"DPDT-Auger" -- Opracowanie metody i narzędzi do wykonywania kolumn/pali przemieszczeniowych wkręcanych w różnorodnych warunkach gruntowych na obszarze Polski wraz z przygotowaniem metodyki do projektowania i odbioru robót

Kierownik projektu: dr hab. inż. Adam Krasiński
Nr umowy: POIR.04.01.04-00-0124/18-00, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
Budżet:  9 666 825,01 PLN (dofinansowanie: 8 047 302,74 PLN)
Lata trwania:  01.01.2019 - 31.12.2021

Projekt uzyskał dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Projekt przygotowano w obszarze Działania 4.1 "Badania naukowe i prace rozwojowe" i Poddziałania 4.1.4 "Projekty aplikacyjne".

Projekt jest realizowany przez konsorcjum w składzie:

  • Budokop Wojciech Sukow – lider konsorcjum 

  • Politechnika Gdańska

Celem projektu jest opracowanie wytycznych projektowania i wykonawstwa pali i kolumn przemieszczeniowych wkręcanych w różnorodnych warunkach gruntowych oraz przetestowanie i wdrożenie do praktyki prototypowej wersji świdra formującego tego rodzaju pale w gruncie. Skrót DPDT oznacza Displacement Pile Drilling Tool.

Pale i kolumny przemieszczeniowe wkręcane to bardzo efektywna metoda wzmacniania podłoża gruntowego i fundamentowania głębokiego obiektów budowlanych, również w gęstej zabudowie miejskiej. Problemem technologii są jednak duże opory zagłębiania świdrów w podłoże gruntowe i związana z tym konieczność stosowania maszyn palowych o dużej mocy oraz trudności z wykonywaniem pali o większym zagłębieniu w gruncie nośnym. W przypadku kolumn, dodatkowo obserwuje się w trakcie wykonawstwa wzajemne oddziaływanie sąsiednich kolumn na siebie, które może powodować niekontrolowane uszkadzanie ich trzonów. Brakuje również miarodajnych wytycznych obliczania i projektowania rozpatrywanych pali i kolumn w gruntach spoistych. 

Autorzy projektu mają opracowaną koncepcję prototypowego świdra przemieszczeniowego (zgłoszony wynalazek do UP RP) o zmodyfikowanej konstrukcji, dzięki której spodziewany jest istotny wzrost jego efektywności. 

W projekcie przewiduje się zrealizowanie szeroko zakrojonych testów porównawczych działania kilku rodzajów świdrów wraz ze świdrem prototypowym w różnych warunkach geotechnicznych, zarówno w skali modelowej w Laboratorium Geotechniki PG, jak i w skali naturalnej w terenie. Prace eksperymentalne zostaną poparte analizami obliczeniowymi, w tym numerycznymi. 

Efektem prac będzie wdrożenie do praktyki firmy Budokop Sp. z o.o., a następnie innych firm krajowych i zagranicznych nowej konstrukcji świdra, jak również kompletnej metodologii projektowania, wykonawstwa i odbioru robót związanych z palami i kolumnami przemieszczeniowymi wkręcanymi.

Modelowanie wpływu gospodarstw rolnych i struktur użytkowania terenu zlewni na przykładzie Gminy Puck na jakość wód lądowych i morskich zlokalizowanych w strefie przybrzeżnej Morza Bałtyckiego - Zintegrowany Serwis informacyjno-predykcyjny WaterPUCK

Kierownik projektu: dr hab. Lidia Dzierzbicka-Głowacka, prof. nadzw. IO PAN
Numer projektu: BIOSTRATEG3/343927/3/NCBR/2017, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
Budżet: 5 725 663 PLN
Lata trwania: 2017 - obecnie (planowany termin zakończenia jest na rok 2020)
 

WP4 - Model rozprzestrzenia się zanieczyszczeń w wodach podziemnych

Osoby zaangażowane: dr hab. inż. Beata Jaworska-Szulc (koordynator), dr hab. Małgorzata Pruszkowska-Caceres, dr hab. inż. Adam Szymkiewicz prof. nadzw. PG, mgr inż. Anna Gumuła-Kawęcka oraz mgr Dawid Potrykus
Budżet zadania: 467 500 PLN 

Strona projektu: https://waterpuck.pl/

Projekt WaterPuck jest realizowany w ramach konsorcjum składającego się z czterech instytucji naukowych i naukowo-badawczych oraz jednostkę samorządu terytorialnego. W skład konsorcjum wchodzi: Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk (IOPAN-lider projektu), Politechnika Gdańska (PG), Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), Instytut Morski w Gdańsku (IMG) oraz Gmina Puck (GP).

