Zagęszczanie gruntu - najważniejsze technologie zagęszczania gruntu

Zagęszczanie gruntu to zagadnienie złożone i skomplikowane ze względu na bardzo szeroką gamę technologii wzmocnienia oraz optymalizację ekonomiczną rozwiązania. Przy zagęszczaniu gruntu należy wziąć pod uwagę: warunki gruntowe, lokalizację projektowanego wzmocnienia w stosunku do obiektów istniejących, możliwości technologiczne wykonawców oraz dostępność materiałów (np. dużych ilości wysokiej jakości kruszywa). Poznajcie technologie wzmacniania i zagęszczania gruntu.

Spis treści

1. Zagęszczanie gruntu kolumnami kamiennymi – metoda wymiany dynamicznej
2. Zagęszczanie gruntu impulsowe
3. Zagęszczanie gruntu kolumnami żwirowymi – wibroflotacja i wibrowymiana
4. Kolumny typu jet-grouting - kolumny cementowo-gruntowe
5. Kolumny lub pale przemieszczeniowe - kolumny betonowe
6. Pale i kolumny CFA
7. Stabilizacja powierzchniowa
8. Konstrukcje z gruntu zbrojonego

Zagęszczanie gruntu kolumnami kamiennymi – metoda wymiany dynamicznej

Proces formowania kolumn metodą wymiany dynamicznej odbywa się przy użyciu koparek czerpakowych lub dźwigów przystosowanych do swobodnego zrzutu ubijaka o dużej masie z określonej wysokości (rysunek powyżej).

W pierwszej fazie formowania kolumny w zagęszczanym gruncie wybija się krater (rys. a), a następnie wypełnia się go kruszywem. Wówczas ponownie zrzucany jest w niego ubijak (rys. b), aż do momentu uformowania kolejnego krateru, który powstaje na skutek wtłaczania materiału wypełniającego w dno i boki krateru. Ponownie wsypuje się materiał i kontynuuje zrzucanie ubijaka (rys. b). Etapy powtarza się do momentu wystąpienia wyraźnego spadku wpędu przy kolejnych udarach (zmniejszenie zagłębiania się ubijaka przy każdym zrzucie).Znaczny wzrost oporów zagłębiania może oznaczać dojście podstawy kolumny do warstwy o większej sztywności (rys. c) lub ograniczenie zagłębiania kolumny ze względu na stosowaną energię uderzenia (powstaje wtedy kolumna zawieszona w gruncie słabym).Używany powszechnie sprzęt umożliwia zrzut ubijaka o masie 10–12 t z wysokości do 25 m. Łączna liczba uderzeń potrzebna do uformowania kolumny (zależnie od warunków gruntowych) waha się w przedziale 15–30. W wyniku wbijania kruszywa w podłoże gruntowe uzyskiwane są kolumny o zróżnicowanych średnicach i kształtach, które zależą od sztywności gruntu, zastosowanej energii oraz kształtu ubijaka.

Wykonanie kolumn kamiennych poprawia także parametry gruntu rodzimego, w którym formowana była kolumna, m.in. dogęszczenie oraz warunki filtracji (kolumny działają podobnie jak drenaż pionowy).

Kolumny kamienne długości do ok. 3 m można także formować za pomocą zagęszczarki impulsowej. Polega to na tworzeniu krateru przy użyciu tzw. stempla o głębokości ok. 1 m i wypełnianiu go kruszywem grubookruchowym w kolejnych cyklach pracy. Metoda ta różni się od wymiany dynamicznej tym, że energia pojedynczego udaru jest znacznie mniejsza niż uderzenia ubijaka spadającego z dużej wysokości. Formowane w ten sposób kolumny są krótsze, ale ich wykonanie zajmuje mniej czasu i jest bardziej precyzyjne.Oznaką zakończenia formowania kolumny jest wypiętrzanie się otaczającego gruntu oraz spadek wpędów do pojedynczych udarów do kilku milimetrów.

Zagęszczanie gruntu impulsowe

Technologia zagęszczania i wzmacniania gruntu impulsowego polega na przyłożeniu dużej energii do punktu na wzmacnianym obszarze w relatywnie krótkiej jednostce czasu (ok. 1 min). Energia ta przekazywana jest z urządzenia zamontowanego na podwoziu gąsienicowym na podłoże gruntowe w formie impulsów/udarów przez specjalnie skonstruowany stalowy stempel (o średnicy roboczej 1,5 m). Impulsy te generowane są w wyniku uderzenia wolnospadowego młota o masie 9 ton w stempel ułożony na gruncie. Młot unoszony jest siłownikami hydraulicznymi na wysokość ok. 1 m i spuszczany spadkiem swobodnym z częstotliwością od 40 do 60 cykli na minutę. Zagęszczarka porusza się po powierzchni terenu od punktu do punktu według zaplanowanego wcześniej klucza, po zadanej siatce – zazwyczaj trójkątnej o bokach oczek 3 x 3 x 3 m lub prostokątnej 2 x 2 m. Ilość przekazywanej energii w określonych punktach i kolejnych przejściach roboczych może być różna, dopasowana do lokalnych warunków i wymogów otrzymania założonego stopnia zagęszczenia gruntu.

