Posadowienie pośrednie. Pale, kesony czy ścianki szczelinowe? Rodzaje i zakres stosowania
Na działkach o standardowych warunkach gruntowych z reguły wykorzystuje się fundamenty bezpośrednie. W bardziej skomplikowanych przypadkach i trudnych warunkach gruntowych konieczne jest zastosowanie posadowienia pośredniego. Właściwe i solidne posadowienie budynku ma kluczowe znaczenie w procesie budowy – rzutuje na dalsze etapy realizacji projektu, a także późniejszą trwałość budowli.
Spis treści
- Fundamentowanie w trudnych warunkach
- Charakterystyka fundamentów pośrednich
- Technologie posadowienia pośredniego
- Podstawowe warunki projektowania fundamentów
Fundament to, dosłownie i w przenośni, podstawa każdej budowli, a jego wykonanie stanowi najważniejsze geotechniczne zagadnienie inżynierskie. Głównym zadaniem posadowienia jest przekazywanie sił obciążających budynek na grunt w taki sposób, aby nie ulegał on gwałtownemu lub zbyt dużemu osiadaniu i zachował swoją stateczność. Nieodpowiednio dobrane lub źle wykonane posadowienie budowli może powodować odkształcenie ścian i pęknięcia, a w konsekwencji doprowadzić nawet do zniszczenia całego obiektu. Dlatego fundamenty muszą być odpowiednio wytrzymałe, stateczne i trwałe.
Fundamentowanie w trudnych warunkach
Rodzaj fundamentu (kształt, wykonanie i zastosowane materiały budowlane) zależą od konstrukcji budynku – jego rodzaju, sztywności, warunków wykonania i eksploatacji. Drugim czynnikiem jest rodzaj gruntu budowlanego – należy uwzględnić właściwości geotechniczne podłoża gruntowego, w tym poziom zwierciadła wody gruntowej. Zazwyczaj, z uwagi na koszty i prostotę rozwiązania, rozpatrywana jest możliwość wykonania posadowienia bezpośredniego. Niestety nie zawsze jest to możliwe. Jednocześnie, chociaż warunki gruntowo-wodne w lokalizacji planowanej inwestycji bywają niekorzystne i zasadniczo wpływają na koszty i konstrukcję budynku, to zazwyczaj nie stanowią czynnika decydującego o realizacji projektu.
Trudne warunki nie wykluczają możliwości budowy na danym terenie dzięki licznym sprawdzonym rozwiązaniom wypracowanym przez inżynierów na przestrzeni lat. W przypadku gruntów słabonośnych najprostszą metodą jest wymiana podłoża na takie o lepszych właściwościach. Jest to jednak uzasadnione przy niewielkiej miąższości gruntu oraz tylko do pewnej głębokości (najczęściej związanej z rachunkiem opłacalności ekonomicznej). Jako materiał do wymiany stosuje się np. piasek, pospółkę, ale też samozagęszczające się mieszanki gruntowe czy chudy beton. W warunkach znacznej miąższości podłoża słabonośnego rozwiązaniem jest wykonanie posadowienia głębokiego, inaczej fundamentów pośrednich.
Charakterystyka fundamentów pośrednich
Posadowienie pośrednie (głębokie) stosuje się wówczas, gdy warstwa gruntu o właściwej wytrzymałości znajduje się zbyt głęboko, a warstwy powierzchniowe mają zbyt słabą nośność lub gdy grunt jest niestabilny. Zadaniem tych fundamentów jest przekazywanie obciążeń z budynku na niżej zalegające warstwy nośne. Zamiast całej podstawy wykorzystuje się elementy wprowadzone w gruncie, najczęściej w postaci pali lub studni.