Przedmiotem projektu jest budowa Zintegrowanego Serwisu Informacyjno-Predykcyjnego dla Gminy Puck poprzez opracowanie systemu komputerowego udostępniającego usługę „WaterPUCK”. Projekt ma za zadanie ocenić w sposób czytelny i praktyczny wpływ gospodarstw rolnych i struktury użytkowania terenu na wody powierzchniowe i gruntowe na obszarze Gminy Puck, a w konsekwencji na jakość wód Zatoki Puckiej. Budowa serwisu oparta będzie o badania in situ, dane środowiskowe (chemiczne, fizykochemiczne i hydrologiczne) oraz modelowanie numeryczne.

 Schemat Zintegrowanego Serwisu informacyjno-predykcyjnego WaterPUCK

Serwis WaterPUCK będzie stanowił zintegrowany system składający się z połączonych ze sobą modeli komputerowych z wbudowanym kalkulatorem przeznaczonym dla rolników. Budowa serwisu będzie się opierać na 4 głównych modułach (modelach systemu): 

  • kompleksowego modelu spływu wód powierzchniowych SWAT;
  • numerycznego modelu przepływu wód podziemnych Modflow; 
  • trójwymiarowego numerycznego modelu ekosystemu Zatoki Puckiej EcoPuckBay; 
  • kalkulatora gospodarstw rolnych w Gminie Puck jako interaktywna aplikacja CalcGosPuck. 

System będzie działał w sposób ciągły,  poprzez zasilanie go danymi meteorologicznymi. Dane wielkości ładunków biogenów i pestycydów z modeli spływu wód powierzchniowych i podziemnych będą automatycznie przeliczane i przekazywane do modelu ekosystemu Zatoki Puckiej jako dane wejściowe – brzegowe na granicy ląd-woda.

W ramach projektu, pracownicy Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego wykonują zadanie (WP4) pt.: „Model rozprzestrzenia się zanieczyszczeń w wodach podziemnych”, którego całkowity koszt wynosi 467 500 PLN. Osobami zaangażowanymi w zadanie są dr hab. inż. Beata Jaworska-Szulc (koordynator), dr hab. Małgorzata Pruszkowska-Caceres, dr hab. inż. Adam Szymkiewicz prof. nadzw. PG, mgr inż. Anna Gumuła-Kawęcka oraz mgr Dawid Potrykus.
Celem zadania jest budowa i kalibracja modelu numerycznego opisującego przepływ wód podziemnych oraz migrację zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodach podziemnych. Stworzony model zostanie wykorzystany do określenia wielkości dopływu wód podziemnych do Zatoki Puckiej. Będzie on także umożliwiał ocenę wpływu gospodarstw rolnych i struktury użytkowania powierzchni na wody podziemne i wielkość odprowadzonego do Zatoki Puckiej ładunku biogenów. Model dodatkowo ma na celu analizę wpływu zmian klimatu, głównie wysokości opadu, na wody podziemne.
Prace wykonane w ramach realizowanego zadania badawczego będą obejmowały: 

