Wzmocnienie podłoża umożliwia efektywne wykorzystanie terenów zalegania gruntów słabonośnych, na których posadowienie bezpośrednie nie byłoby możliwe. Stanowi ekonomiczną alternatywę głębokiego fundamentowania zwanego potocznie palowaniem. Wzmocnienie podłoża bywa też realizowane w warunkach gruntowych, gdzie możliwe jest zaprojektowanie posadowienia bezpośredniego, ale celowe jest zwiększenie sztywności podłoża, aby zredukować osiadania obiektu, co pozwala na optymalizację konstrukcji. W rozrachunku finansowym inwestycji opłacalne okazuje się wówczas poniesienie dodatkowych kosztów na wzmocnienie gruntu, w zamian za oszczędności na wymiarach, grubości bądź stopniu zbrojenia fundamentu. Celem wzmocnienia podłoża jest zapewnienie spełnienia stanu granicznego nośności i użytkowalności posadowienia obiektu.
Wymagania związane ze wzmacnianiem słabego podłoża gruntowego
Wzmacniania podłoża budowli jest niezbędnym zabiegiem w przypadku gdy nie spełnia ono ustalonych wymagań, dotyczących warunków nośności, stateczności i przydatności do użytkowania. Cele wzmacniania podłoża zależą od rodzaju inwestycji i występujących na jej terenie warunków gruntowych. Można uszeregować w sposób następujący:
- zwiększenie nośności podłoża
- zmniejszanie osiadań budowli,
- zapobieganie utracie stateczności (poślizgom lub osuwiskom),
- zabezpieczenie skarp wykopów i ochrona pobliskich konstrukcji,
- zapobieganie upłynnianiu podłoża,
- stabilizacja struktury podłoża,
- łagodzenie skutków deformacji górniczych podłoża ( np. wypełnianie pustek pogórniczych)
Kryterium stanu granicznego użytkowalności, czyli osiadań i przemieszczeń dopuszczalnych często determinuje wymiarowanie wzmocnienia podłoża i konstrukcji obiektu, wpływając na koszty realizacji, jakość, trwałość i poziom bezpieczeństwa inwestycji. Jedynym z kluczowych celów wzmocnienia podłoża gruntowego jest spełnienie wymagań dotyczących maksymalnych. W odniesieniu do budynków precyzuje je nieobowiązująca już, ale często w tym zakresie stosowana, norma PN-81 B-03020. Zgodnie z nią osiadania maksymalne dla poszczególnych kategorii obiektów nie powinny przekraczać następujących wartości:
5cm dla obiektów hal przemysłowych
7cm dla budynków do 11 kondygnacji naziemnych
10cm dla budynków powyżej 11 kondygnacji
15cm dla budynków o wysokości powyżej 100m
Podłoże budowli powinno zapewniać właściwe posadowienie wznoszonej konstrukcji. W tym celu powinny zostać spełnione wymagania dotyczące nośności i odkształcenia, bez względu na zmienne warunki nawilgocenia i działania mrozu oraz długotrwałe obciążenia – stałe i zmienne, w tym obciążenia ruchem. Metody wzmacniania podłoża gruntowego powinny doprowadzić do ulepszenia podłoża poprzez nadanie mu odpowiednich, trwałych właściwości. Wzniesione budowle muszą przekazywać obciążenia na podłoże gruntowe w sposób zapewniający odpowiednią stateczność.
W sytuacjach, gdy wymagania te nie są spełnione konieczne jest wykonanie posadowienia pośredniego lub wzmacnianie podłoża. Praktyka dowodzi, iż najczęstszą przyczyną wzmacniania słabego podłoża gruntowego jest niebezpieczeństwo wystąpienia lub przewidywanie nadmiernych lub nierównomiernych osiadań. Rzadziej spotykanym przypadkiem jest konieczność wzmocnienia wynikająca z niedostatecznej nośności podłoża, zabezpieczenia budowli przed zagrożeniami związanymi z brakiem stateczności podłoża. Zdarza się jednak, iż zagrożenia te występują równolegle, dlatego istnieje konieczność sprawdzania warunków dotyczących wszystkich wymienionych wyżej zagrożeń, zarówno w przypadku budowania obiektów nowych, jak i przy ich rozbudowie i nadbudowie
Wzmocnienie podłoża stanowi modyfikację gruntu w celu umożliwienia spełnienia stanu granicznego nośności oraz stanu granicznego użytkowania konstrukcji. Wzmocnienie podłoża może mieć charakter masowy lub wprowadzania inkluzji. Wzmocnienie o charakterze masowym ma miejsce, gdy wzmocnione podłoże można zamodelować przy użyciu pojedynczego zestawu parametrów. Ze wzmocnieniem podłoża przy użyciu inkluzji (inaczej zwanych kolumnami) mamy do czynienia, gdy wprowadzane są w podłoże elementy nośne o danej geometrii i właściwościach mechanicznych, fizycznie oddzielone od otaczającego gruntu. Istnieją zasadnicze różnice między wzmocnieniem podłoża z wprowadzaniem inkluzji, a tradycyjnymi metodami palowania – w przypadku wzmocnienia podłoża z zastosowaniem inkluzji, obciążenia od konstrukcji przenoszone są zarówno przez inkluzje jak i przez otaczający grunt, co uwzględniane jest w obliczeniach, – inkluzje charakteryzują się większą podatnością od pali i dopuszcza się do ich większych osiadań, – najczęściej inkluzje nie są połączone konstrukcyjnie z fundamentem obiektu, – inkluzje zazwyczaj charakteryzują się mniejszym przekrojem i rozmieszczane są w mniejszych rozstawach niż pale, często też zwieńczone są warstwą transmisyjną, która uczestniczy w redystrybucji obciążeń
