Iniekcja strumieniowa jest efektywną metodą wzmacniania istniejących fundamentów, dzięki swoim zaletom w wielu przypadkach jest najrozsądniejszym wyborem.
STRESZCZENIE
W artykule zostały przedstawione możliwości, zalety i ograniczenia stosowania iniekcji strumieniowej do wzmacniania podłoża i fundamentów budynków. Omówiono metodę jet grouting oraz kolumn DSM.
ABSTRACT
The article presents the possibilities, advantages and limitations of jet grouting used to improve ground and buildings' foundations. The method of jet grouting and DSM columns have been discussed.
Fot. 1. Budynek rewitalizowanej zabytkowej fabryki posadowiony w czasie przebudowy na kolumnach jet grouting
Iniekcja strumieniowa (jet grouting) jest technologią, która na dobre zadomowiła się w polskiej praktyce budowlanej. Powszechnie wykorzystywana jest przy przebudowie budynków do wzmacniania istniejących fundamentów bezpośrednich. Szczególnie cieszy fakt, że dzięki takiej technice możliwe jest przebudowanie i odnowienie zabytkowych obiektów. Na fot. 1 pokazano przykład takiej rewitalizacji. W miejscu zabytkowej fabryki powstawał nowoczesny kompleks mieszkalno-biurowo-kulturalny. Konieczność wykonania kondygnacji podziemnych obok i wewnątrz istniejących budynków wymuszała zastosowanie skutecznej metody oparcia ich fundamentów w czasie głębienia wykopów. Ze względu na swoje zalety wybrana została metoda kolumn jet grouting. Do wykonywania kolumn w tej technologii potrzebne są wiertnice o niewielkich gabarytach, zagłębione w grunt żerdź iniekcyjną. Niewielkie wymiary wiertnic sprawiają, że mogą one pracować wewnątrz istniejących budynków (fot. 2), rozsuwane gąsienice umożliwiają wjazd takiej maszyny nawet do piwnicy obiektu przez istniejące otwory drzwiowe. Niewielka średnica żerdzi iniekcyjnej pozwala wykonywać kolumny przez otwory rdzeniowe wykonane w fundamencie. Kolumna jest formowana przez wysoko energetyczny strumień zaczynu cementowego, który w kierunku prostopadłym do żerdzi w czasie jej zagłębiania/wyciągania i obrotu skrawa grunt, miesza z zaczynem oraz formuje kolumnę. Ciśnienie tłoczonego zaczynu wynosi zwykle kilkadziesiąt barów. Wielkość tego ciśnienia i sposób skoncentrowania strumienia zaczynu oraz rodzaj i stan gruntu mają wpływ na uzyskiwaną średnicę kolumn. W najprostszym wydaniu może być uformowana ciągła kolumna o przekroju okrągłym w postaci walca.
Fot. 2. Maszyna do wykonywania kolumn wzmacniających fundamenty istniejącego budynku
W szczególnych przypadkach przekrój kolumny może być tylko wycinkiem koła, a sama kolumna może być uformowana tylko na części głębokości, co ma istotne znaczenie przy wzmacnianiu gruntu pod konstrukcje znajdujące się w pewnym zagłębieniu pod terenem. Dodatkowym atutem tej technologii jest możliwość wykonywania elementów wzmacniających o znacznym pochyleniu. W innych obszarach budownictwa (tunelowanie) wykonuje się nawet elementy formowane pod górę. Dzięki temu pochyleniu możliwe jest wykonanie podchwycenia fundamentów przez maszynę, która operuje z boku ściany. Na fot. 3 przedstawiono tak wykonane wzmocnienie ściany zewnętrznej budynku. Widoczne są wykonane kolumny, na których opiera się ściana wraz z fundamentem. Umożliwia to wykonanie wykopu pod podziemną kondygnację, a jednocześnie zachowanie istniejącej ściany murowanej. Analogiczne możliwości daje ta technologia wewnątrz budynku. Na fot. 4 można zobaczyć wykonywanie podziemia w istniejącym