  • rozpoznanie osadów powierzchniowych i strefy aeracji;
  • rozpoznanie warunków występowania warstw wodonośnych;
  • opracowanie koncepcji modelu hydrogeologicznego; 
  • zebranie informacji o użytkownikach wód podziemnych, wydajnościach ujęć oraz określenie  wpływu eksploatacji wód podziemnych na warunki hydrodynamiczne;
  • analiza aktualnego składu chemicznego i jakości wód podziemnych wraz z oceną stopnia ich zanieczyszczenia i wskazaniem obszarów szczególnie zanieczyszczonych;
  • analizy stężeń pestycydów w próbkach wód podziemnych, około 60 próbek;
  • systematyczne badania terenowe: pomiar położenia zwierciadła wód podziemnych, pobór próbek wód podziemnych, badania parametrów jakości wód podziemnych w celu określenia tła hydrogeochemicznego oraz parametrów modelu transportu  (jednorazowo 20 próbek) badania stężeń związków azotu i fosforu w wodach podziemnych w celu kalibracji modelu transportu;
  • określenie parametrów opisujących odpływ podziemny w modelu SWAT 
  • opracowanie, kalibracja i weryfikacja modelu przepływu czwartorzędowego systemu wodonośnego  z określeniem bilansu przepływu i wielkości dopływu wód podziemnych do Zatoki Puckiej w programie Modflow; 
  • implementacja procedury przekazywania danych z modelu SWAT do modelu Modflow;
  • opracowanie i kalibracja numerycznego modelu transportu zanieczyszczeń w programie PHT3D;
  • porównanie wyników uzyskanych z modelu Modflow z wynikami uzyskanymi z modelu SWAT w zakresie odpływu podziemnego ze zlewni i wymiany między wodami powierzchniowymi i podziemnymi, weryfikacja poprawności i przydatności uproszczonego modelu wód podziemnych z programu SWAT;
  • przeprowadzenie wariantowych symulacji w celu określenia wpływu zmian klimatu, użytkowania terenu i praktyk rolniczych na podziemny dopływ zanieczyszczeń do Zatoki Puckiej.

Zaprojektowany serwis WaterPUCK jest pionierski i innowacyjny zarówno na terenie Polski, jak i Europy. Jego realizacja spowoduje zrównoważony wzrost regionu przy jednoczesnym spadku zanieczyszczenia wód powierzchniowych, gruntowych i morskich. Natomiast wyniki i rozwiązania projektu będą mogły być wykorzystane w innych regionach Morza Bałtyckiego, co zaowocuje wzrostem współpracy naukowej i biznesowej w ramach międzynarodowych programów i projektów (np. Horyzont 2020, BONUS) oraz podwyższy konkurencyjność polskich produktów i rozwiązań na arenie międzynarodowej.

Zasilanie infiltracyjne na obszarze sandrowym

Kierownik projektu: dr hab. inż. Adam Szymkiewicz, prof. nadzw. PG
Numer projektu: 2015/17/B/ST10/03233, Narodowe Centrum Nauki
Budżet: 684 720 PLN
Lata trwania: 2016 - 2019

Wody podziemne stanowią większość zasobów wód pitnych wykorzystywanych w Polsce i w Europie. Zrównoważone gospodarowanie zasobami wód podziemnych oraz ich ochrona przed zanieczyszczeniem wymagają podejmowania przez organy administracji geologicznej odpowiednich działań zapobiegawczych. Do działań takich należy m. in. wyznaczanie stref ochronnych ujęć wody, określanie podatności warstw wodonośnych na zanieczyszczenie, monitorowanie potencjalnych ognisk zanieczyszczeń czy opracowywanie bilansów wodnych dla określonych obszarów. W tym celu szeroko wykorzystuje się narzędzia komputerowe w postaci numerycznych modeli przepływu wody i transport zanieczyszczeń. Modele numeryczne systemów hydrogeologicznych są wykonywane również w celu jakościowej ochrony zasobów wód podziemnych oraz likwidacji zagrożeń wynikających z zanieczyszczenia środowiska gruntowo-wodnego.

