Geotechnika. Zasady stosowania i projektowania wzmocnienia gruntu metodą wgłębnego mieszania na mokro (DSM)

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. MICHAŁ TOPOLNICKI KELLER POLSKA Sp. z o.o. Geotechnika Zasady stosowania i projektowania wzmocnienia gruntu metodą wgłębnego mieszania na mokro (DSM) Pod względem liczby i różnorodności polskie wdrożenia technologii wgłębnego mieszania na mokro DSM (ang. Deep Soil Mixing), zapoczątkowane w 1999 r., zajmują czołowe miejsce w Europie. Objęły m.in. nasypy drogowe i kolejowe, obiekty mostowe, budynki mieszkalne i przemysłowe, silosy, centra komercyjne, posadzki, parkingi i place składowe, obudowy wykopów oraz przesłony przeciwfiltracyjne. Na kolumnach DSM posadowiono już ponad 300 wiaduktów i mostów drogowych i kolejowych oraz około 400 turbin wiatrowych, a oba rodzaje zastosowań były pierwszymi w skali międzynarodowej [11, 17]. Na podstawie ponad tysiąca wdrożeń można stwierdzić, że metoda DSM zajęła trwałe miejsce w polskiej geotechnice, podobnie jak w rozwiniętych krajach na świecie. W uznaniu tych dokonań kolejna światowa konferencja poświęcona wgłębnemu mieszaniu gruntu na sucho i na mokro odbędzie się w Gdańsku w roku Rozwojowi wdrożeń i technologii DSM towarzyszą prace nad unormowaniem zasad jej stosowania, m.in. w Europie [2, 3, 8] i Polsce [22]. Nie nadążają one jednak za potrzebami, a ich zakres jest niewystarczający, zwłaszcza w odniesieniu do projektowania. Z tego powodu istotne znaczenie w praktyce projektowej mają doświadczenia wykonawców robót DSM. W Polsce korzystano z prac [13, 16], które wprowadziły zachowawcze zasady projektowania oraz umożliwiały optymalizację zastosowań w miarę postępu. Zainteresowanie technologią wgłębnego mieszania gruntu na krajowym rynku usług geotechnicznych wywołało pozytywne i negatywne zachowania. Z jednej strony są prowadzone prace i badania, których celem jest racjonalna optymalizacja zasad stosowania DSM zgodnie ze strategią zrównoważonego rozwoju, a z drugiej strony pojawiają się także przypadki poszukiwania źle rozumianych oszczędności. Przykładami są: nadmierne zmniejszanie zawartości cementu w stabilizowanym gruncie, przyspieszanie czasu wykonania kolumn DSM kosztem jakości wymieszania, zmniejszanie liczby kolumn skutkujące ich nadmiernym wytężeniem, arbitralne zmniejszanie współczynników bezpieczeństwa, niski standard rejestracji procesu wykonania kolumn albo zmniejszanie wymagań w zakresie kontroli jakości robót. W konsekwencji zwiększa się w sposób niekontrolowany ryzyko, aż dochodzi do nieudanych zastosowań, które w nieuzasadniony sposób zmniejszają zaufanie do technologii i zasad projektowania. Biorąc pod uwagę potrzebę uaktualnienia zasad projektowania DSM [13, 14, 16] w nawiązaniu do wzbogaconego doświadczenia i nowych regulacji międzynarodowych [3, 4, 8] oraz celowość podwyższenia standardu krajowych zastosowań DSM, podjęto próbę podsumowania dobrej praktyki stosowania i projektowania wgłębnego mieszania gruntu na mokro. Szczególną uwagę zwrócono na właściwości i zasady projektowania cementogruntu, które mają podstawowe znaczenie. Wykonawcze aspekty wgłębnego mieszania gruntu uwzględniono tylko w zakresie ich wpływu na projektowanie. PROCES WDROŻENIA WZMOCNIENIA GRUNTU DSM W PRAKTYCE BUDOWLANEJ Wdrożenie wzmocnienia gruntu DSM w praktyce budowlanej następuje w trzech etapach. Pierwszy obejmuje zebranie i analizę danych wyjściowych, drugi projektowanie geotechniczne, a trzeci wykonanie robót wraz z kontrolą jakości (rys. 1). W pierwszym etapie należy dokonać wstępnej analizy możliwości i celowości zastosowania technologii DSM w warunkach przedmiotowej inwestycji, bazując na ugruntowanej wiedzy i doświadczeniu, a w uzasadnionych przypadkach także na badaniach próbek cementogruntu wymieszanych w warunkach laboratoryjnych lub nawet polowych. Dogłębna analiza pozwala zidentyfikować korzyści i ryzyka związane z zastosowaniem technologii DSM i stanowi podstawę racjonalnych decyzji. Z tego powodu powinna być wykonana przez osoby mające odpowiednie doświadczenie projektowe i wykonawcze. Drugi etap obejmuje iteracyjne dochodzenie do optymalnych rozwiązań projektowych DSM, które powinny spełniać wymagania stanu granicznego nośności i stanu granicznego użytkowalności przy możliwie najmniejszym nakładzie kosztów. Istotną rolę w tym procesie odgrywa projektowanie cementogruntu, zwłaszcza określenie charakterystycznej wytrzymałości cementogruntu na ściskanie, biorąc pod uwagę nie tylko rodzaj i właściwości gruntu oraz rodzaj i ilość zastosowanego spoiwa, Rys. 1. Proces wdrożenia wzmocnienia gruntu DSM w praktyce budowlanej INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018 3

2 ale również funkcję projektowanego wzmocnienia gruntu i charakterystykę planowanego układu kolumn DSM. Trafne określenie właściwości fizycznych i mechanicznych cementogruntu stanowi istotną trudność w projektowaniu z uwagi na różnorodność gruntów i spoiw hydraulicznych oraz specyfikę procesu mieszania gruntu z zaczynem in situ. Z tego powodu dobrą praktyką jest wykonywanie pilotowych badań cementogruntu do potrzeb projektu geotechnicznego na próbkach wymieszanych w laboratorium, a w uzasadnionych przypadkach także prób polowych. W Polsce korzysta się z tej pomocy zbyt rzadko. Kluczowe znaczenie ma także stosowanie adekwatnych modeli i analiz obliczeniowych, które muszą właściwie uwzględniać współpracę kolumn DSM z gruntem i przedmiotowym obiektem budowlanym. W trzecim etapie podstawowe znaczenie ma zapewnienie dobrej jakości wykonania robót. Ponieważ mieszanie gruntu odbywa się in situ, szczególną rolę odgrywa sprzęt i dokumentacja wykonania robót z udziałem zaawansowanych systemów automatycznej rejestracji parametrów produkcyjnych. Wymagania w tym zakresie, zamieszczane w projektach i specyfikacjach technicznych, powinny odpowiadać dobrej praktyce wykonawczej, co wymaga śledzenia rozwoju technologii oraz współpracy z wykonawcami robót DSM. Dobrą praktyką, zwłaszcza w przypadku projektów o dużym znaczeniu, jest kontrolowanie sprzętu oraz sposobu wykonania i rejestrowania kolumn na polach próbnych przed rozpoczęciem podstawowego zakresu robót. Dalej skupiono się na wybranych zagadnieniach szczegółowych, które wchodzą w zakres dwóch pierwszych etapów wdrażania DSM w praktyce. ANALIZA DANYCH WYJŚCIOWYCH Możliwości zastosowania oraz zalety i ograniczenia DSM Możliwości zastosowania wgłębnego mieszania gruntu na mokro obejmują: 1) wzmacnianie gruntu i fundamentowanie obiektów budowlanych, 2) obudowy wykopu i konstrukcje oporowe, 3) stabilizowanie skarp i zboczy, 4) zabezpieczenie gruntu przed upłynnieniem, 5) przegrody przeciwfiltracyjne pasywne i aktywne, 6) stabilizację i solidyfikację zanieczyszczeń (inżynieria środowiska). Analizując światowe wdrożenia, można zauważyć, że pod względem rodzaju, ważności i okresu użytkowania obiektów inżynierskich nie ma w zasadzie ograniczeń w wykorzystaniu technologii DSM. Wskazują na to m.in. spektakularne zastosowania DSM w krajach, gdzie przeciętne warunki gruntowe oraz oddziaływania sejsmiczne są nieporównywalnie gorsze niż w Polsce. Przykładowo, w Japonii, która jest liderem w stosowaniu DSM i gdzie dominującym rodzajem gruntu są miękkoplastyczne iły o wilgotności od 60 do 150%, wzmocniono do roku 2010 około 73,3 mln m 3 gruntu na lądzie i dnie morza, m.in. pod falochronami i nabrzeżami poddanymi intensywnym obciążeniom dynamicznym i zmiennym [6]. W Korei Południowej posadowiono drugi co wielkości na świecie tunel podmorski, a w Azji trwa budowa elektrowni atomowej, w całości posadowionej na gruncie wzmocnionym za pomocą DSM. Mieszanie wgłębne gruntu, podobnie jak inne metody wzmocnienia podłoża w geotechnice, ma zalety i ograniczenia. W analizie możliwości zastosowania DSM w odniesieniu do planowanej inwestycji jest pomocne uwzględnienie czynników wymienionych w tabl. 1. Mieszanie gruntu może być wykonane w ten sposób, że cała objętość słabego gruntu zostaje wymieszana ze spoiwem lub w dowolnie ustalonym stopniu wzmocnienia. Ściany wykonywane z zachodzących kolumn stosuje się głównie do zabezpieczania wykopów oraz stabilizacji skarp i zboczy, a także do wykonywania pionowych przegród i poziomych ekranów. Tablica 1 Główne zalety i ograniczenia metody wgłębnego mieszania gruntu na mokro Zalety Efekt stabilizacji gruntu cementem uzyskuje się dla wszystkich rodzajów gruntu Właściwości stabilizowanego gruntu mogą być dostosowane do potrzeb (projektowanie cementogruntu) Łatwość wykonywania kolumn stycznych i zachodzących na siebie oraz dostosowania schematu wzmocnienia do potrzeb projektu Niewielkie oddziaływanie w gruncie, mogące szkodzić