Co dzieje się wewnątrz sztywnych kolumn? Monitoring wzmocnienia podłoża gruntowego na odcinku drogi S7

Jedną ze szczególnych metod wzmocnienia gruntu jest technologia kolumn betonowych, przemieszczeniowych wkręcanych CMC (ang. Controlled Modulus Columns). Metoda została opatentowana przez firmę Menard na początku lat 90. ubiegłego wieku.

Charakterystyczne dla tej technologii jest narzędzie robocze formujące kolumnę w gruncie. Specjalny świder, o pogrubionym w swojej środkowej części kształcie, zapewnia przemieszczanie gruntu rodzimego na boki, co jednocześnie powoduje jego zagęszczenie i naprężenie.

W technologii tej wyróżniamy dwie zasadnicze fazy: pierwsza to drążenie otworu w gruncie,  druga – to betonowanie trzonu kolumny. Drążenie kończy się po osiągnięciu odpowiedniego zagłębienia świdra w gruntach nośnych. Wówczas rozpoczyna się betonowanie kolumny wraz z podnoszeniem świdra ku górze. Istotną zaletą tej technologii jest brak urobku z drążenia, choć obserwuje się lekkie unoszenie gruntu w określonych warunkach geologicznych.

Kolumny przemieszczeniowe wkręcane stały się popularną metodą wzmacniania podłoża gruntowego [6, 12]. W rezultacie wykonanych prac uzyskuje się kompozyt gruntu i kolumn współpracujących jako jednolita struktura o zwiększonej nośności i sztywności. Proces wykonywania omawianych kolumn nie powoduje znaczących uszkodzeń powierzchni terenu i nie wytwarza niebezpiecznych dla otoczenia wibracji. Jednak ze względu na odkształcenia gruntu w fazie wiercenia ma wpływ na sąsiednie konstrukcje znajdujące się w gruncie oraz na generowanie się dodatkowych sił w samych kolumnach. Siły te będą przeanalizowane w niniejszym artykule.

Zastosowany na poletku doświadczalnym system pomiarowy składał się z szeregu czujników zainstalowanych na całej długości trzonów badanych kolumn. Najwięcej mierników zainstalowano w górnych częściach kolumn (na pierwszych 2 m). Znajduje się tam czujnik siły w specjalnie poszerzonej i nadbudowanej głowicy, a poniżej czujnik naprężenia oraz czujnik odkształceń – oba zainstalowane na tym samym poziomie kolumny. Kolejne czujniki, tylko do mierzenia odkształceń, przymocowano do stalowych profili zbrojeniowych i rozmieszczono je w określonych odstępach, od 1,7 m do 2,5 m wzdłuż całej długości kolumny (rys. 2). Technologicznie, czujniki odkształceń najpierw były mocowane do profili zbrojeniowych, a następnie instalowane w kolumnie poprzez wciśnięcie profilu w świeżą mieszankę betonową. Zainstalowane czujniki są o konstrukcji strunowej i dokonują pomiarów punktowych (lokalne), informując o zmianach zachodzących w kolumnie na danej głębokości. Omawiany system monitoringowy został zaprojektowany przez firmę SHM System z Krakowa [16], a dokładniej opisany również w pracach [7 i 13]. Podobnego rodzaju system monitoringowy opisano także w pracy [11].

Cały odcinek drogi S7 między Gdańskiem a Elblągiem przebiega przez rejon Żuław Wiślanych. W rozumieniu Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Wodnej z dnia 25 kwietnia 2012r. (Dz.U. 2012 poz. 463) obszar ten należy do złożonych warunków hydrogeologicznych, natomiast obiekt budowlany (jako droga ekspresowa) należy do trzeciej kategorii geotechnicznej.

Z rys. 3 i 4 wynika, że rozpatrywany obszar charakteryzuje się dużą miąższością słabonośnych gruntów organicznych, takich jak torfy, namuły i gytie, często z przewarstwieniami gruntów mineralnych, głównie piaszczystych. Taka budowa geologiczna (warstwowa) oraz wysoki poziom wód gruntowych sprawiają, że teren jest niekorzystny do posadowienia jakichkolwiek obiektów budowlanych i infrastrukturalnych.

W zestawieniach wyników badań podłoża gruntowego skupiono się na analizie wartości oporów stożka qc [MPa] sondy CPT z dwóch okresów badań: 19.01.2016 (etap wykonywania projektu) oraz 18.07.2016 (miesiąc po wykonaniu kolumny K1). Dodatkowo dodano metryki wykonanych kolumn przemieszczeniowych CMC. Wszystkie dane zeskalowano i odniesiono do poziomu platformy roboczej [m n.p.m.] wraz ze schematem kolumny pomiarowej. Dzięki temu ułatwiona została identyfikacji, w jakich warunkach gruntowych znajduje się dany czujnik pomiarowy.

