Kotwy gruntowe, kotwy skalne, mikropale kotwiące

1.    Opis ogólny:

Kotwa gruntowa według normy EN 1537, jest to konstrukcja nośna przenosząca siły rozciągające na nośną warstwę gruntu. Kotwa gruntowa składa się z głowicy, swobodnego odcinka cięgna (długości wolnej) i buławy kotwy, która jest zespolona z gruntem przez iniekcję.     

W geotechnice kotwienie wykorzystywane jest z powodzeniem od kilkudziesięciu lat. W zależności od funkcji i ośrodka gruntowego gdzie są stosowane wyróżniamy kotwy gruntowe oraz kotwy skalne. Biorąc pod uwagę projektowany czas użytkowania, kotwy możemy podzielić się na stałe i tymczasowe. Wówczas różnią je wymagania dotyczące trwałości i sposobu zabezpieczenia przed korozją. Kotwy tymczasowe projektuje się zwykle na dwa lata. Materiał z którego wykonane jest cięgno może być również czynnikiem determinującym podział kotew. Według tego kryterium możemy wyróżnić kotwy linowe (splotowe) oraz kotwy prętowe. Kotwy mogą być iniektowane wielokrotnie lub z iniekcją pojedynczą. Zwykle kotwy mają pojedynczą buławę, ale w przypadku trudnych gruntów lub dużych obciążeń czasami projektuje się kotwy wielobuławowe. Te ostatnie są jednak szczególnie wrażliwe na błędy w wykonawstwie.

Istnieje szereg metod wykonywania kotew. Ogólnie można powiedzieć, że pierwszą czynnością jest zawsze wykonanie otworu w gruncie na wymaganą głębokość,  zwykle jest to otwór o średnicy kilkunastu centymetrów. Następnie wykonuje się wlewkę z zaczynu cementowego, wypełniając otwór od jego dna. Ma to na celu usunięcie z otworu ewentualnych zanieczyszczeń i całkowite jego wypełnienie. Następnie wkłada się do otworu cięgna kotwy oraz usuwa ewentualne rury, uzupełniając jednocześnie zaczyn cementowy. Po kilku/kilkunastu godzinach formuje się buławę kotwy za pomocą iniekcji.  Bardzo szybką,  skuteczną i coraz bardziej popularną technologią wykonywania kotew jest wiercenie systemem samo wiercącego zbrojenia, gdzie cięgnem zostaje tracony przewód (żerdź) wiertniczy uzbrojony w koronkę oraz elementy dystansowe, np. system TITAN.

Sprężenie i badania odbiorcze są ostatnim elementem wykonania kotwy. Zabieg ten ogranicza przemieszczenia i odkształcenia zabezpieczanej konstrukcji. Z wykonania każdej kotwy powinna być sporządzona metryka zawierająca informacje na temat technologii, rodzaju cięgien, wymiarów, pochylenia, warunków gruntowych oraz wyników badań odbiorczych. Dzięki badaniom odbiorczym technika kotwienia jest bardzo bezpieczna. Sprawdzeniu podlega każda wykonana kotew. Program badań odbiorczych powinien wykazać, że kotew przenosi naciąg próbny, swobodna długość cięgna mieści się w wyznaczonych granicach, a pełzania stabilizują się w trakcie badania. Spełnienie tych warunków gwarantuje poprawność wykonania kotwy jak i jej prawidłową pracę w całym okresie eksploatacji.

2. Zastosowanie

Kotwy gruntowe wykorzystywane są przede wszystkim w celu zakotwienia różnego typu oczepów, konstrukcji oporowych trwałych lub tymczasowych, zabezpieczenia ścian dużych wykopów oraz stabilizacji nasypów, zboczy, skarp (zabezpieczenie osuwisk).

Rys. Przykładowy przekrój zakotwienia ścianki z grodzic stalowych.

Kotwy skalne używane są zwykle do zabezpieczania zboczy masywów skalnych przed spadającymi odspojonymi odłamkami i okruchami skał. Kotwy mają także zastosowanie w tunelowaniu oraz w kopalniach, w celu zwiększenia stateczności konstrukcji i poprawy bezpieczeństwa. Wówczas elementy systemu powinny mieć dopuszczenie do stosowania w górnictwie.
       

