Optymalizacja wyboru fundamentów palowych

Wybór rozwiązania posadowienia obiektu jest zadaniem złożonym i wymaga uwzględnienia wielu czynników. Istnieje dużo metod wykonywania pali. Każda z nich ma swoje zalety i ograniczenia. Wbrew temu, co czasem mówią ich wykonawcy, nie ma rozwiązań uniwersalnych, które dadzą się zastosować w każdych warunkach. Wybór i optymalne dobranie rozwiązania posadowienia do istniejących warunków jest zadaniem projektanta. Konieczna jest do tego znajomość technologii palowania, wykorzystanie ich zalet i przydatności do przenoszenia obciążeń w konkretnych warunkach gruntowych.

Duży wpływ na sposób fundamentowania może mieć również inwestor, zatwierdzając rozwiązania projektowe. Poza względami technicznymi znaczenie mają też różne punkty widzenia poszczególnych uczestników procesu budowlanego. Każdy z nich postępuje racjonalnie, dbając o swój dobrze pojęty interes.

Inwestorowi zależy, aby fundament zapewniał pełnienie przez obiekt jego funkcji użytkowej, był bezpieczny, a przy tym kosztował jak najtaniej i sprawiał w trakcie eksploatacji jak najmniej problemów. Jednak w trakcie realizacji zaczynają odgrywać rolę również inne czynniki. Na przykład ograniczenia prawno-administracyjne wynikające z uzyskanych decyzji, rozstrzygniętych przetargów czy podpisanych kontraktów. Autorowi zdarzyło się usłyszeć od przedstawiciela inwestora, że może rozwiązanie nie jest najszczęśliwsze, ale tak jest w obmiarze i niech tak zostanie, bo będzie z tym najmniej problemów. Ważne na tym etapie jest sprawne przeprowadzenie zakończenia budowy, uzyskanie przejezdności czy oddanie obiektu do użytku. Bardzo wyraźnie jest to widoczne w inwestycjach komercyjnych, gdzie łatwo wyliczyć, ile tysięcy złotych kosztuje każdy dzień opóźnienia. Może się okazać, że pewne zmiany mogłyby zoptymalizować fundament, ale wymagają czasu i w skali całej inwestycji się nie opłacają.

Fot. 1 Przykład dużej budowy, gdzie wykonano bogaty program badań testowych, służących optymalizacji i potwierdzeniu przydatności poszczególnych technologii palowania

Również projektant postępuje racjonalnie w zależności od tego, jak jest finansowany. Jeśli wygrał przetarg na projekt, oferując najniższą cenę, optymalizuje wysiłek zespołu projektowego i nakłady na badania podłoża. Składając projekt, kładzie na szali swoje uprawnienia, reputację i ubezpieczenie. Dzięki temu powstały projekt może być bardzo bezpieczny, a czasami nawet mocno zachowawczy. Pozwala to spać spokojnie i umożliwia późniejszą jego optymalizację, co nie jest bez znaczenia. Jeśli projektant jest zatrudniony przez wykonawcę w formule zaprojektuj i buduj lub optymalizuj, to jego odpowiedzialne projektowanie poddane jest silnej presji, aby rozwiązanie było jak najtańsze. Istnieje ryzyko, że może się odbyć to kosztem bezpieczeństwa posadowienia, ale nie należy odrzucać a priori takiego postępowania. Jeśli uda się wyjść z istniejących „kolein myślowych”, można stworzyć rozwiązanie znacznie tańsze, a jednocześnie bezpieczne i zapewniające przeniesienie wszystkich obciążeń.

