Grodzice stalowe – rodzaje, parametry ścianek szczelnych i technologia wbijania

Katalogowy wskaźnik wytrzymałości grodzic U nie wystarcza do wymiarowania ścianki, bo zakłada, że zamki w pełni przenoszą ścinanie, a przy osi obojętnej tak być nie musi. Dlatego o nośności decyduje to, czy pary są zaciśnięte lub zespawane, i to według nich stosuje się współczynniki redukcyjne. Podobnie przy wbijaniu: metodę wyznaczają grunt i dopuszczalne drgania w sąsiedztwie, nie sprzęt, który wykonawca ma na placu.

Grodzice stalowe: profile U, Z i wartości, które podaje katalog

Grodzice to walcowane na gorąco lub formowane na zimno kształtowniki z zamkami wzdłuż obu krawędzi. Po wbiciu zamki zazębiają się i powstaje ciągła ściana, która przejmuje parcie gruntu i wody, a często także obciążenia pionowe. Tak działa obudowa głębokiego wykopu, nabrzeże, ściana oporowa, grodza przy budowie jazu i ekran przeciwfiltracyjny. Najprostszy podział prowadzi po kształcie przekroju, ale ten kształt ma konsekwencje statyczne, których nie widać w tabelce z masą na metr.

Profile U i Z – gdzie leży zamek

W profilu U ramiona są nachylone, a zamki wypadają blisko osi obojętnej ścianki. Profile są lżejsze, tańsze w przeliczeniu na nośność przy umiarkowanych momentach, łatwe do wbijania i do odzysku. Cena jest taka, że zginanie ścianki wymusza przepływ ścinania wzdłużnego przez zamki, bo dwie połówki przekroju pracują razem tylko wtedy, gdy zamek nie pozwoli im się przesunąć względem siebie.

W profilu Z zamki leżą na skrajnych włóknach, czyli tam, gdzie naprężenia normalne są największe, a ścinanie wzdłużne najmniejsze. Przekrój pracuje więc jako całość bez względu na to, jak zamki zachowują się pod obciążeniem. Dlatego profile Z wybiera się, gdy moment zginający jest duży, wykop głęboki, a margines na niepewność parametrów gruntu wąski. Poza tymi dwiema rodzinami są jeszcze profile płaskie do ścian komórkowych, które pracują głównie na rozciąganie w zamkach, oraz ściany łączone, w których nośność zapewniają pale rurowe lub dwuteowniki, a grodzice wypełniają przestrzeń między nimi i dają szczelność.

Wskaźniki w katalogu i co z nich wynika

Karta profilu podaje pole przekroju, masę na metr kwadratowy ścianki, szerokość roboczą, wysokość profilu, grubości środnika i stopki, moment bezwładności i wskaźnik wytrzymałości sprowadzone do metra bieżącego, a także klasę przekroju i gatunek stali. Klasa przekroju rozstrzyga, czy wolno liczyć z nośności plastycznej, czy trzeba uwzględnić miejscowe wyboczenie ścianek. Liczby na metr ścianki wyglądają jednoznacznie, ale odnoszą się do pełnego przekroju, w którym nic się nie ślizga. W pojedynczych profilach U, albo w parach, w których zamek środkowy nie jest zabezpieczony, to założenie przestaje być prawdziwe.

Drugi wskaźnik, który łatwo przeoczyć, to szerokość robocza. Im szersza, tym mniej zamków na metr ścianki, mniej uszczelnień do wykonania i mniej miejsc, w których może się rozjechać pionowość. Przy tym samym wskaźniku wytrzymałości szeroki, ale niższy profil bywa wygodniejszy niż wąski i wysoki. Do tego dochodzi jednak waga na jedno wbicie i większy opór gruntu, więc wybór profilu i wybór sprzętu zawsze trzeba robić razem.

