Wybrane uwarunkowania projektowe i technologiczne stosowania iniekcji strumieniowej „jet grouting”

W artykule przedstawiono kluczowe uwarunkowania projektowania i wykonywania prac z zastosowaniem technologii iniekcji strumieniowej „jet grouting” wybrane na podstawie spostrzeżeń zebranych podczas kilkudziesięciu realizacji wykonanych na przestrzeni kilku ostatnich lat.

Technologia wysokociśnieniowej iniekcji strumieniowej „jet grouting” znana jest na polskim rynku już od przeszło 20 lat. Ilość realizacji, w których znajduje zastosowanie wzrasta z każdym rokiem. Wraz z ilością zastosowań rośnie świadomość odnośnie możliwości, ale również pewnych specyficznych ograniczeń, których jak każda z metod i ta nie jest pozbawiona. Pomimo tego, zdarzają się nader często błędy i nieścisłości świadczące o niezrozumieniu jej specyfiki. W dalszej części niniejszego artykułu, po skrótowym przedstawieniu ogólnych definicji, zwrócono uwagę na wybrane uwarunkowania projektowe i technologiczne stosowania iniekcji strumieniowej „jet grouting”.

Iniekcja strumieniowa polega na niszczeniu struktury gruntu budującego podłoże gruntowe na rozważanym obszarze, oraz jego mieszaniu i częściowej wymianie na czynnik wiążący. Niszczenie struktury gruntu uzyskiwane jest w efekcie działania Widok strumienia iniektu formującego kolumnę "jet grouting".wysokoenergetycznego strumienia cieczy (iniektu), która zazwyczaj jest równocześnie czynnikiem wiążącym (fot. 1). Elementy powstające podczas procesu iniekcji nazywamy kolumnami iniekcyjnymi bądź ścianami iniekcyjnymi w zależności od ich kształtu [8]. Iniekcja strumieniowa może być wykonywana w systemie pojedynczym, podwójnym lub potrójnym. Systemy te różnią się między sobą ilością mediów zastosowanych do odspajania i cementacji gruntu. Najpowszechniej stosowany system pojedynczy wykorzystuje jedno medium, którym jest zazwyczaj zaczyn cementowy.

Jednym z najczęstszych błędów pojawiających się w dokumentacjach projektowych jest traktowanie materiału budującego kolumny i jego parametrów analogicznie jak ma to miejsce w odniesieniu do betonu. Autorzy takich opracowań zapominają o specyfice technologii formowania kolumn, w których tworzywo iniekcyjne (czyli materiał tworzący bryłę elementu iniekcyjnego) powstaje przez zmieszanie zaczynu iniekcyjnego z materiałem występującym w podłożu gruntowym. Tak więc projektant ma pośredni wpływ na parametry kolumny, mogąc jedynie określić czynniki technologiczne procesu iniekcji oraz dobrać skład zaczynu (fot. 2.). Zakładając, że przyjęte parametry pozwolą na maksymalne wykorzystanie tego co ukształtowała przyroda. Norma [8] podaje, że minimalna wymagana statystyczna wytrzymałość materiału powinna być ustalona w fazie projektowania, z uwzględnieniem zmienności warunków gruntowych. Podaje również sposób postępowania na wypadek braku możliwości określenia rzeczywistego stopnia rozrzutu, kiedy to należy ustalić go na podstawie badań na budowie.

Orientacyjne uzyskiwane wartości wytrzymałości na ściskanie gruntobetonu podawane są w literaturze [5] i wynoszą w zależności od rodzaju gruntów:
- torfy: ≥1 MPa,
- gliny: 5 MPa,
- piaski: 15 MPa,
- żwiry: 20 MPa.