sąsiednim obiektom Dobra wydajność, stąd korzystne dla dużych projektów Brak wibracji, umiarkowany hałas w czasie robót Może być stosowane na lądzie, w strefie brzegowej i na morzu Ograniczenia Rodzaj i stan gruntu wpływają na efektywność wiązania cementogruntu Jednorodność i właściwości wzmocnionego gruntu mogą się znacznie zmieniać (typowy rozrzut większy niż dla betonu) Ograniczenie głębokości mieszania; praktycznie brak możliwości wykonywania kolumn nachylonych i wzmacniania wydzielonych warstw gruntu Kolumny nie mogą być wykonywane w linii istniejących obiektów (poza metodą hybrydową) Trudność przechodzenia przez warstwy silnie zagęszczone, zwarte lub zawierające kamienie Ciężar maszyny może ograniczać wjazd na bardzo słaby grunt Wrażliwość odkrytego cementogruntu na warunki atmosferyczne i cykle zamarzanie/odtajanie Kiedy stosować mieszanie gruntu na mokro? O zasadności i efektywności zastosowania metody wgłębnego mieszania gruntu na mokro w przypadku konkretnego projektu decyduje wiele czynników. Wnikliwe analizy w tym zakresie powinny być częścią prac projektowych. Natomiast na etapie wstępnego rozpoznania są pomocne praktyczne wskazówki, które mają charakter orientacyjny i nie powinny być interpretowane jako ostre granice stosowania mieszania gruntu na mokro. Pierwszą wskazówką jest rodzaj wzmacnianego gruntu, który w dużym stopniu determinuje efektywność zastosowania technologii wgłębnego mieszania na mokro. Piaski, pyły i gliny miesza się skuteczniej niż iły i grunty organiczne, a cementogrunt osiąga większe wytrzymałości przy tej samej zawartości cementu. Wartości przeciętnych wytrzymałości charakterystycznych cementogruntu na ściskanie, które można wykorzystać do wstępnych prac projektowych, jeżeli nie dysponuje się wynikami badań pilotowych ani danymi empirycznymi z realizacji robót DSM w podobnych warunkach, podano w tabl. 4. Drugą wskazówką jest wilgotność wzmacnianego gruntu. Znaczenie wpływu początkowej wilgotności gruntu na przebieg mieszania i wytrzymałość cementogruntu można ocenić na podstawie wyników badań pokazanych na rys. 2. Badania Rys. 2. Wytrzymałość cementogruntu na ściskanie w zależności od początkowej wilgotności gruntu, przy stałej zawartości cementu we wszystkich próbkach wynoszącej 200 kg/m 3 4 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

3 wykonano w warunkach laboratoryjnych, mieszając piasek i glinę pylastą z zaczynem cementowym o wskaźniku W/C = 1. Ilość zaczynu we wszystkich badaniach zmieniano tak, aby wypadkowa zawartość cementu we wszystkich przypadkach wynosiła 200 kg/m 3. Piasek miał wilgotność naturalną 14%, a glina 39%. Dolewając do gruntu wodę, przed dodaniem zaczynu, zmieniono początkową wilgotność piasku na 20, 25, 30 i 40% (ostatnia wartość powyżej chłonności gruntu) oraz 50, 70, 100 i 120% w przypadku gliny [1]. Woda zawarta w gruncie zwiększa wypadkowy wskaźnik W/C piasku od 2,1 w przypadku próbki o wilgotności naturalnej do 2,9 przy pełnym nasyceniu, a w przypadku gliny od 3,6 do 4,8. Mieszanie na mokro gruntu o zbyt dużej wilgotności początkowej przestaje być stopniowo efektywne. Należy zauważyć anomalię w zachowaniu gliny. Mieszanie przy wilgotności naturalnej było mniej skuteczne niż przy wilgotności początkowej 50%. Powodem był niski stopień wymieszania gliny z zaczynem, nawet pomimo mieszania w laboratorium, ponieważ próbka była za sucha. Najskuteczniejsze okazało się mieszanie gliny o wilgotności wypadkowej nieco większej od granicy płynności (w L = 54%). To spostrzeżenie ma istotne znaczenie przy ustalaniu parametrów procesu mieszania gruntu in-situ. Analizując wilgotność gruntu w miejscu budowy, należy zwrócić uwagę, że znaczenie początkowej wilgotności w aspekcie zastosowań DSM w gruntach niespoistych jest inne (mniej ważne) niż w gruntach spoistych i organicznych. Grunty niespoiste są korzystnym składnikiem cementogruntu. Mają dużo mniejszą wodochłonność. Zmiana W/C jest stosunkowo niewielka, a cementogrunt osiąga duże wytrzymałości już przy małej zawartości cementu. Utrudnienia dotyczące stosowania DSM mogą być głównie natury wykonawczej i występują w przypadku zbyt małej wilgotności. Przesuszone piaski chłoną wodę z zaczynu i są trudne do penetracji. Podawanie zaczynu musi spełniać dodatkową funkcję smarowania mieszadła, co zwiększa jego zużycie. Natomiast w przypadku gruntów spoistych i organicznych można przyjąć, że stosowanie mieszania na mokro przy wilgotności początkowej gruntu powyżej 120% jest mało efektywne. Trzecią wskazówką jest agresywność środowiska gruntowego. W przypadku narażenia na agresję chemiczną ze strony wody gruntowej lub gruntu można stosować DSM przy oddziaływaniu klasy XA1, a w przypadku agresji siarczanowej także klasy XA2. W pozostałych rodzajach średniej (XA2) i silnej (XA3) agresji chemicznej oraz w przypadku występowania w gruncie albo w wodzie gruntowej substancji, które mogłyby negatywnie wpłynąć na właściwości cementogruntu, wdrożenie DSM wymaga indywidualnej oceny przez projektanta. Analizując agresywne odziaływania wody gruntowej na kolumny DSM, należy zwrócić uwagę na intensywność przepływu wody w otoczeniu cementogruntu. W warunkach stacjonarnych i przy małych prędkościach filtracji wody, a więc w przypadku większości zastosowań DSM, oddziaływanie jest znacznie mniej destruktywne niż przy intensywnym przepływie i wymywaniu produktów ługowania. Jest przy tym istotne, że stosując odpowiednie cementy, dostosowane do rodzaju agresywności, można zapobiegać negatywnym skutkom agresywnego oddziaływania środowiska gruntowego. Inne możliwości przeciwdziałania agresywnemu oddziaływaniu środowiska są związane z dodatkowymi zapasami bezpieczeństwa, uwzględnianymi w projektowaniu geotechnicznym, jak np. redukowanie obliczeniowej średnicy kolumn albo stosowanie układów blokowych. Czwartą wskazówką jest zawartość części organicznych I om. Przy I om 15% można osiągnąć porównywalne wytrzymałości cementogruntu, jak w przypadku tego samego gruntu bez części organicznych, ale wymaga to istotnego zwiększania zawartości cementu, odpowiednio do zwiększenia I om. Po przekroczeniu I om = 20% wytrzymałości są małe nawet przy znacz- nym dozowaniu cementu, co wyznacza racjonalną granicę stosowania DSM w gruntach organicznych. W odniesieniu do wzmacniania gruntów organicznych przez wymieszanie ze spoiwami hydraulicznymi spotyka się opinie, że metoda DSM, zwłaszcza w wersji na mokro, nie nadaje się do tego celu. Przeczą temu jednak przykłady pozytywnego wdrożenia na świecie i w Polsce [13]. Przy użyciu właściwych spoiw i odpowiednim dozowaniu grunt organiczny wymieszany ze spoiwem uzyskuje w każdym przypadku większą wytrzymałość niż grunt rodzimy. Dyskusyjny może być tylko stopień osiągniętego wzmocnienia. Z tego względu w normach i zaleceniach nie wprowadza się obligatoryjnych ograniczeń stosowania DSM w gruntach organicznych, pozostawiając decyzję projektantowi posadowienia, który ma szereg możliwości zmniejszenia ryzyka i dostosowania rozwiązania do potrzeb w ramach projektowania geotechnicznego, jak np. wzmocnienie całej objętości słabego gruntu pod fundamentem. Co do zasady, stosowanie DSM w przypadku gruntów organicznych powinno być każdorazowo przedmiotem wnikliwej analizy, nie tylko w aspekcie ryzyka, ale również racjonalności. Kolejne wskazówki są związane z technicznymi możliwościami i warunkami realizacji robót DSM. Istotne znaczenie ma m.in. miąższość oraz głębokość zalegania słabego gruntu. Utrudnieniem może być konieczność przejścia mieszadła przez zagęszczone lub zwarte grunty, leżące powyżej warstwy słabej. PROJEKTOWANIE GEOTECHNICZNE Mechanizm stabilizacji gruntu spoiwem cementowym Ogólny mechanizm stabilizacji gruntu spoiwem cementowym obejmuje cztery etapy: uwodnienie spoiwa, wymianę jonową, formowanie produktów hydratacji cementu oraz formowanie produktów reakcji pucolanowej (rys. 3). Rys. 3. Ogólny mechanizm stabilizacji gruntu spoiwem cementowym Uwodnienie spoiwa i trwający dalej proces absorpcji wody zmniejszają początkową wilgotność stabilizowanego gruntu, a wymiana jonowa zmienia fizyczne właściwości gruntu oraz powoduje obniżenie plastyczności gruntu. Ten efekt wykorzystuje się przy wykonywaniu powierzchniowej stabilizacji gruntu, np. w drogownictwie, ponieważ dodanie niewielkiej ilości cementu lub wapna ułatwia i zwiększa skuteczność zagęszczania gruntu. Hydratacja cementu i reakcja pucolanowa powodują twardnienie cementogruntu, przy czym nabieranie wytrzymałości w czasie hydratacji jest szybkie i trwa krótko, a w przypadku reakcji pucolanowej jest powolne i rozciągnięte w czasie. Pucolany, najczęściej pod postacią popiołów lotnych oraz mikrokrzemionki, nie twardnieją samodzielnie po zmieszaniu z wodą, ale reagują chemicznie z wodorotlenkiem wapnia w środowisku wodnym, tworząc uwodnione krzemiany wapnia, będące również produktem hydratacji cementu. W rezultacie struktura stwardniałego cementogruntu staje się bardziej zwarta, tworząc materiał o zwiększonej wytrzymałości oraz trwałości, a proces ten może trwać bardzo długo (nawet lata). Dwa ostatnie etapy mają zasadnicze znaczenie dla wzmacniania INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018 5

