Policealne Studium Budowlane

Każdy budynek jest tak trwały jak jego fundamenty. By móc zbudować fundament trzeba najpierw zbadać grunt. Dane, które otrzymamy po zbadaniu gruntu umożliwią nam określenie obciążeń, co z kolei jest podstawą do odpowiedniego zaprojektowania fundamentów budynku. Jednak zdarzają się grunty, które są mało spoiste lub słabe. Posadowienie budynku na takim terenie możliwe jest po uprzednim wzmocnieniu. Zależnie od wielkości budynku i obciążeń, które wywiera na grunt, stosuje się różne sposoby wzmocnień.

Najprostszym sposobem wzmacniania gruntów piaszczystych, pod małymi i lekkimi obiektami, jest moczenie gruntu niewielką ilością wody i ubijaniu go ubijakami mechanicznymi lub ręcznymi. Jeżeli nośność gruntu jest zbyt mała, a wynika ona z wilgotności gruntu, to możemy zagęścić go żwirem bądź drobnymi kamieniami ubijanymi warstwami. Zagęszczając tym sposobem grunt bardzo mokry, należy wykonać ścianki szczelne wokół zagęszczonego odcinka.

Słabe grunty sypkie można zagęścić zastrzykami z zaprawy cementowej. Do tego celu wbija się na odpowiednią głębokość w grunt stalowe rury, do których przewodami gumowymi doprowadza się pod ciśnieniem płynną zaprawę cementową. Zaprawa ta wypełnia przestrzenie międzycząsteczkowe w gruncie, zwiększając jego szczelność i wytrzymałość. W podobny sposób wzmacnia się grunty metodami chemicznymi, wprowadzając do gruntu związki zawierające szkło wodne lub polimery.

Metoda polega na mieszaniu gruntu z zaczynem stabilizującym wtłaczanym strumieniowo pod wysokim ciśnieniem (200-300 bar). Można w ten sposób wzmacniać wszelkiego rodzaju grunty: organiczne, torfy i namuły, luźne piaski o różnej granulacji i plastyczne grunty spoiste. Zastępuje ściany szczelinowe, pale. W pierwszym etapie wzmacniania, żerdzią średnicy 88,9 mm, drąży się grunt do głębokości przewidzianej w projekcie. W trakcie wiercenia stosuje się płuczkę wodną lub bentonitową. Ciecz tłoczona pod ciśnieniem znacznie ułatwia wiercenie. Po osiągnięciu żądanej głębokości rozpoczyna się strumieniowe tłoczenie zaczynu przez dysze, umieszczone w dolnej części żerdzi. W trakcie iniekcji grunt jest rozdrabniany i mieszany z zaczynem. Obrotowy sposób podnoszenia żerdzi przy jednoczesnym tłoczeniu zawiesiny umożliwia wykonanie kolumny gruntowo-cementowej w kształcie walca. Jego średnica zależy od rodzaju gruntu i technologii iniekcji -wielkości ciśnienia, składu iniektu, a także średnicy dysz i czasu iniekcji. W ten sposób powstają kolumny średnicy od 40 do 180 cm.

Metoda Jet Grounting może być wykorzystana nie tylko przy wzmacnianiu wszelkiego rodzajów gruntów ale i przy wzmacnianiu oraz uszczelnianiu wału przeciwpowodziowego. Odbywa się to za pomocą przesłon filtracyjnych. Technologię iniekcji zastosowano na przykład do wykonania pionowej przesłony izolacyjnej w obwałowaniach stopnia wodnego na Zalewie Zegrzyńskim w miejscowości Dębe. Można ją także stosować przy wykonywaniu szczelnych wykopów w nawodnionych gruntach. Wykop otacza się ścianami szczelinowymi, a dno wypełnia kolumnami cementowo-gruntowymi nachodzącymi na siebie. Dzięki odpowiedniemu dobraniu składu zaczynu wodoszczelność przesłony wynosi k=10-7÷10-9 cm/s. Po wykonaniu ścian oraz iniekcji uszczelniających w dnie wykopu, można wypompować wodę i rozpocząć wybieranie gruntu.

