99www.autostrady.elamed.pl

geosyntetyki i stabilizacja gruntu

Wzmocnienie podłożapod nasypy drogowedrogi ekspresowej S7na odcinku Nowy Dwór Gdański – Kazimierzowo

mgr inż. Krzysztof Kryża, Keller Polska

Budowa drogi S7 na odcinku Koszwały – Kazimierzo-wo to jeden z największych projektów geotechnicz-nych w Polsce. Kontrakt został podzielony na dwa

zadania. Dla Zadania 2: Nowy Dwór Gdański – Kazimie-rzowo, na którym generalnym wykonawcą jest firma Bu-dimex S.A., wzmocnienie podłoża w całości realizuje kon-sorcjum firm Keller Polska i Menard Polska.

Koncepcja wzmocnienia podłożaW koncepcji wzmocnienia podłoża, przygotowanej przez Transprojekt Gdański, zaproponowano 11 różnych tech-nologii (tab. 1), w zależności od: klasy drogi, wysokości nasypu, warunków gruntowo-wodnych oraz projektowa-nych bądź istniejących elementów infrastruktury drogowej.

Po wykonaniu uzupełniających badań geotechnicznych

z proponowanych metod wzmocnienia (tab. 1) wykorzy-stano trzy podstawowe technologie:• technologię podatną – T02 – dreny prefabrykowane

zwieńczone materacem geosyntetycznym oraz przecią-żenie nadnasypem,

• technologię sztywną – T08b – żelbetowe pale formowane w gruncie metodą przemieszczeniową, zwieńczone płytą podporową oraz materac z siatek stalowych,

• technologię półsztywną – T09/T04 – wgłębne wzmocnienie kolumnami betonowo-żwirowymi, formowanymi w gruncie metodą wibrowymiany oraz kolumny żwirowe (technolo-gia T04), zwieńczone materacem z siatek stalowych. Kombinacja powyższych technologii pozwoliła na stop-

niowe przejście z podatnych wzmocnień na drenach po-przez sztywniejsze kolumny żwirowe i betonowo-żwirowe do sztywnych pali przemieszczeniowych przy przyczółkach obiektów mostowych. Na rys. 1 przedstawiono typowe roz-wiązanie wzmocnienia podłoża pod węzłami drogowymi.

Przebieg pracW obszarze projektowanej inwestycji występują niekorzyst-ne oraz złożone warunki gruntowe. Jest to typowy tzw. tor-cik żuławski, w którym grunty organiczne przewarstwione są warstwami piasków drobnych i średnich.

Przed przystąpieniem do prac projektowych wykonano komplet uzupełniających badań geotechnicznych, zarówno polowych, jak i laboratoryjnych. Na obszarach wzmocnio-nych w technologiach sztywnych i półsztywnych wykonano sondowania statyczne CPTu w zagęszczonej siatce, dzięki którym okonturowano zakres gruntów organicznych oraz określono parametry geotechniczne gruntów nośnych.

Na obszarach wzmocnionych w technologii drenów pre-fabrykowanych wykonano, oprócz sondowań CPTu, bada-nia wytrzymałości na ścinanie gruntów organicznych sondą FVT oraz pobrano próbki gruntu do badań laboratoryj-nych w celu określenia podstawowych parametrów konso-lidacyjnych, tj.: Cc – wskaźnik ściśliwości, Cs – wskaźnik odprężenia, Cα – współczynnik ściśliwości wtórnej, Cv –

W artykule omówiono szczegóły wykonania wzmocnienia podłoża pod nasypy drogowe drogi ekspresowej S7 na odcinku Nowy Dwór Gdański – Kazimierzowo.