4 gruntu metodą wgłębnego mieszania przy udziale stosunkowo dużych ilości spoiwa cementowego. Czynniki wpływające na wytrzymałość cementogruntu Projektowanie cementogruntu sprowadza się do określenia (prognozowania) wartości parametrów fizycznych i mechanicznych materiału, który powstanie w wyniku wymieszania gruntu z zaczynem cementowym in situ. Podstawowym parametrem projektowym w większości zastosowań DSM jest wytrzymałość cementogruntu na ściskanie f c, która zależy przede wszystkim od rodzaju gruntu oraz jego właściwości fizycznych i chemicznych, składu wody gruntowej, rodzaju i zawartości cementu, gęstości zaczynu i sposobu podawania, stopnia wymieszania gruntu z zaczynem oraz od czasu i warunków dojrzewania cementogruntu. Szczegółowy wykaz głównych czynników wpływających na wytrzymałość cementogruntu zamieszczono w tabl. 2. Tablica 2 Główne czynniki wpływające na wytrzymałość na ściskanie cementogruntu Czynniki Grunt i woda gruntowa Cement, dodatki, woda zarobowa Warunki mieszania Czas i warunki dojrzewania Opis rodzaj, skład granulometryczny, mineralogia, wilgotność, granice konsystencji, zawartość części organicznych, skład chemiczny oraz ph wody gruntowej, ewentualne zanieczyszczenia skład, ilość i jakość spoiwa cementowego, gęstość zaczynu, jakość wody zarobowej konstrukcja mieszadła, sposób mieszania i podawania zaczynu, czas mieszania czas dojrzewania, temperatura, wilgotność, cykle opad/susza, ekspozycja na zamarzanie/ odtajanie Pomimo wielu badań i bogatej literatury, zwłaszcza w odniesieniu do powierzchniowej stabilizacji gruntów i iniekcji geotechnicznych, prognozowanie właściwości cementogruntu w przypadku planowanego zastosowania DSM jest trudne i wymaga doświadczenia. Wynika to z braku adekwatnego modelu cementogruntu, umożliwiającego analizowanie ilościowego i wypadkowego oddziaływania czynników wymienionych w tabl. 2. Dlatego w praktyce projektowej często korzysta się z doświadczeń zdobytych w porównywalnych warunkach gruntowych na wcześniejszych budowach, o ile są dostępne i miarodajne. Jednak najlepszym sposobem jest wykonanie badań pilotowych cementogruntu na potrzeby projektowania geotechnicznego. Badania takie na próbkach gruntu wymieszanego z zaczynem cementowym w warunkach laboratoryjnych nie są trudne ani kosztowne. Wymagają przede wszystkim zaplanowania i zarezerwowania czasu. Pilotowe badania cementogruntu Program takich badań należy dostosować do potrzeb zastosowania DSM. Odpowiednio zaplanowane badania pilotowe zmniejszają ryzyko nieosiągnięcia założonych parametrów fizycznych i mechanicznych cementogruntu w warunkach budowy. Pozwalają także sprawdzić działanie różnych cementów oraz w racjonalny sposób optymalizować zużycie cementu, które ma duży wpływ na koszt wzmocnienia gruntu metodą DSM. Przykład badań pilotowych na próbkach gliny pobranej z miejsca budowy i wymieszanej w laboratorium z jednym rodzajem cementu w celu określenia dozowania potrzebnego do uzyskania zakładanej wytrzymałości cementogruntu na ściskanie podano na rys. 4. Wykorzystując wyniki badań cementogruntu przygotowanego w laboratorium, należy mieć na uwadze, że w kolumnach DSM średni stopień wymieszania gruntu z zaczynem cemento- wym może być mniejszy niż osiągany w laboratorium, gdzie uzyskuje się jednorodny materiał. Z tego powodu do warunków polowych należy przyjmować zredukowane wytrzymałości cementogruntu, przy czym stopień redukcji zależy od dokładności wymieszania gruntu z zaczynem in situ i przeciętnie wynosi od 0,5 do 0,8. Rys. 4. Pilotowe badanie wytrzymałości cementogruntu przygotowanego w laboratorium (grunt: glina, CEM II/B-V 32,5, średnie wytrzymałości f cm każdorazowo z 12 próbek) W tym kontekście należy podkreślić, że podczas wykonywania kolumn DSM jest niezbędne kontrolowanie wskaźnika wymieszania BRN (ang. Blade Rotation Number). Wskaźnik ten określa w uproszczony sposób pracę włożoną podczas wgłębnego mieszania gruntu, wyrażoną za pomocą liczby obrotów pojedynczej belki mieszającej na metr długości kolumny, zgodnie z zależnością BRN = M n i = 1 ( R pi V pi + R ) [obr/m], w której: M liczba aktywnych belek mieszających (belka o długości równej średnicy kolumny liczy się podwójnie), R p prędkość obrotowa mieszadła w fazie penetracji [obr/min], V p prędkość penetracji mieszadła [m/min], R w prędkość obrotowa mieszadła w fazie wyciągania [obr/min], V w prędkość wyciągania mieszadła [m/min], n liczba pełnych cykli mieszania dół-góra, zależnie od sposobu wykonania kolumny (rys. 5). Rys. 5. Sposoby wykonania kolumny DSM w trzech (n = 3) lub jednym (n = 1) cyklu mieszania Zalecane wartości wskaźnika BRN w zależności od rodzaju gruntu zamieszczono w tabl. 4. Grunty organiczne i spoiste wymagają większej pracy mieszania niż piaski. Jaki cement do DSM? Analizując przydatność różnych cementów do wzmocnienia gruntu metodą DSM, należy mieć na uwadze to, że głównym składnikiem cementogruntu są naturalne lub antropogeniczne grunty zalegające w podłożu. Ich wpływ na właściwości fizyczne i mechaniczne cementogruntu jest silniejszy niż w przypadku betonu (porównując udział gruntu do udziału kruszywa w betonie). Ilustrują to wyniki badań wykonanych przy stałej zawartości cementu dla trzech rodzajów gruntu i pięciu cementów z grup CEM I-III [1], podane na rys. 6. Zastosowanie różnych cementów zmieniło wytrzymałość cementogruntu na ściskanie około 1,5 raza w przypadku torfu, 1,9 raza gliny i 2,8 razy w przypadku piasku. Natomiast wpływ rodzaju gruntu, największy w przypadku porównania torfu z piaskiem, spowodował zmianę wytrzymałości około 8 do 23 razy. Grunt może również zawierać zanieczyszczenia, a woda gruntowa może wi V wi (1) 6 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

5 Rys. 6. Wpływ rodzaju cementu na wytrzymałość cementogruntu po 60 dniach dojrzewania [1] mieć agresywny skład chemiczny. Oba czynniki dodatkowo utrudniają wiązanie cementogruntu. Z powodu dominującego wpływu rodzaju gruntu na wytrzymałość cementogruntu, najlepszym sposobem sprawdzenia skuteczności wiązania analizowanego gruntu z wybranymi cementami oraz określenia ilościowych zależności są bezpośrednie badania, które można wykonać na próbkach gruntu wymieszanych w laboratorium w ramach badań pilotowych. W krajowej praktyce do robót DSM są używane z reguły cementy powszechnego stosowania z grup CEM I-III. Zastosowany cement powinien spełniać wymagania wynikające z klasy ekspozycji cementogruntu w miejscu wykonania kolumn DSM oraz mieć potwierdzoną przydatność do zastosowań geotechnicznych (oba warunki według PN-EN 206). Innych rodzajów cementów można użyć, jeżeli je wypróbowano w porównywalnych warunkach. Błędem popełnianym przez projektantów, mimo wielokrotnych wyjaśnień (por. [7]), jest żądanie stosowania cementu CEM I-SR3 do wzmocnienia gruntu DSM pod drogowymi obiektami inżynierskimi na podstawie rozporządzenia MTiGM z 2000 r. Do robót DSM nie odnoszą się wymagania dotyczące betonów mostowych. Niewłaściwe zapisy w projektach i specyfikacjach DSM powodują niepotrzebne konflikty wykonawców i nadzoru. Różnica między zawartością cementu a zużyciem cementu Właściwości cementogruntu zależą od zawartości cementu w docelowym materiale, wyrażanej w kg masy cementu przypadającej na objętość wymieszanego gruntu. W przypadku wgłębnego mieszania na sucho zawartość cementu równa się zużyciu cementu w przeliczeniu na objętość wzmocnionego gruntu, która jest równa objętości kolumny DSM (pomijając niewielkie straty). Przy mieszaniu na mokro jest inaczej. Podczas mieszania gruntu z zaczynem cementowym powstaje urobek, który wydostaje się na powierzchnię. Objętość urobku odpowiada, z dobrym przybliżeniem, całkowitej ilości zużytego zaczynu, ponieważ wzmacniane grunty są z reguły nasycone wodą. Tym samym zawartość cementu w wymieszanym gruncie, którego objętość odpowiada sumarycznej objętości kolumny i urobku, jest zawsze mniejsza od nominalnego zużycia cementu przeliczonego na objętość wzmocnionego gruntu (objętość kolumny), co zilustrowano przykładem na rys. 7. Zamieszczony na rysunku nomogram jest przydatny w praktyce. Pozwala on łatwo wyznaczyć docelową zawartość cementu we wzmocnionym