Kolumny DSM 

Kolumny DSM

Kolumny DSM (Deep Soil Mixing) – to funkcjonalny system wzmacniania gruntu pod realizację inwestycji, związanych m. in. ze wznoszeniem budynków czy budowli infrastruktury technicznej. Rozwiązanie to stosowane jest w przypadku gruntów o słabej nośności i polega na wykonaniu określonej w projekcie liczby pojedynczych kolumn. Istotne jest również odpowiednia średnica i głębokość oraz zachowanie właściwych odstępów – zgodnie z wytycznymi. Na podbudowie w postaci kolumn DSM, najczęściej stawiane są budowle liniowe komunikacyjne (np. drogi), hydrotechniczne (np. wodociągi), a także konstrukcje mostowe czy wiadukty.

Niewątpliwą zaletą wykorzystania technologii tworzenia kolumn DSM, jest niska wibracja, brak wstrząsów oraz umiarkowany hałas. Dzięki temu, technologia DSM ma minimalny niepożądany stopień oddziaływania na środowisko naturalne. Dobrze sprawdza się też w otoczeniu obiektów architektonicznych wrażliwych na tego typu czynniki. Kolejną korzyścią kolumn DSM jest brak urobku i wydatków towarzyszących (np. wywóz, rozparcelowanie) oraz stosunkowo niskie koszty wykonania. Dopuszczalne obciążenia kolumn DSM są jednak dużo mniejsze, niż ma to miejsce w przypadku pali, głównie ze względu na niejednorodność mieszanki cementowo-gruntowej, jaką wypełnia się otwory w podłożu.

Wykonywanie kolumny DSM

Z reguły kolumny DSM wykonuje się w gruncie spoistym, ale dopuszczalne jest też wykorzystanie podłoża piaskowego bądź żwirowego. Pojedyncza kolumna tworzona jest za pośrednictwem zagłębionego w gruncie mieszadła, umieszczonego na szybkoobrotowej głowicy, które obracając się – odspaja grunt rodzimy. Grunt ten wymieszany zostaje z cementowym spoiwem, które dozowane jest za pomocą zintegrowanej instalacji pneumatycznej. Konsystencję spoiwa dobiera się w zależności od skali występowania wód gruntowych, dlatego czasem do otworu tłoczona jest również sucha mieszanka cementu i wapna.

Specjalnie ukształtowane mieszadło palownicy, pogrąża otwór kilkuetapowo do projektowanej głębokości, wypełniając jednocześnie powstającą przestrzeń cementowym zaczynem łączącym się z odspajanym gruntem. W ten sposób formowana jest kolumna DSM, której średnica mieści się zazwyczaj w przedziale 40-150 cm. Przy zastosowaniu kilku mieszadeł, można jednak uzyskać znacznie większe kolumny. Kolumny DSM oddalone są od siebie nie więcej, niż 2 m, ale możliwe jest także kształtowanie tzw. palisady, czyli serii przylegających wzajemnie elementów. Technika taka znajduje zastosowanie przy budowaniu konstrukcji przeciwwodnych, np. wałów rzecznych. Założenia projektowe mogą dodatkowo narzucać konieczność wprowadzenia zbrojenia do świeżo uformowanych kolumn DSM.

Kolumny DSM to ceniona technologia wzmacniania zbyt słabego podłoża gruntowego, która rekomendowana jest zarówno przy wznoszeniu budynków, jak i różnego rodzaju budowli. Co ciekawe, metoda DSM została wynaleziona i po raz pierwszy zastosowana w latach 70-tych ubiegłego stulecia w Japonii. Technologia DSM, czyli Deep Soil Mixing, polega na wykonywaniu w podłożu kolumn z cementogruntu i stosowana jest przede wszystkim w gruntach spoistych.