Poślizg zamków na osi obojętnej i redukcja parametrów ścianki

Projektowanie ścianek z grodzic według PN-EN 1993-5, czyli części Eurokodu 3 poświęconej palom i grodzicom, zakłada, że przekrój U nie musi pracować pełnym wskaźnikiem. Norma wprowadza współczynniki redukcyjne: β_B dla nośności przekroju na zginanie (wskaźnik wytrzymałości) i β_D dla sztywności giętnej (moment bezwładności), więc nośność i ugięcie liczy się z wartości zmniejszonych w stosunku do katalogowych. Redukcja nie bierze się z niedoskonałości stali, tylko ze zjawiska fizycznego: gdy zamki mogą się przesuwać, ścianka zachowuje się częściowo jak zestaw oddzielnych profili, a nie jak jeden przekrój.

Skala redukcji zależy od tego, jak zamki zostały zabezpieczone przed poślizgiem. Pary zaciśnięte lub zespawane w wytwórni albo na placu przenoszą ścinanie znacznie lepiej niż pary, w których zamek środkowy trzyma się wyłącznie tarciem. Liczą się też rodzaj gruntu, bo w piasku i żwirze tarcie i zaklinowanie cząstek w zamku pomagają, a w gruntach miękkich spoistych niewiele, oraz układ podparć. Ścianka podparta w jednym poziomie ma inny rozkład momentów i sił poprzecznych niż ścianka podparta w kilku poziomach, a od rozkładu zależy, ile ścinania naprawdę trzeba przekazać. Współczynniki β_B i β_D odczytuje się z tabeli normy dla przyjętego zabezpieczenia zamków i warunków podparcia, nie ocenia się ich „na oko”.

Ta redukcja uderza w dwie sprawy naraz. Zmniejszony wskaźnik wytrzymałości podnosi naprężenia, a zmniejszony moment bezwładności zwiększa ugięcie, które potrafi być decydujące tam, gdzie obok stoją budynki albo instalacje. Zdarza się, że ścianka przechodzi sprawdzenie nośności, a przekracza dopuszczalne przemieszczenia. Z tego powodu przy profilach U sensowne bywa zamówienie par zaciśniętych albo zespawanych, nawet jeśli dopłata jest widoczna na fakturze. Wlicza się ją w koszt ścianki razem z oszczędnością na masie stali, którą pozwala osiągnąć lepsze wykorzystanie przekroju.

Ścinanie w samych zamkach jest osobnym sprawdzeniem. Siłę ścinającą na metr ścianki wyznacza się z siły poprzecznej, momentu statycznego części przekroju i momentu bezwładności, a następnie porównuje z nośnością zamka. Zamek zaciśnięty albo zespawany ma większą nośność od zamka swobodnego, ale też on ma granicę, szczególnie w ścianach komórkowych, gdzie siły w zamkach są główną miarą nośności. Jeśli projektant nie dostał od dostawcy deklarowanej nośności zamka dla właściwego gatunku stali, ścianka jest policzona tylko w połowie.

W profilach Z problem ścinania wzdłużnego praktycznie nie występuje w tej formie. To nie znaczy, że profile Z są zawsze lepsze. Wymagają starannego prowadzenia przy wbijaniu, bo zamki leżą na zewnątrz przekroju i są bardziej narażone na uszkodzenia, a pary łączy się inaczej niż w profilach U. Dla ścian o umiarkowanej wysokości różnica w koszcie często przemawia za profilem U w zaciśniętych parach.

Grunt i drgania: jak dobrać metodę pogrążania grodzic

Sprzęt do wbijania dobiera się w kolejności, którą wyznacza przekrój geotechniczny, a nie katalog maszyn. Najpierw ustala się, jakie warstwy trzeba przejść: piaski luźne i średnio zagęszczone, żwiry, gliny twardoplastyczne, warstwy zagęszczone, nasypy z gruzem lub głazami, a w końcu strop skały lub bardzo zwartego gruntu. Potem sprawdza się, co jest w sąsiedztwie, ponieważ strefa oddziaływania dynamicznego bywa szersza, niż się zakłada na planie sytuacyjnym.

