Kolumny DSM stosujemy często zamiast pali, ale należy pamiętać, że cementogrunt ma dużą zmienność parametrów i jest niejednorodny.
Kolumny DSM najpowszechniej są stosowane do wzmacniania słabego podłoża nasypów lub obiektów inżynierskich. W sprzyjających warunkach posadawia się na takich kolumnach dość duże obiekty (np. fot. 1). Kolumny wykonuje się za pomocą mieszadła składającego się z żerdzi i zamocowanych do niej poprzeczek. Na końcu żerdzi znajduje się otwór, którym jest tłoczony do gruntu zaczyn cementowy ułatwiający samo mieszanie i zapewniający końcową wytrzymałość uformowanej kolumny z cementogruntu. Przykładowe mieszadło pokazano na fot. 2. Szczegóły wykonania podano w artykule dotyczącym kolumn DSM w „IB” nr 2/2013, a dodatkowe informacje można znaleźć w dostępnej literaturze [1], [2]. W normie [1] pokazano różne możliwe sposoby wykonania kolumn w planie, poczynając od standardowych pojedynczych w układzie trójkątnym lub kwadratowym, po konstrukcje ścianowe (wykorzystywane np. w palisadach) oraz ruszty i duże bloki cementogruntu.
Fot. 1 Obiekt posadowiony na kolumnach DSM
Zasadniczy wpływ na jakość wykonanej kolumny ma grunt, w którym się ją wykonuje. Dwa najistotniejsze zagadnienia dotyczą uzyskiwanych właściwości (wytrzymałości) i związanej z tym jednorodności wymieszania. Wytrzymałość materiału kolumny może w korzystnych warunkach zbliżać się do wytrzymałości osiąganych przez kolumny betonowe (kilka lub kilkanaście MPa), a w gruntach trudnych – jak namuły lub torfy – rozpoczynać się od 200 kPa. Należy mieć na względzie, że nawet przy najstaranniejszym wykonaniu, odpowiednim dozowaniu cementu oraz dokładnym wymieszaniu materiał kolumny będzie miał gorsze parametry od betonu i będzie bardziej niejednorodny w swej masie, co wynika ze zmiennych warunków gruntowych. Ze względu na mieszanie poziome (o pionowej osi obrotu żerdzi) stosunkowo niewielkie jest wymieszanie materiału kolumny w pionie. Wynika ono jedynie z zagłębiania i wyciągania żerdzi w czasie ruchu obrotowego. Dlatego na różnych głębokościach kolumny możliwe jest uzyskanie materiału o różnych wytrzymałościach i różnym stopniu homogenizacji cementogruntu. Nawet intuicyjnie można się spodziewać, że są grunty, które się lepiej lub gorzej mieszają. Do łatwiejszych należą grunty niespoiste, natomiast najtrudniejsze do mieszania są iły i gliny. Na fot. 3 pokazano przykład takich gruntów: widać mieszadło, które wyjęte z wykonywanej kolumny jest oblepione częściami spoistymi gruntu, w skrajnym przypadku takie grunty mogą obkleić jakby kulą mieszadło i wówczas w czasie pracy praktycznie niczego ono nie miesza. Dlatego w czasie pracy ważna jest optyczna kontrola mieszadła przez operatora po wyjęciu na powierzchnię platformy roboczej. Podczas mieszania kawałki gruntu mogą się oderwać w ostatniej fazie wykonania i pozostać niewymieszane w masywie kolumny. Przykład odkopanej kolumny, w której widoczne są niejednorodności wymieszania gruntów silnie spoistych, pokazano na fot. 4.
Fot. 2 Mieszadło DSM
Fot. 3 Mieszadło obklejone cząstkami gruntu spoistego
Należy pamiętać, że wskazane cechy są po prostu właściwościami kolumn DSM. W przypadku dużej liczby kolumn wzmacniających podłoże parametry kolumn uśredniają się i kolumny bezpiecznie mogą przenosić obciążenia od nasypów czy fundamentów. Trzeba jednak zachować ostrożność przy projektowaniu konstrukcji, w których wiele zależy od każdej pojedynczej kolumny, jak np. w palisadach czy pojedynczych kolumnach przenoszących skoncentrowane obciążenia.
W celu oszacowania potrzebnej liczby obrotów mieszadła dla różnych rodzajów gruntu wprowadzono w Japonii wskaźnik wymieszania T, określający liczbę obrotów pojedynczej belki mieszadła na jeden metr głębokości kolumny (szczegóły można znaleźć również w literaturze krajowej, np. [3]).