gruncie w zależności od gęstości objętościowej zaczynu oraz całkowitej objętości zużytego zaczynu, odniesionej procentowo do objętości wzmocnionego gruntu. W czasie wykonywania badań pilotowych na próbkach wymieszanych w laboratorium należy zwrócić uwagę, aby zawartość cementu w przygotowanym i badanym cementogruncie odpowiadała zawartości (a nie zużyciu) cementu w produkcyjnych kolumnach DSM. Rys. 7. Różnica między zawartością a zużyciem cementu w przypadku mieszania gruntu metodą na mokro W praktyce budowlanej często nie dostrzega się różnicy między zużyciem a zawartością cementu. Przy braku rozróżnienia można błędnie przyjąć planowaną zawartość cementu we wzmocnionym gruncie za wymagane zużycie cementu. Pozwala to (pozornie) obniżyć koszt wykonania robót DSM, ale będzie bardzo kłopotliwe w przypadku nieuzyskania zakładanej wytrzymałości cementogruntu z powodu za małej ilości cementu we wzmocnionym gruncie. Dojrzewanie cementogruntu Dojrzewanie cementogruntu przebiega wolniej niż w przypadku betonu. Ma to istotne znaczenie w projektowaniu i zastosowaniach DSM oraz w kontroli wytrzymałości cementogruntu. Na rysunku 8 podano wyniki badań wytrzymałości na ściskanie cementogruntu przygotowanego w warunkach laboratoryjnych. Namuł z okolic Gdańska, o wilgotności początkowej 51% i zawartości części organicznych 5,6%, wymieszano z cementem hutniczym CEM III/A 32,5 [1]. Zawartość cementu wynosiła 200 kg/m 3. Wytrzymałość zbadano po 3, 7, 28, 60, 120, 180 i 365 dniach dojrzewania. Stwierdzono, że wytrzymałość cementogruntu znacząco wzrosła po upływie 28 dni oraz że zwiększanie wytrzymałości w czasie ma charakter logarytmiczny, co potwierdzają także inne badania [6]. Rys. 8. Wytrzymałość cementogruntu w funkcji czasu wiązania próbek laboratoryjnych (namuł: w n = 51%, I om = 5,6%, γ = 16 kn/m 3 ; W/C = 1; CEM III/A 32,5; 200 kg/m 3 ) Przedłużony wzrost wytrzymałości cementogruntu wymieszanego in situ potwierdzają także wyniki badania pokazane na rys. 9. Dane obejmują 125 obiektów posadowionych na kolum- INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018 7

6 * minfc fck = min α fcm, (4) 12 MPa gdzie: min f c* minimalna zbadana wytrzymałość na ściskanie w zredukowanej populacji próbek n * n; zredukowaną liczbę analinach DSM w Polsce, 3835 próbek oraz 6 rodzajów cementu z grup CEM II i CEM III. Grunty obejmowały głównie plastyczne i miękkoplastyczne gliny, gliny pylaste oraz piaski gliniaste o różnej wilgotności początkowej, a zawartość cementu wynosiła od 250 do 350 kg/m 3. Normowe próbki o wymiarach cm formowano z materiału pobranego ze świeżo wykonanych kolumn DSM. Badania wykonano po 3, 7, 14, 28 i 56 dniach wiązania cementogruntu. Uśrednione wyniki w odniesieniu do średnich i minimalnych wytrzymałości wskazują, że proces zwiększania wytrzymałości trwa dłużej niż 28 dni. Rys. 9. Wytrzymałość cementogruntu w funkcji czasu wiązania próbek polowych Rezultaty przedstawionych badań są zgodne z doświadczeniami w innych krajach. W zaleceniach [4] wskazuje się na 1,5-krotne zwiększenie wytrzymałości po 60 dniach w stosunku do wytrzymałości po 28 dniach dojrzewania, a także około 3-krotne po 15 latach w porównaniu z wytrzymałością po 60 dniach. Japońskie doświadczenia wykazują średnie zwiększenie wytrzymałości od 1,2 do 1,44 pomiędzy 28 a 91 dniem dojrzewania [6]. Ponadto stwierdzono, badając próbki rdzeniowe pobrane z kolumn DSM w wieku od 3 do 20 lat, że wytrzymałość cementogruntu zwiększyła się około 2 do 5 razy, zależnie od rodzaju gruntu oraz zawartości i rodzaju cementu [13]. W przypadku cementu CEM III przyrosty wytrzymałości były większe niż w przypadku cementu CEM I, a zaczyn cementowy o dużym wskaźniku W/C obniża długoterminowy przyrost wytrzymałości w porównaniu z zaczynem o małym W/C. Jednak we wszystkich przypadkach, a więc niezależnie od rodzaju gruntu oraz rodzaju i zawartości cementu, zaobserwowano niemal proporcjonalne zwiększenie wytrzymałości cementogruntu z logarytmem czasu. Długoterminowe zwiększenie wytrzymałości cementogruntu stanowi utajony zapas bezpieczeństwa. W krajowych zastosowaniach DSM zaleca się przyjmować wytrzymałość cementogruntu na ściskanie po 60 dniach dojrzewania f c,60 jako wartość miarodajną (bazową) do potrzeb projektowania i kontroli wytrzymałości. Wytrzymałość 28-dniową f c,28 można określić na podstawie korelacyjnej zależności: f c,28 /f c,60 = 0,80. (2) Ze względów praktycznych projektant może dopuścić kontrolowanie wytrzymałości cementogruntu po 28 dniach dojrzewania na podstawie korelacji (2), biorąc pod uwagę rodzaj wzmacnianego gruntu oraz rodzaj i zawartość zastosowanego spoiwa. W przypadku gruntów organicznych z zawartością części organicznych I om > 10% należy wykonać badania pilotowe w celu wyboru najskuteczniejszego spoiwa i dozowania oraz określenia wytrzymałości cementogruntu na ściskanie w funkcji czasu wiązania. Wytrzymałość charakterystyczna cementogruntu na ściskanie Rozkłady empiryczne wytrzymałości polowej cementogruntu wykazują duży rozrzut, co jest immanentną cechą technologii DSM, zarówno w przypadku mieszania na sucho, jak i na mokro (rys. 10). Uzasadnia to stosowanie podejścia statystycznego do określenia wytrzymałości charakterystycznej cementogruntu f ck jako reprezentatywnej w projektowanym wzmocnieniu gruntu, która podlega weryfikacji w czasie i po zakończeniu robót DSM. Oprócz tego powinno się uwzględnić funkcję projektowanego wzmocnienia gruntu w powiązaniu z charakterystyką przyjętego schematu wzmocnienia za pomocą pojedynczych lub współpracujących ze sobą kolumn DSM, co wpływa na poziom ufności wyznaczenia f ck w analizie probabilistycznej. Badania dużych zbiorów wytrzymałości cementogruntu na ściskanie wykazały, że rozkład logarytmiczno-normalny lepiej aproksymuje empiryczne rozkłady wytrzymałości niż rozkład normalny. Przy tym założeniu wytrzymałość charakterystyczna cementogruntu f ck na ściskanie exp[ fcm(lnfc ) m sd (lnfc )] fck = min, (3) 12 MPa gdzie: f cm n 1 (lnfc ) = ln( fci ) średnia wartości ln f ci, n i = 1 n ( 2 ln( fci ) fcm(lnfc ) 1 s d (lnfc ) = odchylenie standardon 1 i = 1 we wartości ln f ci, m parametr statystyczny odpowiadający poziomowi ufności (prawdopodobieństwu), że każda zbadana wytrzymałość f ci nie będzie mniejsza od f ck, przyjmowany z tabl. 3 w zależności od klasy zastosowania DSM, n populacja analizowanych badań wytrzymałości, przy czym analizę statystyczną zaleca się stosować, gdy n 10, 12 MPa górne ograniczenie wytrzymałości cementogruntu DSM według [3] (ograniczenie wytrzymałości nie dotyczy specjalnych zastosowań DSM, np. Tubular Soil Mixing [13]). W przypadku mniej wymagających zastosowań DSM można określić wytrzymałość charakterystyczną cementogruntu f ck także metodą uproszczoną, wykorzystując Rys. 10. Histogramy wytrzymałości cementogruntu na ściskanie dwóch typowych budów DSM oraz aproksymacje rozkładem normalnym i logarytmiczno-normalnym 8 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

7 zowanych próbek n * ustala się w nawiązaniu do klasy zastosowania DSM, podanej w tabl. 3, eliminując z populacji n w przypadku klasy A 5%, klasy B1 7,5% i klasy B2 10% próbek o najmniejszej wytrzymałości oraz zaokrąglając n * w dół do najbliższej liczby całkowitej, f cm średnia wytrzymałość na ściskanie w populacji n próbek, α miara rozrzutu wytrzymałości, przyjęta według [3]: α = 0,6, gdy f cm 4 MPa, α = 0,75, gdy f cm = 12 MPa, w zakresie pośrednim interpolacja liniowa. Tablica 3 Poziomy ufności wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie w zależności od klasy zastosowania DSM Klasa zastosowania A B1 B2 Charakterystyka zastosowania DSM Obiekt (budynek, nasyp, wiadukt, płyta, skarpa itd.) niestabilny bez wzmocnienia gruntu. Wzmocnienie DSM potrzebne do spełnienia warunków stanu granicznego nośności (ULS) i użytkowalności (SLS). Obiekt stabilny bez wzmocnienia gruntu. Wzmocnienie DSM potrzebne tylko do spełnienia warunków SLS; wypełnienie kryteriów SLS wrażliwe na ewentualne wyłączenie pojedynczych kolumn w przyjętym schemacie wzmocnienia podłoża. Obiekt stabilny bez wzmocnienia gruntu. Wzmocnienie DSM potrzebne tylko do spełnienia warunków SLS; wypełnienie kryteriów SLS niewrażliwe na ewentualne wyłączenie pojedynczych kolumn w przyjętym schemacie wzmocnienia podłoża. Poziom ufności % m 90 1, , ,84 imperfekcji wykonawczych bądź uszkodzeń niż schematy złożone z pojedynczych i silnie wytężonych kolumn, które przypominają dyskretne układy palowe. Pierwsze zastosowania należy przyporządkować do klasy B2, a drugie do B1. Przykładowo, przypadek typowej turbiny wiatrowej, z pojedynczymi kolumnami DSM rozmieszczonymi na obwodzie podstawy w celu