Dodatkowe oddziaływanie boczne

Transkrypt

1 Dodatkowe oddziaływanie boczne na pale od gruntu o małej nośności prof. dr hab. inż. Kazimierz Gwizdała, dr inż. Andrzej Słabek Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechnika Gdańska Obiekty mostowe są obecnie bardzo często posadowione w obszarach, w których podłoże gruntowe jest uwarstwione z kilkumetrowymi przewarstwieniami gruntów o małej nośności. Posadowienie obiektu mostowego (most, wiadukt) jest zwykle analizowane i obliczane z punktu widzenia przekazania obciążeń poprzez pale na głębsze nośne warstwy gruntu. Oddziaływania, które są przede wszystkim uwzględniane przez projektantów, to obciążenia pionowe, obciążenia boczne od parcia gruntu, sił hamowania i tarcia w łożyskach. 16 Obserwacje wielu obiektów mostowych wskazują, że niedocenione lub nieprawidłowo oceniane jest oddziaływanie boczne od gruntów o małej nośności i dużej odkształcalności zalegających w sąsiedztwie przyczółków lub podpór pośrednich, spowodowane różnymi przyczynami. Najczęściej są to: obciążenia pionowe od kilkumetrowych nasypów, obciążenia użytkowe na nasypach, obciążenia od maszyn i urządzeń w czasie procesu budowlanego, obciążenia boczne w czasie wykonawstwa pali i kolumn przemieszczeniowych. Przykładowe schematy takich oddziaływań przedstawiono na rys. 1. Schematy przedstawione na rys. 1 dotyczą następujących sytuacji: obciążenie od nasypów posadowionych bezpośrednio na gruncie słabonośnym, spotęgowane ruchem pojazdów na nawierzchni drogowej lub jeszcze w czasie wykonawstwa od maszyn i urządzeń w fazie budowy (rys. 1a); oddziaływanie od obciążenia w pasie komunikacyjnym pomiędzy podporami pośrednimi od ruchu pojazdów, okresowego składowania materiałów, z uwzględnieniem różnych poziomów jezdni w sąsiedztwie podpory (rys. 1b); wykonanie wzmocnienia podłoża pod nasypem za pomocą kolumn lub pali przemieszczeniowych, w bezpośrednim sąsiedztwie przyczółka najczęściej na etapie pośrednim wykonawstwa, gdy przyczółek jest w fazie bez przęsła lub zamknięcia górnego rygla i jest najbardziej narażony na niekontrolowane przemieszczenia lub obroty (rys. 1c); dodatkowe parcie od gruntu słabonośnego na pale podpory pośredniej spowodowane intensywną wymianą gruntu w fazie, gdy głowice pali nie są (lub są) połączone Rys. 1a. Obciążenie od nasypów i pojazdów I SUMMARY Additional side interactions on piles from soils with low bearing capacity Currently bridge structures are often seated in areas with the ground layered with several-meter-thick interbeddings of soils with low bearing capacity. Bridge structure (bridge, viaduct) foundation is usually analysed and calculated from the point of view of transferring loads through piles onto deeper load bearing layers. Interactions that are primarily taken into account by designers include: vertical loads, side loads from soil pressure, braking forces and bearings friction. Keywords: bridge structure foundation, ground, interbedding, load bearing layers, loading oczepem i są osłonięte (lub nie) ścianką szczelną, a cały obiekt jest jeszcze bez przęsła spinającego (rys. 1d); parcie dodatkowe na przyczółki wiaduktu drogowego, kolejowego lub przepustu w wyniku modernizacji (wykonywanie np. wiaduktu w istniejącym nasypie kolejowym spowoduje zmianę obciążenia w przejeździe drogowym, zaburzona zostanie równowaga globalna, co bezpośrednio będzie skutkowało przemieszczeniami poziomymi przyczółków i zmianą obciążeń w łożyskach i przęśle) (rys. 1e). Kilka przedstawionych schematów należy traktować jako zasygnalizowanie problemu dodatkowego oddziaływania bocznego w przypadku występowania w podłożu gruntu o małej wytrzymałości na ścinanie i dużej odkształcalności.

