Posadowienie fundamentów Biblioteki SGGW (III etap rozbudowy) Dr inż. Simon Rabarijoely, SGGW, Warszawa 1. Wprowadzenie Istnieje wiele metod wzmacniania podłoża gruntowego dla potrzeb fundamentowania. Wśród nich można wymienić: zagęszczanie gruntu (powierzchniowe i wgłębne), wymiana gruntu, zbrojenie masywu gruntowego, stabilizacja i cementacja [1], [3]. Zagęszczanie powierzchniowe gruntu można przeprowadzić statycznie lub dynamicznie. Statycznie poprzez ugniatanie walcami, natomiast dynamicznie poprzez wałowanie wibracyjne, wibroflotację i wybuchy (zagęszczanie wgłębne). W miejscu połączenia fundamentu starego budynku Biblioteki SGGW z nowym występuje grunt nasypowy (nasyp niebudowlany), a pod nim glina w stanie plastycznym. Poza tym, fundamenty jednej ściany nowego budynku Biblioteki miały być wspólne z fundamentami ściany budynku starego. W celu poprawy warunków posadowienia fundamentu w rejonie występowania gruntów nasypowych oraz ułatwienia warunków realizacji robót fundamentowych rozbudowywanego budynku Biblioteki SGGW w Warszawie, zastosowano technologię jet grouting. 2. Charakterystyka warunków posadowienia W podłożu projektowanego nowego budynku Biblioteki występują grunty spoiste. Są to głównie gliny piaszczyste zawierające 60 67% frakcji piaskowej, 21 28% frakcji pylastej i 10 13% frakcji iłowej. Grunty piaszczyste znajdujące się w przypowierzchniowej części podłoża do głębokości około 3 m to piaski grube, stwierdzone w OW-1 na głębokości 2,8 m, natomiast występujące głębiej, na głębokości 5,0 m, to piaski pylaste. W głębszej części podłoża, poniżej 10,5 11,0 m występują piaski drobne. Na podstawie analizy cech wskaźnikowych (wilgotność naturalna i granice konsystencji) badanych próbek gruntu w podłożu Biblioteki SGGW można wyodrębnić następujące warstwy geotechniczne: Gliny brązowe (zwałowe): W tym pakiecie geotechnicznym występują dwa rodzaje gruntów: glina piaszczysta oraz glina zwięzła. Wilgotności naturalne glin piaszczystych są w zakresie 9,6 12,3%, natomiast glin zwięzłych około 18%. Gliny piaszczyste są w stanie zwartym lub półzwartym (I L < 0) i twardoplastycznym (I L = 0,0 0,2). W stanie twardoplastycznym znajdują się gliny piaszczyste w otworze OW-1 na gł. 1,2 m i 3,2 m. Gliny zwięzłe są w stanie twardoplastycznym (I L = 0,25). Gliny szare (zwałowe): W tym pakiecie geotechnicznym występują także dwa rodzaje gruntów: glina piaszczysta oraz zwięzła. Wilgotność naturalna glin wynosi około 10 10,5%. Gliny te w otworze OW 1, występujące od głębokości 8,3 m, są w stanie półzwartym. Przedstawiona wyżej charakterystyka stanu glin piaszczystych oraz zwięzłych brązowych i sza - rych wskazuje na występowanie w podłożu projektowanego budynku gruntów w różnym stanie, od stanu zwartego (I L < 0) do twardoplastycznego na pograniczu z plastycznym (I L = 0,25). Generalnie w podłożu budynku brak jest gruntów w stanie plastycznym o wartościach I L > 0,25, z wyjątkiem rejonu OW-1, gdzie występują grunty nasypowe w stanie plastycznym. Wyniki badań laboratoryjnych wskazują, że gliny zwałowe brązowe i szare charakteryzują się zawartością węglanu wapnia od 3 do 5%. Zalecane do obliczeń statycznych wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych poszczególnych warstw gruntów podłoża, wg dokumentacji geotechnicznej, [4] podano w tabeli 1. 