Deweloperzy, planując nowe inwestycje mieszkaniowe, poszukują coraz ciekawszych miejsc na ich lokalizację. Miejsc, które obok komfortu życia w bliskim sąsiedztwie centrum miasta, będą zapewniały przyszłym mieszkańcom malownicze widoki oraz warunki do rekreacji i odpoczynku. W dużych miastach takie tereny znajdują się często w bezpośrednim sąsiedztwie rzek i cieszą się wyjątkową popularnością wśród potencjalnych klientów.

Lokalizacje budynków mieszkaniowych na terenach nadrzecznych, niezwykle atrakcyjne z punktu widzenia przyszłych lokatorów oraz inwestorów, niosą ze sobą jednak szereg wyzwań dla projektantów oraz wykonawców tego rodzaju inwestycji. Trudności realizacyjne związane z budową w trudnych warunkach gruntowych, na skarpach wymagają zastosowania nowych, często niestandardowych rozwiązań i wspólnej pracy wielu specjalistów.

Pierwotna koncepcja wykonania części podziemnej budynku

Założeniem projektu budowlanego było wykonanie posadowienia budynku w postaci żelbetowej płyty fundamentowej, betonowanej w wykopie osłoniętym ścianą szczelinową biegnącą po obwodzie projektowanego budynku, stanowiącą zarazem ściany konstrukcyjne kondygnacji podziemnej. Ponieważ z powodu występującej w tym miejscu wody gruntowej, przemieszczającej się w kierunku koryta Warty, mogło dojść do jej spiętrzenia na przeszkodzie w postaci ścian szczelinowych i w konsekwencji zatapiania okolicznych piwnic, w projekt budowlanym przewidziano rozwiązanie w postaci drenażu mającego ułatwić przepływ wody gruntowej wokół obiektu.

Taka koncepcja bezpośredniego posadowienie obiektu była poparta wynikami badań gruntowych, które wskazywały jednocześnie na konieczność usunięcia soczewki gruntów organicznych (namułów) z bezpośredniego podłoża płyty.

Ściany szczelinowe (szkic i opis wg materiałów f. KELLER POLSKA)

Ściana szczelinowa, to ściana wykonana z betonu lub żelbetu, formowana w szczelinie wykopanej w gruncie. Wykonanie ściany szczelinowej obejmuje prace przygotowawcze, wykonanie murków prowadzących (1), głębienie szczeliny w osłonie zawiesiny iłowej (2,3), wstawienie elementów rozdzielczych i zbrojenia (4), betonowanie (5) oraz prace wykończeniowe.

Metoda ścian szczelinowych była i jest powszechnie stosowana w warunkach zabudowy miejskiej, szczególnie przy wielu kondygnacjach podziemnych, z uwagi na dużą sztywność ścian oraz możliwość ich wykorzystania zarówno jako ścian podziemia, jak też jako fundamentów budynku. Roboty przygotowawcze polegają na wykonaniu stabilnej platformy roboczej usytuowanej powyżej poziomu wód gruntowych. W kolejnym etapie robót przygotowawczych wykonuje się żelbetowe murki prowadzące zlokalizowane po obydwu stronach ściany szczelinowej, na całej jej długości. Mogą one być betonowane bezpośrednio na gruncie (wylewane "na mokro") lub prefabrykowane.

Głębienie szczeliny przy pomocy specjalistycznej koparki chwytakowej prowadzi się sekcjami, których długość, odstęp między nimi oraz kolejność realizacji zależą od warunków gruntowych, stosowanego urządzenia głębiącego oraz warunków realizacji robót na budowie. Dla zapewnienia stateczności szczeliny od rozpoczęcia głębienia do jej zabetonowania jest ona wypełniona stabilizującą zawiesiną iłową.

Po zakończeniu głębienia, do wymaganej w projekcie rzędnej, do szczeliny wprowadza się elementy rozdzielcze (zazwyczaj o przekroju kołowym) formujące styki sekcji oraz kosze (szkielety) zbrojeniowe. W zbrojeniu umieszcza się elementy niezbędne do późniejszej instalacji kotew gruntowych, rozpór lub stropów podziemnych kondygnacji (pręty startowe odginane po odkopaniu ściany), a także elementy dystansowe zapewniające projektowaną otulinę zbrojenia.

Betonowanie sekcji ścian szczelinowych odbywa się metodą kontraktor za pomocą jednej lub kilku rur wlewowych, w zależności od długości sekcji. Wypierana zawiesina stabilizująca jest odprowadzana do zbiornika, gdzie następuje jej oczyszczenie, po czym nadaje się ona do ponownego użycia. Po zabetonowaniu i usunięciu elementów rozdzielczych uzyskuje się w gruncie gotową sekcję ściany szczelinowej. Powtarzając powyższe fazy realizacji robót, formuje się pełną obudowę wykopu. Poszczególne kosze zbrojeniowe sekcji nie współpracują ze sobą, zatem po skuciu górnej warstwy betonu wykonuje się spinający oczep żelbetowy zapobiegający "klawiszowaniu" ściany. Po odkopaniu ściany szczelinowej zaprojektowanej jako konstrukcja podziemna budynku następuje jej oczyszczenie oraz ewentualne wyrównanie w razie takiej konieczności.

