Wiercone gwoździe gruntowe - TITAN

1. Opis ogólny:

Gwoździe gruntowe są to elementy wykorzystywane do zbrojenia i wzmacniania gruntu w celu poprawy jego stateczności oraz wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie w procesie gwoździowania. Gwoździowanie jest metodą wgłębnego zbrojenia gruntu. Polega na wytworzeniu w obrębie górotworu (skarpy wykopu, nasypu, zbocza) geokompozytu  o znacznie wyższych – w stosunku do pierwotnych –  parametrach wytrzymałościowych wzmacnianego ośrodka. Wykorzystując grunt in-situ jako element konstrukcyjny uzyskuje się bezpieczne, eleganckie inżyniersko konstrukcje o dowolnej praktycznie geometrii. Możliwość sprawnego funkcjonowania gwoździ z elastycznym systemem zabezpieczenia powierzchniowego pozwala wtopić konstrukcję w otoczenie – uzyskać efekt wykończenia „zielonego”, z pokrywą wegetacyjną, zaś konstrukcje oporowe formowane w technologii ścian gwoździowanych, z uwagi na odmienny charakter pracy, są znacznie bezpieczniejsze i łatwiejsze w użytkowaniu, niż tradycyjne konstrukcje oporowe z kotwami sprężanymi. Gwoździe należą do elementów, które są obciążone ciężarem i parciem gruntu, a ich długość jest projektowana tak, by eliminowała wpływy ewentualnej powierzchni poślizgu zbocza. Gwoździe nie należą do elementów wstępnie sprężanych i są uaktywniane pod wpływem deformacji gruntu, np. jeśli dojdzie do częściowej utraty stateczności zbocza. Do wykończenia a jednocześnie zabezpieczenia gwoździowanych ścian, skarp i wykopów można zastosować szeroką paletę powłok; od ciężkich, sztywnych (np. żelbetowe, prefabrykaty) aż po lekkie i podatne (np. siatka stalowa, geosyntetyki).

Rys. Przykład typowego przekroju zabezpieczenia gwoździami skarp wykopów w Przemyślu

2. Zastosowanie

• zabezpieczaniu skarp i zboczy,
• stabilizacji osuwisk,
• wzmacnianie konstrukcji oporowych,
• wzmacnianie nasypów,
• wykonywanie fundamentów,
• tunelowanie

3.Wymagania szczegółowe systemu TITAN

Cięgno stanowi stalowa żerdź w postaci rury, gwintowana na całej długości wraz z łącznikami (mufami). Żerdzie oraz łączniki wykonane są z wysokogatunkowej stali drobnoziarnistej St E 460. Materiał charakteryzuje się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi (granica plastyczności 580 N/mm2). Zbrojenie gwoździ oparte na żerdziach w postaci rury, odznacza się znacznie większą wytrzymałością na zginanie i ścinanie niż pełne pręty zbrojeniowe o tym samym przekroju poprzecznym.

Buława iniekcyjna, przenosząca obciążenia ze zbrojenia na grunt, tworzona jest z cementu portlandzkiego o wytrzymałości min. 35 N/mm2. Stanowi również pojedynczą ochronę antykorozyjną. Wykorzystanie buławy iniekcyjnej jako zabezpieczenia antykorozyjnego jest możliwe dzięki wytworzeniu wokół żerdzi (zbrojenia) ciągłej otuliny o gwarantowanej, minimalnej grubości. Gwarancję uzyskania min. 20 mm otuliny iniekcyjnej daje stosowanie systemowych elementów dystansowych przy każdym łączeniu żerdzi. Bardzo ważną rolę odgrywa również specjalnie zaprojektowany gwint żerdzi TITAN, wpływający na równomierny rozkład spękań w buławie, co daje pewność, iż powstałe spękania będą miały rozwartość nie większą niż 0,1 mm (graniczna wartość rozwartości spękania, do której osłona w postaci buławy iniekcyjnej może być traktowana jako zabezpieczenie przeciwkorozyjne).

Gwoździe systemu TITAN wykonywane są przy użyciu standardowych, obrotowo-udarowych urządzeń wiertniczych, podczas jednego etapu technologicznego – jednocześnie z wierceniem, prowadzona jest iniekcja oraz montaż zbrojenia. Jest to możliwe dzięki specjalnej konstrukcji żerdzi TITAN - “trzy w jednym”, służących jako tracony przewód wiertniczy, przewód iniekcyjny oraz cięgno kotwy. Końcówka żerdzi wyposażona jest w tracona koronkę wiertniczą, dobraną odpowiednio do rodzaju gruntu. Ciągły gwint żerdzi umożliwia dowolne ich cięcie i łączenie. Do łączenia żerdzi wykorzystuje się systemowe łączniki (mufy).