zwiększenia sztywności dynamicznej i zredukowania przechyłu fundamentu, należy zaliczyć do klasy B1 podobnie jak wzmocnienie gruntu za pomocą pojedynczych i wytężonych kolumn DSM pod niedużym fundamentem podpory wiaduktu drogowego w celu zredukowania osiadania. Z kolei wzmocnienie gruntu pod dużą płytą fundamentową albo szerokim i niewysokim nasypem za pomocą kolumn rozmieszczonych w regularnej siatce o niedużym rozstawie może być zaliczone do klasy B2. W przypadkach pośrednich lub trudnych do oceny należy przyjmować klasę B1. Wszystkie zaliczenia zastosowania DSM do klasy B są właściwe tylko wtedy, gdy nie występuje przypadek A. Rysunek 11 ilustruje sposób wyznaczenia wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie w przypadku zbioru danych pokazanego na rys. 10b, obejmującego 140 próbek cementogruntu (wiadukt autostrady A1). Wyznaczona wartość f ck tego zbioru z poziomem ufności 90% (kwantyl 10-procentowy) wynosi 2,15 MPa. Klasyfikacja zastosowań DSM, zamieszczona w tabl. 3, uwzględnia funkcję wzmocnienia gruntu w nawiązaniu do stanów granicznych nośności (ULS) i użytkowalności (SLS) rozpatrywanego obiektu oraz wprowadza dwie podstawowe klasy zastosowań: A i B. Klasa A obejmuje przypadki, gdy wzmocnienie/zastosowanie DSM musi zapewnić spełnienie warunków stanu SLS oraz ULS obiektu. Odpowiada jej 90-procentowy poziom ufności, z jakim należy określić wytrzymałość charakterystyczną cementogruntu na ściskanie (10-procentowy kwantyl dystrybuanty rozkładu wytrzymałości, uwzględniony także w [3] w odniesieniu do nośnych elementów DSM). Do klasy B należą tylko te zastosowania DSM, w których rozpatrywany obiekt może być posadowiony w sposób bezpośredni na niewzmocnionym gruncie, bez obawy o przekroczenie warunków stanu ULS, tzn. gdy wzmocnienie DSM projektuje się w celu spełnienia warunków stanu granicznego użytkowalności obiektu. W praktyce dotyczy to najczęściej potrzeby zredukowania nadmiernego osiadania obiektu. W odniesieniu do tych przypadków wprowadzono podklasy B1 i B2, z poziomami ufności 85 i 80% (15- i 20-procentowe kwantyle), zależne od wrażliwości zastosowanego schematu wzmocnienia podłoża na skutki ewentualnego wyłączenia pojedynczych kolumn z pracy w zespole, które mogłoby doprowadzić do przekroczenia stanów SLS obiektu w wyniku przeciążenia pozostałych kolumn. Warto nadmienić, że zalecenia [8] wprowadziły jeden poziom ufności 81% w odniesieniu do wszystkich zastosowań DSM (dotyczy także iniekcji strumieniowej), a wytyczne [4], w ramach nieco innego podejścia do zasad projektowania, uwzględniają poziomy ufności z przedziału od 70 do 90%, przy czym w odpowiedzialnych zastosowaniach DSM zaleca się przyjmować co najmniej 80-procentowy poziom ufności. Przypisując zastosowanie DSM do klasy B1 lub B2 należy wziąć pod uwagę to, że schematy wzmocnienia złożone ze ścian, krat, grup i bloków kolumn stycznych lub przenikających się są odporniejsze na skutki (ewentualnych) sporadycznych Rys. 11. Graficzna interpretacja sposobu wyznaczenia wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie w przypadku zbioru danych pokazanego na rys. 10b W tablicy 4 zamieszczono wartości przeciętnych spodziewanych wytrzymałości charakterystycznych cementogruntu na ściskanie, oparte na krajowych doświadczeniach. Podane zakresy f ck zależą od rodzaju gruntu oraz odpowiadają wskazanym zawartościom cementu i minimalnym wskaźnikom wymieszania BRN. Przy ustalaniu miarodajnej wartości f ck w przypadku projektowanego cementogruntu należy zawsze uwzględnić czynniki wymienione w tabl. 2. Tablica 4 Przeciętne wytrzymałości charakterystyczne cementogruntu na ściskanie w przypadku gruntów mieszanych na mokro w warunkach polowych Rodzaj gruntu Wytrzymałość charakterystyczna 2) f ck, MPa przy zawartości cementu kg/m 3 oraz wskaźniku wymieszania BRN, obr/m Torfy 1) 0,5 1,0 350 > 600 Namuły organiczne 1) 0,7 1,5 320 > 500 Iły 1,0 2,0 280 > 450 Gliny 1,2 2,0 260 > 430 Pyły 1,5 3,0 220 > 400 Piaski 3,5 5,0 180 > 350 1) Zwiększająca się zawartość części organicznych obniża wytrzymałość. 2) Po 60 dniach dojrzewania, przy podanej zawartości cementu i wskaźniku BRN. INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018 9

8 W zakresie przeciętnych zawartości cementu w wymieszanym gruncie, około 100 do 400 kg/m 3, wytrzymałość na ściskanie zmienia się niemal proporcjonalnie z ilością cementu (por. rys. 4), ale w różnym stopniu. Przykładowo, zwiększenie dozowania cementu o 50 kg/m 3 powoduje większy przyrost wytrzymałości w piaskach niż w glinach, a w glinach większy niż w namule. Wytrzymałości obliczeniowe cementogruntu Wytrzymałość obliczeniową na ściskanie f cd wyznacza się na podstawie zależności [3] fck fcd = 0,85, (5) γ w której: 0,85 współczynnik redukcyjny ze względu na potencjalne efekty długoterminowe, powodujące zmniejszenie wytrzymałości cementogruntu, γ m częściowy współczynnik bezpieczeństwa; przyjmuje się γ m = 1,5 do obciążeń stałych i zmiennych oraz γ m = 1,3 do obciążeń wyjątkowych. Cementogrunt przenosi także w ograniczonym stopniu ścinanie i zginanie. W przypadku niedysponowania wynikami bezpośrednich badań można przyjmować wytrzymałość obliczeniową: na ścinanie τ d = 0,50 f cd, (6) na rozciąganie f td = 0,1 0,2 f cd (przekroczenie wartości 0,1f cd może powodować zarysowanie). W przypadku uwzględnienia rozciągania w kolumnach DSM zaleca się wykorzystać zaawansowane analizy obliczeniowe (por. [17]). Moduł odkształcenia cementogruntu W analizach projektowych wzmocnienia gruntu DSM z zastosowaniem modeli sprężysto-plastycznych wykorzystuje się najczęściej tzw. sieczny moduł sprężystości cementogruntu E 50, odpowiadający 50% wartości wytrzymałości na ściskanie. Według normy [3] należy przyjmować moduł odkształcenia odpowiadający maksymalnemu nachyleniu krzywej naprężenie odkształcenie. Przy lokalnym pomiarze odkształcenia próbki i prawidłowym wykonaniu ściskania jednoosiowego obie metody interpretacji dają zbliżone wyniki. Należy zwrócić uwagę, że utożsamianie przemieszczenia stempla prasy badawczej z deformacją próbki zaniża wartość modułu odkształcenia cementogruntu niemal dwukrotnie. Na rysunku 12 pokazano przykładowy wynik badania wytrzymałości cementogruntu z lokalnym pomiarem odkształcenia próbki w przypadku gliny wymieszanej z zaczynem w laboratorium. Do pomiaru odkształcenia wykorzystano cztery czujniki dużej dokładności, zamocowane na obwodzie próbki co 90 o i w równej odległości od podstawy. Na początku badania wykonano trzy cykle obciążenia wstęp- m nego w celu sprawdzenia ustawienia oraz przylegania próbki do podstawy i stempla prasy, wykorzystując zalecenia PN-EN : Badanie kontynuowano, jeżeli między drugim i trzecim cyklem wstępnego obciążenia zarejestrowane przyrosty odkształcenia różniły się nie więcej niż o ±10%. Przy 50% wytrzymałości odkształcenie próbki wyniosło około 0,07%, a przy wytrzymałości granicznej około 0,5 do 0,8%. Zwiększanie siły ściskającej wywołało zniszczenie próbki o charakterze kruchym, z niemal całkowitą utratą wytrzymałości. Współczynnik korelacji między siecznym modułem sprężystości a wytrzymałością na ściskanie, E 50 /f c, wyniósł 714. Należy zauważyć, że w standardowych badaniach jednoosiowych próbki cementogruntu są ściskane bez udziału naprężenia bocznego, a więc pracują w innych warunkach niż kolumny DSM w podłożu. Badania trójosiowego ściskania pokazują, że nawet małe wartości naprężenia bocznego σ 3 mają korzystny wpływ na wytrzymałość i właściwości mechaniczne cementogruntu. Ze zwiększeniem naprężenia bocznego cementogrunt przestaje być kruchy. Nabiera cech materiału sprężysto-plastycznego z osłabieniem i wykazuje wytrzymałość rezydualną, co można wykorzystać w zaawansowanych modelach obliczeniowych. Przykładowo, przy σ 3 /f c = 5,5% wytrzymałość rezydualna na ściskanie wynosiła 30% wartości granicznej, a przy 12% zwiększyła się do 62% [1]. Zbiorcze wyniki badań 50 próbek gliny wymieszanej w laboratorium, o zawartości cementu od 82 do 214 kg/m 3, pokazano na rys. 13. Średni współczynnik korelacji E 50 /f c wyniósł 700. Wynik mieści się w zakresie około 100 do 1000, podawanym w literaturze [4, 6]. Wartość współczynnika korelacji zależy od rodzaju gruntu, zawartości cementu i stopnia jednorodności cementogruntu. Rys. 13. Sieczny moduł sprężystości cementogruntu w funkcji wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe (próbki laboratoryjne 2:1, lokalny pomiar odkształcenia, glina, CEM II/B-V 32,5R) Rys. 12. Jednoosiowe ściskanie próbki cementogruntu wymieszanego w laboratorium (próbka cylindryczna h:d = 300:150 mm, glina, CEM II/B-V 32,5R, 214 kg/m 3 ) W przypadku cementogruntu formowanego in situ moduły odkształcenia są z reguły mniejsze od wyznaczonych na próbkach wymieszanych w laboratorium. W przypadku niedysponowania wynikami bezpośrednich badań można przyjmować w odniesieniu do warunków polowych następujące wartości siecznego modułu sprężystości cementogruntu E 50, biorąc pod uwagę: projektowaną wytrzymałość średnią na ściskanie E 50 = f cm, (7) projektowaną wytrzymałość charakterystyczną na ściskanie E 50 = f ck, (8) w przypadku gruntów organicznych o zawartości I om > 10% E 50 = f cm. (9) Współczynnik Poissona cementogruntu wynosi około 0,3 0,4, niezależnie od wytrzymałości materiału na ściskanie. 10 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