Siły rezydualne w palach lub w sztywnych kolumnach są to siły uwięzione w ich trzonach powodujące wstępne naprężenie materiału. Są one najczęściej ściskające, ale mogą też być rozciągające. Ogólnie, siły rezydualne ściskające są korzystne dla współpracy pala z gruntem (usztywniają charakterystykę Q-s pala), natomiast siły rozciągające są niekorzystne (osłabiają charakterystykę Q-s). Zobrazowano to na rys. 5.

Mechanizmy powstawania sił rezydualnych w palach mogą być różne. Najbardziej znamiennym przykładem jest zjawisko siły rezydualnej w palu wbijanym prefabrykowanym, [14]. Pozostaje ona w trzonie pala po ostatnim uderzeniu młota, kiedy to zarówno grunt pod podstawą pala, jak i materiał w samym trzonie nie mogą się całkowicie odprężyć z powodu oporów (blokady) tarcia gruntu na pobocznicy pala. Tarcie to ma kierunek ujemny (w dół), a trzon pala jest ściskany. Siły rezydualne wyciągające mogą z kolei pojawić się w palach betonowanych w gruncie, najczęściej wierconych, z powodu termicznego skurczu betonu po procesie hydratacji i wiązania. Więcej informacji na temat sił rezydualnych w palach można znaleźć między innymi w publikacjach [1, 3, 4, 5, 8, 9, 14, 15].

Siły rezydualne mogą pojawiać się również w palach i kolumnach przemieszczeniowych wkręcanych. Mechanizm powstawania siły rezydualnej w palu lub kolumnie przemieszczeniowej wkręcanej opisano w pracy [9]. Koncepcyjnie może on być następujący: wstępne siły ściskające generują się w trzonach kolumn w wyniku tarcia negatywnego na ich pobocznicach, pojawiającego się w górnych partiach podłoża gruntowego. Tarcie to wywoływane jest przez wtórne osiadanie podłoża gruntowego wypiętrzonego podczas wykonawstwa kolumn za pomocą świdra przemieszczeniowego. Podczas procesu wkręcania świdra grunty słabo przepuszczalne (takie jak namuły) odkształcają się praktycznie bez zmian objętościowych, w ich porach generuje się nadwyżka ciśnienia wody, a grunt i teren wokół się unosi. Nadwyżka ciśnienia ulega następnie powolnemu rozproszeniu, w trakcie którego następuje konsolidacja gruntów słabo przepuszczalnych, a wraz z nią wspomniane osiadanie wtórne terenu. Konsolidacja gruntu przebiega z reguły przez dłuższy czas i może trwać również w okresie po stwardnieniu betonu w trzonie kolumny, powodując tym samym narastanie siły ściskającej w tym trzonie, czyli siły rezydualnej (rys. 6).

O istnieniu wstępnej siły ściskającej w kolumnie można wywnioskować z obserwacji i analizy odkształceń w trzonie kolumny w pierwszych dniach istnienia kolumny oraz przy odciążeniu po próbnym obciążeniu kolumny oprzyrządowanej pomiarowo [9, 10]. W niektórych odcinkach pomiarowych trzonu kolumny widoczne są wówczas dodatnie odkształcenia (wydłużenia) lub bardzo małe odkształcenia trwałe świadczące o tym, że przed próbnym obciążeniem kolumna była już wstępnie naprężona siłą ściskającą.

Do analizy zjawiska na kolumnach z poletka doświadczalnego wybrano taki interwał czasowy, który był odpowiednio długi i podczas którego nie było żadnych oddziaływań zewnętrznych, aby możliwa była obserwacja stabilizacji odkształceń. W praktyce był to okres po wykonaniu kolumny pomiarowej (badawczej) i wszystkich pozostałych w sąsiedztwie oraz jeszcze przed badaniem nośności kolumny badawczej. Dodatkowo, na terenie w pobliżu nie wykonywano żadnych prac i nie poruszały się żadne pojazdy. Do omawianych analiz nadawały się kolumny K1, K2 i K5 z poletka badawczego.

