Liczne inwestycje w zakresie energetyki i infrastruktury komunikacyjnej sprawiają, że powstaje wiele konstrukcji specjalistycznych, w których fundamentach istotną rolę odgrywają obciążenia poziome.
Obciążenia poziome mają istotne znaczenie dla fundamentów linii energetycznych (fot. 1), linii przesyłowych, turbin wiatrowych, ekranów akustycznych przy drogach i liniach kolejowych (fot. 2), słupów trakcji kolejowej.
Fot. 1 Słup energetyczny na załamaniu linii, taka konstrukcja generuje duże siły poziome
Fot. 2 Ekran akustyczny przy linii kolejowej, którego fundamenty przenoszą siły poziome wynikające z parcia wiatru, i bramownica sieci trakcyjnej obciążona naciągiem lin
Problem przeniesienia sił poziomych i towarzyszących im momentów zginających z konstrukcji na fundament palowy i grunt może być rozwiązany w dwojaki sposób. W dużych fundamentach zawierających płytę zwieńczającą siły poziome przenoszone są na podłoże gruntowe przez układ pali kozłowych, najczęściej pochylonych, przy czym duży moment przenoszony jest przez pale wciskane i wyciągane (para sił). W niewielkich fundamentach, zawierających jeden pal, siły te przenoszone są przez konstrukcję pala bezpośrednio na grunt.
Ciekawszym przykładem tego pierwszego rozwiązania jest fundament konstrukcji dachu Stadionu Narodowego w Warszawie. Owalny dach w postaci membrany zawieszonej na linach wytwarza w poziomie posadowienia bardzo duże obciążenia poziome i pionowe. Fundament każdego słupa stalowego składa się z układu pali zwieńczonych płytą żelbetową. Za przeniesienie siły pionowej odpowiadają pionowe pale wielkośrednicowe, a za obciążenie poziome – pochylone pale prefabrykowane (fot. 3 i 4).
Fot. 3 Wbijanie prefabrykowanych pali ukośnych pod fundamenty dachu Stadionu Narodowego w Warszawie na koronie dawnego Stadionu Dziesięciolecia
Fot. 4 Przykład pali wielkośrednicowych, jakie przenosiły obciążenia pionowe z konstrukcji dachu. Na fotografii pale testowe, które zostały odkopane w związku z obniżeniem platformy roboczej
Zdolność przenoszenia obciążeń poziomych pala sprawdza się przez próbne obciążenie. Obciążenie boczne przykładane jest do głowicy pala stopniami za pomocą siłownika hydraulicznego, a siła na każdym stopniu utrzymywana jest do czasu stabilizacji przemieszczeń. Warunek przemieszczeń bocznych pala według Polskiej Normy palowej ma postać:
yo ≤ yd
gdzie:
yo – przemieszczenie osi pala w poziomie terenu pod wpływem obciążenia,
yd – dopuszczalne przemieszczenie boczne; jeśli nie zostało określone przez projektanta, przyjmuje się 10 mm.
Konstrukcja do przeniesienia obciążenia jest relatywnie najprostsza ze wszystkich rodzajów obciążeń. Siłownik hydrauliczny można rozeprzeć o sąsiedni pal (fot. 5). Możliwe jest ściąganie do siebie dwóch podobnych elementów. W przypadku niewielkich sił do przeniesienia obciążenia mogą być wystarczające warstwy nawierzchni lub sprzęt budowlany (np. koparka). Na rysunku przedstawiono schemat próbnego obciążenia pala dodatkowego z wykorzystaniem istniejącego fundamentu. Przykład badania dwóch różnych pali rozpartych między sobą pokazano na fot. 6.
Fot. 5 Próbne obciążenie pala – siła pozioma wywierana przez siłownik oparty na dwóch sąsiednich palach
Fot. 6 Przykład badań porównawczych – próbne obciążenie na siły poziome dwóch różnych rodzajów pali rozpartych między sobą
Zwracającym uwagę przykładem fundamentu palowego przenoszącego obciążenia poziome są podpory mostu łukowego (jednego z największych w Europie) przez Wisłę w Toruniu. Konstrukcja łuku nie ma ściągu i siły rozporu przenoszone są na fundament. Składa się on z układu pochylonych pali prefabrykowanych.
W ostatnich latach dynamicznie rozwija się budowa farm wiatrowych. Konstrukcje te w celu minimalizacji wymiarów płyty fundamentowej posadawiane są na palach. Ze względu na charakter pracy i wynikających z tego obciążeń płyta fundamentowa ma najczęściej kształt koła, oparta jest obwodowo na palach. Część pali wykonywana jest jako ukośna (fot. 7).
Rys. Schemat obciążenia na siły poziome pala próbnego wykorzystującego istniejącą konstrukcję
Fot. 7 Wbijanie ukośnych pali Franki NG pod fundament wiatraka
Do wykonywania takich fundamentów przydatne są właściwie wszystkie rodzaje pali. Jednak ze względu na zmienny charakter obciążenia (wciskanie – wyciąganie) racjonalne jest stosowanie pali o niewielkich wymiarach przekroju poprzecznego, których nośność wynika głównie z pracy pobocznicy. Podobny mechanizm pracy fundamentu ma miejsce w przypadku słupów energetycznych. W przypadku słupów pokazanych na fot. 1 obciążenia przenoszone są przez wciskany i wyciągany fundament palowy pod poszczególnymi nogami słupa. Krytyczny jest zwykle schemat na wyciąganie i taki sprawdza się w badaniu nośności.
