Projekt i realizacja wzmocnienia podłoża pod fundamentami turbin farmy wiatrowej Słupia

W poziomie oraz bezpośrednio poniżej poziomu posadowienia turbin występują grunty spoiste. Grunty te litologicznie są wykształcone jako gliny piaszczyste, gliny oraz piaski gliniaste. Występują w stanie plastycznym, twardoplastycznym oraz półzwartym (ryc. 2). Stopień plastyczności IL wynosi od 0,00 do 0,40. Opór na stożku qc równa się od 1 do 4 MPa (ryc. 3). Pod warstwą gruntów spoistych występują grunty niespoiste (piaski drobne i średnie). Są one średnio zagęszczone i zagęszczone. Stopień zagęszczenia Id wynosi od 0,4 do 0,9. Opór na stożku qc jest w przedziale od 6 do 30 MPa. Woda gruntowa ma charakter swobodny i związana jest z przypowierzchniowymi soczewkami gruntów niespoistych.

Technologia przemieszczeniowych kolumn betonowych CMC to jedna z najpopularniejszych obecnie metod służących do wzmacniania słabonośnego podłoża gruntowego. W odróżnieniu od kolumn żwirowych lub kolumn DSM, których stateczność oraz wytrzymałość zależy w głównym stopniu od parametrów gruntu wzmacnianego, materiał kolumn CMC jest praktycznie niezależny od parametrów podłoża gruntowego. Kolumny CMC przy zachowaniu odpowiednich reżimów technologicznych mogą być wykonywane nawet w gruntach organicznych o wytrzymałości na ścinanie w warunkach bez odpływu Su ≥ 15 kPa. Do wykonywania kolumn CMC stosowany jest specjalistyczny świder przemieszczeniowy (ryc. 4), który przemieszcza grunt w kierunku poziomym do osi otworu. W momencie, gdy świder osiągnie głębokość określoną w projekcie wykonawczym, następuje pompowanie mieszanki betonowej pod odpowiednim ciśnieniem, zależnym od warunków gruntowych (ryc. 5). Iniekcja materiału kolumny jest wykonywana równolegle z podciąganiem świdra do góry, co w połączeniu z jego pełnym kształtem eliminuje możliwość uszkodzenia ścian otworu podczas formowania kolumn. Nie dochodzi do mieszania gruntu z podawanym materiałem. Kolumny formowane są za pomocą maszyn wiertniczych o wysokim momencie obrotowym, rzędu
200–400 kNm, oraz nacisku statycznym rzędu 150–200 kN.
Zasadą wzmocnienia podłoża kolumnami CMC jest stworzenie kompozytu gruntu i kolumn, współpracujących jako jednolita struktura o zwiększonej nośności. Zaletą technologii przemieszczeniowych jest maksymalne ograniczenie urobku w trakcie formowania kolumn, co znacząco zwiększa sztywność otaczającego gruntu. Efekt poprawy parametrów gruntowych jest pomijany w przypadku projektowania tego typu wzmocnienia, co stanowi dodatkowy zapas bezpieczeństwa.

Według ICE 61400-1, żywotność turbiny wiatrowej wynosi 20 lat. W tym okresie mogą wystąpić następujące warianty pracy konstrukcji: montaż, demontaż, uruchomienie, produkcja energii, wiatr ekstremalny (50-letni, występowanie pięć razy na 231 mln cykli), awaria itd. Na podstawie tych wariantów wyznaczane są oddziaływania przekazywane na podłoże gruntowe, w postaci siły pionowej Fz, siły poziomej Fxy oraz momentów
skręcającego Mr oraz wywracającego Mxy (ryc. 6).
Wyróżniamy dwa główne przypadki obliczeniowe LC1 – faza normalnego użytkowania, oddziaływania długotrwałe oraz LC3 – warunki ekstremalne. Na podstawie doświadczeń autorów, najczęściej głównym kryterium wymiarującym jest przypadek pierwszy, dla którego należy tak dobrać fundament, aby nie wystąpiło jego odrywanie. Dla tego warunku weryfikuje się również dynamiczną sztywność obrotową. Analiza ta ma na celu
wykluczenie możliwości powstania rezonansu [5]. W przypadku wysokiego poziomu wody gruntowej należy także uwzględnić możliwość wystąpienia wyporu wody jako oddziaływania destabilizującego, które w większości przypadków będzie decydowało o wielkości oraz kształcie fundamentu turbiny. Dla omawianej farmy wiatrowej obliczenia współpracy układu fundament – warstwa transmisyjna – kolumny przeprowadzono dla układu przestrzennego 3D z wykorzystaniem metody elementów skończonych dla zaimplementowanych praw konstytutywnych, odpowiednich do rozwiązywania zagadnień geotechnicznych. Jako reprezentatywny dla ośrodka gruntowego przyjęto model idealnie sprężysto-plastyczny z warunkiem ścięcia Mohra-Coulomba. Proces obliczeniowy polegający na dobraniu rozstawów oraz długości kolumn przeprowadzono kilkakrotnie, doprowadzając do spełnienia wymagań stawianych przez producenta i projektanta konstrukcji fundamentu. Wysokość warstwy transmisyjnej zaprojektowano w sposób, który zminimalizował oddziaływanie naprężeń ścinających przekazywanych na
głowice kolumn oraz umożliwiał zmaksymalizowanie udział gruntu pomiędzy kolumnami w przenoszeniu obciążeń przekazywanych przez fundament turbiny. Rycina 7 przedstawia wyniki analizy przemieszczeń pionowych fundamentu turbiny posadowionej na wzmocnionym podłożu gruntowym z wykorzystaniem kolumn betonowych CMC.

