O posadowieniu fundamentu na palach zadecydowały warunki geotechniczne jak również względy wykonawcze. Znaczący wpływ na podjęcie decyzji o posadowieniu na palach ma obecność warstwy nasypu niekontrolowanego do głębokości 1,20m oraz zalegającej poniżej warstwy namułów do głębokości 4,30m. Ich założone właściwości mechaniczne kwalifikują je jako grunty nienośne. Warstwy te są zbyt słabe, aby bez nadmiernych osiadań mogły przejąć obciążenie fundamentu bezpośredniego. Budynek jest halą produkcyjną o konstrukcji murowanej, będą pracowały w nim maszyny o wysokiej częstotliwości drgań. Mogłyby one spowodować dodatkowe niekontrolowane osiadania nasypu niekontrolowanego oraz namułów. Powyższe cechy zakładają możliwość znacznych osiadań, natomiast konstrukcja budynku jest wrażliwa na nierównomierne osiadanie, przez co należy im zapobiec przenosząc obciążenie na bardziej wytrzymałą i mniej ściśliwą warstwę. Warstwy gruntu zalegające na głębokościach odpowiadającym nośnym częściom pali będą współpracowały z fundamentami dzięki tarciu bocznemu, co prowadzi do zwiększenia nośności podłoża. W związku z tym pal będzie przenosił obciążenie zarówno przez podstawę pala jak i pobocznicę pala w obrębie warstwy nośnej. Przy stosowaniu fundamentów palowych ograniczone są roboty ziemne. Zastosowanie pali pozwala zmniejszyć wykopy, a przez to także obszar naruszenia stanu terenu. Stosując fundamenty palowe można przyspieszyć roboty fundamentowe, gdyż obecnie palowanie jest najskuteczniej zmechanizowanym i najszybciej wykonywanym rodzajem fundamentów w przeciwieństwie do wymiany gruntu, która jest bardzo kosztowna i pracochłonna. Inwestycję ponadto należy wykonać szybko i sprawnie. Gdyby zdecydowano się na posadowienie bezpośrednie należałoby wymienić warstwy gruntu jak również zaprojektować drenaż. Rozwiązanie to byłoby nieekonomiczne i wymagało dużego nakładu pracy. Dodatkowym warunkiem jest fakt, że projektowany obiekt będzie znajdować się w miejscu , gdzie przewidywane są w przyszłości dalsze budowle. Palowanie zabezpiecza przed negatywnymi skutkami naruszenia w otoczeniu podłoża gruntowego- nie wystąpi ryzyko wypchnięcia gruntu spod fundamentu, czy podmycia go. Ponadto ogranicza wielkość odkształceń podłoża. Aby zapobiec niekorzystnym zjawiskom i czynnikom, stwierdzam że posadowienie na palach jest w tym przypadku rozwiązaniem najkorzystniejszym i najbezpieczniejszym.
2. Wybór oraz opis wybranych technologii posadowienia na palach.
Analizując aspekt materiału z jakiego wykonane będą pale, wybrano pale żelbetowe. W porównaniu z palami drewnianymi charakteryzuje je wyższa nośność. Nie występuje ryzyko rozerwania pala, jak w przypadku pali betonowych. Pale stalowe oraz strunobetonowe natomiast są mniej ekonomiczne. Dla istniejących warunków, użycie pali żelbetowych jest optymalnym rozwiązaniem ponieważ charakter obiektu nie wymaga stosowania pali lepszej jakości(pale strunobetonowe). Woda gruntowa zalegająca pod gliną pylastą byłaby przyczyną korozji pali stalowych. Podobnie zmiana jej poziomu zadziałałaby niszcząco na pale drewniane.
Do analizy przyjęto trzy technologie wykonywania pali żelbetowych: 2.1 Pale Wolfsholza Pale te wykonywane są za pomocą rury obsadowej, która nawiercana jest w grunt. Po wykonaniu otworu wstawia się w rurę szkielet zbrojeniowy. Następnie górny wylot rury zamyka się głowicą z trzema otworami oraz wprowadza się ciśnienie, które wypycha ewentualna wodę gruntowa z rury obsadowej. Po wyparciu wody zaczyna się betonowanie, w miarę którego rura jest wyciągana stopniowo do góry. Pale te wykonywane są z betonu klasy minimalnej B-15 zbrojony prętami podłużnymi 6 16-20cm. Strzemiona 6 co 15-20 cm . Wymiary D=34-45 cm, rzadko 50 lub 60 cm. Nośność pali Nt= 400-600 kN. Zalety: • możliwość wykonywania do głębokości większej niż 20 m. , • łatwość zorganizowania robót w miejscach trudnodostępnych , • wykonawstwo nieuciążliwe dla otoczenia , brak wstrząsów , • stosunkowo duża nośność (400-600 kN), • możliwość kontrolowania warunków wodnych i dostosowania długości pala do tych warunków.
