Koszty wzmacniania podłoża przy budowie dróg w Polsce na podstawie ostatnich lat

Metody wzmacniania podłoża można grupować pod względem różnych kryteriów (głębokość, rodzaj użytych materiałów, sposób pracy, sposób wykonywania). Biorąc pod uwagę koszty i użyte materiały, wzmacnianie podłoża można podzielić w następujący sposób:
– metody wymagające dostarczenia do ośrodka gruntowego energii w celu zwiększenia stopnia zgęszczenia (rapid impact compaction, wibroflotacja, dynamiczne zagęszczanie),
– metody konsolidacyjne (klasyczna konsolidacja, przyspieszona konsolidacja z użyciem prefabrykowanych drenów pionowych, konsolidacja próżniowa Menard Vacuum Consolidation),
– metody wymagające wprowadzenia w grunt rodzimy kruszywa (kolumny żwirowe, kolumny wymiany dynamicznej),
– metody wymagające wprowadzenia w grunt zaczynu cementowego/ mieszanki betonowej (kolumny DSM, kolumny przemieszczeniowe, iniekcja strumieniowa, kolumny MCC),
– metody wymagające wprowadzenia w grunt zarówno kruszywa, jak i mieszanki betonowej (kolumny żwirowo-betonowe formowane metodą wibrowymiany, kolumny betonowo-żwirowe formowane świdrem przemieszczeniowym).

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 technologia przyspieszonej
konsolidacji 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.

Koszt wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim od danej technologii i wymaganej głębokości wzmocnienia, ale także od parametrów technicznych, które chcemy uzyskać. Ogólnie najbardziej ekonomiczne są metody wymagające wprowadzenie w rodzimy ośrodek gruntowy tylko energii celem zwiększenia zagęszczenia,
jednak ich stosowanie jest organiczne tylko do luźnych gruntów niespoistych. Stosunkowo najdroższe są metody bazujące na zaczynie cementowym lub mieszance betonowej. Stan ten należy jednak uzupełnić i rozpatrywać w kontekście lokalnych warunków gruntowych, uwarunkowań lokalnych budowy oraz wymagań technicznych, jakim ma odpowiadać podłoże po wykonaniu wzmocnienia. Stosowane w praktyce krajowej technologie wzmacniania podłoża słabonośnego pozwalają na lokalizację inwestycji drogowych w miejscach do niedawna uważanych na nieprzydatne do tego celu. Szeroki wachlarz metod generuje duże oszczędności kosztów, jak i materiałów, co pozwala na wykorzystanie gruntów rodzimych oraz miejscowych, łatwo dostępnych materiałów. Wykorzystywane technologie są precyzyjnie dobierane do lokalnych warunków gruntowych i specyfiki danej budowy. Dzięki temu stosowane rozwiązania są optymalne pod względem ekologicznym, technicznym,
a przede wszystkim ekonomicznym.