Rys historyczny i klasyfikacja metod wgłębnego mieszania gruntu na mokro

Przyjmuje się, że początki koncepcji wgłębnego mieszania gruntu na mokro sięgają lat 50 ubiegłego stulecia (Topolnicki, 2003a, 2004). Pierwszą metodę wykorzystującą obrotowe mieszadło do wzmocnienia gruntu zaczynem cementowym opatentowano w USA pod nazwą Mixed in Place (MIP) w 1956 roku. Odnotować należy również polskie zgłoszenie patentowe z 22.12.1966 roku (patent Nr 55511), przypuszczalnie pierwsze w Europie, którego przedmiotem był „Sposób uszczelniania i wzmacniania gruntu oraz urządzenie do stosowania tego sposobu” (rys. 1.1). Niestety zarówno metoda MIP, którą wykorzystywano tylko sporadycznie, jak i polskie urządzenie, które w ogóle nie zostało zastosowane w praktyce, zostały w obu krajach na długo zapomniane.

Rys. 1.1 Schemat urządzenia do uszczelniania i wzmacniania gruntu, opracowany przez Zakład Badań i Doświadczeń przy Zjednoczeniu Budownictwa Wodno-Inżynieryjnego w Warszawie (Opis patentowy Nr 55511 z dnia 12.06.1968, Urząd Patentowy PRL).

Rozdział 1: Tematyka, cel i zakres rozprawy

Współczesna technologia mieszania gruntu odzwierciedla jednak przede wszystkim osiągnięcia Japonii w zakresie mieszania na mokro i na sucho (oraz Szwecji i Finlandii w zakresie zupełnie niezależnie opracowanej metody mieszania na sucho).

Badania pilotowe w Japonii zapoczątkowało Laboratorium Stabilizacji Gruntu Instytutu

„Port and Harbour Research Institute” (PHRI) Japońskiego Ministerstwa Transportu, a koncepcja stabilizacji wapnem morskich iłów została po raz pierwszy opublikowana w 1968 roku (Yanose, na podstawie CDIT, 2002). Badania skupiały się na uzyskaniu dwóch celów, którymi było poznanie reakcji wiązania wapna z różnymi iłami morskimi oraz opracowanie urządzenia do mieszania gruntu w podłożu. Pierwsze komercyjne zastosowanie mieszania na sucho z wykorzystaniem mechanicznego systemu podawania spoiwa (Deep Lime Mixing Method) miało miejsce w 1974 roku na lądzie, a w 1975 roku na morzu. Dążąc do poprawienia jednorodności wzmocnionego podłoża zaczęto również zastępować wapno palone zaczynem cementowym. Pierwsze wdrożenie metody mieszania na mokro (CMC i DCM) nastąpiło w 1976 roku, przy czym szczególny postęp technologiczny zanotowano podczas 10-letniej realizacji projektu Daikoku Pier, począwszy od roku 1977. Rozwinięto wówczas m.in. metody DCM, DECOM, POCOM i inne. W roku 1976 firma Seiko Kogyo Co. wdrożyła również metodę SMW (Soil Mixed Wall). Dalszy intensywny rozwój mieszania na mokro doprowadził do powstania w Japonii bardzo wydajnych maszyn, wyposażonych w wielokrotne (tzn. sprzężone) mieszadła zamocowane na jednej maszynie nośnej, w liczbie od 2 do 4 dla zastosowań na lądzie (CDM-Lodic, CDM-Land 4, CDM-Mega, CDM-Column 21) i nawet 8 dla robót na morzu.