budynku. Widoczne pod ścianami kolumny są zbrojone, dzięki temu poza funkcją posadowienia fundamentów mogą pełnić również funkcję konstrukcji oporowej i zabezpieczenia wykopu. Umożliwia to prowadzenie robót budowlanych w podziemiu i wykonanie konstrukcji łącznie z widoczną na zdjęciu windą. W przypadku braku miejsca w podziemiu możliwe jest wykonanie skośnych przewiertów wstępnych w ścianie nad fundamentem i całkowite ukrycie kolumn jet grouting pod ścianą. W takim przypadku prace wiertnicze należy prowadzić ze szczególną starannością, aby docelowe konstrukcje zmieściły się przestrzeni wyznaczonej przez obudowę wykopu. Wymaganie to dotyczy wszystkich technologii obudów wykopów i wymaga uwzględnienia w projekcie oraz zachowania w czasie realizacji tolerancji wykonawczych. Szczególnie wrażliwe na niezachowanie tolerancji są np. szyby windowe lub klatki schodowe, gdyż nie mogą być łatwo przesunięte. Łatwiej jest z innymi pomieszczeniami, które są tylko w podziemiu. Do innych pewnych mankamentów technologii jet grouting należy duża ilość urobku i zaczynu, który należy utylizować. Wynika to z techniki formowania, która wymaga, aby zaczyn cały czas skrawał grunt i formował kolumnę, co sprawia, że przez cały czas wypływa on na powierzchnię. Wbrew pozorom, gdyby przestał wypływać, byłoby jeszcze gorzej, jego wypływ świadczy o poprawności prowadzenia procesu formowania. Jeśli jest inaczej, to znaczy, że zaczyn płynie gdzieś indziej, np. może zainiektować istniejące podziemia, instalacje lub kanały. Krótkotrwałe zablokowanie otworu wypływowego kęsami gruntu spoistego może doprowadzić do znacznego wzrostu ciśnienia w obszarze formowania kolumny. Znane są przykłady przesunięcia konstrukcji podziemnych pod wpływem takiego wzrostu ciśnienia. Dlatego wykonywanie kolumn jet grouting wymaga doświadczonego wykonawcy i dobrego nadzoru.
Fot. 3. Konstrukcja budynku wraz z fundamentami oparta w czasie przebudowy na kolumnach iniekcyjnych
Fot. 4. Wykonanie kondygnacji podziemnej w istniejącym budynku możliwe dzięki zastosowaniu kolumn jet grouting
Niewątpliwe zalety kolumn jet grouting można wykorzystać również przy wzmocnieniu podłoża obiektów infrastruktury komunikacyjnej. Twórcze wykorzystanie zalet tej technologii, takich jak mała maszyna, możliwość formowania kolumn o dużym pochyleniu lub nieciągłych po długości odwiertu, może sprawić, że zastosowanie jet grouting zakończy się sukcesem technicznym. Trzeba jednak stwierdzić, że kolumny wykonane w technice iniekcji strumieniowej nie są optymalnym rozwiązaniem problemu słabego podłoża. Decyduje o tym wysoki koszt i duża ilość odpadu. Również duża sztywność osiowa, będąca zaletą przy wzmacnianiu istniejących fundamentów, nie zawsze musi być korzystna we wzmacnianiu podłoża konstrukcji podatnych, takich jak np. nasyp drogowy. Efektywniejsze w rozwiązaniu zagadnienia wzmacniania podłoża są zwykle inne technologie, na przykład kolumny DSM (Deep Soil Mixing). Jednak i one nie są wolne od ograniczeń. W przypadku kolumn DSM ważna jest dokładność wymieszania gruntu rodzimego. Jest to trudne w gruntach silnie spoistych, takich jak np. iły. Tradycyjne mieszadło DSM z poziomymi obracanymi poprzeczkami i punktowym wylotem zaczynu nie jest w stanie wymieszać takiego gruntu w homogeniczną mieszaninę. Pozostaną w niej duże wtrącenia rodzimego gruntu, które będą osłabiać strukturę kolumny. W trudnych warunkach realizacyjnych poszukuje się sposobów