Z kolei generalny wykonawca, składając ofertę, dba, aby rozwiązanie było jak najtańsze i spełniało postawione warunki. Natomiast w trakcie realizacji, gdy pojawia się możliwość optymalizacji, bardzo istotną kwestią staje się wysokość uzyskiwanej marży. Podstawowym zagadnieniem warunkującym zaprojektowanie fundamentu jest dobre rozpoznanie podłoża. Trudno mówić o jego optymalizacji, jeśli nie ma pewności co do układu warstw gruntu, zarówno w planie, jak i po głębokości, ich parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych oraz poziomów wody gruntowej. Generalnie dobrym pomysłem jest to, że o zakresie badań gruntu decyduje projektant, ponieważ najlepiej wie, czego potrzeba do zaprojektowania fundamentu. Wskazane jest, aby w skomplikowanych przypadkach rozpoznanie było etapowe, a jego zakres dostosowany do wcześniejszej wiedzy o podłożu. Niestety zdarzają, się przypadki, że o zakresie badań podłoża decyduje dostępny budżet, a nie realne potrzeby. Może to działać w dwie strony: niedostatecznego rozpoznania podłoża, oraz wykonywania niepotrzebnych badań tylko w celu wykorzystania dostępnych środków. Warte popularyzacji i szerszego stosowania jest wykorzystanie do projektowania wyników badań pali próbnych. Jest to dość skomplikowane zagadnienie ze względu na finansowanie, uwarunkowania kontraktowe i potrzebny czas. Jednak daje najpewniejsze informacje o możliwych do przeniesienia obciążeniach przez konkretne pale w konkretnych warunkach gruntowych. Szczególnie godne polecenia jest w dużych realizacjach, gdzie nawet niewielkie jednostkowe redukcje długości pali przekładają się na oszczędności znacznie przekraczające zainwestowane w badania środki. Ze względu na łatwość i szybkość badania najbardziej popularne i powszechne jest takie badanie wbijanych pali prefabrykowanych. Najbardziej radykalną formą optymalizacji fundamentu palowego jest rezygnacja z tego rodzaju posadowienia. Można powiedzieć, że w przypadku niektórych konstrukcji, np. mostów, posadowienie na palach jest niejako naturalnym rozwiązaniem. Wynika to ze specyfiki pracy (np. rozmycie w rzekach) i obciążeń (np. duże siły poziome czy duża wrażliwość na nierównomierne osiadania w konstrukcjach ciągłych). Należy jednak przeanalizować, czy podłoże obiektu nie jest wystarczające do posadowienia bezpośredniego. Jako paradoks projektowy można wskazać jedną z dróg ekspresowych, gdzie duży obiekt mostowy w ciągu drogi posadowiony jest bezpośrednio, a istniejące obok przejazdy gospodarcze pod nasypem, które mają mniejsze obciążenia na fundamenty, posadowione są na palach wierconych o dużych wymiarach. Jednak w każdej optymalizacji należy przeanalizować wszystkie możliwe oddziaływania (obciążenia i kolejne fazy budowy). Problematyczna może być budowa połówkowa obiektów, dość powszechna przy modernizacji istniejących obiektów. Przykładem mogą być obiekty z wodą gruntową powyżej poziomu posadowienia. Wykonanie pierwszej połówki wymaga odwodnienia i wykonania tymczasowego zabezpieczenia wykopu, które co prawda oddziałuje na sąsiedni grunt, ale jest przez nikogo niedostrzegalne. Dużo trudniej jest z drugą połówką, która przez wykonanie wykopu i odwodnienie gruntu powoduje przemieszczenia i osiadania wcześniej wykonanej konstrukcji. Możliwe są jeszcze inne oddziaływania, np. wibracyjne pogrążanie i wyciąganie ścianek stalowych powoduje dogęszczanie gruntu pod wcześniej wykonanym obiektem i powoduje dodatkowe osiadania. Zaleca się w takich problematycznych warunkach gruntowych i połówkowej metodzie budowy pozostanie przy fundamencie palowym. Wariantem pośrednim jest posadowienie bezpośrednie na wzmocnionym podłożu. Czasami z obliczeń wynika, że nie boimy się o nośność podłoża, ale trochę za duże są osiadania obiektu i wystarczające może być wykonanie relatywnie słabych kolumn wzmacniających podłoże i ograniczających osiadania. Podobny mechanizm ma miejsce w przypadku fundamentów zespolonych. Uwzględnienie współpracy gruntu między palami pozwala stosunkowo niewielkiej liczbie pali ograniczyć osiadania najsilniej obciążonych części budowli. Klasycznym przykładem takiego podejścia są wysokie budynki.

