Palowanie fundamentów budynków średniowysokich na przykładzie obiektu mieszkalno-usługowego w Kielcach przy ul. Solnej

Jednym z najbardziej ekonomicznych i efektywnych, a zarazem bezpiecznych sposobów posadowienia konstrukcji budowlanych na gruntach słabonośnych jest wykonanie płyty fundamentowej opartej o palowanie fundamentów bądź kolumny betonowe wykonane w technologii pali przemieszczeniowych. Technologię tę Menard wykorzystał przy okazji realizacji dwóch budynków mieszkalno-usługowych zlokalizowanych w centrum miasta Kielce na skrzyżowaniu ulic Solnej oraz Planty.

Inwestycja realizowana przez GW Przedsiębiorstwo Budowlane UNIMAX Sp. z o.o. z siedzibą w Kielcach przy ul. Okrzei 35, zlokalizowana w Kielcach przy ul. Solnej / Planty, dotyczy kompleksu dwóch budynków o funkcji mieszkalno-usługowej. Wysokość projektowana budynków to od pięciu do sześciu kondygnacji z garażami podziemnymi o powierzchni zabudowy 1000 m2 oraz 800 m2 (ryc. 1).

Na obszarze działki w ramach terenowych prac badawczych wykonano otwory badawcze oraz 13 sondowań statycznych CPT do głębokości 22 m p.p.t. Przeprowadzone badania wykazały, że pod gruntami nasypowymi zalegającymi do głębokości ok. 2,0 m p.p.t. występuje warstwa namułów. Poniżej nich nawiercono grunty słabonośne i nienośne: plastyczne i miękkoplastyczne gliny pylaste. Na głębokości od 7,0 do 8,0 m p.p.t. stopień plastyczności glin pylastych maleje i utwory te przechodzą w stan twardoplastyczny. Wraz ze wzrostem głębokości stopień plastyczności pyłów obniża się. Zwierciadło wody gruntowej jest ściśle związane z wodą w rzece Sinicy. W trakcie badań polowych zwierciadło stabilizowało się na głębokości 2,00 ÷3,15 m p.p.t.

Ze względu na niskie parametry odkształceniowe gruntów zalegających w poziomie posadowienia oraz obawę o nierównomierne osiadanie konstrukcji zdecydowano o posadowieniu budynków na płycie fundamentowej o grubości 90 cm, opartej na kolumnach betonowych typu CMC® wykonanych w technologii przemieszczeniowej.

2.1. Technologia kolumn przemieszczeniowych typu CMC
Technologia kolumn przemieszczeniowych typu CMC systemu Menard jest rozwinięciem tradycyjnych pali typu CFA. Technologia ta ma swoje zastosowania w różnych warunkach gruntowo-wodnych oraz przy średnich oraz dużych obciążeniach (nasypy, przyczółki mostowe, budynki itp.), dając gwarancję spełnienia warunków stanów granicznych nośności i użytkowania. Kolumny CMC oraz palowanie fundamentów wymagają zastosowania specjalnie zaprojektowanego świdra przemieszczeniowego, który rozpychając istniejący grunt, tworzy przestrzeń, w jaką wtłacza się pod wysokim ciśnieniem mieszankę betonową. Świder zamontowany jest na maszynie wyposażonej w głowicę o dużym momencie obrotowym i dużym statycznym nacisku pionowym (ryc. 2).  Tłoczenie mieszanki betonowej rozpoczyna się w momencie osiągnięcia żądanej głębokości docelowej i odbywa się przez świder z otworem wewnętrznym. Podciąganie świdra wspomagane jest ciśnieniem tłoczonego betonu, gwarantując ciągłość kolumny. Podczas wiercenia rejestrowane są parametry wykonania kolumny, co umożliwia ciągłą kontrolę stanu gruntu w danym miejscu w porównaniu z dokumentacją geologiczną. Rezultatem monitoringu są metryki, w których zawarta jest informacja o profilu kolumny, poborze energii podczas wiercenia oraz momencie obrotowym świdra.

