wzmacnianie słabych podłoży

geoinżynieriageoinżynieria

39 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 01/2007 (12)



METODA UDAROWEGO ZAGĘSZCZANIA PODŁOŻAUlepszanie słabych gruntów metodami dynamicznymi charakte-

ryzuje się prostotą, skutecznością i niedużymi kosztami realizacji.Istota tych metod polega na swobodnym spadaniu ciężkiego

ubijaka z dużej wysokości, po odczepieniu od podnoszącego urządzenia dźwigowego, wprost na powierzchnię terenu. Ude-rzenie takie wybija krater, a kolejne uderzenia pogłębiają go zagęszczając usytuowaną pod nim bryłę gruntów w kształcie elipso-podobnym. Kolejne miejsca uderzeń rozmieszcza się w takich odstępach, by zagęszczone bryły gruntu zachodziły na siebie (por. rys. 1).

Po wykonaniu głównej operacji zagęszczania powstałe kratery wypełnia się dowiezionym gruntem zagęszczalnym lub wyrównuje spycharką. Całą przypowierzchniową niedo-gęszczoną strefę poddaje się tzw. prasowaniu przez udary z małej wysokości, techniką „miejsce przy miejscu”.

Prawie wszystkie publikacje, dotyczące wzmacniania grun-tu udarami o dużej energii, rozpoczynają się od przywoływa-nia L. Ménarda, który w latach 70. opatentował dynamiczną metodę wzmacniania gruntów. Duże wrażenie robią zawsze informacje o stosowaniu przez Ménarda 200-tonowych ubija-ków, spadających swobodnie z wysokości 30 m. Taka energia doprowadzała do wzmocnienia podłoży nawet na głębokości 40 m, np. na budowie lotniska w Nicei.

W Polsce początkowo zastosowano nieduże ubijaki o masie 3÷5 t., zrzucane z wysokości 5÷10 m [6, 7, 8, 9]. W wielu innych praktycznych zastosowaniach [12, 13, 14] wykorzystywano ubi-jaki 10-tonowe, zrzucane z wysokości 10 m przy zastosowaniu dźwigu KU-1207 Unikop. Ta sama maszyna po adaptacji może zrzucać z wysokości 16 m ubijak o masie do 15 t. [2, 23].

Charakterystyczne skutki działania dużych uda-rów na słabe podłoże

Zjawiska, zachodzące podczas dynamicznego zagęszczenia nasypowego podłoża, można przeanalizować na przykładzie niemieckich badań wykonanych dla potrzeb poprowadzenia drogi przez zwałowisko kopalni odkrywkowej [5].

Na rys. 1 przedstawiono pomierzone efekty oddziaływania uda-rów od ubijaka o masie m = 10,5 tony, zrzucanego z wysokości H = 9,5 m na nasypowe podłoże piaszczysto-gliniaste (ok. 30% pyłów, glin i węgla brunatnego). Wykonane tu sondowania lekką sondą dynamiczną wykazały zasięg oddziaływań do głębokości 7 m, przy wyraźnym wzroście zagęszczenia w górnej części nasypu do głębokości ok. 4 m. Spadający ubijak – po 6 udarach – utworzył kawerny o głębokości do 1 m.

Na tym etapie robót widoczne jest znaczne przypowierzch-niowe rozluźnienie pomiędzy kawernami, sięgające do głębo-kości ok. 0,6 m. Od głębokości ok. 1,50 m wzrost zagęszczenia występuje w całym podłożu, także w przestrzeniach między miejscami uderzeń.

Uzyskanie w tych badaniach zasięgu wzmocnienia h = 7,0 m oznacza, że we wzorze Ménarda:

mHkh ⋅⋅= (1)

przy: h = 9,5 m i m = 10,5 tony, współczynnik k wynosi 0,7.

Rodzaje metod dynamicznychZależnie od rodzaju wzmacnianego słabego podłoża oraz

od wielkości zastosowanej energii udarów, można rozróżnić dwie metody:– Zwyczajne zagęszczanie udarowe, stosowane przy gruntach

niespoistych (piaski, żwiry), gruntach nienasyconych, pod-łożach o bardzo porowatej strukturze (na przykład zwało-wiska oraz wysypiska: żużla, śmieci i różnego rodzaju od-padów). W języku angielskim metoda ta określana jest jako „Dynamic Compaction” (zagęszczanie dynamiczne).

– Dynamiczne wzmacnianie gruntów o małej i średniej prze-puszczalności (także gruntów spoistych), bardzo wilgotnych lub nasyconych wodą, nazywana w terminologii angielskiej „Dynamic Consolidation” (konsolidacja dynamiczna). Nazewnictwo angielskie pozwala dobrze uchwycić różnicę

w obu metodach. Przeprowadzanie konsolidacji dynamicznej w nawodnio-

nym spoistym podłożu wymaga zastosowania bardzo dużych energii udarów i specjalnego sposobu jej przekazywania; ko-niecznym jest działanie etapowe – z przerwami na rozprosze-nie ciśnienia porowego.

Największą wadą konsolidacji dynamicznej nawodnionych gruntów spoistych jest dość długi czas oczekiwania na efekty. Jest on jednak zdecydowanie krótszy niż w przypadku kon-solidacji pod obciążeniem statycznym. Sprawiają to osobliwe zjawiska towarzyszące ciężkiemu ubijaniu: przyśpieszenie fil-tracji w wyniku rozprężania pęcherzyków powietrza sprężo-nych impulsami oraz tworzenie sieci dodatkowych kanalików wskutek niszczenia struktury gruntu przez udary.

