wskazują na spadek oporu do wartości ~15 MPa w zakresie wyżej wymienionych rzędnych. Biorąc pod uwagę, że wprowadzenie kolumn w podłoże zmienia jego stan, można ocenić efektywność prac. Korzystny wpływ poprawnie wykonanych przemieszczeniowych kolumn betonowych obserwowany jest w podłożu pierwotnie występującym w stanie luźnym. Pewnej poprawie stanu gruntu ulega podłoże w stanie średniozagęszczonym. Obserwowane zmiany rejestrowane są wzdłuż pobocznicy wykonanych kolumn, bez części stopowej. Wytłumaczeniem takiego stanu rzeczy może być budowa świdra przemieszczeniowego, który w swojej dolnej części ma uzwojenie ślimakowe (rys. 1, fot. 1) ułatwiające pogrążanie żerdzi podczas wiercenia, a dopiero wyższa część świdra (~1,0 m powyżej części wiercącej) ma poszerzoną głowicę przemieszczeniową, która rozpycha grunt na boki i poprawia jakość ośrodka gruntowego. Ponieważ formowanie kolumn odbywa się w udokumentowany sposób, następuje polepszenie warunków w ich otoczeniu, wzrasta również opór gruntu wokół nich. Przemieszczeniowe kolumny betonowe, otoczone podłożem w dogęszczonym stanie, mogą być krótsze niż wiercone kolumny nieprzemieszczeniowe otoczone podłożem bez poprawy stanu zagęszczenia in situ, przy jednakowej nośności geotechnicznej.

Jednocześnie obserwuje się graniczne wartości dla efektywności dogęszczenia gruntów niespoistych technologii przemieszczeniowej do wartości q_c ~20 MPa (w przypadku warunków gruntowych inwestycji). Ponieważ opór niespoistego podłoża osiągniętego wierceniem wynosi q_c ~25 MPa, dalsze pogrążanie żerdzi przemieszczeniowej wiązałoby się z dużymi problemami technicznymi i zakończenie wiercenia na udokumentowanym poziomie należy uznać za optymalne wykorzystanie zalet technologii FDC w warunkach gruntowych realizowanej inwestycji.

Fot. 2. Wykonanie kolumn przemieszczeniowych

Ocena całości robót palowych często dokonywana jest tylko na podstawie testu nośności wybranych pali testowych. Oceny jakości wykonanych prac można również dokonać, analizując zmiany zachodzące w gruncie na skutek wprowadzenia kolumn i pali metodą przemieszczeniową, gdzie w zależności od położenia kolumn w siatce wzmocnienia podłoża występują zmiany stanu gruntu. Badanie warunków gruntowych panujących w podłożu po zakończeniu prac palowych można uznać za jeden z elementów weryfikacji poprawności ich wykonania i oznaczać w wielu miejscach, także poza obszarem kolumn lub pali badanych w celu określenia ich nośności. Warto również zauważyć, że rejestrowana jest wartość graniczna oporu podłoża niespoistego (mierzonego oporem stożka sondy CPTU q_c) wskazująca na granice efektywności technologii przemieszczeniowej FDP/FDC.

	mgr inż. Monika Konarska Aarsleff Sp. z o.o.
	mgr inż. Łukasz Morawski Aarsleff Sp. z o.o.
	mgr inż. Jakub Sulikowski Aarsleff Sp. z o.o.

Literatura

1. PN-EN 1997-1:2008. Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne – Część 1: Zasady ogólne.
2. A. Krasiński, Pale przemieszczeniowe wkręcane. Współpraca z niespoistym podłożem gruntowym, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2013.

>>> Klasyfikacje i jakość gruntów wg norm ISO

>>> Drgania przenoszone przez podłoże gruntowe na obiekty budowlane – metodologia pomiarów

>>> Barety – niedoceniany rodzaj fundamentów głębokich

>>> Prace ziemne zgodnie z przepisami BHP