9 Pełzanie cementogruntu Badania pełzania cementogruntu w warunkach jednoosiowego ściskania wskazują na proporcjonalne zmniejszenie wartości logarytmu prędkości odkształcenia próbki w funkcji logarytmu czasu działania obciążenia σ cr o stałej wartości [6]. Prędkość odkształcenia spowodowanego pełzaniem materiału zwiększa się ze zwiększeniem obciążenia względnego σ cr /f c, ale przy obciążeniu mniejszym niż około 0,8f c cementogrunt zachowuje się stabilnie i nie ulega zniszczeniu pod wpływem σ cr. W tym zakresie obciążenia gradient zmniejszenia logarytmu prędkości odkształcenia w logarytmicznym układzie odniesienia względem czasu nie zależy od wartości obciążenia względnego σ cr /f c. Przy krótkotrwałym obciążeniu próbki odkształcenie odpowiadające 50% wytrzymałości cementogruntu na ściskanie wynosi około 0,07% (por. rys. 12). Badania [6] wskazują, że przy długotrwałym działaniu obciążenia o wartości 0,5f c dodatkowe odkształcenie cementogruntu na skutek pełzania nie przekroczy około 0,01% w ciągu 100 lat. Oznacza to, że w warunkach długotrwałego obciążenia wartość siecznego modułu sprężystości zmniejszy się do około 90% wartości modułu wyznaczonego w badaniu krótkookresowym. W przypadku większości praktycznych zastosowań DSM odkształcenie na skutek pełzania jest małe i może być pominięte pod warunkiem stosowania zaleconych zapasów bezpieczeństwa w odniesieniu do charakterystycznej i obliczeniowej wytrzymałości cementogruntu na ściskanie. Trwałość cementogruntu Trwałość cementogruntu ma istotne znaczenie w przypadku obiektów budowlanych o długim okresie użytkowania, wynoszącym np. 100 i więcej lat. W pracy [5] przedstawiono badania kolumn DSM po 20 latach od ich wykonania. Próbki rdzeniowe pobrane z pobocznicy kolumn poddanych oddziaływaniu naturalnego gruntu (miękkoplastyczny ił aluwialny o wilgotności %) wykazały zmniejszenie wytrzymałości cementogruntu na ściskanie poniżej wytrzymałości projektowanej w powierzchniowej strefie grubości od 30 do 50 mm oraz średnio około dwukrotne zwiększenie wytrzymałości wewnątrz kolumn [5]. Uzupełniające badania na próbkach wymieszanych w laboratorium i poddanych oddziaływaniu wody morskiej, słodkiej i gruntu wykazały, że zmniejszenie wytrzymałości następuje głównie na skutek powolnego ługowania kationu wapnia Ca 2+, podobnie jak w przypadku betonu, oraz że oddziaływanie wody morskiej jest silniejsze niż wody słodkiej i gruntu [6]. Strefa osłabionego cementogruntu rozszerza się w kierunku środka kolumny, a grubość strefy zwiększa się proporcjonalnie do pierwiastka czasu oddziaływania środowiska. Kolumny DSM podlegają więc procesom osłabienia wytrzymałości cementogruntu w strefie kontaktu ze środowiskiem gruntowo-wodnym oraz zwiększenia wytrzymałości cementogruntu w wewnętrznej części przekroju, osłoniętej strefą osłabioną od wpływu otoczenia. Z punktu widzenia zdolności kolumny do przenoszenia obciążenia oba procesy niejako współzawodniczą ze sobą, przy czym pierwszy przebiega proporcjonalnie do pierwiastka, a drugi do logarytmu czasu. Wykorzystując dane eksperymentalne [5], na rys. 14 pokazano, że zwiększenie nośności kolumny w czasie ΔN(t), wynikające z przyrostu wytrzymałości cementogruntu wewnątrz nienaruszonego trzonu kolumny, pozostaje dodatnie przez 100 lat (i dłużej) mimo powiększania się strefy osłabionej wytrzymałości. Do takiego samego wniosku prowadzi także zachowawcze założenie, że po 20 latach wytrzymałość cementogruntu nie będzie się dalej zwiększała i pozostanie na zbadanym pozio- Rys. 14. Symulacja zwiększania wytrzymałości rdzenia kolumny i grubości strefy osłabienia cementogruntu mie (zmierzono 10,2 MPa w porównaniu z 5,8 MPa po 93 dniach od wykonania kolumn). Stwierdzone zwiększenie wytrzymałości o 4,4 MPa wystarcza bowiem do skompensowania utraty nośności kolumny w strefie osłabionej przez 165 lat (w symulacji przyjęto całkowity zanik wytrzymałości w strefie osłabionej, mimo że badania wykazały wytrzymałość rezydualną na ściskanie równą 0,3 do 1,0 MPa, przy projektowanej wytrzymałości cementogruntu 2,26 MPa). Oceniając zachowanie cementogruntu w podłożu należy również uwzględnić ponad 200-letnie doświadczenia w odniesieniu do iniekcyjnego wzmacniania gruntu spoiwami hydraulicznymi, w tym gównie z udziałem cementu, zważywszy, że efektem mieszania wgłębnego i iniekcji jest ten sam rodzaj materiału. W światowej geotechnice szeroko stosuje się iniekcję penetracyjną, strumieniową, rozpychającą i rozrywającą [12] do wzmacniania gruntu i podchwytywania fundamentów najbardziej odpowiedzialnych obiektów budowlanych, o wydłużonych okresach użytkowania. W konsekwencji także w normach i zaleceniach [2 4, 8] oraz wytycznych [22] nie wprowadzono ograniczeń do stosowania mieszania gruntu w aspekcie trwałości cementogruntu. Projektant posadowienia odpowiedzialnych obiektów budowlanych z wykorzystaniem technologii DSM może uwzględnić nie tylko korzystne procesy zachodzące w cementogruncie. Ma do dyspozycji także dodatkowe środki. W odniesieniu do kolumn narażonych na odziaływanie agresywnego środowiska gruntowo-wodnego można m.in. przyjmować kolumny o zredukowanej średnicy obliczeniowej, całkowicie pomijając obwodową strefę o obniżonej wytrzymałości cementogruntu. Zasadne jest również zastosowanie bezpiecznych schematów wzmocnienia podłoża, niewrażliwych na nieprzewidziane uszkodzenia kolumn, oraz odpowiednich spoiw cementowych i dozowania, zwiększających odporność cementogruntu na oddziaływanie środowiska. Podczas 17 lat stosowania DSM w Polsce nie zanotowano przypadku osłabienia cementogruntu z upływem czasu, który wywołałby negatywne skutki w odniesieniu do posadowionego obiektu. Wybór schematu wzmocnienia podłoża Schematy wzmocnienia podłoża DSM, złożone z kolumn pojedynczych, grup kolumn, paneli, krat i bloków mogą mieć dowolną geometrię (rys. 15). Kolumny wykonywane stycznie lub na zakład zwiększają sztywność i szczelność układu grupowego oraz umożliwiają przenoszenie obciążeń poziomych. Zależnie od przyjętego schematu, wzmocniony obszar gruntu może być rozpatrywany jako zespolony blok o podwyższonej wytrzymałości i sztywności w porównaniu z gruntem rodzimym lub jako układ kompozytowy, w którym kolumny DSM i grunt rodzimy współpracują w przenoszeniu obciążenia w stopniu zależnym od względnej sztywności i geometrii układu. Blokowe schematy wzmocnienia DSM radykalnie poprawiają nośność i stateczność gruntu. Umożliwiają alternatywne INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/

10 Rys. 15. Przykłady rozmieszczenia kolumn DSM w planie: a) pojedyncze, siatka kwadratowa, b) pojedyncze, siatka trójkątna, c) styczne, d) zachodzące, e) ściana (trencher), f) rzędy, g) krata, h) panele, i) plaster miodu, j) pierścień, k) krata z kolumn podwójnych, l) grupy kolumn podwójnych, m) ściany i kraty proste, n) blok Rys. 16. Kolumny DSM wykonane mieszadłem pojedynczym i podwójnym posadowienie silnie obciążonych obiektów, które inaczej wymagają głębokiego fundamentowania. Analizy obliczeniowe stanów granicznych obejmują sprawdzenie nośności zewnętrznej (nośność, równowaga na obrót, przesunięcie, poślizg głęboki) i wewnętrznej bloku (naprężenia, ścinanie) oraz sprawdzenie osiadania. W układach kompozytowych grunt rodzimy rozdziela pojedyncze kolumny lub grupy kolumn DSM albo zostaje otoczony przez połączone kolumny. Układy kompozytowe są oszczędniejsze niż Rys. 17. Przykład wzmocnienia gruntu DSM pod podporami wiaduktu kolejowego bloki i z tego powodu często stosowane w praktyce. Szczególnie efektywne są układy kratowe W większości zastosowań DSM i przy uproszczonych metodach obliczeń należy dążyć do schematów wzmocnienia pod- lub zbliżone do kratowych, z kolumnami rozmieszczonymi po obwodzie fundamentu, oraz panele zorientowane w kierunku łoża zapewniających pracę kolumn na ściskanie, wykorzystując możliwości, jakie zapewnia zmiana liczby kolumn i schema- działania siły poziomej i/lub momentu obrotowego [21]. Ich projektowanie wymaga uwzględnienia adekwatnych mechanizmów