PRÓBNE OBCIĄŻENIA KOLUMN DSM STANOWIĄCYCH WZMOCNIENIE PODŁOŻA POD OBIEKTAMI MOSTOWYMI

1. Wstęp
Wgłębne mieszanie gruntu może przybierać różne formy. Jedną z najpopularniejszych z nich jest wykonywanie kolumn DSM na mokro. Formowanie takich kolumn odbywa się poprzez mieszanie gruntu z jednoczesną iniekcją zaczynu cementowego. Technologia wgłębnego mieszania gruntu na mokro DSM WET jest szczególnie popularna w Polsce. Większość aplikacji tej technologii to wzmocnienia gruntów pod obiektami mostowymi. Pierwsze Polskie realizacje są datowane na 1999 r. [1] tak, więc można by sądzić, że aspekty projektowania, realizacji oraz kontroli jakości tych kolumn są jasno zdefiniowane. Zdaniem autorów tak nie jest. Aspekty projektowe są poruszane w najnowszych publikacjach, np. [2, 3, 4]. Aspekty realizacyjne częściowo przedstawione w [5] jednocześnie pozostają know-how specjalistycznych firm geotechnicznych. W niemniejszym artykule skupiono się na ostatniej kwestii, czyli kontroli jakości. Szczególną uwagę poświęcono jednemu z czasami stosowanego sposobów sprawdzania jakości takich kolumn czyli próbnym obciążeniom statycznym.

2. Cele stosowania kolumn DSM a badania odbiorowe
Na przestrzeni lat stosowania technologii DSM w Polsce widać wyraźny trend do wykonywania kolumn, o co raz większej średnicy. O ile na początku aplikacji tej metody popularna średnia wynosiła 0,6 m to obecnie realizuje się projekty z kolumnami o średnicy 1,5, a nawet 2,5 m. Tutaj nasuwa się pytanie czy projektowanie, realizacja i kontrola jakości długich kolumn o małej (0,6 m) średnicy powinno być takie same jak dla krótkich kolumn o średnicy 1,5 m? Zdaniem autorów zdecydowanie nie, nawet jeżeli w obu przypadkach kolumny stanowią wzmocnienie podłoża pod obiektami mostowymi. Wartą uwagi definicję pozwalającą rozróżnić te dwa przypadki podano w [6]: „W większości przypadków, aby sklasyfikować wzmocnienie gruntu jako wzmocnienie kolumnami sztywnymi, ich smukłość powinna być wyższa niż 10/1, a współczynnik zastąpienia powinien wynosić nie więcej niż 10% wzmacnianej powierzchni”. Poniżej pokrótce opisano oba przypadki.

2.1. Kolumny sztywne
Termin „kolumny sztywne” lub „sztywne inkluzje” oznacza, że sztywność osiowa uformowanego lub wprowadzonego w grunt elementu jest wielokrotnie większa niż sztywność otaczającego gruntu. Takie elementy podlegają prawidłom projektowania opisanym np. w [6]. Należy zwrócić uwagę, że nie są to elementy palowe, tylko elementy przenoszące część obciążeń jednocześnie pozwalając na przeniesienie pozostałej części obciążeń przez grunt między nimi. Kolumny DSM mogą pracować jako kolumny sztywne. Można wyróżnić dwa zasadnicze cele stosowanie kolumn sztywnych – zwiększenie nośności układu oraz zmniejszenie osiadań. W ramach kontroli jakości w czasie realizacji prac wyróżnia się [6] m.in.: badania cementogruntu ze świeżo uformowanej kolumny lub pobranego wierceniem rdzeniowym oraz kontrolę parametrów mieszania. W ramach kontroli po realizacji prac sprawdza się geometrię dostępnych części kolumny oraz wykonuje się próbne obciążenie. Celem próbnego obciążenia, (jeżeli kolumny wykonano w ramach ograniczenia osiadań przy spełnionym warunku nośności podłoża) jest określenie charakterystyki obciążenie – osiadanie. Jeżeli kolumny DSM wykonano jako sztywne dla spełnienia warunku nośności, to próbne obciążenie powinno mieć na celu określenie nośności takiej kolumny.