Poniżej powierzchni terenu możemy wyróżnić dwie główne strefy, różniące się formami występowania wody podziemnej. Bezpośrednio pod powierzchnią terenu znajduje się strefa aeracji, o grubości od kilku do kilkudziesięciu metrów, w której grunty i skały wypełnione są częściowo wodą, a częściowo powietrzem. Poniżej znajduje się strefa saturacji, w której grunty i skały wypełnione są całkowicie wodą. Pobór wód podziemnych odbywa się z dobrze przepuszczalnych gruntów i skał strefy saturacji. Jednak to właśnie przepływ wody w strefie aeracji ma zasadnicze znaczenie dla ilości i jakości znajdujących się głębiej zasobów wodnych. Procesy parowania i poboru wody przez korzenie roślin, zachodzące w glebie tworzącej górną część strefy aeracji, powodują, że tylko niewielka część wody spadającej na Ziemię w postaci deszczu lub śniegu zasila wody podziemne strefy saturacji. Średnio w Polsce zasilanie wód podziemnych to ok. 18% opadu, jednak wielkość ta może zmieniać się w dużym zakresie w zależności od czynników takich jak rodzaj gruntów w strefie aeracji i jej grubość, typ roślinności, ukształtowanie terenu. Rola tych czynników nie została jeszcze do końca rozpoznana, brakuje również efektywnych metod uwzględnienia zmiennego zasilania w modelach numerycznych.

Głównym celem naukowym projektu jest rozpoznanie zmienności przestrzennej i czasowej zasilania infiltracyjnego wód podziemnych na wybranym młodoglacjalnym obszarze sandrowym oraz opracowanie efektywnej metody uwzględnienia zmiennego zasilania w numerycznym modelu hydrogeologicznym dla badanego obszaru. Szczegółowe cele projektu obejmują:

  1. przeprowadzenie pomiarów terenowych charakteryzujących przepływ w strefie aeracji oraz wahania zwierciadła wód podziemnych na wytypowanym obszarze sandrowym;
  2. określenie przydatności metody szacowania parametrów strefy aeracji BEST [Lassabatere et al. 2006] do charakteryzacji gruntów strefy aeracji na badanym obszarze;
  3. opracowanie dla badanego obszaru zintegrowanego modelu numerycznego przepływu w strefach aeracji i saturacji, z zastosowaniem udoskonalonej metody numerycznej dla strefy aeracji opracowanej przez kierownika projektu [Szymkiewicz 2009],
  4. porównanie wartości zasilania określonych na podstawie modelowania przepływu w strefie aeracji z wartościami otrzymanymi przy pomocy innych metod (metoda wahań zwierciadła wody, metoda znacznikowa).

 Schemat badań

 Obszar badań (PR1-PR4: stanowiska pomiarowe, 1R-4R: wiercenia rozpoznawcze)

 

Koncepcję badań przedstawiono schematycznie na Rys. 1. Poniżej przedstawiono charakterystykę poszczególnych etapów badań, według numeracji na rysunku:

  1.  Do badań wybrano obszar sandrowy o powierzchni ok. 2 km2, w dorzeczu Brdy, ok. 10 km na południowy wschód od Tucholi, pokryty osadami wodnolodowcowymi zlodowacenia Wisły. Jego podstawowym atutem jest położenie pomiędzy czterema jeziorami: Cekcyńskim Wielkim, Drzycimskim, Gwiazda i Miały, w efekcie obejmuje niewielką strefę zasilania ograniczoną jeziorami drenującymi. Nie występują dopływy lateralne, a jedynym źródłem zasilania wód podziemnych jest infiltracja opadu. Pierwsza warstwa wodonośna w piaskach sandrowych została nawiercona na głębokości 5-6 m i ma miąższość około 7-10 m. Zalegające poniżej gliny morenowe przykrywają kolejną warstwę wodonośną, o ciśnieniu stabilizującym poniżej zwierciadła warstwy górnej. Na tym obszarze przez okres dwóch lat będą rejestrowane w sposób ciągły parametry meteorologiczne, wilgotność gruntu na kilku głębokościach w 4 profilach pomiarowych (wybranych w taki sposób, aby reprezentować różne rodzaje pokrycia terenu oraz różne miąższości strefy aeracji) oraz położenie zwierciadła wód podziemnych.
  2. Własności hydrauliczne gruntów w strefie aeracji zostaną określone trzema metodami: metodą BEST, za pomocą infiltrometru podciśnieniowego i za pomocą badań laboratoryjnych. Pozwoli to na uzyskanie 3 zestawów parametrów hydraulicznych, użytych następnie w modelowaniu numerycznym.
  3. W dwóch profilach różniących się szatą roślinną zostaną wykonane badania znacznikowe przy użyciu chlorków, zainiekowanych impulsowo na powierzchni terenu. Monitorowanie zmian stężenia chlorków w strefach aeracji i saturacji pozwoli na oszacowanie średniej wartości zasilania.
  4. Równolegle zostanie opracowany program komputerowy do efektywnej symulacji numerycznej przepływu w strefie nienasyconej. Będzie to modyfikacja dostępnego bezpłatnie programu Hydrus, w którym zostanie zaimplementowana metoda numerycznego rozwiązania równania Richardsa [Szymkiewicz 2009] oraz funkcje hydrauliczne używane w metodzie BEST.
  5. Przy pomocy zmodyfikowanego programu komputerowego zostaną wykonane symulacje przepływu przez strefę aeracji w poszczególnych profilach pomiarowych. W symulacjach zostaną zastosowane parametry hydrauliczne gruntu uzyskane z badań z p.2 oraz dane meteorologiczne z p.1. Jako wynik otrzymane zostaną zmienne w czasie wartości zasilania (dopływu do zwierciadła) oraz wartości wilgotności w punktach obserwacyjnych, które zostaną porównane z pomiarami wilgotności. Symulacje pozwolą na określenie, jaki wpływ ma metoda wyznaczania parametrów na wielkości zasilania, na ile parametry otrzymane z niezależnych badań odbiegają od parametrów otrzymanych metodą kalibracji oraz czy metoda BEST pozwala na oszacowanie parametrów z dokładnością wystarczającą do praktycznego modelowania. Przewiduje się również określenie dodatkowych zestawów parametrów hydraulicznych poprzez kalibrację modeli numerycznych.
  6. Dodatkowo wartości zasilania zostaną określone na podstawie obserwacji wahań zwierciadła wody.
  7. Wartości zasilania uzyskane różnymi metodami zostaną porównane ze sobą, co pozwoli na określenie przydatności poszczególnych metod.
  8. Końcowym etapem badań będzie utworzenie modelu numerycznego dla całego badanego obszaru, uwzględniającego trójwymiarowy przepływ w strefie saturacji oraz jednowymiarowy przepływ w strefie aeracji, w warunkach nieustalonych. Umożliwi to ocenę efektywności proponowanej metody opisu zasilania w pełnym modelu hydrogeologicznym w skali lokalnej.

Projekt ma charakter nowatorski, gdyż nie prowadzono dotychczas tak szczegółowych badań nad zasilaniem na obszarach sandrowych północnej Polski, z wykorzystaniem metod terenowych, laboratoryjnych i numerycznych. Ponadto zarówno metoda oszacowania parametrów strefy aeracji BEST, jak i metoda numerycznego rozwiązania równania Richardsa [Szymkiewicz 2009] nie były dotychczas wykorzystywane do analizy rzeczywistych scenariuszy zasilania infiltracyjnego wód podziemnych.  Prowadzona w ramach projektu współpraca z czołowymi naukowcami z USA i Francji nadaje mu wymiar międzynarodowy i pozwoli na szerokie rozpowszechnienie wyników. Polodowcowe obszary sandrowe występują na znacznych obszarach Europy i Ameryki Północnej, można więc zakładać, że doświadczenia zdobyte w ramach projektu zostaną wykorzystane przez liczne grono badaczy z różnych krajów.

 Badania terenowe

 Pobór wody

 Stanowisko pomiarowe

 Próbki do badań

Projektowanie bezpośrednie kolumn CMC na podstawie badań polowych

Kierownik projektu: dr hab. inż. Lech Bałachowski, prof. nadzw. PG
Numer projektu: Program Badań Stosowanych PBS3/B2/18/2015, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
Budżet: 1 286 000 PLN
Lata trwania: 2015 - obecnie

Projekt dotyczy metody wzmacniania słabonośnego podłoża gruntowego kolumnami betonowymi o kontrolowanej sztywności i realizowany jest w partnerstwie z firmą Menard-Polska Sp. z o.o.

 

Celem praktycznym projektu jest opracowanie metod wyznaczania nośności granicznej kolumn betonowych formowanych w gruncie na podstawie wyników badań polowych (głównie CPTU i DMT) oraz parametrów wykonawczych rejestrowanych przez maszynę.

