Wstęp

Znamienną cechą realizowanych obecnie w Polsce inwestycji infrastrukturalnych jest optymalizacja rozwiązań projektowych. Niezależnie od przyjętego systemu realizacji (najczęściej „projektuj i buduj”), wykonawcy szukają najlepszych ekonomicznie i organizacyjnie rozwiązań. Przy zastosowaniu odpowiedniego poziomu kontroli, osiągnięcie optymalizacji idzie w parze z zapewnieniem bezpieczeństwa, trwałości i niezawodności konstrukcji. W niniejszym artykule przedstawiono przykład korzystnego rozwiązania posadowienia obiektu inżynierskiego w skomplikowanych warunkach gruntowych.

Inwestycja

Najbardziej wyczekiwaną przez mieszkańców Trójmiasta i sympatyków wypoczynku  nad Morzem Bałtyckim inwestycją infrastrukturalną ostatnich lat jest Obwodnica Metropolii Trójmiejskiej (OMT). W ramach tej budowy powstanie dwujezdniowy odcinek drogi ekspresowej S6, który połączy dwie ważne istniejące trasy: S6 Słupsk–Gdańsk oraz Obwodnicę Trójmiasta, dalej zapewniając ciągłość z autostradą A1 oraz S7 Gdańsk–Warszawa. Tym samym odciążona zostanie Obwodnica Trójmiasta, której przepustowość została już w pełni wykorzystana, a międzyregionalny tranzyt ominie pomorską metropolię. 
Obiekt ES-15B

W ramach Zadania 1 budowy OMT konieczne jest przeprowadzenie ruchu drogowego nad linią kolejową nr 229. Przejście to zapewni obiekt ES-15B. Jest to jednoprzęsłowa konstrukcja, której ustrój nośny stanowią prefabrykowane żelbetowe sklepienia łukowe współpracujące z gruntem. Dojazdy stanowią nasypy osiągające wysokości do 13 m. 

Warunki gruntowe i badania geologiczne

Na obszarze obejmującym obiekt ES-15B i jego dojazdy, w podłożu od powierzchni terenu występują grunty spoiste (gliny piaszczyste, piaski gliniaste) w stanie od plastycznego do twardoplastycznego. Pod nimi znajdują się grunty niespoiste (piaski drobne, piaski pylaste) w stanie od średniozagęszczonego do zagęszczonego (rys. 1).
Rozpoznanie warunków gruntowych było wieloetapowe, co jest typowe dla dużych i skomplikowanych pod względem geotechniki inwestycji. Poziom szczegółowości i rodzaj wykonanych badań był dopasowany do potrzeb danej fazy projektu: od wstępnego rozpoznania układu warstw gruntowych do indywidualnej oceny wybranych parametrów pod konkretnymi fundamentami. W celu weryfikacji danych z etapu przetargowego wykonano: wiercenia badawcze, sondowania statyczne CPTu, sondowania dylatometrem DMT oraz sondą krzyżakową FVT. Uzupełniające badania pozwoliły dokładnie odtworzyć układ warstw gruntowych, określić ich stan, parametry odkształceniowe i wytrzymałościowe, a także historię naprężeń w gruncie. 

RYS. 1. | Uzupełniające badania podłoża gruntowego – przekrój geologiczny i wyniki sondowania DMT [2]

Sposób posadowienia

Pod obiektem ES-15B i jego dojazdami występują grunty spoiste o podwyższonej ściśliwości i obniżonych parametrach mechanicznych. Bezpośrednie posadowienie obiektu inżynierskiego nie spełniłoby warunków stanów granicznych nośności i użytkowalności. 
W związku z tym konieczne było zastosowanie posadowienia pośredniego fundamentów.
Bezpośrednie posadowienie na gruncie rodzimym wysokich nasypów stanowiących dojazdy do obiektu spełnia warunki stanów granicznych. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że w rozpatrywanych warunkach gruntowych obciążenie podłoża budowlą ziemną o tak znacznej wysokości oraz powierzchni wiąże się z istotnym osiadaniem i zasięgiem oddziaływania obejmującym sąsiadujące obiekty. Konieczne jest zastosowanie rozwiązania ograniczającego różnicę przemieszczeń nasypu i przylegających do niego konstrukcji.