Podane powyżej wartości dobrze odzwierciedlają uzyskiwaną wytrzymałość na ściskanie, potwierdzoną przez wieloletnie badania prowadzone podczas realizacji prac. Zaznaczyć należy jednak, że dla większości gruntów, a w szczególności dla gruntów organicznych (torfy i namuły) uzyskiwaną wytrzymałość na ściskanie zwiększyć można poprzez modyfikację technologii iniekcji idącą w kierunku zwiększenia czasu formowania kolumn, ilości zużytego materiału wiążącego i/lub modyfikację składu zaczynów iniekcyjnych.

Uwzględniając powyższe sugeruje się, aby w dokumentacjach projektowych podawać minimalną wymaganą wytrzymałość gruntobetonu na ściskanie, warunkującą spełnienie wymogów nośności z pożądanym zapasem. Uzupełniająco należy określić konieczność potwierdzenia uzyskanych wytrzymałości, na etapie wykonawstwa, badaniami wykonanymi na pobranych próbkach.

W większości przypadków gruntobeton o wytrzymałości 5 MPa, którego uzyskanie nie stanowi problemu, jest wystarczający ze względu na nośność wewnętrzną kolumny. Przykładowo dla kolumny średnicy 50 cm wykonanej z gruntobetonu o wytrzymałości na ściskanie wynoszącej 5,0 MPa nośność wewnętrzną trzonu wynosi 883 kN, co zazwyczaj jest wystarczające ze względu na nośność zewnętrzną. Pamiętać należy również ze dodatkowy zapas bezpieczeństwa w przypadku kolumn zbrojonych stanowi nośność przekroju stalowego. Fakt ten można uwzględnić na etapie projektowym, w przypadku zbyt małej nośności samego gruntobetonu.

W przypadku stosowania kolumn iniekcyjnych do kształtowania posadowienia nowoprojektowanych obiektów bądź też samego wzmocnienia podłoża pod różnorakie konstrukcję zwrócić należy uwagę na tzw. zrzuty technologiczne. Jest to nadmiar mieszaniny zaczynu iniekcyjnego z gruntem, powstający podczas formowania kolumn i wypływający na powierzchnię terenu poprzez pierścieniową przestrzeń między żerdzią a ścianą otworu iniekcyjnego [8]. Normowo zrzuty technologiczne określane są jako urobek sugerując analogie do urobku wynoszonego przy np. przy formowaniu pali wierconych. Zrzuty zalegające w miejscu prac z czasem twardnieją tworząc kamień (gruntobeton) o właściwościach niewiele gorszych niż założone parametry kolumn. W większości dokumentacji projektowych traktuje się je jako odpad pozostający na placu budowy i wymagający usunięcia po zakończeniu prac iniekcyjnych. Zdarzają się dokumentacje narzucające wymóg ich utylizacji sugerując, że jest to materiał niebezpieczny dla środowiska. Zapisy tego typu wprowadzają niepotrzebne zamieszanie i narażają proces inwestycyjny na zbędne koszty. Z uwagi na stosowanie w przeważającej mierze cementu jako spoiwa w zaczynach, powstałe tworzywo przypomina kamień cementowy. Nie jest to materiał niebezpieczny dla człowieka i środowiska, nie ma więc wymogu jego utylizacji. Konieczność usunięcia zrzutów technologicznych generuje dodatkowe koszty oraz przedłuża okres prac. Dodatkowo istnieje realne zagrożenie uszkodzenia wykonanych uprzednio kolumn podczas usuwania stwardniałych zrzutów. Uwzględniając powyższe sugeruje się aby w/w zrzuty technologiczne wykorzystać jako wstępną warstwę wyrównawczą pod przyszła konstrukcję (fot. 3), dbając jedynie o ich w miarę równomierne rozprowadzenie na powierzchni. Zrzuty technologiczne powstałe podczas formowania kolumn wykorzystane jako wstępna podbudowa pod warstwy konstrukcyjne.W ten sposób ograniczyć można grubość tzw. chudego betonu stanowiącego wyrównanie powierzchni wykonane dla umożliwienia ułożenia zbrojenia i późniejszego zabetonowania elementu konstrukcyjnego. Możliwość wykorzystania zrzutów jako wstępnej stabilizacji i wyrównania terenu przewidzieć należy na etapie projektowym, gdyż konieczne będzie obniżenie poziomu roboczego wykonania prac wiertniczo-iniekcyjnych o przewidywaną grubość powstałego zrzutu. Same zrzuty technologiczne nie zastąpią w całości wykonywania warstwy chudego betonu, gdyż ich górna powierzchnia wymagała będzie wyrównania, ale mogą znacznie ograniczyć jego ilość.