2.2. Teoria współpracy płyta – grunt – kolumna
Ogólną zasadą przy projektowaniu fundamentów typu płytowo-palowego jest uwzględnienie współpracy podłoża gruntowego zarówno z palami (tutaj kolumnami betonowymi), jak i płytą fundamentową. Redystrybucja obciążeń pomiędzy gruntem a palami zależy od kilku czynników, a mianowicie: sztywności konstrukcji budynku i płyty fundamentowej, sztywności pali i ich rozstawu, parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych gruntu.
Im wyższe parametry wytrzymałościowe gruntu i mniejsza sztywność pali, tym więcej obciążenia przekazywane jest na grunt pod płytą. Klasyczne podejście projektowe zakłada przyjęcie gruntu jako elastyczno-liniowego ośrodka modelowanego w postaci podatnych sprężyn o zadanej charakterystyce według definicji Winklera oraz pali jako podpór o określonej sztywności zależnej od ich relacji obciążenie – przemieszczenie. Schemat redystrybucji obciążeń przedstawiono na rycinie 3. Zastosowanie kolumn w przypadku fundamentu zespolonego służy ograniczeniu osiadań całkowitych oraz różnicowych
konstrukcji. Ze względu na fakt, że kolumny pod płytą fundamentową mają na celu zminimalizowanie osiadań, a siły w nich są reakcjami wywołanymi podczas osiadania konstrukcji, w fundamentach zespolonych nie ma potrzeby sprawdzania nośności pojedynczego pala (kolumny). Potwierdziły to liczne
analizy numeryczne, które wykazały, że fundamenty płytowopalowe nie wykazują takiego załamania krzywej osiadania, jak pal w stanie granicznym. Dodatkowo mamy do czynienia z tzw. redystrybucją sił w palach, a mianowicie w palach bardziej podatnych czyli „słabszych” reakcje od osiadania będą mniejsze niż w palach „mocniejszych”, przy czym sztywność konstrukcji i płyty powoduje wyrównanie osiadań.

2.3. Analiza przyjętego rozwiązania projektowego
Przyjęte rozwiązanie obejmowało wykonanie pod płytą fundamentową kolumn betonowych CMC o średnicy 400 mm, w rozstawie od 1,5 m x 1,5 m do 2,0 m x 2,0 m, o zróżnicowanej długości – od 6,0 m do 14,0 m. Zróżnicowanie rozstawu i długości kolumn było uwarunkowane zmiennością rozkładu obciążeń przekazywanych przez płytę fundamentową i miało za zadanie zapewnienie zminimalizowania osiadań różnicowych konstrukcji. W zakresie lokalizacji najwyższych obciążeń zaprojektowano kolumny najdłuższe rozmieszczone w najmniejszym rozstawie. Kolumny ulegały skróceniu i rozrzedzeniu w kierunku malejących obciążeń. Kolumny w celu redukcji osiadań pod płytą mogą być rozmieszczone w dwojaki sposób:

• lokalnie w miejscu występowania sił punktowych, aby zapobiegać miejscowym odkształceniom płyty;
• równomiernie pod całością płyty z zastosowaniem dłuższych pali w środku ze względu na spodziewane największe osiadania w centrum fundamentu (w przypadku obciążenia równomiernego).
  W celu prawidłowego rozmieszczenia kolumn korzystano z mapy odporów, które otrzymano na podstawie analizy zagadnienia brzegowo-początkowego posadowienia płyty na niewzmocnionym podłożu, przy uwzględnieniu parametrów sztywności płyty, zmienności obciążeń oraz podatności podłoża gruntowego. Odpory różnicowały się lokalnie w zakresie od 300 kPa do 50 kPa. Analiza wykazała, że w przypadku posadowienia konstrukcji na samej płycie fundamentowej, osiadania budynków byłyby nierównomierne i mogłyby przekroczyć 100 mm. Tak duże osiadania stwarzałyby zagrożenie zarysowania płyty i samej konstrukcji budynku. Na podstawie obliczeń wykazano, że zastosowanie kolumn betonowych CMC® pozwoli zminimalizować prognozowane osiadania do maksymalnie 35 mm oraz wpłynie w znaczący sposób na ich wyrównanie na rozpiętości płyty.

W celu analizy charakterystyki obciążenie – osiadanie zaprojektowanych kolumn betonowych, przeprowadzono próbne obciążenia statyczne metodą belki odwróconej. Należy podkreślić, że badanie nie miało na celu weryfikacji granicznej nośności pali, jak to mam miejsce w przypadku klasycznych fundamentów palowych zwieńczonych oczepem. W związku z powyższym nieracjonalne byłoby obciążanie kolumn obciążeniem równym półtorakrotnej wartości granicznej nośności
pala (1,5 Nt), jak stanowi polska norma palowa PN-83/B-02482. Wartość obciążenia do badania została określona jako półtorakrotność obciążenia przypadającego na kolumnę oszacowanego w projekcie. Rycina 4 przedstawia krzywe wynikowe z próbnego obciążenia, które ilustrują charakterystykę pracy pojedynczej kolumny betonowej pod wpływem przyłożonego obciążenia.

Zaprezentowane podejście projektowe przy okazji realizacji budynków w Kielcach przy ul. Solnej jest ekonomicznym i bezpiecznym sposobem posadowienia obiektów średniowysokich na fundamentach typu płytowo-palowego. Podejście obliczeniowe polegające na uwzględnieniu współpracy zarówno płyty, jak i kolumn betonowych z podłożem gruntowym pozwala w znacznym stopniu zoptymalizować koszty związane z posadowieniem. W efekcie inwestorzy coraz częściej podejmują się inwestycji na terenach, gdzie zalegają ściśliwe grunty słabonośne.