Posadowienie obiektów handlowych na wzmocnionym podłożu metodą wymiany dynamicznej

Posadowienie wielkość powierzchniowych obiektów komercyjnych w wielu przypadkach stanowi poważny problem zarówno technologiczny jak również ekonomiczny. Mimo stosunkowo niewielkich (w porównaniu z obiektami kubaturowymi, czy konstrukcjami inżynierskimi) obciążeń przekazywanych z takiej konstrukcji na grunt, rozwiązanie problemu słabego podłoża zajmującego często obszar kilku hektarów powoduje konieczność zaangażowania zaawansowanych rozwiązań projektowych w połączeniu z precyzyjną kalkulacją kosztów zaproponowanego rozwiązania. W obliczu niezwykle kosztownych tradycyjnych metod posadowienia pośredniego na palach, jak również ich licznych ograniczeń technologicznych w przypadku natrafienia na nasypy antropogeniczne, nowe możliwości otwiera intensywny rozwój metod wzmocnienia podłoża gruntowego. Szczególnie atrakcyjną zarówno technologicznie (szybkość i niezawodność realizacji, nawet w skomplikowanych warunkach), jak również kosztowo, okazuje się metoda wymiany dynamicznej (w polskiej literaturze określana mianem kolumn kamiennych). Z uwagi na niewątpliwe atuty tej metody, mimo stosunkowo małego rozpowszechnienia w Polsce, metoda wymiany dynamicznej, była już wielokrotnie stosowana w celu posadowienia obiektów handlowych w skomplikowanych warunkach antropogenicznego podłoża.
Technologia wymiany dynamicznej polega na wykonaniu w spoistym gruncie wielkość średnicowych kolumn z kruszywa. W tym celu wykorzystuje się urządzenia, które umożliwiają swobodny zrzut znacznej masy tzw. ubijaka z dużej wysokości w ściśle wytyczony punkt. Przed przystąpieniem do procesu dynamicznej wymiany na placu budowy wykonuje się platformę roboczą o grubości 0,3 – 0.8 m z gruntu niespoistego, która spełnia istotną rolę w procesie wzmacniania podłoża. Ułatwia ona odprowadzenie wody wyciskanej w czasie ubijania oraz zapobiega jej gromadzeniu na powierzchni i powstawaniu błota. Ponadto dociąża ona słaby grunt w podłożu, ograniczając jego wypieranie. Z poziomu platformy roboczej formuje się w podłożu słabonośnym kolumny z kruszywa. Zagęszczenie standardowo wykonuje się w dwóch fazach. W pierwszej fazie realizuje się co drugą kolumnę, w drugiej fazie – pozostałe. Na wykonanie pojedynczej kolumny składa się kilka serii uderzeń. Wykonanie pierwszej serii uderzeń polega na wybiciu kilkoma udarami krateru w podłożu, który uzupełnia się materiałem formującym kolumnę. Jeśli przypowierzchniowa warstwa gruntu jest na tyle zwarta, iż skutecznie utrudnia wbijanie kruszywa w głąb słabych warstw, wykonuje się, przy pomocy koparki hydraulicznej, płytki wykop wypełniany kruszywem mineralnym. Następnie wykonuje się uderzenia do momentu wyraźnej redukcji wpędu (zagłębienia) ubijaka w stosunku do poprzednich uderzeń. Kolejne fazy uderzeń oraz dosypywania kruszywa do wykopu powtarza się do momentu uformowania kolumny wymiany dynamicznej do żądanej rzędnej – stropu warstwy gruntu nośnego lub, w przypadkach uzasadnionych względami projektowymi, nieco płyciej. Często koniec formowania kolumny sygnalizuje głuchy odgłos połączony z nagłym zmniejszeniem wartości wpędu ubijaka, co świadczy o tym, że dalsze przesunięcie dna kolumny jest niemożliwe.
Zagęszczanie platformy roboczej i wierzchniej warstwy gruntu o orientacyjnej miąższości ok. 2 m następuje w wyniku ubijania powierzchniowego tzw. „ironing’u”.

Proces ten następuje przy użyciu ubijaka o płaskim kształcie i podstawie kwadratowej. Pojedyncze uderzenia wykonywane są obok siebie w odległości równej wymiarowi zewnętrznemu podstawy ubijaka, w ten sposób by objęły swoim zasięgiem całą wzmacnianą powierzchnię. Jeśli po tej procedurze wierzchnia warstwa gruntu jest w dalszym ciągu niedogęszczona, koniecznym jest wykonanie klasycznego zagęszczenia za pomocą ciężkich walców wibracyjnych.
Na podstawie doświadczeń z przeprowadzonych realizacji sprecyzowano następujące zalety potwierdzające wysoką skuteczność metody wymiany dynamicznej:
-wysoka wytrzymałość na ścinanie i mała odkształcalność uformowanych w słabym gruncie kolumn;
-poprawienie wartości mechanicznych gruntu pomiędzy kolumnami mające miejsce zarówno w czasie kompakcji jak i po zakończeniu wbijania kolumn.
Stosowanie metody wymiany dynamicznej wymaga odpowiedniego podejścia
projektowego popartego badaniami in-situ i doświadczeniem wykonawczym. W przypadku dużych powierzchni sklepowych podstawowy problem techniczny polega na zapewnieniu możliwie najmniejszych odkształceń podłoża często znacznie obciążonych posadzek. Praktyka pokazuje, iż stosowanie do celów obliczeniowych obciążenia równomiernie rozłożonego, działającego przez nieskończenie długi okres, daje stosunkowo duże zapasy bezpieczeństwa, a rzeczywiste osiadania są najczęściej niższe od prognozowanych. Odmienne podejście wymagałoby wykonywania obliczeń w oparciu o trudną do wyobrażenia liczbę kombinacji obciążeń, z uwagi na fakt, iż rzeczywiste obciążenia mają charakter zmienny i ruchomy.
