Przykład wzmocnienia podłoża nasypu przy obiekcie mostowym

Trasa obwodnicy rozpoczyna się węzłem drogowym Północnej obwodnicy Opola w ciągu drogi krajowej nr 45, a kończy się pomiędzy miejscowościami Czarnowąsy oraz Borki włączeniem do drogi wojewódzkiej nr 454.

Zakres realizowanej inwestycji o wartości ponad 100 mln zł obejmował budowę nowych dróg o długości ok. 5,3 km, szerokość jezdni 8,0 m + pobocze 2 x 1,50 m. Projektowana kategoria ruchu to KR6. W ramach inwestycji wybudowano m.in. nowe skrzyżowania, obiekty mostowe (wiadukty oraz most), parking dla potrzeb inspekcji transportu drogowego, a także przebudowano odcinki istniejących dróg. Z powodu bliskości Odry i możliwości występowania wód powodziowych, cała trasa przebiega w nasypie o wysokości od kilku do ponad dziesięciu metrów. Łączna objętość nasypów to blisko 450 tys. m3. Z uwagi na gęstą sieć rowów melioracyjnych, wykonano przepusty, a po zakończeniu robót – ekrany akustyczne.

Umowa na realizację robót pomiędzy Zarządem Dróg Wojewódzkich w Opolu oraz wybranym w przetargu wykonawcą, firmą DROG-BUD Sp. z o.o. Lubojenka k/Częstochowy, została zawarta w marcu 2016 r.

Rys. 1 Schemat konstrukcji przy zastosowaniu materaca TensarTech^® Stratum^®

Rys. 2 Wpływ materaca na kształt powierzchni poślizgu

Rys. 3 Kierunek rozwoju strefy plastyczności

Istniejące warunki gruntowo-wodne. Wybór technologii

Trasa obwodnicy w rozpatrywanym rejonie zlokalizowana jest w części zalewowej oraz nadzalewowej doliny Odry i Małej Panwi. Na potrzeby inwestycji została sporządzona dokumentacja geologiczno-inżynierska. Jednak z uwagi na punktowe rozpoznanie terenu, nie wykazała występujących na dojazdach do obiektu składowisk odpadów. Rozpoznana warstwa była pochodzenia antropogenicznego o zmiennych, trudnych do określenia parametrach. Ponadto stwierdzono występowanie wody gruntowej o zwierciadle swobodnym na głębokości 1,2-2,8 m p.p.t.

Warstwa słabonośna została odkryta dopiero na etapie budowy. Zlokalizowana była w regionie obiektu mostowego (nr MD-02 w km 3+179,12 nad rzeką Mała Panew). W związku z tym zaszła konieczność wzmocnienia słabego podłoża po obu stronach obiektu pod nowo budowanym nasypem drogowym. Wykonawca przeanalizował kilka wariantów rozwiązania zagadnienia wykonania nasypu w warunkach słabego podłoża gruntowego, m.in. pełną wymianę gruntu podłoża, posadowienie pośrednie za pomocą pali oraz wzmocnienie z zastosowaniem materaca geosyntetycznego w postaci kilku warstw kruszywa z przekładkami z geosiatek lub geotkanin. Wszystkie warianty rozważano zarówno pod kątem pracochłonności rozwiązania, jak i kosztów realizacji robót.

Po analizie jednak zdecydowano się na wykorzystanie zupełnie innej metody: technologii z wykorzystaniem materaca w systemie TensarTech^® Stratum^®. Zastosowanie tej technologii, poza zwiększeniem nośności słabego podłoża gruntowego, dawało gwarancję równomiernego osiadania konstrukcji nawierzchni drogowej, a ponadto umożliwiło skrócenie czasu realizacji robót, bez potrzeby wykonywania głębokich wykopów i wymiany gruntu.

Na etapie projektowania, po przeanalizowaniu warunków gruntowo-wodnych, wytypowano dwa miejsca, w których zdecydowano się na zastosowanie technologii TensarTech^® Stratum^®:

– na dojeździe do obiektu od strony północnej zaprojektowano materac o powierzchni 1670 m²,

– na dojeździe do obiektu od strony południowej zaprojektowano materac o powierzchni 2270 m².

Od strony północnej warunki gruntowe były zdecydowanie gorsze niż od południowej. Zaproponowano dwa rozwiązania różniące się od siebie przede wszystkim sztywnością i wytrzymałością zastosowanych georusztów.

Fot. 1 Etapy montażu materaca TensarTech^® Stratum^®

Zasada działania i mechanizm pracy

Materac TensarTech^® Stratum^® to ciągła, otwarta od góry konstrukcja komórkowa, o nominalnej wysokości 1 m, która składa się z dwóch zasadniczych elementów:

1. warstwy podstawowej, bazowej, wykonanej na bazie trójosiowego georusztu stabilizującego warstwę kruszywa;
2. zasadniczej konstrukcji wykonanej z pionowo montowanych pasm georusztu jednokierunkowego, tworzących układ komórek wypełnianych kruszywem o odpowiednim uziarnieniu, zapewniającej dodatkowo funkcję drenażową.

Zastosowanie opisanej technologii daje wiele korzyści:

1. Stworzenie sztywnej platformy, która służy początkowo jako dojazd do miejsca budowy, a docelowo, po wykonaniu nasypu, będzie stanowiła sztywny fundament w jego podstawie.
2. Zapewnienie stateczności nasypu poprzez przecięcie potencjalnych powierzchni poślizgu przez warstwę materaca i skierowanie ich w głąb, do warstw nośnych podłoża. Krytycznym mechanizmem niszczącym staje się w tej sytuacji zniszczenie plastyczne słabej warstwy.
3. Uzyskanie maksymalnej wytrzymałości na ścinanie gruntu podłoża oraz znaczne zwiększenie stateczności konstrukcji.
4. Znaczne przyspieszenie konsolidacji słabego podłoża pod materacem.
5. Zapewnienie równomierności i jednorodności osiadań konstrukcji nasypu.
6. Eliminację konieczności wymiany słabego gruntu lub/oraz wzmocnień wgłębnych typu pale lub kolumny.