Kolejnym aspektem wartym omówienia są ograniczenia technologiczne warunkujące możliwość zabudowy zbrojenia w uformowanych kolumnach iniekcyjnych. W celu zrozumienia zagadnienia konieczne jest przybliżenie sposobu formowania kolumn.

W pierwszym etapie formowania kolumn wierci się otwór na pełną głębokość przewodem wiertniczym uzbrojonym w iniektor. Średnica otworu jest znacznie mniejsza od docelowej średnicy kolumny. Średnice powszechnie stosowanych przewodów wiertniczych zawierają się w przedziale 100-150 mm. Etap ten służy dotarciu na wymaganą głębokość, z której w następnym etapie dochodzi do formowania kolumny oraz ewentualnie wstępnemu rozluźnieniu struktury gruntu. Rozluźnienie gruntu ma na celu zwiększenie zasięgu strumienia iniektu formującego kolumnę, co docelowo przełoży się na jej większą średnicę. Następnie rozpoczyna się właściwe formowanie kolumny. Energia iniektu wydostającego się dyszami iniekcyjnymi umieszczonymi na końcu przewodu wiertniczego niszczy strukturę gruntu tworząc cylindryczną kolumnę o znacznie większej od niego średnicy. Tworzywo kolumny stanowi iniekt wymieszany z gruntem podłoża, zawierający w swej objętości wszystko co w przedmiotowym podłożu znalazło się w obrębie jego oddziaływania (fot. 2). Jedynie najlżejsze cząstki zostają wypłukane i wypływają z zaczynem tworząc zrzut technologiczny. Tak więc jeśli w podłożu występują kamienie bądź gruz, w przypadku nasypów niebudowlanych, wejdą one w strukturę kolumny. Mając na uwadze powyższe nie ma możliwości zabudowy w tak powstałym ośrodku, zbrojenia o małej sztywności i średnicy zbliżonej do średnicy formowanej kolumny. Dla zbrojenia kolumn iniekcyjnych, o ile jest ono wymagane, stosuje się zbrojenie sztywne w postaci kształtowników stalowych zazwyczaj dwuteowych bądź rur grubościennych. Można też użyć tutaj wiązki złożonej np. kilku prętów. Unikać należy stosowania zbrojenia koszowego na całej długości kolumn, którego zabudowa jest bardzo trudna bądź wręcz niemożliwa. Technologię iniekcji strumieniowej stosujemy zazwyczaj, w trudnych warunkach gruntowych, z warstwą gruntów nienośnych bądź słabonośnych, które zazwyczaj zawierają w swoim składzie składniki utrudniające zabudowę zbrojenia. Zbrojenie koszowe możliwe jest do zabudowy w kolumnach w górnym odcinku na głębokość zależną od ich średnicy (użyte ciśnienie i stopień homogenizacji przyszłego gruntobetonu). Przyjmuje się że jest to około 1,0 do 2,0 m co stanowi wielkość wystarczają dla wzmocnienia głowicy kolumny, kiedy zbrojenie na całej jej długości nie jest wymagane.

