Nasyp z geosyntetycznym wzmocnieniem podstawy posadowiony na pionowych elementach nośnych

Transkrypt

1 Nasyp z geosyntetycznym wzmocnieniem podstawy posadowiony na pionowych elementach nośnych Dr inż. Angelia Duszyńsa Politechnia Gdańsa, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowisa Mgr inż. Monia Maasewicz-Dziecinia Keller Polsa Sp. z o. o. Na obszarach występowania gruntów nienośnych, niesonsolidowanych celem posadowienia obietów inżyniersich (np. nasypów omuniacyjnych) wyorzystuje się technologie posadowienia pośredniego na pionowych elementach nośnych, tj. palach lub olumnach, stosując zbrojenie geosyntetyczne, tóre ułada się powyżej głowic lub czape. System ten znany jest w świecie jao GP geosynthetic reinforced and pile supported embanments. Niestety, pomimo prężnie rozwijającej się branży geosyntetyów w budownictwie omuniacyjnym, w Polsce bra jest norm do projetowania onstrucji z gruntu zbrojonego, co słania do sorzystania z dostępnych zaleceń zagranicznych. W artyule powołano się na wytyczne BGO 010 [3], tóre pełnią w Niemczech funcję załącznia rajowego do wdrożonego uroodu 7 i wraz z DIN 1054 [1] stanowią spójny system normowy w zaresie projetowania geotechnicznego z użyciem geosyntetyów. Metoda zaproponowana w omawianych wytycznych [3] opiera się na modelu slepienia ( łuu z ang. arching) zaproponowanego przez Zaese w 001 rou [8]. Korzystając z niej, należy mieć świadomość, że nie uwzględnia się w niej wszystich czynniów oddziaływujących na system: nasyp zbrojenie geosyntetyczne pale, jednaże zasadniczo otrzymane wynii są po stronie bezpiecznej. ZALCNIA OGÓLN Według zaleceń BGO 010 [3], pojęcie grunt zbrojony na puntowych lub liniowych, pionowych elementach nośnych odnosi się do gruntu nasypowego wzmocnionego pojedynczą warstwą geosyntetyu lub wieloma warstwami, załadając struturę ompozytową taiego uładu. Kompozyt z gruntu i geosyntetyów ułada się na rodzimym, słabym podłożu i elementach nośnych (rys. 1). Zbrojenie geosyntetyczne przystosowane jest do równomiernego przeazywania zarówno stałych, ja i zmiennych obciążeń na odpowiednio nośny grunt, za pośrednictwem pali lub olumn. Zbrojenie podstawy budowli ziemnej jest pewnego rodzaju mostem pomiędzy elementami nośnymi wyorzystującym tzw. efet membrany. Słaby grunt zostaje częściowo lub prawie w całości odciążony. fet oddziaływania zbrojenia geosyntetycznego w onstrucji z gruntu zbrojonego może uatywnić się tylo w wyniu jego prawidłowego zaotwienia. W przypadu nasypów należy uwzględnić sprawdzenie stateczności sarp. Zbrojenie jest poddawane oddziaływaniu obciążeń pionowych między elementami nośnymi, tóre są reduowane przez występowanie efetu slepienia i odciążane na sute reacji gruntu poniżej zbrojenia. W BGO 010 [3] zaleca się jedno- lub dwuwarstwowe zbrojenie geosyntetyczne, według jednej z powszechnie stosowanych opcji: dla puntowych elementów nośnych: jedna lub dwie warstwy zbrojenia dwuierunowego, dwie warstwy zbrojenia jednoierunowego w uładzie prostopadłym, Rys. 1. Grunt zbrojony na puntowych lub liniowych elementach nośnych [3] 1 zbrojona budowla ziemna, płaszczyzna zbrojenia, 3 podsypa, 4 grunt słaby, 5 grunt nośny, 6 puntowe elementy nośne, 7 liniowe elementy nośne, 8 strefa podparcia elementów nośnych, 9 powierzchnia styu (ontatu) gruntu zbrojonego, 10 obszar z gruntu niespoistego, 11 obciążenia naziomu INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013 17