Rozwinięto też kombinowane (tj. hybrydowe) metody mieszania mechaniczno-hydraulicznego (SWING w 1984, JACKSMAN w 1992). W metodzie hybrydowej połączono doświadczenia mechanicznego mieszania gruntu z doświadczeniami zdobytymi podczas wdrażania metody jet grouting (iniekcji strumieniowej). W efekcie podniesiono jeszcze wydajność mieszania wgłębnego gruntu oraz umożliwiono wykonywanie tego rodzaju robót w bezpośrednim sąsiedztwie ścian budynków, obudowy wykopów lub przeszkód. W roku 1977 powołano w Japonii Cement Deep Mixing (CDM) Association, które skupia firmy wykonawcze i jednostki naukowo-badawcze. Celem tej organizacji jest rozwój i promowanie metody mieszania gruntów na mokro, pod wspólną nazwą CDM, oraz opracowywanie standardów wykonawczych i projektowych (por. np. CDIT, 2002).

Do roku 2001 całkowita objętość gruntów wzmocnionych metodą CDM w Japonii, na lądzie i na morzu, sięgała około 50 milionów m³.

Do USA mieszanie gruntu na mokro powróciło w połowie lat 80-tych ubiegłego stulecia.

Firma SMW Seiko Inc., działająca na licencji firmy matki z Japonii, wykonała w latach 1987-89 duże roboty przy budowie przegrody przeciwfiltracyjnej na zaporze Jackson Lake. W tym samym czasie Geo-Con Inc., współpracujący z Seiko przy budowie tej zapory, opracował własne metody mieszania wgłębnego i płytkiego, nazwane DSM (Deep Soil Mixing) oraz SSM (Shallow Soil Mixing). Nazwa DSM okazała się szczególnie trafna i stała się bardzo popularna, będąc synonimem mieszania wgłębnego w wielu krajach poza USA, m.in. Polsce. Dalszy rozwój objął wydajne systemy mieszania za pomocą mieszadeł pojedynczych (Hayward Baker-Keller) oraz mieszanie hybrydowe (GEOJET, HYDRAMECH). Od kilku lat wdrażany jest również nowy system mieszania hybrydowego TURBOJET.

Rozdział 1: Tematyka, cel i zakres rozprawy

W Europie najwcześniejsze aplikacje mieszania na mokro sięgają 1980 roku, głównie za sprawą poszukiwania tańszej alternatywy dla iniekcji strumieniowej. Liczba wdrożeń w porównaniu do Japonii i USA jest jednak w dalszym ciągu skromna, a sama technologia nie jest zbyt szeroko znana.

We Francji firma Bachy-Soletanche we współpracy z SNCF i LCPC rozwinęła w latach 80-tych metodę COLMIX, a wdrożenia obejmowały głównie projekty związane z posadowieniem nasypów drogowych i kolejowych we Francji, Wielkiej Brytanii i Włoszech. W Niemczech pierwsze zastosowanie metody RASM (Rotary-Auger-Soil-Mixing), opracowanej przez firmę Bauer Spezialtiefbau, miało miejsce w Norymberdze w 1987 roku, gdzie wykorzystano scementowane kolumny do wypełnienia ściany

„berlińskiej”, stanowiącej tymczasową obudowę wykopu. W latach 90-tych udoskonalono maszyny i wdrożono w 1994 roku metodę Mixed-in-Place (MIP), w której wykorzystuje się trzy sprzężone mieszadła ustawione w linii, co jest szczególnie przydatne przy wykonywaniu ścian i przegród przeciwfiltracyjnych. Z kolei firma Keller Grundbau wdrożyła w 1995 roku swój system mieszania, oparty na zastosowaniu pojedynczego mieszadła. W roku 2005 rozpoczęto również wykonywanie obudowy głębokich wykopów za pomocą nowej głowicy frezująco-mieszającej, którą opracowały wspólnie firmy Bauer i Bachy-Soletanche (metoda CSM). W Wielkiej Brytanii mieszanie gruntu zastosowano po raz pierwszy na początku lat 90-tych do wykonania kilku tymczasowych szybów, zbudowanych z trzech koncentrycznych pierścieni, uformowanych z zachodzących na siebie kolumn. Około 1995 roku rozpoczęto również próby zastosowania mieszania wgłębnego w inżynierii środowiska, z rosnącą liczbą wdrożeń od 1997 roku, zwłaszcza do budowy barier pasywnych i aktywnych wokół zanieczyszczonych terenów i składowisk odpadów. We Włoszech firma Trevi opracowała w latach 80-tych metodę mieszania na sucho TREVIMIX, przypominająca japońską metodę DJM, jednak z możliwością dodawania wody w procesie mieszania.