Fot. 2 Przykład mostu łukowego posadowionego na pochylonych palach wielkośrednicowych przenoszących rozpór z łuku

Do optymalizacji posadowienia konieczne jest również realne zdefiniowanie obciążeń działających na pale, ich sposobu przejęcia przez grunt, jak również próba optymalizacji samych obciążeń. W jednym z badań pala posadowienia wiaduktu nad drogą ekspresową osiągnięto nośność graniczną i nie uzyskano wymaganego projektem obciążenia. Udało się jednak zoptymalizować obciążenie post factum. Projektant uznał, że do projektu przyjął obciążenie pojazdem Stanag, a wystarczyłoby przyjęcie obciążenia kl. C wg Polskiej Normy i w związku z tym pal spełnia tak postawione wymagania. Polem do optymalizacji jest również kształt i zagłębienie fundamentów. Przykładem może być jedna z podpór wiaduktu, która się składała z trzech słupów opartych na zwieńczeniu pali. Zwieńczenie zagłębione było znacznie poniżej terenu, a fundament złożony był z czterech pali wielkośrednicowych. Takie rozwiązanie powodowało również kłopoty wykonawcze (konieczność odwodnienia wykopu). Natomiast analiza obciążeń na pale wykazała, że jeden z czterech pali przenosi wyłącznie obciążenia wynikające z ciężaru zwieńczenia i nadkładu gruntu nad zwieńczeniem. Wystarczyłoby wypłycić posadowienie i jeden z pali okazałby się niepotrzebny. Idąc dalej, można by zrezygnować ze zwieńczenia pali i zastosować trzy słupopale, ponieważ słupy podpory były dodatkowo zwieńczone pod łożyskami. Kolejnym obszarem optymalizacji mogą być przyczółki masywne. Stosowane są najpowszechniej, umożliwiają wykorzystanie skrajni pod obiektem, ale w niewielkich obiektach powodują większość obciążeń na pale. Zdarzają się przypadki, gdy nie jest potrzebna taka duża skrajnia pod obiektem i przyczółek masywny można zastąpić słupopalami zatopionymi w nasypie. Umożliwia to redukcje liczby pali z kilkudziesięciu/ kilkunastu do kilku. W bardzo dużych i masywnych podporach – kiedy brakuje nośności pali – zwiększa się ich liczbę. W przypadku gdy pale są blisko siebie i ich strefy naprężeń zachodzą na siebie, zgodnie z Polską Normą palową redukuje się ich nośność. Nie jest to tylko problem normowy, gdyż wiadomo, że nadmierne zagęszczanie pali nie powoduje zwiększenia nośności całej podpory, ponieważ obciążenia muszą zostać jeszcze przejęte przez grunt. Przykładem takiego zjawiska niech będzie podpora pośrednia wiaduktu z trzema rzędami gęsto usytuowanych pali. Analiza obciążeń na pale wykazała, że do uzyskania podobnej nośności podpory należy usunąć 1/3 pali (cały środkowy rząd), a skrajne pale nieco pochylić na zewnątrz, tak aby odsunąć strefy naprężeń w gruncie poszczególnych pali, jednocześnie zmniejszając wymiary i ciężar zwieńczenia fundamentu. Jest to pewnego rodzaju paradoks obliczeniowy, ale należy sprawdzić, czy przez redukcję nośności pali w grupie nie tracimy zbyt dużo. Analizując obciążenia i sposób ich przejęcia przez pale, warto, aby był on jak najbardziej bezpośredni. W przypadku np. mostów łukowych do przeniesienia rozporu stosuje się pale ukośne. Najprościej jest tu zastosować mikropale i znanych jest wiele przypadków takich rozwiązań. Ale możliwe jest także rozwiązanie w postaci pali wielkośrednicowych. Na fot. 2 pokazano przykład obiektu, gdzie rozpór łuku przenoszony jest bezpośrednio na wykonane ukośne pale dużych średnic. Na przeciwnym biegunie rozwiązań są przyczółki, które przenoszą dużą siłę rozporową z płaskiego łuku wyłącznie przez zginanie gąszczu pali pionowych.