2 Rys.. Ułady elementów nośnych [3] dla liniowych elementów wzmacniających podłoże gruntowe: jedno- lub dwuwarstwowe zbrojenie dwuierunowe w poprze płaszczyzny podparcia. Przy zastosowaniu dwóch warstw zbrojenia geosyntetycznego należy oddzielić je warstwą ruszywa o miąższości od 15 do 30 cm. fetywność działania uładu budowla zbrojenie geosyntetyczne elementy nośne i odciążenia gruntu słabego pomiędzy elementami nośnymi wzrasta wraz ze: zmniejszeniem osiowego rozstawu s elementów nośnych, wzrostem wysoości h onstrucji z gruntu zbrojonego, zmniejszeniem odległości z płaszczyzny zbrojenia, wzrostem stosunu d / s lub b / s, L wzrostem siły rozciągającej w zbrojeniu, tzn. wraz z wzrostem osiowej sztywności i wytrzymałości na rozciąganie, wzrostem wytrzymałości na ścinanie materiału, z tórego sonstruowano budowlę ziemną. Zalecane zmienne geometryczne według [3]: h / (s d) 0,8 przy przeważających obciążeniach statycznych, wyższy stosune h / (s d) jest zalecany przy dużych obciążeniach zmiennych, d / s 0,15, b / s 0,15, L z 0,15 m przy jednowarstwowym zbrojeniu, z 0,30 m przy dwuwarstwowym zbrojeniu, wolny rozstaw między powierzchniami podparcia A s elementów nośnych powinien być ograniczony wartościami: ( s d) 3,0 m lub (s b L ) 3,0 m przy przeważających obciążeniach statycznych, ( s d),5 m lub (s b L ),5 m przy przeważających obciążeniach dynamicznych, 0,5 s x / s,0, y h, z według rys. 1, s, d, b L według rys.. Należy zwrócić uwagę na ograniczenia metody obliczeniowej zaproponowanej w wytycznych BGO 010: uład elementów nośnych w siatce prostoątnej, ewentualnie uład wadratowy obrócony o 45 (ułady w siatce trójątnej nie są rozpatrywane), stosune współczynnia reacji gruntu s,t (dla elementu nośnego) do s (dla podłoża) w płaszczyźnie ontatu zbrojenia budowli ziemnej powinien być więszy niż 75. ODDZIAŁYWANIA NA KONSTRUKCJĘ W obliczeniach omawianego uładu fundamentowego należy uwzględniać następujące efety oddziaływań: sładową normalną naprężenia s zo,, działającą na płaszczyznę pomiędzy powierzchniami podparcia (elementami nośnymi) (rys. 3), sładową normalną naprężenia s zs, na powierzchni podparcia A s (w płaszczyźnie ontatu gruntu zbrojonego) (rys. 3), sierowane na zewnątrz siły ścinające i siły rozłożone w nasypie, naprężenie rozciągające w geosyntetyach. Rozład obciążeń jest opisany przez współczynni L : s A zs, s L = (1) ( γ h + p) A A s powierzchnia podparcia (rys. ), A strefa wpływu elementów nośnych (rys. ), γ jednostowy ciężar objętościowy gruntu zbrojonej budowli ziemnej, pozostałe oznaczenia według rys. 3. Współczynni rozładu obciążeń wsazuje, jai udział w całowitych obciążeniach stanowią obciążenia przeazane bezpośrednio na elementy nośne. Załada się, że charaterystyczne sładowe normalne naprężenia s zo, i s zs, w płaszczyźnie zbrojenia są rozłożone równomiernie, oreślone jao funcja granicznych uwarunowań geometrycznych i charaterystycznej wartości ąta tarcia wewnętrznego gruntu φ lub φ s,. W obliczeniach można uwzględnić obciążenie naziomu p na wysoości h na oronie budowli ziemnej (rys. 3). 18 INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013

