Wśród wielu nowoczesnych i skomplikowanych metod wzmacniania podłoża gruntowego istnieją proste sposoby znane od wieków, a nawet takie, które nie wymagają dodatkowych nakładów.
Najbardziej oczywistym sposobem rozwiązania problemu słabego gruntu zalegającego w podłożu jest jego wymiana na materiał przydatny do posadowienia nasypu czy fundamentu obiektu. Taka wymiana stosowna jest w przypadku słabych gruntów organicznych (torfy, gytie), miękkoplastycznych gruntów spoistych czy występujących składowisk odpadów i innych nieprzydatnych do posadowienia materiałów. Głębokość pełnej wymiany gruntu dochodzi do kilku metrów (3–5 m). W sprzyjających warunkach możliwa jest wymiana na większą głębokość. Zabieg staje się dużo trudniejszy w przypadku występowania zwierciadła wody gruntowej.
W razie problemów z pełną wymianą gruntu wymieniane są tylko przypowierzchniowe warstwy słabego podłoża.W zależności od obciążenia, dopuszczalnych osiadań i czasu konsolidacji może to być zabieg wystarczający albo wymagający dodatkowego wzmocnienia wgłębnego.
fot. 1. Wykonywanie nasypów Trasy Siekierkowskiej w Warszawie
Gdy grunty są bardzo słabe – o charakterze bagna z wysoko występującą wodą gruntową – stosuje się wypieranie słabego podłoża. Budowany nasyp „tonie” w słabym gruncie nawodnionym i jednocześnie wyciska ten grunt. Należy pamiętać, że to wyciskanie nie jest stuprocentowe i pod nasypem pozostanie warstwa gruntu, który będzie musiał ulec konsolidacji. Zabieg wypierania wspomaga się np. mechanicznie, przecinając kożuch torfowy lub używając metody wybuchów.
Na fot. 1 i 2 pokazano przykłady wykonywania wymiany gruntu na budowie Trasy Siekierkowskiej w Warszawie.
fot. 2. Wykonywanie nasypów Trasy Siekierkowskiej w Warszawie
Najprostszym sposobem wzmocnienia słabego podłoża jest jego konsolidacja.Polega ona na obciążeniu podłoża nadkładem nasypu, w wyniku czego z porów gruntu wyciskana jest woda. Procesowi towarzyszy zmniejszenie objętości porów gruntu i wynikające z tego osiadanie nasypu. Jest to zabieg długotrwały, a czas konsolidacji może być liczony nawet w latach i zależy on od przepuszczalności podłoża oraz drogi filtracji. Szczególnie długi będzie w gruntach ilastych i gytii. Ze względu na wytrzymałość podłoża może zaistnieć konieczność budowy nasypu etapowo. Kolejne warstwy obciążenia będą dokładane w miarę postępów konsolidacji i wzrostu wytrzymałości podłoża. Schemat osiadań pokazano na rys. 1.
rys. 1. Schemat osiadań w procesie konsolidacji; qd – obciążenie docelowe, sd – osiadanie docelowe
Należy również pamiętać, że zmniejszenie objętości porów gruntu powoduje konieczność wykonania nasypu o większej objętości, niż wynika z teoretycznego rysunku. Skutkiem tego są nieoczekiwane niedobory w bilansie mas ziemnych. Zagadnienie to występuje również w nasypach o podłożu wzmocnionym innymi metodami, gdzie ma miejsce zjawisko konsolidacji.
Ze względu na potrzebny relatywnie długi czas jest to metoda dzisiaj rzadko wykorzystywana. Obecnie podczas realizacji kontraktu zwykle brakuje „w końcówce” kilku miesięcy i prace wykonuje się w pospiechu, aby zdążyć na otwarcie obiektu wyznaczone terminem kontraktowym lub terminem kolejnych wyborów. Jak mawiają doświadczeni inżynierowie, na problem braku czasu w harmonogramie jest zaskakująco proste rozwiązanie: należy zacząć prace o kilka miesięcy wcześniej.
fot. 3. Sprzęt do wykonywania kolumn w koszulce z geotkanin
Proces konsolidacji i stabilizacji osiadań można przyspieszyć, stosując przeciążenie lub dreny pionowe.
Przeciążenie polega na czasowym przyłożeniu na budowanym nasypie większego obciążenia niż przewidywany docelowy nacisk na podłoże. Najprościej przyłożyć takie obciążenie za pomocą dodatkowej warstwy gruntu. W szczególnych przypadkach obciążenie takie może być wywierane za pomocą siłowników, kotew gruntowych, balastu żelbetowego lub zbiorników z wodą. Zdjęcie tego obciążenia po pewnym czasie znacząco redukuje osiadania resztkowe. Schemat osiadań z przeciążeniem pokazano na rys. 2.
rys. 2. Schemat osiadań z przeciążeniem nasypu
Zamiast przeciążenia nadkładem możliwe jest wykorzystanie ciśnienia atmosferycznego i wspomaganie konsolidacji wymuszonym podciś-nieniem.Metoda ta nie była jeszcze zastosowana w Polsce, ale w przypadku dużych zadań daje korzystne efekty ekonomiczne. Polega ona na ułożeniu szczelnej poziomej powłoki zagłębionej po obwodzie w wykopanych rowach wypełnionych wodą gruntową. Pod powłoką wytwarza się za pomocą pompy próżniowej podciśnienie, co powoduje oddziaływanie ciśnienia atmosferycznego porównywalne do nadkładu z gruntu. Metoda ma wiele zalet technicznych: nie ma potrzeby etapowania obciążenia ze względu na brak zagrożenia wyparcia słabego gruntu spod nasypu; mniejsze są osiadania konsolidacyjne i związany z tym niedobór w bilansie mas ziemnych; nie ma potrzeby rezerwowania dużej objętości kruszywa na wykonanie przeciążenia.
Wspomaganie konsolidacji możliwe jest również dzięki zastosowaniu drenów pionowych.Wykonanie drenów w gruncie wzmacnianym powoduje znaczące skrócenie drogi filtracji i przyspieszenie konsolidacji dzięki szybszemu odpływowi wody do warstw drenujących. Schemat odpływu wody z gruntu w przypadku podłoża bez drenów i z drenami pokazano na rys. 3.
rys. 3. Różnica w sposobie odpływu wody w czasie konsolidacji z warstwy bez drenażu i z warstwy drenowanej
Najpowszechniej spotykane są dreny prefabrykowane w postaci specjalnie wyprofilowanych taśm otoczonych geowłókniną. Ich konstrukcja zapewnia również transport wody w przypadku załamania drenu w wyniku osiadania podłoża. Funkcje drenów mogą pełnić również kolumny wzmacniające podłoże, które zapewniają wzdłużny przepływ wody, np. żwirowe lub piaskowe. Kolumny takie dla lepszej filtracji na styku grunt–kolumna wykonywane są w otoczce z materiału geosyntetycznego (fot. 3). Koszulka z odpowiednio dobranej geowłókniny zapewnia dobre parametry filtracyjno-separacyjne. Zastosowanie geotkanin, a szczególnie tkanych obwodowo, zapewnia również dużo większe wzmocnienie podłoża.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