2 mosty temat numeru Rys. 1b. Obciążenie od pojazdów pomiędzy podporami pośrednimi Rys. 1c. Dodatkowe obciążenie od pali przemieszczeniowych Rys. 1d. Dodatkowe obciążenie w wyniku wymiany gruntu 17

3 Rys. 1e. Dodatkowe obciążenie w następstwie wykonania wiaduktu kolejowego 18 Rys. 2. Schemat dodatkowego parcia gruntu dla małych przemieszczeń Oddziaływanie powyższe może występować szczególnie, gdy w podłożu występują: torfy, namuły, gytie, grunty organiczne, grunty spoiste w stanie plastycznym i miękkoplastycznym I L 0,5, o wytrzymałości na ścinanie bez odpływu 30 kpa i module odkształcenia M o 5 MPa; piaski drobne i pylaste, bardzo luźne i luźne; piaski morskie, równoziarniste, piaski eoliczne. Niezależnie od rodzaju i stanu gruntu, które przedstawiono i scharakteryzowano powyżej, należy wykonać analizę stateczności globalnej i określić współczynnik stateczności oraz sprawdzić wilgotność dla gruntów organicznych i spoistych [4, 5]. Należy zwrócić uwagę, że zjawisko parcia dodatkowego może wystąpić w innych konstrukcjach, np.: posadowienie ścian oporowych z uskokiem naziomu, w nabrzeżach portowych i rzecznych, w konstrukcjach posadowionych w pobliżu uskoku poziomu i podnóża skarpy lub zbocza, w konstrukcjach przy składowiskach odpadów, na placach kontenerowych w portach, w obszarach, gdzie wykonano głębokie wykopy szerokoprzestrzenne, konstrukcje stabilizujące zbocza i skarpy [1, 2, 4, 9]. Projektując fundamenty palowe, należy każdorazowo przeanalizować możliwość ograniczenia lub wyeliminowania parcia dodatkowego. Do działań tego rodzaju można zaliczyć zabiegi geotechniczne i konstrukcyjne: można podzielić cały proces budowy na etapy, co pozwoli na konsolidację podłoża słabonośnego, z uwzględnieniem zmiany geometrii uwarstwionego podłoża, nieliniowości charakterystyk opisujących konsolidację, historii naprężenia, wzrostu wytrzymałości na ścinanie gruntu słabonośnego i wzrostu modułu odkształcenia; można wykonać fundament palowy w gruncie naturalnym z wprowadzeniem ograniczenia wysokości nasypu lub składowiska jednocześnie całość budowy rozciągamy w czasie; jeżeli zakres robót jest niezbyt duży, można rozważyć wymianę gruntu; można zastosować stałe lub tymczasowe konstrukcje osłaniające, np. ścianki szczelne, palisady; można zastosować technologie powodujące przyspieszenie konsolidacji gruntów, np. dreny piaskowe w osłonie geosyntetycznej, geodreny; można wykorzystać kolumny lub pale jako podparcie nasypu, zwieńczonych materacem geosyntetycznym lub cienką płytą żelbetową, przy czym zastosowanie kolumn lub pali przemieszczeniowych w bezpośrednim sąsiedztwie przyczółka (podpory pośredniej) wymaga szczególnej uwagi (patrz rys. 1c i 2), a posadowienie nasypu należy analizować z uwzględnieniem kontrolowanego rozwiązania oparcia w strefie przejściowej z zachowaniem łagodnej zmiany sztywności, aż do posadowienia nasypu na gruncie naturalnym. Metody oceny dodatkowego obciążenia bocznego na pale W analizach naukowych i inżynierskich można rozważyć różne propozycje oceny występujących zjawisk

4 mosty temat numeru Rys. 3. Dodatkowe oddziaływanie boczne na podporę pośrednią wiaduktu Rys. 4. Analiza numeryczna oddziaływania parcia dodatkowego na podporę pośrednią obiektu mostowego oraz ustalać wartości liczbowe w projektowaniu konkretnych obiektów. Aktualnie należy stwierdzić, że zawsze można znaleźć metodę, która pozwoli na ocenę wartości statycznych niezbędnych do zaprojektowania konstrukcji. W takich sytuacjach zawsze podstawowe znaczenie mają oceny geotechniczna, geologiczna i hydrogeologiczna podłoża gruntowego jako całości, ze szczególnym uwzględnieniem warstwy o małej nośności. W metodach, które znane są w literaturze, zaleceniach i wytycznych akcentuje się wiele czynników mających istotne znaczenie w analizie omawianego zagadnienia i obliczeniach projektowych, między innymi: parametry fizyczne i mechaniczne warstwy słabonośnej, a szczególnie wytrzymałość na ścinanie bez odpływu, ; miąższość warstwy o małej