Wady: • bardzo niski stopień mechanizacji , • duży nakład pracy i duży wysiłek robotników , • trudności wykonywania w gruntach piaszczystych , • niebezpieczeństwo przerwania trzonu pala , • nie występuje zagęszczenie gruntu , • w gruntach nawodnionych może wystąpić częściowe rozluźnienie gruntu. • duży koszt wykonania • mała prędkość wykonania (1-2 pale na zmianę robocza).
Rys.1 Schemat tworzenia pali*
2.2 Pale prefabrykowane żelbetowe wbijane Tego typu pale wykonuje się o przekrojach pełnych, z otworami i o przekrojach rurowych. Długość pali o przekrojach pełnych i z otworami dochodzą do 30m, nośność do ok. 1500kN. Zaleca się stosowanie do ich wykonania betonu o bardzo wysokiej wytrzymałości, zbrojenia zaś z wysokowartościowej stali żebrowanej. Przy dużej wytrzymałości beton jest sprężysty, słabo tłumi energie uderzenia młota, co wpływa korzystnie na skuteczność wbijania. Pal taki jest ponadto odporny na zarysowania. Wykonywane z betonu B-20, zbrojenie pali pełnych - pręty podłużne w ilości 4 do 8 sztuk 0 1626 mm, strzemiona 68 mm. Strzemiona rozstawione co 20 cm, przy ostrzu na długości 1/5 długości pala, strzemiona zagęszczone co 5 cm. Wymiary od 25 x 25 cm do 45 x 45 cm. Udźwig 300600 kN. Są stosowane pod większe budowle przy większej ilości pali i gdy sąsiednie budowle nie są wrażliwe na wstrząsy podczas wbijania. Zalety: • łatwość w wykonaniu, • zbrojenie nie jest zdeformowane umieszczone centrycznie i zabezpieczone otuliną przed korozją, • formowanie odbywa się w warunkach sprzyjających uzyskaniu betonu o wymaganej wytrzymałości, jakość betonu można łatwo skontrolować, • nie ma niebezpieczeństwa wypłukania niestwardniałego cementu przez wodę gruntową, • małe niebezpieczeństwo przerwania trzonu pala w czasie posadowienia w gruncie, • można je wbijać ponownie, gdy zostaną uniesione z gruntem wypieranym w skutek zagłębiania w nim grupy pali, • po wbiciu można je od razu obciążyć, • beton i grunt wokół pali są zagęszczone w czasie wbijania, • możliwość stosowania niezależnie od temperatury. • stosunkowo duża nośność. Wady: • długi okres wykonywania (4 tygodnie od wykonania, 2 tygodnie - dojrzewanie betonu), • duży ciężar, • do wbijania potrzebny jest ciężki sprzęt, • uciążliwe jest dostosowanie pali prefabrykowanych do zmian warunków gruntowych w miejscu wbijania (obcinanie jest żmudne, przedłużanie pracochłonne, długotrwałe, kosztowne), • wbijanie wywołuje wstrząsy, które mogą być szkodliwe dla położonych w pobliżu budowli.
