Projekt fundamen na palach, Budownictwo0, Mechanika gruntów

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
WISŁA - USTROŃ
WPPK ‘2005
KRAKÓW
XX OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJI
Wisła - Ustroń, 01
÷
04 marca 2005 r.
Kazimierz GWIZDAŁA
1
PROJEKTOWANIE FUNDAMENTÓW NA PALACH
1. Wstęp
Fundamenty palowe, od wielu lat, stosowane są w różnych rodzajach budownictwa.
Zastosowanie pali ściśle związane jest z przekazaniem dużych, skoncentrowanych obciążeń
na głębsze warstwy podłoża gruntowego. Fundamenty palowe stosujemy przede wszystkim
w następujących przypadkach:
– gdy w górnych, przypowierzchniowych obszarach podłoża zalegają grunty o małej noś-
ności i dużej odkształcalności (np. torfy, namuły, gytie, luźne nasypy, stare odpady
komunalne),
– zachodzi potrzeba przemieszczenia dużych obciążeń skupionych w postaci sił piono-
wych, poziomych, momentów, i/lub ich kombinacji (np. podpory mostów, obiekty
budownictwa hydrotechnicznego, morskiego i pełnomorskiego, wysokie budynki,
obiekty typu wieżowego),
– warunki konstrukcyjne i/lub eksploatacyjne wymagają ograniczenia bezwzględnej
wielkości osiadań lub różnicy osiadań,
– posadowienie obiektów na terenach starych odpadów komunalnych, przemysłowych
(np. obiekty handlowe, hale produkcyjne, estakady drogowe),
– zachodzi potrzeba stabilizacji skarp, zboczy, uskoków naziomu, nasypów na podłożu
odkształcalnym,
– jako obudowa głębokich wykopów, garaży podziemnych, torowisk poniżej powierzchni
terenu,
– dla potrzeb wzmocnienia istniejących fundamentów w wyniku ich uszkodzenia, lub
w celu przeniesienia zwiększonych obciążeń, lub dla przekazania obciążeń na głębsze
obszary podłoża.
W całym procesie projektowania pali i fundamentów palowych występuje kilka czynników,
które zawsze należy uwzględnić aby właściwie zaprojektować i wykonać fundament oraz
eksploatować cały obiekt.
1
Dr hab. inż., prof. nadzw. Politechniki Gdańskiej, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
1
Należy tu wymienić:
– rozpoznanie podłoża gruntowego dla wystarczającego zakresu w planie, a przede
wszystkim dla głębokości zapewniającej bezpieczne projektowanie pali o określonej
długości,
– projektowanie technologii pali, dobór najwłaściwszego rodzaju pala pod względem
warunków gruntowych, dla aktualnych założeń konstrukcyjnych, przyjęcie technologii
spełniającej warunki szeroko rozumianej ekologii, z uwzględnieniem bezpiecznego
i ekonomicznego posadowienia,
– wykonanie analizy obliczeniowej, wyznaczenie sił w palach, sił wewnętrznych w fun-
damencie, określenie nośności i przemieszczeń fundamentu z dążeniem do wiarygodnej
oceny pełnej zależności obciążenie – osiadanie,
– przyjęcie i określenie szczegółowych warunków wykonania fundamentu palowego,
– wykonanie badań kontrolnych nośności i jakości palowania, przeprowadzenie próbnych
obciążeń statycznych, dynamicznych, jakości i długości pali,
– kontrola powykonawcza całości posadowienia, praca zespołu budowla – fundament –
podłoże, pomiary osiadań, ocena przemieszczeń, współpraca z podłożem w czasie,
monitoring obiektu.
Pale charakteryzowane są wielkością średnicy trzonu i podstawy oraz długością trzonu.
Należy jednocześnie zdefiniować rozpatrywany element, tzn. fundament palowy i stosować
zasady wykonawstwa i obliczeń przewidywane dla tego rodzaju fundamentów. Najprostszym
kryterium inżynierskim jest przyjęcie zagłębienia względnego
L
/
D
≥ 10 (gdzie
L
jest
długością, a
D
średnicą pala). Przyjęcie krótkich elementów (wykonywanych sprzętem do
pali) o znacznej średnicy często prowadzi do pracy fundamentu jak dla fundamentu bloko-
wego. Podstawowym wyznacznikiem pracy pala pojedynczego w podłożu gruntowym jest
zależność osiadania od przyłożonego obciążenia.
Zgodnie z Eurokodem 7 oraz dobrą praktyką inżynierską za jedyną pewną metodę oceny
rzeczywistej nośności oraz osiadań pali i fundamentów palowych uznaje się
próbne obcią-
żenia statyczne
. Taki sposób oceny pracy pali w podłożu gruntowym przyjęty został również
w PN-83/B-02482.