na poprawienie jednorodności wymieszania cementogruntu. Jednym ze sposobów wspomagających urabianie i mieszanie gruntów w kolumnie jest twórcze połączenie zalet różnych technologii. Przykładem takiego rozwiązania są kolumny DSM, w których mieszadło wyposażone jest w dysze iniekcyjne do zaczynu cementowego tłoczonego pod dużym ciśnieniem. Wysokoenergetyczny strumień zaczynu służy w tym rozwiązaniu jedynie do wstępnego skrawania i rozdrobnienia gruntu w podstawie kolumny. Wylot zaczynu skierowany jest z dolnej poprzeczki mieszadła ku dołowi (fot. 5). W prezentowanej realizacji tą metodą wykonano wzmocnienie podłoża fundamentów wiaduktu drogowego. Na fot. 6 pokazano narzędzie mieszające wraz z platformą roboczą z wykonanymi kolumnami. Kolumny miały średnicę 1,5 m i głębokość od 5,2 m, a na innych podporach długość kolumn dochodziła do 10 m. Zaczyn cementowy tłoczony był pod ciśnieniem 80-100 barów. Na fot. 6 widać, że takie połączenie kolumn DSM i jet grouting jest efektywniejsze ekonomicznie. Nie powstaje zbyt duża ilość odpadu, ponieważ tłoczona jest tylko taka ilość zaczynu, która potrzebna jest do wspomagania skrawania gruntu i związania cementogruntu. Natomiast samo mieszanie odbywa się mechanicznie za pomocą żerdzi z poprzeczkami. Dzięki wspomaganiu strumienia zaczynu cementogrunt jest jednak wymieszany dużo lepiej niż w klasycznej kolumnie DSM. Z kolei w standardowej kolumnie jet grouting ilość zużywanego zaczynu jest dużo większa ze względu na fakt, że jego wysokoenergetyczny strumień służy również do mieszania gruntu.
Fot. 5. Dolna część mieszadła kolumn DSM wyposażona w dysze do tłoczenia zaczynu pod dużym ciśnieniem
Fot. 6. Mieszadło oraz platforma z wykonanymi kolumnami
Twórcze połączenie i wykorzystanie zalet różnych technologii pozwala wykonywać konstrukcje geotechniczne w gruntach dotychczas uważanych za problematyczne. Jednocześnie pozwala to na ich optymalizacje, które nabierają coraz większego znaczenia podczas realizacji kontraktów „projektuj i buduj”.
mgr inż. Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Reklama
Rewitalizacja zaczyna się od solidnych fundamentów – jet grouting
Przekształcanie zabytkowych kompleksów pofabrycznych w tętniące życiem dzielnice – projekty typu mix-use to trend, który na dobre zagościł w Warszawie, Krakowie, Łodzi czy Trójmieście. Aby realizacja wizji architekta mogła doczekać się sukcesu, kluczowe jest odpowiednie zabezpieczenie zabytkowych elewacji przez solidne fundamenty.
Tutaj z pomocą przychodzi technologia jet grouting (iniekcja wysokociśnieniowa, za pomocą której wykonywane są kolumny cementowogruntowe). Zapewnia stateczność obiektu w trakcie wykonywania głębokiego podziemia (w większości przypadków pod istniejącymi, starymi obiektami wykonujemy kilkukondygnacyjne parkingi podziemne). Dzięki niej przeniesiemy także obciążenia pionowe ścian poniżej zaprojektowanego poziomu posadowienia budynku.
Szeroki zakres gruntów, w których może być stosowana, możliwość wykonywania kolumn w istniejących budynkach oraz brak drgań sprawiają, że jest to wiodąca technologia w służbie rewitalizacji, którą Soletanche Polska zastosowała w trakcie realizacji fundamentowania specjalistycznego m.in. pod Centrum Praskim Koneser.
Emilia Błach, kierownik Działu Ofertowego, Soletanche
Soletanche Sp. z o.o.
ul. Powązkowska 44c, 01-797 Warszawa
warszawa@soletanche.pl
gdansk@soletanche.pl
krakow@soletanche.pl
wroclaw@soletanche.pl