Wśród charakterystycznych cech, dla których kolumny DSM cieszą się niesłabnącym powodzeniem podczas robót budowlanych, jest m.in. brak wibracji, niewielki hałas i brak urobku. Każde rozwiązanie ma też i swoje wady, a w przypadku technologii DSM jest to mniejsza nośność w porównaniu z tradycyjnymi palami. To jednak nie wszystko, co warto wiedzieć o tej powszechnej metodzie wzmacniania podłoża gruntowego. Baza wiedzy zawarta w niniejszym artykule pozwala m.in. na przygotowanie ogólnych założeń/wytycznych dotyczących realizacji i odbioru robót związanych z wykonaniem wzmocnienia podłoża gruntowego przy pomocy kolumn DSM wykonywanych techniką mieszania wgłębnego.

Kolumny DSM zastosowanie

Kolumny DSM zwane również jako pale DSM, oprócz tradycyjnych budynków i budowli, są powszechnie wykorzystywane jako wzmocnienie gruntu pod stopy fundamentowe hal, przyczółki mostowe, fundamenty elektrowni wiatrowych (wiatraki), a także do obudowy wykopów. Technologia DSM najczęściej znajduje zastosowanie na terenach, na których występują grunty pylaste oraz piaszczyste.

Technologia DSM doskonale sprawdza się również do wzmacniania podłoża w bezpośrednim sąsiedztwie budynków, budowli i instalacji, ponieważ podczas formowania kolumn nie są generowane żadne wibracje, które mogłyby uszkodzić strukturę istniejących obiektów. Jeśli chodzi o zastosowanie kolumn DSM w gruncie organicznym i/lub mocno nawodnionym, opracowany został specjalny wariant formowania kolumn DSM metodą „na sucho” (sypkie spoiwo cementowe lub wapienne zamiast klasycznej mieszanki cementowej). W przypadku zastosowania pali DSM do obudowy wykopów, kolumny zbroi się dodatkowo przy użyciu profili stalowych.

Wzmocnienie podłoża za pośrednictwem kolumn DSM stosuje się z reguły do wzmocnienia grubych warstw słabszej jakości gruntów (ponad 20 m). Zastosowanie technologii DSM pozwala zwiększyć nośność gruntów organicznych (torfy, namuły) i miękkoplastycznych, poprawiając przy tym stateczność oraz redukując tendencję do osiadania pod obciążeniem.

Kolumny DSM – definicja

Technologia DSM dedykowana jest do wzmacniania zbyt słabego podłoża poprzez wykonywanie w gruncie tzw. kolumn z cementogruntu. Proces ten odbywa się przez wprowadzenie w podłoże specjalnie przygotowanego zaczynu cementowego oraz mieszanie go z gruntem za pośrednictwem mieszadła (DSM Wet). Wielkość (średnica) kolumny związana jest z rozmiarem końcówki używanej do mieszania wgłębnego gruntu. Kolumny DSM stosowane są zarówno do wzmacniania podłoża pod budynki, jak i budowle, w tym liniowe, np. obiekty hydrotechniczne, komunikacyjne, mosty, wiadukty itp.

Kolumny DSM pozwalają wzmocnić słabe podłoże, które nie spełnia wymagań odnośnie nośności, stateczności albo przydatności użytkowej. Technologia DSM polegająca na zastosowaniu geoinżynieryjnych metod modyfikujących właściwości fizyko-mechaniczne gruntu – sprawia, że podłoże odznacza się innymi parametrami, dzięki którym zwiększona zostaje jego nośność, zredukowana tendencja do odkształcania i zmniejszona wrażliwość na wpływ niekorzystnych czynników atmosferycznych. Wśród licznych zalet stosowania tej technologii, można wymienić brak wibracji oraz urobku, co sprawia że jest to metoda ekonomiczna i umożliwia realizację robót w pobliżu istniejących obiektów budowlanych.

W momencie, kiedy mamy do czynienia z wodą gruntową, wówczas zazwyczaj w trakcie mieszania wgłębnego podaje się pneumatycznie cement i wapno w stanie suchym (DSM Dry), a czynność ta powtarzana jest kilkukrotnie.