Zależności charakteryzujące współpracę pala z podłożem były wielokrotnie przedstawiane
w literaturze. Szczegółowo zagadnienie to omówiono między innymi w pracy autora
(Gwizdała, 1996). Uogólnione zależności przedstawiono na rys. 1 i rys. 2.
Rys. 1. Pal w podłożu gruntowym: a) oznaczenie podstawowe, b) rozkład oporów
2
Należy tu uwzględnić następujące charakterystyki:
– krzywą osiadania
Q
-
s
, zależność obciążenia całkowitego w głowicy od osiadania,
– opór wzdłuż pobocznicy w zależności od osiadania,
– opór pod podstawą pala w zależności od osiadania ,
– rozkład oporów na pobocznicy wzdłuż długości pala,
– skrócenie własne trzonu pala.
Rys. 2. Uogólnione krzywe osiadania: a) dla pali wbijanych, b) dla pali wierconych
Na rys. 2a przedstawiono uogólnione zależności dla pali wbijanych, na rys. 2b dla pali
wierconych w odniesieniu głównie dla pali wielkośrednicowych. Najbardziej istotne i charak-
terystyczne są obszary znacznego załamania się krzywych oraz bezwzględne wartości
osiadań, dla których opory osiągają wartości graniczne lub krytyczne. Różny stopień mobili-
zacji oporów na pobocznicy i pod podstawą w zależności od osiadania łatwo pozwala
zrozumieć różnice w wartości cząstkowych współczynników bezpieczeństwa, patrz np.
Eurokod 7. Krzywe te są również ważną wskazówką dla projektanta przy ocenie pracy
fundamentu palowego oraz interpretacji wyników próbnych obciążeń statycznych.
W praktyce projektowej istnieje obowiązek oceny rzeczywistej krzywej osiadania na
podstawie próbnych obciążeń. Ocena ta dotyczy jedynie pala pojedynczego ale jest również
podstawą oceny pracy całego fundamentu palowego. Rygorystyczny wymóg próbnych
obciążeń w skali naturalnej spowodowany jest wieloma czynnikami, które wpływają na
rzeczywisty mechanizm przekazywania obciążeń na podłoże gruntowe w zależności od
technologii pala oraz warunków geotechnicznych.
Sposób przekazywania obciążeń na podłoże przez pale oraz zależność obciążenie -
- osiadanie jest uwarunkowana wieloma czynnikami:
a) w odniesieniu do podłoża gruntowego:
– rodzajem gruntu; szczególną uwagę należy zwrócić na piaski drobne, piaski pylaste,
pyły, iły pęczniejące, dodatkowe komplikacje powoduje zwierciadło wody gruntowej
oraz przemienne uwarstwienie podłoża,
– naturalnym stanem naprężenia in situ w podłożu; grunty nasypowe, normalnie
skonsolidowane i prekonsolidowane,
– stanem naprężenia w bezpośrednim sąsiedztwie podstawy i pobocznicy, po wyko-
naniu pala,
3
– uziarnieniem gruntu, ze szczególnym uwzględnieniem wskaźnika różnoziarnistości,
– stopniem wilgotności gruntu, stanem nawodnienia oraz zmianami poziomu wód
gruntowych,
– współczynnikami filtracji a szczególnie współczynnikiem filtracji poziomej,
– naturalnym położeniem zwierciadła wody gruntowej oraz przewidywaną jego
zmianą w przestrzeni, szczególnie gdy istnieje przepływ poziomy
b) w odniesieniu do samego pala:
– rodzajem materiału samego pala, sztywnością trzonu pala (wpływ modułu odkształ-
cenia trzonu),
– rzeczywistą szorstkością trzonu pala oraz stopniem nierównomierności styku pal -
- podłoże,
– sposobem wykonania pala; pale wiercone, przemieszczeniowe, wpływ różnorodnych
technologii wykonania,
– średnicą i długością pala; zagłębienie rzeczywiste oraz zagłębienie względne
L
/
D
,
minimalne długości pala zapewniające prawidłową pracę jako fundamentu palowego,
praca pali długich,
– możliwymi odchyłkami od projektowanej średnicy w zależności od rodzaju i stanu
gruntu, wytrzymałości na ścinanie gruntów słabonośnych (np. organicznych) oraz
zastosowanych parametrów technologicznych,
– rodzajem zastosowanego urządzenia wprowadzającego pal, zupełnie różne są efekty
w zależności od zastosowanego młota wolnospadowego, młota spalinowego, młota
hydraulicznego, wibromłota,
– szybkością i sposobem wiercenia i zabezpieczenia otworu, np. pale wiercone z rurą
obsadową, w bentonicie, bez zabezpieczenia otworu, pale CFA, Atlas, Omega,
wiercenie w gruntach pęczniejących,
– sposobem betonowania, prędkością podawania betonu i ciśnieniem w czasie betono-
wania,
– jakością i konsystencją mieszanki betonowej, stopniem utrzymania wody zarobowej
w masie świeżego betonu, współczynnikiem filtracji świeżego betonu,
– czasem betonowania po wykonaniu otworu i stopniem odprężenia podłoża przy
pobocznicy, a szczególnie w podstawie pala,
– wpływem na stan naprężenia podłoża ewentualnego wykorzystania urządzeń
ułatwiających wprowadzenie pala, np. użycie płuczki wodnej w budownictwie
hydrotechnicznym, użycie podpłukiwania z wykorzystaniem zaczynu cementowego,
– stopniem utrzymania wymagań technologicznych w czasie całego procesu wyko-
nania pala oraz dla całego fundamentu palowego,
– właściwą kolejnością wykonania pali w fundamencie w zależności od rodzaju pala,
rodzaju i stanu gruntu,
– zastosowania zabiegów polepszających mechaniczne własności podłoża pod podsta-
wą i wzdłuż pobocznicy, w czasie lub po wykonaniu pala (np. iniekcje cementowe
pod podstawą i/lub pobocznicy).