Ze względu na to, że w pierwszych dobach od instalacji kolumny K1 w sąsiedztwie były wykonywane inne kolumny (odcinek T1 – T4 na rys. 7), więc obraz rozwoju siły rezydualnej w tym okresie jest zaburzony. Natomiast na odcinku T4 – BN, czyli po wykonaniu ostatnich kolumn sąsiednich, a przed badaniem nośności kolumny K1, można zaobserwować stabilne zmiany odkształceń w wyniku powolnej konsolidacji gruntu. Powolna redukcja odkształceń jest świadectwem generowania się siły ściskającej w trzonie kolumny.

Oznaczenia symboli na wykresach: T0 – pomiar zero, od którego liczone są przyrosty odkształceń (doba później od instalacji dla kolumn K1 i K5, dwie doby później od instalacji dla kolumny K2); Tn (n = 1÷4) okres wiercenia kolumn w sąsiedztwie; BN- badanie nośności kolumny; εR1 i εR2 okres 14 dni, w którym analizowane są przyrosty odkształceń oraz ich bezpośredni wpływ na generowanie się siły rezydualnej.

Do analizy przyjęto wzorcowy interwał czasowy 14 dni (w okresie między εR1 a εR2), a następnie wyznaczono dobowe różnice redukcji odkształceń i sił generowanych w danym punkcie trzonu kolumny (tabl.1). Wartości sił wyznaczono z pewnym uogólnieniem i uproszczeniem, korzystając ze wzoru F = ε·E·A i przy założeniu stałej wartości sztywności EA na całej długości kolumny oraz podczas całego analizowanego czasu. Za pole poprzeczne kolumny A przyjęto wartość zastępczą (jak dla przekroju zespolonego betonowo-stalowego), przyjmując średnicę nominalną kolumny D = 0,40 m. Wartość pola zespolonego wyniosła A_z = 0,1427 m². Moduł sprężystości betonu wyliczono na podstawie badań laboratoryjnych wytrzymałości na ściskanie i normowego wzoru E_cm(t) = 0,3×(f_cm(t)/f_cm)·E_cm. Uwzględniając uśredniony wiek betonu t = 23 dni i przyjmując E_cm = 32 GPa (wg normy EC02), wyliczona wartość modułu sprężystości betonu wyniosła: E_cm(t) = 28,6 GPa.

Na rys. 8 przedstawiono wykresy rozkładu odkształceń i wartości siły rezydualnej wygenerowanych po 14 dniach dla każdego z czujników odkształceń. Po prawej stronie widoczne są dane wartości odkształceń w czasie εR1 i εR2, natomiast po lewej stronie siła rezydualna wyliczona z różnicy tych odkształceń. Po wyznaczeniu wartości sił widać, że kolumna jest wyłącznie ściskana, co potwierdza koncepcję mechanizmu powstawania siły rezydualnej. Maksymalna wartość siły generuje się w środkowej części dolnej warstwy gruntów organicznych (poziom czujnika uE4), a jej wartość po 14 dniach wynosi  Q = -91 kN.

Podobnie jak w kolumnie K1, w pierwszych dobach od instalacji kolumny K2 wykonywane były inne kolumny w sąsiedztwie (odcinek do T2 na rys. 9), zatem obraz rozwoju siły rezydualnej w tym okresie jest zaburzony. Na odcinku T6 – BN, czyli po wykonaniu ostatnich kolumn sąsiednich, a przed badaniem nośności kolumny K2, można zaobserwować stabilne zmiany odkształceń na skutek powolnej konsolidacji gruntu.

Do analizy przyjęto wzorcowy interwał czasowy dwa razy po 14 dni (między εR1 a εR2 i εR2 a εR3), a następnie wyznaczono przyrosty dobowe dla odkształceń w przedziale 14 i 28 dni oraz siły generowane w danym punkcie trzonu kolumny w przedziale 28 dni (tabl. 2).

Wykresy na rys. 10 są interesujące, gdyż intuicyjnie należałoby spodziewać się ściskania kolumny, tymczasem górna część kolumny K2 jest rozciągana (czujniki uE2 do uE4) i dopiero w dolnej części kolumny pojawia się ściskanie (czujniki uE5 do uE7). Na taki stan rzeczy na pewno miał wpływ układ warstw gruntowych. Analizując sondowanie CPT wykonane w tym obszarze po zrealizowaniu wzmocnienia widać, że doszło do ogólnego wzmocnienia gruntów w podłożu zbudowanym w dużej mierze z piasków z jedynie cienkimi przewarstwieniami organicznymi. Badanie CPT wykazuje obecność mocniejszej warstwy piasku na głębokości około 6 m p.p.t., a więc w połowie wysokości wykonanej kolumny. Obecność tej warstwy prawdopodobnie zadziałała jak utwierdzenie, które wpłynęło na kształt wykresów. Po wyznaczeniu wartości sił widać, że kolumna jest w podobnej skali rozciągana, co ściskana. Maksymalne wartości siły generują się w środkowych częściach górnego i dolnego odcinka kolumny, co po 14 dniach spowodowało maksymalną siłę rozciągającą równą Q = 32 kN i ściskającą -18kN. Wartości przeliczonych sił po 28 dniach są podobne zarówno w strefie rozciągania, jak i ściskania trzonu kolumny.