2.2. Modyfikacja parametrów gruntu
Drugą grupę stanowią realizacje gdzie wykonuje się wzmocnienie stanowiące tak naprawdę modyfikację parametrów podłoża gruntowego. W przypadku wykonywania kolumn dużych średnic lub wzmocnień podłoża wykonywanych w tzw. blokach (kolumny nachodzące na siebie w układach rusztowych) filozofia projektowania, wykonawstwa i kontroli jakości jest inna. Skupiając się na kontroli – oczywiście w każdym przypadku jest badany materiał kolumny czy to ze świeżo uformowanej kolumny czy to z rdzenia oraz analizuje parametry mieszania. We wzmocnieniach układami kolumn (tzw. blokowych) nie jest możliwe wykonanie próbnego obciążenia więc się go nie wykonuje. Natomiast kwestią sporną pozostaje obciążanie pojedynczych kolumn o dużych średnicach (kolumn krępych). Wydaje się, że tak jak z reguły nie wykonuje się próbnych obciążeń samego gruntu, tak nie powinno się wykonywać obciążeń gruntu ze zmodyfikowanymi parametrami. Jednakże podobieństwo do kolumn sztywnych kieruje niektórych projektantów do specyfikowania próbnych obciążeń kolumn DSM dużych średnic. W tym miejscu należy zapytać, jaki jest cel wzmocnienia podłoża, bo jeżeli mówimy o ograniczeniu osiadań to badania odbiorowe powinny to odzwierciedlać – może powinno się wymagać nie tylko szacowania wytrzymałości materiału a jeszcze jego odkształcalności cementogruntu? Natomiast nie powinno się wymagać szacowania nośności.

3. Badania odbiorowe wzmocnienia podłoża kolumnami DSM
W powyższym punkcie wspomniano o najważniejszych metodach kontroli jakości wykonania kolumn DSM. Poniżej opisano te sposoby jednocześnie prezentując wyniki uzyskane na jednej z bieżących realizacji Menard Polska.

3.1. Wytrzymałość na ściskanie materiału kolumn
Badanie wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe cementogruntu jest najczęściej specyfikowanym wymaganiem odbiorowym. W Polskiej praktyce najczęściej materiał pobiera się ze świeżo wykonanej kolumny (tzw. wypływki). Czasami zdarza się, że materiał jest pobierany ze zdefiniowanej głębokości za pomocą specjalnych próbników. Przykłady takich próbników w trakcie użytkowania pokazano na rys. 1 (jeden z nich jest montowany do padla mieszającego drugi należy wprowadzić w grunt np. za pomocą koparki). Ciekawe propozycje są zaprezentowane w wytycznych austriackich [7].

Pobrany materiał standardowo układa się w formach sześciennych 15 × 15 × 15 cm. Brakuje dokumentów które precyzowałyby sposób przygotowanie tych próbek oraz przechowywania. W mostownictwie teoretycznie można stosować podejście analogiczne do betonów gdzie część próbek przechowuje się w warunkach budowy a cześć w laboratorium. Jakkolwiek trzeba pamiętać że cementogrunt to o wiele słabszy materiał od betonu który dojrzewa w stałych warunkach (w gruncie) więc warunki atmosferyczne nie powinny wpływać na jego właściwości. Krajowe doświadczenia autorów niniejszego artykułu są podobne do spostrzeń zawartych w [8]. Okazuje się że dwa różne laboratoria badające ten sam materiał (organoleptycznie taki sam) mogę uzyskiwać zasadniczo różne wyniki. W obu laboratoriach występuje zgodność wyników badania dla poszczególnych próbek w serii, dlatego różnic należy upatrywać w sposobie przygotowania i przechowywania próbek, ewentualnie metodologii badania. Badania cementogruntów wykonuje się na prasach dedykowanych do ściskania elementów betonowych. W sprawozdaniu podaje się najczęściej siłę niszczącą, wymiary próbki oraz gęstość objętościową. Wnikliwy projektant znajacy wartosć wytrzymałości na ściskanie z testu jednoosiowego może za pomocą korelacji (np. E50=380 * fcm) obliczyć średni moduł kolumny. Propozycję korelacji podano w [4]. Zwraca się tutaj uwagę, że oprócz moduły E50 można określać moduł Eur którego wartosć będzie znacząco wyższa [3]. Poniżej (na rys. 2a) przedstawiono wyniki badań materiału z wypływki z jednej z bieżących realizacji Menard Polska. Na inwestycji wykonano kolumny DSM pod pietnastoma obiektami mostowymi. Wszystkie kolumny miały średnicę 1,2 m. Podłoże budowały w większości piaski drobne do grubych (60% wzmacnianego gruntu) oraz gliny piaszczyste (ok. 30%). Zużycie cementu CEM II B-V wynosiło od 230 do 280 kg/m3. Łącznie na rys. 2a i 2b przedstawiono wyniki badań 135 próbek ściskanych po 28 dniach od daty wykonania kolumny oraz tylu samo ściskanych po 56 dniach od daty realizacji wzmocnienia. Oszacowany za pomocą korelacji moduł E50=300 – 400 fcm wynosi 1050 – 1400 MPa (rys. 2b).

Wartości wytrzymałości oraz ich przyrost w czasie należy uznać za typowy. Wyniki zaprezentowano aby zwrócić uwagę na poziom wartości modułu E50. Badanie materiału wypływającego z kolumny jest najłatwiejsze i najtańsze, natomiast wielokrotnie pojawia się pytanie czy najlepsze z technicznego punktu widzenia. Temat porównanie wytrzymałości uzyskanej z materiału wydobywającego się z kolumny oraz rdzenia jest ciągle żywy.