W zależności od rodzaju gruntu, zastosowanej technologii i rzeczywistych parametrów, które
wystąpiły w rzeczywistości w konkretnym palu jego zachowanie się w czasie normalnej pracy
konstrukcji może być bardzo różne (patrz czynniki powyżej). Ujmując rzecz historycznie
należy podkreślić znaczący wpływ rozwoju techniki, technologii i możliwości coraz to
nowych maszyn.
4
Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę technologii najczęściej wykorzystywanych
w ostatnich latach.
Jako pozytywną sytuację należy ocenić fakt poszukiwania najlepszej technologii, która
oferuje dobrą pracę pala w podłożu, duże tempo prac oraz niskie, konkurencyjne koszty
(z uwzględnieniem kosztów bezpośrednich i innych kosztów pośrednich związanych z daną
technologią)
2. Współczesne technologie pali
Uwzględniając aktualne możliwości sprzętowe w Polsce i Europie (przestały praktycznie
istnieć bariery dotyczące transferu nowych technologii z innych krajów) należy stwierdzić, że
zakres stosowanych obecnie technologii pali jest bardzo szeroki.
Pewne ramy podziału uwarunkowane są obecnie ustanowieniem dwóch norm:
– pale przemieszczeniowe, PN-EN 12699:2002,
– pale wiercone, PN-EN 1536:2001.
Podział ten nie zawiera wszystkich technologii, gdyż obecnie zróżnicowanie to jest znacznie
szersze, ale może być podstawą do dalszej systematyki.
2.1. Pale przemieszczeniowe
Prefabrykowane pale wbijane
są znane i stosowane w Polsce od wielu lat. Można tu
przypomnieć niektóre, charakterystyczne ich podziały i cechy. Wyróżniono następujące
rodzaje:
– pale pełne o wymiarach przekroju poprzecznego od 25×25 do 40×40 cm, najczęściej do
długości 18 m,
– pale w postaci rur z dnem zamkniętym i otwartym.
Pale prefabrykowane stosowano często w latach siedemdziesiątych w różnych rodzajach
budownictwa. Później obserwowano wyraźny zastój. Nowe możliwości technologiczne
i sprzętowe, kontakty z firmami zagranicznymi oraz konkurencyjne ceny spowodowały, że
w ostatnich latach obserwujemy powrót pali prefabrykowanych do praktyki.
O ich stosowaniu decydują następujące cechy (patrz również, Rybak Cz. i inni, 2002, Rybak
Cz., Rybak J., 2003, Gwizdała, 2003):
– szybkość wykonania, 200 ÷ 350 m długości pali dziennie przy zastosowaniu jednej
palownicy,
– znaczna długość pali, przy zastosowaniu pali łączonych do 40 m,
– łatwość dostosowania aktualnej długości do lokalnych warunków gruntowych
(np. soczewki słabego gruntu, miejscowe przegłębienia),
– zastosowanie wysokiej klasy betonu (B50) zapewnia dobrą sprężystość pala, wysoką
skuteczność wbijania, dużą trwałość i odporność na zarysowania,
– wysokiej klasy beton zapewnia odpowiednią szczelność i mrozoodporność oraz odpor-
ność na agresywne działanie wody, gruntu, gazów oraz składowanych materiałów na
składowiskach odpadów,
– „czysty” plac budowy bez wydobywania gruntów na powierzchnię i potrzeby ich wy-
wiezienia, szczególnie gdy w podłożu zalegają namuły torfy, gytie, grunty zanieczysz-
czone,
– stosunkowo niewiele sprzętu na budowie,
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]