Zagęszczanie gruntu kolumnami żwirowymi – wibroflotacja i wibrowymiana

Wibroflotację, jako technologię zagęszczania gruntu, stosuje się w gruntach sypkich o zbyt niskim zagęszczeniu, które uniemożliwia bezpośrednie posadowienie fundamentów hali lub posadzki. Dotyczy to zarówno gruntów naturalnych, jak i nasypów antropogenicznych. Technologia przewiduje użycie wibratora do wgłębnego zagęszczenia gruntu (uzyskuje się podwyższenie wskaźnika zagęszczenia oraz jego wyrównanie na obszarze pracy) niezależnie od poziomu zwierciadła wody gruntowej.

Rodzaj wibratora, jego moc, częstotliwość drgań oraz amplitudę dobiera się w zależności od rodzaju gruntu, przewidzianej siatki punktów pracy wibratora oraz lokalizacji (odległości obiektów budowlanych i infrastrukturalnych od terenu przewidzianego do wzmocnienia). Podwieszone do dźwigu lub koparki urządzenie pogrąża się w podłożu gruntowym dzięki wibracjom, wspomaganym częstokroć silnym wypływem wody lub powietrza z dysz znajdujących się w ostrzu wibratora. Po zapuszczeniu wibratora na przewidzianą głębokość wzmocnienia rozpoczyna się zasadniczy proces zagęszczania. Urządzenie podnosi się i opuszcza ruchem posuwisto-zwrotnym ze stopniowym powolnym unoszeniem. Zagęszczany od dołu grunt stopniowo zmniejsza swoją porowatość, a na poziomie terenu powstaje krater, który uzupełnia się dowiezionym materiałem. Prace kończą się w momencie wyciągnięcia wibratora na powierzchnię terenu. W ostatniej fazie prac teren jest wyrównywany i zagęszczany powierzchniowo.Efektywność pracy sprzętu sprawdza się poprzez sondowanie (zazwyczaj dynamiczne). Uzyskaną w badaniu wartość stopnia zagęszczenia gruntu porównuje się z wynikami sondowań wykonanych przed rozpoczęciem zagęszczania.

Wibrowymianę stosuje się w gruntach spoistych i uwarstwionych, o zbyt niskich parametrach mechanicznych, by można było bezpośrednio posadowić fundamenty hali lub posadzki. W tej technologii używa się wibratora śluzowego, zamontowanego na palownicy, który służy do wprowadzenia w podłoże gruntowe kruszywa (żwiru) tworzącego kolumnę żwirową. Pogrąża się go w podłożu gruntowym za pomocą wibracji wspomaganych dociskiem maszyny, kontrolując na bieżąco opór oraz prędkość pogrążania. Gdy znajdzie się on na przewidzianej głębokości wzmocnienia, rozpoczyna się proces formowania kolumny. Podczas unoszenia wibratora otwiera się śluzę, znajdującą się w dolnej części wibratora, i następuje wypływ kruszywa. Urządzenie ponownie opuszcza się w celu zagęszczenia kruszywa oraz jego rozepchania na boki.Cykl pracy powtarza się wielokrotnie, monitorując jednocześnie ilość wbudowanego kruszywa. Po wykonaniu wibrowymiany poziom roboczy wyrównuje się, a następnie dodatkowo zagęszcza wibratorem powierzchniowym.Efekt wzmocnienia podłoża uzyskuje się tu poprzez:

• wprowadzenie do podłoża gruntowego materiału o wysokich parametrach mechanicznych,
• dogęszczenie podłoża rodzimego niespoistego,
• poprawienie warunków konsolidacji gruntów spoistych

Kolumny typu jet-grouting - kolumny cementowo-gruntowe

Informacje na temat technologii jet-grouting w zagęszczaniu podłoża gruntowego TUTAJ.

Kolumny lub pale przemieszczeniowe - kolumny betonowe

Wykonywane są poprzez pogrążanie głowicy rozpychającej, zamontowanej na żerdzi wiertniczej umieszczonej na palownicy. Proces ten odbywa się bez odprowadzania urobku w trakcie wiercenia, co powoduje dogęszczenie gruntu otaczającego i zwiększenie nośności wzdłuż pobocznicy pala w stosunku do pali wierconych z usuwaniem urobku. Głowicę pogrąża się metodą obrotową przy pomocy specjalnej żerdzi, z centralnie zamontowanym przewodem, umożliwiającym tłoczenie betonu podczas formowania pala. Podczas zagłębiania świdra przewód ten jest zamknięty. Otwiera się natomiast po osiągnięciu przez głowicę rozpychającą żądanej głębokości (projektowanej zapuszczenia pala). Następuje powolne podciąganie narzędzia wiertniczego z równoczesnym pompowaniem betonu pod ciśnieniem przez przewód. Nie występuje tu zjawisko rozluźnienia ścian otworu, co pozwala na dokładne wypełnienie odwiertu.

