Analiza współpracy kolumn wykonanych technikami iniekcyjnymi z podłożem gruntowym

Transkrypt

1 Analiza współpracy kolumn wykonanych technikami iniekcyjnymi z podłożem gruntowym SYLWIA GOŁOSZ Politechnika Śląska s.golosz@gmail.com JOANNA BZÓWKA Politechnika Śląska joanna.bzowka@polsl.pl Ciągły rozwój iniekcji w geotechnice pozwala na nieustanne rozszerzanie zakresu ich stosowania. Dzięki iniekcji można wzmacniać i uszczelniać niemal wszystkie rodzaje gruntów. Obecnie w Polsce można zauważyć wzrost inwestycji związanych z budową oraz modernizacją infrastruktury transportowej (kolejowej i drogowej), a zastosowanie technik iniekcyjnych pozwala na wytyczanie tras komunikacyjnych przez tereny o gruntach słabych, których nie da się ominąć. Zaprojektowanie wzmocnienia podłoża pod nowobudowany nasyp kolejowy lub drogowy jest problemem złożonym i wymaga wnikliwej analizy. W trakcie wyboru odpowiedniej techniki wzmacniania należy wziąć pod uwagę warunki gruntowo-wodne analizowanego podłoża wraz z wartościami parametrów geotechnicznych, jak również parametry wzmacnianego podłoża oraz materiałów przeznaczonych do wykonania nasypu. Obecnie w Polsce nie obowiązują żadne przepisy normowe, które determinowałyby proces projektowania wzmocnienia za pomocą kolumn wykonywanych technikami iniekcyjnymi. Pomocą przy projektowaniu może być program obliczeniowy Z_Soil [5], bazujący na metodzie elementów skończonych, który w działalności inżynierskiej umożliwia efektywne i bezpieczne rozwiązywanie trudnych zagadnień geotechnicznych. Model wzmocnienia podłoża gruntowego pod nowobudowany nasyp kolejowy W artykule skoncentrowano się na analizie następujących przypadków podłoża gruntowego pod nowobudowany nasyp kolejowy: niewzmocnione podłoże gruntowe, wzmocnienie podłoża gruntowego za pomocą kolumn iniekcyjnych wykonanych techniką iniekcji strumieniowej, wzmocnienie podłoża gruntowego za pomocą kolumn wykonanych techniką iniekcji zagęszczającej, wzmocnienie podłoża gruntowego za pomocą mikropali iniekcyjnych. Do poszczególnych modeli zastosowano następujące siatki elementów skończonych: do podłoża wzmocnionego iniekcją strumieniową: liczba elementów: 1268, liczba węzłów: 1355, do podłoża wzmocnionego iniekcją zagęszczającą: liczba elementów: 1643, liczba węzłów: 1733, do podłoża wzmocnionego mikrofalami iniekcyjnymi: liczba elementów: 1334, liczba węzłów: Do opisu zachowania się elementów konstrukcyjnych (kolumn, mikropali) oraz podłoża gruntowego zastosowano sprężysto-idealnie plastyczny model podłoża z warunkiem Coulomba-Mohra. Podczas wykonywania modeli numerycznych uwzględniono wpływ parametrów geotechnicznych podłoża gruntowego i kolumn oraz czynników zewnętrznych (obciążenie taborem kolejowym) na stateczność skarp nasypu, wartości naprężeń i przemieszczeń w podłożu gruntowym i w kolumnach, stanowiących wzmocnienie słabego podłoża. W analizowanym modelu założono, że nasyp kolejowy będzie wykonany z piasku średniego (I D = 0,9), na którym będzie wbudowana podsypka z tłucznia (I D = 0,85). Założenia projektowe Analizie poddano podłoże gruntowe, którego układ warstw oraz parametry geotechniczne przedstawiono w