Kolumny DSM mają zwykle średnicę od 0,4 do 1,5 m i sięgają na głębokość od kilku do nawet 25 metrów. Standardowo wykonuje się je w formie regularne siatki z odstępami rzędu 1-2 m, ale możliwe jest także wykonanie tzw. palisady, czyli posadowienie kolumn „na styk”. Taka formuła stosowana jest głównie przy zabezpieczaniu wykopu oraz tworzeniu przesłony przeciw wodnej i przeciw filtracyjnej w wałach przeciwpowodziowych. Kolumny DSM mogą być zbrojone. Jeśli chodzi o badania kolumn DSM, to wykorzystuje się tutaj podobne metody jak w przypadku betonu (przez ściskanie).

Maszyna wiertnicza do kolumn DSM

Maszyna wiertnicza wraz z konstrukcją i napędem mieszadła powinna być dopasowana do założeń projektowych oraz gwarantować osiągnięcie zaplanowanej średnicy, a także głębokości kolumn. Kształt rozmiar oraz umiejscowienie łopatek, w jakie wyposażona jest końcówka mieszająca – muszą zapewniać odpowiednie wymieszanie gruntu z zaczynem cementowym lub suchym spoiwem w sposób ciągły i na całej długości kolumny. Istotne jest również to, aby wiertnica wyposażona była w elektroniczny system monitorujący cały proces mieszania gruntu in situ oraz umożliwiać rejestrowanie m.in. numery danej kolumny, czasu jej formowania (data, przedział godzinowy), prędkości obrotu żerdzi , głębokości pogrążania mieszadła oraz ilości wtłaczanego zaczynu cementowego. W razie awarii automatycznego systemu monitorowania, operator maszyny powinien posiadać alternatywną opcję kontroli formowania kolumn DSM. Jeśli chodzi o węzeł mieszająco-tłoczący, to koniecznie musi on umożliwiać efektywne przygotowywanie pożądanej ilości zaczynu na obszarze inwestycji bez potrzeby wstrzymywania pracy wiertnicy pozostającej w fazie mieszania gruntu.

Wykonanie kolumn DSM

Ogólne założenia i wytyczne w zakresie wykonywania kolumn DSM zwykle zawarte są w Warunkach Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych (WWiORB). Wszystkie prace należy realizować zgodnie z dokumentacją projektową – z uwzględnieniem specyfiki lokalizacji oraz związanych z nią technologicznych uwarunkowań. Kolumny DSM nie mogą być wykonywane przy ujemnej temperaturze powietrza. Podczas realizacji zadania budowlanego związanego z formowaniem kolumn DSM, ważne jest przestrzeganie poszczególnych etapów, takich jak: przeprowadzenie uzupełniających badań geotechnicznych, uwzględnienie robót przygotowawczych czy wykonanie projektu technologicznego. Istotny jest również profesjonalny nadzór prac, odbiór oraz kontrola wykonanych kolumn DSM.

Badanie przed wykonaniem kolumn DSM

Przed rozpoczęciem robót związanych z zastosowaniem technologii DSM, wykonawca zobowiązany jest do przeprowadzenia badań kontrolnych, które weryfikują wcześniejsze badania geotechniczne gruntu i pozwalają na optymalizację wzmocnienia podłoża. Prace te realizowane są za pośrednictwem odwiertów i sondowania podłoża oraz powinny obejmować badanie minimum 3-metrowej warstwy gruntu nośnego. Szczegółowy zakres badań kontrolnych powinien zostać uzgodniony z inspektorem nadzoru.

Na tym etapie kluczowa jest m.in. identyfikacja ewentualnego występowania gruntów organicznych, które mogą znacząco ograniczyć bądź nawet uniemożliwić zastosowanie na danym terenie mokrej technologii formowania kolumn DSM.