zniszczenia, odpowiadających złożonym stanom obcią- DSM o przekroju mniejszym niż 0,3 m 2 (średnica 0,6 m) mogą tu wzmocnienia. Pojedyncze niezbrojone kolumny/elementy żenia, w tym możliwości wystąpienia zniszczenia progresywnego. Błędem jest przyjmowanie uśrednionych parametrów poziomych. być ściskane tylko osiowo i nie powinny przenosić obciążeń fizycznych i mechanicznych wzmocnionego gruntu, obliczanych proporcjonalnie do udziału powierzchni przekroju odpowiednio do potrzeb i obejmować nie tylko wyodrębnione Schematy wzmocnienia podłoża mogą być rozbudowane kolumn w schematach wzmocnienia niespełniających warunków homogenizacji podłoża. Należy zwrócić uwagę, że sowanie blokowego wzmocnienia pod fundamentami przyczół- fundamenty. Pokazany na rysunku 18 przykład ilustruje zasto- wskaźniki wzmocnienia dotyczące kompozytowych rozwiązań ków mostu drogowego, z kolumnami DSM umieszczonymi DSM są z reguły dużo wyższe niż stosowane w przypadku wewnątrz osłonowej ścianki szczelnej, oraz pojedynczych sztywnych inkluzji (ang. Rigid Inclusions), a więc niezbrojonych kolumn betonowych o typowej średnicy od 0,25 do pami dojazdowymi. Rozwiązanie umożliwiło wyeliminowanie kolumn DSM, rozmieszczonych w regularnej siatce pod nasy- 0,4 m, które mieszczą się w przedziale około 2 do 5%. Dzięki różnicy osiadania w strefach połączenia nasypu z konstrukcją stosowaniu większych średnic (rys. 16) ryzyko całkowitego mostu, często obserwowanej w przypadku słabego podłoża wyłączenia pojedynczych kolumn DSM z pracy w wyniku zginania, wyboczenia, ścięcia lub błędu jest mniejsze (kategoria Ze względów technologicznych kolumny DSM wykonuje się pod całym obiektem. ryzyka B według [18]). z powierzchni platformy roboczej do głębokości określonej Na rysunku 17 pokazano przykład wzmocnienia DSM, które w projekcie, mieszając grunt na całym odcinku. Z tego powodu zastosowano do posadowienia podpór wiaduktu kolejowego. prawidłowo określone obmiary robót DSM powinny uwzględniać wykonawcze, a nie efektywne długości kolumn, liczone po Wdrożone rozwiązanie okazało się interesującą alternatywą palowania i sztywnych inkluzji, zarówno w przypadku potrzeby ścięciu głowic do wymaganego poziomu. spełnienia warunków stanu granicznego nośności, jak i użytkowalności. Analizy posadowienia 88 obiektów mostowych Obliczenia osiadania fundamentów w Polsce wykazały, że średni wskaźnik wzmocnienia gruntu a posadowionych na kolumnach DSM p (stosunek powierzchni przekroju kolumn DSM do powierzchni W obliczeniach osiadania obiektów posadowionych na fundamentu) dla 344 analizowanych podpór wyniósł 41% podłożu wzmocnionym kolumnami DSM należy uwzględnić: (zakres zmienności od 16 do 71%). 1) ściśliwość strefy wzmocnionego gruntu pod fundamentem, 12 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

11 Rys. 18. Przykład wzmocnienia gruntu DSM pod przyczółkami mostu i nasypami dojazdowymi 2) ściśliwość gruntu rodzimego poniżej strefy wzmocnienia w zakresie aktywnego oddziaływania oraz, w pewnych przypadkach, 3) dodatkowe osiadanie na skutek efektu przebicia pod podstawą kolumn. Ściśliwość strefy wzmocnionej oblicza się przy założeniu, że odkształcenie kolumn DSM i gruntu rodzimego pod (sztywnym) fundamentem jest takie samo (kompatybilność odkształcenia). Osiadanie wynikające ze ściśliwości gruntu poniżej strefy wzmocnienia liczy się w klasyczny sposób, jak w przypadku fundamentu zastępczego w poziomie podstawy kolumn. Przebicie jest szczególnie ważne w przypadku kolumn płytko zagłębionych w warstwę nośną oraz w układach kolumn zawieszonych. Przykład analizy osiadania podpory wiaduktu posadowionej bezpośrednio na gruncie wzmocnionym 46 kolumnami DSM (a p = 40,1%) pokazano na rys. 19. Rozpatrywany przypadek odpowiada wiaduktowi pokazanemu na rys. 17 (druga podpora z lewej strony). Osiadanie bez wzmocnienia wynosi 97,4 mm, a po wzmocnieniu 20,4 mm, z dominującym udziałem ściśliwości gruntu poniżej strefy wzmocnienia (14,5 mm). W strefie wzmocnienia kolumnami DSM stopień redukcji osiadania wynosi 20,5 razy (z 90,4 do 4,4 mm). Ograniczenie całkowitego osiadania podpór obiektów wieloprzęsłowych do mm pozwala zredukować różnicę osiadania sąsiednich podpór do standardowo przyjmowanej granicy 10 mm (por. PN-S-10030:1985). Rys. 19. Przykład analizy osiadania podpory wiaduktu kolejowego posadowionej na gruncie wzmocnionym kolumnami DSM (druga podpora z lewej na rys. 17) Rys. 20. Przykład analizy osiadania podpór wiaduktu drogowego posadowionych na kolumnach DSM, z uwzględnieniem etapów budowy obiektu: 1 obciążenie stałe konstrukcji wiaduktu, bez nasypu dojazdowego, 2 dodane obciążenie stałe nasypu, 3 dodane obciążenie użytkowe Wpływ nasypu dojazdowego na osiadanie przyczółków obiektu mostowego Analizując osiadanie obiektów mostowych, należy uwzględnić kolejność wykonywania robót oraz wpływ, jaki może mieć osiadanie nasypu dojazdowego na zachowanie przyczółków posadowionych na wzmocnionym gruncie. Praktykowane rozdzielanie zakresów projektowania pomiędzy niezależnie pracujących mostowców i drogowców sprzyja powstawaniu błędów projektowych w tym zakresie. Na rysunku 20 pokazano przykład analizy osiadania 4-przęsłowego wiaduktu drogowego, która uwzględnia etapy budowy obiektu. Pierwszy obejmuje budowę konstrukcji obiektu, której towarzyszą osiadania podpór posadowionych na gruncie wzmocnionym kolumnami DSM. W tym czasie nasypu nie ma. W drugim etapie jest budowany nasyp dojazdowy, a w trzecim występuje dodatkowe obciążenie użytkowe. Obliczenia ilustrują wpływ nasypu na osiadanie podpór P1 i P2. Osiadanie przyczółka P1 znacząco zwiększa się w drugim etapie, pomimo stałego obciążenia, a podpora P2 nie osiada, ponieważ znajduje się poza zasięgiem oddziaływania nasypu. W rezultacie może dojść do przekroczenia dopuszczalnej różnicy osiadania między podporami P1 i P2, pomimo wzmocnienia gruntu pod jedną i drugą podporą. Oddziaływanie nasypu łatwo może być niedocenione. W przykładzie nasyp wysokości 6,5 m osiada zaledwie około 45 mm. Pomimo tego wywołuje dwa razy większe osiadanie przyczółka P1 niż jego bezpośrednie obciążenie. W praktyce można redukować niekorzystne oddziaływanie nasypu dojazdowego na przyczółki w sposób pokazany na rys. 18 albo wstępnie obciążyć strefy dojazdowe nasypem przed budową obiektu mostowego. Sprawdzenie wytężenia kolumn DSM W przypadku obu klas zastosowań wzmocnienia gruntu (A i B; por. tabl. 3) należy sprawdzić wytężenie kolumn DSM, a więc warunek tzw. wewnętrznej nośności kolumny ze względu na wytrzymałość cementogruntu. Zastosowane modele i metody obliczeniowe muszą być adekwatne do analizy przyjętego schematu wzmocnienia podłoża, szczególnie w odniesieniu do układów kompozytowych. W przypadku fundamentów poddanych złożonym kombinacjom obciążenia oraz posadowionych bezpośrednio na kolumnach DSM z wykorzystaniem betonu podkładowego, a także przy zastąpieniu betonu podkładowego warstwą dobrze zagęszczonej lub stabilizowanej podsypki, siły działające na poszczególne kolumny można wyznaczyć metodą sztywnego oczepu (MSO). Wykorzystanie tej metody jest równoważne założeniu, że kolumny DSM o dużej sztywności w porównaniu z gruntem rodzimym przejmują 100% obciążenia działającego na fundament, nawet jeżeli przyjęto stosunkowo małą wartość wskaźnika wzmocnienia a p. W większości zastosowań DSM to INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/

12 założenie prowadzi do górnego (tzn. bezpiecznego) oszacowania wartości maksymalnego naprężenia w najbardziej obciążonej kolumnie DSM. Wyjątkiem są przypadki, gdy wystąpi silne zginanie pojedynczych kolumn, co zilustrowano przykładem obliczeniowym. Ten przykład dotyczy podpory wiaduktu kolejowego, której obliczenie osiadania przedstawiono na rys. 19. Uwzględnienie efektu zginania kolumn i rzeczywistej sztywności fundamentu wymaga analizy MES 3D. Zastosowany model pokazano na rys. 21. Rys. 21. Model MES 3D podpory wiaduktu kolejowego, posadowionej na 46 kolumnach DSM (druga podpora z lewej na rys. 17) W celu uwypuklenia wpływu, jaki ma gruntu rodzimy na zachowanie kolumn DSM, przeanalizowano także dwa dodatkowe przypadki, zmieniając moduł ściśliwości warstwy słabej (nr 2 na rys. 19) na 3 MPa ( bardzo słaby grunt) i 30 MPa ( typowy grunt), w porównaniu z wartością wyjściową 10 MPa, która reprezentowała słaby grunt. Wyniki obliczeń pokazano na rys. 22. może wystąpić znaczące zginanie i ścinanie kolumn. Problematyczne schematy wzmocnienia, które prowadzą do nadmiernego zginania i ścinania kolumn DSM, należy zastępować układami kolumn pracujących w zespole. Alternatywnym sposobem jest zwiększanie wskaźnika wzmocnienia w kierunku układów blokowych, czemu może towarzyszyć obniżenie