Analiza kalibracji wyników sondowań CPT z próbnymi odwiertami kolumn przemieszczeniowych CMC

Karolina KOBRZYŃSKA, Piotr KANTY, Kuba JAKUBOWSKI

Wprowadzenie
Analiza parametrów wiercenia oraz ich kalibracja względem warunków gruntowych stanowią zasadnicze elementy projektowania oraz wykonywania kolumn przemieszczeniowych CMC. Kolumny przemieszczeniowe CMC (ang. controlled modulus columns) to technologia wzmocnienia podłoża gruntowego, która pozwala na wzmocnienie gruntów słabonośnych. Kolumny wykonuje się za pomocą maszyny wiertniczej wyposażonej w głowicę o odpowiednim momencie obrotowym i statycznym nacisku pionowym. W wyniku wprowadzania świdra przemieszczeniowego podłoże gruntowe przesuwa się w kierunku poziomym do osi wykonywanego otworu, a grunt wokół wykonywanej kolumny zmniejsza swoją objętość. Po uzyskaniu projektowanej głębokości, rurką iniekcyjną zamontowaną na końcu świdra wprowadza się pod ciśnieniem do kolumny mieszankę betonową. Materiał do wykonania kolumn przemieszczeniowych dobierany jest tak, aby uzyskać zaprojektowaną sztywność kolumn w stosunku do otaczającego je gruntu. Pierwszym etapem procesu budowlanego jest projektowanie, podczas którego należy przyjąć wybrane z licznej literatury przedmiotu podejście obliczeniowe. Jednym z najbardziej popularnych jest propozycja Bustamantego i Gianeselliego (1982). Na podstawie przekazanych obciążeń oraz dokumentacji geotechnicznej zostają określone parametry kolumny, takie jak: średnica, długość kolumny oraz zagłębienie w grunty nośne (jeżeli kolumna nie jest zawieszona). Kontrola zagłębienia kolumny, która pozwala na uzyskanie projektowanej nośności, jest przeprowadzana na budowie na podstawie kalibracji maszyny wiertniczej. Kalibracją jest próbny odwiert. Przeprowadza się go w bliskiej odległości od wcześniej wykonanego otworu geotechnicznego oraz sondowania CPT/ CPTU, którego celem jest określenie parametrów wiercenia maszyny głównie na głębokości występowania warstwy gruntów nośnych. Wykonuje się ją w celu weryfi kacji założeń projektowych, zwłaszcza w kolumnach pracujących częściowo podstawą. Podczas wiercenia rejestrowane są parametry wykonania kolumny, co umożliwia ciągłą, jakościową kontrolę profilu geotechnicznego w danym miejscu. W rezultacie otrzymuje się metrykę kolumny, która jest rejestrowana w funkcji czasu lub głębokości. Liczba otrzymanych parametrów jest uzależniona od rodzaju i liczby czujników zamontowanych na maszynie.

Badania geotechniczne a kalibracja
Rozważając problem badań geotechnicznych i ich związku z zagadnieniem kalibracji maszyny, należy uwzględnić dwie analogie:
-analogię badania i sposobu wzmocnienia podłoża w postaci kolumny,
-analogię metodologii przeprowadzania badania gruntu do sposobu wykonywania kolumny.
Jeżeli chodzi o pierwszy aspekt, to sondowanie CPT wykazuje najwięcej podobieństw do pracy kolumny/pala. Po pierwsze badanie to pozwala określić parametr związany z podstawą elementu (opór pod podstawą stożka – qc) oraz jego pobocznicą (tarcie na tulei ciernej – fs). Kolumnę/pal również opisuje się nośnością podstawy i pobocznicy. Po drugie w badaniu CPT rejestrowany jest parametr gruntu w stanie granicznym, podobnie jak w trakcie próbnego obciążenia elementu palowego na potrzeby określenia nośności. O analogii tego badania do metodologii pracy kolumny/pala świadczy powszechne stosowanie do wymiarowania kolumny/pala metod bezpośrednio wykorzystujących qc i fs (Gwizdała, 2010; Mayne, 2007). W Polsce najbardziej rozpowszechniona jest metoda, w której wykorzystuje się tylko parametr qc oraz znajomość rodzaju gruntu (Bustamante i Gianaselli, 1982). Sposób wykonania kolumny przemieszczeniowej koresponduje z metodologią badań gruntu, ale nie jest z nią całkowicie zgodny. Sondowanie CPT wykonuje się ze stałą prędkością penetracji 20 mm·s–1. Według konkluzji z artykułu Poulsena, Nielsena oraz Ibsena (2013) skutkuje to badaniem gruntu w warunkach z odpływem w piaskach, w warunkach bez odpływu w iłach oraz w warunkach częściowego odpływu w gruntach pylastych. W przypadku wykonywania kolumn przemieszczeniowych prędkości penetracji są praktycznie zawsze większe niż teoretycznie,tak więc opór stawiany przez grunty pylaste może być większy. Należy również uwzględnić, że realizacja kolumn jest nie tylko związana z wciskaniem, ale też z wierceniem. Z praktycznego punktu widzenia należy pamiętać, że każde badanie CPT (CPTU) musi być wykonane z poziomu odpowiedniej (zapisanej) rzędnej oraz w wytyczonym punkcie. Jeżeli kalibracja będzie wykonana w punkcie oddaAnaliza kalibracji wyników sondowań CPT… 177 lonym nawet o kilka metrów, istnieje ryzyko popełnienia błędu ze względu na zmienność warunków gruntowych. Dodatkowo w celu uszczegółowienia rodzaju gruntów występujących w podłożu należy wykonać otwór wiertniczy w bliskim sąsiedztwie wykonanego sondowania CPT (CPTU).