Rys. 4 Schemat podnoszenia i ustawiania przepon poprzecznych

Technologia budowy i etapy wykonania materaca

Technologia wykonania materaca TensarTech^® Stratum^® jest bardzo prostym w realizacji sposobem na wzmocnienie słabego podłoża gruntowego pod nasypami. Główne etapy montażu można podzielić na trzy zasadnicze części:

– wykonanie warstwy bazowej,

– wykonanie zasadniczej konstrukcji materaca,

– wypełnienie konstrukcji materiałem o odpowiednim uziarnieniu.

Materac montuje się w docelowym miejscu instalacji z georusztów trójosiowych, georusztów jednokierunkowych, opasek zaciskowych, łączników typu bodkin oraz kruszywa zasypowego.

W przypadku realizacji obwodnicy Czarnowąsy, po wyprofilowaniu podłoża do odpowiednich rzędnych, na wstępie ułożono na powierzchni terenu pasma georusztu trójosiowego Tensar^® TriAx^® z odpowiednim zakładem technologicznym. Bezpośrednio na georuszcie trójosiowym, prostopadle do osi nasypu rozwinięto pasma georusztów jednokierunkowych jedno przy drugim (na styk). Jeden z brzegów każdego pasma georusztu połączono na całej długości z wcześniej ułożonym georusztem trójosiowym podstawy, używając odpowiedniej nylonowej opaski zaciskowej.
Następnie tak uformowane przepony poprzeczne podniesiono i ustawiono do pozycji pionowej. Na każdym końcu pasmo przymocowano do tymczasowo wbitych kołków pionowych. Naciągnięcie wykonuje się za pomocą łączników napinających oraz opasek zaciskowych łączących poprzeczne przepony ze słupkami.

Rys. 5 Układ przepon w planie

Po ustawieniu i naciągnięciu przepon pionowych poprzecznych, przystąpiono do prac związanych z tworzeniem trójkątnych komórek wewnątrz docelowego geomateraca. Wykonano to poprzez rozwinięcie poprzeczne rolki georusztu jednokierunkowego. W ten sposób utworzono formę przepon ukośnych między wcześniej ustawionymi przeponami poprzecznymi, tworząc trójkątne komórki. Każda przepona ukośna połączona jest z przeponą poprzeczną w punktach rozmieszczonych co 2 m. Ważnym elementem jest węzeł połączenia, który wykonuje się przez zagięcie żeber przepony ukośnej i przeciągnięcie ich przez otwory w przeponach poprzecznych, tworząc pętlę. W każdej pętli umieszczono łączniki węzłowe, tzw. bodkiny.

Po wykonaniu całości przepon skośnych przystąpiono do wypełniania geomateraca kruszywem. Najczęściej stosuje się kruszywa lub mieszanki kruszyw łamanych lub inne materiały o dobrym uziarnieniu (współczynnik różnoziarnistości > 5). Wypełnianie materaca wykonuje się metodą „od czoła”. Kruszywo w komórkach na całej wysokości materaca umieszczane jest bez zagęszczenia, później stosuje się nadkład o grubości 150 mm z zagęszczonego kruszywa, w celu umożliwienia po nim ruchu budowlanego. Poszczególne rzędy komórek są wypełniane schodkowo.

Rys. 6 Generacja pól linii poślizgu poniżej wzmocnienia materacem

Metoda obliczeń

Obliczenia wykonano w oparciu o normę brytyjską BS8006-1:2010, sprawdzono nośność podłoża, wytrzymałość materaca oraz stateczność globalną układu na obrót i poślizg. Do obliczeń przyjęto obciążenia użytkowe wartości 25 kN/m² na poziomie góry nasypu oraz obciążenie stałe od nasypu drogowego.

Podsumowanie

Zastosowana konstrukcja geomateraca stanowi bardzo dobrą platformę do posadawiania nasypów drogowych kolejowych. Stosowana może być również jak platforma robocza dla pracy dźwigów, palownic i innego ciężkiego sprzętu budowlanego.

Jest zdecydowanie tańszą alternatywą dla posadowienia pośredniego w przypadkach, w których dopuszcza się wystąpienie pewnych, kontrolowanych osiadań. Metoda ta jest najbardziej efektywna tam, gdzie w poziomie posadowienia występuje warstwa gruntów słabonośnych, często o zmiennych parametrach. Podczas opisanej realizacji wykorzystano maksymalnie istniejące warunki gruntowe poprzez rozłożenie obciążeń na większą powierzchnię (współczynnik dystrybucji wynosi 1:2). Ponadto konstrukcja materaca ujednoliciła osiadania podłoża pod nasypem. Zapewniono również odpowiednie współczynniki stateczności skarpy oraz efektywny drenaż w podstawie nasypu. Wykonawca mógł w szybki i skuteczny sposób rozwiązać napotkane na budowie problemy gruntowe. Uniknął sporych kosztów posadowienia pośredniego nasypu za pomocą kolumn bądź pali, a więc wykonywania platform roboczych pod palownice, oraz mobilizacji ciężkiego sprzętu. Zaoszczędzono tym samym czas i pieniądze oraz zyskano pewność solidnie wykonanej pracy.

Tomasz Kowalski

Zbigniew Tubis

Michał Gołos

Tensar Polska Sp. z o.o.