tabeli 1. W wyniku zamodelowania nasypu kolejowego na podłożu gruntowym bez wzmocnienia, program wykonał analizę tylko do momentu utworzenia nasypu. Podczas przyłożenia obciążenia następowała utrata stateczności skarp. Potwierdza to konieczność wykonania na analizowanym podłożu gruntowym wzmocnienia. Jako metodę wzmocnienia zaproponowano kolumny wykonywane technikami iniekcyjnymi. Dla kolumn iniekcyjnych przyjęto następujące wartości parametrów materiałowych (za [1]): moduł sprężystości E = 9,888 GPa, współczynnik Poissona v = 0,186, spójność c = 1,772 MPa, kąt tarcia wewnętrznego φ = 59,317. Tabela 1. Wartości parametrów geotechnicznych analizowanego podłoża gruntowego Przelot warstwy [m] Rodzaj Stan Gęstość ρ [g/cm 3 ] Spójność c Kąt tarcia wewnętrznego φ [ ] Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej M [MPa] Moduł wtórnego odkształcenia E [MPa] 1,50 Pd, Pϖ 0,50 1, ,5 77,5 53 4,10 Π 0,41 2, , ,7 4,50 Ps 0,53 1, , ,4 8,00 Π, Gp 0,23 2, , Drogownictwo 3/

2 Parametry geotechniczne nasypu i podsypki tłuczniowej zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Parametry geotechniczne nasypu i podsypki tłuczniowej Symbol I D ρ Gęstość [g/cm 3 ] Nasyp piasek średni Podsypka tłuczeń Spójność c Kąt tarcia wewnętrznego φ [ ] Współczynnik Poissona v [ ] Moduł wtórnego odkształcenia E [MPa] 0,9 1, , ,85 1, ,3 150 wającej z dużą energią, który jednocześnie może sprzyjać wiązaniu cząstek dodanym w trakcie iniekcji spoiwem hydraulicznym. Technologia zapewnia dowolne kształtowanie, zwiększanie lub łączenie brył. Jest to możliwe zarówno w stanie świeżym, jak i scementowanym [1, 4]. Model wzmocnienia podłoża pod nasypem kolejowym wykonano zgodnie z geometrią przedstawioną na rysunku 1. Rysunki 2, 3 i 4 przedstawiają wyniki uzyskane za pomocą programu Z_Soil 2011 Student v11.07, dla modelu podłoża wzmocnionego za pomocą techniki iniekcji strumieniowej. W analizach założono równomiernie rozłożone obciążenie taborem kolejowym wynoszące 190 kn/m. Iniekcja strumieniowa Podczas iniekcji strumieniowej struktura ulega zniszczeniu i częściowej wymianie na czynnik wiążący. Efekt zniszczenia uzyskuje się dzięki strumieniowi cieczy, wypły- Rys. 1. Schemat wzmocnienia podłoża gruntowego kolumnami wykonanymi techniką iniekcji strumieniowej Rys. 2. Przemieszczenia pionowe w podłożu wzmocnionym kolumnami wykonanymi techniką iniekcji strumieniowej (stan po przyłożeniu obciążenia) Rys. 3. Naprężenia pionowe w podłożu wzmocnionym kolumnami wykonanymi techniką iniekcji strumieniowej (stan po przyłożeniu obciążenia) 84 Drogownictwo 3/2014

3 bądź plastycznej. Podczas wpompowywania zaprawa iniekcyjna rozprzestrzenia się jednorodnie, tworząc kuliste powierzchnie. W przeciwieństwie do innych metod iniekcyjnych, zaprawa iniekcyjna nie wnika w pory. Wraz z napływem zaprawy, grunt jest rozpychany na boki, co powoduje jego zagęszczenie. Najefektywniejsze zastosowanie iniekcji zagęszczającej ma miejsce w przypadku wzmacniania gruntów niespoistych, zwłaszcza w stanie luźnym bądź średnio zagęszczonym [4]. Na rysunku 5 przedstawiono geometrię modelu wzmocnienia podłoża gruntowego techniką iniekcji zagęszczającej. Rysunki 