Uszkodzenie i naprawa fundamentu palowego przyczółka

Niedocenianie bocznego parcia słabego podłoża, wywołanego naciskiem nasypu dojazdowego, spowodowało przemieszczenie przyczółka mostu drogowego. W artykule opisano sposób jego naprawy i wzmocnienia za pomocą wciskanych statycznie ukośnych pali stalowych.

Połączenie mostu z nasypem, gdy w podłożu zalegają warstwy bardzo ściśliwe, jest trudne do rozwiązania. W takim przypadku zwykle konieczne jest posadowienie przyczółka na palach. Występują wówczas dwa problemy:

• przemieszczeń przyczółka w kierunku mostu, wywołanych przez parcie zasypki na przyczółek oraz, zwykle dużo większe, parcie słabego gruntu podłoża nasypu na pale fundamentu, nie zrównoważone przez niewielki w takich warunkach odpór gruntu przed przyczółkiem;
• osiadania nasypu i powstawania "progu" przy wjeździe na most, gdy nasyp osiada, niekiedy przez lata i bardzo znacznie, podczas gdy osiadania przyczółka są znikome.

Problemy te przedstawiono na przykładzie przyczółka wiaduktu drogowego w Wolsztynie, który został w r. 1995 wzmocniony przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów palami wciskanymi na podstawie opracowanej ekspertyzy [4] i projektu. Wiadukt jest położony w ciągu drogi Poznań - Zielona Góra nad torami PKP i peronami stacji oraz ulicą. Wiadukt ma ustrój nośny długości 167,8 m, szerokość jezdni wynosi 7,0 m, chodniki 2/1,5 m. Wiadukt projektowano na obciążenie I kl. wg dawnej normy. Przyczółek był posadowiony na 5 palach pionowych 1,5 m o zagłębieniu 16 m, wykonanych w 1986 r. W podłożu pod przyczółkiem i nasypem dojazdu do 10 m zalegały torfy i gytie, które w górnej części (do około 4 m) zostały wymienione na nasyp piaszczysty. Podłoże nasypu przylegającego do przyczółka latem i jesienią 1986 r. wzmocniono palami piaskowymi 40 cm, formowanymi w rurach wbijanych metodą Franki, rozmieszczonymi w siatce trójkątnej 3x3m. Poniżej 10 m występowały zagęszczone piaski. Wiadukt został oddany do użytku w styczniu 1989 r.

Zgodnie z przewidywaniami podłoże nasypu znacznie osiadło już w czasie jego wznoszenia. Prędkość osiadań malała, lecz nie zanikły one dotychczas. Osiadania nasypu powodują lokalne deformacje nawierzchni jezdni, które są likwidowane nakładkami asfaltu. Niepokojące były natomiast postępujące spękania korpusu przyczółka. Pierwsze rysy pojawiły się już po rozdeskowaniu go jesienią 1987 r. Po krótkim okresie eksploatacji zaobserwowano zmniejszenie się przerwy dylatacyjnej i rozpoczęto okresowe pomiary geodezyjne podpory. Pod wpływem parcia bocznego wysokiego nasypu dojazdu (8 m) oraz wywołanego ciężarem tego nasypu parcia słabego podłoża organicznego na fundament palowy, przyczółek doznał przemieszczeń poziomych. Widocznym objawem tych przemieszczeń było zaciśnięcie wszystkich przerw dylatacyjnych mostu oraz nieustanne osiadanie nawierzchni bezpośrednio za przyczółkiem. Przęsła stały się rozporą niestatecznego przyczółka. W roku 1994 zdecydowano podjęcie prac naprawczych. IBDM opracował projekt wzmocnienia posadowienia i korpusu przyczółka, a w początku 1995 r wykonał wzmocnienie fundamentu palami.

