Wykonywanie fundamentów w przypadku napiętegozwierciadła wody, szczególnie stabilizującego się powyżejplatformy wykonania fundamentu, jest trudne i niebezpieczne.
W trakcie realizacji robót fundamentowych zdarzają się czasami sytuacje, które nie były przewidziane przez projekt lub które nie wynikają z przeprowadzonego rozpoznania podłoża.
Jednymi z najtrudniejszych i niosących ze sobą duże ryzyko problemów pojawiających się podczas prowadzenia tych robót są warunki, w których występuje zagrożenie przebiciem hydraulicznym. Sytuacja taka może istnieć naturalnie lub może powstać w wyniku prac budowlanych. Klasycznym przykładem tej drugiej jest odwadnianie wykopów, w szczególności głębokich, otoczonych szczelną obudową.
Fot. 1 Pobocznica pala z widocznymi śladami wypływu wody
Przykładem naturalnie występującej nierównowagi hydraulicznej może być realizacja obiektu mostowego o niewielkiej rozpiętości nad ciekiem wodnym. Rozpoznanie podłoża wykazało, że pod warstwami ekranującymi z gruntów spoistych znajdują się piaski z wodą o ciśnieniu stabilizującym się powyżej powierzchni terenu. Do powstania takiej sytuacji konieczne jest istnienie deniwelacji terenu, której przykładem może być dolina rzeczna. Warstwa ekranująca z glin obejmuje swoim zasięgiem również wysoczyznę, gdzie w wodę zasilany jest piasek znajdujący się pod glinami.
Brak rozpoznania takich warunków hydraulicznych w badaniach podłoża może wynikać z dwóch przyczyn: niefortunnego terminu i okoliczności badań lub ich niestaranności. Może być tak, że warstwa piasku zasilana jest w wodę w wyniku opadów atmosferycznych, a jej poziom podlega dużym wahaniom. Tak wysoki poziom, przewyższający poziom terenu w miejscu robót, występuje okresowo i może się tak nieszczęśliwie złożyć, że w trakcie badań będzie niski, a w trakcie robót wysoki. Drugą możliwością jest niestaranne wykonanie badań. Po dowierceniu się do piasków, jeśli napływ wody do otworu jest niewielki i badający nie ma czasu poczekać na stabilizację, nie określa się rzeczywistego ciśnienia wody w piaskach, kwitując sprawę w dokumentacji jedynie stwierdzeniem, że jest to woda naporowa. Może się także zdarzyć użycie niewłaściwego sprzętu.
Fot. 2 Wypływ wody z wnętrza pali przez nawiercone otwory
Nawet jeśli się odczeka na podniesienie wody w otworze, a wiercenie odbywa się bez rurowania, woda może wypłynąć jedynie na powierzchnię terenu badań i również niemożliwe jest określenie jej rzeczywistego ciśnienia piezometrycznego. W dokumentacji pojawia się wtedy informacja, że woda jest bardzo wysoko i sięga powierzchni terenu, pomimo że jej ciśnienie jest jeszcze wyższe.
Obiekt posadowiono na palach prefabrykowanych. Po wykonaniu pierwszych pali ujawnił się samowypływ wody wzdłuż pobocznicy pali. Instalowanie w gruncie wbijanych pali prefabrykowanych wiąże się ze zniszczeniem istniejącej struktury gruntu na pobocznicy pala w trakcie wbijania. Powierzchnia ta w takich warunkach wodnych staje się uprzywilejowaną drogą filtracji wody o charakterze artezyjskim. W omawianym przypadku w ramach działań naprawczych udało się wykonać poziomy ekran jet grouting w obrębie podpory mostu. Ogólnie można powiedzieć, że styk pala z gruntem jest szczelny i istnieje wiele takich zrealizowanych podpór, w których odpompowywano wodę z wykopu z wykonanymi palami. W tym przypadku problematyczny był sam moment wykonywania pali. W takich przypadkach skuteczną metodą poradzenia sobie jest doprowadzenie do sytuacji, kiedy w czasie wykonywania pala nie występuje nadciśnienie wody gruntowej. Można to osiągnąć przez podniesienie platformy roboczej powyżej poziomu piezometrycznego wody, czasowe obniżenie zwierciadła wody lub skrócenie pali, tak aby nie przebijały one warstwy ekranującej. Na czas wykonywania uszczelnienia poziom wody został obniżony studniami, tak aby w czasie wiązania iniektu nie przepływała przez niego woda.
Opisany problem nie dotyczy jedynie pali prefabrykowanych. Może wystąpić w każdej technologii palowej lub wzmacniania podłoża (np. kolumny jet grouting, DSM). W przypadku elementów formowanych w gruncie dodatkowo istnieje ryzyko wypływu wody przez niezwiązany materiał pala lub kolumny. W innym przypadku, w podobnych warunkach gruntowych, po wykonaniu pali wielkośrednicowych ujawnił się wypływ wody wzdłuż pobocznicy i zbrojenia zabetonowanego pala. Pokazano to na fot. 1. W wodzie otaczającej pal widoczne są wykwity soli mineralnych związane z przepływem wody wzdłuż pobocznicy i wewnątrz pala wzdłuż zbrojenia.
Po odpompowaniu wody z otoczenia pala widoczny jest wypływ z wnętrza pala nawierconymi otworami (fot. 2).