Kolumnę K5 wykonano 12.10.2016 roku o godzinie 18:05. Niestety pierwsze dane z wszystkich czujników dostępne są dopiero od następnego dnia, to jest 13.10.2016 od godziny 0:00. Brak jest zatem danych z czujników z pierwszych 6 godzin od momentu instalacji kolumny w gruncie. Niestety brak jest też metryk kolumn wykonywanych w sąsiedztwie kolumny K5 z okresu od 12.10.2016 do 14.10.2016, gdyż kolumny te realizowała inna firma wykonawcza. Pierwsze zarejestrowane wyniki wykazują zatem od razu określone wartości. Te relatywnie niskie wartości ze znakiem minus (ściskanie) mogą świadczyć o poruszaniu się w pobliżu kolumny K5 ciężkiego sprzętu budowlanego lub o innym oddziaływaniu zewnętrznym. Dnia 13.10.2016 o godzinie 14:45 (T0) zaobserwowano duże skoki odkształceń rozciągających, co świadczy dość jednoznacznie o wykonywaniu kolumn w sąsiedztwie. Po przeanalizowaniu mapy przerobowej stwierdzono, że minimalna odległość sąsiednich kolumn od kolumny K5 wykonywanych w tym czasie wynosiła 7 m. Kolejny, nagły wzrost na wykresach odkształceń widoczny jest w dniu 14.10.2016, co jest również zgodne z mapami przerobowymi kolumn. Natomiast przez kolejny miesiąc następują powolne i stabilne zmiany pomiarów odkształceń aż do momentu T1, to jest do 22.11.2016, kiedy to były wykonywane kolumny w sąsiedztwie w minimalnym oddaleniu od kolumny K5 równym 9 m. Następnie, po 3 dniach, w okresie T2 – T3, to jest od 25.11.2016, wykonywane były kolejne kolumny w sąsiedztwie w minimalnym oddaleniu 7 m. Pomiędzy czasami T0 (pierwsza rejestracja odkształceń podczas wykonywania kolumn sąsiednich) a T1 (kolejne wykonywanie kolumn sąsiednich ) wyznaczono reprezentatywny i stabilny okres 14 dni, który wyznaczono pomiędzy punktami εR1 i εR2. Dla tego okresu przeprowadzono analizę generowania się siły rezydualnej w kolumnie K5 (rys. 11).

Do analizy przyjęto interwał czasowy 14 dni (między εR1 a εR2), a następnie wyznaczono przyrosty dobowe dla odkształceń i sił generowanych w danym punkcie trzonu kolumny (tabl. 3).

Wykresy na rys. 12 przedstawiają zmiany odkształceń w okresie wyznaczonych 14 dni. Po prawej stronie rysunku widoczne są wykresy odkształceń w czasie εR1 i εR2. Po wyznaczeniu wartości sił rezydualnych z różnicy odkształceń εR1 i εR2 widać, że kolumna jest ściskana w dolnej części między czujnikami uE3 – uE8. Dwa górne czujniki monitorują niewielkie rozciąganie, co może być związane z grubą warstwą platformy roboczej, która stanowi utwierdzenie dla głowicy kolumny. Maksymalna wartość siły generuje się w środkowej części dolnej warstwy gruntów organicznych (między czujnikami uE4 a uE6), co po 14 dniach spowodowało siłę równą Q = -47 kN.

W tabl. 4 przedstawiono zależność miąższości gruntów organicznych i wartości siły rezydualnej po upłynięciu 14 dni. Wartości sił wyznaczono z uwzględnieniem zmian modułu betonu w czasie oraz przekroju zastępczego kolumny (przekrój betonowo- stalowy): F_śr = ε_t·E_t·A_z.

