Proces wbijania pali CFA krok po kroku
Jednym z największych wyzwań przy budowie obiektów kubaturowych czy realizacji inwestycji liniowych takich jak drogi, linie kolejowe oraz elementy infrastruktury przesyłowej albo budowli hydrotechnicznych jest ich odpowiednie związanie z podłożem.
W wielu miejscach panujące warunki geologiczne i hydrogeologiczne nie pozwalają na użycie fundamentowania bezpośredniego, przekazującego nacisk na zewnętrzne warstwy gruntu, a wymagają zastosowania rozwiązań z zakresu rozmaitych metod fundamentowania pośredniego, co może mieć duży wpływ zarówno na tempo prowadzenia robót, jak i na zwiększenie ich kosztów. Dobór odpowiedniego sposobu prowadzenia robót musi uwzględniać wymagania techniczne związane z planowanymi obciążeniami wznoszonej budowli, ale też rodzaj podłoża i jego nośność. Tam, gdzie klasyczne metody okazują się zbyt kosztowne lub trudne do wykonania dobrym wyjściem jest skorzystanie z palowania palami CFA. Znakomicie sprawdzają się one przy większości inwestycji zarówno z uwagi na możliwość ich stosunkowo prostego i szybkiego przygotowania, jak i ze względu na znikome oddziaływanie na bezpośrednie otoczenie. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom pali CFA, ich możliwym zastosowaniom oraz sposobowi wykonania.
Co warto wiedzieć o palach CFA?
Pale CFA (Continuos Flight Auger Piles), znane są także jako pale formowane świdrem ciągłym, czyli pale FSC. To technologia, która jest rozwijana od przeszło 40 lat, a w polskich realiach stosowana już od ćwierćwiecza. W wielu przypadkach zastąpiła ona różne techniki palowania dynamicznego, np. stosowanie powszechnie pale Franki, pale PBS czy prefabrykowane pale żelbetowe. Dynamiczne pogrążanie pali wiąże się zwykle ze sporą uciążliwością, spowodowaną cyklicznie powtarzającym się hałasem oraz poziomem generowanych drgań, które nierzadko stanowią poważne zagrożenie zarówno dla znajdujących się w pobliżu budynków, jak i infrastruktury przesyłowej – systemów wodno-kanalizacyjnych, rur gazowych, a nawet instalacji energetycznych. Problemy te wynikają głównie z procedury rozmieszczania pali, które muszą być wbite za pomocą bijaka (kafara) o odpowiedniej masie. Pale wykonywane w ten sposób mają postać stalowej rury, w której formuje się betonowy korek, a następnie kolejnymi uderzeniami młota wolnospadowego pogrąża się na przewidzianą głębokość.
Metody palowania dynamicznego dobrze sprawdzają się w trudnych warunkach terenowych, ze względu na małe wymagania sprzętowe – kafar może być zamontowany nawet na koparce. Niezbyt dobrze nadają się jednak do wykorzystania w terenach silnie zurbanizowanych. W grę wchodzą tu nie tylko uciążliwe dźwięki, ale przede wszystkim generowane drgania, które mogą przekroczyć poziomy zapisane w normach przygotowanych dla niewielkich 1, 2-piętrowych budynków, jak i obiektów o większej wysokości. W zależności od natężenia wibracje mogą powodować zarysowania i spękania dotyczące tynków czy konstrukcji ścian, a przy większych wartościach również niszczenie murów, stropów lub uszkodzenia więźby dachowej, w skrajnych przypadkach nawet zawalenie się części budowli. Konieczność monitorowania obszaru wykonywania prac w gęstej zabudowie za pomocą odpowiednio rozmieszczonych czujników, tzw. akcelerometrów bardzo komplikuje i podraża całą procedurę.
Podobne problemy nie występują w przypadku stosowania różnych typów pali wierconych, które mają znacznie mniejszy zakres oddziaływania na bezpośrednie otoczenie – zarówno znajdujące się w pobliżu konstrukcje, jak i ludzi, a także samo podłoże. Wśród rozmaitych technologii pale CFA wyróżniają się możliwością bardzo szybkiego wykonania palowania, z wydajnością dochodzącą do około 200 metrów bieżących dziennie dla jednej pracującej palownicy. Przy ich wykorzystaniu można wykonywać fundamenty do głębokości nawet 30 metrów i średnicach zbliżających się do 1,5 metra, choć wymaga to stosowania specjalnych rozwiązań technicznych. Typowe palownice mogą pracować ze średnicami – w zależności od modelu – między 0,4 a 1 metrem oraz głębokości do 18 metrów.
Ponieważ przy palowaniu nie występują elementy tracone, tak jak przy palach przemieszczeniowych, technologia CFA oznacza znacznie niższe koszty. Liczy się także brak konieczności stosowania osłon rurowych i ich obsługi, co wpływa na pracochłonność, a więc zarówno na ilość potrzebnego czasu, jak i kwestie związane z niezbędnymi wydatkami. Poza brakiem wibracji oraz o wiele mniejszym hałasem technika wykonania pali CFA pozwala też na umieszczanie pali blisko siebie, co ułatwia wykonywanie palisad. Bardzo ważny jest też fakt, że wiercenie pali, nie wywołuje przemieszczeń gruntu, co pozwala na zachowanie układu warstw i pierwotnej spoistości.
Na czym polega technologia wykonywania pali CFA?