6, 7 i 8 przedstawiają wyniki przemieszczeń i naprężeń pionowych w podłożu wzmocnionym techniką iniekcji zagęszczającej otrzymane za pomocą programu Z_Soil 2011 Student v Rys. 4. Rozkład naprężeń pionowych w kolumnie wykonanej techniką iniekcji strumieniowej znajdującej się w osi nasypu Iniekcja zagęszczająca W technologii iniekcji zagęszczającej w podłoże gruntowe wymagające wzmocnienia jest wpompowywana pod ciśnieniem zaprawa iniekcyjna o konsystencji gęstoplastycznej Rys. 5. Schemat wzmocnienia podłoża gruntowego kolumnami wykonanymi techniką iniekcji zagęszczającej Rys. 6. Przemieszczenia pionowe w podłożu wzmocnionym techniką iniekcji zagęszczającej (stan po przyłożeniu obciążenia) Rys. 7. Naprężenia pionowe w podłożu wzmocnionym techniką iniekcji zagęszczającej (stan po przyłożeniu obciążeń) Drogownictwo 3/

4 strzyk jednokrotny. Mikropale charakteryzują się korzystnymi właściwościami przenoszenia sił podłużnych i poprzecznych, zarówno wciskających, jak i wyrywających. Standardowe średnice mikropali kształtują się w granicach od 100 mm do 180 mm, ale mogą również osiągać 300 mm. Pomimo że mikropale mają niewielką średnicę w porównaniu z tradycyjnymi palami, to ich nośność kształtuje się w granicach od 300 kn do700 kn [3]. Rysunek 9 przedstawia model wzmocnienia podłoża gruntowego za pomocą mikropali iniekcyjnych. Rysunki 10, 11 i 12 przedstawiają wyniki otrzymane z programu Z_Soil 2011 Student v11.07 dla modelu podłoża gruntowego wzmocnionego mikropalami iniekcyjnymi. Rys. 8. Rozkład naprężeń pionowych w kolumnie wykonanej techniką iniekcji zagęszczającej znajdującej się w osi nasypu Mikropale iniekcyjne Mikropale iniekcyjne to pale o niewielkiej średnicy, tworzące w gruncie siatkę podobną do systemu korzeni drzew. Mogą być wykonywane poprzez zastrzyk strefowy lub za- Rys. 9. Schemat wzmocnienia podłoża gruntowego mikropalami iniekcyjnymi Rys. 10. Przemieszczenia pionowe w podłożu wzmocnionym mikropalami iniekcyjnymi (stan po przyłożeniu obciążenia) Rys. 11. Naprężenia pionowe w podłożu wzmocnionym mikropalami iniekcyjnymi (stan po przyłożeniu obciążenia) 86 Drogownictwo 3/2014

5 Rys. 12. Rozkład naprężeń pionowych w mikropalu iniekcyjnym znajdującym się w osi nasypu wartości. Aby w sposób wiarygodny dokonać porównania naprężeń występujących w analizowanych modelach numerycznych, zestawiono wyniki z punktów znajdujących się u podstaw kolumn. Największe naprężenia pionowe wystąpiły w przypadku podłoża gruntowego wzmocnionego kolumnami iniekcji zagęszczającej, które są prawie dwukrotnie większe niż dla wzmocnienia podłoża gruntowego mikropalami iniekcyjnymi i kolumnami wykonanymi techniką iniekcji strumieniowej. Zastosowana analiza w tym przypadku stanowi skuteczne narzędzie do podjęcia decyzji, jakiej metody wzmocnienia użyć, by jak najefektywniej poprawić parametry podłoża gruntowego. Analiza pozwala również na wymiarowanie budowli w sposób bezpieczny, zapewniając należyte wykonie skomplikowanych inwestycji w trudnych warunkach gruntowo-wodnych. W efekcie przeprowadzonych analiz wyodrębniono główne czynniki, które mają wpływ na efektywność wykonanego wzmocnienia za pomocą