Przy przenoszeniu dużych obciążeń należy rozważyć, co jest korzystniejsze: czy zastosowanie dużej maszyny do wykonania małej liczby pali, czy też małej maszyny do większej liczby pali. Przykładem może być posadowienie dużych słupów energetycznych na pojedynczym palu wielkośrednicowym, bez konieczności wykonywania zwieńczeń/ płyt fundamentowych. A jednocześnie znajdziemy przykłady dużych mostów posadowionych na mikropalach, co dało się uzasadnić technicznie i ekonomicznie szczególnie trudnym terenem lub specyficznymi warunkami gruntowymi. Warunki gruntowe mogą być sprzyjające dla jednych technologii, a inne dyskwalifikować. Problemem mogą być grunty zarówno bardzo słabe, jak i bardzo mocne. Przykładami spotykanych nieporozumień projektowych mogą być próby wykonania kolumn jet grouting w litej skale lub kolumn kamiennych w nawodnionych torfach. W gruntach niespoistych nawodnionych słabiej radzą sobie technologie, które naruszają równowagę hydrauliczną w podłożu. W niektórych technologiach można temu przeciwdziałać, np. dolewając wodę do rury obsadowej pali w czasie wiercenia lub zawiesinę do otworu barety, ale np. w palach CFA może dochodzić wtedy do osłabienia podstawy. Grunty pylaste będą miały skłonność do upłynniania i należy ostrożnie podchodzić z technologiami wibracyjnymi. Coraz większego znaczenia zaczynają nabierać grunty skaliste w związku z tym, że obecnie budowane drogi ekspresowe zaczynają wkraczać w tereny górzyste. Należy uważać z przenoszeniem doświadczeń nizinnych w takie rejony. Przykładem trudności może być wykonanie ścian szczelinowych klasycznym chwytakiem czy formowanie pali przemieszczeniowych. W obydwu przypadkach konieczne było wstępne urabianie i podwiercanie inną palownicą, aby w końcu wykonać elementy przewidzianą do tego maszyną. Problemem może być też duża zmienność warunków na głębokości pala. Warstwy przypowierzchniowe mogą być zupełnie słabe, przechodząc przez grunty spoiste, zwietrzelinę aż do litej skały. Przyjęta technologia wykonania musi być skuteczna w każdych z tych warunków. Stosuje się również rozwiązania łączone. Część pala wykonuje się w rurowaniu, a głębiej za pomocą np. młotka wgłębnego. Przydatne mogą być również inne technologie, jak np. mikropale, hydrofrezy czy specjalnie okute rury pali wielkośrednicowych.

Bardzo istotnym kryterium wyboru pali są względy środowiskowe, oddziaływania na otoczenie i ogólnie pojęta ekologia. W taki obszar doskonale wpisują się technologie bezurobkowe, które ograniczają powstające odpady, a tym samym konieczność ich wywozu i zmniejszają ruch budowlany. Jednym z najczęściej podnoszonych zagadnień są drgania i hałas. Należy jednak przestrzegać przed ich demonizowaniem. Są to elementy mierzalne i można realnie określić ich wpływ na otoczenie. Zdarzają się obiekty, podczas realizacji których zmienia się technologie dynamiczne na inne ze względu na szkodliwy charakter drgań, zwykle jednak wystarczy określenie tylko bezpiecznej odległości pracy, lub otaczające konstrukcje dobrze sobie radzą z takimi oddziaływaniami. Możliwe jest również zmniejszanie oddziaływań przez zmianę częstotliwości lub energii przykładanej podczas wbijania. Bardziej złożonym zagadnieniem jest wpływ na ludzi. Większym problemem niż natężenie hałasu i wielkość drgań jest ich długotrwałość i cykliczność. Zwykle otoczenie wytrzyma nerwowo kilka dni, ale później problem staje się coraz bardziej uciążliwy. Dlatego istotnego znaczenia nabiera optymalizacja czasu wykonania posadowienia i całego obiektu. Niestety zbyt często widzi się obiekty budowane miesiącami czy latami, co zmusza tysiące kierowców do stania w korkach. Podczas gdy z technicznego punktu widzenia wydaje się, że obiekty te mogłyby powstać w kilka tygodni.

Optymalizacja fundamentów wymaga uwzględnienia wielu uwarunkowań, tak abyśmy mogli powiedzieć, że ze wszystkich dostępnych rozwiązań wybraliśmy najlepsze ze względu na przyjęte kryteria, niezawodne i akceptowalne kosztowo.

mgr inż. Piotr Rychlewski

Instytut Badawczy Dróg i Mostów