Norbert Kurek, Karolina Trybocka, Anna Sienkiewicz, Menard Sp. z o.o.
Wibroflotacja, czyli zagęszczenie gruntu wgłębne w specyficznych warunkach gruntowych może okazać się ekonomiczna i bardzo skuteczna [3]. Technologia Wibroflotacji budzi jednak uzasadnione obawy, ponieważ występująca propagacja drgań może narażać pobliskie obiekty na niebezpieczne oddziaływania dynamiczne. W takich sytuacjach projektant poszukuje danych pomagających mu oszacować ryzyko związane z zastosowaną technologią generującą drgania w ośrodku gruntowo-wodnym. W artykule umieszczono wyniki pomiarów prędkości drgań, prowadzonych podczas wgłębnego zagęszczania metodą wibroflotacji piasków w początkowym stanie średnio zagęszczonym. Pomierzone dane zestawiono z wartościami dopuszczalnymi dla różnych typów konstrukcji.
Opis technologii VF
Wibroflotacja to wgłębne zagęszczanie gruntu niespoistego za pomocą sondy generującej wibracje w kierunku horyzontalnym. Pod wpływem cyklicznych drgań, które powodują powstawanie i rozchodzenie się fal w gruncie, następuje wzrost ciśnienia wody w porach gruntu. To prowadzi w początkowej fazie do lokalnego upłynnienia ośrodka gruntowego. Następnie ziarna gruntu zostają przemieszczone powodując ściślejsze ich ułożenie. Skutkuje to zmniejszeniem ilości porów w gruncie, czyli zmniejszenie wskaźnika porowatości, co za tym idzie grunt jest w stanie bardziej zagęszczonym. Grunt niespoisty ulega dodatkowemu zagęszczeniu podczas wycofywania wibroflotu (ku górze) w wyniku w/w drgań bocznych (horyzontalnych) oraz skrętnych. Metoda wibracyjna może być stosowana w średnich oraz grubych piaskach o zawartości cząstek ≤0.063mm mniejszej niż 10%, zawartości cząstek ≤0.002mm mniejszej niż 2% oraz wskaźniku różnoziarnistości U>2,5. Zawartość cząstek pylastych jest kluczowym parametrem, który decyduje o możliwości zastosowania tej metody zagęszczania gruntu. Duża zawartość cząstek pylastych powoduje, że naprężenia ścinające generowane przez wibrator nie są przekazywane tak skutecznie, a drgania są bardzo mocno tłumione [1]. Powoduje to również ograniczenie ruchu cząstek, który jest niezbędny do zagęszczania [2]. Dodatkowo cząstki gruntu spoistego zostają zawieszone w wodzie powodując powstanie błony na ścianach otworu oraz mieszają się z materiałem ziarnistym dodawanym do otworu w trakcie fazy zagęszczania co ma negatywny wpływ na proces zagęszczania. Grunty spoiste nie są podatne na zagęszczanie dynamiczne, wówczas alternatywą są inne technologie np. kolumny CMC, kolumny żwirowe, konsolidacja gruntu itp.
Opis warunków geologicznych
Zamieszczone w artykule pomiary drgań pochodzą z terenu położonego centralnej Polsce, na którym wykonywano wgłębne zagęszczenie gruntów w technologii wibroflotacji. Na przedmiotowym obszarze w podłożu gruntowym występowały głównie piaski średnie oraz grube z przewarstwieniami piasków drobnych. W stanie pierwotnym stopień zagęszczenia ID wynosił od 0,25 do 0,75. Wraz z głębokością stopień zagęszczenia gruntów niespoistych wzrastał, dodatkowo znaczny przyrost ID zaobserwowano pod poziomem zwierciadła wody gruntowej. Wskaźnik różnoziarnistości kruszywa U= d60/d10 mieścił się w zakresie od 3 do 5. Swobodne zwierciadło wody gruntowej występowało na poziomie ok. 4,5m poniżej poziomu platformy roboczej. Schematyczny przekrój geologiczny zamieszczono na rysunku (Rys.1).
Metodologia wibroflotacji oraz pomiaru drgań
Zagęszczanie gruntu wykonano za pomocą wibroflota swobodnie podwieszonego do dźwigu. Wykorzystano wibrator typu V23 o mocy 130 kW, częstotliwości 30 Hz oraz amplitudzie drgań 23mm. Punkty wibroflotacji rozmieszczone były w układzie siatki trójkątnej o długości boku trójkąta ok. 2,8m. Głębokość zagęszczenia wgłębnego względem rzędnej platformy roboczej wynosiła od 6 do 9m.
Do pomiarów wykorzystywano mierniki poziomu dźwięku i drgań z przetwornikami, kalibrator drgań mechanicznych, osprzęt, okablowanie oraz odpowiednie oprogramowanie. Pomiary oraz analizę drgań wykonało Laboratorium Badawcze firmy SVANTEK Sp. z o.o. Drgania rejestrowano na trzech głównych osiach X, Y (kierunki poziome) i Z (kierunek pionowy). Szczytowe prędkości drgań (PPV) rejestrowano w mm/s. Czujniki pomiarowe zostały rozmieszczone w trzech konfiguracjach:
- Pomiary drgań prowadzono w systematycznych odległościach: cztery czujniki pomiaru drgań umieszczone na podkładach betonowych w odległościach od miejsca prowadzonych robót: 5m, 10m, 20m oraz 50m (Rys.2) – tzw. poletko testowe.