Technologia posadowienia pośredniego

Firma Keller Polska zaproponowała posadowienie obiektu ES-15B na kolumnach SCC (Soil-Cement Column). Technologia ta stanowi odmianę mieszania wgłębnego gruntu (Deep Soil Mixing) (fot. 2). Cechą charakterystyczną SCC jest posadowienie pośrednie na sztywnych kolumnach cementogruntowych, które przenoszą całość obciążeń z konstrukcji na nośne, głębokie warstwy podłoża. W tradycyjnej nomenklaturze jest to posadowienie typu „palowego”. W związku z tym nie wymaga ono dodatkowego zabezpieczania obrysu fundamentu ściankami szczelnymi, co często ma miejsce w przypadku technologii wzmacniających podłoże przy posadowieniu bezpośrednim. 
Kolumny SCC jako posadowienie pośrednie charakteryzują się niewielkim osiadaniem i znajdują zastosowanie w dużych i odpowiedzialnych obiektach budowlanych. Omawiana technologia wykorzystuje zalety wynikające z wgłębnego mieszania gruntu i pozwala tworzyć układy zacinających się kolumn o dużych średnicach. Tego typu przestrzenne układy (panele, skrzynie, bloki) zapewniają wysoką nośność oraz sztywność pionową i poziomą posadowienia. Zbrojenie kolumn profilami stalowymi zapewnia przeniesienie sił rozciągających i ścinających pomiędzy kolumnami a fundamentem.

FOT. 2. | Wiertnica z osprzętem do wykonania kolumn SCC oraz mieszadło podczas zagłębiania (Fot. Keller)

Przyjęte rozwiązanie

Jako posadowienie pośrednie obiektu ES-15B zaprojektowano kolumny SCC o średnicy 100 cm – według autorskiej koncepcji Keller Polska (rys. 2). Pod fundamentami przewidziano układ wzajemnie zacinających się kolumn tworzących panele równoległe do osi obiektu. Długości kolumn (od 12,0 m do 20,6 m) dopasowano do głębokości zalegania piasków, w których oparto podstawy kolumn. Kolumny SCC zostały połączone z fundamentem poprzez zbrojenie w postaci profili stalowych, które zastosowano ze względu na fazę przejściową zasypanych ścian monolitycznych, przed montażem prefabrykowanych elementów łukowych.

RYS. 2. | Przyjęte rozwiązanie posadowienia obiektu ES-15B na kolumnach SCC [3]

Nasypy na dojazdach do obiektu zostały posadowione bezpośrednio. W strefach przejściowych pomiędzy fundamentami a nasypem dokonano jedynie lokalnej, przypowierzchniowej wymiany gruntów słabonośnych. 
Ważnym elementem rozwiązania Keller Polska była określona w projekcie kolejność prowadzenia robót, w tym etapowe wykonanie robót ziemnych i konstrukcyjnych (rys. 3). 
W celu ograniczenia różnicy osiadania i oddziaływania nasypów na posadowienie fundamentów obiektu przewidziano przerwy technologiczne, w czasie których miała realizować się konsolidacja gruntów spoistych.

RYS. 3. | Wybrane kolejne etapy wznoszenia obiektu i nasypów [3]

Model obliczeniowy

Obliczenia przeprowadzono metodą elementów skończonych w płaskim stanie odkształcenia za pomocą programu Plaxis 2D. Reprezentatywny przekrój obejmował obiekt inżynierski (fundamenty, monolityczne ściany oraz prefabrykowane elementy łukowe), nasypy drogowe, posadowienie pośrednie na kolumnach SCC oraz istniejący nasyp kolejowy. W ten sposób uwzględniono wzajemny wpływ wszystkich oddziałujących na siebie obiektów. 

Wyniki obliczeń

Podstawowymi wynikami obliczeń były siły wewnętrzne i przemieszczenia (rys. 4). Przyjęte rozwiązanie posadowienia obiektu ES-15B oraz nasypów na jego dojazdach spełniło warunki stanów granicznych nośności i użytkowania [4]. Wyniki obliczeń pozwoliły na weryfikację wszystkich wymagań dla poszczególnych elementów. W projekcie przedstawiono także prognozowane osiadania wybranych charakterystycznych punktów w celu porównania z pomiarami rzeczywistych przemieszczeń podczas realizacji i eksploatacji obiektu.

RYS. 4. | Prognozowane całkowite przemieszczenia pionowe – maksymalna wartość 103,9 mm [3]

Kluczowym stanem granicznym użytkowalności dla fundamentów jest dopuszczalne osiadanie. W przypadku obiektów inżynierskich równie istotne znaczenie ma ograniczenie różnicy osiadania pomiędzy sąsiednimi podporami, które zwykle należy zredukować do wartości 10 mm. Posadowienie obiektu ES-15B na kolumnach SCC pozwoliło skutecznie ograniczyć osiadanie i jego różnicę w kolejnych fazach realizacji (tab. 1). Prognozowane osiadanie nawierzchni drogi również spełniło wymagane kryterium, które wynosiło 10 mm na odcinku o długości 10 m.

