Wzmacnianie fundamentów hal

Projektowanie posadowienia stóp fundamentowych czy posadzki coraz częściej uwzględnia znaczące siły oraz „ostre” kryteria osiadań. W zależności od charakteru pracy należy określić, czy hala ma być posadowiona na podłożu mniej lub bardziej podatnym. W tym wypadku stosuje się szereg technologii umożliwiających osiągnięcie odpowiedniej sztywności wzmocnionego podłoża. Zarówno rozwiązania podatne, takie jak np. kolumny żwirowe SC, kolumny podatne MSC, jak i rozwiązania sztywne – przemieszczeniowe kolumny betonowe CMC – mają na celu ekonomiczne i efektywne, a zarazem bezpieczne posadowienie fundamentów konstrukcji hal na gruntach słabonośnych. Wzmacnianie fundamentów w kontekście hal przemysłowych, ze względu na technologię, należy podzielić na dwie grupy: posadowienie fundamentów hal oraz wzmocnienie podłoża gruntowego pod posadzkami. Szeroko stosowanymi technologiami wzmacniania podłoża gruntowego pod fundamentami są m.in. kolumny betonowe CMC oraz kolumny żwirowe SC. Przy wzmacnianiu podłoża gruntowego pod posadzkami można spotkać technologie kolumn podanych MSC oraz metody wspomniane powyżej.

Dobór technologii wykorzystywanych jako wzmacnianie fundamentów, podłoża gruntowego jest zależny od rodzaju i stanu gruntów słabonośnych, wielkości przekazywanych obciążeń i warunku dopuszczalnych osiadań. Jedną z najbardziej uniwersalnych metod wzmacniania podłoża, począwszy od gruntów spoistych, jak miękkoplastyczne i płynne gliny, gruntów antropogenicznych, po grunty organiczne, jest metoda betonowych kolumn przemieszczeniowych typu CMC. Metoda ta doskonale sprawdza się pod płytami, rusztami oraz stopami fundamentowymi hal przemysłowych. Do wykonywania pali oraz kolumn CMC stosowany jest specjalnie zaprojektowany świder przemieszczeniowy, który rozpychając istniejący grunt, tworzy przestrzeń, w którą wtłacza się pod wysokim ciśnieniem mieszankę betonową. Rozwinięciem tej technologii jest technologia BMC – betonowych kolumn przemieszczeniowych z poszerzoną głowicą żwirową. Technologia ta stosowana jest z powodzeniem przy wzmacnianiu podłoża pod posadzkami, cechując się mniejszym przesztywnieniem podparcia w porównaniu do typowych kolumn betonowych, jak również zmniejszeniem odległości pomiędzy podporami sprężystymi, ograniczając tym samym możliwość uszkodzeń w posadzce. W gruntach charakteryzujących się niskimi parametrami odkształcenia o szkielecie mineralnym doskonale sprawdza się technologia kolumn żwirowych SC. Metoda ta polega na zagłębianiu wibroflota w gruncie niespoistym, co powoduje powstanie wolnej przestrzeni wypełnianej sukcesywnie kruszywem tworzącym kolumnę kamienną lub żwirową. Jest to metoda podatnego wzmocnienia podłoża gruntowego, tak więc doskonale sprawdza się, jeżeli chodzi o wzmacnianie fundamentów hal oraz podłoża pod posadzkami. Technologia ta nie może być stosowana w gruntach organicznych o miąższości większej od średnicy typowej kolumny (D = 0,6÷0,8 m) i niedrenowanej wytrzymałości na ścinanie Cu ≤ 25 kPa, co spowodowane jest możliwością rozpłynięcia się kolumny w warstwie gruntów organicznych.