Przygotowanie do wykonania kolumn DSM

Przed przystąpieniem do wykonania robót, konieczne jest dokonanie inwentaryzacji bieżącego stanu technicznego posadowionych w pobliżu istniejących budynków, budowli oraz pozostałej infrastruktury. Monitorowanie stanu technicznego tego typu obiektów jest także ważne w trakcie całego procesu wykonywania kolumn DSM. Jeśli sytuacja tego wymaga, to na budynkach/budowlach sąsiadujących z obszarem prowadzonej inwestycji należy zamontować specjalistyczną instalację do pomiaru drgania oraz wibracji, jakie mogłyby uszkodzić ich strukturę. W razie zlokalizowania nie zinwentaryzowanych obiektów czy instalacji, wymagane jest przerwanie robót oraz powiadomienie o tym fakcie inspektora nadzoru/inżyniera budowy, który podejmie decyzję odnośnie warunków wznowienia prac.

Wśród pakietu innych prac przygotowawczych, należy wymienić także sprawdzenie i wytyczenie obszaru prowadzenia robót budowlanych, wykonanie makroniwelacji i osadzenie stabilnej platformy roboczej (co najmniej 0,5 m powyżej poziomu wody gruntowej), umożliwiającej prowadzeni frontu prac w każdych warunkach atmosferycznych.

W razie konieczności, w oparciu o niezależne ustalenia/opracowania/pozwolenia – należy też dokonać rozbiórek, wycinki drzew czy usunięcia innych przeszkód terenowych. Lokalizacja miejsc posadowienia kolumn DSM wyznaczana jest geodezyjnie albo na bazie domiaru z użyciem taśmy pomiarowej w stosunku do ustalonych geodezyjnie punktów osnowy (dopuszczalne odchylenia to z reguły +/- 10 cm.

Projekt technologiczny i obliczenia kolumn DSM

Akceptacja projektu technologicznego przez inwestora to kolejny etap procedury poprzedzającej wykonanie kolumn DSM. Oprócz tego, wykonawca powinien przedstawić harmonogram i specyfikację robót związanych ze wzmocnieniem podłoża, w tym m.in. uwarunkowania sytuacyjne, wodne czy geologiczne. W projekcie technologicznym powinny znaleźć się też takie elementy, jak:  uzasadnienie dla doboru sprzętu, kolejność wykonania poszczególnym kolumn, szacowane zużycie zaczynu cementowego oraz rodzaj/parametry zbrojenia. Opracowanie to powinno także uwzględniać terminy wykonania robót towarzyszących oraz wpływ kolejności prac na realizację wymagań dotyczących projektowanego wzmocnienia.

Projekt technologiczny musi także zawierać precyzyjny rozrys rozmieszczenia kolumn DSM, ich numerację, wyniki badań geologicznych, opis technologii, parametry materiału, z jakiego wykonane zostaną pale, sposób wykonywania i kontrolowania prawidłowego przebiegu robót. W przypadku stwierdzenia istotnych rozbieżności pomiędzy wynikami pierwotnych badań geologicznych a rzeczywistymi warunkami terenowymi, w projekcie technologicznym powinny zostać uwzględnione docelowe rozwiązania.

Technologia wykonania kolumn DSM

Technologia DSM Wet polega na tworzeniu kolumn z cementogruntu wzdłuż wyznaczonych uprzednio osi. Kolumny DSM powstają poprzez mechaniczne wymieszanie gruntu z podawanym jednocześnie pod odpowiednim ciśnieniem zaczynem cementowym. Proces odbywa się za pośrednictwem wiertnicy zintegrowanej z mieszadłem, które posiada funkcję skrawania i mieszania. Aby poprawić jednolitość i parametry nośności kolumn, procedura formowania powtarzana jest kilkukrotnie (w kierunku pionowym). Prędkość pogrążania oraz podciągania mieszadła, a także szybkość obrotu i ilość zaczynu cementowego dopasowane są do specyfiki danego gruntu. Kolumny DSM wykonywane są bezwibracyjnie z poziomu platformy roboczej.