Rys.2 Schemat tworzenia pali*
2.3 Pale Franki Pale te wykonuje się przy użyciu stalowej rury, w której umieszcza się tzw. suchy beton (korek). Rurę z korkiem wbija się na wymagana głębokość, a następnie betonowy korek wybijany jest z rury obsadowej. Cały czas do rury dodaje się beton ubijając go „babą”. Stalowa rura obsadowa wykonana jest z blachy o grubości 2030 mm. Beton B 15 , B 20. Zbrojenie stanowią 68 sztuk prętów podłużnych 16 20 mm i uzwojenie 6 mm o skoku 15 cm. Nośność 6001000 kN. Średnice nominalne 35, 40 i 50 cm, przy przedłużaniu 18 m. . Pale Franki można stosować jako kotwiące. Największe pochylenie pala wynosi 4:1 (14o). Stosowane pod ciężkie budowle, gdy wstrząsy wywołane wykonywaniem pali nie będą szkodliwie oddziaływać na sąsiednie budowle i urządzenia mechaniczne. Długość pali 8,5-12m, przy przedłużaniu 18m Zalety: • duża nośność (600-1500 kN), • małe osiadanie pojedynczych pali pod obciążeniem, • zmechanizowane, szybkie wykonawstwo, w ciągu zmiany roboczej formuje się do 3035 m. pali, a w korzystnych warunkach do 60 m., • łatwość dostosowania długości pala do rzeczywiście potrzebnej głębokości wbicia, • możliwość zwiększania nośności podstawy i pobocznicy, • znaczna odporność betonu na działanie czynników agresywnych, • beton i grunt wokół pala są dobrze zagęszczone, co bardzo ogranicza infiltrację wody, • zbrojenie i objęty nim rdzeń pala chronione są grubą otuliną Wady: • ograniczona przydatność w gruntach silnie spoistych, • przy podstawowej technice formowania wstrząsy szkodliwe dla sąsiednich budowli i uciążliwe dla ludzi, • ograniczona głębokość posadowienia pali : do 12 m., • długotrwały montaż kafara (wyjątek - kafar na podwoziu samochodowym), • duże wymiary kafara - ogranicza to możliwość wykonania pali w miejscach trudno dostępnych, • możliwość przerwania trzonu pala wskutek dopuszczenia do nadmiernego obniżenia korka betonowego w rurze obsadowej i dostania się do niej wody lub gruntu, Metoda palowania Franki. Rozróżnia się metody Franki:
• podstawową, • specjalne,
Charakterystycznymi elementami urządzenia do wykonywania pala metodą podstawową są: • inwentarzowa rura obsadowa o średnicy 356,406 lub 508 mm ze ścianką o grubości 2028 mm, • młot wolnospadowy - wysokość młota 3-4 m., ciężar 2,55,0 T, młot ma kształt cylindryczny i zaokrągloną część dolną; w czasie formowania trzonu pala młot porusza się wewnątrz kosza zbrojeniowego, • liny dwóch zbloczy do wyciągania rury, • ,,sztukówka’’- rura przedłużająca rurę obsadową stosowana, gdy wymagane zagłębienie pala w grunt przekracza największą długość rury.
Rys.3 Schemat tworzenia pali*
*schematy zaczerpnięte z opracowania dr inż. Adama Krasińskiego, Katedra Geotechniki, Politechnika Gdańska
3. Dobór rodzaju pala i technologii jego wykonania. Wybrano pale Franki. Na decyzję dotyczącą wyboru rodzaju pala wpłynęła wymagana duża nośność przez co pale Wolfsholza zostały wykluczone. O decyzji rezygnacji z pali Wolfsholza zadecydowały również trudności wykonania pali w gruntach niespoistych, nie występowanie zagęszczenia gruntu oraz istniejąca możliwość częściowego rozluźnienia gruntu. W pobliżu planowanej inwestycji nie znajdują się inne obiekty budowlane, które narażone byłyby na negatywne wpływy wstrząsów wywołanych wbijaniem, takie jak : - drgania budowli wymuszone energią wbijania, - osiadanie podłoża wskutek wbijania pali, - boczne rozepchnięcie gruntu przez wbijane pale, - wypchniecie przez pale gruntu do góry**.
Zrezygnowano również ze stosowania pali prefabrykowanych żelbetowych, ponieważ są one bardzo pracochłonne w wykonaniu oraz wymagają 4-6 tygodniowego dojrzewania w zakładzie prefabrykacyjnym. Zastosowano pale Franki, gdyż w danych warunkach gruntowych są one najbardziej odpowiednie. Rozwiązanie takie jest korzystne ze względu na m.in.: • dużą nośność pali, • małe osiadanie pojedynczych pali pod obciążeniem, • należą do najtańszej technologii z wyżej wymienionych, • znaczną odporność na działanie czynników agresywnych- beton i grunt wokół pala są dobrze zagęszczone i objęty nim rdzeń pala chronione są grubą otuliną, • w pobliżu nie znajdują się inne obiekty budowlane, na które drgania powstające w czasie wbijania wpływałyby negatywnie, • drgania, które powstają przy wbijaniu pala w zadanych gruntach spowodują wzrost zagęszczenia warstw gruntów niespoistych(Pπ, Ż), a co za tym idzie wzrost nośności tych warstw • powszechność stosowania, co wiąże się z możliwością doboru wykonawcy, • obecność w pobliżu miejsca budowy firm wykonujących tego typu prace, • zmechanizowane, szybkie wykonawstwo.