3 g jednostowy ciężar objętościowy gruntu zbrojonej budowli ziemnej [N/ m 3 ], p charaterystyczna wartość obciążeń na oronie zbrojonej budowli ziemnej [N/m ], h g wysoość slepienia [m]: hg = s / dla h s /, hg = h dla h < s /, h patrz rys. 1, s, d patrz rys., K crit rytyczny współczynni sładowych naprężeń głównych. K crit φ = tan 45 + (3) Rys. 3. Zmiana rozładu naprężenia w płaszczyźnie ontatu w wyniu zjawisa slepienia [3] Sładowa naprężenia σ zo, pomiędzy elementami nośnymi Dla puntowych elementów nośnych w uładzie prostoątnym sładową normalną naprężenia, pochodzącą od oddziaływań stałych G: s zo,g, lub sładową normalną naprężenia, pochodzącą od oddziaływań stałych i zmiennych G + Q: s zo,g+q,, wyznacza się z wzoru () lub odczytuje z wyresów. Przyładowy wyres, dla φ = 30º (gdzie φ jest wartością charaterystycznego efetywnego ąta tarcia wewnętrznego zbrojonej budowli ziemnej), przedstawiono na rys. 4, gdzie za s zo, należy przyjąć s zo,g, lub s zo,g+q,. χ p χ s zo, =λ1 γ + h ( λ 1+ hg λ ) + h χ hg λ χ + hg λ 1+ λ 1+ hg λ) 4 () d ( K crit 1) χ= λ s 1 ( ) 8 s d (4) λ = (5) 1 s + d s d λ = s Sładowa naprężenia σ zs, działająca na elementy nośne Stosując oznaczenia z rys. 3, sładową normalną naprężenia s zs,, działającą na powierzchnię podparcia A s dla puntowych i liniowych elementów nośnych wyznacza się ze wzoru (7): zs, zo, zo, As (6) A s = ( γ h+ p ) s +s (7) Siłę działającą na elementy nośne wyniającą ze sładowej naprężenia s zs, oblicza się na podstawie wzorów (8) i (9). Dodatowo, na powierzchnię podparcia działają siły normalne, pochodzące od zbrojenia geosyntetycznego, tóre są funcją reacji podłoża. F =s A (8) S, zs, s FS, = ( γ h+ p) A (9) ODDZIAŁYWANIA NA ZBROJNI GOSYNTTYCZN Rys. 4. Sładowa normalna naprężenia s zo, pomiędzy powierzchniami podparcia w płaszczyźnie ontatu onstrucji z gruntu zbrojonego dla punowych elementów nośnych ( φ = 30 ) [3] W analizie poziomego zbrojenia geosyntetycznego, zainstalowanego powyżej elementów nośnych, sładową normalną naprężenia s zo przyjmuje się jao zewnętrzne oddziaływanie na zbrojenie lub jao obciążenie przypadające na powierzchnię A L. Wyniowe całowite obciążenie na powierzchnię A L dla puntowych elementów nośnych przyjmuje się w przybliżeniu jao rozłożone trójątnie na pasie zbrojenia o szeroości b (rys. 5), gdzie b jest szeroością prostoątnej głowicy pala. Dla pali o przeroju ołowym o średnicy d, równoważną szeroość głowicy pala b rs oreśla się z wzoru (10). brs 1 = d π (10) INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013 19

4 Rys. 5. Wypadowa siła F działająca na płaszczyznę zbrojenia [3] Rys. 6. Masymalne odształcenie e zbrojenia pomiędzy powierzchniami podparcia [3] W obliczeniach według [3] wprowadza się uład x-y z powiązanymi powierzchniami działania obciążeń A Lx i A Ly. Obciążenia liniowe q z,w [x] i q z,w [y] działają na odpowiednim odcinu L W,x = (s x b rs ) i L W,y = (s y b rs ) (rys. 5). Obciążana powierzchnia: 1 d sy π ALx = ( sx sy ) atan sx 180 (11) Oddziaływania wyniające z efetu membrany Wartość charaterystyczna siły wypadowej F jest oreślona dla uładu prostoątnego puntowych elementów nośnych, zgodnie z rys d s ( ) atan x π ALy = sx sy (1) s y 180 Wypadowa działania obciążenia przydająca na pas zbrojenia o szeroości b rs : F = A s (13) x, Lx zo, 0 INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013