wytrzymałości cementogruntu. Sztywność podparcia DSM W analizach projektowych zachowania całego obiektu często występuje potrzeba modelowania wzmocnienia gruntu DSM za pomocą układu podparcia o zastępczej sztywności, którą można ocenić na podstawie wyników próbnych obciążeń pojedynczych kolumn. Próbne obciążenia kolumn DSM wykonuje się w ramach programu zapewnienia jakości w uzasadnionych przypadkach, jak np. silnie obciążone fundamenty o małych rozmiarach albo schematy kompozytowe o niewielkim wskaźniku wzmocnienia. Jakkolwiek sposób wykonywania obciążeń jest taki sam jak w przypadku pali, to interpretacja wyników próbnego obciążenia sprowadza się z reguły do wyznaczenia sztywności kolumny zamiast nośności granicznej. Z tego powodu ogranicza się wartość przyłożonego obciążenia do % obciążenia charakterystycznego i nie obciąża kolumn do płynięcia plastycznego. Na rysunku 23 pokazano przykładowe wyniki 15 próbnych obciążeń kolumn DSM średnicy 1,0 m i długości od 4,5 do 12,3 m. Dotyczą one zastosowań mostowych, które charakteryzowały się wysokimi wymaganiami w zakresie wytrzymałości cementogruntu oraz sztywności wzmocnienia gruntu. W zakresie przeciętnych wartości obciążenia charakterystycznego, od 550 do 800 kn, osiadania kolumn były małe i wynosiły zaledwie około 1,5 do 5,0 mm. Odpowiada im sztywność w zakresie około 150 do 400 MN/m. Udział odkształcenia plastycznego wynosił około 50%. Rys. 22. Wyniki analizy naprężenia w kolumnach DSM podpory wiaduktu kolejowego (druga podpora z lewej na rys. 17) Maksymalne naprężenie w narożnej kolumnie A, określone metodą MSO, czyli bez uwzględnienia oddziaływania gruntu, wynosi 1014 kpa. Uwzględnienie zginania kolumn i współpracy gruntu w podstawowym przypadku (warstwa słaba) prowadzi do naprężenia maksymalnego 944 kpa w kolumnie B, co wynika z niewielkiego ugięcia fundamentu. W przypadku bardzo słabego gruntu naprężenie maksymalne zwiększa się do 1252 kpa i występuje w kolumnie C, przekraczając wartość wyznaczoną metodą MSO (1014 kpa). W przypadku typowego gruntu maksymalne naprężenie w kolumnie A wynosi 875 kpa i jest wyraźnie mniejsze od wyznaczonego metodą MSO. Reasumując, uwzględnienie wzajemnego odziaływania kolumn DSM, gruntu i fundamentu prowadzi do redystrybucji obciążenia poszczególnych kolumn. Zaawansowane analizy obliczeniowe należy stosować w tych przypadkach, kiedy Rys. 23. Przykładowe wyniki próbnych obciążeń kolumn DSM zastosowanych do wzmocnienia gruntu pod obiektami mostowymi Wypadkową sztywność podparcia fundamentu w odniesieniu do złożonych układów kolumn pracujących w zespole można wyzaczyć za pomocą analizy MES. W tym celu symuluje się najpierw metodą analizy wstecznej wyniki miarodajnego obciążenia pojedynczej kolumny, a następnie używa zweryfikowanego modelu MES do obliczenia zastępczej sztywności całego układu wzmocnienia, łącznie z uwzględnieniem ewentualnej współpracy gruntu w przenoszeniu obciążenia. Dzięki możliwościom, jakie daje projektowanie wytrzymałości cementogruntu na ściskanie oraz różnorodność schematów wzmocnienia podłoża, można zmieniać wypadkową sztywność wzmacnianego gruntu odpowiednio do potrzeb projektu, uwzględniając w ten sposób wymagania podatnych sposobów fundamentowania. 14 INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/2018

13 Zbrojone kolumny DSM Mieszanie gruntu na mokro pozwala na stosunkowo łatwe umieszczenie elementów zbrojeniowych w świeżo wykonanych kolumnach lub panelach DSM. Zbrojeniem są przeważnie kształtowniki stalowe, np. typu IPE, HEB lub HEA, które przenoszą rozciąganie i zginanie oraz mogą działać jako zbrojenie konstrukcyjne, zapobiegające uszkodzeniu kolumn narażonych na uszkodzenie podczas robót budowlanych. Przykłady zastosowania obejmują m.in. fundamenty turbin wiatrowych (rys. 24) i wiaduktów drogowych [17, 21]. Możliwość zbrojenia kolumn DSM jest zgodna z postanowieniami normy [2]. Rys. 25. Ściana z kolumn DSM zbrojona kształtownikami stalowymi: 1 oś ściany, 2 ścięty fragment kolumn DSM, 3 oś zbrojenia Rys. 24. Zastosowanie zbrojonych kolumn DSM do posadowienia fundamentu turbiny wiatrowej Zbrojone kolumny lub panele DSM wykorzystuje się najczęściej do wykonania ścian (palisad) stanowiących tymczasowe zabezpieczenie wykopów budowlanych. Praktyka wykazała, że tego rodzaju obudowy mogą być szczególnie korzystne w warunkach gęstej zabudowy miejskiej, a zwłaszcza w rejonie starówek [15, 19, 20]. Mieszanie gruntu nie powoduje wstrząsów i wibracji, a palisady z zachodzących na siebie kolumn są elastyczne w wykonaniu i pozwalają na łatwiejsze omijanie przeszkód gruntowych niż np. stalowe ścianki szczelne. Przy większych głębokościach wykopu ściany mogą być rozpierane lub kotwione. Konstrukcyjne łączenie rozpór bądź zakotwienia ze ścianą DSM wymaga ścięcia frontowych części kolumn/ paneli i odsłonięcia stopek kształtowników stalowych, do których można mocować belki poprzeczne. W ścianach DSM poddanych oddziaływaniu parcia gruntu, parcia wody oraz konstrukcji rozparcia i/lub zakotwienia kształtowniki stalowe przenoszą zwykle pełne zginanie, bez udziału cementogruntu. Uwzględnienie ściskania cementogruntu przynosi oszczędności dopiero przy dużych wytrzymałościach materiału. W strefach pomiędzy kształtownikami stalowymi należy sprawdzić warunki zginania i ścinania niezbrojonego wypełnienia ściany DSM (rys. 25). Zachowanie odstępu osiowego s kształtowników s D + h + b + 2e, (10) gdzie: D średnica kolumny, h i b wysokość i szerokość kształtownika, e odległość między osią ściany DSM a osią zbrojenia, zapobiega wyłamaniu wypełnienia na skutek zginania, zgodnie z analizami numerycznymi [10]. Oprócz tego należy sprawdzić wytrzymałość na ścinanie w płaszczyźnie α α, przebiegającej wzdłuż stopek kształtownika stalowego (rys. 25). W przypadku stalowych kształtowników wyciąganych z cementogruntu obliczeniowe naprężenie przyczepności f bd można przyjmować jako f bd = 0,25 f cd. (11) Jeżeli zbrojenie stosuje się w kolumnach/panelach DSM obiektów o długim okresie użytkowania, to zaleca się uwzględnić możliwość wystąpienia korozji stali, pomimo stosunkowo grubej otuliny cementogruntu. Praktycznym sposobem jest obliczeniowe zredukowanie przekroju poprzecznego zbrojenia zgodnie z tab. 4.1 normy EN Przykładowo, w przypadku oddziaływania gruntów agresywnych i obiektu o żywotności 100 lat tracona grubość kształtownika stalowego wynosi 3,25 mm. Tymczasowe obudowy wykopów za pomocą DSM są odporne na warunki atmosferyczne oraz zmienne cykle wysokich i niskich temperatur. Natomiast odsłonięte na stałe fragmenty ścian DSM o trwałym przeznaczeniu należy zabezpieczać przed odziaływaniem czynników atmosferycznych dodatkową ścianą osłonową, którą mocuje się do zbrojenia w postaci kształtowników stalowych. PODSUMOWANIE W projektowaniu i stosowaniu technologii DSM kluczowe znaczenie ma dobre zrozumienie procesu mieszania gruntu z zaczynem cementowym in situ, reakcji chemicznych zachodzących w wymieszanym gruncie, krótko- i długookresowych właściwości cementogruntu oraz wzajemnego oddziaływania kolumn DSM z gruntem rodzimym i fundamentem. Parametry fizyczne i mechaniczne cementogruntu zależą od rodzaju gruntu oraz jego właściwości fizycznych i chemicznych, składu wody gruntowej, rodzaju i ilości cementu, gęstości zaczynu i sposobu podawania, stopnia wymieszania gruntu z zaczynem oraz od czasu i warunków dojrzewania cementogruntu. Utrudnia to trafne prognozowanie właściwości cementogruntu tylko na podstawie założonej zawartości cementu w wymieszanym gruncie. Z tego powodu elementem dobrej praktyki projektowej powinno być wykonywanie pilotowych badań cementogruntu na próbkach wymieszanych w warunkach laboratoryjnych. Badania pozwalają sprawdzić dobór rodzaju spoiwa i optymalizować jego dozowanie pod kątem zapewnienia wymaganej wytrzymałości cementogruntu na ściskanie oraz odporności na oddziaływanie środowiska. Immanentną cechą wgłębnego mieszania gruntu jest rozrzut wytrzymałości cementogruntu, zwłaszcza w gruntach bardzo spoistych, który wstępuje nawet przy najlepszej dokładności wykonania kolumn. Z tego względu należy stosować nie tylko odpowiednie rozwiązania projektowe i współczynniki bezpieczeństwa, ale także odpowiednie metody kontroli wykonanych robót. Odnosi się to szczególnie do sposobów badania i oceny wytrzymałości cementogruntu, w której ramach należy wykorzystywać analizy statystyczne. Uaktualnione zasady wyznaczania charakterystycznej wytrzymałości cementogruntu w odniesieniu do zbioru zbadanych wytrzymałości uwzględniają rozkład logarytmiczno-normalny, potwierdzony doświadczalnie, oraz klasy zastosowania DSM. Wprowadzona klasyfikacja INŻYNIERIA I BUDOWNICTWO NR 1/