Technologia kolumn podatnych MSC ma bardzo szerokie i uzasadnione ekonomicznie zastosowanie w przypadku występowania warstw gruntów słabych o stopniu plastyczności IL > 0,6 i miąższości do 5 m, a podatny charakter kolumny stanowi dużą zaletę przy wzmocnieniu podłoża gruntowego pod posadzkami, eliminując zjawisko punktowego przesztywnienia. Wzmocnienie za pomocą ww. kolumn polega na utworzeniu w słabym podłożu inkluzji składającej się z trzonu o średnicy 0,15-0,25 m, cechującego się umiarkowaną sztywnością. Przy zastosowaniu podatnych kolumn MSC eliminuje się problem przebicia kolumny przez geomaterac, podłoże stabilizowane cementem lub posadzkę. Ze względu na charakter pracy wzmacnianie fundamentów w technologii MSC możliwa jest znaczna oszczędność zbrojenia płyty posadzkowej.

Zestawienie proponowanych technik wzmocnienia podłoża w zależności od możliwości stosowania w różnych gruntach z podaniem typowego zasięgu przedstawiono w tab.1. Odpowiedni dobór metody wzmocnienia, zarówno pod fundamenty, jak i posadzki hal przemysłowych, jest jednym z głównych czynników poprawnej pracy konstrukcji. Jednym z elementów determinujących optymalny dobór technik wzmocnienia jest pełne rozpoznanie podłoża gruntowego, które możliwe jest po wykonaniu szczegółowych badań geologicznych. Zapewnienie równomierności osiadań, pozwala na ograniczenie uszkodzeń bądź awarii obiektu podczas eksploatacji oraz redukcję kosztów związanych z jej użytkowaniem.

W tym zestawieniu szczególnie interesująca jest technologia kolumn kombinowanych MCC systemu Menarda, które są zaawansowanym technicznie wariantem kolumn betonowo-żwirowych. Ta specjalistyczna metoda znacznie poprawia parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe gruntów. Uznawana jest za rozwiązanie przejściowe pomiędzy wibroflotacją a kolumnami betonowymi, co czyni ją bardziej uniwersalną.
Kolumny MCC dedykowane są w szczególności miejscom, gdzie pod warstwą gruntów o średnich parametrach występują grunty słabe i nienośne, podlegające wzmocnieniu. Proces powstawania kolumn MCC polega w pierwszej kolejności na wykonaniu otworu. W zależności od właściwości gruntów może do tego celu być użyty wibroflot lub inne urządzenie pozwalające wykonywać głębienie/drążenie w sposób przemieszczeniowy, bez usuwania urobku na powierzchnię. Wibroflot jest to urządzenie, które składa się z cylindrycznego korpusu o średnicy 30-50 cm, który zawieszony jest przegubowo. Dolna część korpusu wyposażona jest w silnik elektryczny lub hydrauliczny. Umożliwia on obrót wału z umieszczonymi mimośrodowo obciążnikami. Proces ten wywołuje obrotowe drgania poprzeczne wibratora. Amplitudę tych drgań określa się na wartość w przedziale od 5 mm do 20 mm. Alternatywnym sposobem jest wykonanie otworu poprzez wiercenie głowicą przemieszczeniową. Zagłębianie wibroflotu, na skutek wprowadzanych przez głowicę wibratora drgań, powoduje powstanie wolnej przestrzeni. Gdy urządzenie osiągnie odpowiednią rzędną spodu projektowanej kolumny, rozpoczyna się następny etap – betonowanie. Wtłaczanie mieszanki betonowej odbywa się w miejscach, gdzie zalegają słabe grunty organiczne lub spoiste. Mieszanka betonowa transportowana jest przez pompę przewodami połączonymi z maszyną główną. Medium nośne wpływa do rdzenia urządzenia, a dalej wtłaczane jest do wykonanego wcześniej otworu przez dysze w rurze wibroflotu. Rozpoczyna się wówczas rozpychanie gruntu w warstwie wzmacnianej przez przemieszczającą się mieszankę betonową. W tym samym czasie zachodzi podnoszenie się cylindrycznego korpusu głowicy z odpowiednią prędkością. W zależności od parametrów gruntowych oraz ciśnienia mieszanki betonowej istnieje możliwość wytworzenia kolumn o średnicach od 0,4 m do 1,2 m. W dalszej części przeprowadza się zagęszczanie gruntu położonego nad warstwą gruntów słabych, które polegać może na zastosowaniu wibroflotacji lub wytworzeniu kolumn betonowych o średnicach zdecydowanie mniejszych niż dla warstwy słabej. W efekcie końcowym powstaje kolumna MCC. Fot. 1a-b przedstawiają kolumny MCC. Kolumny MCC często stosuje się pod obiektami inżynierskimi, w tym pod nasypami drogowymi. Po wytworzeniu kolumn MCC powstaje koncentracja na sobie naprężeń dodatkowych, pochodzących od projektowanych nasypów drogowych.