Zakres zastosowania dynamicznej konsolidacji omija nie-stety torfy. Specyficzne właściwości torfów (duża ściśliwość, mała wytrzymałość, mała gęstość objętościowa szkieletu) po-wodują, że przez dynamiczną konsolidację nie można uczynić z torfów gruntów nośnych. W takich przypadkach potrzebne wzmocnienie podłoża można uzyskać przez wykonanie dyna-micznej wymiany, polegającej na formowaniu w słabym pod-łożu kolumn kamiennych przy wykorzystaniu sprzętu i techni-ki ciężkiego ubijania.

W tym rozwiązaniu krater zapełnia się materiałem grubo-ziarnistym o ziarnach 20÷100 mm i więcej (tłuczeń, nadziar-

Wzmacnianie słabych podłożySkuteczność wzmacniania słabych podłoży metodą udarową oraz przez statyczne przeciążenie

i odciążenie

Rys. 1. Zmiany zagęszczenia nasypowego podłoża (piaszczysto - gliniaste-go) przedstawione izoliniami procentowego wzrostu oporów sondowania po udarach 6 uderzeń [5].



no, rumosz, żużel hutniczy, odpad pomiedziowy, przepalo-ny łupek itp.). Kolejnymi uderzeniami wbija się cały materiał w podłoże i zapełnia krater nową porcją. Końcowym produk-tem takiego wzmocnienia są kolumny kamienne o nieregular-nym kształcie i średnicy większej od średnicy ubijaka.

Szczegółowe dane o technologii i warunkach wykonywania oraz o właściwościach kolumn formowanych metodą dynamiczną można znaleźć w specjalistycznej literaturze [1, 3, 9, 11, 22, 23].

Sposoby kontroli skuteczności wzmocnienia pod-łoża metodą udarów

Wzmacnianie gruntu metodą konsolidacji dynamicznej pole-ga na zagęszczeniu, tj. na nieodwracalnym zmniejszeniu po-rowatości ośrodka. Jego globalną miarę stanowi sumaryczna pojemność kraterów, powiększona lub pomniejszona o zmianę objętości gruntu, wynikającą z przemieszczeń (osiadania lub podniesienia) powierzchni między kraterami po zakończeniu zabiegu prasowania. Taką miarę skuteczności nazwano efek-tywnością konsolidacji dynamicznej [3], która poglądowo przed-stawia objętość powietrza usuniętego z zagęszczonego gruntu.

Po wykonanym wzmocnieniu przeprowadza się badania kontrolne w celu określenia parametrów geotechnicznych podłoża. Wybór rodzaju takich badań jest uzależniony od ba-danego podłoża oraz od oczekiwań jakościowych stawianych mu po wzmocnieniu. Możliwymi do zastosowania są:– sondowania dynamiczne,– sondowania statyczne,– badania presjometryczne,– próbne obciążenia przy użyciu sztywnej płyty o wymiarach

1,0 x 1,0 m lub większych,– próbne obciążenia płytą VSS,– badania ugięciomierzem dynamicznym.

Zastosowanie sond dynamicznych jest dość oczywiste – do zbadania stopnia zagęszczenia – przy badaniu podło-ży z mineralnych gruntów niespoistych. Natomiast w nasypach z odpadami (żużlem, gruzem, śmieciami itp.) mierzone opory wbi-jania nie są tożsame z zagęszczeniem ośrodka i takie sondowania można wówczas traktować jedynie jako rozpoznanie jakościowe.

Należy uwzględnić, że zastosowanie do próbnego obcią-żenia płyty VSS o średnicy 30 cm dostarczy informacji tylko o wierzchniej, ok. 60 cm warstwie podłoża. Podobną głębo-kość zasięgu pomiarowego ma ugięciomierz dynamiczny, mie-rzący moduł dynamiczny podłoża, który (po kalibracji) można interpretować jako pomocniczy parametr służący do szybkiego określenia zagęszczenia i nośności górnej warstwy podłoża.

Próbne obciążenia – wykonane na wzmocnionym podło-żu z zastosowaniem sztywnej płyty (stalowej lub żelbetowej), o wymiarach co najmniej 1,0 x 1,0 m – dostarczają informacji o nośności i odkształcalności górnej części podłoża. Badania ta-kie można wykonać metodą balastową, wykorzystując jako ob-ciążenie żelbetowe ubijaki lub betonowe płyty drogowe. Można też obciążyć płytę siłownikiem hydraulicznym podłożonym pod odpowiedni balast.

Badania kontrolne drgań wywołanych dynamicz-nym wzmacnianiem podłoża

Ograniczeniem stosowania metod udarowych jest bliskie sąsiedztwo istniejących obiektów budowlanych ze wzglę-du na wpływ drgań na ich konstrukcję. Przed rozpoczęciem ubijania należy sprawdzić pomiarami czy przyspieszenie drgań [m/s2] nie przekracza wartości ustalonych w normie PN-85/B-02170. W tym celu należy miernik drań przytwierdzić do konstrukcji obiektu i wykonać testujące uderzenia z róż-

nych wysokości w miejscu najbliższym projektowanego ob-szaru zagęszczenia.

Wyniki zarejestrowanych przyspieszeń umożliwiają:– określenie sposobu propagacji fal sprężystych w podłożu,

wywołanych procesem dynamicznego wzmacniania,– określenie obszarów wpływów dynamicznych i podanie

bezpiecznej odległości źródła wymuszenia od obiektu.Aby efektywnie zmniejszyć dynamiczne oddziaływanie

na budowlę, można:– wytłumić fale powierzchniowe, odcinając obiekt od źródła

drgań rowem o głębokości min. 1,5 m,– zmniejszyć energię 1 udaru, ograniczając wysokość zrzutu

ubijaka i zwiększając odpowiednio ilość uderzeń,– zabezpieczyć obiekt stalową ścianką szczelną.