3. Wybór sposobu posadowienia fundamentów Biblioteki SGGW Ze względu na lokalnie gorsze warunki geotechniczne podłoża pod fundamentami jednej ściany nowego budynku Biblioteki, wspólnymi ze ścianą budynku starego (nasyp niebudowlany nn), zdecydowano posadowić fundament na palach wykonanych techniką jet grouting. Wzdłuż ławy fundamentowej ściany starego budynku wspólnej ze ścianą nowego budynku Biblioteki zaprojektowano pale po obu stronach metodą mijankowa w rozstawie 115 cm (rys. 1). Pod stopami fundamentowym zaprojektowano pale w rozstawie 85 cm do 100 cm, po cztery lub sześć pali pod stopą (rys. 1) posadowione w gruntach nośnych (glina piaszczysta) na głębokości 1,0 m pod stopami glin. 49
Tabela 1. Wartości parametrów geotechnicznych [4] Nazwa gruntu Nr warstwy geotechnicznej Ciężar objętościowy γ [kn/m 3 ] Spójność efektywna c [kpa] Efektywny kąt tarcia φ [ o ] Nasyp niebudowlany nn 20,60 10,0 10,0 Glina zwałowa (brązowa) Ia 19,62 5,0 25,0 Piaski glacjalne Ib 17,17 0,0 30,0 Glina zwałowa (brązowa) Ic 19,62 10,0 30,0 Glina zwałowa (szara) II 21,58 10,0 28,0 Piaski glacjalne III 18,15 35,0 Analiza wyników przeprowadzonych geotechnicznych badań terenowych i laboratoryjnych wykazała, że prawie w całym w podłożu nowego budynku Biblioteki SGGW występują korzystne warunki posadowienia, umożliwiające bezpośrednie posadowienie budynku na stopach i ławach fundamentowych. Jedynie w rejonie otworu OW-1 (rys. 1), zlokalizowanego w miejscu połączenia nowego budynku (III etap budowy) ze starym budynkiem (I etap) występują gorsze warunki posadowienia, które uniemożliwiają bezpośrednie posadowienie budowli. Z tego powodu konieczne było wzmocnienie gruntu podłoża 4 stóp fundamentowych oraz ławy fundamentowej ściany zewnętrznej lub podjęcie decyzji o innym sposobie posadowienia. Przy wyborze metody poprawy warunków posadowienia brano pod uwagę istniejący stan Biblioteki SGGW (stary budynek i jego funkcjonowanie w trakcie eksploatacji) oraz techniczne uwarunkowania metody. Dlatego też wybrano Rys. 1. Wzmocnienie gruntu pod fundamentami palami 60 cm [5] posadowienie na głębiej zalegającej warstwie glin piaszczystych oraz glin zwięzłych w stanie twardoplastycznym za pośrednictwem pali wykonanych techniką jet grouting, to jest wysokociśnieniowej iniekcji strumieniowej. Metoda jet grouting polega na wprowadzeniu w grunt przewodu iniekcyjnego metodą wiercenia z płuczką. Dolna część przewodu, oprócz narzędzia tnącego, jest wyposażona w głowicę iniekcyjną z jedną lub wieloma dyszami iniekcyjnymi. Podczas podnoszenia przewodu następuje prowadzona pod bardzo wysokim ciśnieniem iniekcja miksująca grunt. W jej wyniku następuje w strefie tworzonego pala wymieszanie gruntu z wprowadzonym iniektem. Tworzenie się pala o odpowiedniej średnicy jest funkcją szybkości obrotu dysz wokół osi. Pale mogą mieć średnicę do 120 cm. Na materiał pala składają się cząstki gruntu i zaczyn cementowy (iniekt). Pale jet grouting na ogół służą do poprawy