nośności, h t (rys. 2); obciążenie pod nasypem, obciążenie q w stropie warstwy słabonośnej; w ogólnym przypadku głębokość zalegania warstwy słabonośnej, np. rys. 2; rodzaj i stan gruntu słabonośnego oraz stopień przekonsolidowania; wielkość przeciążenia gruntu słabonośnego i czas jego trwania; obecność wody gruntowej, jej charakter, zmiany poziomów występowania w czasie, kierunki działania ciśnienia spływowego, warunki drenażu i odpływu wody; prędkość przykładania obciążenia, tempo prowadzenia robót budowlanych; kształt, rozstaw i układ pali, liczba rzędów pali w kierunku równoległym i prostopadłym przemieszczenia się gruntu; zmiana parametrów geotechnicznych w czasie, wpływ etapowości obciążenia i efektów konsolidacji na wyniki obliczeń, efekty pełzania; interakcja pomiędzy palem i gruntem, z uwzględnieniem tarcia na pobocznicy pali; efekty tarcia pomiędzy warstwą nienośną a warstwami nośnymi z uwzględnieniem miąższości warstwy h t ; uwzględnienie stopnia skonsolidowania U c oraz parametrów efektywnych f i c ; efekty względnego zagłębienia pali w warstwie nośnej, stateczność ogólna ustroju palowego, sposób zamocowania głowic pali w konstrukcji, praca przestrzenna całej konstrukcji; rodzaj konstrukcji przyczółka mostowego oraz zagłębienie jego podstawy w stosunku do zalegania stropu warstwy słabonośnej; 19

5 20 odległość obciążenia równomiernego od pali i uwzględnienie obciążeń odcinkowych i sił skupionych w okresie budowy obiektu; przemieszczanie gruntu względem pala w ramach rozwiązania równania różniczkowego belki obciążonej parciem gruntu; metody uwzględniające wyraźny podział na grunty spoiste i piaszczyste (niespoiste); rozwiązania dla gruntów upłynnionych z uwzględnieniem lepkości; uwzględnienie efektów pełzania, zmiany parametrów w czasie, uwzględnienie odkształcenia gruntu w funkcji prędkości; uwzględnienie wpływu masy gruntu otaczającej bezpośrednio pobocznicę pali, pal pojedynczy i grupa pali; rozwiązania dotyczą pali sztywnych i/lub pali sprężystych, liniowo lub nieliniowo odkształcalnych; sposób zamocowania głowic pali w konstrukcji: przegub, częściowe zamocowanie, utwierdzenie; adhezja pomiędzy oczepem pali a warstwą gruntu słabonośnego oraz adhezja pomiędzy warstwą gruntu słabonośnego i nośnego; wpływ anizotropii warstwy słabonośnej, np. w funkcji głębokości lub w wyniku naturalnego uwarstwienia podłoża: torf/namuł, na wielkości statyczne i przemieszczania fundamentu palowego; wpływ siły skupionej na głowicę pali w wyniku deformacji bocznej gruntów słabonośnych, na powierzchni styku nasyp grunt słabonośny; wpływ rodzaju analizy MES typu 2 D lub 3 D; uwzględnienie do oceny obiektów rzeczywistych, wyników badań modelowych, w skali półtechnicznej oraz aktualnie wyspecjalizowanych badań w wirówkach z modelowaniem skali obiektu. Zarówno badania modelowe, jak i badania terenowe w skali rzeczywistej dostarczają bardzo ciekawych spostrzeżeń i są podstawą do oceny wiarygodności rozwiązań analitycznych. Liczba badań i metod obliczeń, z uwzględnieniem wyżej wzmiankowanych wpływów i parametrów, jest bardzo duża. Zagadnienia te analizuje się między innymi w pracy [6], gdyż szczegółowe omówienie tych zagadnień przekracza ramy obecnego artykułu. Na rys. 2 zarysowano jedynie klasyczne rozwiązanie problemu poparte rzeczywistym przypadkiem zaistniałym w czasie budowy. Charakterystyka parcia dodatkowego na pale od gruntu słabonośnego Szczegóły rozwiązań można znaleźć w pracach [2, 4]. Podstawowe mechanizmy zjawiska, które analizujemy, można przedstawić następująco (rys. 2): dla małych przemieszczeń gruntu wystąpią parcie od strony nasypu i odpór po stronie niższego naziomu; dla dużych przemieszczeń gruntu wystąpi parcie gruntu pełzającego grunt będzie opływał pobocznicę pali, nastąpi przekroczenie wytrzymałości na ścinanie. Parcie gruntu pełzającego Parcie gruntu pełzającego najczęściej występuje w gruntach o małej wytrzymałości na ścinanie, (np.: namuły, torfy, gytie). Wartość parcia pełzającego liczymy z wzoru: p 1 = N C D [kn/m] gdzie: N c współczynnik nośności, 5-11, w zależności od przyjętego schematu uplastycznienia gruntu wokół trzonu pala [2, 4], D średnica lub szerokość pala, prostopadła do kierunku parcia gruntu, wytrzymałość gruntu na ścinanie bez odpływu. Dla grupy pali należy uwzględnić wpływ pali sąsiednich. Na każdy pal działa obciążenie: p = k p 1 [kn/m] gdzie k jest współczynnikiem korekcyjnym dla grupy pali, zależnym od usytuowania pali, liczby rzędów oraz odległości osiowej pali [2, 4, 7]. Wypadkowe, dodatkowe parcie gruntu na pale dla małych przemieszczeń (rys. 2) Wykorzystujemy podstawowe wzory z mechaniki gruntów, jak dla parcia wypadkowego, wynikającego z parcia czynnego i odporu gruntu przy założeniu gładkiej ściany (przy = 0, jest kątem tarcia miedzy ścianą a gruntem). Dla gruntów o małej nośności po stronie bezpiecznej przyjmuje się kąt tarcia wewnętrznego Dla: e a (z) = z + q 2 [kpa] e p (z) = z [kpa] e(z) = [e a (z) e p [kpa] e(z) = q 2 (z) [kpa] oraz: e K 2 c K a a a ep K p 2 c K p dla K p = K a = tg 2 (45 ± /2) = 1 Dodatkowo przyjęto, że po stronie bezpiecznej pomijalny jest wpływ spójności dla odporu. Wtedy wypadkowe jednostkowe dodatkowe parcie wynosi e(z) (patrz zależności powyżej). Należy dodać, że analizę można wykonać również na podstawie parametrów efektywnych i c, uwzględniając stopień konsolidacji U c [2, 4, 7]. Dla grup palowych obciążenie boczne przypadające na pale rzędu pierwszego obliczamy na podstawie zależności: p e (z) = b e(z) [kn] gdzie b jest szerokością obliczeniową pala w pierwszym rzędzie grupy, a szerokość ta nie powinna przekraczać [2, 7]: a) średniego rozstawu pali w grupie, b) potrójnej szerokości lub średnicy pala,

6 mosty temat numeru Rys. 5a. Prace drogowe przed obiektem autostradowym Rys. 5b. Oddziaływanie boczne na pale w podporze B Rys. 5c. Prace drogowe przed obiektem autostradowym c) miąższości warstwy o niskiej nośności powodującej dodatkowe parcie gruntu, d) wartości b B wynikającej z podzielenia całej szerokości grupy pali przez liczbę pali. Szczegółowe zalecenia i współczynniki redukcyjne rozdziału obciążenia na pojedyncze pale w kolejnych rzędach grup można znaleźć w pracach [2, 4, 7]. W pracy [6] scharakteryzowano i oceniono około 15 metod, w których selektywnie uwzględniono poszczególne wpływy. W zależności od sytuacji, konkretnych parametrów geotechnicznych, przyjmowanych założeń i zaleceń w danej metodzie, można wykonać obliczenia inżynierskie. Obecnie w zagadnieniach geotechnicznych bardzo szeroko stosowane są metody numeryczne, wykorzystuje się metodę elementów skończonych (MES), różne zaawansowane modele do opisu podłoża gruntowego i profesjonalne programy komputerowe. Zagadnienie to zostanie omówione w odniesieniu do rzeczywistego posadowienia obiektu mostowego. Dodatkowe oddziaływanie boczne na podporę pośrednią wiaduktu Obserwacje rzeczywistych obiektów zawsze dostarczają wiarygodnych informacji o wzajemnym oddziaływaniu konstrukcja podłoże. W prezentowanym przykładzie dodatkowe oddziaływanie od gruntu o małej wytrzymałości na ścinanie spowodowało niepożądane zjawiska w czasie wykonawstwa podpory pośredniej wiaduktu (rys. 3-5). Podpora pośrednia wiaduktu jest usytuowana w złożonych warunkach geotechnicznych i hydrogeologicznych. Do głębokości około 18 m zalegają gytie o bardzo małej wytrzymałości na ścinanie bez odpływu, = S u = 5 10 kpa. Podporę pośrednią (podpora B, rys. 3) posadowiono pierwotnie na żelbetowych, prefabrykowanych palach wbijanych 0,40 0,40 m, zagłębionych w piaski średnio zagęszczone i zagęszczone. Roboty palowe prowadzono równolegle z robotami drogowymi i wymianą gruntów przy podporach sąsiednich. Wymiana gruntu, wysoki nasyp drogowy, ruch pojazdów i maszyn spowodowały ruchy masowe w podłożu gruntowym oraz kilkudziesięciocentymetrowe przemieszczenia głowic pali prefabrykowanych na podporze B (rys. 3 i 5). Niepewności dotyczące stopnia i rodzaju uszkodzeń pali prefabrykowanych na podporze B były podstawą do podjęcia