5 F = A s (14) y, Ly zo, Oddziaływanie (siła rozciągająca w zbrojeniu geosyntetycznym) będące wyniiem efetu membrany, oreślone jest wzorem (15). =e J (15) M, J oznacza charaterystyczną wartość osiowej sztywności (moduł z rzywej rozciągania) zbrojenia geosyntetycznego (jednosta N/m). Sztywność osiowa jest funcją obciążeń i zmniejsza się w czasie na sute odształceń związanych z pełzaniem. W celu uwzględnienia tego zjawisa w projetowaniu, wyorzystuje się izochrony zbrojenia przedstawiające zależności siły rozciągającej od czasu i odształcenia. Wartość masymalnego odształcenia zbrojenia geosyntetycznego między dwoma powierzchniami podparcia można wyznaczyć z wyresu przedstawionego na rys. 6, tóry ma zastosowanie do odpowiednio sztywnych pionowych elementów nośnych lub powierzchni podparcia. Wspomniany wyres wyorzystywany jest do przyjęcia oddziaływań stałych i zmiennych równych F, ja poazano na rys. 5. s,1, s,, s,3, s = t + t + t w.1 s,, s,3, w. s,1, s,3, w.3 s,1, s,, Rys. 7. Szacowanie modułu reacji podłoża dla różnych warstw gruntu poniżej płaszczyzny zbrojenia [3] Szacowanie modułu reacji podłoża warstwy słabej Dla jednorodnej warstwy słabej moduł reacji podłoża może być oszacowany na podstawie modułu podatności warstwy s, biorąc pod uwagę miąższość warstwy t w. Stosując wzór (16), pomija się reducję naprężenia wraz z głęboością. s, s = (16) tw Kila warstw i gruntu poniżej zbrojenia może być w przybliżeniu oreślone, stosując moduł reacji podłoża s proporcjonalnie do grubości warstwy t wi, ja we wzorze (17) (rys. 7). i sn, n= 1 s =, m n i i t Wn, sm, n= 1 m= 1 Oddziaływania związane z parciem gruntu (17) Rozróżnia się dwie procedury do oreślenia wpływu oddziaływań parcia gruntu na zbrojenie geosyntetyczne. Procedura 1. Siła oddziałująca na zbrojenie geosyntetyczne wywołana jest przyjętym parciem atywnym gruntu, działającym na odcinu między oroną onstrucji zbrojonej i poziomem ułożonego zbrojenia geosyntetycznego. Atywne parcie gruntu oreśla się według DIN 4085 [], biorąc pod uwagę obciążenie naziomu p. Jeżeli słaba warstwa gruntu zalega do powierzchni ontatu budowli ziemnej (rys. 8) lub tylo ciena warstwa gruntu niespoistego przyrywa warstwę słabą, siłę wyznacza się ze wzoru (18). = (18) ah, Jeżeli warstwa słaba jest przyryta grubszą warstwą gruntu niespoistego, ja poazano na rys. 9, do obliczeń można przyjąć odpór gruntu ph, i efet oddziaływań na zbrojenie oreślać wypadową sił zgodnie ze wzorem (19). = 0,5 (19) ah, ph, inf. p parcie związane z obciążeniem naziomu, inf. γ parcie związane z ciężarem guntu Rys. 8. Dodatowe oddziaływania w zbrojeniu geosyntetycznym działające w sarpach nasypu z zastosowaniem procedury 1 bez lub tylo z cieną warstwą przyrywającą z gruntu niespoistego [3] INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013 1

6 inf. p parcie związane z obciążeniem naziomu, inf. γ parcie związane z ciężarem guntu Rys. 9. Dodatowe oddziaływania w zbrojeniu geosyntetycznym w sarpach nasypu, z zastosowaniem Procedury 1, uwzględniając zależność obciążenie nośność warstwy przyrywającej z gruntu niespoistego [3] Jednaże odpór gruntu można uwzględniać, gdy będą spełnione poniższe waruni: warstwa przyrywająca z gruntu nośnego niespoistego powinna być przynajmniej średnio zagęszczona i mieć miąższość co najmniej równą 0% wysoości nasypu, ale nie mniej niż 1 m, charaterystyczny odpór gruntu od zasypu przyrywającego może być uwzględniony tylo w 50% odporu obliczonego zgodnie z DIN 4085 []. Stosując analizę według procedury 1 załada się, że zbrojenie geosyntetyczne jest odpowiednio zaprojetowane i pionowe elementy nośne nie wyazują nadmiernych odształceń. Zasadniczo nie jest onieczne analizowanie odształceń elementów nośnych. Procedura. Alternatywnie do procedury 1 efety oddziaływań