technik iniekcyjnych, tj. geometrię kolumn, parametry geotechniczne podłoża gruntowego i materiału, z którego wykonano elementy konstrukcyjne. Bibliografia W celu porównania technik iniekcyjnych wyniki obliczeń programu Z_Soil 2011 Student v11.07 zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie maksymalnych pionowych przemieszczeń i naprężeń w analizowanych modelach wzmocnienia podłoża gruntowego Rodzaj wzmocnienia Maksymalne przemieszenia pionowe [cm] kolumna podstawa grunt połączenie podtorza z podsypką Maksymalne naprężenia pionowe kolumna podstawa grunt na głębokości 7,7 m w osi budowli [1] J. Bzówka: Współpraca kolumn wykonywanych techniką iniekcji strumieniowej z podłożem gruntowym, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009 S. Gołosz: Analiza współpracy kolumn wykonanych technikami iniekcyjnymi z podłożem gruntowym, Praca dyplomowa magisterska, Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013 [3] J. Sierant: Wielkie możliwości małych pali, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, lipiec sierpień 2009 [4] M. Topolnicki: Podchwytywanie i podnoszenie obiektów budowlanych za pomocą kontrolowanych iniekcji geotechnicznych, XXV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie budowlane, Międzyzdroje maja 2011 [5] Z_Soil.PC: Theoretical Manual, Elmepress International & ZACE Services LTD, Lozanna 2000 (Z_Soil 2011 Student v11.07) Iniekcja strumieniowa Iniekcja zagęszczająca Mikropale iniekcyjne 0 0, , , Z serwisu GDDKiA Nowy wykonawca firma Budimex S.A. dokończy budowę S5 Poznań Wrocław odc. Kaczkowo Korzeńsko. Droga ma być oddana do ruchu w planowanym terminie 6 miesięcy od rozpoczęcia prac. Wnioski We wszystkich analizowanych przypadkach wzmocnienia podłoża gruntowego technikami iniekcyjnymi stwierdzono, iż nasyp kolejowy jest stateczny, a naprężenia pionowe nie przekraczają dopuszczalnych wartości. W rozpatrywanym modelu bez wzmocnienia podłoża gruntowego nastąpiła utrata stateczności. Wynika stąd, że należy w takim przypadku wykonać wzmocnienie podłoża gruntowego przed budową nasypu kolejowego. Najmniejsze wartości przemieszczeń pionowych zaobserwowano w przypadku wzmocnienia podłoża mikropalami iniekcyjnymi. W analizowanych modelach podłoża gruntowego wzmocnionego iniekcją zagęszczającą oraz iniekcją strumieniową przemieszczenia pionowe mają zbliżone W czwartek 20 lutego odbyło się kolejne spotkanie GDDKiA z nowymi przedstawicielami branży budowlanej. Spotkanie było kontynuacją cyklu warsztatów rozpoczętych jesienią 2013 r. Spotkania pomagają nowym uczestnikom runku budowlanego w dobrym i profesjonalnym przygotowaniu się do startów w przetargach budowlanych Na wniosek wicepremier Elżbiety Bieńkowskiej Premier Donald Tusk powierzył dziś (tj r.) obowiązki dyrektora GDDKiA Pani Ewie Tomali-Boruckiej, dotychczasowej dyrektor śląskiego oddziału GDDKiA. Nowy dyrektor będzie pełnić swoje obowiązki do czasu wyłonienia w konkursie nowego dyrektora GDDKiA W ciągu 22 miesięcy zostanie dokończona budowa 40-kilometrowego odcinka A1 między Strykowem a Tuszynem. W czwartek (6.02) zostały ogłoszone 3 przetargi na wybór nowych wykonawców. Drogownictwo 3/