Projektując prace w technologii iniekcji strumieniowej należy założyć nieco większe dopuszczalne odchyłki niż ma to miejsce w innych technologiach. Jest to związane ze specyfiką prac, w których wiercenie odbywa się przewodem o znacznie mniejszej średnicy, a co za tym idzie mniejszej sztywności. Czynnikiem mogącym dodatkowo wpływać niekorzystnie na możliwe do uzyskania tolerancje jest wykonywanie prac przy wykorzystaniu małogabarytowego sprzętu. Znacznie mniejsza możliwość dokładnego prowadzenia przewodu ze względu na ograniczenie wielkości, powoduje większą wrażliwość na różnego typu przeszkody jakie mogą występować w podłożu. W przypadku natrafienia na głazy i kamienie, pozostałości starej zabudowy, cegły i drewno w nasypach niebudowlanych, może dojść do odepchnięcia przewodu wiertniczego, co skutkuje przesunięciem wykonywanego elementu iniekcyjnego. Nie zawsze da się wykorzystać duże i „silne” wiertnice, które gwarantują dotrzymanie większych dokładności. Opisany problem w większości przypadków nie ma istotnego wpływu na wykonywane prace, a egzekwowanie dokładności wykonania co do centymetra jest zazwyczaj nieuzasadnione.

Każda technologia niesie ze sobą plusy oraz ograniczenia jej stosowania. Często zdarza się ze projektanci kształtując przyszłe wzmocnienie zapominają o istniejącej konstrukcji. Przejawia się to w postaci założenia uformowania pionowych kolumn pod istniejącymi ścianami i ławami fundamentowymi. Jest to oczywiście niemożliwe do wykonania, no chyba że konstrukcję wyburzymy.

W przypadku konieczności wykonania iniekcji pod elementami istniejącego obiektu, sugeruje się stosowanie kolumn wykonanych pod niewielkim kątem tak, aby ich górny odcinek znalazł się pod wzmacnianym fundamentem (rys. 4). Przeniesie on z powodzeniem występujące obciążenia na głębsze partie podłoża gruntowego. Wartość udźwigu kolumny ulegnie jedynie nieznacznemu zmniejszeniu spowodowanemu zmianą kąta wypadkowej siły. Oczywiście w/w odchylenie kątowe należy uwzględnić w obliczeniach kolumn iniekcyjnych. Również w przypadku wzmacniania istniejących stóp fundamentowych pamiętać należy o konieczności zapewnienia dostępu do wzmacnianej konstrukcji.

W przypadku wykonywania elementów pionowych przy istniejących przegrodach należy uwzględnić minimalną odległość w jakiej można uformować kolumnę. Wymiar ten mierzony jest prostopadle do ściany obiektu bądź innej przegrody i uzależniony jest od rodzaju zastosowanego sprzętu. Ogólnie można przyjąć, że dla wiertnic małogabarytowych odległość od ściany do osi kolumny iniekcyjnej wynosi około 0,3-0,4 m, a dla wiertnic większych rozmiarów minimum 0,5m (rys. 5). Odległość ta ma szczególne znaczenie w przypadku formowania palisad przy istniejących obiektach, gdzie każdy centymetr odsunięcia zabiera cenną powierzchnię kondygnacji podziemnej, na poziomie której przewidziane są zazwyczaj parkingi.

Przy ustalaniu minimalnej odległości w jakiej może zostać wykonana kolumna uwzględnić należy również ewentualne elementy wystające zlokalizowane ponad terenem, takie jak sieci powietrzne czy balkony (fot. 6). W zależności od gabarytów zastosowanej wiertnicy konieczność zapewnienia dostępu jest zmienna i zależy od wysokości masztu.

W każdym z rozważanych przypadków ze względów bezpieczeństwa należy zachować wymagane przepisami odległości robót iniekcyjnych od urządzeń obcych.