Przykłady skuteczności takich zabezpieczeń:• Budowa Centrum Wykładowego Politechniki Poznańskiej

Przeprowadzonymi pomiarami wyznaczono bezpieczne od-ległości wykonywania dynamicznego zagęszczania od sąsied-niego budynku:– 40 m przy energii 11 ton x 10 m,– 25 m przy energii 11 ton x 5 m.• Budowa hotelu „Ibis” w Poznaniu

Luźne piaszczyste nasypy zagęszczono udarami w wykopie odległym ok. 15 m od budynku przedszkola, zabezpieczone-go stalową ścianką szczelną. Stwierdzono, że takie zabezpie-czenie skutkowało 10-ciokrotną redukcją przyspieszeń drgań odczuwanych przez budynek.

Przykłady skuteczności wzmocnienia słabych podłoży metodą udarową� Przykład 1 – Zagęszczenie luźnego nasypu z piasku śred-

niego [12]Wykonywana przebudowa mostu granicznego przez Odrę

w Świecku wymagała przebudowy istniejącego nasypu na do-jeździe (po polskiej stronie) o wysokości ok. 18 m. Należało go podwyższyć i poszerzyć. Przeprowadzone badania wykazały jednak, że nasyp ten – wykonany z piasku średniego – jest w przewadze w stanie luźnym i nie może stanowić podłoża dla nowej nawierzchni.

Po przeanalizowaniu wszystkich możliwych sposobów na-prawy wybrano wykonanie dynamicznego zagęszczenia tego luźnego nasypu. Dla zachowania ciągłości ruchu na połowie jezdni roboty prowadzono w dwóch etapach. Nasyp zagęsz-czano ubijakiem o masie 10 t., zrzucanym z wysokości 10 m, przy 3 seriach uderzeń na całej powierzchni.

Skuteczność wykonanego zabiegu jest widoczna na rys. 2, przedstawiającym stan zagęszczenia (zbadany sondą dy-namiczną) przed i po dynamicznym zagęszczeniu. Nasypy ze stanu luźnego doprowadzono do stanu zagęszczonego (do głębokości ok. 3,5 m) i średnio zagęszczonego (do ok. 7 m). Po wyrównaniu powierzchni i powierzchniowym dogęsz-czaniu (ciężkim walcem wibracyjnym) stwierdzono obniżenie całej powierzchni średnio o 0,85 m (lokalnie nawet o 1,20 m).

� Przykład 2 – Wzmocnienie nasypów o bardzo zróżnicowa-nym składzie [13, 14]

• Charakterystyka istniejących nasypów:Duże centrum handlowe wraz z parkingiem zlokalizowano

w całości na terenie byłego wyrobiska, wypełnionego nasy-pami, o średniej grubości 6,0 m. Wśród nasypów wydzielono 3 warstwy geotechniczne, różniące się stanem i właściwościami:– warstwa IA – przypowierzchniowa część nasypów (tworzą-

ca dość wytrzymałą „skorupę”), utworzona głównie z gruzu



ceglanego i piasków o grubości do 1,5 m, – warstwa IB – utworzona w przewadze z żużla (do 50%

składu), zalegająca do poziomu wody gruntowej, średnio do głębokości 3,5 m,

– warstwa IC – obejmuje nasypy zalegające pod wodą; w ich składzie występują: żużle, grunty niespoiste, piaski gliniaste, ma także namuły organiczne.

• Opis wykonanego dynamicznego zagęszczenia:– energia zagęszczenia: ubijak żelbetowy o masie 10 ton,

z podstawą o wymiarach 2 x 2 m, zrzucany z wysokości 10 m; – liczba uderzeń: powierzchnię podzielono jak szachownicę

na kwadraty o boku 2,5 m, udary przekazywano najpierw na „czarne pola” (po 6 udarów), później po 4 udary na „bia-łe pola” szachownicy.

• Ocena skuteczności wykonanego zagęszczenia dynamicznego:Badania kontrolne stanu podłoża przed i po dynamicznym

zagęszczeniu obejmowały: sondowania sondą dynamiczną, badania presjometryczne, próbne obciążenia podłoża płytą o wymiarach 0,9 x 0,9 m, próbne obciążenia płytą VSS oraz ozna-czenia modułu dynamicznego ugięciomierzem dynamicznym.

Po wykonaniu (w pierwszym etapie) 6 uderzeń ubijaka na powierzchni nasypu tworzyły się kawerny o głębokości do 60 cm. W obszarach między kawernami występowało wy-raźne przypowierzchniowe rozluźnienie nasypu. • Badania nośności (rys. 3) wykazały wyraźny wpływ dyna-

micznego zagęszczenia na nasypowe podłoże; średnie war-tości modułu ogólnego odkształcenia wynosiły:

– dla stanu naturalnego „A” Eo = 8.152 kPa, – na dnie kawerny „B” Eo = 10.958 kPa, (powiększenie

o 35%),– między kawernami „C” Eo = 6.762 kPa.

Przeprowadzenie drugiej serii udarów (po 4 uderzenia w „białe pola” szachownicy) spowodowało dodatkowe do-gęszczenie nasypowego podłoża.

Po zakończeniu dynamicznego zagęszczenia powierzchnię wyrównano spycharką i dogęszczono ciężkim okołkowanym walcem wibracyjnym. Stwierdzono wówczas obniżenie całej powierzchni terenu średnio o 45 cm. • Badania presjometryczne przeprowadzone przed i po dyna-

micznym zagęszczeniu wykazały wzrost nośności nasypo-wego podłoża, co łatwo zauważyć przy porównaniu warto-ści naprężeń granicznych Pgr podanych w tab. 1.

• Sondowania dynamiczne wykonane w nasypach z żużla mogą służyć jedynie do ocen jakościowych, a wykresy son-dowań trzeba interpretować następująco:

– „gdyby pomierzony opór przy sondowaniu dotyczył mineral-nych piasków to ich stopień zagęszczenia wynosiłby I

D = ...”.

