Innowacyjne badania kolumn iniekcyjnych

Innowacyjne badania kolumn iniekcyjnych

GEOINŻYNIERIA
Innowacyjne badania
kolumn iniekcyjnych
dr hab. inż. Joanna Bzówka, prof. Politechniki Śląskiej; Anna Juzwa; Lidia Wanik
Politechnika Śląska
Tomasz Żyrek – PPI Chrobok S.A.
Firma PPI Chrobok S.A.
przeprowadziła badania,
mające na celu określenie
zależności zachodzących
pomiędzy siłą obciążającą
a osiadaniem kolumn.
Projekt, którego celem było
porównanie wyników
próbnych obciążeń
pojedynczej kolumny i grupy
kolumn iniekcyjnych został
zrealizowany we współpracy
z Politechniką Śląską
1a.
1b.
Fot. 1.
1c.
1d.
50
Wykonywanie kolumn iniekcyjnych:
a) i b) osprzęt do
systemu pojedynczego, c) badanie
gęstości zaczynu,
d) próbki do badań wytrzymałościowych pobrane
z wypływającej
zawiesiny gruntowo-cementowej
październik - grudzień
PPI Chrobok S.A. od dawna współpracuje z Katedrą Geotechniki i Dróg (dawniej Katedrą Geotechniki) Wydziału
Budownictwa Politechniki Śląskiej. W ostatnim czasie przedsiębiorstwo uczestniczyło w projekcie badawczym, mającym
na celu wyjaśnienie współpracy kolumn iniekcyjnych z podłożem gruntowym.
Technologia iniekcji strumieniowej polega na uzyskaniu
mieszaniny cząstek gruntu ze spoiwem, wskutek ciśnieniowego wtłaczania iniektu w podłoże. Proces rozpoczyna nawiercenie podłoża gruntowego na żądaną głębokość (fot. 1
a i b). Następnie strumień iniektu niszczy naturalną strukturę
gruntu, przecinając i rozdrabniając masyw gruntowy. Cząstki
gruntu łączą się z iniektem, wypełniając wolne przestrzenie
w podłożu i po związaniu tworzą strukturę przypominającą
beton, zwaną tworzywem gruntowo-cementowym. Formowanie kolumny następuje poprzez podciąganie żerdzi wiertniczej, połączone z równoczesnym jej obrotem. Nadmiar iniektu i zawiesina cząstek gruntu wypływa na powierzchnię.
Następnie bada się gęstość iniektu oraz pobiera się próbki
do badań wytrzymałościowych (fot. 1 c i d).
W roli iniektu najczęściej stosuje się zaczyn cementowy.
Proces wykonania kolumn iniekcyjnych cechuje się dużą
szybkością oraz brakiem niekorzystnych oddziaływań dynamicznych na otoczenie. Kolumny odznaczają się wysoką
nośnością, wynikającą z dobrej współpracy z otaczającym
gruntem.
W ramach badań na poletku doświadczalnym w Bojszowach Nowych wykonano kolumny badawcze w skali
rzeczywistej. Przed ich formowaniem przeprowadzono rozpoznanie geologiczne, w wyniku którego stwierdzono zaleganie w podłożu zagęszczonych i średniozagęszczonych
piasków średnich oraz grubych, przewarstwionych plastyczną gliną z niewielką domieszką części organicznych. Kolumny iniekcyjne wykonano przy użyciu wiertnicy MDT 180B
z osprzętem do iniekcji ciśnieniowej (fot. 1 a i b). Kolumny
zróżnicowano z uwagi na zastosowany system (jednostrumieniowy, dwustrumieniowy) oraz parametry technologiczne iniekcji (ciśnienie, czas formowania, średnica dysz). Jako
iniekt podawano zaczyn cementowy.
Próbne obciążenia pojedynczej kolumny i grupy
kolumn iniekcyjnych
W celu zbadania nośności, na poletku wykonano obok
siebie pojedynczą kolumnę badawczą oraz grupę 3 kolumn
iniekcyjnych, rozmieszczonych w układzie trójkąta równobocznego. Do zakotwienia konstrukcji dla próbnych obciążeń uformowano 6 kolumn kotwiących, zbrojonych dwuteowymi profilami stalowymi. Kolumny badawcze zazbrojono
rurami stalowymi. Montaż zbrojenia przedstawiono na fot. 2.
Konstrukcje do próbnych obciążeń statycznych tworzyły
4 / 2014 [49]
GEOINŻYNIERIA
ramy z dźwigarów stalowych, kotwionych za pomocą prętów do
profili stalowych, stanowiących zbrojenie kolumn kotwiących. Dla
równomiernego przeniesienia obciążenia, na każdej kolumnie
z grupy wykonano z profili przestrzenny element zwieńczenia.
Projekt i montaż konstrukcji odciążających, jak również osprzęt
w postaci pompy i siłowników, zapewniło przedsiębiorstwo PPI
Chrobok S.A. Zdjęcia stanowisk do próbnych obciążeń przedstawiono na fot. 3 i 4.
Obciążenie zadawano analogicznie jak dla pali, zgodnie z zapisami normy PN-83/B-02482. Przyjęto stopniowanie wartości obciążenia, analogiczne jak dla pali, o skoku równym 1/8÷1/12 nośności kolumny. Do obciążania użyto siłowników hydraulicznych,
a siłę wciskającą szacowano dzięki cechowaniu, pozwalającemu
na przeliczenie wartości ciśnienia wskazanego przez manometr
pompy na oddziaływanie siłownika. Obciążenie zadawano aż do
uzyskania stabilizacji odczytów osiadań. Ich pomiarów dokonywano przy użyciu cyfrowych czujników o dokładności 0,01 mm.
Badanie wpływu parametrów technologicznych
iniekcji
Badania parametrów iniekcji przeprowadzono wykonując kolumny różniące się systemem iniekcji oraz ciśnieniem, czasem
formowania i średnicą zastosowanych dysz. W celu oszacowania
wpływu tych parametrów na kształt i wymiary kolumn iniekcyjnych, odsłonięto 2.
kolumny badawcze, aby móc dokonać
pomiaru ich geometrii. Wykonano także
odwierty rdzeniowe na potrzeby badań
wytrzymałościowych tworzywa gruntowo-cementowego.
geoinżynieria drogi
mosty tunele
z zawiesiny gruntowo-cementowej, jak również z odwiertów
rdzeniowych.
Rezultaty przedstawionych pomiarów osiadań kolumn, obciążonych siłą pionową oraz wpływu parametrów technologicznych
iniekcji na geometrię kolumn stanowią element badań kolumn iniekcyjnych i zostaną przedstawione w dwóch rozprawach doktorskich pt. „Analiza współpracy grupy kolumn iniekcyjnych z podłożem gruntowym” oraz „Analiza wpływu wybranych parametrów
na kształt i wymiary kolumn iniekcyjnych”.

