inż. Daniel Dalak

Podłoże zbudowane z gruntów niespoistych, nawodnionych w stanie luźnym (Id 0,33) może wykazywać możliwość znacznego osiadania (brak spełnienia II stanu granicznego). Dodatkowym niebezpieczeństwem wynikającym z ich słabego zagęszczenia może być utrata nośności podłoża lub ich upłynnienie w wyniku działania obciążeń dynamicznych (brak spełnienia I stanu granicznego). Zagadnienie wzmacniania gruntów niespoistych, polegających na zagęszczeniu gruntów, należy rozpatrywać jako powierzchniowe lub wgłębne. Zagęszczenie gruntów powierzchniowe ogranicza się do przypowierzchniowych warstw (głębokość do 1,5 m) podłoża gruntowego, które zagęszczane są za pomocą różnego rodzaju walców gładkich, okołkowanych, kołowych i ogumowanych; ciągnionych i samojezdnych; ciągników gąsienicowych i kołowych; płyt wibracyjnych, walców wibracyjnych, ubijaków wibracyjnych [1]. Zagęszczenie gruntów wgłębne obejmuje technologie oparte na przykładaniu do gruntu energii generowanej za pomocą różnego rodzaju źródeł zewnętrznych działających na większej głębokości. W niniejszym artykule przedstawiono metody poprawy parametrów wytrzymałościowych oraz odkształceniowych gruntów niespoistych wykorzystujące technologie wgłębnego zagęszczenia gruntów. Ze względu na sposób wykonania oraz technikę wzmocnienia możemy wyróżnić podział na metody wibracyjne oraz dynamiczne.

1. Metody wibracyjne
1.1. Wibroflotacja
Wibroflotacja (ang. Vibroflotation) to metoda wzmacniania gruntu niespoistego polegająca na wywołaniu zmiany układu ziaren pod wpływem cyklicznych drgań poziomych. W wyniku tego uzyskuje się gęstsze ułożenie ziaren gruntowych i zmniejszenie objętości porów. Do zagęszczenia gruntów stosuje się ciężkie wibratory wgłębne (wibrofloty). Mają one cylindryczny kształt i średnicę od 30 do 50 cm. W dolnej części wibroflota zamontowana jest jednostka napędowa, wywołująca drgania poprzeczne o amplitudzie od 5 do 48 mm. Często na końcówce wibroflotu umieszczone są dysze, którymi może być tłoczona woda lub powietrze, wpływające na skuteczność pogrążania oraz zagęszczenia gruntu. Wibroflot zagłębiany jest wraz z rurą prowadzącą w grunt pod własnym ciężarem lub – w przypadku wibroflota umieszczonego na konstrukcji samonośnej – z udziałem siły wciskającej, z jednoczesnym działaniem wibracji. Zagęszczanie odbywa się podczas podciągania wibroflotu ruchem posuwisto-zwrotnym. W luźnym gruncie powstaje zagęszczony słup zwykle o średnicy od 1,5 do 2,5 m, zależnie od siatki punktów zagęszczenia oraz rodzaju gruntu.

1.2. Sondy wibracyjne
Zagęszczenie gruntów za pomocą sond wibracyjnych (ang. Vibratory Probing) jest bardzo podobne do opisanej powyżej wibroflotacji. W porównaniu jednak do tej metody zagęszczenie uzyskuje się przede wszystkim w wyniku drgań pionowych. Rycina 3 przedstawia trzy najpopularniejsze rodzaje sond wibracyjnych.

1.2.1. Sonda Terra
Terra-sonda (ang. Terra-probe) została wynaleziona w USA. Zagęszczenie tą metodą polega na w wibrowywaniu w grunt niespoisty rury o średnicy 760 mm (ryc. 3a). Rura jest o 3–5 m dłuższa niż zakładana głębokość wzmocnienia. Zagęszczenie następuje na zewnątrz i wewnątrz rury. Częstotliwość drgań wynosi ok. 15 Hz.

1.2.2. Profile-Y
Profile-Y (ang. Y-profile) powstały w Belgii jako alternatywna dla sondy Terra. Zasada ich działania jest jednak do niej zbliżona. Podstawową różnicą jest kształt, który wyklucza zatykanie się rury gruntem w czasie wwibrowywania (ryc. 3b). Odnotowano maksymalną głębokość zagęszczenia do 10 m.

1.2.3. Wibro-skrzydła
Wibro-skrzydła (ang. Vibro-wings) powstały w Szwecji w celu zagęszczania luźnych piasków pylastych. Konstrukcja wibro-skrzydeł składa się z 15-metrowego stalowego pręta, do którego dospawane są skrzydła o długości 80 cm, w odstępach co 50 cm (ryc. 3c). Do pogrążania w gruncie stosowany jest ciężki wibrator o masie 7 t.

1.3. Zalety metod wibracyjnych
– Znaczny przyrost stopnia zagęszczenia gruntu.
– Wzrost wytrzymałości gruntu.
– Wzrost modułów odkształcenia gruntu.
– Redukcja osiadania gruntu niespoistego.
– Zminimalizowanie ryzyka wystąpienia upłynnienia gruntu.
1.4. Ograniczenia metod wibracyjnych
– Technologia czuła na procentową zawartość frakcji pylastej i ilastej.
– Drgania mogą działać szkodliwie na znajdujące się w pobliżu obiekty.
– Głębokość zagęszczania zależy od wielkości użytych maszyn oraz sposobu pogrążania wibratora.

2. Metody dynamiczne
2.1. Zagęszczanie dynamiczne
Metoda dynamicznego zagęszczania (ang. Dynamic Compaction) została wprowadzona przez pioniera w dziedzinie wzmacniania podłoża gruntowego, Louisa Menarda [2]. Polega ona na ulepszeniu słabego podłoża za pomocą uderzeń o dużej energii. W wyniku rozchodzenia się w gruncie fali objętościowej oraz fali powierzchniowej grunt ulega zagęszczeniu, zróżnicowanemu w zależności od jego stanu, struktury, głębokości zalegania oraz ilości przyłożonej energii. Energia przekazywana jest na podłoże za pomocą wielokrotnych uderzeń odpowiednio ukształtowanego ciężaru (stalowy ubijak) o masie od 10 do 40 t, spadającego z wysokości od 5 do 40 m. W celu przeprowadzenia dynamicznego zagęszczenia stosuje się dźwigi kratowe, które umożliwiają uzyskanie odpowiednio wysokiej energii uderzenia.
W przypadku suchych lub mało wilgotnych gruntów niespoistych zagęszczenie następuje w wyniku wyciskania powietrza z porów oraz przemieszczenia cząstek gruntu [2]. Zmniejsza się porowatość gruntu, a tym samym wzrasta stopień zagęszczenia. W gruntach znajdujących się poniżej poziomu wody gruntowej energia zagęszczenia powoduje chwilowy wzrost ciśnienia wody w porach. Po rozproszeniu nadwyżki ciśnienia następuje poprzecznie przemieszczenie i wzajemne zbliżanie się do siebie
ziaren gruntu. Zagęszczenie dynamiczne zwykle poprzedza się wykonaniem poletka próbnego, na którym określa się rozstaw siatki punktów roboczych oraz potrzebną energię uderzenia do uzyskania wymaganego zagęszczenia, tj. masę i kształt ubijaka, a także wysokość jego zrzucania.