**„Prefabrykowane pale wbijane”, dr hab. inż Kazimierz Gwizdała, prof. PG Gdańsk 2005, str. 72-74 Wykonanie pali Franki:
I. Na powierzchni gruntu, w miejscu wykonania pala, przy kafarze specjalnego typu ustawia sie pionowo rurę o średnicy D (w niniejszym przypadku jest to rura o średnicy 406mm). Na dno rury wsypuje sie pierwsza porcje tzw. suchej mieszanki betonowej (o małej zawartości wody) o wysokości 2÷3 D.
II. Pod uderzeniami młota (ubijak o masie 2,5÷3,0t) w rurze tworzy sie korek, mocno związany przez tarcie z rurą obsadową. Zwiększająca sie w miarę ubijania mieszanki siła tarcia na styku rura – mieszanka betonowa powoduje przekroczenie oporu zewnętrznego na styku rura – grunt, rozpoczynając proces zagłębiania się korka wraz z rurą obsadową.
III. Wskutek zagęszczania mieszanki i częściowego wybijania z rury, objętość korka zmniejsza się. Z tego względu niezbędne jest dosypywanie mieszanki w takiej ilości, aby korek sięgał przynajmniej na wysokość równa średnicy rury D, ponad jej dolną krawędź (kontrolę wysokości korka umożliwia „świadek”, czyli oznaczenie na linie młota, aby nie wytworzyła się przerwa, która umożliwiła by wdarcie się wody gruntowej do wnętrza. Formowanie podstawy pala trwa dopóty, dopóki grunt poddaje sie zagęszczeniu pod wpływem wbijanej w podłoże mieszanki. Z chwilą, gdy grunt przestaje dalej ulegać zagęszczeniu, i młot sprężyście odbija się od korka, można rozpocząć formowanie trzonu pala. W tym celu należy włożyć do rury obsadowej przygotowany na placu budowy kosz zbrojeniowy. Zbrojenie to składa się najczęściej z 6 prętów Ø16mm i uzwojenia średnicy 6mm, o skoku 15cm. Średnica szkieletu zbrojenia i ubijaka są tak dobrane, aby młot mógł swobodnie zmieścić sie miedzy prętami zbrojenia. Należy pamiętać, że aby wystąpiły warunki do rozpoczęcia formowania stopy pala przez wybijanie korka betonowego, należy liny połączone z uchwytami rury napiąć tak, aby dalszy ruch rury w głąb gruntu był niemożliwy.
IV. Formowanie trzonu pala. Do rury wsypuje się porcjami mieszankę betonową, do wysokości około 2D, i mocno ubija ubijakiem, stopniowo podnosząc rurę obsadowa. Przez cały czas należy pamiętać o zachowaniu minimalnej wysokości korka (D), gdyż wdarcie się wody gruntowej (swobodnej czy napiętej) do wnętrza rury w każdej fazie formowania pala od razu czyni go nieprzydatnym.
V. Wykonuje się głowicę pala: po usunięciu rury obsadowej, starannie zagęszcza się wibratorem górna część pala, zasypuje głowice piaskiem i zalewa woda. Należy tego przestrzegać niezależnie, czy pale końcowe są na poziomie terenu, czy też wykonuje sie je z tzw. „przebiciem”.
Uwagi dotyczące formowania pali w warstwie Nn: Warstwa Nm to utwór akumulacji jeziornej lub bagiennej, która zawiera agresywne wobec cementu związki humusowe. Dlatego podczas betonowania pala należy stosować masę betonową o zawartości wody wystarczającej do hydratacji cementu. Przyjmuje się, że grunty te nie przenoszą obciążeń pionowych, lecz przekazują na pale tarcie ujemne (wystąpi tarcie ujemne z uwagi na fakt, że warstwy te nie są skonsolidowane – mogą osiadać, powodując wciskanie pala w grunt; przyjęto, że tarcie ujemne wystąpi w warstwie NN). Trzeba pamiętać, że w gruntach z występującym tarciem ujemnym, należy formować trzon uderzając młotem z mała energia – wtedy uzyskuje się dość gładką pobocznice. Trzon pala należy formować bez dłuższych przerw, gdyż grozi to przedostaniem się wody gruntowej do rury obsadowej i przerwaniem pala – woda jest pod ciśnieniem.
