Wykonanie kolumn DSM, z pozoru proste, jest jednak trudniejsze niż wykonywanie pali. Wynika to głównie z faktu, że materiał kolumny nie pochodzi z certyfikowanej wytwórni, lecz został wymieszany bez wizualnej kontroli z przygotowanego zaczynu oraz rodzimego gruntu i wody gruntowej.
Kolumny DSM (ang. Deep Soil Mixing) są metodą wzmacniania słabego podłoża. Używane są w słabych gruntach spoistych, ale projektuje się je czasami również w gruntach niespoistych. Stosowane są do wzmacniania podłoża nasypów komunikacyjnych lub fundamentów różnorakich obiektów (np. budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i przemysłowych, mostów i wiaduktów, wiatraków i innych konstrukcji). Kolumny wykonane na styk w formie palisady mogą po uzupełnieniu zbrojeniem stanowić zabezpieczenie i obudowę wykopu. Natomiast po dodaniu bentonitu używane są do formowania przesłon przeciwfiltracyjnych np. w wałach przeciwpowodziowych.
Fot. 1 Maszyna do wykonywania kolumn
Fot. 2 Przykładowe mieszadło do wykonywania kolumn DSM z widocznymi poprzeczkami
Najczęściej kolumny DSM wykonywane są na podobieństwo pali jako pojedyncze.Możliwe jest z sąsiadujących kolumn (stycznych lub wciętych) formowanie ścian, rusztów (układów ścian prostopadłych) lub bloków wymieszanego ze spoiwem gruntu. Kolumny mają zwykle: średnicę od 0,4 do 1,0 m; długość kilku metrów i rozstaw od 1 do 2 m. Wszystkie te wartości zależą od obciążeń i warunków gruntowych oraz wynikają z indywidualnego projektu i obliczeń statycznych, np. długości kolumn mogą przekraczać 20 m. Możliwe jest wykonywanie pojedynczych elementów o większych wymiarach, używając specjalnych mieszadeł podwójnych lub potrójnych, których obroty są przeciwbieżne. Zmniejsza to przy okazji moment obrotowy przekazywany na maszynę.
Formowanie kolumny polega na zagłębieniu w grunt specjalnego mieszadła, odspojenie gruntu i wymieszanie ze spoiwem,którym najczęściej jest zaczyn cementowy. Znane są również metody mieszania na sucho z użyciem cementu i wapna podawanego pneumatycznie, w Polsce jednak bardzo rzadko stosowane. W czasie wykonywania kolumny mieszadło kilkakrotnie zagłębia się w grunt z jednoczesnym obracaniem i tłoczeniem zaczynu cementowego.
Rys. 1 Fragment przykładowej metryki pokazujący kolejne zagłębiania mieszadła w czasie wykonywania kolumny
Fot. 3 Mieszadło w trakcie wykonywania kolumny w gruntach spoistych. Widoczne trudności w prawidłowym mieszaniu i oblepienie mieszadła gruntem
Technologia wykonywania kolumn DSM wymaga, aby grunt rodzimy został dobrze wymieszany z tłoczonym zaczynem cementowym.Podstawowym kryterium oceny tego procesu jest liczba zagłębień mieszadła w grunt ustalona doświadczalnie w konkretnych warunkach gruntowych oraz obserwacja przez operatora jednorodności mieszaniny wynoszonej przez mieszadło. Jednorodność wymieszania zależy od konstrukcji mieszadła, liczby poprzeczek mieszających i sposobu działania. Ponadto ocenia się jednorodność wymieszania w czasie ścinania głowic kolumn i na próbkach pobranych do badań. Przykład metryki pokazujący kolejne fazy zagłębiania mieszadła w grunt pokazano na rys. 1.