warunków posadowienia istniejących budynków oraz wykonywania ścian oporowych i przesłon filtracyjnych. Technologia jet grouting umożliwia: nadbudowę, rozbudowę istniejących obiektów budowlanych oraz adaptację piwnic do funkcji użytkowej, zabezpieczenie podłoża przed wilgocią (w strefach oddziaływań parasejsmicznych uzyskuje się dodatkowo efekt redukcji drgań), wykonawstwo pala bez wydobywania gruntu, z jednoczesnym przemieszczaniem gruntu na boki podczas wkręcania przewodu wiertniczego, uzyskiwanie podwyższonej nośności pali na skutek zagęszczania się gruntu wzdłuż pobocznicy podczas wkręcania świdra i pod podstawą, w wyniku pionowego docisku oraz podawania mieszanki betonowej pod ciśnieniem, ciągły, bardzo pewny proces betonowania trzonu pala, przy stałym ciśnieniu betonu, wprowadzenie zbrojenia, nawet na znaczną głębokość, mobilizację pełnej nośności pala przy niewielkich osiadaniach, dostępność maszyn do stosowania tej technologii, nikły ujemny wpływ na środowisko. Projektowane wymiary pali były przedmiotem obliczeń, których przykłady podano niżej jako uzasadnienie wyboru tej technologii (rys. 1). 50
4. Metodyka obliczeń Sprawdzenie I stanu granicznego wg PN-81/B-03020[6]. Przy sprawdzaniu I stanu granicznego wartość obliczeniowa działającego obciążenia na podłoże powinna spełniać warunek: Q r Dla fundamentu obciążonego tylko siłą pionową przyłożoną osiowo (rys. 2), wzór przyjmuje postać: gdzie: Q r obliczeniowa wartość obciążenia [kn], Q f obliczeniowy opór graniczny podłoża gruntowego [kn], obliczeniowa wartość pionowej składowej obciążenia, [kn], m współczynnik korekcyjny, m = 0,81. Poniżej podano przykłady obliczeń statycznych posadowienia fundamentów nowego budynku Biblioteki na słabym podłożu w rejonie OW-1: Przykład 1. Sprawdzenie warunku obliczeniowego pierwszego stanu granicznego (wypieranie gruntu spod fundamentu) zgodnie z PN-81/B-03020 [6] posadowienie stopy fundamentowej w gruncie nasypowym (słabym) Rys. 2. Schemat oblicze niowy posadowienia na gruncie słabym [5] Średnia gęstość objętościowa gruntu zalegającego poniżej poziomu posadowienia stopy fundamentowej do głębokości B = 1,80 m wynosi: ρ B = 1,87 t/m 3. Średnią gęstość objętościową gruntu zalegającego poniżej poziomu posadowienia stopy fundamentowej do głębokości L = 2,80 m wynosi: ρ B = 1,84 t/m 3 Siła działająca na podstawę fundamentu przyłożona jest osiowo, stąd: B = B = 1,80 m, L = L = 2,80 m. Ze względu na brak obciążenia poziomego i C = i D = i B = 1,0 Pionowe składowe obliczeniowej wartości oporu granicznego gruntu pod stopą fundamentową są równe: względem boku B podstawy: względem boku L podstawy: m Q fnb = 0,81 1191,26 = 964,92 kn m Q fnl = 0,81 1202,38 = 973,93 kn przy =1955,80 kn warunek obliczeniowy pierwszego stanu granicznego w postaci: NB ; NL dla stopy fundamentowej nie jest spełniony. Wymiary stopy: B L = 1,80 2,80 m. Stopa obciążona osiowo. Wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych dla poszczególnych warstw gruntów podłoża podano w tabeli 1. Wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych wyznacza się mnożąc wartości charakterystyczne przez współczynnik materiałowy