Technologia ta sprawdzi się praktycznie we wszystkich rodzajach gruntów, zarówno sypkich, jak i spoistych. W świeżo wykonanym palu można osadzić zbrojenie sztywne lub koszowe. Zastosowanie pali przemieszczeniowych ogranicza zużycie betonu oraz powoduje dogęszczenie podłoża gruntowego niespoistego wokół wykonanego pala. Wadą tej metody jest wrażliwość na przeszkody mogące występować w gruncie, szczególnie w nasypach antropogenicznych, zawierających większe ilości gruzu betonowego, ceglanego lub dużych ziaren kruszywa.

Pale i kolumny CFA

Formuje się je poprzez wiercenie świdrem ślimakowym (tzw. metoda CFA), który jest pogrążany w gruncie z nieznacznym odprowadzaniem urobku. Dzięki temu nie występuje rozluźnienie gruntu otaczającego a uzyskiwane nośności wzdłuż pobocznicy pali/kolumn są znacznie wyższe.W centralnej części świdra znajduje się przewód umożliwiający tłoczenie mbetonu podczas formowania pala/kolumny – zamknięty podczas pogrążania świdra i otwierany w momencie osiągnięcia przez niego żądanej głębokości. Następuje wówczas powolne podciąganie świdra z równoczesnym pompowaniem betonu przez przewód rdzeniowy. Metoda CFA sprawdza się we wszystkich rodzajach gruntów sypkich i spoistych. Ze względu na niski stopień wibracji oraz hałasu i brak rozluźnienia gruntu wzdłuż pobocznicy pala/kolumny może być stosowana w sąsiedztwie istniejących obiektów.

Stabilizacja powierzchniowa

Stabilizacja gruntu polega na jego wymieszaniu z optymalną ilością spoiwa i wody, a następnie zagęszczeniu powierzchniowym zmieszanej warstwy gruntu. Dodanie cementu do gruntu zwiększa jego spójność, obniża nasiąkliwość oraz plastyczność. Ilość cementu lub innego środka wiążącego niezbędna do uzyskania pożądanych własności podłoża zależy głównie od uziarnienia, które często wymaga modyfikacji poprzez doziarnienie.

Etapy wykonywania podbudowy z gruntu stabilizowanego:

• przygotowanie receptury środka wiążącego z uwzględnieniem rodzaju gruntu w podłożu,
• rozłożenie środka wiążącego na powierzchni terenu, w ilości zgodnej z recepturą,
• zmieszanie na miejscu środka wiążącego z gruntem oraz dodatkiem wody w celu osiągnięcia wilgotności optymalnej dla danej mieszaniny gruntu i środka wiążącego,
• zagęszczenie powstałej mieszanki walcem gładkim,
• niwelacja i profilowanie do projektowanych rzędnych,
• zagęszczanie ostateczne,
• kontrola zagęszczenia warstwy płytą dynamiczną lub statyczną VSS,
• kontrola wytrzymałości powstałego gruntu stabilizowanego po 7 i 28 dniach.

Konstrukcje z gruntu zbrojonego

Na podłożu słabonośnym buduje się konstrukcję złożoną zazwyczaj z:

• geotkaniny separacyjnej, zabezpieczającej warstwę kruszywa przed przedostawaniem się drobnych frakcji iłowych do porów w warstwie kruszywa (alternatywnie można stosować warstwę gruntu stabilizowanego cementem),
• zbrojenia geosyntetycznego (geotkaniny, geosiatki lub georusztu), warstwy kruszywa o uziarnieniu zgodnym z wytycznymi producenta danego typu geosyntetyku,
• kolejnej warstwy zbrojenia i warstw kruszywa.

Najsztywniejsze konstrukcje z gruntu zbrojonego uzyskuje się, stosując geosyntetyki zapewniające stabilizacje ziaren kruszywa poprzez ich wzajemne klinowanie. Najlepszy efekt dają geosiatki i geokraty o sztywnych węzłach, które cechują się bardzo dużą sztywnością podłużną. Z geosyntetyków można układać płaskie geomaterace lub struktury przestrzenne w formie komórek wypełnionych kruszywem.Konstrukcje z gruntu zbrojonego, a także geomaterace wieńczące układ kolumn wzmacniających podłoże (warstwy transmisyjne), najefektywniej projektuje się w programach numerycznych wykorzystujących analizę MES. W aplikacjach modeluje się rodzime podłoże gruntowe, zbrojenie geosyntetyczne w formie membran działających na rozciąganie oraz warstwy kruszywa. W końcowych obliczeniach projektowych uzyskuje się wyniki:

• przemieszczeń pionowych układu w zależności od rodzaju i wartości obciążenia,
• sił rozciągających w zbrojeniu geosyntetycznym.

Analizy te pozwalają na zoptymalizowanie rozwiązania w zakresie stosowanych materiałów zbrojących (wymaganej wytrzymałości na rozciąganie, liczby warstw zbrojenia oraz kruszywa, wymagane grubości kolejnych warstw kruszywa).