przeazywane na zbrojenie geosyntetyczne mogą być oreślone zgodnie z rys. 10 i wzorem (0). Według podejścia załada się, że pionowe elementy nośne mogą wyazywać duże odształcenia. Zalecane jest wyonanie analizy odształceń pionowych elementów nośnych, stosując np. metody numeryczne. Na rys. 10 i we wzorze (0) rozważono procedurę w przypadu, w tórym słaba warstwa gruntu zalega tuż pod powierzchnią ontatu gruntu zbrojonego lub jest przyryta tylo cieną warstwą gruntu niespoistego. ah, = max (0) M, ah, wyniowe parcie czynne, działające na odcinu od orony onstrucji do zbrojenia geosyntetycznego, z uwzględnieniem obciążenia naziomu p według DIN 4085 (rys. 10), M, patrz wzór (15). Jeżeli słaba warstwa gruntu jest przyryta warstwą gruntu niespoistego, należy postępować według Procedury 1. fet oddziaływania na zbrojenie geosyntetyczne podano wzorem (1). ah, 0,5 ph, = max (1) M, ah, wyniowe parcie czynne, działające na odcinu od orony onstrucji zbrojonej do podstawy warstwy przyrywającej z gruntu niespoistego, z uwzględnieniem obciążenia naziomu p według DIN 4085 (rys. 9), ph, wyniowy odpór od warstwy przyrywającej z gruntu niespoistego (rys. 9), M, patrz wzór (15). WYTYCZN BGO 010 W ŚWITL NAJNOWSZYCH BADAŃ Wraz z opubliowaniem wytycznych BGO 010 w literaturze branżowej zaczęły pojawiać się artyuły wsazujące na jej Rys. 10. Oddziaływania na zbrojenie geosyntetyczne, w sarpach nasypu przy zastosowaniu Procedury [3] INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013

7 Rys. 11. Rozład obciążeń pionowych w dwóch etapach obliczeniowych [7] onserwatywność metody [4, 5], a nawet ewentualne błędy lub nieścisłości w nietórych założeniach [7]. Rys. 1. Obciążenia A przeazywane na pale wyznaczone w badaniach terenowych i według BGO 010 [7] Ta ja sygnalizowano we wstępie artyułu należy zwrócić uwagę na to, że w metodzie obliczeniowej opisanej w BGO nie uwzględniono nietórych czynniów, tóre na pewno mają wpływ na pracę uładu budowla ziemna zbrojenie geosyntetyczne pionowe elementy nośne. Do czynniów tych zaliczyć można [4]: wpływ uładu (siati) pionowych elementów nośnych, wpływ obciążeń cylicznych na mechanizm przenoszenia obciążeń, wpływ strutury wyrobów geosyntetycznych i liczby warstw zbrojenia. Szczególnie rytyczny jest artyuł Van eelena i Bezuijena w holendersim miesięczniu Geotechnie z 01 rou [7], w tórym powołano się na wynii własnych badań autorów dotyczących zbrojenia geosyntetycznego podstawy nasypu posadowionego na palach. Program badawczy obejmował ila długoterminowych badań terenowych i badań laboratoryjnych. Doświadczenia przeprowadzono na nasypach posadowionych na palach, m.in. na nasypie olejowym w Houten (Holandia). Otrzymano zasaujące rezultaty, tóre jednoznacznie wsazywały, że potrzebna obliczeniowa wartość wytrzymałości geosyntetyów wyznaczona według BGO 010 [3] jest znacząco wyższa od wytrzymałości oreślonej na podstawie badań. W badaniach supiono się na rozróżnieniu obciążeń na: A obciążenia przeazywane bezpośrednio na pionowe elementy nośne (pale/olumny), B obciążenia przeazywane na elementy nośne za pośrednictwem zbrojenia geosyntetycznego, C obciążenia przejmowane przez podłoże gruntowe. Wynii badań wyazały, że obciążenia A przeazywane bezpośrednio na pale są więsze niż obliczone zgodnie z zaleceniami BGO 010. Jedną z przyczyn rozbieżnych wyniów jest fat, że na wzrost obciążeń A i na wzrost efetu slepienia wpływa onsolidacja podłoża, odwrotnie do założeń BGO (rys. 1) [7]. Ponadto odształcenia zbrojenia geosyntetycznego zmierzone podczas doświadczeń w etapie (rys. 13) potwierdzają, że odształcenia występują głównie w pasie między sąsiednimi palami, jedna naprężenia w rzeczywistości mają inny rozład niż przyjęty w wytycznych BGO. INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013 3