Rys. 4 przedstawia zestawienie średnich wartości stopnia zagęszczenia rozważanych nasypów przed dynamicznym zagęszczeniem (rys. 4a) oraz po wykonaniu tego zabiegu (rys. 4b). Porównanie tych dwóch sytuacji (rys. 4c) wykazu-je stwierdzone przyrosty zagęszczenia, wynoszące dla warstw odpowiednio: IA – 36%, IB – 65%, IC – 74%.

� Przykład 3 – Wzmocnienie organicznego podłoża metodą dynamicznego formowania kolumn z kruszywa [21]

• Opis wykonanego wzmocnieniaLokalizację drogowego przejścia granicznego Świnoujście

– Garz wyznaczono na terenie bagiennym, gdzie do głębo-kości 2,0÷3,5 m zalegają torfy. Średnie wartości parametrów geotechnicznych torfów są następujące:– wilgotność w

n = 592%,

– ściśliwość Mo = 156 kPa,

– wytrzymałość na ścinanie τf max

= 33,2 kPa.Na tym podłożu zlokalizowano: 3 parterowe obiekty, wiatę

oraz ok. 13.000 m2 placów i dróg.W 2006 r. zaprojektowano i wykonano wzmocnienie całego

terenu (również w celu posadowienia obiektów) przy zastoso-waniu kolumn formowanych przez dynamiczną wymianę. Ko-lumny wykonano ze żwiru, o minimalnej średnicy 2,0 m, roz-stawiane zasadniczo w układzie trójkątów o boku 4,50 m, łącznie 993 szt. kolumn. Głowice kolumn zwieńczone zostały nasypem zbrojonym geotkaniną z poliestru o wytrzymałości 200 kN/m.

Nr warstwy Pgr [MPa]stan naturalny po zagęszczeniu

IA 0,70 1,18IB 0,50 0,87IC 0,33 0,77

Rys. 2. Porównanie stanu nasypu z piasku średniego przed i po dynamicz-nym zagęszczeniu

Rys. 3. Wyniki próbnych obciążeń płytą o wymiarach 0,9 x 0,9 m w trzech różnych miejscach nasypowego podłoża, „B” - kawerna po 6 uderzeniach.

Tab. 1. Średnie wartości naprężeń granicznych Pgr z badań presjome-trycznych



• Próbne obciążenie kolumny żwirowej wykonanej metodą wybijania

1) Obciążenie na kolumnę przekazywano za pośrednictwem sztywnej stalowej płyty o wymiarach 3,0 x 3,0 m. Płyta ob-ciąża także część organicznego podłoża, zalegającego obok badanej kolumny o średnicy 2,0 m.

2) Obciążenie balastowe stanowiły betonowe płyty drogowe układane na stalowej płycie.

3)Wielkość obciążenia ustalono w ten sposób, aby badanie było modelem projektowanych obciążeń wzmocnionego podłoża, i tak uzyskano następujące dane:

– obciążenie płyty 20 kN/m2 jest przybliżoną wielkością ob-ciążenia organicznego podłoża od nasypu drogowego i konstrukcji nawierzchni,

– dodatkowe obciążenie 25 kN/m2 stanowi rekompensatę równomiernie rozłożonego obciążenia użytkowego od po-jazdów samochodowych.

4) Osiadania płyty ustalono przez geodezyjną niwelację tech-niczną, mierząc osiadania 4 reperów utrwalonych na naro-żach stalowej płyty. Błąd pomiarów szacowano na ± 1 mm.

5) Próbne obciążenia do 20 + 25 = 45 kN/m2 przeprowadzo-no w czasie od 28.04.2006 r. do 08.05.2006 r. Poszczególne stopnie obciążeń utrzymywano do uzyskania praktycznej stabilizacji osiadań.

• Analiza wyników próbnego obciążenia kolumny:Na rys. 5 przedstawiono przebieg średnich osiadań stalowej

płyty o wymiarach 3,0 x 3,0 m, obciążającej balastem kolumnę żwirową o średnicy 2,0 m uformowaną metodą wybijania.

Uzyskane wyniki próbnego obciążenia tak wzmocnione-go organicznego podłoża – dla potrzeb projektowanych na-wierzchni – wykazują, że:1) Widoczna jest dość szybka stabilizacja osiadań. Po przyłoże-

niu obciążenia już po około 4 dniach występuje praktyczne ustabilizowanie osiadań.

2) Obciążenie kolumny i przyległego organicznego podłoża obciążeniem 20 kN/m2 – równoważnym ciężarowi projekto-wanego tu nasypu drogowego i nawierzchni – skutkowało osiadaniem ∆s = 18,5 mm.

3) Dodatkowe obciążenie naciskiem 25 kN/m2 – traktowanym jako rekompensata równomiernie rozłożonego obciąże-nia od ciężkiego ruchu samochodowego – doprowadziło do wystąpienia osiadań ∆s = 24,25 mm.Przy dokonywaniu oceny wyników uzyskanych z próbne-

go obciążenia należy uwzględnić, że w rozważanym przy-padku wystąpią pewne korzystne okoliczności, a mianowicie:– znaczna część osiadań od ciężaru nasypu i podbudowy na-

wierzchni wystąpi w czasie budowy,– można oczekiwać, że obciążenia od rzeczywistego ruchu po-

jazdów będą mniejsze od przyjętych obciążeń 25 kN/m2.– w czasie budowy – jeszcze przed ułożeniem ostatniej war-

stwy nawierzchni – na podbudowie będzie odbywał się technologiczny ruch pojazdów, co doprowadzi do wystąpie-nia wstępnych osiadań, częściowo redukujących osiadania od przyszłych obciążeń użytkowych.