- Pomiary drgań istniejących konstrukcji: nasyp kolejowy (28m), studzienka kanalizacji deszczowej (11m), żelbetowa ściana hali magazynowej (18m), fundament estakady (50m).
- Pomiary drgań istniejących konstrukcji w okresie 2 tygodni prac.
Wyniki pomiarów w odniesieniu do wymagań normowych
Przykładowy wykres rejestrowanych prędkości drgań w czasie zamieszczono poniżej (Rys.3).
Polska norma [5] podaje zasady wyznaczania odpowiedzi budynku na wymuszenie kinematyczne. W normie zalecana jest dokładna analiza konstrukcji w modelu przestrzennym budynku (MES): Siły bezwładności oraz wywołane nimi przemieszczenia i naprężenia w elementach konstrukcji należy wyznaczyć w modelu budynku według zasad dynamiki budowli przyjmując wymuszenie kinematyczne. Norma podaje również metody uproszczone analizy dynamicznej oraz skale wpływów dynamicznych dla budynków murowych oraz dla budynków z wielkowymiarowych elementów prefabrykowanych.
W celach informacyjnych na rysunkach nr 4 oraz nr 5 przywołano odpowiednio wytyczne niemieckie [6] oraz francuskie [7], które w fazie wstępnej analizy mogą mieć praktyczne zastosowanie.
Wykres prędkości drgań i ich częstotliwości w odniesieniu do krzywych normowych L1 (budynki biurowe, przemysłowe), L2 (zabudowa mieszkaniowa), L3 (konstrukcje wrażliwe na drgania) wg normy niemieckiej [6], dla punktu zlokalizowanego w odległości 20m od wibroflotacji (P3).
Wykres prędkości drgań i ich częstotliwości w odniesieniu do krzywych zaczerpniętych z francuskiego rozporządzenia [7] dla konstrukcji odpornych, wrażliwych i bardzo wrażliwych na drgania.
Rysunek 6 prezentuje szczytowe wartości prędkości drgań (PPV) (wektory wypadkowe) w funkcji odległości od wibroflotacji. Na wykresie linią przerywaną zilustrowano formułę opisującą wartość maksymalnych prędkości drgań w zależności od odległości od źródła drgań.
Należy zaznaczyć, iż z uwagi na równoległe prowadzenie innych robót oraz ruch pojazdów na analizowanym ternie, pomiary odzwierciedlają również oddziaływanie pochodzące z innych źródeł drgań. Pomiary rejestrowane na skutek gwałtownych porywów wiatru zostały pominięte w analizie.
Prędkości drgań maleją w funkcji potęgowej wraz z odległością od źródła. W danych warunkach gruntowo-wodnych w odległości większej niż 10m od źródła drgań, nie stwierdzono wyższych wartości prędkości drgań niż 25 mm/s. W odległości większej niż 20m od źródła drgań pomierzone wartości PPV wynosiły mniej niż 7 mm/s.
Biorąc pod uwagę częstotliwość drgań od 0 do 30 Hz, prędkość drgań nie przekroczyła wartości dopuszczalnych dla budynków biurowych oraz przemysłowych wg DIN 4150-3 (PPV < 20mm/s) we wszystkich punktach pomiarowych w odległości równej i większej niż 10m. Na obszarze badawczym nie było budynków mieszkalnych ani innych obiektów o podobnym przeznaczeniu, jednak z badań wnioskować można, że w danych warunkach gruntowo-wodnych tego typu budynki zlokalizowane w odległości większej niż 25 m znajdowałyby się w strefie bezpiecznej pod względem propagacji drgań. Odległość 60m można przyjąć jako odległość bezpieczną dla konstrukcji wrażliwych na drgania, ponieważ wartości PPV nie przekroczyły 2mm/s.
Podsumowanie
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów prędkości drgań rozchodzących się fal generowanych podczas zagęszczania wgłębnego gruntów niespoistych w technologii wibroflotacji. Uzyskane wyniki pomiarów nie odbiegają od wyników pomiarów zanotowanych na innych poletkach badawczych dla danej technologii [4]. W związku z powyższym można je uznać za miarodajne dla analizy zastosowania technologii wibroflotacji pod kątem drgań przekazywanych na sąsiadujące obiekty w podobnych warunkach gruntowo-wodnych.
Należy podkreślić, iż w technologiach wibracyjnych każdorazowo zalecany jest pomiar i analiza wpływu drgań na konstrukcje znajdujące się w okolicy prowadzonych robót. Analizując możliwość zastosowania technologii wibracyjnych należy uwzględnić, że podczas prowadzenie robót rozchodząca się fala powoduje zagęszczenie gruntu na obszarze przyległym. Zjawisko to bada się osobno wykonując pomiary osiadań na poletku testowym. Otrzymane wartości porównuje się z zakresami referencyjnymi dla sąsiadujących obiektów. W przypadku spodziewanych nadmiernych drgań lub osiadań, konieczne jest dokonanie modyfikacji parametrów technologicznych lub zastosowanie rozwiązań, które spowodują tłumienie wibracji.