Fot. 4 Niejednorodność wymieszania kolumny
Fot. 5 Maszyna z potrójnym systemem mieszania
Wskaźnik wymieszania określa się wzorem:
T = M × (Rp /Vp + Rw /Vw) × n
gdzie:
T – wskaźnik wymieszania [obr./min]; M – liczba belek mieszających; Rp – prędkość obrotowa mieszadła w czasie pogrążania [obr./min]; Vp – prędkość liniowa pogrążania mieszadła [m/min]; Rw – prędkość obrotowa mieszadła w czasie podnoszenia [obr./min]; Vw – prędkość liniowa podnoszenia mieszadła [m/min]; n – liczba pełnych cykli mieszania (dół–góra).
Minimalny wskaźnik wymieszania wynosi dla piasków grubych ok. 300 obr./min, a dla glin i iłów powinien sięgać 500 obr./min. Jednorodność wymieszania należy kontrolować na budowie, pobierając próbki i obserwując mieszadło oraz opory mieszania w czasie wykonywania kolumny. Próbą rozwiązania problemów z mieszaniem trudnych gruntów jest zastosowanie mieszadeł wielokrotnych. Na fot. 5 pokazano potrójne mieszadło, w którym przeciwbieżnie obracające się żerdzie pozwalają wyeliminować część problemów z jednorodnością wymieszania. Ponadto umożliwiają wykonanie potrójnej kolumny o większych wymiarach.
Fot. 6 Obiekt posadowiony na fundamentach blokowych CMS
Innym sposobem mieszania gruntu jest technologia CSM (ang. cutter soil mixing): na końcu żerdzi znajdują się dwa skrawająco-mieszające bębny z zębami o poziomej osi obrotu. Wykorzystywane urządzenie jest podobne do hydrofrezu używanego przy wykonywaniu ścian szczelinowych, tworzy ono docelowo blok cementogruntu. Na fot. 6 pokazano obiekt posadowiony na takich blokach. Miały one wymiary w planie 0,55 × 2,20/2,40 m i były w stanie przenosić razem z wykonanymi kotwami duże obciążenia poziome występujące w tym obiekcie. Uzyskano na nim wytrzymałości cementogruntu wynoszące 15 MPa.
Fot. 7 Trenczer do wykonywania przesłon w gruncie
Fot. 8 Maszyna w czasie wykonywania ciągłej ściany
W przypadku ciągłych ścian lub rusztów fundamentowych można pokusić się o zastosowanie urządzenia do mieszania gruntu stosowanego na wałach przeciwpowodziowych. Na fot. 7 pokazano maszynę zwaną trenczerem, która na prowadnicy, zapewniającej tłoczenie zaczynu do gruntu, ma łańcuch poruszający się w pionie i służący do skrawania i mieszania gruntu. Urządzenie podobne jest do pilarki do drewna. Taka maszyna w czasie pracy i wykonywania ciągłej ściany widoczna jest na fot. 8. Ze względu na wyższą prędkość liniową posuwu łańcucha uzyskuje się lepsze wymieszanie cementogruntu. Ruch pionowy mieszania sprawia, że właściwości cementogruntu uśredniają się na całej wysokości wymieszania i słabsze fragmenty wzmacniane są cząstkami gruntu z mocniejszych części. Na fot. 9 widać wykonaną ścianę i można ocenić jednorodność wymieszania cementogruntu. Głębokość takiej ściany może sięgać kilkunastu metrów. Opisane rozwiązania z powodzeniem wykorzystywane są w uszczelnianiu wałów przeciwpowodziowych, ponieważ maszyna jest przeznaczona do pracy ciągłej. Może ona również być użyta do zabezpieczania wykopów czy wykonywania fundamentów. Na fot. 10 pokazano przykład wykopu fundamentowego, który zabezpieczony był przed napływem wody przez ścianę wykonaną taką technologią.
Fot. 9 Jednorodność wymieszania cementogruntu w ciągłej ścianie
Fot. 10 Wykop zabezpieczony przed napływem wody – ściana z cementogruntu
Technologie mieszania gruntu z powodzeniem wykorzystywane są we wzmacnianiu podłoża, fundamentowaniu, palisadach tymczasowych itp. Trzeba jednak pamiętać, że właściwości powstałego tworzywa są gorsze niż betonu i o niejednorodności wymieszania.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Literatura
1. EN 14679:2005 Execution of special geotechnical work – Deep soil mixing.
2. B. Gajewska, B. Kłosiński, Rozwój metod wzmacniania podłoża gruntowego, X Seminarium „Wzmacnianie podłoża i fundamentów”, Warszawa 2011.
3. J. Swiniański, Zastosowanie kolumn DSM przy posadowieniu wiaduktów drogowych – aspekty projektowe i kontroli jakości, Konferencja „Podłoże i fundamenty budowli drogowych”, Kielce 2012.