Kolejnym rodzajem konstrukcji, w której dominujące są obciążenia poziome, są ekrany akustyczne. Ekrany wykonywane obok budowanych dróg najczęściej posadawiane są na palach CFA. Możliwe jest wykorzystanie standardowych palownic. Jednak ze względu na wykonane już wcześniej warstwy konstrukcji nawierzchni stosuje się mniejszy sprzęt: małe palownice lub świder CFA zamontowany na koparce (fot. 8).
Fot. 8 Świder CFA zamontowany na koparce z rurą rdzeniową do podawania mieszanki betonowej
Stosuje się dwojakie mocowanie słupów ekranów w fundamencie. Jest on wbetonowany w zwieńczenie pala lub przykręcony do niego śrubami. Przykłady pokazano na fot. 9–11. Ważnym zagadnieniem jest precyzyjne usytuowanie pali. Słupy ekranów ze względu na wypełnienie ekranów nie mają możliwości przesunięcia w planie i odchyłka w wykonaniu pali powoduje konieczność przebudowy zwieńczenia.
Fot. 9 Przykład słupa ekranu akustycznego przykręconego do zwieńczenia pala
Fot. 10 Słup stalowy osadzony w zbrojeniu pala
Fot. 11 Słup ekranu zabetonowany w zwieńczeniu pala
Na przenoszenie obciążeń poziomych pali ekranów ma wpływ ich lokalizacja. Należy zwrócić uwagę, że często ekrany znajdują się na krawędzi skarpy (fot. 12), co zwiększa ich podatność w kierunku działającej siły poziomej. Pale należy wykonywać odpowiednio długie.
Fot. 12 Fundamenty ekranów usytuowane na krawędzi skarpy
Próbne obciążenie takich słupów jest stosunkowo proste. Możliwe jest ściąganie do siebie dwóch sąsiednich pali (fot. 13) lub ich rozpieranie. Jako konstrukcję oporową można wykorzystać sprzęt budowlany (fot. 14). Należy jednak pamiętać, że obciążenie fundamentu jest kombinacją siły poziomej i momentu zginającego i trzeba to uwzględnić w programowaniu badań.
Fot. 13 Próbne obciążenie pali za pomocą ściągu
Fot. 14 Przykład wykorzystania koparki w celu zapewnienia konstrukcji oporowej do próbnego obciążenia. Siła przyłożona jest w najbardziej niekorzystną stronę – w kierunku skarpy
Przy okazji ekranów warto wspomnieć również o fundamentach palopodobnych. Świdrem talerzowym wykonuje się na budowie kilkadziesiąt otworów niczym niezabezpieczonych. Następnie wstawia się do tych dołów zbrojenie i na koniec dnia (lub po kilku dniach) wlewa się z gruszki mieszankę betonową. Ponieważ występują duże problemy z zachowaniem stateczności otworów, zabezpiecza się je w widocznej części kartonowymi szalunkami. Kuriozalne są rozwiązania, w których szalunkiem dla betonu jest szkielet zbrojeniowy owinięty folią. Na fot. 15 widać, że zbrojenie nie ma otuliny z betonu, a grunt obsypał się znacznie, szczelnie dociskając folie. Fundament taki ma w wyniku naruszenia struktury gruntu mniejszą zdolność przenoszenia obciążeń poziomych, a zbrojenie pala bez otuliny betonu ma znikomą trwałość. Na szczęście pokazane fundamenty zostały już rozebrane, a pale pod ekrany wykonuje się najczęściej zgodnie z zasadami robót palowych.
Fot. 15 Widok odkopanego fundamentu. Widoczne dociśnięcie gruntu do szkieletu zbrojeniowego
Nieporównywalnie wyższy stopień zaawansowania technologicznego stanowią pale prefabrykowane stosowane w fundamentach trakcji linii kolejowych. Używane są one tam powszechnie ze względu na mobilność, szybkie wykonanie i prosty proces technologiczny na budowie. Bezpośrednio po wbiciu pala można montować słupy. Nie są konieczne roboty mokre i związane z tym dostawy mieszanki betonowej. Szerzej takie pale zostały opisane w „IB” nr 7–8/2014. Należy pamiętać, że projektowanie takich pali musi uwzględniać fakt, iż pale muszą zostać wbite precyzyjnie do projektowanej rzędnej. Ze względu na osadzone wcześniej śruby i poszerzenie głowicy niemożliwe jest ich skrócenie. Korekta usytuowania w planie możliwa jest w niewielkim zakresie, słup trakcyjny łatwiej jest przesunąć w planie niż ekran akustyczny (np. fot. 16, 17).
Fot. 16 Przykład bramownicy sieci trakcyjnej posadowionej na palach prefabrykowanych. Widoczne otwory do regulacji położenia w planie
Fot. 17 Pal odciągowy do słupa trakcyjnego
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