Bezpośrednio przed iniekcją zaczynu, operator każdorazowo zobligowany jest do sprawdzenia gęstości przygotowanej partii przy użyciu areometru. Końcówka mieszającą umieszcza się nad puntem oznaczającym oś danej kolumny. W trakcie pogrążania świdra w gruncie pompowany jest zaczyn cementowy, bowiem wiertnica połączona jest z mieszalnikiem przy pomocy węża. Po osiągnięciu projektowanej głębokości, dochodzi do naprzemiennego podciągania i opuszczania końcówki mieszającej (zwykle 3-4 razy). Objętość (ilość) wykorzystanego do formowania kolumny zaczynu kontroluje przepływomierz.

Wykonywanie kolumn DSM – dodatkowe roboty uzupełniające

W trakcie realizacji wzmocnienia podłoża technologią DSM, na terenie wyznaczonym do wykonania kolumn nie powinien równolegle operować inny ciężki sprzęt. Wszelkie wykopy i prace budowlane zaplanowane w pobliżu kolumn DSM wymagają konsultacji z inżynierem budowy/inspektorem nadzoru. Skracania/skuwanie kolumn również musi być uzgadniane z inspektorem/inżynierem budowy. Po skuciu lub ścięciu głowic, kolumny powinny zostać odpowiednio zabezpieczone przed przemarzaniem. Do wyrównania podłoża wokół kolumn DSM należy użyć ładowarki z łyżką płaską (nie ząbkowaną), natomiast do zagęszczenia gruntu powinno się użyć zagęszczarki płytowej. Po wykonaniu szeregu robót uzupełniających, można przystąpić do dalszej fazy prac budowlanych, np. wykonania geomateraca czy nasypu drogowego.

Nadzór nad pracami w czasie wykonywania kolumn DSM

Podczas prac wykonawczych związanych z formowaniem pali DSM, konieczna jest nieustanna kontrola i ocena poprawności realizacji poszczególnych etapów, aby zapewnić ciągłość każdej kolumny. Metodyka kontroli powinna zostać zatwierdzona przez inspektora/inżyniera budowy, a jej wyniki być na bieżąco rejestrowane w dzienniku wykonania wzmocnienia, w którym umieszcza się także szkice dotyczące rozmieszczenia kolumn wraz z metrykami dla każdej z osobna.

Odbiór i kontrola wykonanych kolumn DSM

Kontrola kolumn DSM sprowadza się m.in. do weryfikacji ich liczby, rozmieszczenia, sprawdzenia rzędnych głowic, oceny wymiarów i jednorodności (na głębokości ok. 3 m) czy zbadania wytrzymałości. Roboty można uznać za wykonane poprawnie, jeżeli wszystkie pomiary oraz badania zakończyły się wynikiem pozytywnym. W przypadku tzw. robót zanikających (ulegających sukcesywnemu zakrywaniu), uskutecznia się wcześniej tzw. odbiory częściowe. Odbioru robót dokonuje inżynier/inspektor nadzoru.

W przypadku procedury odbioru końcowego, wykonawca zobowiązany jest do przedstawienia dokumentacji powykonawczej, uwzględniającej wszelkie zmiany, do jakich doszło w trakcie realizacji robót. Niezależnie od tego, do uzyskania odbioru końcowego należy również okazać protokoły geodezyjnego wytyczenia lokalizacji poszczególnych kolumn DSM oraz zbiorcze zestawienie wszystkich kolumn wraz z metrykami. Niezbędne jest także przedłożenie zapisów z automatycznego urządzenia rejestrującego wykonanie kolumn (minimum dla 90 proc. zakresu), atestów i badań kontrolnych zaczynu cementowego użytego do ich uformowania.