 

Cel główny zostanie osiągnięty poprzez:

opracowanie metod określania nośności kolumn zawieszonych oraz wymaganego zagłębienia kolumny w warstwie nośnej wykorzystując wyniki sondowań statycznych oraz rejestrowanych parametrów wykonawczych takich jak ciśnienie hydrauliczne KDK oraz siła posuwu.
zmniejszenie poziomu niepewności i wzrost bezpieczeństwa projektowania kolumn betonowych, poprzez wykorzystanie danych rejestrowanych podczas wiercenia do weryfikacji założeń projektowych (warunki geotechniczne, przyjęta długość kolumn) już na etapie wykonawstwa. Wykonywane później próbne obciążenia stanowiłyby jedynie potwierdzenie/weryfikację otrzymanych wyników,
oszacowanie efektu instalacji kolumn (zmiany stanu gruntu i naprężeń w gruncie) na podstawie wyników badań polowych,
określenie ewentualnego przyrostu nośności kolumn w czasie na podstawie wyników próbnych obciążeń przeprowadzonych 2 tygodnie i co najmniej 4 tygodnie od ich instalacji w gruncie.
 

Korzyści wynikające z realizacji projektu dotyczą bardziej ekonomicznego projektowania kolumn betonowych, ograniczenia ryzyka i wzrost wiarygodności metod projektowania z uwzględnieniem wyników wysokiej jakości badań polowych, próbnych obciążeń kolumn oraz parametrów rejestrowanych przez wiertnicę. Badania umożliwią pełniejszą ocenę nośności kolumn z uwzględnieniem zmian w gruncie spowodowanym instalacją grupy kolumn oraz wskutek upływu czasu od ich instalacji. Rezultaty projektu pozwolą na bardziej wiarygodną ocenę nośności kolumn na etapie rozpoznania warunków geotechnicznych i na podstawie parametrów rejestrowanych przez wiertnicę. Pozwoli to w pewnych przypadkach na podjęcie decyzji o skróceniu lub wydłużeniu zaprojektowanych kolumn.

 Pracownicy Katedry prowadzą badania gruntu na poletku doświadczalnym przy użyciu wiertnicy będącej na wyposażeniu Katedry.

 Wiertnica do wykonywania kolumn CMC z podniesionym świdrem.

 Wizualizacja zmiany naprężeń w gruncie w trakcie wykonywania kolumny CMC.

Projekt DredgDikes (Dredged Materials in Dike Construction), Urobek czerpalny w budowie wałów przeciwpowodziowych

Kierownictwo projektu: Prof. Dr.-Ing. Fokke Saathoff, Prof. dr hab. inż. Zbigniew Sikora
Budżet: 1 848 333,33 EUR
Lata trwania: 2009 - 2015

Projekt DredgDikes zainicjowany przez Uniwersytet w Rostoku i Politechnikę Gdańską ma na celu zbadanie przydatności urobku z robót czerpalnych do budowy wałów przeciwpowodziowych. Międzynarodowa współpraca uczelni, urzędów, stowarzyszeń i firm jest współfinansowana w ramach Programu Południowy Bałtyk.

Rezultatem projektu jest wielojęzyczny “Podręcznik Dobrych Praktyk”.

Strona projektu: http://www.dredgdikes.eu/pl/

  

Model stanowiska testowego wybudowanego w Trzcinisku koło Gdańska

Zespół DredgDikes Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego WILiŚ na budowie stanowiska testowego w 2012r. Od lewej: dr inż. Remigiusz Duszyński, dr hab inż. Lech Bałachowski, prof. nadzw. PG, dr hab inż. Marcin Cudny, dr inż. Mariusz Wyroślak, dr inż. Angelika Duszyńska, dr inż. Marzena Wójcik, prof. dr hab. inż. Zbigniew Sikora, dr inż. Rafał Ossowski.

Ukończone stanowisko badawcze, lipiec 2012.

Animacja eksperymentu wykonanego w 2013 roku na stanowisku testowym: zmiana stopnia nasycenia materiału tworzącego wał.