Prawidłowe wykonanie fundamentów pośrednich wymaga wcześniejszego dokładnego rozpoznania podłoża gruntowego. Najważniejsze są w tym zakresie badania polowe – w szczególności metodyka wierceń badawczych, umożliwiająca rozpoznanie układu warstw gruntów oraz pobranie próbek. Duże znaczenie ma też sondowanie, które służy do rozpoznania cech gruntu. Efektem tych badań jest uzyskanie przekroju geotechnicznego oraz parametrów technicznych (w tym np. stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych, stopnia plastyczności gruntów spoistych) poszczególnych warstw niezbędnych do dalszych obliczeń (np. osiadania pali).
Fundamenty głębokie można podzielić na:
- podparte – stykają się z głęboko położoną warstwą nośną i przekazują na nią obciążenia; są to pale, kesony, studnie opuszczone, ściany szczelinowe;
- zawieszone – ciężar przekazywany jest poprzez zjawisko tarcia na powierzchni bocznej pala wbijanego w grunt (skutkuje to zagęszczeniem gruntu w pobliżu), na jego górnej części wykonuje się fundament płytki;
- normalne – łączą cechy powyższych fundamentów; w praktyce są to wszystkie rodzaje pali.
Przeczytaj również:
- Trudne warunki gruntowo-wodne. Wody gruntowe i wpływ ich poziomu na sposób posadowienia
- Posadowienie budynku na trudnych podłożach. Nośność podłoża gruntowego
- Budowa na terenach poprzemysłowych - wybrane problemy geotechniczne
Technologie posadowienia pośredniego
Fundamenty palowe
Posadowienie na palach to najczęściej stosowany typ fundamentów pośrednich; wbija się je w grunt do warstwy o pożądanej (wymaganej) nośności, zazwyczaj w grupach lub w rzędach.
Fundamenty palowe stanowią elementy podpór zapewniające stateczność budowli w następujących przypadkach:
- wysoki poziom wody gruntowej w podłożu i brak możliwości odwodnienia;
- konieczność zabezpieczenia budowli, skarpy lub zbocza przed osuwiskiem;
- ograniczone miejsce na fundament (np. gdy trzeba zamontować wiele różnego typu instalacji);
- występowanie dużych obciążeń;
- konieczność wzmocnienia istniejących fundamentów bezpośrednich;
- teren jest objęty ryzykiem występowania zjawisk krasowych.
Fundamenty palowe wykonuje się z różnych materiałów– z betonu, stali, drewna, żelbetu. Ich długość wynosi z reguły od kilku do kilkunastu metrów, choć możliwe jest ich zagłębienie na kilkadziesiąt metrów, a nawet ponad 100.
W zależności od sposobu przekazywania obciążeń posadowienia na palach dzieli się na:
- słupowe – obciążenie jest przekazywane przez podstawę na warstwę nośną gruntu;
- zawieszone – przekazują obciążenie przez siły tarcia na powierzchni bocznej pala;
- normalne – obciążenie przekazywane jest przez siły tarcia na pobocznicy pala i przez siły normalne w ich podstawie;
- ukośne – obciążenie poziome przekracza 10% obciążenia pionowego.
Kryteriów, według których można wyróżnić poszczególne rodzaje pali, jest wiele. Podział według sposobu wykonania pali obejmuje metody wbijania, wciskania oraz wkręcania. Rozróżnia się też pale przemieszczeniowe prefabrykowane/gotowe lub formowane w gruncie w otworach wbijanych, oraz wiercone powstające w otworach wierconych z usuwaniem gruntu. Te ostatnie stanowią najczęściej stosowane technologie fundamentowania z wykorzystaniem pali w budownictwie.
W zależności od materiału i sposobu wprowadzenia w podłoże pale wbijane z rurą osłonową można podzielić na:
- prefabrykowane żelbetowe pale wbijane;
- pale stalowe wbijane młotami bądź pogrążane przez wibrowanie;
- pale przemieszczeniowe Vibro-Fundex – stalowa rura wbijana jest za pomocą młota, po umieszczeniu w niej zbrojenia wypełnia się betonem;
- pale typu Franki, umieszczane w gruncie bijakiem wielospadowym.