Ściany szczelinowe wykonuje się zwykle z betonu wodoszczelnego dzięki czemu stanowią one pionową przegrodę przeciwfiltracyjną zabezpieczającą wykop budowlany przed napływem wody gruntowej.

Zasadniczymi zaletami ścian szczelinowych są:

• skrócenie czasu realizacji oraz optymalizacja kosztów realizacji inwestycji poprzez zastosowanie jednej konstrukcji spełniającej funkcję docelowego elementu budynku, zabezpieczenia stateczności wykopu budowlanego i szczelnej przegrody pionowej,
• możliwość wykonywania w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących budowli (ok. 30 cm od lica istniejących obiektów),
• mała uciążliwość wykonywanych robót dla otoczenia - niski poziom hałasu oraz brak większych wstrząsów przy wykonaniu.

Nowe koncepcje wykonania części podziemnej

Generalny Wykonawca rozpoczynając budowę obiektu musiał wziąć pod uwagę wszystkie okoliczności realizacji części podziemnej budynku, tj. poza skomplikowanymi warunkami gruntowymi również bardzo zły stan techniczny sąsiednich budynków mieszkalnych. Obawy budził zwłaszcza stan fundamentów i rozległe spękania ścian tych obiektów, wzniesionych częściowo jeszcze w pierwszej połowie XX w. Mimo zaplanowanych zabiegów wzmacniających ściany, polegających na wypełnieniu rys żywicą i klamrowaniu pęknięć, nieuniknione podczas drążenia ścian szczelinowych wibracje mogły spowodować lokalne obsunięcia gruntu spod fundamentów i dalsze pogorszenie stanu budynków.  

Ten pogląd podzielił inwestor, dopuszczając rozwiązanie opcjonalne polegające na zastosowaniu palisady z pali wierconych lub kolumn formowanych w gruncie metodą jet-grouting, stanowiących jednocześnie podparcie fundamentów istniejących budynków. 

Generalny Wykonawca zdecydował się ostatecznie na zastosowanie tej ostatniej metody jako zabezpieczenia wykopu i podparcia starych fundamentów. Ściana kondygnacji podziemnej miała być na tych odcinkach wykonana jako ściana żelbetowa w deskowaniu jednostronnym, połączona monolitycznie z płytą denną. Na pozostałej długości obwodu piwnic pozostawiono rozwiązanie wg projektu budowlanego, tj. ściany szczelinowe. Samo posadowienie budynku nie uległo zmianie, tj. nadal miała być to żelbetowa płyta fundamentowa przekazująca obciążenia bezpośrednio na podłoże od spoczywającego na niej budynku.    Wykonanie drenażu wspomagającego spływ wód gruntowych uzależniono od wskazań piezometrów rozmieszczonych wokół budynku.

Metoda jet-grouting (inne nazwy: Solicrete, HDI)    (szkic i opis wg materiałów f. KELLER POLSKA)

Wybrana metoda zabezpieczenia wykopu i podchwycenia istniejących fundamentów polega na mieszaniu gruntu z zaczynem cementowym wtłaczanym w otaczający grunt pod wysokim ciśnieniem (200-300 bar). W ten sposób można wzmacniać wszelkiego rodzaju grunty: organiczne, torfy i namuły, luźne piaski o różnej granulacji i plastyczne grunty spoiste. Powstałe w ten sposób kolumny cementogruntu mogą w pewnym zakresie zastąpić ściany szczelinowe i pale.

W pierwszym etapie wzmacniania drąży się grunt do głębokości przewidzianej w projekcie. W trakcie wiercenia stosuje się płuczkę wodną lub bentonitową. Ciecz tłoczona pod ciśnieniem ułatwia wiercenie. Po osiągnięciu żądanej głębokości rozpoczyna się strumieniowe tłoczenie zaczynu przez dysze umieszczone w dolnej części żerdzi. W trakcie iniekcji grunt jest rozdrabniany i mieszany z zaczynem. Obrotowy sposób podnoszenia żerdzi przy jednoczesnym tłoczeniu zawiesiny umożliwia wykonanie kolumny gruntowo-cementowej w kształcie walca. Jego średnica zależy od rodzaju gruntu i technologii iniekcji – tj. wielkości ciśnienia, składu iniektu, a także średnicy dysz i czasu iniekcji. W ten sposób powstają kolumny średnicy od 40 do 180 cm.

Bryły cementogruntu dają się dowolnie formować, poszerzać i łączyć, zarówno w stanie świeżym jak i po stwardnieniu. Kolejność wykonania dostosowuje się do wymagań oraz specyfiki przedsięwzięcia budowlanego. W zależności od rodzaju gruntu i rodzaju iniekcji uzyskuje się średnice kolumn dochodzące nawet do 3,5 m.

