Kotwy gruntowe

Opublikowano 31.10.2023

Jest to system dynamicznie wbijanych kotew gruntowych (Percussion Driven Earth Anchors – PDEA®), którego producentem jest znana na całym świecie brytyjska firma Platipus Anchors, zajmująca się produkcją i instalacją tych elementów już od 1982 roku. Dynamicznie wbijane kotwy gruntowe są unikatowym, nowoczesnym i uniwersalnym rozwiązaniem, które może być stosowane w większości typów gruntów.

OPIS SYSTEMU KOTWICZĄCEGO

System oferuje lekkie, odporne na korozję kotwy gruntowe, których instalacja w terenie jest możliwa przy użyciu powszechnie dostępnych urządzeń przenośnych, takich jak np. młot udarowy. Podczas instalacji kotew dochodzi do minimalnego naruszenia środowiska gruntowego, bezpośrednio po montażu kotwa może zostać naciągnięta do wymaganego poziomu naprężenia i staje się natychmiast w pełni funkcjonalna. Ponieważ jest to konstrukcja całkowicie sucha, jej wpływ na środowisko jest minimalny.

ZASTOSOWANIE SYSTEMU KOTWICZĄCEGO

System kotwiący może być stosowany w szerokim zakresie branż – od budownictwa, poprzez kotwienie rurociągów i instalacji linii energetycznych, aż po kotwienie zieleni, od drzew dorosłych po prowadzenie systemów podporowych w winnicach. Konkretne możliwości zastosowania w budownictwie:

• Ochrona przeciwerozyjna skarp
• Powierzchniowe osuwiska
• Głębokie powierzchnie poślizgu
• Skarpy wykopowe
• Renowacja murów oporowych
• Kotwienie konstrukcji rozporowych

ELEMENTY SYSTEMU KOTWICZĄCEGO I OSPRZĘT

System kotwiący składa się z pięciu podstawowych komponentów:

• Kotwy stalowe
• Lina stalowa lub pręt gwintowany
• Płyta rozdzielcza
• Element łączący w miejscu połączenia kotwa stalowa × pręt/lina
• Element końcowy w miejscu połączenia płyta rozdzielcza × pręt/lina

Lina stalowa lub pręt są połączone z kotwą przegubowo za pomocą elementu łączącego, aby po instalacji kotwy możliwa była jej aktywacja poprzez obrót w gruncie. Kotwy stalowe produkowane są w dwóch wariantach, a każdy wariant występuje w kilku rozmiarach w zależności od sposobu zastosowania oraz wymaganych charakterystyk zapewniających spełnienie projektowych parametrów systemu kotwiącego. Dotyczy to przede wszystkim kształtu kotwy, gdzie rozróżnia się kotwy typu „Stealth” oraz „Bat”.

Kotwy gruntowe typu Stealth

Kotwy gruntowe typu Bat

Podczas gdy kształt kotwy „Stealth” umożliwia łatwiejsze wprowadzenie wyłącznie przy użyciu prostych narzędzi ręcznych lub elektrycznych i jest tym samym odpowiedni także do pracy w miejscach o ograniczonym dostępie, kotwa „Bat” została zaprojektowana do przenoszenia wyższych obciążeń i charakteryzuje się również wyższą skutecznością kotwienia, zwłaszcza w miękkich, drobnoziarnistych gruntach.

Liny stalowe oraz pręty gwintowane produkowane są w różnych średnicach, w zależności od wymagań projektu oraz parametrów zabezpieczanej konstrukcji. Liny stalowe zazwyczaj osiągają niższe wytrzymałości niż pręty stalowe i są stosowane w prostszych oraz mniej wymagających konstrukcjach. Główną zaletą liny stalowej jest możliwość zastosowania tego systemu w ciasnych przestrzeniach, gdzie nie ma możliwości pracy z kotwami prętowymi. Kotwy prętowe stosowane są jako gwintowane i są standardowo łączone do projektowo wymaganej długości kotwienia w odcinkach dwumetrowych. Wykonywane kotwienie można w razie potrzeby elastycznie modyfikować pod względem wymaganej długości kotwy. Główną zaletą jest zatem możliwość operacyjnego wydłużenia długości kotwienia w przypadku, gdy potrzeba taka zostanie potwierdzona badaniami w rzeczywistych warunkach budowy.

Zakończenie i aktywacja kotwy nad terenem odbywa się za pośrednictwem płyty rozdzielczej i może pozostać widoczne lub zostać ukryte. Aktywacja kotwy linowej odbywa się przy użyciu prasy hydraulicznej poprzez uchwyt klinowy, natomiast kotwy prętowe aktywowane są za pomocą nakrętek. Niektóre zastosowania, na przykład w obiektach zabytkowych, wymagają, aby wszystkie ślady kotwienia były ukryte. Można to osiągnąć poprzez wpuszczenie górnego osprzętu systemu kotwiącego w konstrukcję.

TRWAŁOŚĆ SYSTEMU KOTWICZĄCEGO

Projektowa trwałość systemu kotwiącego zależy od zastosowanego materiału podstawowego oraz powłoki ochronnej zarówno samych kotew, lin/prętów kotwiących, jak i osprzętu kotwiącego. System kotwiący może być wykonany jako tymczasowy, o trwałości do 5 lat, lub jako stały, o trwałości do 120 lat. Przewidywana trwałość systemu kotwiącego może być uzależniona od agresywności środowiska gruntowego, w którym system jest zainstalowany, dlatego konieczne jest uwzględnienie tej agresywności przy doborze odpowiedniej powłoki ochronnej wszystkich elementów systemu. W zależności od wymaganej trwałości projektowej elementy systemowe produkowane są ze stopów aluminium, żeliwa ocynkowanego lub brązu aluminiowego.