W ramach weryfikacji stanów granicznych nośności zaprojektowano wytrzymałość na ściskanie cementogruntu. Na podstawie procedury przedstawionej w wytycznych [5] określono wartość wymaganą po 60 dniach dojrzewania: fck = 3,50 MPa (tab. 2).

gdzie:
0,85 - współczynnik redukcyjny ze względu na ewentualne efekty długoterminowe,
γm - częściowy współczynnik bezpieczeństwa; przyjmuje się γm= 1,5 dla obciążeń stałych i zmiennych oraz γm= 1,3 dla obciążeń wyjątkowych,
fck – charakterystyczna wytrzymałość cementogruntu na ściskanie,
fcd – obliczeniowa wytrzymałość cementogruntu na ściskanie.

Pilotowe badania wytrzymałości

Na etapie prac nad projektem wykonawczym posadowienia na kolumnach SCC wykonano pilotowe badania cementogruntu. Polegały one na sprawdzeniu właściwości materiału, który został przygotowany w laboratorium przy użyciu gruntu pobranego z podłoża pod omawianym obiektem inżynierskim. Głównym celem badań było potwierdzenie osiągnięcia założonej wytrzymałości na ściskanie i ustalenie ostatecznego składu zaczynu. W ten sposób zmniejszono ryzyko związane z wykonaniem elementów posadowienia pośredniego w każdorazowo niepowtarzalnych warunkach gruntowych i zoptymalizowano zużycie cementu. 
W ramach badań pilotowych określono skład granulometryczny pobranych próbek gruntu, zawartość części organicznych oraz granice płynności i plastyczności. Następnie przygotowano z nich cementogrunt w trzech wariantach zawartości cementu i uformowano 12 normowych próbek do badań wytrzymałościowych. Po 28 dniach dojrzewania i pielęgnacji próbek przeprowadzono badania wytrzymałości na ściskanie (tab. 3).
Badania potwierdziły wstępnie założoną na podstawie wytycznych [5] oraz doświadczeń firmy Keller Polska wytrzymałość cementogruntu projektowanych kolumn SCC. 

Kontrolne badania wytrzymałości

Podczas realizacji robót geotechnicznych pobierano cementogrunt ze świeżo wykonanych, losowych kolumn SCC. Z pobranego materiału formowano normowe próbki sześcienne i przekazano do certyfikowanego laboratorium na czas dojrzewania i pielęgnacji. Następnie przewidziano wykonanie badań wytrzymałości na ściskanie. 
Zgodnie z wymaganiami projektu wykonawczego charakterystyczna wytrzymałość na ściskanie cementogruntu po 60 dniach powinna wynosić fck,60 = 3,50 MPa lub równoważnie po 28 dniach fck,28=2,80 MPa. Spełnienie warunku wytrzymałości po 28 dniach zwalnia z konieczności badania próbek po 60 dniach. Metodykę oceny wytrzymałości cementogruntu w ujęciu statystycznym przy założeniu rozkładu logarytmicznonormalnego podano w wytycznych [5]. 

gdzie:
fcm(ln fci) – oznacza średnią z wartości ln fci,
sd (ln fc) – oznacza odchylenie standardowe wartości ln fci, powodujące zmniejszenie wytrzymałości cementogruntu,
m – parametr statystyczny określający poziom ufności, dla projektowanego obiektu w klasie A przyjęto m = 1,28.
Na podstawie przedstawionego powyżej podejścia określono charakterystyczną wytrzymałość na ściskanie dla populacji 52 próbek pobranych podczas realizacji kolumn SCC. Uzyskana już po 28 dniach dojrzewania próbek wytrzymałość była wystarczająca i wyniosła fck,28 = 2,89 MPa (przy średniej fcm,28 = 3,69 MPa).

Bieżąca kontrola w trakcie wykonywania robót

Poza pobieraniem próbek do badań wytrzymałościowych, podczas realizacji kolumn SCC prowadzono bieżącą kontrolę jakości wykonywanych robót. Dla każdej kolumny rejestrowano parametry pracy wiertnicy i stacji produkcji zaczynu za pomocą zainstalowanej na nich automatycznej aparatury. Najistotniejsze z udokumentowanych danych stanowią powykonawczą metrykę kolumny SCC. 

W przypadku posadowienia obiektu ES-15B w projekcie wykonawczym określono wymaganą energię mieszania kolumn SCC. Kontrola tego parametru ma na celu zapewnienie odpowiedniej efektywności wymieszania gruntu i spoiwa, a tym samym zagwarantowanie jej jednorodności i ostatecznie wymaganej wytrzymałości cementogruntu. Jest to wymaganie jeszcze rzadko spotykane w krajowych projektach dotyczących technologii wgłębnego mieszania gruntu. Do oceny energii mieszania wykorzystuje się wskaźnik BRN (Blade Rotation Number), który określa całkowitą liczbę obrotów belki mieszającej na metr bieżący. W rozpatrywanym przypadku określono minimalne wartości wskaźnika BRN dla występujących w podłożu gruntów na podstawie wytycznych [5] i doświadczeń Keller Polska (tab. 4). Osiągnięta podczas realizacji kolumn energia mieszania spełniała te założenia (rys. 5).