Wariant Opis wzmocnieniaT01a Wymiana gruntów słabonośnych

T01b Wymiana gruntów słabonośnych z dodatkowym etapem przeciążenia nadnasypem

T02 Dreny prefabrykowane zwieńczone materacem geo-syntetycznym + przeciążenie nadnasypem

T03 Drenażowe kolumny piaskowe zwieńczone materacem geosyntetycznym + przeciążenie nadnasypem

T04 Drenażowe kolumny żwirowe zwieńczone materacem geosyntetycznym + przeciążenie nadnasypem

T05 Przeciążenie nadnasypem

T06 Wzmocnienie powierzchniowe – materac odciążający

T07 Kolumny DSM-d zwieńczone materacem geosynte-tycznym

T08a Pale wbijane prefabrykowane żelbetowe zwieńczone płytą żelbetową

T08bŻelbetowe pale formowane w gruncie metodą

przemieszczeniową zwieńczone płytą podporową oraz materacem geosyntetycznym

T09Wgłębne wzmocnienie kolumnami betonowo-żwiro-

wymi formowanymi w gruncie metodą wibrowymiany zwieńczonymi materacem geosyntetycznym

T10 Kolumny jet-grouting zwieńczone materacem geosyn-tetycznym

T11 Wzmocnienie powierzchniowe warstwą kruszywa zbrojonego geosyntetykami

Tab. 1. Metody wzmocnienia podłoża zaproponowane w koncepcji przygoto-wanej przez Transprojekt Gdański

Magazyn Autostrady 5/2018100

geosyntetyki i stabilizacja gruntu

współczynnik konsolidacji pionowej, Cr – współczynnik konsolidacji poziomej, e0 – wskaźnik porowatości, Eoed – moduł edometryczny.

Ponieważ większość nasypów drogowych nie przekra-czała wysokości 3-4 m, zdecydowano się na wykonanie wzmocnienie podłoża gruntowego w technologii drenów prefabrykowanych z nasypem przeciążeniowym jako głów-nej technologii. Dreny prefabrykowane zaprojektowano pod nasypami trasy głównej oraz na dojazdach do obiek-tów o wysokości do 6,0 m. Zaprojektowano nasypy prze-ciążeniowe o wysokości od 2,0 do 5,0 m ponad niweletę projektowanej drogi. Przewidywany czas konsolidacji wy-nosił od 3 do 8 miesięcy. Osiadania podczas budowy na-sypu drogowego i utrzymywania nasypu przeciążeniowe-go oszacowano na poziomie od 0,3 do 1,5 m. W ramach monitoringu osiadań zainstalowano po 3 repery pomiaro-we w przekroju co 50 m trasy głównej oraz inklinometry pionowe i profilometry poziome co 200 m trasy głównej. Pomiary odbywały się raz na tydzień.

W strefach przejściowych na długości ok. 50 m za przy-czółkami obiektów mostowych zaprojektowano wzmoc-nienie podłoża w technologii sztywnej w celu ogranicze-nia i wyrównania osiadań nasypu. Pale przemieszczeniowe o średnicy Ø 400 mm zwieńczono płytami podporowymi o wymiarach 0,35 x 1,0 x 1,0 m. W zależności od wysoko-ści nasypu i warunków gruntowych pale zaprojektowano w rozstawach od 1,6 x 1,6 m do 2,2 x 2,2 m.

Na pozostałych obszarach, tj. dla nasypów o wysoko-ści powyżej 6,0 m, wykonano wzmocnienie w technolo-gii „półsztywnej” kolumn betonowo-żwirowych i żwiro-wych. Typowe rozstawy kolumn wynosiły od 1,8 x 1,8 m do 2,4 x 2,4 m.

Na obszarach krzyżowania się drogi zasadniczej z dro-gami dojazdowymi, ze względu na bliskość obiektów mo-stowych oraz etapowanie prac, nie można było wykonać wzmocnienia podłoża w technologii drenów prefabryko-wanych. Zaprojektowano wzmocnienie podłoża w techno-logii kolumn betonowo-żwirowych. Ze względu na niskie nasypy w celu zminimalizowania ryzyka wystąpienia efektu przebicia przez warstwy drogowe zaprojektowano głowice żwirowe o długości od 0,5 do 1,5 m.

