Wzmacnianie podłoża gruntowego przy pomocy kolumn DSM

Fot. by WSDOT

Zmniejszenie kosztów nowo budowanych dróg czy też drogowych obiektów inżynierskich wymaga wykorzystania gruntów dostępnych na miejscu. Z drugiej strony przepisy wymagają odpowiedniej nośności podłoża. W przypadku słabych gruntów takich jak namuły czy torfy, pomocną i aktualnie bardzo popularną metodą jest mieszanie wgłębne, czyli  tak zwany DSM (ang. Deep Soil Mixing).

Dz. U. nr 43, poz. 430 określa warunki gruntowe dla drogowych budowli ziemnych:

„Drogowa budowla ziemna powinna być zaprojektowana tak, aby jej odkształcenia nie spowodowały utraty przydatności użytkowej konstrukcji nawierzchni drogi oraz innych urządzeń zlokalizowanych  w pobliżu. Dopuszczalne wartości osiadań eksploatacyjnych s_k korpusu i podłoża budowli ziemnej nie powinny przekraczać 10 cm”.

Gdy te wymagania nie są spełnione jedną z opcji jest wymiana lub wzmocnienie podłoża gruntowego w celu poprawienia właściwości.

Mieszanie wgłębne zostało spopularyzowane w Polsce przez firmę Keller pod koniec lat dziewięćdziesiątych XX w. Początkowo tę metodę wykorzystywano do wzmacniania podłoży pod nasypy drogowe oraz fundamenty obiektów kubaturowych. W roku 2002 wykorzystano metodę DSM pod fundamenty obiektów mostowych na budowanej autostradzie A2. Polska jako pierwszy kraj w Europie wykorzystała tę metodę w budownictwie mostowym.

Technologia ta polega na wytworzeniu w podłożu gruntowym siatki kolumn, przy czym wykorzystuje się miejscowy grunt, który należy wymieszać ze spoiwem (najczęściej stosowany jest cement). Kolumny formowane są przy pomocy specjalnego mieszadła. Możliwe jest mieszanie zarówno ręczne jak i wspomagane komputerowo. Na rynku znane są mieszadła pojedyncze oraz podwójne. Zaletą mieszadeł podwójnych oprócz wydajności mieszania, jest eliminacja zjawiska „obracanego korka”, spotykanego często w przypadku stosowania mieszadła pojedynczego lub w przypadku mieszania gruntów bardzo spoistych.

Mieszadło DSM, fot. by USACE HQ

Pojedyncze mieszadło DSM, fot by SDOT Photos

Typowa długość uformowanych kolumn wynosi od 10-12 m, jednak często spotykane są kolumny o długości nawet powyżej 20 m. Na wielkość średnicy kolumny wpływ mają technologia, w której kolumny są wykonywane oraz rodzaj gruntu słabonośnego. DSM można wykonać w technologii na mokro i na sucho. W technologii na sucho typowe średnice wynoszą od 0,6 do 1,0  m – najczęściej 0,6 i 0,8 m, w przypadku technologii na mokro najczęściej od 0,8 do 1,5 m.

Mieszanie na sucho uzależnione jest od występowania poziomu wody gruntowej. Wilgotność gruntu musi wynosić minimum 60%. Zestaw do mieszania obejmuje stację do składowania i podawania spoiwa oraz maszynę wiertniczą. Najczęściej używa się wapna niegaszonego lub cementu z wapnem w przypadku glin i iłów oraz mieszanek z udziałem żużli wielkopiecowych w przypadku gruntów organicznych. Stabilizacja daje poprawę wytrzymałości na ścinanie – uzyskuje się wyniki na poziomie od 100 do 150 kPa. Zaletami metody na sucho są:

- możliwość pracy w niższej temperaturze

-duża wydajność

-możliwość stabilizacji bardzo słabych gruntów.

Zestaw do mieszania na mokro należy uzupełnić o zbiornik na wodę oraz mieszalnik. Wg [2] wytrzymałość na ściskanie kolumn cementowo-wapiennych wykonanych w tej metodzie, osiąga  wyniki od 1 do 10 MPa. Największą wytrzymałością cechują się kolumny, w których zastosowano mieszankę cementu i granulowanego żużla wielkopiecowego.

Zalety i ograniczenia stosowania kolumn DSM zestawiono poniżej:

Kolumny DSM zastosowano do wzmocnienia podłoża gruntowego pod nasypy na drodze S7 od węzła Elbląg do miejscowości Kalsk. Słabe grunty (torfy, namuły) występujące na miejscu budowy wymagały poprawy właściwości. Na całej długości odcinka sformowano ponad 146 000 kolumn DSM o średnicy 60 cm, których łączna długość przekroczyła 679 000 m.b. Przed wykonaniem kolumn wykonano pilotażowe badania laboratoryjne oraz pilotażowe badania polowe. W trakcie prac kontrolowano jakość wykonania kolumn. W przypadku każdej kolumny monitorowano między innymi datę wykonania, zagłębienie kolumny poniżej poziomu roboczego, ilość zużytego spoiwa oraz prędkość obrotową mieszadła.

inż. Łukasz Dutka

Literatura:

• M. Topolnicki: „Wzmacnianie i uszczelnianie gruntu metodą wgłębnego mieszania na mokro (DSM)”
• B. Gajewska, B. Kłosiński: „Wzmacnianie słabego podłoża kolumnami w budownictwie drogowym”, NBI Lipiec-Sierpień 2012
• www.keller.com.pl
• A. Leśniewska: „Wzmocnienie podłoża pod nasypy drogi krajowej S7 na odcinku od węzła Elbląg do Kalska za pomocą kolumn DSM-d”, NBI Listopad-Grudzień 2011