Wśród pali wykonywanych bez rur osłonowych można wymienić:
- formowane świdrem ciągłym CFA;
- Starsol, wykonywane metodą świdra ciągłego;
- PCS Lambda, o większej średnicy rury rdzeniowej świdra niż pale CFA;
- CFA, które stanowią połączenie technologii CFA i tradycyjnych pali wierconych;
- Atlas, wkręcane w grunt z wciskaniem, betonowane na sucho;
- Tubex, wkręcane z iniekcją na pobocznicy pod postawą;
- mikropale CFA, czyli połączenie tradycyjnej technologii CFA z zabiegami iniekcyjnymi.
Fundamentowanie pośrednie z wykorzystaniem pali przebiega z usuwaniem gruntu lub bez tego procesu. W ramach tej pierwszej metody w miejsce wydobytego gruntu wprowadza się materiał budowlany, głównie beton. Drugą możliwością jest zagęszczenie gruntu zamiast jego usunięcia.
Posadowienie na studniach
Studnie fundamentowe z betonu i żelbetonu, inaczej studnie opuszczane, to rozwiązanie, które wykorzystuje się wówczas, gdy:
- grunt nośny zalega głęboko;
- grunty pod warstwą nośną są słabe;
- oddziałują duże obciążenia pionowe (skupione);
- nie ma możliwości wykonania posadowienia bezpośredniego fundamentu;
- tarcie na pobocznicy ma niewielkie znaczenie;
- liczba i długość pali do wykonania posadowienia okazałyby się zbyt duże;
- warunki gruntowe i wodne sprzyjają mechanizacji robót.
Oprócz powyższych, posadowienie na studniach jest też uzasadnione w przypadku, gdy wymiana gruntu (z uwagi na jej głębokość zalegania) byłaby nieopłacalna ekonomicznie. Takie studnie znajdują zastosowanie w gruntach nienawodnionych i nawodnionych; mogą mieć przekrój kolisty, kwadratowy, dwu- i wielokomorowy, a wielkość przekroju umożliwia pracę ludzi w ich wnętrzach.
Aby zapobiec naruszeniu struktury gruntu w wyniku wybierania z wnętrza studni, należy zwracać uwagę na sąsiednią zabudowę. Najlepiej, aby w bezpośrednim sąsiedztwie studni nie było obiektów posadowionych płycej.Istotą wykonywania takiego posadowienia jest pogłębianie studni w gruncie na ok. 8–10 m z wykorzystaniem jej ciężaru, z jednoczesnym wybieraniem gruntu ze środka. Następnie zachodzi proces betonowania tzw. korka, czyli zamknięcie dna pod wodą.
Ostatnim etapem, po stwardnieniu mieszanki, jest wypompowanie wody i zabetonowanie pozostałej przestrzeni.Warto dodać, że studnie opuszczane wykorzystuje się w budownictwie nie tylko w funkcji fundamentów pośrednich. Mają również zastosowanie jako obiekty budownictwa podziemnego, np. podziemne pompownie, urządzenia oczyszczalni ścieków, koleje podziemne czy też parkingi.
Fundamenty na kesonach
Kesony to rodzaj posadowienia pośredniego, który stosuje się w gruntach silnie nawodnionych bądź stale pozostających pod wodą. Przykładem zastosowania tej technologii fundamentów pośrednich są obiekty podziemne, takie jak zbiorniki i osadniki, a także ciężkie i zwarte w planie konstrukcje inżynieryjne, jak np. mosty, nabrzeża portowe, filary mostowe.
Wskazaniami do stosowania kesonów są następujące warunki:
- z powodu dużego napływu wody nie ma możliwości jej odpompowania z dna wykopu;
- występują przeszkody w gruncie (np. głazy, kłody drzew) uniemożliwiające fundamentowanie na studniach;
- grunt nośny znajduje się maksymalnie 35 m od poziomu zwierciadła wody powierzchniowej lub gruntowej.