Wykonanie kolumn DSM, z pozoru proste, jest jednak trudniejsze niż wykonywanie pali. Wynika to głównie z faktu, że materiał kolumny (cementogrunt) nie pochodzi z certyfikowanej wytwórni, lecz został wymieszany bez wizualnej kontroli z przygotowanego zaczynu oraz rodzimego gruntu i wody gruntowej. Realizacja prac wymaga doświadczenia, prób na budowie oraz kontroli procesu wykonania kolumny i przygotowania materiałów.Szczególną uwagę należy zwrócić na wstępną ocenę realności wykonania i osiągnięcia zakładanych wytrzymałości w przypadku gruntów organicznych. Wymaga to prób na budowie lub doświadczenia w porównywalnych warunkach. Proces mieszania i tłoczenia zaczynu powinien być rejestrowany. Na fot. 5 pokazano przykładowe rozwiązanie umożliwiające sterowanie i kontrolę parametrów wykonania przez operatora oraz automatyczną rejestrację. Metryki kolumn powinny zawierać wiele informacji: datę i godziny wykonania, rzędną poziomu roboczego, głębokości mieszania w funkcji czasu, rodzaj maszyny, średnicę mieszadła, użyty cement, ewentualne dodatki, stosunek w/c oraz gęstość zaczynu, zużycie zaczynu, prędkości opuszczania i podnoszenia mieszadła oraz prędkości obrotowe.
Rys. 2 Przykład wyników uzyskanych podczas próbnego obciążenia kolumny wykonanej w piaskach i żwirach
Rys. 3 Przykład wyników uzyskanych podczas próbnego obciążenia kolumny wykonanej w słabych gruntach spoistych
Wytrzymałość cementogruntu jest kontrolowana na zgniatanych kostkach analogicznie jak betonu. Należy jednak pamiętać, że nie jest to beton, a kolumna nie jest palem.Wytrzymałości cementogruntu są dużo mniejsze, zwykle rzędu kilku MPa (2–5 MPa) i zależą od rodzaju gruntu. W gruntach bardzo słabych, organicznych mogą osiągać jedynie 300–500 kPa, a w piaskach lub żwirach dochodzić do 20 MPa, upodabniając się do kolumny betonowej. Rozrzut wyników ściskania kostek też może być bardzo duży w ramach nawet jednej kolumny i nie należy stosować rygorystycznych zasad oceny znajdujących zastosowanie w betonie towarowym. Uzyskane właściwości cementogruntu mają wpływać na sztywność i podatność wykonanych kolumn. Na rysunkach pokazano przykładowe wyniki próbnych obciążeń kolumn wykonanych na tym samym kontrakcie w słabych gruntach spoistych i w piaskach (żwirach).
Projektując skład i ilość wtłaczanego zaczynu, należy również uwzględnić wodę znajdującą się w gruncie. Nie tylko ze względu na jej ilość, ograniczając jej udział w zaczynie w przypadku gruntów bardziej nawodnionych, ale również ze względu na jej skład chemiczny. W palach woda agresywna lub zanieczyszczona oddziałuje tylko za pośrednictwem powierzchni betonu. W kolumnach jest składnikiem mieszaniny cementogruntu i w skrajnych przypadkach może utrudnić lub uniemożliwić wiązanie cementu.
Fot. 4 Mieszanie kolumny
Fot. 5 Parametry wykonywania kolumny widoczne w kabinie operatora
Kolumny DSM mogą być wykonywane jedynie w gruntach niezawierających przeszkód i będących w takim stanie, który umożliwia prawidłowe wymieszanie ze wspomaganiem tłoczonym zaczynem. Autorowi znane są projekty przewidujące wykonanie kolumn DSM w skale lub zwietrzelinie. Przekonanie inspektora nadzoru do rezygnacji z zakładanej głębokości mieszania wymagało od wykonawcy uniesienia maszyny na mieszadle opartym na zwietrzelinie.
Kolumna DSM ze względu na słaby materiał i powolny proces wiązania jest szczególnie narażona na uszkodzenia.W czasie wykonywania należy zadbać, aby ruch ciężkiego sprzętu w obszarze wykonywanych kolumn oraz ścinanie, skuwanie i pogłębiania wykopu nie wpływało negatywnie na wykonane wcześniej kolumny.
Do głównych zalet kolumn DSM należy:
– brak wibracji i drgań oraz umiarkowany hałas,
– brak urobku i wykonanie kolumn z materiału miejscowego,
– szybkość wykonania,
– niższa niż pali cena.
Do słabszych stron należy niejednorodność cementogruntu wynikająca z właściwości i składu gruntu oraz konieczność wykonania prób wstępnych.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Literatura
1. EN 14679:2005 Execution of special geotechnical work – Deep soil mixing.
2. B. Gajewska, B. Kłosiński, Rozwój metod wzmacniania podłoża gruntowego, X Seminarium „Wzmacnianie podłoża i fundamentów”, Warszawa, 31 marca 2011 r.
