Pale iniekcyjne w warunkach obciążenia osiowego weryfikacja doświadczalna

Transkrypt

1 Pale iniekcyjne w warunkach obciążenia osiowego weryfikacja doświadczalna Dr inż. Henryk Pachla KROZ Henryk Pachla Proces przemieszczeń pali iniekcyjnych ma zasadniczy wpływ na pracę konstrukcji, dlatego tak istotne jest przeprowadzenie odpowiedniej weryfi kacji przemieszczeń pali w warunkach osiowego obciążenia Powszechne przy wykonywaniu pali betonowych próbne obciążenie z pomiarem przemieszczeń dla pali iniekcyjnych jest wykonywane sporadycznie. Niewiele jest także prac badawczych poświęconych osiadaniu takich pali, zarówno pojedynczych, jak i pracujących w grupie. Przyczyn takiego stanu faktycznego należy upatrywać w braku do niedawna stosownych unormowań z jednej strony, zaś z drugiej w specyfice zastosowań tej technologii. Dopiero w 2005 r. wprowadzono europejską normę dotyczącą pali iniekcyjnych, której celem było sprecyzowanie podstaw projektowania i wykonawstwa mikropali [1]. W normie tej określono warunki, w których wykonanie próbnego obciążenia statycznego dla pali iniekcyjnych jest wskazane. Poddano także w wątpliwość przydatność uogólnienia na mikropale próbnych obciążeń dynamicznych, z uwagi na trudności w interpretacji wyników z powodu małej średnicy pali, ich kształtu oraz obecności elementu nośnego. Innym aspektem jest stosowanie mikropali głównie przy wzmacnianiu istniejących już fundamentów. Brak możliwości przeprowadzenia pomiaru przemieszczeń mikropali bezpośrednio zakotwionych w fundamencie oraz zmieniające się warunki gruntowe w bliskim otoczeniu wykonanych pali powodują, że badania przemieszczeń w praktyce inżynierskiej wykonywane są sporadycznie, a przydatność takiego badania jest ograniczona. Proces przemieszczeń pali iniekcyjnych w warunkach obciążenia ma zasadniczy wpływ na pracę konstrukcji. Z projektowego punktu widzenia nierównomierne przemieszczenia pali mogą mieć istotny wpływ na redystrybucję sił w konstrukcji. Często zachodzi konieczność ograniczenia przemieszczeń konstrukcji. Przy właściwym podejściu do projektowania, analiza przemieszczeń staje się zatem niezbędna, a bez weryfikacji przyjmowanych modeli z wynikami badań doświadczalnych staje się niewiarygodna. W niniejszym artykule podjęto próbę doświadczalnej weryfikacji przemieszczeń pali iniekcyjnych w warunkach osiowego obciążenia. Jako odniesienie przyjęto publikowane w literaturze i zalecane w unormowaniach modele obliczeń stosowane dla pali betonowych. Stanowisko badawcze Dla celów badawczych w hali przemysłowej z przełomu XIX i XX w. odkryto warstwy podbudowy starej posadzki. Uzyskano w ten spo- Rys. 1. Profi l geologiczny Fot. 1. Rozplanowanie badanych pali 26 styczeń - luty 1 / 2012 [36]

