Na przestrzeni ostatnich lat, głównie za sprawą funduszy unijnych – w Polsce realizowane są liczne inwestycje, ukierunkowane na poprawę infrastruktury drogowej. Wśród najtrudniejszych obszarów przy realizacji tego rodzaju przedsięwzięć, z pewnością jest budownictwo mostowe, które wymaga specjalistycznej wiedzy, sprawdzonych technologii oraz odpowiedniego doświadczenia wykonawczego. Jest szczególnie istotne w przypadku prowadzenia inwestycji na terenach charakteryzujących się słabymi warunkami gruntowymi, które wymagają zastosowania wzmocnienia za pośrednictwem pali CFA czy FDP. Jaka jest specyfika obu technologii oraz czy pale CFA i FDP w budownictwie mostowym są optymalnym sposobem wzmacniania gruntu?
Technologia FDP – pale przemieszczeniowe w budownictwie mostowym
Podczas wyznaczania przebiegu tras drogowych, brane są przede wszystkim pod uwagę kryteria logistyczno-lokalizacyjne, natomiast na dalszy plan schodzą warunki geologiczno-inżynierskie danego terenu. W rezultacie, coraz częściej zdarza się, że inwestycje realizowane są w ekstremalnie niesprzyjających warunkach gruntowych, co wymaga zastosowania innowacyjnych technologii palowania. Problemy związane z czasochłonnością oraz relatywnie wysokimi kosztami wzmacniania podłoża, zaowocowały dynamicznym rozwojem technik palowania, wśród których ważne miejsce odgrywa dzisiaj metoda FDP (Full Displacement Piles, tj. pale z pełnym przemieszczeniem gruntu na pobocznicy). Specyfika pali FDP pozwala znacznie lepiej wykorzystać słabsze warstwy gruntu, dzięki czemu ten rodzaj wzmacniania podłoża przyczynia się do bardziej ekonomicznego posadowienia obiektu mostowego.
Pale FDP opierają się na technologii zbliżonej do innej, znanej metody palowania – CFA, jednak główna różnica polega na zastosowaniu różnych narzędzi wiertniczych. Palowanie FDP wykonywane jest przez bardziej obły świder w części centralnej, cechujący się zmiennym skokiem dolnych łopatek i przeciwnym ruchem łopatek zlokalizowanych w jego górnym fragmencie. Skutkuje to odmiennym, w stosunku do techniki CFA, sposobem wykształcenia podstawy pobocznicy pala oraz jego współpracy z otoczeniem gruntowym.
Pierwszym krokiem w procesie wykonywania pala FDP jest najazd maszyny i ustawienie wiertła w osi zaplanowanego otworu. Pracujący w ruchu obrotowym świder jest sukcesywnie zagłębiany w gruncie, aż do momentu osiągnięcia projektowanej głębokości. Kolejnym etapem jest zabetonowanie pala w trakcie wyciągania świdra (beton podawany zostaje pod ciśnieniem przez rdzeń świdra). Ostatnim elementem jest zatopienie zbrojenia w świeżo wylanym betonie. Wszystkie etapy i parametry kształtowanego pala – monitorowane są przez komputer wiertnicy, w tym m.in.: czas wiercenia i betonowania, moment obrotowy, prędkość pogrążania czy ciśnienie wtryskiwanego betonu. Z racji dużym oporów podczas wiercenia, z reguły pale FDP mają średnicę 0,4/0,6 m, a maksymalna głębokość ich posadowienia, sięga zazwyczaj 24 metrów.
