Download PDF

Anna Nowosad

W obecnych czasach coraz bardziej pożądane przez inwestorów stają się tereny usytuowane w centrach dużych aglomeracji. W efekcie decydują się oni na realizację inwestycji w lokalizacjach, które do tej pory były omijane ze względu na słabe lub skomplikowane warunki geologiczne, uniemożliwiające bezpośrednie posadowienie konstrukcji. Nie bez wpływu na tę zmianę pozostaje również rozwój technologii jaką jest palowanie fundamentów oraz wzmocnienia podłoża gruntowego, co powoduje, że posadowienie pośrednie staje się tańsze w realizacji.

Jednym z najbardziej ekonomicznych i efektywnych, a zarazem bezpiecznych sposobów posadowienia konstrukcji budowlanych na gruntach słabonośnych jest wykonanie płyty fundamentowej opartej o palowanie fundamentów bądź kolumny betonowe wykonane w technologii pali przemieszczeniowych. Technologię tę firma Menard Polska Sp. z o.o. wykorzystała przy okazji realizacji dwóch budynków mieszkalno-usługowych zlokalizowanych w centrum miasta Kielce na skrzyżowaniu ulic Solnej oraz Planty.

1. Opis konstrukcji oraz panujących warunków gruntowych

Inwestycja realizowana przez GW Przedsiębiorstwo Budowlane UNIMAX Sp. z o.o. z siedzibą w Kielcach przy ul. Okrzei 35, zlokalizowana w Kielcach przy ul. Solnej / Planty, dotyczy kompleksu dwóch budynków o funkcji mieszkalno-usługowej. Wysokość projektowana budynków to od pięciu do sześciu kondygnacji z garażami podziemnymi o powierzchni zabudowy 1000 m2 oraz 800 m2 (ryc. 1).

Na obszarze działki w ramach terenowych prac badawczych wykonano otwory badawcze oraz 13 sondowań statycznych CPT do głębokości 22 m p.p.t. Przeprowadzone badania wykazały, że pod gruntami nasypowymi zalegającymi do głębokości ok. 2,0 m p.p.t. występuje warstwa namułów. Poniżej nich nawiercono grunty słabonośne i nienośne: plastyczne i miękkoplastyczne gliny pylaste. Na głębokości od 7,0 do 8,0 m p.p.t. stopień plastyczności glin pylastych maleje i utwory te przechodzą w stan twardoplastyczny. Wraz ze wzrostem głębokości stopień plastyczności pyłów obniża się. Zwierciadło wody gruntowej jest ściśle związane z wodą w rzece Sinicy. W trakcie badań polowych zwierciadło stabilizowało się na głębokości 2,00 ÷3,15 m p.p.t.

2. Założenia przyjęte do posadowienia budynków

Ze względu na niskie parametry odkształceniowe gruntów zalegających w poziomie posadowienia oraz obawę o nierównomierne osiadanie konstrukcji zdecydowano o posadowieniu budynków na płycie fundamentowej o grubości 90 cm, opartej na kolumnach betonowych typu CMC® wykonanych w technologii przemieszczeniowej.

2.1. Technologia kolumn przemieszczeniowych typu CMC
Technologia kolumn przemieszczeniowych typu CMC systemu Menard jest rozwinięciem tradycyjnych pali typu CFA. Technologia ta ma swoje zastosowania w różnych warunkach gruntowo-wodnych oraz przy średnich oraz dużych obciążeniach (nasypy, przyczółki mostowe, budynki itp.), dając gwarancję spełnienia warunków stanów granicznych nośności i użytkowania. Kolumny CMC oraz palowanie fundamentów wymagają zastosowania specjalnie zaprojektowanego świdra przemieszczeniowego, który rozpychając istniejący grunt, tworzy przestrzeń, w jaką wtłacza się pod wysokim ciśnieniem mieszankę betonową. Świder zamontowany jest na maszynie wyposażonej w głowicę o dużym momencie obrotowym i dużym statycznym nacisku pionowym (ryc. 2).  Tłoczenie mieszanki betonowej rozpoczyna się w momencie osiągnięcia żądanej głębokości docelowej i odbywa się przez świder z otworem wewnętrznym. Podciąganie świdra wspomagane jest ciśnieniem tłoczonego betonu, gwarantując ciągłość kolumny. Podczas wiercenia rejestrowane są parametry wykonania kolumny, co umożliwia ciągłą kontrolę stanu gruntu w danym miejscu w porównaniu z dokumentacją geologiczną. Rezultatem monitoringu są metryki, w których zawarta jest informacja o profilu kolumny, poborze energii podczas wiercenia oraz momencie obrotowym świdra.

