Jakub Saloni, Bartosz Witkowski, Kuba Jakubowski Menard Sp. z o.o.

Wzmocnienie podłoża w budowli i fundamentów wielu przypadkach wykonywane jest także pod obiektami posadowionych poniżej poziomu wody gruntowej. Przypadki takie mogą powodować znaczące problemy wykonawcom i projektantom. Do tego typu zadań konieczne jest prawidłowe zaprojektowanie i wzmocnienie podłoża (najczęściej poprzez przeprowadzanie robót ziemnych z wykorzystaniem kolumn lub pali) wraz z odwodnieniem. Głębokość odwodnienia wykopów zwykle zdeterminowana jest przez poziom posadowienia spodu warstwy transmisyjnej. Projekt odwodnienia terenu musi być odpowiednio osadzony w realiach rzeczywistej technologii oraz określonych metod wykonania odwodnienia wykopu wraz z zabezpieczeniem go.

Pierwszym etapem są odpowiednie badania geotechniczne gruntu określające nie tylko rodzaj badanego podłoża, ale także precyzyjnie obrazujące parametry wytrzymałościowe i filtracyjne poszczególnych warstw. Należy zwrócić szczególna uwagą na możliwość występowania zwierciadła napiętego oraz kilku poziomów wodonośnych. Poziom zwierciadła wody gruntowej może zmieniać się w czasie nawet o kilka metrów, warto bazować zatem na badaniach wykonanych w różnych okresach czasu i porach roku. Wskazany jest montaż i regularna obserwacja piezometrów, oraz sondowania statyczne, czyli badania geotechniczne gruntu sondą CPTU z pomiarem ciśnienia wody w porach. Pomocny w badaniu filtracji jest test dyssypacji ciśnienia porowego wykonywany również przy pomocy sondy CPTU.

W skład dokumentacji projektowej – projektu geotechnicznego – musi wejść starannie przygotowany projekt, który musi zawierać odwodnienie wykopu. Projekt odwodnienia należy odpowiednio zsynchronizować z projektem wykopu, oraz wzmocnienia podłoża lub palowania w jego podstawie. W efekcie w skład projektu geotechnicznego może wchodzić nawet kilka różnych opracowań wykonanych przez różnych autorów. Kompletność i wzajemna synchronizacja dokumentacji musi został zapewniona przez osobę lub jednostkę koordynującą proces projektowy, posiadających do tego niezbędne kwalifikacje. Projektowanie geotechniczne to cały szereg specyficznych procesów składający się na wszystkie etapy realizacji robót budowlanych. W przypadku zmiany technologii realizacji robót bądź metod odwodnienia wykopów, każdorazowo należy sprawdzić czy powstałe opracowania nie wymagają aktualizacji, w szczególności przewidzenia innych lub dodatkowych faz realizacji lub dodatkowych obliczeń. Staranności wymaga określenie wszystkich poziomów roboczych, poziomów elementów konstrukcyjnych oraz weryfikacja zgodności danych rysunkowych z założeniami będącymi podstawą obliczeń.

W przypadku prowadzenia robót ziemnych przy projekcie geotechnicznym powiązanych z wykonaniem wykopów projektant powinien posiadać wiedze na temat sprzętu który zostanie zastosowany do realizacji robót. Ciężki sprzęt do prowadzenia robót geotechnicznych cechują konkretne zasięgi wiercenia lub pogrążania narzędzi do wykonania robót oraz odmienna statyka przekładająca się rozkład naprężeń pod gąsienicami. Dane te należy uwzględnić przy wykonaniu projektu platformy roboczej.
Dodatkowe obciążenia wykopu lub naziomu powyżej wykopu należy uwzględnić przy obliczeniach ścian oporowych, stateczności ścian i dna wykopu.