2 sób powierzchnię 3,5 na 5 m, na której rozplanowano pale (fot. 1). Przed przystąpieniem do wykonania pali zbadano grunt sondą CPTu w ich projektowanych osiach do głębokości około 6 m. Na rys. 1 pokazano przestrzenny profil gruntu w tym obszarze. Ogółem wykonano 23 pale iniekcyjne o długości 4,5 m i średnicy 150 mm. Wiercenie otworów wykonano tradycyjnym ślimakiem z wydobyciem urobku na powierzchnię. Do iniekcji użyto zaczynu cementowego o stosunku w/c = 0,5. Większość pali była zbrojona trzema żebrowanymi prętami ze stali AIII o średnicy 16 mm i strzemionami kołowymi ze stali gładkiej o średnicy 6 mm rozmieszczonymi co 20 cm. Dwa pale zbrojono perforowanymi rurami stalowymi o średnicy 76,1 mm i grubości ścianki 4,2 mm. Prowadzone wcześniej badania zespolenia rury z zaczynem cementowym potwierdziły bardzo ograniczoną przydatność zastosowania takiej technologii przy formowaniu pali iniekcyjnych w gruncie [2], [3], [4]. W szerokim zakresie parametrów podłoża gruntowego opór gruntu przewyższa wytrzymałość zespolenia rury z zaczynem cementowym. Z tego też powodu zdecydowano się tylko na pojedyncze kontrolne badanie. Po około rocznym procesie dojrzewania, kiedy to procesy starzenia się zaczynu cementowego można uznać za zakończone, dokonano powtórnego pomiaru parametrów gruntu sondą CPTu. Badania wykonano w odległości cm od osi pali w miejscach, w których dokonano pomiaru przed wykonaniem pali. Dla pali iniekcyjnych stosowanych do wzmocnienia istniejących fundamentów istotną rolę odgrywa sposób realizacji obciążenia. W przypadku przewiertu fundamentu oraz uformowania pala w gruncie i w fundamencie, obciążenie realizowane jest przez siły styczne, działające na pobocznicy pala w obszarze fundamentu poprzez zespolenie zaczynu cementowego i materiału, z którego wykonany został fundament. Rezultaty wytrzymałości zespolenia pala iniekcyjnego z betonowym fundamentem przedstawiono i analizowano w pracy [6]. Jeżeli obciążenie realizowane jest przez zbrojenie pala, np. zbrojenie oczepu połączone zostało ze zbrojeniem pala lub na parze pali wykonanych w gruncie ustawiona jest belka podwalinowa prostopadle do fundamentu i przenosząca obciążenia z fundamentu, wtedy obciążeniem są siły skupione przyłożone do zbrojenia pala. Dla celów badawczych przyjęto tę drugą opcję poprzez wspawanie pomiędzy zbrojenie pala stalowej głowicy (fot. 1), którą obciążano siłownikiem firmy Yale typ YH- 100/500, posiadającym możliwość realizacji obciążenia do 1000 kn i maksymalnym wysuwie trzpienia 50 cm. Siłę obciążającą przykładano w sposób ciągły w pełnym zakresie przemieszczeń. Obciążenia rejestrowano czujnikiem firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH typ C6A/2MN. Pomiarów przemieszczeń dokonywano w zakresie od 0 do 50 cm czujnikami indukcyjnymi, także firmy Hottinger typ WA. Niezależnie od badania przemieszczeń pala, dokonywano również pomiaru przemieszczeń stalowej konstrukcji bazowej blokującej siłownik. Badania wykonywane były przez laboratorium firmy KROZ Henryk Pachla i finansowane ze środków własnych. Analiza wyników badań Rejestrowane sondą CPTu parametry gruntu przed wykonaniem pali i po ich wykonaniu uległy zmianie, podobnie jak dla pali betonowych, na co zwrócił uwagę K. Gwizdała w referacie wygłoszonym na konferencji w budownictwie [5], a także w pracy [9]. Na rys. 2 pokazano reprezentatywne profile wraz z przebiegiem rejestrowanych przez sondę parametrów. Zwraca uwagę fakt, iż w każdym przypadku zdecydowanie wzrastają w stosunku do wstępnych badań parametry rejestrowane przez sondę w obszarze podstawy pala. Podczas wykonywania pali iniekt podawany był przez rurkę iniekcyjną do podstawy pala i z tego poziomu wypełniał przestrzeń odwiertu zgodnie z technologią wykonywania tego typu pali. Grunt w poziomie podstawy pala jest najbardziej penetrowany przez zaczyn cementowy. Wzmocnienie parametrów gruntu w tym obszarze jest zatem uzasadnione. Innym poziomem, w którego obszarze zarejestrowano zwiększone wartości parametrów qc i fs, jest poziom zwierciadła wody gruntowej. Jeśli uwzględnić procesy towarzyszące zmianom poziomu wody gruntowej, które mają miejsce wielokrotnie w cyklu rocznym, to i w tym przypadku wzmożona penetracja zaczynu cementowego w grunt jest uzasadniona. Rys. 2. Wyniki badań sondą CPTu dla pala 1 (a) i 2 (b) a. b. styczeń - luty 1 / 2012 [36] 27