Na połączeniu wzmocnienia podłoża w technologii podatnych i półsztywnych, gdzie występują duże prze-mieszczenia pionowe i poziome wynikające z konsolidacji gruntów organicznych, zaprojektowano strefy przejścio-we w postaci dwóch rzędów kolumn żwirowych i dwóch rzędów kolumn betonowo-żwirowych, w których długość trzonu betonowego jest równa długości trzonu żwirowego.

Pierwotnie dla wszystkich technologii wzmocnienia pod-łoża zaprojektowano warstwę transmisyjną zbrojoną geosyn-tetykami. Ostatecznie w celu ograniczenia osiadań i prze-mieszczeń poziomych nasypu drogowego posadowionego na podłożu wzmocnionym w technologii sztywnej i pół-

sztywnej zdecydowano się na zbrojenie podstawy nasypu geomateracem z siatek stalowych. Wykorzystanie siatek sta-lowych pozwoliło na znaczącą redukcję przemieszczeń po-ziomych pali/kolumn oraz optymalizację zbrojenia w pa-lach przemieszczeniowych. Siatki stalowe z ocynkowanych prętów #12 mm w postaci arkuszy o standardowych wymia-rach 2,4 x 10 m układano prostopadle do osi drogi na za-kład. W kierunku podłużnym arkusze łączone były za po-mocą haków stalowych układanych w każdym oczku siatki.

Ze względu na występowanie słabych gruntów organicz-nych o miąższości od 8 m do 12 m zalegających blisko powierzchni terenu oraz wysokich nasypów drogowych podczas obliczeń statycznych pojawił się problem statecz-ności oraz zbyt dużych przemieszczeń pionowych i pozio-mych nasypu drogowego. W celu optymalizacji kosztów wzmocnienia podłoża zdecydowano się na zastosowanie innowacyjnego rozwiązania, w którym kolumny betono-wo-żwirowe połączono z kolumnami żwirowymi w jed-nym przekroju obliczeniowym. Cechą charakterystyczną kolumn betonowo-żwirowych jest ich wysoka nośność przy stosunkowo krótkim trzonie i niewielkim zagłębie-niu w podłoże nośne, co wynika z osadzenia trzonu beto-nowego w stopie żwirowej, która dogęszcza podłoże pod podstawą kolumny. Ze względu na ciągły pomiar oporu penetracji wibratora podczas pogrążania uzyskuje się dobre dostosowanie długości kolumny do warunków gruntowych w każdym punkcie. Kolumny żwirowo-betonowe wykonuje się wibratorem wgłębnym z rdzeniowym podawaniem ma-teriału i z udziałem docisku maszyny w czasie formowania kolumn, który ułatwia penetrację wibratora i zagęszczanie trzonu. Średnica trzonu kolumny dostosowuje się do po-datności bocznej gruntu i wynosi od około 0,5 do 0,7 m.

Duże przemieszczenia poziome krawędzi nasypu gene-rują duże przemieszczenia poziome skrajnych elementów wzmocnienia podłoża, a w konsekwencji – duże momen-ty zginające w tych elementach. W rozwiązaniu sztywnym palowym skrajne pale należałoby zbroić profilem lub ko-szem stalowym.

W rozwiązaniu półsztywnym zaproponowanym przez Keller Polska przewidziano wykonanie kolumn betonowo--żwirowych pod korpusem nasypu o pełnej wysokości, na-tomiast kolumny żwirowe – pod skarpami. Zastosowanie kolumn żwirowych pod skarpami nasypu, gdzie stosunek sił pionowych i momentów zginających jest niekorzystny, pozwala na zrezygnowanie ze zbrojenia skrajnych elemen-tów oraz minimalizację ryzyka ewentualnego uszkodzeniu kolumny betonowej w wyniku jej nadmiernego zginania.