rys. 1 Uszczelnienie wykopu w gruncie nawodnionym
Oznaczenia:
1 - ściana szczelinowa,
2 - uszczelnienie dna wykopu iniekcjami wykonanymi metodą Jet Grounting,
3 - poziom wody gruntowej
rys. 2 Wzmocnienie i uszczelnienie wału przeciw-powodziowego

Proces tłoczenia iniektu można przerwać w dowolnym momencie. Pozwala to kształtować kolumny dowolnych wysokości. Aby wzmocnić podłoże pod fundamentem istniejącego budynku, należy, wiercąc pod kątem, wykonać kolumny ukośne. Dodatkową zaletą tej technologii jest to, że kolumny można wykonywać, wstawiając urządzenie do piwnic budynku, pod warunkiem jednak, że pomieszczenie ma wysokość co najmniej 1,5 metra. Pozwala to wzmacniać podłoże pod fundamentami budynków już stojących, także z pomieszczeń piwnic w centralnie położonych częściach budynku, tam gdzie nie ma dostępu od zewnątrz. Metoda ta, choć bardzo kosztowna, pozwala na wykonanie podziemnych kondygnacji w silnie nawodnionych, piaszczystych warstwach podłoża, gdy warstwa nieprzepuszczalnych gruntów znajduje się na znacznej głębokości. Mimo swoich zalet, technologia ta nie jest dostatecznie rozpowszechniona w Polsce. Stosuje ją zaledwie kilka przedsiębiorstw.

Aparatura do wykonywania kolumn składa się z zestawu mieszalników szybko- i wolnoobrotowych, iniekcyjnej pompy wysokociśnieniowej i samojezdnej wiertnicy na podwoziu gąsienicowym. Wiertnica wyposażona jest w przewód wiertniczy zakończony dyszami. Na placu budowy musi znajdować się też silos na cement i zbiornik wody pojemności około 2000 litrów. Cały proces konstruowania kolumny kontrolowany jest automatycznie, co umożliwia właściwe jej wykonanie.

Do wykonywania zaczynów iniekcyjnych cementowo-wodnych wykorzystuje się cement portlandzki marki 35 lub 45 oraz cementy hutnicze. W zależności od rodzaju podłoża gruntowego i składu zaczynu iniekcyjnego, uzyskuje się następujące wytrzymałości kolumn: w żwirze - do 20 MPa, w piasku - do 15 MPa, w pyle i glinie - do 8 MPa, w gruntach organicznych - do 5 MPa. Wytrzymałość kolumn zależy od doboru rodzaju cementu oraz stosunku c/w (cementu i wody).

Technologię Jet Grounting można zastosować także w podłożach nawodnionych, w których natężenie przepływu wody wynosi do 10-2 cm/s. Kolumny gruntowo-cementowe mogą być zbrojone rurą grubościenną, sztywnym koszem zbudowanym z 4, 5 bądź 6 prętów lub centralnie umieszczonym profilem stalowym. Zbrojenie kolumny zwiększa jej nośność. Profile podwieszane na dźwigu zagłębia się, topiąc je w kolumnie. Istotne jest to, że podczas wykonywania iniekcji siła, z jaką zawiesina działa na grunt gwałtownie spada w odległości większej od planowanego promienia kolumny. Nie powoduje to niekontrolowanych przemieszczeń podłoża, które mogłyby stwarzać zagrożenie dla infrastruktury podziemnej.

Palownica wkręca na projektowaną głębokość we wzmacniany grunt specjalną żerdź rurową, zakończoną mieszadłem. Koniec kolumny powinien być zagłębiony min. 0,5 m w warstwie nośnej, a głowica kolumny 1,0 m poniżej górnej krawędzi powierzchni wzmacnianego nasypu lub terenu.