STATYCZNE METODY CZASOWEGO PRZECIĄŻENIA I CZĘŚCIOWEGO ODCIĄŻENIA ORGANICZNEGO PODŁOŻA

Wprowadzenie do metody czasowego przeciąże-nia organicznego podłoża

Jednym z prostych sposobów uzyskania wzmocnienia i sta-bilizacji osiadań torfowego podłoża jest zastosowanie metody

010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

20

40

CZAS [godz]

OS

IAD

AN

IA [

mm

]

1 2 3 4 5 6 7 8180170 200190 220210 230

10

30

50

20

40

10

30

9 10 11 1213 14 15 16 17 18

20 kN/m2

33,3 kN/m2

45 kN/m2

› nr pomiaru

18,5 mm

24,25 mm

7,75

10,7512,00 12,50

15,25

18,00 17,5018,50

25,50 25,50

25,75

33,50

34,7535,50

40,2542,25 42,00

42,75

OB

CIĄ

ŻEN

IE [

kN/m

2]

Rys. 4 Porównanie średnich wartości stopnia zagęszczenia nasypów:a) w stanie naturalnym, b) po zagęszczeniu dynamicznym, c) przyrosty za-gęszczenia.

Rys. 5. Wykres średnich osiadań stalowej płyty (3,0 x 3,0 m) obciążającej ko-lumnę żwirową o średnicy 2,0 m

Rys. 6. Schemat zależności osiadań torfu s od zmiennego w czasie q



czasowego przeciążenia. Praktycznie przeciążenie realizuje się przez ułożenie dodatkowego wyższego nasypu, najczęściej z materiału ziemnego możliwego do wykorzystania w innym miejscu budowy.

Rys. 6 przedstawia schematycznie zależności występujące w podłożu torfowym przy zmiennym w czasie obciążeniu. Wi-docznym jest, że obciążenie q

1 powoduje długotrwały rozwój

osiadań (krzywa 1), natomiast zastosowanie odciążenia o war-tości ∆q po czasie t

p może doprowadzić do bardzo korzystnej

sytuacji (krzywa 2), charakteryzującej się ustabilizowaniem od-kształceń organicznego podłoża.

Można stwierdzić, że doprowadzenie do stanu s = const (krzywa 2) jest założonym oczekiwaniem skuteczności zasto-sowanego czasowego przeciążenia organicznego podłoża.

Schemat podany na rys. 6 pokazuje, że przy założonym ob-ciążeniu eksploatacyjnym q

0, przekazywanym stale przez bu-

dowlę na organiczne podłoże, uzyskanie stabilizacji odkształ-ceń można osiągnąć, stosując odpowiednio dwa parametry charakteryzujące czasowe przeciążenie:

∆q – wielkość przeciążenia,tp – czas działania przeciążenia.

� Przykład 4 – Przeciążenie organicznego podłoża pod nasy-pową platformą obok Wzgórza Lecha w Gnieźnie [15]Projektowana przebudowa otoczenia Wzgórza Lecha (obok

Katedry w Gnieźnie) wymagała wykonania nasypu dla półko-listej platformy, posadowionej na 5-metrowej warstwie gytii, usytuowanej pod 7,5-metrową warstwą luźnych nasypów.

Prognozowano, że dociążenie gytii (Mo = 1100 kPa) dodat-

kowym nasypem o wysokości 1,70 m spowoduje wystąpie-nie osiadań (ok. 14 cm), rozwijających się w długim czasie, co było niedopuszczalne. Zastosowano więc przeciążenie te-renu na projektowanej lokalizacji platformy, odkładając tu po-spółki przeznaczone później do budowy nasypów w innych częściach przebudowywanego otoczenia Wzgórza.

Kolejność wykonywanych robót budowlanych doprowadzi-ła do odciążenia podłoża w dwóch etapach. Końcowe pomia-ry geodezyjne wykazały praktyczną stabilizację odkształceń nawierzchni ułożonej na platformie (rys. 7).

Wprowadzenie do metody częściowego odciąże-nia organicznego podłoża

W miejscach przejścia nasypów drogowych przez lokalne doliny – wypełnione gruntami organicznymi – dość często na nawierzchniach występują duże zagłębienia i znaczne de-formacje. Naprawa takich odkształceń jest nieskuteczna, jeśli sprowadza się tylko do ułożenia nowej wyrównawczej warstwy nawierzchni. Kolejne warstwy asfaltobetonu dodatkowo docią-żają ściśliwe organiczne podłoże i deformacje nawierzchni roz-wijają się w dalszym ciągu. Znane są przypadki, gdy grubość kilkakrotnie naprawianej nawierzchni asfaltobetonowej prze-kraczała nawet 1 metr, a odkształcenia występowały nadal.

Prostym i tanim rozwiązaniem takiego problemu może być wykonanie przebudowy nasypu tak, aby wystąpiło korzystne odciążenie organicznego podłoża, skutkujące zahamowaniem osiadań. Potrzebne odciążenie można uzyskać wbudowując w nasyp – w miejsce usuniętego znacznie cięższego gruntu mineralnego – warstwę z lekkiego materiału, którym może być: keramzyt [18, 19, 20], pianobeton [15, 16] lub styropian [4]. Tak wykonana przebudowa nasypu daje podobny rezultat jak zwykłe czasowe przeciążenie organicznego podłoża.

Odciążające zastosowanie lekkich materiałów zostało wielo-krotnie praktycznie sprawdzone przy posadawianiu na grun-

tach organicznych: posadzek w halach, lekkich obiektów oraz nasypów drogowych. W dalszej części opracowania podano kilka przykładów skuteczności takich rozwiązań.