Głównymi zaletami tej metody są:

• prowadzenie robót bez wstrząsów i wibracji,
• prowadzenie robót przy ograniczeniach wysokości i powierzchni (np. piwnice),
• wykonywanie kolumn pełnych lub sektorowych umożliwiających uzyskanie bryły cementogruntu o dowolnym kształcie,
• uzyskanie dobrego połączenia na styku kolumny i fundamentu,
• możliwość dodatkowego zbrojenia kolumn,
• wzmocnienie podłoża w którym występują przeszkody, jak np. fundamenty, pale drewniane.

Niespodziewane utrudnienia

Nie był to jednak koniec zmian w stosunku do pierwotnych założeń projektu. Kolejny nieoczekiwany problem, który pojawił się wiosną 2007 roku, związany był z znacznie podniesionym poziomem wód gruntowych. 

Jak już wspomniano projekt budowlany przewidywał wykonanie posadowienia płaskiego w formie płyty żelbetowej, połączonej szczelnie ze ścianami zewnętrznymi.  Warunkiem było jednak usunięcie z podłoża płyty gruntów organicznych (namułów). Wg dokumentacji geotechnicznej poziom wody gruntowej pozwalał na wymianę namułów na grunt mineralny bez potrzeby sztucznego obniżania jej poziomu.

Uzupełniające sondowania gruntu wykonane wiosną 2007r, mające na celu precyzyjne ustalenie miąższości i lokalizacji namułów wykazały, że ich miąższość dochodzi do 1,2 m, oraz że występują na około 20% rzutu budynku. Przy okazji stwierdzono jednak okoliczności, które miały spowodować całkowitą zmianę wypracowanej koncepcji posadowienia: poziom wód gruntowych był podniesiony o prawie 1 m w stosunku do oczekiwań. Wymiana namułów na grunt mineralny, która byłaby niełatwa nawet przy normalnym poziomie wód gruntowych, nie miała żadnych szans poprawnego wykonania przy poziomie o 1 m wyższym.

Zmiana koncepcji posadowienia

Po rozważeniu różnych wariantów wzmocnienia podłoża i różnych metod posadowienia, wybrano ostatecznie posadowienie na palach szczelinowych typu „barrette”, z lokalnym zastosowaniem kolumn DSM pod szybami windowymi. Powyższa zmiana spowodowała zwiększenie kosztów fundamentowania, skompensowane w znacznej części dzięki pocienieniu płyty dennej (z 70 do 30 cm).  Nie udało się też uniknąć utraty kilku tygodni cennego czasu. Jednak szybkie podjęcie decyzji zapobiegło większym stratom, które wystąpiłyby najprawdopodobniej w przypadku trwania przy poprzedniej koncepcji.  
  
Prowadzona podczas całego cyklu budowy obserwacja budynków sąsiednich, jak i wnioski z ponad rocznej eksploatacji budynku, potwierdziły poprawność zastosowanych metod budowy, w tym posadowienia.    Wskazania piezometrów wykazały, że spiętrzające działanie ścian szczelinowych na poziom wód gruntowych mieści się w dopuszczalnych granicach i wykonanie drenażu nie było potrzebne.

Barety stanowią pojedyncze sekcje ściany szczelinowej i są wykonywane tym samym sprzętem. Są one  stosowane często zamiast pali wielkośrednicowych ze względu na łatwiejsze i szybsze wykonanie. Ponadto prostokątny kształt barety stwarza korzystne warunki do przenoszenia obciążeń poziomych. Znaczna powierzchnia podstawy i pobocznicy oraz sztywność przekroju prostokątnego w jednym kierunku, a duża powierzchnia przekazu sił poziomych na grunt w drugim kierunku daje możliwość posadowienia na baretach fundamentów obciążonych bardzo dużymi siłami pionowymi i poziomymi.

Kolumny DSM
Technologia kolumn DSM z uwagi na materiał kolumn, czyli cementogrunt, jest zbliżona do metody jet-grouting, ale samo mieszanie gruntu z zaczynem cementowym odbywa się za pomocą mechanicznego mieszadła, a nie strumienia cieczy. 
Wgłębne mieszanie gruntu polega na wprowadzeniu w podłoże specjalnego mieszadła, składającego się z żerdzi wiertniczej, belek poprzecznych i końcówki świdra z koronką. Wiercenie odbywa się bez wstrząsów i jest wspomagane wypływem zaczynu cementowego z tzw. monitora, znajdującego się na końcu żerdzi wiertniczej. Po osiągnięciu głębokości założonej w projekcie, następuje faza formowania kolumn DSM, których średnica wynosi od 60 do 120 cm. W tym czasie obracane i podciągane do góry mieszadło zapewnia równomierne wymieszanie zaczynu z gruntem. Dla zapewnienia najlepszych efektów mieszania gruntu, proces pogrążania i podciągania mieszadła powtarza się kilkukrotnie, a prędkość obrotową i prędkość posuwu mieszadła dostosowujemy do warunków gruntowych.
 
Kolumny DSM stosuje się do posadowienia fundamentów obiektów inżynierskich (np. podpory i przyczółki wiaduktów), jako wzmocnienie pod nasypy drogowe, fundamenty budynków, przesłony przeciwfiltracyjne oraz obudowy wykopów budowlanych. W razie potrzeby kolumny DSM zbroi się koszem zbrojeniowym lub profilem stalowym.