Kolumny z piasku lub kruszywa w osłonie geotekstylnej formowane metodą pali Franki z wypełnionego piaskiem „rękawa” geotekstylnego stosowano w Polsce już w latach 90.
W ostatnich latach szereg firm specjalistycznych udoskonaliło ten system. Kolumny te stosuje się w ekstremalnych warunkach gruntowych – pokładach torfów, gytii i miękkoplastycznych namułów o miąższościach przekraczających 20 m, np. w ciągu trasy A 2 na węźle „Jordanowo”.
Kolumna typu GEC – (Geosynthetic Encased Column) jest smukłą kolumną piaskową, w której zabezpieczenie przed zniszczeniem wewnętrznym polegającym na zagęszczeniu materiału mineralnego w okolicach jej głowicy i pobocznicy uzyskuje się za pomocą otaczającego kolumnę geosyntetyku, który ma sztywność na rozciąganie. Poprzez instalacje w poziomie głowic kolumn zbrojenia nadpalowego osiąga się quasi jednorodne osiadania powierzchni wzmocnionego terenu. Ze względu na to, że kolumna jest elementem o znacznie większej sztywności niż otaczający ją grunt słabonośny, dlatego też stan jednakowych osiadań może być osiągnięty jedynie w sytuacji, gdy kolumna będzie znacznie bardziej obciążona. W ten właśnie sposób uzyskuje się efekt wzmocnienia - odciążenia warstwy słabej. System kolumn GEC jest systemem „samoregulującym się". Oznacza to, że grunt słabonośny osiądzie dokładnie tyle, na ile pozwoli mu kolumna, i przeniesie obciążenie o wartości odpowiadającej temu osiadaniu. Ogólnie można stwierdzić, że wraz z usztywnianiem się podłoża system dąży do wyrównania naprężenia na powierzchni komórki jednostkowej - grunt otaczający kolumnę przenosi coraz to większą, a kolumna coraz mniejszą część obciążenia.
Obliczenia dotyczące efektywności wykonanego wzmocnienia oraz bezpieczeństwa pojedynczej kolumny dają różne rezultaty przy zastosowaniu różnych modeli obliczeniowych. Większość z nich opiera się na koncepcji komórki jednostkowej – osiowo-symetrycznego układu pojedynczej kolumny wraz z otaczającym ją i wzmacnianym przez nią gruntem.

Jednym z uproszczeń w obecnie stosowanych modelach obliczeniowych opartych o tę koncepcję jest założenie, że nośne podłoże podścielające warstwę słabonośną i będące oparciem dla kolumn jest całkowicie sztywne, co powoduje, że wyznaczone osiadania dotyczą jedynie strefy gruntu znajdującej się pomiędzy poziomem głowicy i podstawy kolumny. Założenie to jest poprawne tylko podczas rozpatrywania zachowania się gruntu słabego, ponieważ grunt wymagający wzmocnienia charakteryzuje się dużą ściśliwością, z której wynika, że osiadania w jego strefie są skutkiem zmniejszenia porowatości. Kolumna natomiast, w porównaniu do otaczającego ją gruntu jest elementem znacznie bardziej obciążonym, mającym nieporównywalnie większą sztywność osiową, co powoduje, że po obciążeniu kolumna zagłębia się również w dnie komórki jednostkowej. Założenie absolutnej sztywności podłoża prowadzi do zaniżenia wartości osiadań. W konsekwencji powoduje to niedoszacowanie przekazanego na głowicę kolumny naprężenia. Błąd wynikający z tego uproszczenia nie jest jednak duży. 

Rys. 1. Siatka wzmocnienia podłoża kolumnami z obszarami wpływu kolumn.[6]

 

Rys.2.  Przekrój poprzeczny przez komórkę jednostkową, oznaczenie symboli.

Geometria komórki jednostkowej wynika z przyjętej przez projektanta siatki wzmocnienia gruntu. Ustalając rodzaj siatki wzmocnienia (kwadratowy bądź w formie trójkąta równobocznego) oraz rozstaw pomiędzy kolumnami, sprowadza się pole wzmacnianego przez kolumnę terenu do kola o średnicy De mającego jednakowe pole powierzchni.

Wszystkie stosowane metody w ramach koncepcji komórki jednostkowej opierają się na założeniach :

  • grunt słabonośny oraz głowica kolumny poddane są pionowemu obciążeniu zewnętrznemu σ oraz σk , wewnętrzna powierzchnia boczna na styku kolumny oraz gruntu jest poddana poziomemu oddziaływaniu σh;
  • dolny brzeg komórki jednostkowej jest unieruchomiony w kierunku pionowym, powierzchnia boczna promieniowo w kierunku poziomym (przegubowo-przesuwnie);
  • osiadania głowicy kolumny sk oraz otaczającego kolumnę gruntu słabego ss mają tę samą wartość;
  • osiadania kolumny zachodzą przy braku zmiany jej objętości.

Znając pole powierzchni przekroju poprzecznego kolumny Ak oraz przekroju poprzecznego pojedynczej komórki A0, określa się procentowy udział kolumn na powierzchni wzmacnianego podłoża za pomocą tak zwanego wskaźnika wymiany gruntu:

Efektywność wykonanego wzmocnienia, a więc stopień odciążenia gruntu słabego, określa się współczynnikiem redystrybucji naprężenia, wyrażającym część obciążenia całkowitego przenoszonego przez kolumnę:

gdzie:

Nk - obciążenie przypadające na kolumnę [N],
N0 - obciążenie przypadające na całą komórkę jednostkową [N].