Technologia formowania kolumn iniekcyjnych opisana została pokrótce powyżej. Należy jednak zwrócić uwagę na jeden aspekt, który w wielu przypadkach jest nie do końca zrozumiały dla osób stykających się z „jet groutingiem” po raz pierwszy, a mianowicie na średnicę wiercenia. Jedną z zalet opisywanej technologii jest wiercenie średnicami znacznie mniejszymi od docelowych średnic elementów iniekcyjnych. Z tego to powodu „jet grouting” jest tak chętnie stosowany przy naprawach istniejących konstrukcji, często charakteryzujących się złym stanem technicznym. Nie ma konieczności wykonywania przewiertów na docelową średnicę projektowanych kolumn. Przykładowo aby uformować pod istniejącym fundamentem kolumnę o średnicy 800 mm wykonujemy przewiert rdzeniowy o średnicy 100-150 mm. Stosunkowo niewielka średnica przewiertu przez istniejącą konstrukcję ma istotne znaczenie ze względu na jej bezpieczeństwo oraz w przypadku konstrukcji żelbetowych, ze względu na możliwość wyłączenia ze współpracy zbrojenia przeciętego podczas wykonywania przewiertu. W przypadku opisywanej technologii wpływ ten jest w większości przypadków pomijalny, właśnie dzięki małej średnicy wiercenia.

Kolejnym ważnym aspektem technologicznym, na który warto zwrócić uwagę jest brak drgań przy realizacji prac wiertniczo-iniekcyjnych związanych z formowaniem kolumn. Jest to ważna zaleta, szczególnie wówczas gdy uwzględnimy wspomniany już wcześniej i często występujący zły stan techniczny wzmacnianych konstrukcji. Podczas prowadzenia prac nie występują drgania, a ich pojawienie się może być związane jedynie z koniecznością wykorzystanie młotka udarowego w celu przejścia przez trudnozwiercalne przeszkody takie jak głazy, elementy betonowe itd. Jednakże nawet w tym przypadku drgania te nie są zagrożeniem dla konstrukcji, co potwierdzone zostało poprzez wiele realizacji na przestrzeni ostatnich lat wykonywanych na konstrukcjach nadwątlonych przez czas. Często wpisanych do rejestru zabytków, a więc takich w odniesieniu, do których stosuje się szczególnie ostre kryteria bezpieczeństwa.

Kończąc rozważania na temat iniekcji strumieniowej „jet grouting”, nie sposób zwrócić uwagi na nazewnictwo stosowane do określenia powstających w procesie iniekcji elementów. W niniejszym artykule używano nazwy kolumny iniekcyjne, która jest prawidłowa i zgodna z normą PN-EN 12716:2002 [8]. Element iniekcyjny jest definiowany przez normę jako bryła gruntu poddanego iniekcji strumieniowej z jednego wywierconego otworu. Nawa ta odróżnia kolumny od pali ze względu na sposób formowania i materiał, z którego są zbudowane. Sposób pracy i zastosowanie kolumn są analogiczne do pali, a nazwa kolumny stanowi unormowanie stosowanego nazewnictwa (rys. 7).

Zwrócenie uwagi na niniejsze zagadnienie wynika z częstego przypadku, w którym osoba dopuszczająca konkretne rozwiązanie nie życzy sobie zastosowania kolumn iniekcyjnych traktując je jako niepełnowartościowe. W takich przypadkach użycie terminu pale iniekcyjne „jet grouting” wydaje się być „idealnym zamiennikiem”.

Przedstawione powyżej uwagi przybliżają przedmiotową technologię dając możliwość usprawnienia procesu budowy, nie poprzez zmiany forsowane przez kadrę inżynieryjną wykonawcy robót, ale już na etapie projektu. Przyznać należy, że z biegiem czasu wiedza na temat iniekcji strumieniowej jest coraz większa i omówione powyżej aspekty uwzględniane są coraz częściej. Niejednokrotnie jednak przezwyciężenie nieuzasadnionego oporu ze strony czy to nadzoru, czy osób kierujących procesem projektowym wymaga wiele wysiłku, który można by spożytkować znacznie lepiej.