Pal ma dużą długość i sięga podstawą aż do piasków z wodą pod ciśnieniem. Przepływ wody wewnątrz pala możliwy jest dzięki zastosowaniu prętów podwójnych w jego zbrojeniu. Pokazano je na fot. 3.
Fot. 3 Pręty podwójne w koszu zbrojeniowym
Pręty są tak blisko siebie, że beton nie jest w stanie ściśle wypełnić przestrzeni między prętami. Najwęższe miejsce pozostaje niezabetonowane i stanowi uprzywilejowaną drogę przepływu wody. Podobne zjawisko można zaobserwować w ścianach szczelinowych. Pary prętów przewodzą wodę spod płyty dennej, powodując zawilgocenie ścian nad płytą. Rozwiązaniem tego problemu jest rozsunięcie prętów, tak aby beton mógł je dobrze otulić.
W sąsiednim fundamencie na tej budowie niemożliwe było dokończenie betonowania innego pala ze względu na intensywny wypływ wzdłuż pobocznicy. Sytuacje takie są zwykle bardzo niebezpieczne i niosą ze sobą poważne konsekwencje. Naprawy mogą być kosztowne i długotrwałe. W skrajnych przypadkach, jeśli nastąpi już wypływ, sytuacja jest niemożliwa do opanowania. Jedynym skutecznym lekarstwem może być zmiana lokalizacji fundamentu. Gdy zmiana lokalizacji jest nie do zaakceptowania, konieczne może być pogodzenie się z faktem trwałego wypływu wody. Należy jednak zadbać, aby woda nie powodowała postępującej degradacji fundamentu, np. przez wynoszenie cząstek gruntu lub korozję elementów. W jednym ze stwarzającym problemy fundamencie udało się zmienić jego lokalizację, skracając jednocześnie jego głębokość, tak aby nie doszło do przebicia ekranującej warstwy glin. Dlatego sprawą dużej wagi jest właściwe rozpoznanie podłoża. Należy jednak zwrócić uwagę, że i ono może być źródłem podobnych problemów. W jednym z obiektów mostowych na nowo budowanej drodze wykonano otwór badawczy w miejscu podpory przyszłego mostu. Żeby zapewnić największą dokładność rozpoznania, otwór wykonano w osi podpory. Pod warstwami przypowierzchniowymi stwierdzono występowanie grubej warstwy ekranującej glin, a poniżej piasków z wodą pod napiętym ciśnieniem stabilizującym się poniżej terenu, ale znacznie powyżej poziomu przyszłego wykopu. Analiza wyporu wykazała, że warstwa glin jest wystarczającym balastem. Jednak po wykonaniu wykopu w miejscu otworu badawczego zaczęła wypływać woda, najprawdopodobniej wskutek niewłaściwego zaczopowania otworu po zakończeniu badań. Spowodowane to było tym, że odwierty wykonywane były z innego poziomu i w trakcie badań woda nie wypływała na powierzchnię. Wypływ wody do wykopu okazał się bardzo trudny do zatrzymania. Próby zaczopowania otworu standardowymi metodami stosowanymi w odwiertach okazały się nieskuteczne, po tym jak woda nabrała charakteru artezyjskiego. Aby wykonać posadowienie obiektu, wykonano obok podpory dodatkowy otwór do zmniejszenia ciśnienia wypływającej wody. Obydwa otwory pokazano na fot. 4. Widoczny jest otwór „ulgi”, w którym woda jest zdecydowanie wyżej niż w przepływającej obok rzece. Po lewej stronie fot. 4 widoczny jest wypływ wody z pierwszego otworu w osi podpory. Podobne problemy może rodzić wykonywanie badań i fundamentów w ciekach wodnych. Dla podpór w nurcie rzeki odwierty wykonywane zostały z pływających pontonów. Zarurowane otwory pokazały poziom wody gruntowej analogiczny do poziomu rzeki. W miejscu budowy fundamentu w poziomie posadowienia znajdowały się grunty spoiste, a poniżej nich grunty piaszczyste z napiętym poziomem wody. Analiza wyporu warstw ekranujących z glin wykazała, że możliwe jest wykonanie wykopu pod konstrukcję. Po wykonaniu ścianek stalowych i w trakcie wykonywania wykopu napotkano problemy z jego odwodnieniem wynikające z intensywnego napływu wody, których miejsca były zbieżne z wcześniej wykonywanymi odwiertami badawczymi. Doprowadziło to do przebicia hydraulicznego, upłynnienia gruntu, który stanowił podparcie ścianki stalowej i w konsekwencji do jej awarii.
Fot. 4 Samoistny wypływ wody z otworów w podłożu
Zaprezentowane przykłady wskazują, jak trudne i niebezpieczne jest wykonywanie fundamentów w przypadku napiętego zwierciadła wody, szczególnie stabilizującego się powyżej platformy wykonania fundamentu. Konieczna jest dogłębna analiza projektowa obejmująca również wszystkie fazy wykonawcze. W miarę możliwości należy rozważyć zmianę lokalizacji, zaprojektować fundament, tak aby nie doszło do przerwania warstwy ekranującej z gruntów spoistych, przewidzieć środki zaradcze, jak np. podwyższenie poziomu platformy robót lub obniżenie ciśnienia wody naporowej.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Zdjęcia autora