Założenia do projektu remontu
Obciążony naciskiem nasypu nawodniony, słabo przepuszczalny grunt organiczny wywiera na pale parcie boczne zbliżone do parcia hydrostatycznego. Parcie to przemieszcza słaby grunt, częściowo przeciskając go pomiędzy palami i wywołując nacisk na pale. Sumuje się on z parciem zasypki na korpus i ławę dolną przyczółka. Sztywność pozioma i opór boczny pali okazały się niedostateczne, by powstrzymać przemieszczenia przyczółka. Działające parcie przewyższa opór górnych warstw piasku. Analiza wykazała, że dla zapewnienia stateczności podporze jest potrzebne dodatkowe podparcie płyty fundamentowej, zdolne przejąć siłę poziomą 2 MN.
Konstrukcja korpusu przyczółka nie została dostosowana do przejęcia działających sił, zwłaszcza zaś momentów przekazywanych przez duże skrzydła zawieszone. Osiadania podłoża i ruchy przyczółka powodują wzrost tych obciążeń. Konstrukcję osłabiły dodatkowo usterki wykonawstwa: spękania skurczowe i przerwy betonowania. Słabo uzbrojona konstrukcja pracuje praktycznie jak betonowa, a powstanie spękań powoduje jej dezintegrację. Sygnałem tego są przemieszczenia betonu w miejscach spękań. Zwłaszcza północna ściana boczna wraz ze skrzydłem ulega odspojeniu - elementem utrzymującym ją jest właściwie uzbrojony gzyms oraz odpór gruntu stożka na zewnątrz skrzydła. Zakres uszkodzeń innych elementów korpusu nie jest duży.
Przeanalizowano kilka możliwych sposobów odciążenia ściśliwego podłoża i poprawienia stateczności podpory. Atrakcyjnym rozwiązaniem byłoby, spotykane dość często za granicą, odciążenie podłoża przez wymianę części nasypu przyległego do przyczółka na lekki materiał, np. na zasypkę z popiołów lub wypełnienie z betonu komórkowego - PIANOBETONU. Lekki nasyp powodowałby znacznie mniejsze obciążenie ściśliwego podłoża i mniejsze parcie na pale, które są obecnie przeciążone. Dotychczasowe zginanie pali prawdopodobnie wywołało ich zarysowanie. Inną możliwością było wykonanie podparcia za pomocą pali ukośnych. Pale zagłębiane statycznie są stosowane w specjalnych warunkach, gdy nie są przydatne inne metody, np. gdy niedopuszczalne są wstrząsy lub wibracja, niewskazane jest wiercenie otworów, a ograniczona wysokość wymusza wykonywanie pali z odcinków. Pale wciskane statycznie - najczęściej żelbetowe, rzadziej stalowe, mają średnice od 150 do 400 mm. Są one łączone z odcinków, wciskane w grunt podnośnikami hydraulicznymi opartymi o spód fundamentu (np. znane pale Mega) lub elementy konstrukcji [1].
W praktyce IBDiM pale statycznie wciskane stosowano parokrotnie. W r. 1986 wzmocniono nadmiernie osiadające podpory wiaduktu drogowego w Osieku [3] za pomocą pali z dwuteowników spawanych GS30. Do wciskania pali użyto siłownik o skoku 1 m, wywierający siłę do 1 MN. Pale wciskano odcinkami długości 2 m, stosując jednometrową przedłużkę. W r. 1994 wykonano wzmocnienie fundamentu 4-kondygnacyjnego budynku [2], gdzie zastosowano mikropale z rur stalowych 56 i 86 mm, zespolone dodatkowo iniekcją z podłożem po wciśnięciu. Przy projektowaniu wzmocnienia przyczółka w Wolsztynie wyko-rzystano doświadczenia z poprzednich zastosowań pali wciskanych.

Sposób wzmocnienia przyczółka
Rozdzielono prace remontowe na dwa etapy. W pierwszym etapie przewidziano wykonanie palowego wzmocnienia fundamentu, tj. prac, które można wykonać bez zatrzymywania ruchu na wiadukcie, zaś w drugim przebudowę nasypu i umonolitycznienie spękanego korpusu przyczółka.
Zaprojektowano wzmocnienie przyczółka 7 palami z rur stalowych 356 mm o pochyleniu 30°, wykonywanych metodą wciskania podnośnikami hydraulicznymi. Obciążenie pali oceniano na 750 kN. Przejmują one część siły poziomej. Element zwieńczający pale wciskane i łączący je z przyczółkiem stanowi żelbetowa tarczownica zabetonowana na odsadce fundamentu. Jest ona zespolona z fundamentem i betonowym korpusem przyczółka kotwami 25 mm wklejonymi w otwory wywiercone w starym betonie. W okresie robót palowych, tarczownica z odpowiednio ukształtowanymi wnękami, służyła jako oparcie dla siłownika hydraulicznego o udźwigu 2 MN, wciskającego pale.
Ograniczona do około 2,2 m wysokość strefy roboczej narzuciła użycie odcinków rur o długości 1,5 m, łączonych spawaniem. Opory wciskania w strefie nasypu oraz torfu i gytii były rzędu 300 kN, a po wejściu w zagęszczenie piaski gwałtownie wzrastały do 1200-1500 kN. Głębokość osadzenia pali w piasku była określana w czasie robót w zależności od ich podatności pod obciążeniem projektowym. W tym celu dwa pale poddano próbnemu obciążeniu.
Połączenia głowic pali z konstrukcją tarczownic dokonano na latem 1995 r., gdy wysokie temperatury spowodowały wydłużenie przęseł i maksymalne "odepchnięcie" przyczółka. Miało to na celu poprawienie stanu przerw dylatacyjnych obiektu.