Dla lin kotwiących standardowo stosuje się stal ocynkowaną dla projektowej trwałości 50 lat lub stal nierdzewną dla projektowej trwałości 120 lat, natomiast dla prętów gwintowanych standardowo stosuje się stal cynkowaną dyfuzyjnie dla projektowej trwałości 60 lat lub stal nierdzewną dla projektowej trwałości 120 lat.

INSTALACJA SYSTEMU KOTWICZĄCEGO

Instalacja systemu kotwiącego składa się z trzech głównych etapów:

• Dynamiczne wbicie kotwy w grunt przy użyciu pręta napędowego/instalacyjnego
• Wyciągnięcie pręta napędowego
• Naciągnięcie kotwy

Osprzęt do instalacji systemu kotwiącego

Instalacja kotew odbywa się przy użyciu urządzenia przenośnego, stosowanego ręcznie lub za pomocą urządzenia zamocowanego na standardowych maszynach budowlanych. To samo urządzenie wykorzystywane jest zarówno do wciskania pręta instalacyjnego w grunt, jak i do jego wyciągania.

FAZY AKTYWACJI KOTWY

Pierwsza faza – zakleszczenie/zklinowanie kotwy
Zaklinowanie kotwy polega na zastosowaniu siły rozciągającej, w wyniku czego następuje obrót kotwy na końcu pręta/lina kotwiącego do pozycji aktywnej, w której kotwa oddziałuje na otaczające ją środowisko gruntowe.

Druga faza – ściskanie i obciążenie
Pod wpływem przyłożonego naprężenia bezpośrednio przed kotwą w gruncie tworzy się umowny, rozpraszający ścięty stożek ściskanego gruntu. W tym momencie obciążenie rośnie przy minimalnej deformacji. Całkowita deformacja zależy od rodzaju środowiska gruntowego.

Trzecia faza – maksymalnie osiągnięte obciążenie – osiągnięcie maksymalnej nośności systemu kotwiącego
Rosnące obciążenie działające na kotwę osiąga wytrzymałość gruntu na ścinanie, a szybkość przyrostu obciążenia następnie maleje aż do przekroczenia tej wytrzymałości.

Czwarta faza – wyczerpanie wytrzymałości gruntu na ścinanie
Uwaga: w momencie wyczerpania wytrzymałości gruntu na ścinanie dochodzi do wyciągania kotwy. Wraz z przesuwaniem się kotwy w gruncie w kierunku powierzchni, obciążenie resztkowe będzie maleć wraz ze wzrostem wydłużenia.

METODYKA OBLICZENIOWA

Nośność kotew jest określana i modelowana przy użyciu standardowego równania Terzaghiego (1943) dla nośności, które uwzględnia wpływ spójności oraz tarcia pomiędzy powierzchnią głowicy kotwy a gruntem. Wpływ nacisku nadkładu, czyli głębokości instalacji kotwy w przypadku gruntów niespoistych, jest w tej analizie kluczowy. Równanie Terzaghiego umożliwia również uwzględnienie częściowego lub pełnego nasycenia gruntu wodą. Naruszenie gruntu rodzimego podczas instalacji uwzględniane jest za pomocą współczynników kształtu, których wartości stanowią korelację wyników badań in-situ z teoretycznymi modelami obliczeniowymi.
Dla czysto spoistego modelu w warunkach nieodwodnionych może być zastosowana teoria Skemptona. Zarówno teoria, jak i praktyka wskazują, że empirycznie można przyjąć, iż maksymalne naprężenie w kotwie przed zniszczeniem wynosi 9× wartość nieodwodnionej wytrzymałości na ścinanie.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat opublikowano wiele krajowych dokumentów opisujących metodyki projektowe, specyfikacje oraz detale konstrukcyjne kotew. Wiele z nich zostało zastąpionych przez Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne oraz normę EN 14490 Wykonywanie specjalnych robót geotechnicznych – gwoździowanie gruntów.

PRZYKŁAD REALIZACJI

Podczas prowadzenia prac wykopowych pod budowę nowego obiektu w miejscowości Savièse na południu Szwajcarii doszło do osuwiska w środkowej części wykopu o całkowitej wysokości 14 m, co spowodowało wstrzymanie robót budowlanych. W celu umożliwienia wznowienia prac konieczne było znalezienie szybkiego, niezawodnego i trwałego rozwiązania sanacji skarpy. Kotwy gruntowe Platipus zostały wybrane zarówno ze względu na ich przydatność do stosowania w gruntach spoistych, jak i z powodu łatwej instalacji w ograniczonej przestrzeni oraz natychmiastowej dostępności produktu.

Sanacja skarpy o łącznej powierzchni 500 m² została wykonana z zastosowaniem dwóch typów kotew. Najpierw w dolnej połowie skarpy, przy użyciu kroczącej koparki, zamontowano cztery rzędy kotew typu „Bat”, zakotwionych na głębokość 9 m i testowanych na obciążenie 90 kN. Następnie w górnej połowie skarpy umieszczono pięć rzędów mniejszych kotew „Stealth” o długości kotwienia 4 m, testowanych na 30 kN. Kotwy te zostały zainstalowane przy użyciu młota pneumatycznego z mobilnej platformy. Wykończenie powierzchni skarpy wykonano z zastosowaniem trwałej siatki przeciwerozyjnej, która była na bieżąco kotwiona do sanowanej skarpy.