Jedną z najbardziej popularnych metod wzmocnienia są inkluzje sztywne, często funkcjonujące pod nazwą kolumny CMC lub kolumny przemieszczeniowe. Metoda wzmacniania podłoża gruntowego kolumnami sztywnymi, którymi najczęściej są regularnie rozmieszczone kolumny o dużej smukłości, polega na wprowadzeniu w ośrodek gruntowy sztywnych elementów konstrukcyjnych, których zadaniem jest odciążenie bardziej ściśliwego gruntu. Udział pola przekroju kolumn sztywnych w powierzchni wzmacnianej, tzw. wskaźnik zastąpienia, wynosi zwykle od 2 do 10%, zależnie od rodzaju obiektu, kolumn i parametrów podłoża. Jednocześnie dąży się do wykorzystania nośności gruntu między kolumnami, co pozwala uzyskać oszczędności materiałowe, a posadowiony obiekt ma bardziej elastyczne oparcie. Zwiększenie udziału gruntu w przenoszeniu obciążenia osiąga się dzięki racjonalnemu dopuszczeniu większego osiadania obiektu. W odróżnieniu od klasycznego posadowienia na palach, słabego gruntu nie utożsamia się tu ogólnie z materiałem nienośnym, ale z ośrodkiem, którego sztywność oraz wytrzymałość są istotnymi parametrami systemu wzmocnienia podłoża. Wśród często stosowanych inkluzji sztywnych można wymienić poza kolumnami CMC, kolumny DSM, kolumny CFA, czy inkluzje/pale prefabrykowane wbijane.
Czym się różni wzmocnienie podłoża od palowania i kolumny od pali?
W środowisku budowlanym określenie palowania i wzmocnieni podłoża gruntowego często stosowane jest zamienne. Z punktu widzenia sztuki geotechnicznej mieszanie tych pojęć nie jest w pełni poprawne.
Palowanie w większości przypadków jest technologią bardziej konserwatywną i bardziej unormowaną niż stosunkowo nowoczesne technologie wzmocnienia podłoża. Palowanie w większości przypadków cechuje znacząco większa sztywność układu podłoże, konstrukcja. Często występuję sztywne połączenie pomiędzy palami a konstrukcja poprzez fizyczne połączeni zbrojenia pali i fundamentów. Z tego względu palowanie pozwala na nie tylko graniczenie osiadań i zapewnienie nośności ale także przeciwdziałanie siła obracającym i odrywającym fundament.
Faktem jest iż inkluzje sztywne często wykonywane są w technologiach zbliżonych do pali fundamentowych. Technologia pali przemieszczeniowych często bywa mylona i/lub zastępowana technologią kolumn przemieszczeniowych typu CMC. Technologia pali żelbetowych CFA może zostać zastąpiona technologią kolumn pół -przemieszczeniowych CFA. Znane dobrze na rynku pale prefabrykowane mogą w szczególnych przypadkach, np. gruntów o wyjątkowo dużej wilgotności zostać zastosowane w funkcji kolumn prefabrykowanych. Często najbardziej istotną różnicą odróżniająco pale od kolumn i palowanie od wzmocnienia podłoża jest podejście projektowe. Projektowanie posadowienia ściśle w nawiązaniu do ograniczeń maksymalnych dopuszczalnych wartości osiadań podanych w normach jest podejście typowym dla palowania.
Wzmocnienie podłoża w tym za pomocą kolumn cechuję indywidualne dopasowania wymagań dla konkretnej konstrukcji co prowadzić do osiągnięcia pożądanego optimum kosztowo – jakościowego realizacji. Wskazanym jest, by ustalenie kryterium osiadań było wspólną decyzją projektanta obiektu, projektanta wzmocnienia podłoża oraz inwestora, przy czym najlepiej by miało ono miejsce na etapie planowania inwestycji i projektu budowlanego. Wówczas możliwym jest opracowanie już na wstępie prawidłowego projektu posadowienia, uniknięcie ryzyka niedomówień, zmian i opóźnień realizacyjnych, a także zaplanowanie właściwego zakresu badań podłoża wraz z koniecznym na nie budżetem.
Z punktu widzenia opłacalności i trwałości inwestycji rozsądnym podejściem jest rozważanie wzmocnienie podłoża jako domyślnej metody przy posadowieniu obiektów budowlanych, zaś w przypadku gdy podejście to wyczerpuje swój zakres stosowania, zastosowanie pali fundamentowych jako technologii dodatkowej. W przypadku obiektów szczególnie wysokich lub przekazujące na podłoże duże siły odrywające i obracające palowanie bywa stosowane jako metoda podstawowa.