O czym należy pamiętać:

    • Odpowiednie badania geologiczne i hydrogeologiczne
    • Odpowiednia koordynacja projektów geotechnicznych

– Wzmocnienia/palowania
– Wykopu
– Odwodnienia

  • Spójność obliczeń i rysunków
  • Uwzględnienie wszystkich realizacji
  • Projekt platform roboczych
  • Realizacja robót zgodnie z wymaganiami projektów geotechnicznych

Wymagana i odpowiednia jakość wykonania robót ziemnych powinna być starannie wyspecyfikowana. W przypadku robót geotechnicznych niedokładność prac na jednym etapie może wpłynąć destruktywnie na roboty już wykonane lub prace następujące. Dla przykładu: gdy projekt odwodnienia gruntu przewiduje lub dopuszcza przerwy w pompowaniu aspekt ten i związana z nim zmiana rozkład sił powinien zostać uwzględniony w innych opracowaniach, np. w projekcie wykopu lub w projekcie palowania. Analogicznie w przypadku gdy rozwiązanie nie dopuszcza przerw w projekcie odwodnienia terenu wykonawca powinien zapewnić jego ciągłość, w tym odpowiedni sprzęt tj. specjalne platformy robocze a także zasilanie awaryjne.

W ostatnich latach popularność zyskało wzmacnianie gruntu przez kolumny CMC, wierconymi świdrem CFA lub podobnymi. W wielu przypadkach technologia ta pozwala na szybkie i ekonomiczne posadowienie różnego rodzaju obiektów budowlanych. Niestety wraz z coraz szerszym stosowaniem technologii kolumn betonowych CMC, pojawią się również aplikacje obarczone błędami projektowymi. Projektanci często pomijają znaczenia znaczenie precyzyjnego określenia sił na wszystkich etapach wykonania robót oraz weryfikacji wytrzymałości wewnętrznej i zewnętrznej w doniesieniu do przewidywanych naprężeń. lub niewłaściwie zrealizowane przez różnych uczestników procesu budowlanego. Często bezpośrednią przyczyną jest wykonanie robót ziemnych w tym wykopów i towarzyszącego im odwodnienia.
W poniższym artykule przytoczono charakterystyczne przykłady błędów jaki pojawiły się na etapie realizacji wzmocnienia podłoża, w poziomie wykopu, dla różnego rodzaju obiektów budowalnych.

Przypadek 1.
Przedmiotem projektu było wykonanie żelbetowego obiektu przemysłowego z częścią nadziemną i podziemną w rejonie pasa nadmorskiego Pomorza Zachodniego. Fundament obiektu stanowiła płyta żelbetowa posadowiona na betonowych kolumnach typu CFA wykonanych z poziomu terenu istniejącego. Po wykonaniu kolumn przewidziano wykop budowalny o głębokości ok 8 m obudowany stanowymi ściankami szczelnymi z rozporami. Przewidziano odwodnienie za pomocą studni. Projekt zakładał pompowanie wody z wykopu w trybie ciągłym bez przerw, w związku z tym to założenie przyjęto jako wyjściowe przy wykonaniu wzmocnienia dna wykopu kolumnami sztywnymi typu CFA. W praktyce kolumny w wykopie zostały przewidziane na siły ściskające wynikające z maksymalnego obciążenia pionowego czyli od ciężaru obiektu w fazie docelowej. Z uwagi na siły wyciągające określone dla jednej z faz budowy – bezpośrednio po wykonaniu płyty dolnej i wyłączeniu odwodnienia, wybrane kolumny zostały zazbrojone na siły wyciągające. Z uwagi na kwestie budżetowe zasadnicza cześć kolumn nie została zazbrojona, co w oparciu o informacje przyjęte na poziomie założeń d projektu geotechnicznego nie było potrzebne. W rzeczywistości wykonawca odwodnienia nie był wstania przewidzieć ciągłości pompowania z uwagi na awarie pomp i braki w dostawie energii. Po wstępnym odwodnieniu wykopów budowlanych wielokrotnie dochodziło do podnoszenia dna wykopu w wyniku działania podniesienia się zwierciadła wód gruntowych, a następnie zalewania wykopu. Wykonane kolumny posiadały wystarczająca nośność zewnętrzną , jednak nie zostały zweryfikowane na okoliczność wytrzymałości wewnętrznej, dla sił działających w kierunku od dna wykopu. W wyniku uniesienia dna wykopu, doszło do przerwania niezbrojonych kolumn i podniesienia ich głowic. Na efekt utracenia ciągłości przez kolumny mogła też dodatkowo wpłynąć źle zaprojektowana platforma robocza, co skutkowało niestarannym wykonywaniem wykopu pomiędzy kolumnami przez wykonawcę robót ziemnych. Przeprowadzane obciążenia próbne pokazały iż nośność pionowa kolumn uzyskiwana była dopiero po fazie fizycznego dopchnięcia górnej części kolumny do dolnej, czyli po przemieszczeniu kolumny o wartość kilku centymetrów. Na osiadania o tej wartości nie była gotowa zaprojektowana konstrukcja obiektu. W efekcie wykonawca musiał przewidzieć ponowne odwodnienie wykopu i odtworzenie wzmocnienia dna wykopu w innej technologii.