γ m =0,9, zgodnie z [6] Wartości te wynoszą: p D = 1,89 t/m 3, c u = 9,0 kpa, φ u = 9,0 Dla obliczeniowej wartości φ u = 9,0 wartości współczynników nośności N C, N B, i N D wynoszą: N D = 2,25, N C = 7,89 i N B = 0,15 Przykład 2. Warunek obliczeniowy I stanu granicznego przy posadowieniu na palach wykonanych technologią jet grouting [6] Sprawdzenie warunku I stanu granicznego zostało przeprowadzone dla jednego z pali pod stopą fundamentową (rys. 3, 4). Wychodząc z założenia, że przy osiowym obciążeniu każdy pal pod fundamentem budowli przenosi taką samą siłę można wnioskować, iż warunek nośności jest spełniony dla wszystkich pali pod daną stopą, jeśli warunek ten jest spełniony dla jednego pali pod daną stopą i ławą fundamentową. Zastępcze wymiary kwadratowego pala iniekcyjnego, zamiast pala o promieniu r = 0,30 m, którego pole przekroju równe byłoby polu przekroju pala iniekcyjnego: P r 2 = B 2 B = Pr = 3,14 0,3 = 0,53 m 51
Rys. 3. Schemat do wyznaczenia siły działającej na spód pala Na podłożu każdego pala działa następujące obciążenie : + G; G = L k A 1 γ g b gdzie: V k obciążenie pionowe od ławy (stopy) fundamentowej przypadające na jeden pal, G ciężar własny pala, L k długość pala, A 1 pole przekroju pala iniekcyjnego, γ g b ciężar objętościowy materiału pala. Wartość ciężaru objętościowego została przyjęta na podstawie sprawozdania z badań grunto-betonu [5](rys. 4) γ g b = ρ = 1,43 9,81 = 14,03 kn/m3 g b Siła działająca na podłoże jednego pala pod stopą fundamentową wynosi: + G; G = L k A 1 γ g b A 1 = P r 2 = 3,14 0,30 3 = 0,2826 m 2 G = 4,50 0,2826 14,03 = 17,84 kn + G = 325,97 + 17,84 = 343,81 kn Wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych uwzględniając współczynnik materiałowy γ m = 0,9 wynoszą: c u = 9,0 kpa, φ u = 27,0 Dla obliczeniowej wartości φ u wartości współczynników nośności ze wzorów wg [6] dla φ u = 27,0 wynoszą: N D = 13,20, N C = 23,94 i N B = 4,66 Ze względu na brak obciążenia poziomego i C = i D = i B = 1,0 Średnia gęstość objętościowa gruntu powyżej poziomu posadowienia p D = 1,82 t/m 3 Średnia gęstość objętościowa gruntu zalegającego poniżej poziomu posadowienia kwadratowej stopy fundamentowej do głębokości B = 0,53 mm, p B = 1,80 t/m 3 Obliczeniowa wartość oporu granicznego gruntu pod stopą fundamentową obliczona wzorem jest równa: 0,53 Q f = 0,53 0,53 1 + 0,3 23,94 9,0 1,0 + 0,53 0,53 + 1 + 1,5 13,20 1,82 9,81 6,3 1,00+ 0,53 0,53 + 1 0,25 4,66 1,80 9,81 0,53 1,00 = 1130,54 kn 0,53 m Q f = 0,81 1130,54 = 915,73 kn przy = 343,81 kn warunek obliczeniowy pierwszego stanu granicznego dla stopy fundamentowej w postaci: jest spełniony. Warunek I stanu granicznego został spełniony z dużym zapasem bezpieczeństwa (rys. 5, tabela 2). Rys. 4. Stopa fundamentowa jet grouting [5] Rys. 5. Ściana zewnętrzna Biblioteki; rejon jet grouting 52 Wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych dla gliny zwałowej brązowej zgodnie z tabelą 1 wynoszą: ρ (n) = 2,0 t/m 3, c u (n) = 10,0 kpa, φ u (n) = 30,0 Tabela 2. Porównanie wyników obliczeń statycznych dla posadowienia w podłożu niewzmocnionym oraz dla przypadku zastosowania technologii jet grouting I stan graniczny wg PN-81/B-03020, stopa fundamentowa posadowienie bezpośrednie posadowienie na palach m Q fnb m Q fnl m Q f 964,92 1955,80 973,93 1955,80 915,73 343,81