Podczas wiercenia stosuje się płuczkę powietrzną lub wodną, a w przypadku trudności z utrzymaniem stabilności otworu płuczkę z zaczynu cementowego (stosunek wodno-cementowy W/C ~ 0,7). Odfiltrowujący zaczyn tworzy na ścianach otworu film cementowy – rodzaj „rur osłonowych” - zabezpieczając stateczność otworu. Rodzaj stosowanej płuczki ustala się na bieżąco, stosownie do warunków gruntowych. Możliwa jest zmiana typu płuczki w trakcie wiercenia.

Po dowierceniu zadanej głębokości wykonuje się iniekcję końcową. Przy stale obracającym się przewodzie, środkiem żerdzi tłoczony jest zaczyn cementowy o współczynniku W/C ~ 0,4. Iniekt wytłaczany jest poprzez otwory w koronce wiertniczej. Otwór wiertniczy jest iniekowany od dna do wierzchu. Daje to pewność na dokładne wypełnienie iniektem otworu wraz ze wszelkimi szczelinami, kawernami i spękaniami w ośrodku gruntowym. Cały wprowadzony do otworu element (żerdzie, łączniki, koronka wiertnicza) pozostaje w otworze jako zbrojenie gwoździa.

Wiercenie bez użycia rur osłonowych pozwala na osiągnięcie bardzo wysokich parametrów wytrzymałościowych gwoździ TITAN. Zaczyn cementowy ma możliwość swobodnej penetracji w grunt, co skutkuje wytworzeniem “postrzępionej”, ukorzenionej buławy iniekcyjnej, doskonale związanej z gruntem. Migrujący iniekt dodatkowo wzmacnia (petryfikuje) ośrodek gruntowy wokół wykonywanego gwoździa.

Głowicę gwoździa wykonuje się w postaci płyty oporowej zamocowanej do żerdzi przy pomocy systemowej nakrętki. Tak zamocowaną płytę opiera się na siatce zbrojącej beton natryskowy. Powoduje to scalenie ścianki żelbetowej z systemem gwoździ i umożliwia równomierne przekazanie parcia ze ściany na gwoździe. Rozwiązanie takie jest szybkie i łatwe w wykonaniu.

4. Zalety gwoździ systemu TITAN

• prostota i niezawodność wykonania
• wysoka wydajność, osiągnięta dzięki wyeliminowaniu pracochłonnych etapów montażu, nieodzownych w tradycyjnych technologiach: zapuszczania i usuwania rur osłonowych, demontażu przewodu wiertniczego, instalacji zbrojenia.
• brak wibracji oraz niski poziom hałasu podczas prowadzenia prac
• możliwość prowadzenia prac w trudno dostępnych miejscach i na ograniczonej przestrzeni, wynikająca z niewielkich rozmiarów niezbędnego sprzętu
• bardzo korzystna charakterystyka pracy gwoździa, wynikająca z nadzwyczaj silnego połączenia buławy iniekcyjnej z gruntem i dodatkowego iniekcyjnego wzmocnienia gruntu wokół otworu

5. Przykłady zastosowania

5.1. Wykonanie 1920 szt. gwoździ gruntowych TITAN 30/11 i 40/16 o łącznej długości 22251m na zadaniu „Zabezpieczenie skarp głębokiego wykopu w km 17+100 do km 17+537,13 - skarpa lewa” w ramach kontraktu „Budowa etapowa drogi ekspresowej S-69, Bielsko-Biała – Żywiec – Zwardoń, odcinek C1 Milówka-Szare.” w Miejscowości Szare w terminie sierpień 2005 – kwiecień 2007.
5.2. Wykonanie 1505 szt. gwoździ gruntowych TITAN 30/11, 40/16 i 52/26 o łącznej długości 18987 m na zadaniu „Budowa obwodnicy miejscowości Lubień w ciągu drogi ekspresowej Nr S-7 Warszawa - Rabka od km 710+145 do km 714+119” w miejscowości Lubień w terminie: listopad 2006 – lipiec 2008.