Kesony to inaczej skrzynie o szczelnych ścianach z żelbetu lub stali oraz otwartym dnie. Na dolnej krawędzi mają nóż, który ułatwia zagłębienie kesonu w gruncie. Wnętrze skrzyni, zwane komorą roboczą, wypełniane jest sprężonym powietrzem i odbywa się w niej wybieranie gruntu poniżej zwierciadła wody.
Przez otwór w stropie komory mogą wejść pracownicy, których zadaniem jest usunięcie gruntu pochodzącego z wydobycia. Aby umożliwić realizowanie prac budowlanych przez robotników we wnętrzu kesonu oraz utrzymać wypieranie wody gruntowej z wnętrza, ciśnienie w komorze musi być odpowiednio wysokie. Z uwagi na zdrowie ludzi maksymalna dopuszczalna głębokość zagłębienia kesonu poniżej lustra wody to 30 m.
Na etapie usuwania ziemi z komory dokonuje się też weryfikacji właściwości gruntu na danym poziomie zagłębienia. Wykonuje się to w celu potwierdzenia założeń projektowych. W razie wystąpienia rozbieżności można zastosować środki korygujące, takie jak zwiększenie podstawy fundamentu, wykonanie pali, wzmocnienie gruntu w podłożu czy głębsze posadowienie kesonu.
Posadowienia na ścianach szczelinowych
W budownictwie ogólnym i komunikacyjnym ściany szczelinowe są wykorzystywane jako tymczasowe lub stałe zabezpieczenia głębokich wykopów. W większości budowanych obecnie obiektów użyteczności publicznej ściany szczelinowe są konstrukcjami oporowymi dla ścian podziemnych parkingów oraz elementami fundamentów.
Fundamenty na ścianach szczelinowych mają wiele zastosowań. Najczęściej wykorzystuje się je pod wysokimi budowlami (jak np. kominy, biurowce), a także pod filarami mostowymi, pod ścianami nowych budynków zlokalizowanych obok tych istniejących, podczas budowy kanałów i tuneli drogowych czy też jako wzmocnienia istniejących fundamentów.Posadowienia na ścianach szczelinowych wykonuje się podobnie jak przepony wodoszczelne.
Poszczególne odcinki pełnią funkcje „pali”, na których posadawia się ławę fundamentową bądź inną konstrukcję oczepową. Zagłębianie realizuje się sekcjami, za pomocą koparki chwytakowej. Kolejność głębienia, długość i odstępy pomiędzy sekcjami zależą m.in. od warunków gruntowych, stosowanych maszyn czy też sposobu prowadzenia prac na budowie.
Wykopy, w których wykonuje się ściany szczelinowe, są stosunkowo wąskie i głębokie (ok. 20–30 m). Wypełnienie szczelin zawiesiną tiksotropową (np. bentonitową) zabezpiecza wykop i zapewnia stateczność ściany. Zbrojenie najczęściej wykonuje się w formie koszy splecionych cienkim drutem, a w przypadku głównych prętów zbrojenia – owinięcie strzemionami powoduje przeniesienie naprężeń ścinających.
Betonowanie wykopów szczelinowych z zawiesiną tiksotropową przebiega z wykorzystaniem podobnych metod jak w pracach podwodnych. Powszechnie stosuje się w tym celu podawanie mieszanki betonowej za pośrednictwem rury (tzw. metoda szwedzka). W betonowaniu podwodnym ważne jest, aby mieszanka wypływająca z rury nie wymieszała się z zawiesiną; istotne są także skład i konsystencja mieszanki betonowej (odpowiednie uziarnienie kruszywa i zwiększona ilość cementu). Z reguły do wykonywania ścian szczelinowych stosuje się beton wodoszczelny, by skutecznie chronić przed napływem wody gruntowej.
Z uwagi na stosunkowo niewielką sztywność ścian, zwykle wykonuje się dodatkowo podpory nieruchome lub odkształcalne. W zależności od głębokości wykopu i rodzaju gruntu ściany szczelinowe można zabezpieczyć rozporami stalowymi, mogą być rozpierane stropem (strop stanowi rozparcie ściany i umożliwia rozpoczęcie etapu głębienia wykopu) albo pracować wspornikowo, czyli przenosić obciążenia dzięki odpowiedniej głębokości i sztywności konstrukcji.