3. Wymagania szczegółowe systemu TITAN

Podstawowym atutem kotew gruntowych wykonywanych w technologii TITAN jest ich specyfika pracy – stosowanie płuczki cementowej od początku wiercenia, przy braku rur osłonowych, skutkuje wytworzeniem silnie ukorzenionej, nieregularnej buławy, doskonale związanej z gruntem, jak również wzmocnieniem samego ośrodka gruntowego. Dlatego kotwy systemu TITAN sprawdzają się również w gruntach słabych, np. nawodnionych piaskach w stanie luźnym na pograniczu średniozagęszczonego. Wysokogatunkowa stal drobnoziarnista użyta do produkcji żerdzi – cięgien, pozwala na wzbudzenie naprężeń w gruncie już przy bardzo małych odkształceniach. Dzięki temu typowe odkształcenia kotew TITAN, przy obciążeniu projektowym, zawierają się najczęściej w przedziale 1-8 mm (w porównaniu do 50-60 mm w przypadku kotew „tradycyjnych”). Przy tak małych odkształceniach w większości kotwionych konstrukcji nie ma potrzeby stosowania wstępnego sprężania kotew. Może ono być jednak łatwo zrealizowane przy użyciu przelotowego siłownika hydraulicznego.

Rozwinięciem technologii kotew gruntowych systemu TITAN są mikropale kotwiące Koncepcja zastosowania mikropali kotwiących w funkcji kotew gruntowych zrodziła się z potrzeby stworzenia alternatywy dla tego tradycyjnego, ale często nieefektywnego rozwiązania. Mikropale kotwiące TITAN (będąc właściwie odmiennym systemem kotwienia) doskonale spełniają się w roli kotew gruntowych, a zarazem są wolne od ich mankamentów. Pracują w taki sam sposób, przenosząc siły rozciągające w warstwę nośną gruntu. Efektywność długości swobodnej zapewniona jest przez zastosowanie plastikowej rury przylegającej do żerdzi o bardzo niskiej przyczepności do kamienia cementowego / iniektu. Badania wykazują, że już po zadaniu obciążenia przekraczającego 20- 30% wartości projektowej, całość obciążenia przenoszona jest przez buławę. Wszystkie elementy mikropali kotwiących są zabezpieczone przed korozją w sposób zapewniający przewidzianą trwałość. Bardzo niskie pełzanie żerdzi TITAN eliminuje potrzebę wstępnego sprężania.

Jednocześnie mikropale kotwiące wpisują się w ideę wszystkich elementów systemu TITAN: przy zachowaniu najwyższej jakości oferują proste, szybkie i wydajne w instalacji rozwiązanie. Technologia samowiercących mikropali kotwiących TITAN zapewnia wykonanie w jednym przebiegu: otworu wiertniczego, instalację żerdzi oraz iniekcję. Nie wymaga zastosowania ciężkiego sprzętu wiertniczego, co znacząco zmniejsza koszty i ułatwia wbudowanie elementu w ograniczonej przestrzeni roboczej. Ciągły gwint żerdzi umożliwia dowolne ich cięcie i łączenie na placu budowy, bez straty wytrzymałości całego układu. Instalacja mikropali kotwiących odbywa się według tego samego schematu, jak w przypadku pozostałych elementów systemu TITAN.

4. Zalety kotew systemu TITAN

• proste wykonanie; jednoczesne wiercenie, iniekcja i montaż cięgna;
• wiercenie bez użycia rur osłonowych;
• jednolita technologia, bez względu na typ wykonywanego elementu i warunki gruntowe;
• możliwość użycia lekkiego sprzętu wiertniczego (niższe koszty mobilizacji);
• jednoczesna iniekcja prowadzona z wierceniem petryfikuje strefę przyotworową, poprawiając parametry geotechniczne ośrodka gruntowego, pozwalając na uzyskanie dobrych efektów nawet w złych warunkach;
• nieregularny, postrzępiony kształt buławy iniekcyjnej tworzy doskonałe połączenie z gruntem, co bezpośrednio przekłada się na wyższe nośności kotew w porównaniu do technologii konwencjonalnej;
• bardzo małe odkształcenia robocze – przy obciążeniu projektowym zazwyczaj rzędu 5-6mm, eliminują właściwie potrzebę wstępnego sprężania kotew;
• system TITAN umożliwia prowadzenie prac na ograniczonej przestrzeni, użycie lekkiego sprzętu oraz prace w terenach trudno dostępnym terenie;

5.    Przykłady zastosowania

Wykonanie mikropali kotwiących TITAN 30/11, 40/16, 52/26 o łącznej długości ok. 27000mb na zadaniu: „Przebudowa drogi krajowej nr 7 Kraków-Chyżne na drogę ekspresową nr S7 odcinek Myślenice-Pcim” w miejscowościach Stróża i Pcim w okresie od 2005 do sierpnia 2007 roku.
Wykonanie 128 szt. kotew gruntowych TITAN 52/26, 40/16 i 30/11 o łącznej długości 1920m na zadaniu: „Zjazd wschodni wraz z wiaduktem pod drogą krajową nr 4 oraz zjazd zachodni wraz z infrastrukturą techniczną” w miejscowości Krasne koło Rzeszowa w okresie Styczeń – Luty 2006.