W drugim etapie, po rozebraniu nasypu do wierzchu fundamentu, będą wykonane następujące prace:

• podcięcie lub rozebranie ścianki żwirowej, obecnie dociśniętej do przęsła,
• wymiana zniszczonych łożysk neoprenowych,
• iniekcja spękań korpusu i skrzydełek przyczółka,
• wywiercenie otworów w betonie i wklejenie kotew 25 mm, które poprawią zespolenie z wypełnieniem wnętrza,
• wypełnienie wnętrza przyczółka pianobetonem (g = 9 kN/m³) 350 m³,
• wykonanie odwodnienia,
• remont ścianki żwirowej i wymiana dylatacji,
• odbudowa płyty przejściowej i nawierzchni drogowej.

Badanie nośności pali wciskanych

Badania przeprowadzono na dwóch palach. Rury badanych pali nie były jeszcze wypełnione betonem, powodowało to zwiększenie mierzonych na głowicy odkształceń. Sprężyste skrócenie trzonu pala wyniosło około 3,5 mm przy obciążeniu wynoszącym 750 kN (obciążenie projektowe) i około 6 mm przy maksymalnej sile badania - 1200 kN. Odkształcenie trwałe było małe i wyniosło około 3 mm. Należy podkreślić, że po wypełnieniu trzonów pali betonem odkształcenia zmaleją w skutek mniejszych o 60 % odkształceń sprężystych trzonu pala.

Podsumowanie

Przedstawiony przypadek przyczółka wiaduktu w Wolsztynie jest klasycznym przykładem uszkodzenia spowodowanego parciem bardzo ściśliwego podłoża obciążonego wysokim nasypem. Nie wystarczył fundament z pali wielkośrednicowych, aby sprostać obciążeniom poziomym. Przypadki takich uszkodzeń występują na wielu obiektach posadowionych w podobnych warunkach gruntowych, najczęściej jednak służby utrzymujące most nie wiedzą o tym. Sygnałem wskazującym nieprawidłowe funkcjonowanie obiektu jest zaciśnięcie dylatacji. Pale z rur stalowych wciskanych statycznie stwarzają możliwość racjonalnego ukształtowania wzmocnienia i są dogodne w wykonywaniu.
Długość pali może być swobodnie regulowana, a nośność pali kontrolowana i poprawiana aż do osiągnięcia zadowalających wyników.

Literatura

1. Bielecki J., Fradera A., Pałka J.: Wzmacnianie fundamentów budowli zabytkowych w Krakowie palami "Mega". "Inżynieria i Budownictwo" nr 11-12/1983

2. Głowacki P., Grzegorzewicz K., Kłosiński B., Szymankiewicz Cz.: Zastosowanie mikropali iniekcyjno-wciskanych do wzmocnienie fundamentów. Inżynieria i Budownictwo nr 10/1995

3. Kłosiński B., Jankowski P., Paterek M.: Wzmocnienie podpór wiaduktu stalowymi palami wciskanymi. Drogownictwo nr 7/1987

4. Ekspertyza dotycząca naprawy przyczółka i nasypu przy wiadukcie w Wolsztynie w ciągu drogi Poznań - Zielona Góra. Etap II. Określenie przyczyn uszkodzeń, stanu konstrukcji i koncepcji naprawy. Warszawa, maj 1993 r.