Podstawowym celem iniekcji jest takie wzmocnienie podłoża, aby jego opór był wzbudzany już przy niewielkich osiadaniach.
Pale wiercone zostały opisane w „IB” nr 3/2011, a rozwiercanie podstaw – „IB” nr 12/2012. Poszerzanie podstaw stosowane jest w przypadku niedostatecznej nośności pali. Dobre efekty uzyskuje się w przypadku wykonywania tego zabiegu w gruntach spoistych. Problematyczne jest natomiast rozwiercanie podstaw pali w gruntach niespoistych i nawodnionych. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie iniekcji podstaw pali, który to zabieg ma znacznie szersze możliwości stosowania od rozwiercania.
Charakter pracy pala i wzbudzanych oporów pala przy wciskaniu sprawiają, że projektowane pale wiercone mogą wykazywać zbyt duże osiadania przy projektowanych obciążeniach. Wynika to z faktu, że do wzbudzenia oporów pala potrzebne jest jego zagłębienie w grunt pod wpływem obciążenia. Opory pobocznicy pala rosną bardzo szybko i osiągają swoje maksymalne wartości przy przemieszczeniach rzędu 10–20 mm. Opory podstawy przyrastają natomiast dużo wolniej, a maksymalne wartości osiągają przy osiadaniach zbliżonych do 10% średnicy pala. Dla pali o średnicy ponad 1 m są to wartości osiadań daleko wykraczające poza przydatność użytkową pali. Konieczne jest wtedy stosowanie bardzo dużych zapasów nośności, co powoduje wykorzystanie tylko niewielkiej części nośności granicznej pala. Dodatkowym czynnikiem wpływającym niekorzystnie na nośność pala jest naturalne odprężenie gruntu w podstawie pala podczas wykonywania. Nieumiejętne wykonanie może jeszcze pogorszyć sprawę przez: potęgowanie efektu odprężenia zbyt długim czasem wykonywania, niewłaściwe oczyszczenie dna otworu czy doprowadzenie do przepływu wody do otworu i rozluźnienie otaczających gruntów.
Rys. 1 Siły działające na pal z iniektowaną podstawą: a) podczas zastrzyku, b) pod obciążeniem
Rys. 2 Kształt krzywej obciążenie-osiadanie pala z iniektowaną podstawą
Wstępne naprężenie podstawy pala za pomocą iniekcji może zniwelować wpływ niekorzystnych zjawiskwystępujących podczas wiercenia i naprawić część błędów wykonawczych.
Podstawowym celem iniekcji jest takie wzmocnienie podłoża, aby jego opór był wzbudzany już przy niewielkich osiadaniach, podobnie jak opór pobocznicy. Takie możliwości daje wstępne naprężenie podłoża. Siła parcia zaczynu wywołuje osiadanie podłoża podstawy, a jednocześnie wypycha trzon pala do góry. Wprowadzoną siłę równoważy ciężar pala i tarcie ujemne pobocznicy.
Naprężenie podłoża podstawy powoduje, że krzywa osiadania pala jest bardziej płaska niż zwykłego pala wierconego. Pozwala to dopuszczać większe ich obciążenia niż typowych pali o zbliżonej nośności granicznej.
Rys. 3 Schemat instalacji do iniekcji bezpośredniej podstaw pali
Iniekcje w podstawach pali wykonuje się w Polsce czterema metodami:
– sztywnej komory zastrzykowej,
– iniekcji bezpośredniej (bezkomorowej),
– elastycznej komory iniekcyjnej,
– jet grouting.
Naprężanie podłoża zastrzykami poprzez specjalną sztywną komorę,od dawna stosowane za granicą, było przedmiotem badań i zostało pomyślnie zrealizowane w kraju między innymi przez prof. Andrzeja Jarominiaka. Zabieg okazał się skuteczny w gruntach piaszczystych. Wykonanie takiej iniekcji jest możliwe dzięki zamontowaniu na spodzie kosza zbrojeniowego sztywnej komory wypełnionej grubymi otoczakami. Z komory wyprowadzone są dwie rury, dzięki którym możliwe jest tłoczenie iniektu. Na fot. 1 pokazano przykład takiej komory.
Fot. 1 Sztywna komora iniekcyjna na budowie obwodnicy Ostrowi Mazowieckiej
Mankamentem tej metody jest konieczność montowania i wkładania do otworu ciężkiego elementu wypełnionego kamieniami. Wątpliwości inżynierów budzi też zachowanie się podstawy pala, w przypadku gdy nie uda się wykonać iniekcji.
Instytut Badawczy Dróg i Mostów wdrożył i sprawdził w praktyce rozwiązanie, które eliminuje potrzebę stosowania specjalnej komory zastrzykowej (rys. 3). Umożliwia ono zarazem łatwe wielokrotne powtarzanie zastrzyku i skuteczne naprężenie podłoża fundamentu. Polega na wbudowaniu w pal 1 instalacji z rurek zastrzykowych 2, których końce są wyprowadzone ponad głowicę pala. W dolnej części rurki mają otwory osłonięte zaworami opaskowymi 4. Poziomy odcinek rurek na dnie otworu 3 osłania się poziomą elastyczną przeponą 5, która oddziela je od układanego betonu pala. Iniekt 6 pod podstawę można tłoczyć w dowolnym czasie po jej zabetonowaniu, w jednej lub kilku fazach dzięki możliwości wypłukania całej instalacji, aż do uzyskania wymaganego ciśnienia. Opisane rozwiązanie zostało zastosowane na wielu budowach.