2.2. Teoria współpracy płyta – grunt – kolumna
Ogólną zasadą przy projektowaniu fundamentów typu płytowo-palowego jest uwzględnienie współpracy podłoża gruntowego zarówno z palami (tutaj kolumnami betonowymi), jak i płytą fundamentową. Redystrybucja obciążeń pomiędzy gruntem a palami zależy od kilku czynników, a mianowicie: sztywności konstrukcji budynku i płyty fundamentowej, sztywności pali i ich rozstawu, parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych gruntu.
Im wyższe parametry wytrzymałościowe gruntu i mniejsza sztywność pali, tym więcej obciążenia przekazywane jest na grunt pod płytą. Klasyczne podejście projektowe zakłada przyjęcie gruntu jako elastyczno-liniowego ośrodka modelowanego w postaci podatnych sprężyn o zadanej charakterystyce według definicji Winklera oraz pali jako podpór o określonej sztywności zależnej od ich relacji obciążenie – przemieszczenie. Schemat redystrybucji obciążeń przedstawiono na rycinie 3. Zastosowanie kolumn w przypadku fundamentu zespolonego służy ograniczeniu osiadań całkowitych oraz różnicowych
konstrukcji. Ze względu na fakt, że kolumny pod płytą fundamentową mają na celu zminimalizowanie osiadań, a siły w nich są reakcjami wywołanymi podczas osiadania konstrukcji, w fundamentach zespolonych nie ma potrzeby sprawdzania nośności pojedynczego pala (kolumny). Potwierdziły to liczne
analizy numeryczne, które wykazały, że fundamenty płytowopalowe nie wykazują takiego załamania krzywej osiadania, jak pal w stanie granicznym. Dodatkowo mamy do czynienia z tzw. redystrybucją sił w palach, a mianowicie w palach bardziej podatnych czyli „słabszych” reakcje od osiadania będą mniejsze niż w palach „mocniejszych”, przy czym sztywność konstrukcji i płyty powoduje wyrównanie osiadań.

2.3. Analiza przyjętego rozwiązania projektowego
Przyjęte rozwiązanie obejmowało wykonanie pod płytą fundamentową kolumn betonowych CMC o średnicy 400 mm, w rozstawie od 1,5 m x 1,5 m do 2,0 m x 2,0 m, o zróżnicowanej długości – od 6,0 m do 14,0 m. Zróżnicowanie rozstawu i długości kolumn było uwarunkowane zmiennością rozkładu obciążeń przekazywanych przez płytę fundamentową i miało za zadanie zapewnienie zminimalizowania osiadań różnicowych konstrukcji. W zakresie lokalizacji najwyższych obciążeń zaprojektowano kolumny najdłuższe rozmieszczone w najmniejszym rozstawie. Kolumny ulegały skróceniu i rozrzedzeniu w kierunku malejących obciążeń. Kolumny w celu redukcji osiadań pod płytą mogą być rozmieszczone w dwojaki sposób:

  • lokalnie w miejscu występowania sił punktowych, aby zapobiegać miejscowym odkształceniom płyty;
  • równomiernie pod całością płyty z zastosowaniem dłuższych pali w środku ze względu na spodziewane największe osiadania w centrum fundamentu (w przypadku obciążenia równomiernego).
    W celu prawidłowego rozmieszczenia kolumn korzystano z mapy odporów, które otrzymano na podstawie analizy zagadnienia brzegowo-początkowego posadowienia płyty na niewzmocnionym podłożu, przy uwzględnieniu parametrów sztywności płyty, zmienności obciążeń oraz podatności podłoża gruntowego. Odpory różnicowały się lokalnie w zakresie od 300 kPa do 50 kPa. Analiza wykazała, że w przypadku posadowienia konstrukcji na samej płycie fundamentowej, osiadania budynków byłyby nierównomierne i mogłyby przekroczyć 100 mm. Tak duże osiadania stwarzałyby zagrożenie zarysowania płyty i samej konstrukcji budynku. Na podstawie obliczeń wykazano, że zastosowanie kolumn betonowych CMC® pozwoli zminimalizować prognozowane osiadania do maksymalnie 35 mm oraz wpłynie w znaczący sposób na ich wyrównanie na rozpiętości płyty.

3. Analiza próbnych obciążeń kolumn

W celu analizy charakterystyki obciążenie – osiadanie zaprojektowanych kolumn betonowych, przeprowadzono próbne obciążenia statyczne metodą belki odwróconej. Należy podkreślić, że badanie nie miało na celu weryfikacji granicznej nośności pali, jak to mam miejsce w przypadku klasycznych fundamentów palowych zwieńczonych oczepem. W związku z powyższym nieracjonalne byłoby obciążanie kolumn obciążeniem równym półtorakrotnej wartości granicznej nośności
pala (1,5 Nt), jak stanowi polska norma palowa PN-83/B-02482. Wartość obciążenia do badania została określona jako półtorakrotność obciążenia przypadającego na kolumnę oszacowanego w projekcie. Rycina 4 przedstawia krzywe wynikowe z próbnego obciążenia, które ilustrują charakterystykę pracy pojedynczej kolumny betonowej pod wpływem przyłożonego obciążenia.

4. Podsumowanie

Zaprezentowane podejście projektowe przy okazji realizacji budynków w Kielcach przy ul. Solnej jest ekonomicznym i bezpiecznym sposobem posadowienia obiektów średniowysokich na fundamentach typu płytowo-palowego. Podejście obliczeniowe polegające na uwzględnieniu współpracy zarówno płyty, jak i kolumn betonowych z podłożem gruntowym pozwala w znacznym stopniu zoptymalizować koszty związane z posadowieniem. W efekcie inwestorzy coraz częściej podejmują się inwestycji na terenach, gdzie zalegają ściśliwe grunty słabonośne.

Skip to content