Budowa farmy wiatrowej jest wymagającym logistycznie przedsięwzięciem. Poszczególne turbiny w większości przypadków położone są na terenach rolniczych, tj. polach ornych, łąkach, nieużytkach, do których należy doprowadzić infrastrukturę drogową oraz energetyczną. Teren budowy i lokalizacje poszczególnych turbin wymagają zapewnienia odpowiedniej powierzchni terenu w celu wykonania wykopu oraz przygotowania zaplecza i placów składowych. Niezwykle ważne przed rozpoczęciem prac jest ustalenie odpowiedniego harmonogramu robót z dokładną kolejnością wykonywania turbin, przygotowanie platform roboczych, miejsca pod montaż i demontaż maszyn wiertniczych oraz miejsca na usytuowanie zaplecza socjalno-magazynowego dla pracowników. Na omawianej inwestycji prace wykonywane były za pomocą maszyny Bauer BG20H, wyposażonej w świder przemieszczeniowy CMC o średnicy 400 mm (ryc. 8). Beton dostarczano betonowozami i tłoczono przez pompę zlokalizowaną przy maszynie głównej. Wykonując kolumny betonowe, maszyna poruszała się po platformie roboczej, która jest niezbędnym elementem dla poprawnej realizacji kolumn oraz wykonania robót w sposób bezpieczny dla pracowników oraz otoczenia. Platforma musi stanowić stabilne podłoże dla ciężkiego sprzętu
budowlanego, w tym dla pojazdów gąsiennicowych o masie 80 t w każdych warunkach pogodowych. Badaniem odbiorczym najczęściej jest pomiar za pomocą płyty dynamicznej lub płyty statycznej VSS. Minimalna wymagana
wartość wtórnego modułu odkształcenia podłoża stanowiącego platformę roboczą wynosi Ev2 40 MPa. Ważnym elementem, na który należy zwrócić uwagę, jest poziom zwierciadła wody gruntowej oraz system odprowadzania wód opadowych, które mają bardzo duży wpływ na jakość oraz nośność platformy w trakcie wykonywania robót wzmocnienia podłoża. W celu zapewnienia najwyższej jakości wykonanych robót przed przystąpieniem do instalacji kolumn uprawnieni geodeci tyczyli wszystkie punkty kolumn. Głowice kolumn betonowych kończono na poziomie platformy roboczej, po czym ścinano kolumny za pomocą maszyny pomocniczej do rzędnej posadowienia według projektu wykonawczego. W celu spełnienia założeń projektowych niwelację wykonywano przez domiar do repera roboczego, który został za stabilizowany przez zespół geodezyjny. Podczas wiercenia kolumn betonowych rejestrowano parametry wykonania kolumny, co umożliwiło ciągłą kontrolę tworzonej inkluzji oraz stanu gruntu w danym miejscu. Rezultatem takiego monitoringu są metryki, w których zawarta jest informacja o profilu kolumny, poborze energii podczas wiercenia, momencie obrotowym świdra, ciśnieniu oraz ilości wpompowanego betonu.

W celu weryfikacji założeń projektowych wykonano dwa próbne obciążenia dynamiczne pojedynczej kolumny (ryc. 9) oraz pobrano próbki betonu do badań wytrzymałościowych. Próbki pobierała na świeżo wyspecjalizowana jednostka. W celu kontroli wytrzymałości betonu na próbkach dojrzewających w warunkach rzeczywistych wykonano również odwierty rdzeniowe. Próbne obciążenie miały za zadanie stwierdzić, czy wykonane kolumny
spełniały kryterium sztywności określone w projekcie. Natomiast pobór próbek miał na celu zweryfikować założenia wytrzymałościna ściskanie kolumn CMC.
Interpretacja wyników próbnych obciążeń potwierdziła słuszność założeń projektowych oraz techniczne zalety kolumn przemieszczeniowych (ryc. 10). Osiadania pojedynczej kolumny przy maksymalnym obciążeniu obliczeniowym wyniosły od 5 do 7,5 mm. Takie wartości przemieszczeń pozwoliły stwierdzić, że kryteria sztywności statycznej i dynamicznej zostały spełnione z zapasem bezpieczeństwa, pozwalającym na stabilną i pewną eksploatację turbin wiatrowych. Wyniki wytrzymałości na ściskanie wykazały, że przyjęty materiał kolumn charakteryzuje się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi, spełniającymi wymagania projektowe.

W artykule przeanalizowano aspekty projektowe i wykonawcze wzmocnienia podłoża gruntowego w technologii kolumn przemieszczeniowych CMC. Na omawianej inwestycji wszelkie prace przebiegły w sposób określony w projekcie wykonawczym, którego założenia zostały zweryfikowane podczas badań kontrolnych. Autorzy dziękują generalnemu wykonawcy, firmie Mega SA, za pomoc oraz wyrażenie zgody na publikację materiałów.