Efekty naprężenia podłoża sprawdzono próbnymi obciążeniami. Wykazały one znaczące zmniejszenie osiadań pali, także w gruncie spoistym. Przy koszcie zabiegu odpowiadającym cenie od 1 do 3 m pala uzyskuje się zwiększenie użytkowej nośności pala od 20 do 50%. Dodatkową korzyścią jest wzrost bezpieczeństwa dzięki sprawdzeniu nośności każdego pala, co pozwala wykryć i poprawić pale niewłaściwie wykonane. Zabiegi powodują także ujednolicenie podatności wszystkich pali w fundamencie, co eliminuje siły wewnętrzne w konstrukcji wywołane różnicami osiadania pali. Wstępne propozycje dotyczące projektowania pali z podstawami naprężonymi przy użyciu instalacji iniekcyjnej opracowano w IBDiM.
Fot. 2 Instalacja do iniekcji bezkomorowej przymocowana do zbrojenia pala wielkośrednicowego
Jednym z ciekawszych przykładów zastosowań była budowa 186-metrowego wieżowca Centrum Daewoo w Warszawie. Umiejętne wykonanie i zabieg naprężania podstaw pozwoliły uzyskać bardzo duże nośności pali. Trzy badane pale o średnicy 1,5 m i zagłębieniu 10 m, oparte w zagęszczonych piaskach średnich i drobnych, przy obciążeniu projektowym 7,54 MN osiadły tylko 4,7, 6,4 i 9,0 mm, a przy maksymalnej sile 11 MN – odpowiednio 8,2, 11,9 i 17,0 mm.
Ciekawym przykładem jest posadowienie mostu przez Brdę w Bydgoszczy. W podłożu na głębokości 9–12 m występuje warstwa węgla brunatnego o zróżnicowanej wytrzymałości. Woda gruntowa w zagęszczonych piaskach warstwy nośnej ma napięte zwierciadło, stabilizujące się 2 m ponad wodą w rzece. Zastosowano tam pale z podstawami naprężanymi iniekcyjnie. Aby zapobiec rozluźnieniu piasków, przewidziano podwyższenie platformy roboczej do palowania o około 3,5 m w celu zapewnienia ciśnienia wody w otworze dostatecznie przewyższającego ciśnienie w podłożu. W trakcie wykonywania pierwszych podpór nie spełniono tych wymagań i niektóre pale miały pod podstawą rozluźnione podłoże. Objawiało się to na powierzchni różnym poziomem zbrojenia pala, wynikającym z wypełnienia części wywierconego otworu napływającym gruntem. W czasie iniekcji tych pali, powtarzanej dwu- lub trzykrotnie, wtłoczono w podstawy pali od 900 do 2080 l zaczynu cementowego. W prawidłowo wykonanych palach w podobnych warunkach gruntowych objętość wtłoczonego zaczynu wynosi 200–300 l, zależnie od średnicy podstawy. Zbadano noś-ności dwóch pali wybranych z tych, w których podstawy wtłoczono ponad 1000 l zaczynu. Uzyskano dobre wyniki mimo stwierdzonych uchybień wykonawczych. W tym przypadku iniekcja podstaw umożliwiła naprawę popełnionych błędów.
Fot. 3 Przykład instalacji bezkomorowej do iniekcji baret w wieżowcu Rondo 1 (rondo ONZ) w Warszawie
Tego rodzaju iniekcję można z powodzeniem zastosować w baretach. W Warszawie zrealizowano już kilka wieżowców, których fundamenty zespolone zawierają barety z iniektowanymi podstawami. Przykład pierwszej takiej instalacji według patentu IBDiM pokazano na fot. 3.
Kolejnym etapem było opracowanie przez Politechnikę Gdańską instalacji z komorą elastyczną, która różni się w sposób zasadniczy od wcześniejszych rozwiązań (fot. 4).
Pionowe rury w szkielecie zbrojeniowym połączone są w podstawie równoległymi blachami, bez potrzeby wykonywania zaworów zwrotnych. Całość zamknięta jest w półprzepuszczalnym worku wykonanym najczęściej z geotkaniny. Przed betonowaniem pala worek wypełnia się zawiesiną bentonitową, która po zabetonowaniu pala jest w trakcie iniekcji zastępowana zaczynem cementowym. Prowadzenie iniekcji w worku zabezpiecza zaczyn przed wypływem na powierzchnię terenu i iniekcją pobocznicy. W stosunku do instalacji bezkomorowej wymagana jest dodatkowa operacja technologiczna. Należy zwrócić uwagę, czy wypełnianie worka w podstawie zawiesiną wodną, nie prowadzi do niekorzystnych zmian właściwości, jeśli grunty są spoiste i wrażliwe na namakanie.
Fot. 4 Przykład zbrojenia pala z instalacją z komorą elastyczną
Metodą, która ostatnio znajduje pozytywną weryfikację w praktyce, jest zastosowanie technologii jet grouting. Iniekcję wysokociśnieniową wykonuje się pod podstawą pala przez otwory wywiercone w rdzeniu pala. Zwykle wykonuje się iniekcję w dwóch lub trzech punktach. Jest to dobra metoda wzmocnienia pali. Przy wykonywaniu nowych pali otwory można przygotować wcześniej w przekroju pala. Iniekcja jet grouting powoduje poszerzenie przekroju efektywnego podstawy pala i zwiększa jego nośność, i redukuje osiadania.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