Wykop wraz z głowicami kolumn wykonanymi z poziomu terenu, w trakcie przerw w odwodnieniu wykopu.

Przerwane kolumny po uniesieniu dan wykopu.

Przypadek 2.
Wzmocnienie podłoża dotyczyło odcinka nasypu drogowego w ciągu drogi krajowej w Polsce północnej w tym wzmocnienie słabonośnego gruntu pod przepustem wykonanym z profili z blachy falistej. W omawianym przypadku betonowe kolumny CMC zostały przewidziane na siły w fazie budowy pod warunkiem zabezpieczenia a stateczności ścian i dna wykopu pod przepust oraz na siły w fazie docelowej. . Projekt rozparcia wykopu i projekt odwodnienia komunikacyjnego nie zostały jednak wykonane poprawnie w konsekwencji czego nie zastosowano ścianek szczelnych sięgających na odpowiednią głębokość tj. poniżej dna wykopu. W zamian zastosowana została przez wykonawcę technologia rozparcia ścian wykopu za pomocą szalunków systemowych. Dla wybranej metody nie przeprowadzono jednak specyficznych badań geotechnicznych, a także obliczeń weryfikujących stateczność dna wykopu ani nie sprawdzono obliczeniowo wpływu oddziaływania odwodnienia wykopu na kolumny wzmocnienia podłoża. W efekcie doszło do wyparcia dna wykopu w kierunku „do środka” oraz do przemieszczenia poziomego głowic kolumn CMC w kierunku do osi wykopu w wyniku czego większość kolumn znajdujących się w wykopie i kilka rzędów znajdujących się poza jego granicami utraciły swoje właściwości nośne. Co ciekawe, wykonane odkrywki wskazywały, że nośność zachowały kolumny znajdujące się dokładnie w osi wykopu, co było efektem działania sił od wyparcia w kierunkach znoszących się wzajemnie czyli do osi wykopu. Z uwagi na przejęcie całości obciążeń jedynie przez kolumny znajdujące się w osi obiektu czyli w następstwie nieprawidłowego doboru metody zabezpieczenia głębokich wykopów wykonany już przepust doznał znacznych osiadań i odkształceń. Obiekt należało rozebrać jeszcze przed jego odbiorem, a roboty wzmocnieniowe dla znacznego obszaru musiały zostać w całości odtworzone

Przypadek 3.
Zaprojektowano wzmocnienie w technologii niezbrojonych kolumn betonowych CMC pod nasypami dojazdowymi do obiektu mostowego. Zastosowano posadowienie przyczółków na palach zbrojonych. Nie przeanalizowano problematyki odwodnienia wykopów pod materac geosyntetyczny znajdujący się na styku z przyczółkiem mostowym. Poziom wód gruntowych, wykopu i planowanego odwodnienia nie zostały właściwie zbadane i określone. W wyniku tego, że zlekceważono specjalnie zaleconą metodę odwadniania wykopów określoną poprzez zlecone badania hydrologiczne zastosowano jedynie odwodnienie powierzchniowe w miejsce koniecznego odwodnienia wgłębnego. Nie doszło do określenia założeń projektu w fazie wykonania wykopu. Nie sprawdzono efektów oddziaływania obniżonego odwodnienia na niezbrojone kolumny betonowe. Po wykonaniu wykopu wykonano próby nośności pionowej kolumn betonowych CMC które wykazały znaczące osiadania wynikające z oderwania i przemieszczenia głowic kolumn w kierunku do góry. Dodatkowo nieprawidłowe odwodnienie spowodowało wymycie gruntu z pomiędzy pali pod przyczółkiem. Efektem było zastosowanie planu naprawczego. Co ciekawe nowo zaprojektowana warstwa transmisyjna została posadowiona na znacząco wyższej rzędnej w wyniku czego było możliwe wykonanie dużo płytszego wykopu i całkowite unikniecie procesu odwodnienia.