Kolumny fundamentowe i pale wielkośrednicowe
Fundamenty na kolumnach i pale wielkośrednicowe to kolejne technologie posadowienia pośredniego stosowane w trudnych warunkach gruntowych. Te pierwsze spotykane są niemal we wszystkich konstrukcjach inżynierskich, jednak najczęściej wykorzystuje się je w budownictwie mostowym i wodnym. Pełnią funkcje elementów przekazujących obciążenie z filarów, przyczółków, nabrzeży i pomostów na grunt. Kolumny fundamentowe występują w formie wierconych pali pustakowych, studni rurowych (cienkościennych rur wprowadzanych w grunt przez wibrowanie) oraz słupów.
Pale o dużych średnicach (60–200 cm) cechują się dużym udźwigiem – nawet do 10 MN. Wykorzystuje się je w przypadku obiektów posadowionych w wodzie, gdy występują bardzo duże obciążenia skupione i wymagana jest znaczna sztywność.
Wśród zalet tej technologii należy wymienić:
- dużą sztywność na zginanie wynikającą z wymiarów przekroju poprzecznego;
- brak wibracji i wstrząsów;
- możliwość zastosowania iniekcji i poszerzenia podstawy w celu zmniejszenia podatności pali;
- możliwość kontrolowania warunków gruntowych podczas wykonywania posadowienia oraz dostosowanie na tej podstawie długości pali.
Powszechnym sposobem wykonywania tego typu fundamentów jest technologia wiercenia przy użyciu specjalnej rury osłonowej. W zależności od warunków gruntowych i możliwości technicznych spotyka się też wykonywanie pali wielkośrednicowych bez rur osłonowych, wierconych w zawiesinie bentonitowej lub polimerowej czy też wierconych w rurze osłonowej wwibrowywanej. W celu zmniejszenia osiadania i zwiększenia nośności wokół pala stosuje się różne metody iniekcji. Takie zabiegi przeciwdziałają skutkom zmian stanu naprężeń pionowych i poziomych prowadzących do rozluźnienia gruntu.
Podstawowe warunki projektowania fundamentów
Bezpieczeństwo stanowi nadrzędną kwestię na etapie projektowania i wykonania fundamentów pośrednich. Nie bez znaczenia jest również uwzględnienie realnych możliwości, a także sporządzenie rzetelnej analizy ekonomicznej. Niezbędne jest, aby projekt spełniał odpowiednie warunki w zakresie nośności, odkształceń, stateczności i wytrzymałości. Zrealizowanie tych założeń wymaga przede wszystkim dokładnego rozpoznania podłoża gruntowego i określenia parametrów gruntowych w danej lokalizacji. Jest to konieczne do prawidłowego przeprowadzenia obliczeń oraz doboru właściwej technologii fundamentowania.
Warto wiedzieć, że złe lub niewystarczające rozpoznanie podłoża i nieprawidłowo przyjęte parametry gruntowe stanowią jeden z najczęściej pojawiających się błędów w procesie projektowania fundamentów głębokich.
Rodzaj posadowienia pośredniego dobiera się także w zależności od typu planowanej konstrukcji budowlanej, w tym zastosowanych materiałów i układu statycznego. Przykładowo, jak pokazuje praktyka, materiały mało wrażliwe na odkształcenia mogą być oparte na gruncie o większej ściśliwości. Analogicznie konstrukcje statycznie niewyznaczalne w warunkach zmiany wzajemnej podpór będą szczególnie podatne na zmianę naprężeń itd. Ujęcie tych aspektów w projektowaniu ma kluczowe znaczenie dla właściwego wykonania posadowienia.
Z uwagi na specyfikę fundamentowania oraz zastanych warunków gruntowo-wodnych zaleca się, aby każdy projekt rozpatrywać indywidualnie, unikając tzw. działania szablonowego.