Parametry wiercenia
Wartości poszczególnych parametrów wiercenia, jakie otrzymuje się w wyniku kalibracji, zależą od rodzaju maszyny wiertniczej i jej opomiarowania. Maszyny mogą przykładowo różnić się od siebie stołami obrotowymi i wciągarkami, których parametry są decydujące. Porównanie podstawowych parametrów stołów obrotowych i wciągarek (typowych dla opisanych palownic) podano w tabeli. Chcąc zrozumieć znaczenie tych parametrów, należy uzmysłowić sobie, że maksymalna prędkość obrotowa oraz prędkość posuwu są wartościami mierzalnymi, a moment obrotowy i siła posuwu to wielkości obliczane na podstawie innych (mierzonych) parametrów. Przy wykonywaniu kalibracji maszyny wiertniczej z profilem geotechnicznym ważne jest, aby nie uzależniać jej tylko od jednego z parametrów. Wykonując kalibrację np. tylko na podstawie wartości ciśnienia układu hydraulicznego stołu obrotowego maszyny wiertniczej (KDK), należy mieć na uwadze, że przy jednakowej wartości ciśnienia moment obrotowy maszyny wiertniczej jest zmienny (rys. 1). Dzieje się tak, ponieważ moment jest funkcją nie tylko ciśnienia, ale również prędkości obrotowej. Podobnie charakterystyka pracy silników wciągarek jest taka, że zależność między ciśnieniem w układzie hydraulicznym a siłą nie jest liniowa. Z tego względu, aby uzyskać większą pewność, że maszynę skalibrowano poprawnie, należy do analizy przyjąć większą liczbę wskazanych parametrów. Przy określaniu parametrów wiercenia należy zwrócić uwagę na wzrost momentu obrotowego, któremu powinien towarzyszyć spadek prędkości wiercenia oraz wzrost siły nacisku (rys. 2). Często pomija się prędkość obrotową, ponieważ jest ona „ukryta” w wartości momentu obrotowego. Jeżeli chociaż dwie z tych zależności zostały spełnione, zakłada się, że uzyskano zagłębienie w grunty nośne.

Kontrola wykonawstwa według przyjętych założeń projektowych i kalibracyjnych
Projektant wzmocnienia opracowuje projekt na podstawie parametrów obciążenia przekazywanego na konstrukcję, jej geometrii oraz dokumentacji geotechnicznej. W efekcie zostają określone podstawowe parametry kolumny, jakimi są średnica, ewentualne zbrojenie, długość kolumn oraz minimalne zagłębienie w grunty nośne. Na etapie projektowania należy zaplanować dodatkowe uzupełniające badania geotechniczne w celu potwierdzenia warunków gruntowych. Wykonanie kalibracji pozwala na przedstawienie konkretnych wytycznych dotyczących sposobu wiercenia w celu weryfikacji założeń projektowych. Jest to bardzo istotne z praktycznego punktu widzenia, ponieważ informacja jest dostępna od razu, a nie dopiero po wykonaniu próbnego obciążenia. Ze względu na możliwe występowanie zróżnicowanych warunków geotechnicznych należy na bieżąco kontrolować wykresy automatycznego zapisu metryk z maszyny. Jeśli próbne odwierty nie potwierdzają lub znacznie odbiegają od przekrojów geotechnicznych, należy zlecić dodatkowe badania geotechniczne w celu uzyskania uszczegółowienia informacji o budowie geologicznej danego obszaru. Każde znaczące odstępstwo od długości projektowych musi być zgłoszone do projektanta w celu weryfi kacji założeń projektowych lub przeprowadzenia ponownej kalibracji w danym obszarze. Istotnym celem kalibracji jest poprawa jakości wykonywania wzmocnienia podłoża. Wykonywanie kolumn zgodnie z wytycznymi gwarantuje uzyskanie zakładanych parametrów nośności zgodnych z założeniami projektowymi. Przykład poprawnie wykonanej kalibracji pokazano na rysunku 3. Dla tej kolumny CMC zaprojektowane zagłębienie w grunty nośne wynosiło 2 m. Jak można zaobserwować na rysunku 2, zarejestrowano wzrost ciśnienia hydraulicznego (KDK) oraz momentu obrotowego przy jednoczesnym spadku prędkości pogrążania i siły docisku. Oczywiste wydaje się, że sam spadek prędkości pogrążania mógłby być spowodowany ruchami joysticka operatora, ale wówczas nie zanotowano by spadku siły docisku, ale jej wzrost. Podczas wykonywania kalibracji zdarza się, że bardzo trudno jest określić parametry wiercenia, gdyż na metryce nie jest rejestrowana ich tendencja do spadku lub wzrostu. Wynikać to może ze zmienności warunków gruntowych lub rodzaju gruntu, w których projektowane jest zagłębienie kolumny (rys. 4). Komplikacje pojawiają się szczególnie podczas wiercenia w plastycznych glinach, pyłach oraz iłach. Problem może stanowić też maszyna o dużej mocy, która będzie wiercić i naciskać z tak dużą siłą, że czujniki nie będą w stanie zarejestrować skoków mierzonych wartości. W takim przypadku każdy odwiert należy rozpatrywać indywidualnie.