� Przykład 5 – Wzmocnienie i zabudowa zbocza Wzgórza Lecha w Gnieźnie [15]Dla potrzeb spotkania z Papieżem w Gnieźnie (1997 r.) ko-

niecznym było wykonanie odpowiedniego zagospodarowania terenów wokół Katedry. Dotychczasowe nieużytki należało przemienić w park krajobrazowy, przeznaczony na plac zgro-madzeń. Potrzebne było też wykonanie platformy na ołtarz papieski, usytuowanej w połowie wysokości zbocza.• Opis warunków gruntowych w zboczu:

Katedra w Gnieźnie usytuowana jest na Wzgórzu Lecha, które w bardzo bliskim sąsiedztwie ma zbocze o wysokości około 10 m i dość stromym nachyleniu - około 34°.

Przystępując do nowego ukształtowania zbocza i analizu-jąc możliwości jego dodatkowej zabudowy (platformą i scho-dami), konieczne było uwzględnienie występujących tu nie-korzystnych uwarunkowań, a w szczególności tego, że cały fragment wzgórza w tym rejonie zbudowany jest z nasypów utworzonych w przewadze z namułów organicznych, znajdu-jących się w bardzo luźnym stanie, istniejące nachylenie zbo-cza było bliskie stanu granicznego, rosnące dotychczas drzewa i krzewy swymi korzeniami wpływały korzystnie na utrzyma-

platforma dla ołtarza papieskiego

humus

pierwotna powierzchnia zbocza

NASYP z namułów organicznych

piasek gliniastytorf

nN [Nm]

0,5

0,5

1,0

~ 10

,0

~ 5,

0~

5,0

PIANOBETON T

M 800

1 : 1

0,2

1,0

PIANOBETON T

M 800

1 : 1

2,0

1,0

0,65

Rys. 7. Warunki i efekty czasowego przeciążenia gytii u podnóża Wzgó-rza Lecha w Gnieźnie

Rys. 8. Przekrój poprzeczny konstrukcji wzmacniającej zbocze Wzgórza Lecha (obok Katedry) w Gnieźnie



nie stateczności zbocza, u podnóża zbocza zalegają torfy, które sięgają pod zbocze, natomiast strop gruntów mineralnych pod gruntami organicznymi ma znaczne nachylenie (nawet 27°!).

W takich bardzo złożonych warunkach niemożliwym było wykonanie przebudowy i zabudowy tego zbocza zwyczajnym sposobem. Konieczne stało się opracowanie odpowiednich wzmocnień i zabezpieczeń.• Opis wykonanego odciążenia i wzmocnienia zbocza:

Przeprowadzona analiza technicznie możliwych sposobów wzmocnienia rozważanego zbocza doprowadziła do stwierdze-nia, że w tym przypadku najwłaściwszym będzie doprowadzenie do wzmocnienia oraz do korzystnego odciążenia przebudowy-wanego zbocza. Można to było uzyskać przez wykonanie odpo-wiedniej konstrukcji powierzchniowej, z wylewanego lekkiego pianobetonu, później maskująco przykrytej warstwą humusu.

Na rys. 8 przedstawiono przekrój poprzeczny konstrukcji przebudowanego zbocza. Cała nowa skarpa wzgórza wzmoc-niona została powłoką grubości 1 metra, z pianobetonu o cię-żarze objętościowym 8 kN/m3. Nowe ukształtowanie skarpy wymagało usunięcia około 1350 m3 gruntu i wbudowania oko-ło 1600 m3 pianobetonu. Pianobeton wylewany był poziomy-mi warstwami o grubości 0,5 m, bez dylatacji i bez stosowania specjalnych zabiegów dla połączenia starej i nowej warstwy pianobetonu. Na zewnętrznych stopniach pianobetonu ułożo-no warstwę humusu zabezpieczoną przed rozmyciem geosyn-tetykami. Obecnie całą powierzchnię skarpy pokrywają odpo-wiednio dobrane krzewy.

Przed przyjęciem tego rozwiązania analizowano zachowanie przestrzennej struktury pianobetonowej w dłuższym czasie, po wystąpieniu pewnych osiadań organicznego podłoża. Stwierdzono, że ewentualne spękania pianobetonu nie zagra-żają stateczności skarpy. Bardzo korzystnym było doprowa-dzenie do wyraźnego odciążenia skarpy dzięki usunięciu 1350 m3 gruntu (22950 kN) i ułożeniu 1600 m3 pianobetonu (14800 kN) oraz 0,5 metrowej warstwy humusu (6700 kN). Łącznie bilans obciążeń jest korzystny i wynosi:

-22950 + (14800 + 6700) = -1450 kN.

� Przykład 6 – Posadowienie na torfach stacji paliw w Gnieź-nie [16]

• Opis warunków gruntowych:W miejscu projektowanej lokalizacji stacji paliw występu-

ją bardzo niekorzystne warunki gruntowe, uniemożliwiające bezpośrednie posadowienie obiektów stacji oraz nawierzchni dróg i placów. Jest to spowodowane zaleganiem w podłożu nasypów – utworzonych z dużym udziałem gruntów orga-nicznych – oraz torfów pod nimi. Torfy występują w warstwie

o zróżnicowanej grubości od 1 do 6 m, do maksymalnej głę-bokości 10,5 m. Średnia wartość edometrycznego modułu ści-śliwości torfów wynosiła M

o = 1288 kPa.

• Opis sposobu posadowienia wykonanych obiektów stacji i nawierzchni:Przyjęto (i zrealizowano) posadowienie z wykonaniem od-

67546010050175 400 90

7550

57

7257550

Rys. 9. Odciążenie i wzmocnienie nasypu drogowego wykonane w I etapie (Droga krajowa nr 5, Modliszewo)

Rys. 10. Przekrój poprzeczny nowego nasypu jezdni wewnętrznej odcią-żonego keramzytem, z konstrukcją wzmacniającą utworzoną z geosyn-tetyków: 1 – geosiatka R90/90-35M zbrojąca nasyp z tłucznia, 2 – geo-włóknina owijająca keramzyt, 3 – geosiatka R65/65-30T zbrojąca nasyp pod nawierzchnią.