Specyfika technologii opiera się na przemieszczeniu ziemi z wykonywanego otworu w jego bezpośrednie sąsiedztwo (brak urobku), co gwarantuje wysoki stopień zagęszczenia gruntu okalającego (przekłada się to na wzrost o 50 proc. siły przenoszonej na pal). Zaletą palowania FDP jest fakt, iż jest to proces bezwibracyjny, dlatego może być realizowany nawet w bliskim sąsiedztwie istniejących budynków/infrastruktury. Pale FDP są także bardzo wydajne, bowiem można wykonywać je z szybkością ok. 20 mb/h. Ograniczeniem dla technologii palowania FDP jest brak możliwości jej zastosowania w gruntach niezagęszczalnych oraz trudnozagęszczalnych. Pale FDP nie są jeszcze dostatecznie rozpowszechnione wśród projektantów, chociażby z powodu braku odpowiednich przepisów/norm krajowych.
Alternatywna technologia wzmacniania gruntu – pale CFA w praktyce
Technologia palowania CFA, zwana również jako FSC, opracowana została w latach 60. ubiegłego stulecia w Stanach Zjednoczonych, jednak w Europie upowszechniła się dobre 20 lat później. Cały proces wykonania pala w technice CFA powinien być ciągły, szybki i zrealizowany w podłożu o jednolitej charakterystyce geologicznej. Pale CFA wykonywane są przy pomocy wiertła ślimakowego, a ich standardowa długość wynosi ok. 20-25 m. Technologia CFA cechuje się niskim poziomem wibracji i hałasu, dlatego jest uznawana za przyjazną dla zagospodarowanego już otoczenia i środowiska naturalnego.
W ramach pierwszych kroków wykonania palów CFA, należy przygotować platformę roboczą, dostarczyć na plac budowy odpowiednią ilość mieszanki betonowej oraz prefabrykowanego zbrojenia. Kluczowa jest dobra organizacja, bowiem każda przerwa ciągłości procesu – wpływa niekorzystnie na jakość pali CFA. W technologii CFA stosuje się mieszanki betonowe palowe, czyli z domieszką plastyfikatorów i dodatków ograniczających skurcz oraz o dobrej pompowalności. Pale CFA mogą być niezbrojone lub być wykonane z tzw. zbrojeniem koszowym, pogrążanym w świeżej mieszance betonowej (maksymalna zalecana długość zbrojenia koszowego nie powinna przekraczać 20 m). Wśród przeciwwskazań dla technologii palowania CFA są m.in. jednorodne grunty piaszczyste nawodnione oraz zbyt luźnych.
Jeśli chodzi o sam proces wiercenia pala CFA, to wykorzystywany jest do tego mechanizm w postaci śruby/pompy Archimedesa, znany już w starożytności (stosowany do pionowego nawadniania). W przypadku palowanie CFA, to patent ten służy do transportowania urobku (na łopatkach wiertła ślimakowego). Sumaryczna objętość urobku wydobytego z pogrążania otworu nie powinna przekraczać objętości wiertła, w czym istotna jest m.in. kontrola prędkości pracy wiertła. Po wykonaniu otworu i niewielkim uniesieniu wiertła, należy przystąpić do betonowania pala, za pośrednictwem intensywnego pompowania mieszanki.
Podczas wykonywania otworu pod pal CFA, wskazane jest stałe, zautomatyzowane monitorowanie parametrów prędkości obrotowej wiertła, natomiast na etapie betonowania – ważna jest kontrola sukcesywnego unoszenia wiertła oraz objętości i ciśnienia wtłaczanej mieszanki. Istotne jest również badanie pala CFA, w którym obok nośności (metoda statyczna i/lub dynamiczna), należy wykonać sprawdzenie jego ciągłości. Technologia CFA zaliczana jest do jednych z bardziej wymagających sposobów wzmocnienia gruntu. Przy inwestycjach mostowych, pale CFA stosowane są głównie przy palisadach, wzmacnianiu podłoża pod nasypami i w strefach buforowych, np. pomiędzy palami przemieszczeniowymi FDP (stabilizacja podłoża za przyczółkami mostowymi). Palowanie CFA należy poprzedzić wykonaniem szczegółowych badań warunków gruntowych oraz zabezpieczeniem kompletnego wymaganego zestawu materiałowo-sprzętowego.