RYS. 5. | Wycinek metryki kolumny B52 przedstawiający uzyskaną prędkość obrotową oraz wskaźnik BRN

Próbne obciążenia

Najlepszą metodą oceny spełnienia założeń projektowych i jakości wykonania kolumn lub pali są próbne obciążenia statyczne. Jest to najbardziej bezpośredni rodzaj badania, które w wiarygodny sposób określa nośność i sztywność elementów posadowienia pośredniego w rzeczywistych warunkach pracy.
Pod obiektem ES-15B przewidziano wykonanie czterech próbnych obciążeń statycznych. Badania przeprowadzono w dwóch cyklach: I cykl – do siły odpowiadającej 100% obciążenia obliczeniowego (ok. 1500 kN), 
II cykl – do siły odpowiadającej 150% obciążenia obliczeniowego (ok. 2100 kN) (tab. 5). Wyniki potwierdziły spełnienie założeń projektowych dotyczących nośności i sztywności wykonanych kolumn SCC.

Monitoring geotechniczny

W ramach przewidzianego monitoringu geotechnicznego w trakcie prowadzenia robót budowlanych i podczas eksploatacji obiektu prowadzone były pomiary geodezyjne oraz inklinometryczne. Monitoring przemieszczeń wykonywany był cyklicznie i obejmował repery zlokalizowane na podporach obiektu ES-15B oraz repery talerzowe w obrębie nasypów na dojazdach. Uzyskane z pomiarów wyniki rzeczywistych przemieszczeń pionowych i poziomych były porównywane na bieżąco z prognozowanymi w obliczeniach numerycznych. Pozwoliło to na weryfikację założeń projektowych i poprawności wykonania robót. Posiadanie tych danych umożliwiło również podejmowanie świadomych decyzji o każdorazowym przejściu do kolejnego etapu realizacji. 
Roboty budowlane związane ze wznoszeniem obiektu i nasypów drogowych są obecnie na ukończeniu, a monitoring  jest prowadzony zgodnie z założeniami projektu. Dostępne wyniki pomiarów wskazują, że przyrost rzeczywistych przemieszczeń jest zbieżny z prognozowanymi (rys. 6). Świadczy to o poprawności założeń projektowych.
Prowadzenie rozbudowanego monitoringu geotechnicznego jest ważnym elementem rozwiązania Keller Polska, które umożliwiło posadowienie bezpośrednie na gruncie rodzimym wysokich nasypów. Założenia dotyczące etapowania robót ziemnych i konstrukcyjnych oraz zastosowanie przerw technologicznych na konsolidację gruntów spoistych mają sens tylko pod warunkiem kontroli rzeczywistego zachowania podłoża i obiektów budowlanych. Bez monitoringu geotechnicznego nie można mówić o bezpiecznym posadowieniu w trudnych warunkach gruntowych.

RYS. 6. | Wykres osiadania pomierzonego i prognozowanego dla podpory P1

Podsumowanie

Przedstawiony obiekt jest przykładem podejścia do projektowania, które zapewnia optymalne rozwiązanie, jednocześnie gwarantując wysoki poziom bezpieczeństwa. Polega ono na rzetelnej, wieloaspektowej kontroli na kolejnych etapach życia projektu. W tym celu wykonywane są w szerszym niż dotychczas zakresie badania, pomiary i analizy obliczeniowe. Mają one miejsce na etapie przygotowania inwestycji, projektowania, realizacji robót oraz podczas eksploatacji obiektu. Dotyczą zarówno wykorzystywanych danych, materiałów budowlanych, jak i gotowych elementów konstrukcji. 
W krajowych realiach branży budowlanej wraz z postępem wiedzy inżynierskiej, wzrostem świadomości inwestorów oraz planowanym rozwojem infrastruktury, przedstawiona w omawianym przykładzie ścieżka może stać się standardem dla projektów w wymagających warunkach gruntowych. Kontrola pozwala na świadomą i bezpieczną optymalizację. Dodatkowo w przypadku ewentualnych nieprawidłowości pozwala na możliwie wczesne wdrożenie działań naprawczych. 

Literatura

[1]    Strona internetowa inwestycji: metropolitalna-zadanie1.pl
[2]    Dokumentacja badań podłoża gruntowego. Budowa Obwodnicy Trójmiejskiej Zadanie 1. Opracowanie: Ingeo
[3]    Projekt wykonawczy. Budowa Obwodnicy Metropolii Trójmiejskiej. Posadowienie pośrednie obiektu ES-15B na sztywnych kolumnach SCC. Opracowanie: Keller Polska
[4]    PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne.
[5]    TOPOLNICKI M. Dobra praktyka stosowania i projektowania wgłębnego mieszania gruntu na mokro. XXXII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, 7-10 marca 2017 r., Wisła