5. Podsumowanie Wyniki badań geotechnicznych wskazują [4] na możliwość posadowienia budynku Biblioteki na stopach i ławach fundamentowych (posadowienie bezpośrednie). Swobodne zwierciadło wody gruntowej znajduje się poniżej przewidywanego poziomu posadowienia. Jedynie w rejonie jednego z otworów wiertniczych występują niekorzystne warunki gruntowe, wskazujące na konieczność wzmocnienia gruntu lub konieczność wyboru innego sposobu posadowienia. W części tej do głębokości 3,0 m występują grunty słabe, nasypowe, uniemożliwiające bezpośrednie posadowienie w nich fundamentów. W obliczeniach zastosowano uproszczoną metodę obliczenia nośności pali. Nie uwzględniono tarcia wzdłuż pobocznicy pala (tarcie dodatnie i ujemne). Z obecnie dostępnych metod poprawienia warunków posadowienia fundamentów Biblioteki SGGW wybrano wysokociśnieniową iniekcję strumieniową ( jet grounting ). Pomimo, że metoda ta należy do jednej z droższych, przy doborze kierowano się m.in. istniejącym stanem Biblioteki (I etap). Projektowane fundamenty nowego budynku powinny się mieścić w istniejącej części Biblioteki. Iniekcja strumieniowa umożliwiała Firma Betonex Sp. z o.o. Jesteśmy prężnie rozwijającym się producentem prefabrykatów żelbetowych i strunobetonowych. Wykonujemy elementy dla obiektów przemysłowych, handlowych i biurowych. Wdrażamy najnowsze technologie prefabrykacji sprawdzone na rynku włoskim przez jednego z naszych udziałowców PRECOMPRESSI VALSUGANA wchodzącego w skład grupy INDUSTRIE MAURIZIO PERUZZO. Grupa posiada zakłady produkcyjne we Włoszech, Rumunii i Bułgarii. W palecie naszych produktów znajdziecie Państwo: słupy, belki i dźwigary sprężone, sprężone płyty stropowe TT, płatwie dachowe ściany i podwaliny podbicie istniejących już fundamentów z poziomu istniejącego terenu oraz z pomieszczeń piwnicznych budynku starego. BIBLIOGRAFIA [1] Grabowski Z., Pisarczyk S., Obrycki M., Fundamentowanie, Warszawa 2005 [2] Jarominiak A., Lekkie konstrukcje oporowe, Warszawa 1999 [3] Pisarczyk S., Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego, Warszawa 2005 WYKORZYSTANE MATERIAŁY [4] Dokumentacja geotechniczna do projektu III etapu rozbudowy Biblioteki Głównej SGGW, Katedra Geoinżynierii, Wydział Inżynierii i Kształtowania Środowiska, SGGW, Warszawa, 2004. [5] Dokumentacja powykonawcza wzmocnienia gruntów metodą iniekcji strumieniowej, Warszawa, 2005, MITEX S.A. [6] PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie. www.przegladbudowlany.pl/archiwum.html Archiwum od ręki archiwalne spisy treści na stronach www PRODUCENT PREFABRYKATÓW ŻELBETOWYCH I STRUNOBETONOWYCH Dla Państwa wygody naszą ofertę możemy uzupełnić o: koncepcje i techniczne rozwiązania konstrukcji prefabrykowanych projektowanie dostawy elementów na budowę kompleksowy montaż obejmujący konstrukcję oraz obudowę ścian i dachu 43-382 Bielsko-Biała, ul. Ks. J. Londzina 29 tel. +48 033 49 95 100, fax +48 033 49 95 101, e-mail: info@betonex.pl www.betonex.pl 53