decyzji o konieczności wzmocnienia podpory. Wykonano stalowe pale rurowe 813/12,5 mm, z dnem zamkniętym i otwartym, wypełnione żelbetem o długości roboczej L = 22,5 m. Pale zewnętrzne nachylone są w stosunku 10:1 na zewnątrz podpory, pale środkowe są pionowe. Prefabrykowane pale żelbetowe zostały całkowicie oddzielone od konstrukcji podpory. W odległości 21,0 m od podpory B wykonano dodatkowo palisadę osłonową, całość w formie kozła palowego (rys. 3). Niezależnie od obliczeń statycznych i geotechnicznych elementów konstrukcji wiaduktu wykonano obliczenia symulacyjne za pomocą metody elementów skończonych [3]. Dla gruntów słabonośnych uwzględniono zależność sztywności od poziomu naprężenia, stopnia prekonsolidacji i efekty pełzania. Zastosowano model sprężysto-lepkoplastyczny Soft Soil Creep (rys. 4). Dla pozostałych warstw gruntów przyjęto model sprężysto-plastyczny z kryterium wytrzymałościowym Coulomba-Mohra. W obliczeniach uwzględniono kolejne fazy robót budowlanych. Proces konsolidacji i pełzania gruntów słabonośnych powoduje przemieszczenia poziome do 0,40 m w przekroju pionowym przed podporą B, w różnych fazach obciążenia. W zależności od potrzeb można analizować różne czynniki mające wpływ na pracę konstrukcji jako całości, np.: wpływ palisady osłonowej, oddziaływanie na siły przekrojowe w palach, wpływ zmiany sztywności konstrukcji jako całości i rozmieszczenia pali dodatkowych. Całość przedstawionych zagadnień, na przykładzie tylko jednego obiektu, wskazuje jednoznacznie, jak złożone zagadnienia geotechniczne i konstrukcyjne występują w przypadku występowania gruntów o małej wytrzymałości na ścinanie w kontekście najczęściej jednoczesnego prowadzenia robót mostowych, drogowych, dodatkowo ze szczególnym uwzględnieniem stref przejściowych przyczółek nasyp drogowy. Podsumowanie 1. Obecne realizacje obiektów mostowych i dróg bardzo często usytuowane są w obszarach, gdzie występują wielometrowe przewarstwienia gruntów o małej nośności. 2. Jednym z ważniejszych parametrów geotechnicznych jest wytrzymałość na ścinanie bez odpływu,. 3. W praktyce inżynierskiej obserwowano wiele przypadków nadmienionych przemieszczeń przyczółków, podpór pośrednich, ścian oporowych, nabrzeży będących efektem dodatkowego oddziaływania gruntu słabonośnego. 4. Bardzo ważnymi elementami oddziaływania podłoże konstrukcja są również dobór właściwej technologii i kolejność procesu budowlanego jako całości. 5. Omawiane zjawiska są obecnie powszechnie znane, jednakże nie zawsze w właściwy sposób oceniane przez projektantów, inspektorów nadzoru i wykonawców. 6. Istnieją metody obliczeń i metody analizy, na podstawie których w wystarczający dla praktyki inżynierskiej sposób można dokonać miarodajnej oceny. 7. Są to metody przybliżone oraz metody numeryczne, szczególnie z zastosowaniem metody elementów skończonych, z wykorzystaniem parametrów geotechnicznych w ramach zaawansowanych modeli gruntu. Piśmiennictwo 1. Grzegorzewicz K., Kłosiński B., Rychlewski P.: Awarie fundamentów budowli, nasypów drogowych, wykopów i innych konstrukcji geotechnicznych. Szkolenie w Mazowieckiej Izbie Inżynierów Budownictwa. 2. Gwizdała K.: Fundamenty palowe. Badania i zastosowania. Część 2. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Gwizdała K., Cudny M., Brzozowski T.: Materiały wewnętrzne Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej Kosecki M.: Statyka ustrojów palowych. Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa, Oddział Szczecin, Szczecin Schmiedel U.: Seitendruck auf Pfähle. Bauingenier, 1984, str Kornecki M.: Parcie dodatkowe na pale od gruntu o małej wytrzymałości na ścinanie. Praca dyplomowa, promotor pracy: K. Gwizdała, Gdańsk EA-Pfähle: Empfehlungen des arbeitskreises Pfähle. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.v. Ernst & Sohn, PN-EN :2008 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne; część 1: Zasady ogólne. 9. PN-B-02482:1983 Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych. 21