Parametr ten „rozdziela" naprężenie całkowite σ0 na część przypadającą na kolumnę σk oraz na otaczający ją grunt słaby σs według zależności:

Ponadto naprężenie na powierzchni pojedynczej komórki jednostkowej przed i po redystrybucji musi być równe:

σ0 = (1 –α) ∙ σs + α ∙ σk

Kolumna GEC jest w przekroju poprzecznym cienkościenną rurą obciążoną wewnętrznym naprężeniem poziomym ah powodującym pęcznienie kolumny. W obliczeniach zakłada się, że kolumna po obciążeniu nie zmienia swojej objętości, co oznacza, że spęcznienie kolumny musi być skompensowane jej skróceniem (osiadaniem). Naprężenie a jest wypadkową parcia w mineralnym wypełnieniu kolumny oraz w otaczającym ją gruncie słabym. Ze względu na zmienne wraz z głębokością wartości pierwotnego naprężenia pionowego, wypadkowa wartość ah jest również zmienna i uzależniona od głębokości. Dlatego w celu zwiększenia dokładności obliczeń, komórkę jednostkową należy podzielić na poziome plastry i wyznaczyć siły powodujące pęcznienie dla każdego elementarnego plastra.

Rys. 3. Schemat posadowienia nasypu drogowego na systemie GEC z tymczasowym przeciążeniem w trakcie budowy [8]

W tym czasie usiłowano opracować technologię wykonawstwa kolumn ze średnicami 800 i 1500 mm stosując dwa odmienne sposoby pogrążania rur obsadowych. Kolumny o średnicy 800 mm wykonywano przy pomocy rur obsadowych, grubościennych mających na spodzie klapy zamknięte przy pogrążaniu i otwierające się przy wyciąganiu (rys.4). 

Rys. 4.  Etapy wykonawstwa kolumn przy pomocy rur obsadowych z dnem zamykanym, pogrążanie rury obsadowej z rozpychaniem gruntu słabonośnego na boki. [8]

W tej metodzie zamknięta od dołu rura wprowadzana jest do gruntu ciężkim wibratorem nasadkowym utwierdzanym na wierzchu rury lub przelotowym utwierdzanym na jej pobocznicy. Po osiągnięciu przez rurę obsadową wymaganej głębokości spuszczana jest opaska geosyntetyczna zszyta na dnie, obciążona workami z piasku, tak aby mogła ona przylgnąć do dna. Po wypełnieniu piaskiem rura obsadowa wyciągana jest za pomocą wibratora, przez co uzyskuje się tym samym kolumnę opasaną geotkaniną i wypełnioną co najmniej średniozagęszczonym piaskiem. Grunt słaby w otoczeniu rury jest rozpychany na boki, co przyczynia się do jego wstępnego sprężenia i konsolidacji pod wpływem powiększonych naprężeń poziomych wywołanych rozparciem na boki.  
Kolumny o średnicy 1500 mm wykonywane są przy użyciu  rur obsadowych z otwartym dnem i z poborem urobku w trakcie zagłębiania, podobnie jak przy wykonawstwie pali wielkośrednicowych z użyciem ciężkich palownic (rys. 5). Po osiągnięciu wymaganej głębokości wpuszczana jest opaska geosyntetyczna, którą następnie wypełnia się piaskiem. Rura obsadowa wyciągana jest wibratorem, tak, aby uzyskać wymagane co najmniej średnie zagęszczenie piasku.  

Rys. 5. Etapy wykonawstwa kolumn z piasku w systemie GEC przy pomocy rur obsadowych z dnem otwartym i z wybieraniem urobku [8].

Jako rękawy stosuje się prefabrykowane elementy ze specjalnie tkanych geotkanin bezszwowo lub szyje z potrójnym przeszyciem nićmi o wytrzymałości ok. 40 kN.
Wytrzymałości pasm geotkanin używanych jako rękawy osiągają wartości 150-300 kN/m.

Fot. 1. Produkcja rękawa bezszwowego na specjalnych maszynach przędzalniczych.

 

Fot. 2. Rękaw ze szwem potrójnym.

 

Literatura :

  1. Gajewska B, Kłosiński B.: Wzmacnianie słabego podłoża kolumnami w budownictwie drogowym. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne VII-VIII 2012, s. 56-62, 
  2. Gryczmański M.: Metody analizy nośności i osiadania podłoża wzmocnionego kolumnami kamiennymi. Inż.Morska i Geotech. nr 5/1993,
  3. Kłosiński B.: Współczesne sposoby wzmacniania podłoża i fundamentów budowli. Sem. IBDiM, Warszawa 2007,
  4. Materiały z Seminarium IBDIM i PZWFS : Wzmacnianie podłoża gruntowego i fundamentów budowli. W-wa 2007,
  5. Materiały z Konferencji IBDiM : Podłoże i fundamenty budowli drogowych. Kielce 2012,
  6. Meyer Z. : Kolumny piaskowe w otoczce geosyntetycznej. Propozycja nowego opisu systemu GEC. Inż.Morska i Geotech. nr 3/2014,
  7. Prospekty firm: Terrafigo, Cofra, Geotechnics, Menard, Keller,
  8. Sobolewski J. [i in.]: Autostrada A2: Łagów-Jordanowo. Nasyp posadowiony na kolumnach z piasku w opaskach geosyntetycznych. Mat. z konf. Wrocław 2014,