8 Rys. 13. Porównanie wyniów badań z zaleceniami BGO dla etapu obliczeniowego [7] W pracy [7] udowodniono onieczność wprowadzenia do zaleceń BGO przynajmniej dwóch poniższych modyfiacji: 1) rozład naprężenia na zbrojenie geosyntetyczne w pasie między palami powinien mieć ształt odwróconego trójąta, odwrotnie do założeń BGO, ) udział podłoża gruntowego w przejmowaniu obciążeń należy uwzględniać na całej powierzchni poniżej zbrojenia geosyntetycznego, a nie tylo między sąsiednimi elementami nośnymi. Z badań wynia, że wprowadzenie tylo tych dwóch modyfiacji prowadzi do wyznaczenia wymaganej wytrzymałości geosyntetyu mniejszej o 43% 66%. PODSUMOWANI Wzrost zastosowania geosyntetyów w budownictwie powoduje olbrzymie zapotrzebowanie na precyzyjne wytyczne projetowania onstrucji z gruntu zbrojonego. Niestety w Polsce bra jest norm i spójnych zaleceń regulujących zasady projetowania onstrucji z zastosowaniem geosyntetyów. Projetanci muszą wspierać się zatem zagranicznymi opracowaniami, m.in. normą niemiecą DIN 1054 wraz z zaleceniami BGO 010 i brytyjsą normą BS Jednaże sama znajomość tych wytycznych nie wystarczy. Inżynier powinien swoją wiedzę poprzeć znajomością lasycznej geotechnii, a taże interesować się wyniami atualnych prac badawczych z tej dziedziny. Korzystając z metody obliczeniowej zaproponowanej w zaleceniach BGO 010, należy pamiętać, że nie uwzględnia ona wszystich czynniów wpływających na pracę systemu budowla ziemna zbrojenie geosyntetyczne pionowe elementy nośne. Badania holendersich nauowców, przytoczone w tym artyule wyazały, że wymagana wytrzymałość geosyntetyów liczona według wytycznych BGO może być nawet o iladziesiąt procent zawyżona. Można jednaże stwierdzić, że wartość wyznaczona w ten sposób jest bezpiecznie przyjęta, jedna to onserwatywne podejście może generować dodatowe oszty ponoszone na realizację inwestycji. 1.. LITRATURA DIN 1054 Baugrund Sicherheitsnachweise im rd und Grundbau. DIN 4085 Baugrund Berechnung des rddrucs. 3. BGO 010: Recommendations for Design and Analysis of arth Reinforcements. German Geotechnical Society, Monachium, Gebreselassie B., Lüing J. & Kempfert H.-G.: Influence factors on the performance of geosynthetic reinforced and pile supported embanments. 9th International Conference on Geosynthetics, Brazil, Lawson C. R.: Role of Modelling in the Development of Design Methods for Basal Reinforced Piled mbanments. To be published in the Proceedings of urofuge 01, Delft, the Netherlands, Maasewicz-Dziecinia M.: Zbrojenie geosyntetyczne podstawy nasypu drogowego posadowionego na olumnach betonowych. Praca dyplomowa inżyniersa wyonana pod ieruniem A. Duszyńsiej, Politechnia Gdańsa, Van eelen S. J. M., Bezuijen A.: Dutch Research on basal reinforced piled embanments. Geotechnie Independent Journal for the Geotechnical Sector, Uitgeverij ducom BV Zaese D.: Zur Wirungsweise von unbewehrten und bewehrten mineralischen Tragschichten über pfahlartigen Gründungselementen. Schriftenreihe Geotechni, University of Kassel, Issue 10, INŻYNIRIA MORSKA I GOTCHNIKA, nr 3/013