Wzmacnianie gruntu metodą kolumn betonowych z głowicą żwirową na S8 koło Zambrowa

Droga S8 to kluczowa trasa w województwie podlaskim. Dokończenie jej budowy do roku 2023 zostało zapisane wśród najważniejszych zadań w Kontrakcie Terytorialnym podpisanym pomiędzy rządem i władzami regionu jesienią 2014 r.

Budowa drogi S8 ma priorytetowe znaczenie dla ruchu tranzytowego między południowo-zachodnią i północno-wschodnią częścią kraju. Każdy nowy odcinek drogi ekspresowej jest równoznaczny z przełożeniem ruchu ze starej drogi krajowej nr 8, jednej z najbardziej niebezpiecznych w Polsce, nazywanej często drogą śmierci.

W ramach rozbudowy drogi krajowej nr 8 do parametrów drogi ekspresowej S8, na odcinku od granicy woj. mazowieckiego do obwodnicy Zambrowa Keller Polska wykonywał wzmocnienia gruntu metodą kolumn betonowych z głowicą żwirową.



Przed przystąpieniem do budowy, jednym z największych wyzwań dla wykonawcy przedmiotowego odcinka drogi S8 było odpowiednie przygotowanie podłoża pod posadowienie nasypu drogowego o wysokości do 14 metrów powyżej poziomu istniejącego terenu.

Pomiędzy węzłami Szumowo i Zambrów Zachód na 300-metrowym odcinku natrafiono na grunty organiczne zalegające do 12 metrów poniżej poziomu terenu. Z uwagi na wysoki poziom zwierciadła wód gruntowych odrzucono koncepcję całkowitej wymiany gruntów organicznych. Zdecydowano się wymienić metodą bagrowania górną partię gruntów organicznych o słabych parametrach wytrzymałościowych na grunt mineralny. Następnie wykonano badania pozwalające określić rzeczywisty zakres wymiany. Pozostałości gruntów organicznych zalegające poniżej wymiany wzmocniono za pomocą kolumn betonowych, a grunt wymieniony dogęszczono metodą wibrowymiany z wewnętrznym podawaniem kruszywa.


Betonowy trzon kolumn z głowicą żwirową wykonuje się za pomocą palownicy, która poprzez jednoczesne działanie momentu obrotowego i siły wciskającej pogrąża świder w podłoże gruntowe. Specjalna konstrukcja głowicy przemieszczeniowej świdra powoduje rozpychanie gruntu na boki, bez wynoszenia urobku na powierzchnię. Rozpychaniu gruntu towarzyszy dogęszczenie podłoża w czasie wkręcania i podnoszenia świdra. W ten sposób kolumny przemieszczeniowe są formowane z polepszeniem parametrów gruntowych w strefie kontaktu kolumna-grunt. W trakcie pogrążania świdra wnętrze rury wypełnia się betonem i utrzymuje jego nadciśnienie w celu zapobieżenia penetracji gruntu i wody do wnętrza świdra.

Po osiągnięciu projektowanej głębokości następuje faza podciągania świdra i betonowania trzonu kolumny pod ciśnieniem.

Weryfikacją długości kolumn podczas wykonawstwa jest system rejestrujący parametry wykonania kolumn, w który jest wyposażona wiertnica. Na podstawie obserwacji prędkości pogrążania świdra, momentu obrotowego i siły nacisku można stwierdzić, czy kolumna jest posadowiona w gruntach nośnych.


Długość części żwirowej i betonowej kolumn jest na etapie wykonawstwa dostosowana do rzeczywiście osiągniętych i zweryfikowanych głębokości wcześniejszej wymiany gruntu. Podatną głowicę żwirową kolumn wykonuje się w technologii wibrowymiany z rdzeniowym podawaniem materiału, przy udziale wibracji. Formowanie żwirowej głowicy następuje po osiągnięciu przez beton w trzonie kolumny konsystencji umożliwiającej wykonanie żwirowo-betonowej strefy przejściowej na długości ok. 1 m.

W pierwszej fazie wibrator wypełnia się kruszywem i pogrąża w podłoże przy udziale wibracji i docisku maszyny. Po osiągnięciu przewidzianej głębokości następuje formowanie trzonu kolumny żwirowej. W tym celu do wibratora wsypuje się od góry, przez zamykaną śluzę, kruszywo żwirowe lub łamane o uziarnieniu od 0 do 50 mm i udziale poszczególnych frakcji umożliwiającym uzyskanie odpowiedniego zagęszczenia.

W trakcie podciągania wibratora do góry kruszywo wypływa spod ostrza wibratora przy udziale sprężonego powietrza i wypełnia przestrzeń zajętą wcześniej przez wibrator. Z kolei ponowne opuszczenie wibratora powoduje rozepchnięcie kruszywa na boki i zwiększenie efektywnej średnicy kolumny.

Posuwisto-zwrotny ruch wibratora kontynuowany jest na całej wysokości kolumny. Dodatkowym efektem, jaki towarzyszy formowaniu trzonu kolumny żwirowej, jest poprawienie parametrów mechanicznych otaczającego gruntu. Średnica kolumn żwirowych wynosi od 0,6 do 0,8 m i zależy od podatności bocznej gruntu, tj. w warstwach słabych gruntów jest większa, a w warstwach mocniejszych mniejsza.



Obliczenia sprawdzające skuteczność wzmocnienia podłoża gruntowego wykonano w programie Plaxis, metodą elementów skończonych. Jak pokazano na poniższym wykresie, pomierzone osiadania nasypu drogowego są bardzo zbieżne z uzyskanymi w obliczeniach statycznych, co potwierdza przyjęcie poprawnych parametrów modelu wzmocnienia podłoża gruntowego.


Zalety takiego rozwiązania to:
• brak możliwości uszkodzenia głowic sztywnych elementów wzmocnienia przez ciężki sprzęt
na budowie
• brak urobku wydobywanego na powierzchnię
• brak niekorzystnych oddziaływań na sąsiadujące obiekty podczas wykonywania kolumn
• brak rozluźnienia gruntu podczas wykonywania kolumn
• niskie zużycie materiału w porównaniu z kolumnami wykonywanymi w innych technologiach
• duża szybkość wykonania i krótki czas realizacji
• automatyczna rejestracja w trakcie wykonywania kolumn żwirowych (KSS) podstawowych parametrów produkcyjnych (m.in. długość, objętość kruszywa, opór oraz prędkość pogrążania wibratora w podłoże, czas wykonania), co pozwala na bieżące śledzenie jakości wykonanych robót
• zastosowanie wibratora śluzowego przekazującego jednakową energię zagęszczania niezależnie
od długości kolumn żwirowych (w odróżnieniu np. do wibratorów nasadowych)
• niski poziom hałasu w czasie robót
• wykonywanie kolumn bez efektu rozluźnienia gruntu
• poprawienie parametrów wytrzymałościowych otaczającego gruntu i podłoża nośnego
• niskie jednostkowe koszty wykonania w porównaniu do większości pali i innych metod głębokiego wzmocnienia słabych gruntów.