Literatura
[1] Bzówka J.: „Współpraca kolumn wykonywanych techniką
iniekcji strumieniowej z podłożem gruntowym”, Monografia,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009.
[2] Croce P., Flora A. & Modoni G.: „Jet Grouting. Technology,
design and control”, CRC Press, Boca Raton, USA, 2014.
[3] PN-83/B-02482 „Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych”.
Autorzy: A. Juzwa, L. Wanik i T. Żyrek otrzymali stypendium
w ramach projektu „DoktoRIS – Program stypendialny na rzecz
innowacyjnego Śląska”, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
3.
Wyniki badań
W trakcie próbnego obciążenia statycznego pojedynczej kolumny uzyskano siłę
maksymalną 1830 kN oraz maksymalną
wartość osiadania 95,73 mm. Dla grupy
kolumn maksymalna wartość siły wynosiła 5735 kN, co odpowiada sile 1910 kN,
przypadającej na poszczególne kolumny.
Natomiast największa wartość osiadań –
uśredniona dla trzech kolumn – wynosiła 81,04 mm. Dokładne wyniki pozwolą
na określenie zależności zachodzącej
pomiędzy siłą obciążającą a osiadaniem
kolumn.
Odsłonięcie kolumn pozwoliło na wykonanie pomiaru średnicy oraz obwodu kolumn. Znacznie większe średnice
stwierdzono dla kolumn wykonanych
przy użyciu systemu podwójnego powietrznego niż pojedynczego. Natomiast
materiał kolumn wykonanych systemem
pojedynczym cechuje się wyższą wytrzymałością na ściskanie, badaną na
próbkach pobranych podczas iniekcji
Fot. 2.
Fot. 3.
Fot. 4.
Fot. 5.
4.
5..
5.
Montaż zbrojenia
Konstrukcja do próbnego obciążenia
pojedynczej kolumny
Konstrukcja do próbnego obciążenia
grupy kolumn
Odsłonięte kolumny badawcze
październik - grudzień
4 / 2014 [49]
51