Wzmocnienie podłoża gruntowego kolumnami DR na przykładzie Trasy Siekierkowskiej

1. Wstęp
Niezbędnym i pilnym zadaniem przy budowie Trasy Siekierkowskiej w Warszawie była realizacja odcinka po stronie praskiej od ul. Bora-Komorowskiego do węzła Marsa. Z uwagi na warunki podłoża (grunty organiczne) oraz termin realizacji (koniec 2005r.) zdecydowano się na zastosowanie metody wymiany dynamicznej poprzez wykonanie kolumn DR (dynamic replacement). Dotyczyło to odcinka gdzie miąższość gruntów słabonośnych przekraczała 3-4m W miejscach, gdzie występowanie gruntów organicznych było płytsze zdecydowano się na wymianę gruntów poprzez tzw. bagrowanie. Wykonanie wzmocnienia dynamicznego, miało na celu głównie przyśpieszenie konsolidacji gruntów organicznych obciążonych nasypem drogowym tak, by jak najszybciej możliwe było spełnienie warunków nośności i osiadań przy obciążeniu użytkowym nasypem i drogą. Wzmocnienie wykonała firma Freyssinet Polska, pod nadzorem geotechnicznym Instytutu Techniki Budowlanej.

2. Warunki gruntowo-wodne
Zagospodarowywany teren znajduje się na terenie tarasu zalewowego Wisły. Na całym nowobudowanym odcinku trasy zalegały osady akumulacji rzecznej mady (gliny pylaste) oraz namuły organiczne. Namuły – grunty organiczne (warstwa II) zalegały pod ok. 1m miąższości warstwą mady lub częściowo bezpośrednio pod powierzchnią terenu. Ich stan został określony w pierwotnej dokumentacji jako miękkoplastyczny – IL~0,60, wilgotność naturalna ok. 70%. Dla warstwy III (mady pylaste) średnie IL = 0,25-0,49 – stan plastyczny. Maksymalna głębokość zalegania gruntów organicznych wynosiła ok. 4 metry poniżej powierzchni terenu. Poniżej warstwy gruntów organicznych zalegają piaski średnie i grube ze żwirem, średniozagęszczone (ID = 0,50-0,65). I poziom wód gruntowych występował okresowo na powierzchni na warstwie mad i namułów, II poziom kształtuje się pod warstwą gruntów organicznych, w piaskach na głębokości ok. 4-6 m ppt. i ma charakter napięty (rys.1).

3. Technologia wykonania kolumn DR
Z uwagi na krótki czas realizacji zdecydowano, iż część nasypów drogowych posadowiona zostanie na podłożu wzmocnionym metodą wymiany dynamicznej. Metoda dynamicznej wymiany jest konsekwentnym rozwinięciem techniki dynamicznej konsolidacji w wariancie stosowanym przez Louisa Menarda. Przy użyciu identycznego sprzętu i podobnej technologii, możliwe jest wzmacnianie gruntów, w przypadku których
dynamiczna konsolidacja gruntu okazuje się w pełni nieefektywna. Z powodzeniem technologię dynamicznej wymiany stosuje się od lat w gruntach organicznych w namułach i torfach, czyli w gruntach zbliżonych do zalegających na obszarze budowanej trasy.
Technologia wymiany dynamicznej polega na wykonaniu w spoistym gruncie wielkośrednicowych słupów z materiału okruchowego (rys.2.).

Zdecydowano iż w omawianym przypadku słupy, formowane będą poprzez wbijanie specjalnie dobranego kruszywa ubijakiem o ciężarze 12 ton upuszczanym z wysokości 20m. Do podnoszenia i opuszczania ubijaka zastosowano dźwig kratowy o nośności – 70t wyposażony w urządzenie wolnospadowe (Fot.1.).

