Rodzaje pali fundamentowych oraz sposoby ich wykonywania

Pale fundamentowe, są to tzw. fundamenty pośrednie, stosowane w sytuacji kiedy nie ma możliwości wybudowania danego obiektu budowlanego na fundamentach bezpośrednich tj. ławy czy stopy. W tym tekście przedstawione zostaną najpopularniejsze rodzaje pali fundamentowych wykonywanych obecnie.

Kiedy stosuje się pale fundamentowe

Stawianie budynków na palach jest znane od dawna. Ten sposób fundamentowania należy do najstarszych i najprostszych w swoim założeniu. Tego rodzaju fundamenty są stosowane w dzisiejszych czasach powszechnie, głównie w przypadku większych inwestycji wymagających bardzo wytrzymałego podłoża. Przeważnie fundamenty palowe stosuje się gdy:

• w przypowierzchniowych warstwach podłoża zalegają grunty o dużej odkształcalności i mało odporne na ścinanie np. grunty organiczne, nasypy niekontrolowane;
• ciężar budowli o stosunkowo niewielkiej podstawie jest na tyle duży, że konieczne jest przeniesienie obciążeń na pale fundamentowe, oparte o odpowiednio wytrzymałe podłoże np. skałę litą;
• istnieje konieczność zniwelowania osiadania danego obiektu budowlanego do minimum;
• trzeba zwiększyć stabilność skarp lub zboczy;
• chcemy wzmocnić obecne fundamenty, które uległy uszkodzeniu.

Podstawowe rodzaje pali fundamentowych

Pale fundamentowe można podzielić na kilka rodzajów, biorąc pod uwagę różne kryteria. Podstawowym kryterium jest sposób w jaki pale przenoszą obciążenia od obiektów budowlanych, możemy tutaj wyróżnić:

• pale słupowe (stojące), przekazują obciążenia na swoją podstawę, opartą o skałę, bądź znajdującą się na gruncie nośnym o odpowiedniej wytrzymałości;
• pale zawieszone, przekazują obciążenie przez siły tarcia na pobocznicy pala, siła działająca na powierzchnię pala jest odporem gruntu na jego wypychanie;
• pale normalne (pośrednie), łączą zarówno przekazywanie obciążenia na podstawę pala jak i na pobocznicę.

Pale możemy podzielić także ze względu na materiał z jakiego zostały wykonane:

• drewniane, są najstarszym rodzajem pali fundamentowych, były bardzo popularne do początków XX wieku, ich obecnych charakter to prefabrykaty pogrążane w grunt metodą wbijania;
• stalowe, najczęściej używane w przypadku budowli morskich;
• betonowe;
• żelbetowe.

Sposób wykonywania pali:

• prefabrykowane, czyli już wcześniej wykonane pale, które wprowadza się w grunt, poprzez np. wbijanie, wwiercanie bądź wciskanie;
• wykonywane bezpośrednio w gruncie np. metodą Vibrex lub pale CFA.

Metody wykonywania pali fundamentowych

Pale fundamentowe są najpopularniejszym sposobem wykonywania fundamentów pośrednich obok kręgów studziennych oraz kesonów. Istnieje wiele technologii pozwalających na wykonanie pali fundamentowych. Technologie palowania wg. norm europejskich można podzielić na dwie kategorie

• pale przemieszczeniowe, wykonuje się bez wynoszenia gruntu znajdującego się w podłożu na zewnątrz;
• pale wiercone, wykonywane poprzez częściowe lub całkowite usunięcie urobku w miejscu gdzie będzie znajdował się pal.

Poniżej najpopularniejsze rodzaje pali fundamentowych oraz metody ich wykonywania.

Pale prefabrykowane

Jednym z najpopularniejszych rodzajów pali przemieszczeniowych są pale prefabrykowane. Wykonuje się je w zakładach prefabrykacji lub w specjalnych formach na budowie, chociaż to drugie rozwiązanie nie pozwala na uzyskanie równie wysokiej jakości pali. Pale prefabrykowane kiedyś były najpopularniejszym rodzajem pali, jednak w latach siedemdziesiątych na moment ustąpiły miejsca palom wierconym.

Miało to związek ze znacznym rozwojem technologii wykonywania odwiertów oraz maszyn wiertniczych. W dzisiejszych czasach, dzięki dalszemu rozwojowi technologii, pale prefabrykowane wróciły do łask i znów są bardzo popularną metodą wykonywania fundamentów pośrednich. Zmodyfikowane sposoby transportu i nowoczesna technologia wbijania, sprawiły że pale prefabrykowane stanowią atrakcyjną ekonomicznie alternatywę dla pali wierconych.

Rozwój tej metody palowania, uwzględnił także ich transport z fabryki na plac budowy. Pale prefabrykowane można przewozić w krótszych częściach, a następnie łączyć ze sobą podczas ich wprowadzania w grunt, za pomocą specjalnych sworzni łączących.

Obecnie tego typu pale wykonuje się z betonu klasy B-50. Dzięki zastosowaniu betonu o takiej wytrzymałości, można pogrążać pal w gruncie z większą wydajnością. Najczęściej wbijane pale prefabrykowane pogrąża się w gruncie za pomocą kafarów hydraulicznych lub spalinowych.