59

90

40

60

125

90

100

z2

z3

z4

P

P

PP

nB [Po] Is = 0,97

NAWIERZCHNIA

BUDYNEK WIATA

z1

DROGA DROGA

nasyp z gruntów organicznych głębiej torf

nasyp, głębiej - torf do głębokości 10,5 m

pianobeton - 60 cm

nasyp budowlany [Po] - 40 cm

geotkanina

nasyp budowlany [Po] - 90 cm

nawierzchnia - 59 cm

Rys. 11. Ułożenie i grubości warstw pianobetonu w podłożu stacji paliwz

1 – poziom ułożenia posadzki, z

2 – poziom posadowienia fundamen-

tów budynku, z3 – poziom posadowienia słupów wiaty, z

4 – poziom uło-

żenia instalacji.



ciążającego i wzmacniającego działania lekkiego pianobetonu, ułożonego w miejsce usuniętego ciężkiego gruntu (rys. 11).

Występujące tu duże zróżnicowanie grubości warstwy torfu, a także wielkość obciążeń wymagało ułożenia pianobetonu o różnych grubościach warstw. Ponadto głębokość ułożenia pianobetonu podporządkowano poziomowi posadowienia fundamentów budynku i wiaty oraz poziomowi ułożenia in-stalacji, tak aby fundamenty, studzienki i przewody ułożone były na pianobetonie. Ostatecznie cały teren podzielono na kilka rejonów o zróżnicowanych grubościach i głębokościach ułożenia pianobetonu. Dodatkowo wypełniono pianobetonem przestrzeń pod posadzką budynku, a także wykop ze zbiorni-kami na paliwo (zamiast ciężkiej zasypki z piasku). Zastoso-wano pianobeton o ciężarze objętościowym 5,5 kN/m3.

Przeprowadzone obliczenia wykazały, że projektowana za-budowa spowoduje bardzo mały przyrost obciążeń, od 11,9 do 24,0 kN/m2. Tak nieduże dociążenia organicznego podłoża pozwoliły obliczeniowo prognozować wystąpienie średnich osiadań rzędu 2,6 cm; w rzeczywistości największe pomierzo-ne osiadania po roku wynosiły tylko około 3,5 mm.

� Przykład 7 – Odciążenie organicznego podłoża pod nasy-pem drogi krajowej nr 5 w Modliszewie [18]

• Opis stanu drogi przed przebudową:Na drodze nr 5 w km 123 + 770 w miejscowości Modli-

szewo, na odcinku długości ok. 125 m, wystąpiły duże i nie-równomierne osiadania nawierzchni spowodowane głównie zaleganiem pod nasypem drogowym torfów i namułów, a tak-że – bardzo luźnym stanem samego nasypu. Konieczna była naprawa i modernizacja drogi, wymagająca także lokalnego podwyższenia niwelety (maksymalnie o 60 cm). Podwyższony

22,0

H0,0 = 1468,1 kN/m

Wypadkowe parcia:

1 2

Nasyp: przed przebudową z warstwą keramzytu (2,35 m)12

100 50

PARCIE [kPa]

REDUKCJA PARCIA

H2,35 = 1012,5 kN/m

1

2

Rys. 12. Wykresy parcia na awaryjną konstrukcję oporową ze ściany szczelinowej: 1 – od ciężkiego nasypu przed przebudową, 2 – od nasypu z wbudowaną warstwą keramzytu (grubości 2,35 m).



nasyp dociążyłby organiczne podłoże, wywołując nowe dodat-kowe (około 15 cm) nierównomierne osiadania nawierzchni.• Opis wykonanego odciążenia i wzmocnienia organicznego

podłoża:Skuteczność zaprojektowanego odciążenia – przez wbudo-

wanie warstwy keramzytu – łatwo oszacować dzięki prostemu obliczeniu:

– istniejący nasyp 18 kN/m3

– nasyp z keramzytu 4 kN/m3

– odciążenie 14 kN/m3

Po zastosowaniu warstwy keramzytu o grubości 0,75 m wy-stąpi odciążenie:

14·0,75 = 10,5 kN/m2, co umożliwi bezpieczne ułożenie potrzeb-nej tu dodatkowej warstwy wyrównawczej o grubości do 0,6 m.

Konstrukcję odciążającą i wzmacniającą wykonano, układa-jąc (rys. 9) dwie warstwy:

– keramzytu 10/20 o grubości 75 cm (razem ok. 900 m3), ułożonego w formie poduszki owiniętej geotkaniną z poliestru o wytrzymałości 120 kN/m,

– kruszywa łamanego 0–31,5 mm, grubości 50 cm, zbrojoną geosiatką z poliestru 65/65-30.

W celu zachowania ciągłości ruchu drogowego roboty wy-konano w dwóch etapach (rys. 9).

� Przykład 8 – Zastosowanie keramzytu do odciążenia or-ganicznego podłoża i redukcji parcia na oporową ścianę szczelinową [19]Nasyp drogi na odcinku ok. 120 m przechodzi po obrzeżu

jeziora. Pod nasypem zalegają torfy i gytie, które wzmocnio-no kolumnami tłuczniowymi. Strop gruntów mineralnych jest tu nachylony pod kątem około 28°, ze spadkiem do jeziora. Stateczność nasypu zabezpieczona została żelbetową oporową ścianą szczelinową o głębokości 22 m. Konstrukcja – istniejąca od 1997 r. – wykazywała dwa niepokojące objawy awaryjne: ściana szczelinowa przemieszczała się poziomo (ponad 14 cm), a na nawierzchniach obu jezdni wystąpiły znaczne deformacje.