Po osiągnięciu żądanej głębokości, mieszadło umieszczone na końcu żerdzi, zmienia kierunek obrotu i jest wyciągane na powierzchnię. Podczas tej operacji z otworu, umieszczonego na końcu przewodu, wydmuchiwana jest pod ciśnieniem mieszanka cementowo-wapienna, w formie suchego proszku. Zmieszany w ten sposób, nawodniony grunt rodzimy wraz z wapnem i cementem, tworzy suchą kolumnę o określonej, dużo wyższej wytrzymałości na ściskanie i wyższym module odkształcenia. Uzyskuje się jednocześnie stabilizację gruntu pomiędzy kolumnami. Typowy odstęp osiowy kolumn wynosi 1,20 m do 1.60 m. Pozwala to na stabilizację gruntu jako masywu (bloku) kolumnami w formie pionowego "zbrojenia". Tak "zazbrojony" i wzmocniony blok gruntu, przed ułożeniem podbudowy drogowej lub płyty fundamentowej nie wymaga jakichkolwiek dodatkowych geosiatek.

Kolumny cementowo-wapienne są szczególnie przydatne dla gruntów spoistych i organicznych o dużym nawodnieniu, gdy inne metody wzmacniania gruntu, np. wibroflotacja czy kolumny kamienne całkowicie zawodzą. Przy gruntach spoistych i organicznych, kolumny cementowo-wapienne stanowią tanią i szybką w wykonawstwie alternatywę, do tradycyjnych dotychczas metod wzmacniania, jak pale, konsolidacja poprzez formowanie nasypów przeciążających z drenażem lub wymiana gruntu (bagrowanie). Odpowiednio większe dozowanie cementu na 1 mb kolumny, pozwala na uzyskanie efektu wzmocnienia niemal natychmiastowo. Jednocześnie jednak świadomie ograniczona wytrzymałość kolumn nie powoduje powstawania nierównomiernych osiadań w przyszłości (tworzenie się efektu tzw. "pikowanej poduszki") - szczególnie dokuczliwych dla eksploatacji nawierzchni drogowych i podtorzy kolejowych.

Metodę wgłębnego zagęszczenia gruntów sypkich (wibroflotację) stosuje się do gruntów o zawartości frakcji pylastej mniejszej niż 15%.Przy większej zawartości pyłów metoda ta jest nieekonomiczna.
Wydajność jest zależna od typu wibrofloatatora (30÷80 m³/h ).
Metodę wibrowymiany stosuje się dla gruntów spoistych.

Wibroflotacja - zawieszony na linie drgający wibroflotator (w kształcie kolumny) pogrąża się w grunt pod własnym ciężarem, przy pomocy podpłukiwania wodą wydobywającą się z jego głowicy pod ciśnieniem 6 atm. W utworzony lej (zagłębienie) wokół pogrążającego się urządzenia, wsypuje się kruszywo o zaprojektowanej granulacji. Wwibrowywanie wibroflotatora i wprowadzenie kruszywa z zewnątrz prowadzi się aż do osiągnięcia projektowanej dolnej rzędnej strefy zagęszczenia. Następnie, nie przerywając wibracji zawieszony na linie wibroflotator podciąga się do góry aż do poziomu terenu.

Wibrowymiana - zawieszony na linie drgający wibroflotator przy podpłukiwaniu formuje w gruncie spoistym otwór o średnicy ca 100cm. Otwór ten wypełnia się projektowo dobranym kamieniwem, które zagęszcza się wibratorem. Utworzona w ten sposób kolumna stanowi wzmocnienie podłoża gruntowego.

Jeżeli istnieje konieczność wzmocnienia gruntu bardzo wilgotnego z równoczesnym osuszeniem, to zaleca się metodę elektroosmozy. Polega ona na wprowadzeniu w grunt prętów aluminiowych i rur stalowych jako elektrod. Przepuszczenie prądu stałego powoduje ruch wody od prętów aluminiowych do rur, z których usuwana jest woda pompami. Po usunięciu wody można wzmocnić grunt za pomocą zastrzyków zawiesin cementowych, roztworów szkła wodnego i chlorku wapnia.

Zastosowanie tej metody zwiększa spójność międzycząsteczkową w gruncie i powoduje przyrost wytrzymałości. Jednocześnie zjawisko elektroosmozy powoduje odwodnienie gruntu, przyśpieszając krystalizację żelu krzemionkowego i wytrącanie się wodorotlenku wapnia.