Wibromłot najlepiej radzi sobie w gruntach niespoistych, zwłaszcza nasyconych wodą, bo drgania upłynniają strefę wokół profilu i opór spada. W glinach zwartych sprawdza się gorzej, ponieważ grunt tłumi drgania, a profil się „zatrzymuje”. Nowoczesne wibromłoty o wysokiej częstotliwości i regulowanym momencie statycznym ograniczają największe zagrożenie, czyli przejście przez rezonans przy rozruchu i zatrzymaniu. Tam, gdzie grunt jest zwarty albo zawiera przeszkody, młot udarowy, hydrauliczny lub spalinowy, daje większą skuteczność. Płaci się za to hałasem i drganiami o niższej częstotliwości, które lepiej przenoszą się na budynki.

Strefa oddziaływania i kryteria drgań

O ile pracę wibromłota lub młota wolno przyjąć w terenie niezabudowanym, o tyle w mieście decyduje to, co stoi najbliżej. Kryteria dopuszczalnych drgań odnoszą się do prędkości drgań (w mm/s) mierzonych na fundamencie lub na kondygnacji budynku i zależą od rodzaju obiektu oraz częstotliwości. Wartości graniczne ustala norma, w Polsce najczęściej PN-B-02170 albo DIN 4150-3, a dla obiektów wrażliwych, takich jak zabytki, szpitale, laboratoria i budynki w złym stanie technicznym, ustala się je indywidualnie, zwykle ostrzej. Do tego dochodzą oddziaływania poza samym budynkiem: osiadanie gruntu zagęszczanego wibracją, wyparcie wody z gruntów nawodnionych i zagrożenie dla sieci podziemnych.

Dobrą praktyką jest odcinek próbny z pomiarami drgań na przekroju prostopadłym do osi ścianki. Z wyników wynika rzeczywista strefa wpływu, bo prognozy z wzorów empirycznych rozjeżdżają się z pomiarem, gdy w gruncie leżą warstwy o różnej sztywności. Podczas właściwych robót czujniki zostają na budynkach, a wykonawca ma z góry ustalony próg ostrzegawczy i próg zatrzymania pracy. Bez tego pierwsze skargi trafiają na budowę dopiero wtedy, gdy rysa jest już na ścianie.

Tam, gdzie żaden sposób dynamiczny nie mieści się w dozwolonych granicach, wchodzi wciskanie hydrauliczne. Prasa opiera się na już zagłębionych grodzicach i wciska kolejne praktycznie bez drgań i z małym hałasem. Ograniczeniem jest siła: w gruntach bardzo zwartych albo przy długich profilach sama prasa nie wystarczy i trzeba ją wspomóc wstępnym rozluźnieniem gruntu. Wybór między udarem, wibracją i wciskaniem to więc wybór między szybkością, kosztem a tym, co grunt i otoczenie w ogóle dopuszczają.

Wbijanie grodzic w trudnym gruncie: prowadzenie, płukanie, wiercenie

Nawet właściwie dobrany sprzęt nie zastąpi dobrego prowadzenia. Grodzice wbija się wzdłuż ramy prowadzącej w dwóch poziomach, najlepiej metodą panelową: kilka profili ustawia się i spina w prowadnicy, po czym pogrąża w kilku przejściach od środka ku brzegom. Dzięki temu zamki nie rozchylają się i nie rośnie odchyłka od pionu, która w skrajnych przypadkach prowadzi do rozwarcia zamka i utraty szczelności.

W gruntach, które stawiają duży opór, pomaga rozluźnienie. Płukanie wodą pod ciśnieniem przy stopie profilu zmniejsza tarcie w piaskach, ale podmywa grunt i dlatego nie wchodzi w grę tuż przy fundamentach. W gruncie z głazami albo twardymi warstwami wykonuje się wiercenia wstępne w osi ścianki, a stopę profilu wzmacnia się dodatkowo blachą. Wstępne wiercenie ma sens, gdy stawia się je z góry, jako część technologii. Jako ratunek po zatrzymaniu pierwszej grodzicy kosztuje dwa razy więcej.