Warto w tym miejscu zauważyć, iż projektanci konstrukcji poświęcają duża uwagę fundamentom obiektu bagatelizując problem osiadania posadzek. W przypadku lekkich konstrukcji halowych obciążenia fundamentów są stosunkowo niewielkie, co wynika z lekkiej konstrukcji hali, podczas gdy na nie posiadającą funkcji konstrukcyjnej posadzkę oddziałują często skomplikowane kombinacje obciążeń .
Praktycznym przykładem zastosowania wymiany dynamicznej pod obiektem handlowym o stosunkowo dużych obciążeniach użytkowych na posadzkę jest realizacja hali Castoramy w Raciborzu. Inwestycja obejmowała budowę sklepu i magazynu z materiałami budowlanymi o powierzchni ok. 8500 m2.
Konstrukcja obiektu i warunki gruntowe.
Zaprojektowano obiekt o konstrukcji szkieletowej, niepodpiwniczony posadowiony na stopach i ławach żelbetowych wylewanych na mokro. Dla hali głównej wydzielono dwie strefy obciążenia użytkowego o wartościach obliczeniowych odpowiednie 70kPa i 20kPa.
Na znacznym obszarze terenu planowanego pod zabudowę występowały słabonośne nasypy niebudowlane o miąższości dochodzącej do 5÷7m. Warstwa ta powstawała od końca lat 80-tych ubiegłego wieku. W ramach rekultywacji dawnego zbiornika wodnego deponowane były grunty oraz inne materiały o zróżnicowanym składzie i własnościach, składające się w przewadze z mas ziemnych pochodzących z wykopów, remontu ulic, gruzu budowlanego i ceglanego, elementów stali zbrojeniowej i drutu, odpadów paleniskowych, a także odpadów o charakterze komunalnym.
Pod nasypami zalegały osady czwartorzędowe akumulacji rzeczno-zastoiskowej wykształcone jako gliny pylaste zwięzłe, piaski gliniaste i gliny pylaste Pomiędzy warstwami glin znajdowało się przewarstwienie o miąższości 0,5m÷2m z gruntów organicznych tj. namułów organicznych ilastych i pylastych w stanie miękkoplastycznym. Grunty nośne wykształcone były w postaci pospółek i żwirów (warstwa III) występujących dopiero poniżej głębokości 7,5 – 10,4 m ppt..
W projekcie wzmocnienia podłoża największy problem obliczeniowy stanowiła warstwa gruntów organicznych w stanie miękkoplastycznym. W celu weryfikacji oraz uzupełnienie informacji o parametrach podłoża gruntowego wykonano dodatkowe badania sondowania statyczne (CPTU) oraz DMT, na podstawie których oszacowano moduł odkształcenia namułów Eo = 2÷5 MPa.
Rozwiązanie
Pierwotne rozwiązanie przewidywało posadowienie fundamentów obiektu na kolumnach wykonanych w technologii iniekcji wysokociśnieniowej ( jet-grouting). Na pozostałym obszarze – pod posadzką obiektu zaproponowano zastosowanie podatnych kolumn kamiennych wykonanych w technologii wymiany dynamicznej
o bardzo małej średnicy 1m. Realny zasięg wzmocnienia małym lekkim ubijakiem do wymiany dynamicznej ( przy założeniu średnicy kolumny 0,8 – 1,0 m) nie przekracza najczęściej 3-4 m głębokości, podczas gdy głębokość zalegania warstw słabych znacznie przewyższa tą wartość. Różnica nakładów kosztowych i materiałowych pomiędzy podłożem posadzki a stóp fundamentowych skutkowała duża różnicą osiadań dla części budynku wzmocnionych w odmienny sposób. (znacznie obciążona posadzka na podatnych kolumnach i posadowione na niemal sztywnych inkluzjach stopy fundamentowe). W efekcie zaczęto rozważać zmianę rozwiązania.
W wyniku prowadzonej analizy zdecydowano o ujednoliceniu rozwiązania projektowego i zastosowaniu metody wymiany dynamicznej w wersji ciężkiej zarówno pod fundamentami jak i posadzką obiektu. Idea polegała na wykonaniu wzmocnienia podłoża w jego górnej części – czyli do głębokości 5-7m. Pominięto wzmocnienie w warstwach słabych gruntów spoistych, zalegających w przybliżeniu na głębokości 8-9m. W projekcie założono, iż obciążenie z konstrukcji przekazywane przez fundamenty oraz obciążenie użytkowe na posadzkę może spowodować dodatkowe osiadania podłoża zarówno pod fundamentami jak i posadzką budynku, jednak ze względu na jednorodny układ warstw podłoża nasypowego stwierdzono, iż osiadania te będą miały charakter równomierny.
Obliczenia współpracy obiektu z podłożem wykonano wykorzystujących metodę elementów skończonych. Pierwszy etap obliczeń miał na celu określenie parametrów wzmocnionego podłoża. Uwzględniano w nim poprawienie jego parametrów w wyniku znacznego zagęszczenia istniejących warstw jak również wykonania kolumn z gruboziarnistego kruszywa.