Na podstawie trzech miarodajnych wyników pomiarów uzyskanych dla kolumn K1, K2 i K5 przy swobodnej, 14 dniowej konsolidacji gruntów można przedstawić następujące zależności:

– zjawisko generowania się sił rezydualnych w palach i kolumnach przemieszczeniowych wkręcanych jest faktem i zostało potwierdzone pomiarami opisanymi i przedstawionymi w artykule;

– siła rezydualna ma charakter generalnie ściskający, jednak niekiedy, ze względu na charakterystyczną budowę geotechniczną podłoża, można zaobserwować rozciąganie trzonu kolumny, jak w kolumnie K2;

– wartość siły rezydualnej nie jest wyraźnie związana z miąższością warstw gruntów organicznych, lecz ten wniosek mógłby być inny, gdyby badane kolumny nie były poddane oddziaływaniom zewnętrznym, związanym z wykonywaniem kolumn sąsiednich;

– największe wartości siły rezydualnej występują zwykle w połowie miąższości gruntów słabych lub ściśliwych podlegających konsolidacji (np. organicznych).

mgr inż. Adam Jabłonowski, dr inż. Piotr Kanty, dr hab. inż. Adam Krasiński, prof. PG, Menard Sp. z o.o.

1. Cooke R.W.: Influence of residual installations forces on the stress transfer and settlement under working loads of jacked and bored piles in cohesive soils. Behaviour of deep foundations. American Society for Testing and Materials, 231-249, 1979
2. Dokumentacja badań podłoża gruntowego” Droga ekspresowa S7 – Nowy Dwór Gdański – Kazimierzowo. Ingeo sp. z o.o., Maj 2014 rev.02
3. Fellenius B.H.: Determining the Resistance Distribution in Piles. Part 1: Notes on Shift of No-Load Reading and Residual Load. Geotechnical News Magazine, 20(2), 35-38, 2002
4. Fellenius B.H.: Determining the Resistance Distribution in Piles. Part 2: Method for Determining the Residual Load. Geotechnical News Magazine, 20(3), 25-29, 2002
5. Fellenius B.H.: Static tests on instrumented piles affected by residual load. Journal of the Deep Foundation Institute, 9(1), 11-20, 2015
6. IREX, Recommendations for the Design, Construction and Control of Rigid Inclusion Ground Improvements. ASIRI National Project, Presses des Ponts, Paris, 2013.
7. Jabłonowski A., Kanty P., Krasiński A., Sieńko R., Bednarski Ł., Makowska K.: Example of geotechnical monitoring of soil improvement using rigid inclusions under road embankment, Studia Geotechnica et Mechanica, 2025
8. Kim M.G., Cavusoglu E., O’Neill M.W., Robert T., Yin S.: Residual Load evelopment in ACIP piles in a Bridge Foundation. Conf Proc. GeoSupport, Orlando, USA, 2004
9. Krasiński A., Wiszniewski M.: Identification of residual force in static load tests on instrumented screw displacement piles, Studia Geotechnica et Mechanica, 2021
10. Krasiński A.: Problematyka interpretacji pomiarów rozkładu siły osiowej w trzonie pala podczas próbnych obciążeń statycznych (Interpretation problems of the distribution of axial force in the piles during static load tests), Inżynieria Morska i Geotechnika, 2/2012, 118-124.
11. Larisch, M.D., Arnold, M., Uhlig, M., Schwiteilo, E., Williams, D.J., Scheuermann, A.: Stress and displacement monitoring of auger displacement piles. PILE 2013: International Conference on State of the Art of Pile Foundation and Pile Case Histories, Bandung, West Java, Indonesia, 2–4 June, 2013, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung, West Java, Indonesia, 2013
12. Maertens J., Huybrechts N.: Belgian screw pile technology. Design and recent developments. Swets & Zeitlinger, 2003
13. Raport z badań geotechnicznych wykonanych dla inwestycji – Projekt budowy drogi ekspresowej S7 na odcinku Koszwały – Kazimierzowo, zadanie 2 Nowy Dwór Gdański – Kaziemierzowo, odcinek MA-19 km 43+900 – 44+330.” Opracował: GEOTEKO Projekty i Konsultacje Geotechniczne Sp. z o.o , data: 19.01.2016 oraz 18.07.2016 oraz metryki: Menard sp. z o.o.
14. Sahajda K.: Siły rezydualne w ocenie nośności i osiadań żelbetowych pali wbijanych (Residual forces in the assessment of bearing capacity and settlement of reinforced concrete driven piles), PhD Thesis. Warsaw University of Technology, Poland, 2015
15. Siegel T.C., McGillivray A.: Interpreted residual load in an augered cast-in-place pile. Conf Proc. 35th Annual DFI Conference. Hollywood, USA, 2010
16. Sieńko, R.: SHM, Technological Project of the S7 Monitoring System on the Nowy Dwór Gdański –Kazimierzowo section “in Polish”, project number: SHM/165 ver. 04, 2016