W Polsce zastosowanie metody mieszania na mokro systemem Kellera rozpoczęło się w 1999 roku od wykonania kilku przegród przeciwfiltracyjnych w obwałowaniach Wisły w Krakowie (Topolnicki, 2003). W następnych latach coraz liczniejsze wdrożenia objęły zarówno obiekty drogowe (nasypy i wiadukty) jak i budownictwo ogólne (wzmacnianie gruntu pod stopami, ławami i płytami fundamentowymi oraz posadzkami budynków i hal przemysłowych), a także stabilizację skarp i obudowy wykopów.

Przykładem pierwszego w Polsce zastosowania DSM do celów drogowych jest posadowienie Trasy Zielonej w Lublinie, na odcinku o długości 235 m i szerokości 44 m (Topolnicki, 2004a). W podłożu do głębokości od 3 do 8 m poniżej poziomu terenu zalegały torfy i namuły o miąższości od 1 do 4 m. Niski nasyp drogowy, o wysokości od 1,3 do 2,5 m, oparto na kolumnach DSM o średnicy 80 cm i długości od 6 do 6,5 m, wykonanych w regularnej siatce trójkątnej o boku 2 m. Nasyp z kwalifikowanego kruszywa wzmocniono dodatkowo dwoma warstwami georusztu TENSAR w odstępie 30 cm, co pozwoliło na przeniesienie obciążeń stałych i użytkowych poprzez kolumny DSM na grunt nośny. Warto również nadmienić, że do roku 2006 na kolumnach DSM posadowiono m.in. około 100 wiaduktów drogowych, co zaliczyć można do pierwszych tego typu aplikacji na świecie. W rezultacie licznych zastosowań metody wgłębnego mieszania gruntu na mokro można stwierdzić, że wdrożenie tej metody w Polsce osiągnęło od kilku lat wiodącą pozycję w Europie (Massarsch i Topolnicki, 2005).

Rozdział 1: Tematyka, cel i zakres rozprawy

KLASYFIKACJA METOD WGŁĘBNEGO MIESZANIA GRUNTU NA MOKRO

(M +Jet) Mieszanie mechaniczne (M)

mieszanie na końcu żerdzi mieszanie

wzdłuż żerdzi mieszanie na końcu żerdzi Mieszanie

Duża liczba zróżnicowanych metod mieszania gruntu in situ, wprowadzonych i rozwijanych przez poszczególne firmy specjalistyczne na całym świecie, jest trudna do bezpośredniego porównania bez wprowadzenia umownego systemu klasyfikacji (por. np.

FHWA 2001, CDIT 2002, Bruce 2003, Topolnicki 2004, EN 14679, 2005). W niniejszej pracy dokonano wyłącznie podziału wybranych metod mieszania na mokro, przyjmując za podstawę klasyfikacji następujące cechy charakterystyczne rozpatrywanej metody (rys.

1.2):

(a) sposób mieszania gruntu - mieszanie mechaniczne lub hybrydowe, tzn. mechaniczne ze wspomaganiem strumienia zaczynu pompowanego pod dużym ciśnieniem (ang. jet mixing),

(b) lokalizację procesu mieszania (dolna część lub na cała długość żerdzi wiertniczej).

Rys. 1.2 Ogólna klasyfikacja wybranych metod wgłębnego mieszania gruntu na mokro.

Rozdział 1: Tematyka, cel i zakres rozprawy