O zagrożeniach związanych z projektowaniem kolumn DSM w gruntach organicznych

W artykule zaprezentowano aktualne uwarunkowania dotyczące projektowania wzmocnień i posadowień w technologiiDeep Soil Mixing (DSM), wyniki badań laboratoryjnych prób cementogruntu uformowanych w warunkachlaboratoryjnych z zaczynu cementowego i torfu oraz konsekwencje stosowania tworzyw o niskich parametrachwytrzymałościowych i odkształceniowych. Badania na próbkach sześciennych pozwoliły na wyznaczenie wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie oraz modułu odkształcenia. Wyniki późniejszych analiz numerycznych uzyskano z wykorzystaniem programu metody elementów skończonych Z_Soil i danych z badań laboratoryjnych. Wykonane obliczenia stanowią poważne ostrzeżenie i praktyczną podstawę do wnioskowania o ograniczonej możliwości skutecznej modyfikacji gruntów organicznych z wykorzystaniem technologii DSM.

1. Wgłębne mieszanie gruntu – zalety i możliwe zagrożenia

Technologie wgłębnego mieszania gruntu ze spoiwami mineralnymi są ciągle rozwijane i znajdują szerokie pole zastosowań w geotechnice, obok tradycyjnego wzmacniania podłoża w posadowieniu obiektów budowlanych, gdzie kolumny ze wzmocnionego gruntu mogą stanowić quasi-pale przenoszące obciążenia na głębsze warstwy podłoża, bloki wzmocnionego gruntu pracujące jak pogłębiony fundament bezpośredni lub nawet tylko jako „sztywne wtrącenia” redukujące ściśliwość podłoża pod fundamentem bezpośrednim. Liderami technologii DSM są kraje, w których rozwijano techniki wgłębnego mieszania (Japonia, Szwecja, Stany Zjednoczone). W literaturze światowej dostępne są liczne opracowania i raporty (przykładowo [1]) z badań cementogruntów, w tym na bazie gruntów organicznych. Doświadczenia krajowe ograniczają się zasadniczo do badań realizowanych w ośrodku gdańskim (w torfach) [3], bydgoskim (w gytiach) [2, 5] i ostatnio również na Politechnice Wrocławskiej. W Polsce w ramach stosowania technologii DSM realizowane są najczęściej wzmocnienia podłoża pod obiektami budowlanymi w technologii na mokro (DSM wet). Liczne doświadczenia i badania liderów tej technologii były publikowane w kraju [6] i za granicą [7]. Wariant wgłębnego mieszania na sucho (DSM dry), popularny w Skandynawii, obecnie nie jest powszechnie oferowany na rynku polskim. W technologii na mokro najczęściej osiąga się wartości wytrzymałości na ściskanie tworzywa
kolumn w zakresie fc od 1,0 do 6,0 MPa. W mieszaniu na sucho dążymy do tego, aby uzyskać produkt np. o Su = 90 kPa (co jest znaczącą różnicą ilościową i wręcz jakościową). Należy podkreślić, że wykonując wgłębne mieszanie na sucho, wykorzystuje się wodę, która jest w gruncie, i to ona jest wykorzystywana
w procesie wiązania cementu i gruntu. Dlatego też mieszanie typu dry może być w ostateczności stosowane do gruntów organicznych, w których wilgotności są bardzo wysokie. W technologii mokrej cement jest podawany razem z wodą w postaci zaczynu, a liczne negatywne doświadczenia pokazują, że nie nadaje się do realizacji w jednorodnych gruntach organicznych. Technologie te różnią się zatem sposobem dozowania cementu (spoiwa) do gruntu, a produkty powstałe w wyniku mieszania w obu technologiach są zupełnie różne. Zasadniczo, technologie DSM wet stosuje się jedynie w przypadku niewielkich przewarstwień organiki, które umożliwiają wymieszanie ze szkieletem mineralnym. Również w takim przypadku zachowanie jednorodności materiału ze względu na ograniczony transport pionowy w obrębie kolumny może być bardzo trudne. Projektując wgłębne mieszanie gruntu w takiej sytuacji, nasuwa się wiele pytań, m.in. jaką maksymalną miąższość może mieć przewarstwienie, jakie można uzyskać wytrzymałości z wymieszania gruntu organicznego z zaczynem, jaka jest trwałość cementogruntu na bazie organiki. Wobec braku jednoznacznych standardów technicznych określających możliwy zakres stosowania technologii DSM wet w odniesieniu do gruntów organicznych zachodzi konieczność opierania się na doświadczeniu firm wykonawczych, które jednak ze względów komercyjnych (i częściowo wizerunkowych, gdy wyniki były niezadowalające) nie są zainteresowane ich publikacją. W sytuacji, gdy większość badań tworzyw gruntowo-cementowych pochowana jest w archiwach firm wykonawczych, niniejszy artykuł stanowi próbę choćby częściowej odpowiedzi na postawione wcześniej pytania. Prezentuje wyniki badań laboratoryjnych wykonanych na Politechnice Wrocławskiej na zlecenie i przy współudziale firmy Menard Polska oraz założenia i wyniki prostych analiz numerycznych w odniesieniu do posadowienia obiektu mostowego w złożonych warunkach geotechnicznych. Artykuł ze względu na sposób przygotowywania próbek cementogruntu dotyczy wgłębnego mieszania w technologii DSM wet.