Szczelność ścianki z grodzic: zamki i doszczelnianie

Ścianka z grodzic jest szczelna na tyle, na ile szczelne są jej zamki. W piaskach i żwirach przesączanie przez zamki jest na początku zauważalne, ale z czasem maleje, bo zamki zamulają się drobnymi cząstkami gruntu. Tam, gdzie wymagana jest szczelność od pierwszego dnia, nie można na to liczyć. Przy zbiornikach z wodą skażoną, w ochronie wód gruntowych albo gdy wykop leży głęboko pod zwierciadłem, zamki trzeba doszczelnić.

Najczęściej stosuje się uszczelniacz nakładany na zamek w wytwórni. Są to masy bitumiczne, poliuretanowe lub elastomerowe, które w zamku zachowują ciągłość i nie dopuszczają wody. Alternatywą są taśmy i profile pęczniejące umieszczane w zamku przed wbiciem, które po zetknięciu z wodą zwiększają objętość i wypełniają szczeliny. Zamki można też zespawać po wbiciu, co daje szczelność prawie całkowitą, ale wymaga dostępu i pracy w suchej strefie. W miejscach, gdzie szczelina wyszła już po wbiciu, stosuje się wtrysk żywic lub zaczynów w zamek albo uszczelnienie od strony wykopu.

Uszczelniacz wpływa na opór wbijania, bo masa w zamku zwiększa tarcie, więc sprzęt i uszczelnienie warto planować razem. Ważne jest też to, że zamek nie jest jedyną drogą dla wody. Jeśli stopa ścianki nie wchodzi w warstwę nieprzepuszczalną, woda będzie napływać pod ścianką, a nie przez nią. Doszczelnienie zamków nic wtedy nie da.

Korozja i trwałość grodzic w ścianach trwałych

Grodzice w ścianach tymczasowych ocenia się głównie pod kątem odzysku. W obiektach trwałych, jak nabrzeża, ściany oporowe i obudowy zbiorników, najgroźniejsza jest korozja w strefie zmiennego poziomu wody i w strefie rozbryzgu. Tabelaryczne ubytki grubości stali w gruncie i w wodzie, zależne od strefy i agresywności środowiska, podaje PN-EN 1993-5. W projekcie przewiduje się wtedy naddatek na ubytek grubości w czasie eksploatacji, powłoki ochronne albo ochronę katodową. Naddatek zmniejsza przekrój obliczeniowy, więc profil dobrany na wymiar z katalogu może się okazać za słaby po kilkudziesięciu latach.

Co sprawdzić, zanim grodzice trafią na plac

Przed zamówieniem trzeba dostać od dostawcy kartę profilu z parametrami dla pojedynczego elementu i dla pary, informację o sposobie zabezpieczenia zamków przed poślizgiem i deklarowaną nośność zamka. Po stronie projektu muszą być policzone redukcje z uwzględnieniem układu podparć i gruntu, a po stronie wykonawstwa przekrój geotechniczny, wybrana metoda pogrążania i plan pomiarów drgań z odcinkiem próbnym. Ostatnim elementem jest specyfikacja uszczelnienia zamków, dopasowana do tego, czy ścianka ma zatrzymać wodę. Profile używane są tańsze, ale ich zamki mogą być odkształcone po poprzednim wbiciu i wyciąganiu, więc stan zamków trzeba ocenić, zanim wejdą do ścianki, w której szczelność i nośność zależą od każdego z nich.

W procesie przygotowania tekstu korzystaliśmy z narzędzi generatywnej AI. Przed publikacją artykuł sprawdziła i zweryfikowała redakcja.