Rozpoczęcie procesu ubijania następowało na powierzchni uformowanej platformy roboczej, która stanowiła nie zagęszczona warstwa z gruntu niespoistego (miąższości ok. 1m), umożliwiająca poruszanie się ciężkiego sprzętu.
Wykonanie pojedynczej kolumny składało się z kilku serii uderzeń. Na powierzchni platformy roboczej wykonywano pierwsza serię uderzeń w wyniku której powstawał krater o głębokości ok. 2.m. Średnica krateru w górnej jego części, w większości przypadków wynosiła ok. 2,5 zaś w pobliżu jego dna ok. 1,5 m. W następnej kolejności do wnętrza krateru dosypywano porcję kruszywa, a następnie wykonywano uderzenia do momentu przesunięcia dna kolumny. Kolejne fazy: dosypywanie kruszywa do wykopu i dalsze uderzenia powtarzane były do momentu wyraźnej redukcji wpędu (zgłębienia ubijaka) w stosunku do faz poprzednich. W wielu przypadkach koniec formowania kolumny sygnalizował głuchy odgłos połączony z nagłym zmniejszeniem wartości wpędu ubijaka co świadczyło, że dalsze przesunięcie dna słupa jest niemożliwe.
Zakończenie formowania kolumny sprowadzało się do całkowitego wypełnienia krateru i zagęszczenia górnej części kolumny za pomocą serii uderzeń. Zagęszczanie kolumny w ostatniej fazie kończone było w chwili gdy grunt znajdujący się zaczynał się wyraźnie podnosić. Średnie podniesienie terenu w otoczeniu kolumny wynosiło ok. 15cm (Fot.2.).

Zauważono, iż w przypadku dalszego wykonywania uderzeń możliwe jest wbijanie do rdzenia kolumny kolejnych porcji kruszywa, wiązało się to jednak z silnym wypiętrzaniem terenu (nawet powyżej 50 cm) wokół słupa
co wskazywało na efekt znacznego wypierania (zwiększania średnicy) kolumny w górnej jej części.
Kolumny wykonywane były na siatce kwadratów z przesunięciem co drugi rząd. Teren podzielono na dwa odcinki – w pierwszej części, obciążonej nasypem o wysokości powyżej 4,5m zastosowano siatkę kolumn o wymiarach 5 x 5m, zaś w części drugiej 5,5 x 5,5m.
Jako materiału do formowania kolumn używane było kruszywo przygotowywane na terenie budowy. Wykorzystywano materiały z rozbiórki: kruszony gruz betonowy, zmieszany w stosunku 1:3 z piaskiem średnim.
Końcowym etapem było zagęszczenie platformy roboczej i wierzchniej warstwy gruntu, o orientacyjnej miąższości ok. 2m. Nastąpiło to w wyniku ubijania powierzchniowego tzw. „ironingu”. Proces ten następował przy użyciu ubijaka o płaskim kształcie i podstawie kwadratowej. Pojedyncze uderzenia wykonywane były na siatce dwukrotnie gęstszej, w ten sposób by z podstawą ubijaka zetknęło się 50% wzmacnianej powierzchni. Po tej procedurze, powierzchniowa warstwa podłoża (ok. 50 cm) lub platformy roboczej była w dalszym ciągu lekko rozluźniona. Koniecznym zatem było wykonanie klasycznego zagęszczenia za pomocą ciężkich walców wibracyjnych – stosowane było 4 przejścia walca po 1 śladzie, z uwzględnieniem wilgotności optymalnej (zraszanie).
4. Obliczenia i pomiary osiadań
Przed wykonaniem wzmocnienia wykonano obliczenia mające na celu uzasadnienie wyboru wyżej opisanej metody oraz jej skuteczności, głównie ze względu na przyśpieszenie prac. Z jednej strony należało przyspieszyć konsolidację ściśliwych gruntów organicznych, a z drugiej na tyle poprawić nośność podłoża, by bezpośrednio po wykonaniu nasypu można było kontynuować prace związane z wykonywaniem nawierzchni drogi, bez ryzyka jej uszkodzenia. Należało podać wartości osiadań podłoża po obciążeniu nasypem oraz wyznaczyć min. wartość parametrów dla zaplanowanych kolumn.