Oba materiały dojrzewają w różnych warunkach co z pewnością ma wpływ na poziom wytrzymałości, z drugiej strony ciężko jest określić wpływ samego wiercenia rdzeniowego na cementogrunt (ew. powstanie mikropęknięć obniżających wytrzymałość). Zagadnienie będzie przedmiotem odrębnego artykułu autora. Niemniej jednak na rysunku 3 porównano wytrzymałość na ściskanie otrzymaną z badania rdzenia do wytrzymałość z tzw. wypływki po 56 dniach (seria18 próbek rdzeniowych i 18 kostek). Wytrzymałość z cylindrycznego rdzenia 2:1 przeliczono na wytrzymałość kostkową tak aby wyeliminować wpływ kształtu próbki na wyniki.

Niemniej jednak nie oznacza to ze nie warto wykonywać wierceń rdzeniowych – pozwalają one na określenie jednorodności cementogruntu po głębokości kolumny, a badanie modułów E50 lub Eur takich próbek może dostarczyć wiarygodnych informacji o odkształcalności całej kolumny. Informacja ta jest szczególnie istotna zwłaszcza w gruntach uwarstwionych.

3.2. Próbne obciążenia kolumn DSM
W odniesieniu do próbnych obciążeń należy rozróżnić trzy sytuacje projektowe, w których kolumny DSM występują jako pojedyncze:
1) Kolumny DSM zaprojektowano jako kolumny sztywne – test próbnego obciążenia jest wymagany do wartości 1,25 lub 1,50 N. Gdzie N to suma obciążenia charakterystycznego oraz podwojonej wartości tarcia negatywnego [1].
2) Kolumny DSM nie są kolumnami sztywnymi mamy do czynienia ze szczególnym przypadkiem (silnie obciażony fundament o małych rozmiarach, schemat kompozytowy o niskim wskaźniku wzmocnienia) [9]. W tej sytuacji test należy wykonać do wartosci 1,20 – 1,50 obciażenia charakterystycznego.
3) Kolumny DSM nie są kolumnami sztywnymi i nie mamy do czynienia ze szczególnym przypadkiem – wtenczas zdaniem autorów nie trzeba wykonywać próbnego obciążenia.
Dodatkowo należy wspomnieć, że zagraniczne wytyczne (np. [5, 7, 8, 9]) nie wspominają o próbnych obciążeniach jako sposobie kontroli jakości kolumn DSM. Większość bieżących realizacji wzmocnienia podłoża pod obiektami mostowymi można zaliczyć do 3 sytuacji. Ponadto należy podkreślić że w większości przypadków test wykonujemy w celu określenia sztywności. Nie jest to sztywność kolumny (tą możemy oszacować z badania cementogruntu), ani nie jest to sztywność układu kolumna – grunt w konfiguracji w jakiej będzie pracował pod konstrukcją. Dlatego wyniki próbnego obciążenia mogą posłużyć do kalibracji parametrów gruntu lub elementów kontaktowych, aby następnie te zmodyfikowane parametry użyć w modelu całego podłoża. W ten sposób można określić wypadkową (zastępczą) sztywność podłoża. Zdaniem autorów próbne obciążenie powinno się wykonywać tylko w szczególnych przypadkach opisanych powyżej, a jego interpretacja powinna należeć to projektanta wzmocnienia podłoża któremu posłuży do weryfikacji modelu obliczeniowego. Poniżej przedstawiono wyniki 20 próbnych obciążeń z realizacji wspomnianej w powyższym punkcie. Kolumny o średnicy 1,2 m i długościach 3,6 – 9,6 m obciążono maksymalną siłą 2400 kN. Wyniki zaprezentowane osobno dla kolumn o stosunku L/D<4 (rys. 4) oraz dla kolumn o L/D>4 (rys. 5). Próbne obciążenia wykonano od 38 do 63 dni po realizacji kolumn. Obciążenie podczas testu przekazywano poprzez płytę stalową o średnicy równej 1,2 m. Można zauważyć, że zależność siła – osiadanie jest liniowa do wartości 50% siły maksymalnej czyli ok. 1200 kN (1,05 MPa naprężeni w kolumnie). Przy takim poziomie naprężeń w kolumnach ich sztywność wynosi między 600MN/m, a 200MN/m. Wyniki te są podobne do zaprezentowanych w [9]. Analizując omawiane krzywe odnosi się wrażenie że sztywność w zakresie wartości obciążeń charakterystycznych jest zadawalające, natomiast w zależności od wyniku testu wartości osiadań przy dużym przeciażeniu mogą być uznane za znaczące. Należy tutaj pamiętać że to wyniki testu statycznego, a w rzeczywistości część obciążeń jest przenoszonych przez grunt. Zdaniem autorów kluczowe jest utrzymanie reżimu osiadań w zakresie naprężeń charakterystycznych natomiast dalsza zachowanie kolumny można wykorzystać do oszacowania poziomu bezpieczeństwa.