Na rys. 2a-b przedstawiono wyniki przykładowych obli-czeń MES dla nasypu drogowego posadowionego na grun-cie wzmocnionym w technologii półsztywnej. Przemiesz-czenia pionowe wynoszą około 4,9 cm, a przemieszczenia poziome – około 2,0 cm. Przemieszczenia poziome skraj-nej kolumny betonowo żwirowej wynoszą około 1,2 cm.

101www.autostrady.elamed.pl

geosyntetyki i stabilizacja gruntu

Na rys. 3 i 4 przedstawiono siły pionowe i momenty zginające w kolumnach. W danym przekroju kolum-ny betonowo-żwirowe zaprojektowano w rozstawach 1,8 x 1,8 m, a kolumny żwirowe pod skarpami zagęsz-czono do 1,5 x 1,5 m. Obliczeniowy moment zgina-

jący w skrajnej kolumnie wynosi 37,0 kNm, a odpo-wiadająca siła pionowa – 632 kN. Pomimo wysokiej wartości momentu zginającego w przekroju kolumny nie występują naprężenia rozciągające i nie jest wyma-gane zbrojenie.

Rys. 2. Przemieszczenia pionowe (a) i poziome (b) nasypu drogowego posadowionego na kolumnach betonowo-żwirowych i żwirowych

Magazyn Autostrady 5/2018102

geosyntetyki i stabilizacja gruntu

Fot. 1. Maszyny TR04 wykonujące kolumny betonowo-żwirowej

Zadaniem projektantów konsorcjum było również zaprojektowanie platform robo-czych. Jest to jeden z pierwszych projektów o tak dużej skali, na którym przewidziano konieczność wykonania projektów techno-logicznych platform roboczych. W zależ-ności od warunków gruntowych i rodzaju maszyn potrzebnych do wykonania wzmoc-nienia dobrano odpowiednią platformę ro-boczą. Dla drenów prefabrykowanych, które wykonywane są najlżejszą maszyną, przyjęto platformę roboczą o minimalnej miąższości 0,5 m, układaną na geotkaninie separacyj-nej. Pale przemieszczeniowe oraz kolum-ny żwirowe i żwirowo-betonowe wymagały wykonania 1,0 m wymiany przypowierzch-niowych gruntów organicznych o niskiej wytrzymałości na ścinanie oraz 0,5 m za-sadniczej platformy roboczej. Platforma robocza była jednocześnie częścią systemu wzmocnienia podłoża. Jej zadaniem było częściowe utwierdzenie głowic pali/kolumn.

W celu zobrazowania ogromnego zakre-su prac geotechnicznych wykonanych pod-czas budowy drogi ekspresowej S7 poniżej zestawiono wykonane prace:− 6 000 000 mb drenów prefabrykowa-

nych,− 440 000 mb kolumn betonowo-żwiro-

wych i żwirowych,− 410 000 mb pali przemieszczeniowych,− 30 000 sztuk płyt podporowych.

Powierzchnia, na której wykonano wzmocnienie, wynosiła około 1 mln m2.

PodsumowaniePodsumowując, w celu optymalizacji kosz-tów wykonania wzmocnienia podłoża na-leży w fazie przedprojektowej wykonać odpowiednie dla planowanej technologii wzmocnienia uzupełniające badania geo-techniczne. Bardzo ważne dla zachowania jakości oraz tempa wykonywanych prac są zaprojektowanie i wykonanie stabilnej platformy roboczej. Zastosowanie techno-logii „półsztywnej” w postaci kolumn beto-nowo-żwirowych pozwoliło płynnie przej-ście z metod podatnych do sztywnych, pozwalając na prowadzenie prac w strefach przejściowych na prowadzenie prac bez ko-nieczności zakończenia konsolidacji pod-łoża na obszarach wzmocnionych w tech-nologii drenów prefabrykowanych. qRys. 4. Momenty zginające w kolumnach betonowo-żwirowych

Rys. 3. Siły pionowe w kolumnach betonowo-żwirowych