Mechanizm stosowany przy wykonywaniu pali CFA sprowadza się do wykorzystania dobrze znanej śruby Archimedesa, która była w przeszłości często używana do podnoszenia na wyższy poziom cieczy czy przemieszczania materiałów sypkich. Cała długość świdra jest więc pokryta odpowiednim uzwojeniem znajdującym się wokół rdzenia, który służy do przekazywania właściwego momentu obrotowego. Głowica urządzenia w tradycyjny sposób wkręca się w podłoże, a dzięki zwojom możliwy jest pionowy transport urobku, wydostającego się na powierzchnię. Ponieważ pal CFA jest wykonywany bezpośrednio w gruncie, a świder działa bez osłony, jednym z kluczowych parametrów przesądzających o powodzeniu operacji jest optymalne dobranie prędkości obrotowej do rodzaju podłoża, ponieważ w sytuacji, gdy będzie ona zbyt duża, dojdzie do zasysania gruntu znajdującego się tuż obok obszaru wiercenia. Warto wspomnieć, że poza klasycznymi palami CFA są też wykonywane ich udoskonalone wersje np. pale CCFA, gdzie dodatkowym elementem roboczym jest rura osłonowa obracająca się przeciwbieżnie. Takie rozwiązanie ułatwia i przyspiesza pracę, może być również wykorzystywane tam, gdzie występują duże różnice w spoistości podłoża.
Technologia instalowania pali CFA wymaga usuwania wydostającego się z podłoża materiału, który jest zastępowany mieszanką betonową, podawaną przez rdzeń podczas wycofywania świdra. Tempo unoszenia musi być ściśle dopasowane do ciśnienia wpompowywanej mieszanki, tak by cofające się zwoje nie wytwarzały podciśnienia i nie powodowały odspajania się podłoża. Podczas wycofywania świdra musi też następować jego czyszczenie z wyciąganego na powierzchnię materiału. Odpowiednie wymogi musi też spełniać sam podawany beton, który powinien być wzbogacony plastyfikatorami oraz środkami redukującymi skurcz, co mogłoby prowadzić do powstawania pustek powietrznych osłabiających stabilność. Jakość używanej mieszanki betonowej ma bardzo duże znaczenie dla wytrzymałości konstrukcji, jej skład musi więc być starannie dobierany i kontrolowany.
Stabilność posadowienia za pomocą pali CFA w dużym stopniu zależy od dobrego przenoszenia obciążeń. Z tego powodu beton jest wzmacniany zbrojeniami pogrążanymi po zakończeniu betonowania. Ze względu na konieczność dobrego przylegania masy do zbrojenia jest ono dodatkowo wwibrowywane, tak by materiał rozchodził się regularnie, nasilenie wibracji nie może być jednak zbyt duże, w przeciwnym razie może dojść do tzw. segregacji mieszanki betonowej i gromadzenia się kruszywa w dolnych warstwach przy jednoczesnym powstawaniu pustek powietrznych.
Etapy wykonania pali w technologii CFA
Pale CFA mogą być stosowane w dowolnych warunkach, które ze względu na niewielką kontrolę nad przebiegiem samego procesu wiercenia, poza bieżącym sprawdzaniem prędkości obrotowej i ciśnienia, powinny być bardzo dobrze rozpoznane podczas poprzedzających realizację inwestycji badań geologicznych. Technologia CFA wymaga dobrej koordynacji, z uwagi na ograniczony czas, w jakim można wykorzystać używaną w niej mieszankę betonową. Początkowym etapem prac jest więc precyzyjne ustawienie palownicy i przygotowanie świdra oraz w przypadku pali CCFA rury osłonowej. Do głowicy roboczej dostarczającej moment obrotowy powinna zostać zawczasu podłączona pompa, która będzie podawała mieszankę. Po ustawieniu świdra rdzeń jest wypełniany mieszanką, a urządzenie rozpoczyna jego zagłębianie. W większości przypadków podczas pracy z podłoża jest usuwana pewna ilość materiału, który może być odbierany ręcznie albo automatycznie, w zależności od typu wykorzystywanego urządzenia.
Po osiągnięciu zamierzonej głębokości obroty świdra są wstrzymywane, a obsługa przystępuje do podawania mieszanki. Zazwyczaj w pierwszym etapie świder jest nieco unoszony, a beton wprowadzany pod większym ciśnieniem. Wraz z dalszym unoszeniem świdra w odpowiednio dobranym do warunków geologicznych tempie przez rdzeń wpompowuje się mieszankę pod ustalonym ciśnieniem. Oba parametry muszą być dobrze skorelowane, by nie dochodziło do zasysania podłoża ani zbyt dużego nacisku ze strony mieszanki na głowicę świdra. Podczas unoszenia równolegle odbywa się proces usuwania urobku. Po całkowitym wyciągnięciu świdra wstrzymuje się przepływ mieszanki, a do zalanego betonem otworu wprowadza się zbrojenie, które opada grawitacyjnie, a w razie potrzeby jest wwibrowywane z odpowiednim natężeniem.
Zakres stosowania pali CFA jest bardzo szeroki. Są one wykorzystywane przy posadowianiu pośrednim budynków wysokościowych, obiektów o dużej kubaturze, a także podczas budowy mostów i wiaduktów. Poza fundamentowaniem równych obiektów w terenie o złej nośności pale CFA mogą być użyte do zabezpieczania wykopów przez wykonywanie palisad chroniących przed naporem gruntu czy działaniem wód gruntowych. Są bardzo często używane podczas zabezpieczania terenów grożących osunięciem się ziemi, np. niestabilnych skarp czy nadbrzeży. Z pali CFA korzysta się ponadto przy zabezpieczaniu konstrukcji ziemnych i budowli hydrotechnicznych – brzegów zbiorników wodnych czy wałów przeciwpowodziowych.