2. Badania laboratoryjne na Politechnice Wrocławskiej

Badania laboratoryjne miały na celu ustalenie wytrzymałości na ściskanie i modułu odkształcenia określonych na podstawie  obciążenia osiowego próbek sześciennych 15 × 15 × 15 cm dla różnych czasów od uformowania. Badano również wytrzymałość na rozciąganie oraz sztywność próbek (mierzoną wartością modułu w różnych fazach obciążenia). Należy podkreślić, że cementogrunt wymieszany w laboratorium jest zawsze bardziej jednorodny od otrzymanego w warunkach in situ i pobieranego czerpakiem. Dobrym wskaźnikiem tej jednorodności jest ciężar próbek – w ramach każdego zarobu próbnego ważono próbki jeszcze w formach przed ich związaniem i otrzymywano różnice w granicach kilku gramów na ok. 4,5-kilogramową próbkę sześcienną. Również badania z pracy dyplomowej Zajączkowskiego  [4] prowadzone na próbkach cementogruntów z domieszkami popiołów lotnych jednoznacznie potwierdzają znaczną zmienność parametrów próbek pobieranych in situ w relacji do dużej jednorodności podobnych mieszanek komponowanych w warunkach laboratoryjnych. Łącznie wykonano dotychczas ponad 100 badań na ściskanie oraz kilkanaście badań na rozciąganie. Statystycznie istotna liczba przebadanych próbek, długi czas obserwacji, prowadzenie badań w złożonych cyklach obciążenia oraz możliwość ciągłej rejestracji obciążeń i deformacji w kierunku osiowym i poprzecznym pozwoliły na rozpatrywanie wielu zależności, z czego w niniejszym artykule przedstawiono trzy wybrane, tj. przyrost wytrzymałości na ściskanie w czasie, sztywność cementogruntów w relacji do wytrzymałości oraz wytrzymałość na rozciąganie.
2.1. Dane materiałów wykorzystanych do wykonania próbnych zarobów