Technologia MCC została z powodzeniem zastosowana w 2012 roku jako wzmocnienie podłoża pod nasypy drogowe Trasy Sucharskiego w Gdańsku, zad. I i II. Około 30 000m3 terenu pod nasypy drogowe zostało wzmocnione w tej technologii.
Inną bardzo ekonomiczną technologią, która powoli zdobywa uznanie wykonawców i projektantów, jest konsolidacja gruntu przyspieszona z użyciem pionowych drenów prefabrykowanych.
Metoda konsolidacji podłoża poprzez uformowanie nasypu przeciążającego jest jedną z najwcześniej stosowanych metod wzmocnienia podłoża gruntowego. W obecnych czasach stosowanie jej w pierwotnym wariancie niemal zarzucono, z uzasadnionego powodu czasochłonności rozwiązania (czasem nawet wieloletnie oczekiwanie na konsolidację gruntu naturalnego). Stosowanie metody konsolidacji nasypem staje się w obecnych warunkach możliwie dzięki zastosowaniu odpowiednio zaprojektowanego systemu drenażu pionowego. Drenaż pionowy może być stosowany w celu przyśpieszania konsolidacji gruntów nieprzepuszczalnych.
Dreny pionowe są to płaskie, plastikowe, elastyczne przewody o przekroju okrągłym lub spłaszczonym, które, po zainstalowaniu w odpowiednim rozstawie, kilkadziesiąt razy zwiększają przepuszczalność podłoża, odpowiednio skracając drogę oraz czas konsolidacji.
Obecnie dostępne jest specjalistyczne wyposażenie do wykonywania drenażu pionowego, aby móc radzić sobie z szeroko zróżnicowanymi warunkami podłoża rodzimego. Wciskanie drenów pionowych możliwe jest nawet do głębokości znacznie przekraczającej 50 m, a osiągana wydajność pozwala na drenownie podłoża na obszarach kilku tysięcy metrów w czasie jednej zmiany roboczej.
W większości przypadków w celu przyśpieszenia konsolidacji wraz z drenażem pionowym stosuje się tymczasowy nasyp przeciążający. Jego celem jest osiągnięcie w podłożu stanu naprężeń przekraczającego docelowe naprężenia obliczeniowe. Dzięki odpowiedniemu zdrenowaniu podłoża i kontrolowanemu przeciążeniu konsolidacja gruntu przebiega szybko, co pozwala na wymuszenie osiadań podłoża w fazie realizacji zamierzenia budowlanego. Daje
to gwarancję nieprzekroczenia dopuszczalnych osiadań wtórnych w czasie kilku dziesięcioleci użytkowania budowli. Skonsolidowany grunt cechuje się kilkukrotnie podniesionymi parametrami wytrzymałościowymi; w efekcie możliwe jest spełnienie wymagań związanych ze statecznością globalną powstałej budowli ziemnej.
Technologia przyspieszonej konsolidacji z użyciem drenów prefabrykowanych została zastosowana na szeroką skalę przy budowie drogi ekspresowej S7 w ramach budowy Południowej Obwodnicy Gdańska. Wzmocnionych w ten sposób zostało około 400 000 m2 terenu pod nasypy drogowe.