W przypadku budowli naziemnych przeważnie używa się pali żelbetowych, natomiast konstrukcje znajdujące się na morzu często wykonuje się używając pali stalowych. Tego typu pale najczęściej mają postać rur, zamkniętych lub otwartych. Są stosowane przy budowach falochronów, przystani lub nabrzeży. Pale stalowe wwibrowuje się lub wbija w grunt.

Sam proces wbijania pali prefabrykowanych jest bardzo prosty. Kafar hydrauliczny lub rzadziej spalinowy, znajdujący się na podwoziu gąsienicowym podnosi pal do pionu. Następnie pal jest transportowany w odpowiednie miejsce oraz wbijany w podłoże gruntowe.

Pale Vibro-Fundex i Vibrex

Innym rodzajem pali przemieszczeniowych są pale wykonywane w technologii Vibro-Fundex oraz Vibrex. Ta technologia wykonywania pali polega na wbijaniu w podłoże gruntowe stalowej rury z traconą podstawą, za pomocą młota hydraulicznego lub spalinowego. W momencie kiedy rura osiągnie założoną głębokość, wprowadza się do niej zbrojenie, a następnie zalewa się jej wnętrze betonem.

Końcowym etapem tworzenia pala jest wyciągnięcie rury wbitej w grunt bądź jej pozostawienie. Wyciąganie rury nie jest konieczne, w niektórych przypadkach stosuje się rury tracone, które zostają w gruncie. Oczywiście obie metody mają swoje wady i zalety. Wyciągnięcie rury, poprzez użycie wibracji powoduje zagęszczenie betonu, natomiast pozostawienie rury niweluje prawie całkowicie niewielkie osiadania od budynku.

W przypadku metody Vibrex, rury nie wyciąga się całkowicie po zalaniu jej betonem, tylko podciąga najczęściej do wysokości nie przekraczającej 3 m. Następnie wyciągnięta część rury ponownie jest uzupełniana betonem, szczelnie zamykana i wbijana młotem w grunt. Tego typu zabieg powoduje wtłaczanie betonu pod dużym ciśnieniem do dolnej części otworu, a tym samym poszerzenie podstawy pala oraz zwiększenie zagęszczenia podłoża.

Pale CFA

Wiercone pale CFA, są bardzo popularną metodą wykonywania fundamentów pośrednich w Polsce i na świecie. Proste rozwiązania technologiczne i nowoczesne podejście do sposobu formowania pali w gruncie, spowodowały że są one stosunkowo tanie. Metoda ta wykorzystuje palownice o dużej mocy, pozwalające wykonywać nawet do kilkuset metrów pali na dzień.

Ten rodzaj pali jest wykonywany za pomocą świdra ciągłego, ślimakowego, znajdującego się na palownicy.  Świder wwierca się w grunt do głębokości, na której ma się znajdować podstawa pala. W trakcie procesu wiercenia grunt jest wynoszony na powierzchnię w postaci urobku oraz rozpychany na boki za pomocą świdra, wewnątrz otworu.

W momencie wyciągania świdra, przez przewód wiertniczy wtłacza się beton, który powinien wypełnić cały odwiert, aż do powierzchni. Beton wtłaczany do wnętrza otworu, powinien być pod ciśnieniem, tak aby dokładnie wypełnił wszystkie znajdujące się w nim puste przestrzenie. W tym celu należy odpowiednio dostosować prędkość wyciągania świdra do rodzaju betonowej mieszanki.

Końcowy etap procesu palowania stanowi wprowadzenie do betonowej mieszanki zbrojenia za pomocą wibratora. Wibracje wywoływane podczas zagłębiania zbrojenia dodatkowo zagęszczają beton.

Warto podkreślić, że cały proces wiercenia odbywa się tylko raz, bez kilkukrotnego wyciągania i zapuszczania świdra. Dzięki temu na zewnątrz otworu jest wyciągana niewielka część urobku, reszta jest rozpychana wewnątrz podczas wiercenia, co zwiększa zagęszczenie gruntu.

Projektowanie pali, a rozpoznanie podłoża gruntowego

Podstawą do podejmowania jakichkolwiek decyzji związanych z wykonywaniem każdego rodzaju fundamentu jest rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych panujących w podłożu na danym terenie. Osoba odpowiedzialna za projektowanie fundamentów musi wiedzieć jakiego rodzaju grunty występują w podłożu, jakie mają parametry mechaniczne oraz na jakiej głębokości jest zwierciadło wód gruntowych.

Wiedza na temat warunków gruntowych pozwoli na wykonanie analizy obliczeniowej dotyczącej projektowanych pali. Chodzi głównie o ustalenie sił oddziałujących w obrębie pala, określenie nośności tego rodzaju fundamentu oraz jego ewentualnego przemieszczania się na skutek przyłożonego obciążenia.

Tego typu informacje pozwolą na podjęcie decyzji dotyczących rodzaju oraz parametrów projektowanych pali. Wybrana technologia palowania powinna być dobrana z uwzględnieniem warunków gruntowych oraz założeń konstrukcyjnych danego budynku. Oczywiście sam proces fundamentowania powinien przebiegać w sposób jak najbardziej ekonomiczny, uwzględniając przy tym także kryteria ekologiczne.