Do testów wykorzystano finalnie dwa rodzaje gruntów organicznych oraz dwa rodzaje cementów o parametrach wyspecyfikowanych poniżej, choć pierwotnie planowano wykorzystać trzy materiały: namuł gliniasty Or 1 oraz dwa torfy różnego pochodzenia, oznaczone odpowiednio Or 2 i Or 3. Ze względu na twardoplastyczny stan namułu i trudność w jego wymieszaniu zrezygnowano z zastosowania tego materiału w badaniach. Grunt
z pewnością łatwiej miesza się w warunkach laboratoryjnych (możliwość rozdrobnienia) niż in situ, tak więc można wnioskować, że próba wgłębnego mieszania tego gruntu w warunkach polowych nie powiodłaby się. Grunt Or 2 to torf o wyznaczonej gęstości objętościowej 1,2 g/cm3 oraz zawartości części organicznych ok. 45%. Torf ten został pobrany z głębokości 3,0–3,5 m p.p.t. Torf Or 3 charakteryzował się gęstością objętościową
1,0 g/cm3 oraz ok. 40-procentową zawartością części organicznych. Został pobrany z głębokości 1,5–2,0 m p.p.t. Jego wilgotność wyznaczona in situ wynosiła 950%! Spoiwem hydraulicznym do wykonania próbek cementogruntu były dwa rodzaje cementu: CEM II B-S 32.5 R-NA oraz CEM IIIA 32.5 N/LH/HSR/NA. Oba cementy charakteryzują się wytrzymałością po 28 dniach wynoszącą ok. 50 MPa. Różnice uwidaczniają się w tempie wzrostu wytrzymałości, cement CEM II osiąga wytrzymałość ok. 18,5 MPa już po dwóch dniach, natomiast cement CEM IIIA   ok. 22,0 MPa dopiero po siedmiu dniach [10]. Wcześniejsze doświadczenia autorów z badań cementogruntów wskazywały na ich porównywalną przydatność do formowania tworzywa DSM w gruntach mineralnych (piaskach, pyłach, glinach). Sześcienne próbki cementogruntu o wymiarach 15 × 15 × 15 cm były przygotowywane przez wymieszanie gruntów organicznych z zaczynem o gęstości 1,5 g/cm3. Cement dozowano w ściśle wyliczonych ilościach, tak by finalnie otrzymać 300 lub 400 kg/m3 cementogruntu. Należy podkreślić, że taka ilość cementu jest relatywnie duża jak dla wgłębnego mieszania, najczęściej in situ stosuje się ilości osiągające maksymalnie do 300 kg/m3.

2.2. Laboratoryjne testy jednoosiowego ściskania i rozciągania

Badania zostały przeprowadzone przy stałym przemieszczeniu z prędkością 0,01 mm/s, w kontrolowanej temperaturze
20±3 °C. Badania wytrzymałości sześciennych prób cementogruntowych na jednoosiowe ściskanie przeprowadzono zgodnie
z normą [8] w przedstawionej na rycinie 1 prasie mechanicznej Proeti, współpracującej z jednostką, która rejestrowała:
-czas od rozpoczęcia badania,
– siłę osiową obciążającą próbkę,
– przemieszczenie osiowe tłoka prasy (skrócenie próbki w kierunkuosiowym),
– deformacje boczne na osiach poziomych próbki (w pierwszejfazie spisywane poklatkowo – ryc. 1a).
Dane były na bieżąco przesyłane do komputera PC wyposażonego w program automatycznej rejestracji wyników badań. Dla każdej serii przeprowadzono badania, zadając jedną z następujących trzech ścieżek obciążenia:
– 1/3 próbek – badanie standardowe bez odciążenia,
– 1/3 próbek – badanie z jednym odciążeniem dla σz ≈ 0,5 × σz,max,
– 1/3 próbek – badanie z dwoma odciążeniami dla σz ≈ 1/3 × σz,max i σz ≈ 2/3 × σz,max.

Moduł odkształcenia został wyznaczony jako moduł średni dla w przybliżeniu prostoliniowego fragmentu krzywej naprężenie
– odkształcenie przez liniową interpolację dla różnych zakresów tej krzywej. Liniowej interpolacji dokonano metodą najmniejszych kwadratów w programie Wolfram Mathematica. Moduły odkształcenia wyznaczono w zależności od liczbyodciążeń w następujący sposób:
-badanie bez odciążenia – moduł odkształcenia E1 (ryc. 2a),
– badanie z jednym odciążeniem – moduł odkształcenia E1 dla krzywej przed odciążeniem, moduł z krzywej obciążenie – odciążenie E1,odc oraz moduł odkształcenia E2 dla krzywej za fragmentem odciążenia (ryc. 2b),
– badanie z dwoma odciążeniami – moduł odkształcenia E1 dla krzywej przed pierwszym odciążeniem, moduł z pierwszej krzywej odciążenia E1,odc, moduł odkształcenia E2 dla krzywejmiędzy dwoma fragmentami odciążenia, moduł z drugiej krzywej odciążenia E2,odc oraz moduł odkształcenia E3 dla krzywej za drugim odciążeniem (ryc. 2c).

Badania wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu  prób cementogruntowych wykonano podobnie jak przy ściskaniu na próbach sześciennych 15 × 15 × 15 cm.