Zrealizowany projekt remontu nasypu [19] przewidywał m.in. odciążenie przez wbudowanie w nowy nasyp warstwy keramzytu 10/20 o grubości 2,35 m (rys. 10). Keramzyt ułożo-no tu w osłonie z geowłókniny, na 70 cm warstwie tłucznia zbrojonego geosiatką R90/90-35M. Łącznie pod obiema jezd-niami wbudowano 6830 m3 keramzytu. Uzyskane odciąże-nie korzystnie zmniejszyło obciążenie kolumn tłuczniowych, a przede wszystkim – znacznie zredukowało parcie przekazy-wane na ścianę szczelinową.

Po przebudowie nastąpiła redukcja parcia o 33% w stosun-ku do sytuacji wyjściowej, gdy nasyp drogowy zbudowany był z ciężkich gruntów mineralnych (rys. 12).

Referat został wygłoszony w trakcie kursu „Wzmacnianie podłoża i fundamentów” organizowanym przez Polskie Zrzeszenie Wyko-nawców Fundamentów Specjalnych

LITERATURA[1] Dembicki E., Schlosser F.: Ulepszanie podłoża gruntowego. Konferencja Naukowo-Techniczna „Geotechnika w budowie składowisk odpadów”, Pułtusk, 1997 r.[2] Gryczmański M.: Zastosowanie urządzenia DYZAG do wzmocnienia podłoża metodą ciężkiego ubijania. „Inżynieria i Budownictwo”, nr 3/2000.[3] Gryczmański M.: Dynamiczne metody wzmacniania podło-ża gruntowego. XVI Ogólnopolska Konferencja: Warsztat Pra-cy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, 2001 r.

[4] Grzegorzewicz K., Kłosiński B.: Styropian ratunkiem dla przeciążonych przyczółków. „Drogownictwo”, nr 6/1998.[5] Hanspach P., Just H., Maack K.L.: Zur Anwendumg der dy-namischen Intensivverdichtung im Verkhersbauwesen. „Bau-plannung - Bautechnik”, nr 1/1987.[6] Kłosiński B., Gawor B., Grzegorzewicz K.: Krajowe pró-by wzmacniania podłoża udarami o dużej energii. „Inżynieria i Budownictwo”, nr 7/1979.[7] Kłosiński B., Gawor B.: Wzmocnienie podłoża udarami o dużej energii. Przegląd doświadczeń. „Inżynieria i Budownic-two”, nr 4/1983.[8] Kłosiński B., Jankowski P.: Wzmocnienie podłoża nasypowego hali metodą ubijania. „Inżynieria i Budownictwo”, nr 8/1991.[10] Kłosiński B.: Wzmacnianie podłoża i fundamentów. Semi-narium PZWS, Warszawa, 2004 r.[11] Pisarczyk S.: Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża grun-towego. Of. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005 r.[12] Rzeźniczak J.: Koncepcja zagęszczenia i powiększenia ist-niejącego nasypu na dojeździe do mostu przez rzekę Odrę w Świecku. Wyk. w ramach projektu „Drogowe przejście gra-niczne Świecko”, PBPDiM „TRANSPROJEKT” Poznań, 1994 r.[13] Rzeźniczak J.: Geotechniczny projekt wzmocnienia słabego nasypowego podłoża na terenie budowy Centrum Handlowego KORONA we Wrocławiu. „GEOPROJEKT – Poznań”, 1998 r.[14] Rzeźniczak J.: Analiza i ocena badań kontrolnych, spraw-dzających skuteczność dynamicznego zagęszczenia i kolumn żwirowych wzmacniających nasypowe podłoże na terenie bu-dowy Centrum handlowego KORONA we Wrocławiu. „GEO-PROJEKT – Poznań”, 1998 r.[15] Rzeźniczak J., Przystański J.: Projekt wzmocnienia skarpy zachod-niej Wzgórza Lecha w Gnieźnie. „Geoprojekt – Poznań”, 1995 r.[16] Rzeźniczak J.: Opracowanie geotechniczne dotyczące sposo-bu wzmocnienia słabego podłoża organicznego dla posadowienia stacji paliw „Statoil” w Gnieźnie. „Geoprojekt – Poznań”, 1997 r.[17] Rzeźniczak J.: Stabilizacja odkształceń organicznego pod-łoża drogowego przez czasowe przeciążenie. I Międzynarodo-wa Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowoczesne technolo-gie w budownictwie drogowym”, Poznań, 1998 r.[18] Rzeźniczak J.: Projekt wzmocnienia organicznego podłoża w ciągu drogi krajowej nr 5 w rejonie km 123 + 770 w Modli-szewie. „Geoprojekt – Poznań”, 2002 r.[19] Rzeźniczak J., Janiński S.: Projekt remontu nasypu drogowego położonego przy estakadzie w Gnieźnie. Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Lądowej, Poznań, 2003 r. (praca nr 12-580/U/02).[20] Rzeźniczak J.: Przykłady zastosowania keramzytu dla od-ciążenia organicznego podłoża pod nasypami drogowymi. „Autostrady”, nr 1–2/2005.[21] Rzeźniczak J.: Geotechniczna analiza i ocena sposobów wzmocnienia organicznego podłoża dla potrzeb posadowienia obiektów oraz nawierzchni dróg i placów przejścia graniczne-go Świnoujście – Garz. GEOTECHNIKA, Poznań, 2006 r.[22] Saloni J.: Wymiana dynamiczna – skuteczna metoda wzmacniania gruntów spoistych, organicznych i nasypowych. XX Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła – Ustroń, 2005 r.[23] Sękowski J., Stefanik K.: Wzmocnienie podłoża drogowego metodą konsolidacji dynamicznej. „Drogownictwo”, nr 1/1998.[24] „Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownic-twie drogowym”. IBDiM, Warszawa, 2002 r.

autor dr inż. Jerzy RzeźniczakPolitechnika Poznańska

wzmacnianie słabych podłoży

Documents