3 3. Rys. 3. Porównanie krzywej doświadczalnej dla jednego pala z zależnościami wg literatury: (1) Parametry gruntu z sondowania przed wykonaniem pala (2) Parametry gruntu z sondowania po wykonaniu pala Rys. 4. Wyniki pomiarów dla wybranych pali w zakresie przemieszczeń do 7,5 cm Rys. 5. Przebieg zależności siła - przemieszczenie dla dużych wartości przemieszczeń W pozostałych obszarach, poza wymienionymi wyżej, zarejestrowane wartości parametrów sondy CPTu nie odbiegają zasadniczo od siebie. Zgodnie z oczekiwaniami przy wykonaniu odwiertów z wydobyciem urobku na powierzchnię obserwować można obniżenie wartości tych parametrów. Po wywierceniu otworu, a przed zainiekowaniem go zaczynem cementowym, na powierzchni przewiertu warunki brzegowe wymuszają zerowy stan naprężenia, mający zasadniczy wpływ na rozluźnienie gruntu. Na rys. 3 przedstawiono pomierzone zależności siły i przemieszczenia dla jednego z badanych pali wyznaczone doświadczalnie oraz obliczone według normy [7] dla parametrów gruntu otrzymanych przed i po wykonaniu pala. W przypadku badań pali betonowych zaleca się, by badania przemieszczeń wykonywać jedynie do poziomu obciążenia, które nie przekracza nośności pala. Na wykresach zaznaczono normowe poziomy nośności pala oraz nośności wyliczone wprost z parametrów sondy CPTu proponowane przez różnych autorów [8]. Wyznaczone wartości nośności proponowane dla pali betonowych naniesione na wykres pokazują różnorodność wyników. W zastosowaniu do pali iniekcyjnych charakter krzywej przemieszczenie obciążenie wskazuje na niewielkie wykorzystanie rzeczywistej ich nośności (w granicach 20%) przy ograniczeniu nośnością normową. Przy wyższych poziomach obciążeń, powyżej 80% rzeczywistego maksymalnego obciążenia, które przenosi pal, niewielka zmiana przyjętej nośności powoduje znaczną zmianę odpowiadającego jej przemieszczenia. Rzeczywiste przemieszczenia również znacznie odbiegają od obliczonych normowo. Przeniesienie wyników badań i unormowań dla pali betonowych na pale iniekcyjne wydaje się być zatem znacznym niedoszacowaniem warunków projektowych. Na rys. 4 zestawiono wyniki pomiarów dla wybranych pali w zakresie przemieszczeń 0 75 mm wraz z maksymalnymi i minimalnymi wartościami nośności uzyskanymi z modeli proponowanych w literaturze, obliczonymi dla parametrów gruntu przed i po wykonaniu pali. Dla celów poznawczych eksperyment kontynuowano do poziomu przemieszczeń możliwych do rejestracji w zamontowanym układzie pomiarowym. Zależność uzyskana z doświadczenia jest silnie nieliniowa i w początkowej fazie (rys. 3, 4) rzeczywiste wartości przemieszczeń są znacznie mniejsze od otrzymanych z linowych zależności normowych. W miarę wzrostu przemieszczeń wartość siły stabilizuje się i przyrostowi przemieszczeń towarzyszy coraz mniejszy przyrost obciążenia (rys. 5). Wyniki te wskazują na umowny charakter pojęcia nośności pala. Na podstawie przeprowadzonych badań można przyjąć, że nośność pala odpowiada obciążeniu, dla którego przyrost obciążenia zanika przy dowolnym przyroście przemieszczeń. Z praktycznego punktu widzenia pojęcie nośności powinno być związane z dopuszczalnym przemieszczeniem pala. Warunki projektowe powinny zatem być ograniczeniem nałożonym na przemieszczenia. dp 0, du u u dop Rys. 6. Przebieg zależności siła przemieszczenie przy zniszczeniu głowicy pala 28 styczeń - luty 1 / 2012 [36]

4 Rys. 7. Przebieg zależności siła przemieszczenie przy wyboczeniu pala Zaproponowany warunek nałożony na przyrost obciążenia można uznać za prawdziwy jedynie w idealnym przypadku realizacji osiowego działania obciążenia. Przeprowadzone badania pokazały, że w przypadku pali iniekcyjnych z uwagi na ich strukturę możliwe są też inne formy zniszczenia, ograniczające nośność takich pali. W jednym z badanych pali zniszczeniu uległa jego głowica (rys. 6). Parametry wytrzymałościowe zaczynu cementowego, wraz z małą powierzchnią przekroju poprzecznego powodują, że w przypadku sił skupionych sposób ich przyłożenia ma zasadnicze znaczenie. Małe przekroje poprzeczne, występowanie mimośrodów i znaczne długości pali powodują wzrost ich smukłości i możliwość wyboczenia przyjęcia innej postaci równowagi. Podczas prowadzonych badań taki przypadek wystąpił dwukrotnie. Po uzyskaniu pewnej wartości obciążenia gwałtownie przyrosło przemieszczenie poziome (rys. 7). Obciążenie zaczęło się stabilizować na innym poziomie, badanie przerwano. W przypadku pali zespolonych dodatkowym warunkiem granicznym powinien być warunek utraty zespolenia. Na rys. 8 pokazano zależność przemieszczenie obciążenie dla pala zbrojonego perforowaną rurą stalową. Nastąpiła utrata zespolenia i rura ulegała skokowym przemieszczeniom wewnątrz pala. Na rys. 9 pokazano próby odciążenie/ponowne obciążenie. Przy kolejnych cyklach obciążenia odpowiedź gruntu ulega wzmocnieniu i konieczne do takiego samego przemieszczenia obciążenie wzrasta. Rys. 10 przedstawia przebieg obciążenia dla kolejnych cykli w zależności od wstępnego przemieszczenia trwałego pozostałego po poprzednim obciążeniu. Im większe wstępne przemieszczenie trwałe, tym proces intensyfikuje się. Wciskany pal zaczyna pracować jak pal przemieszczeniowy formowany w gruncie. Uwagi i wnioski końcowe Pale iniekcyjne szeroko stosowane przy wzmacnianiu istniejących fundamentów posiadają niewielką bazę eksperymentalną weryfikującą założenia projektowe. Przyjmowane na podstawie badań dla pali betonowych zależności determinują znaczne niedoszacowanie przy opisywaniu zjawisk towarzyszących obciążaniu pali iniekcyjnych. Z projektowego punktu widzenia niedoszacowanie to oznacza projektowanie styczeń - luty 1 / 2012 [36] 29

5 ze znacznym zapasem. W pracy podjęto próbę wzbogacenia wiedzy doświadczalnej opisującej zjawiska towarzyszące pracy posadowienia pośredniego realizowanego poprzez małych wymiarów elementy palowe, wykonane na bazie zaczynu cementowego. Badania przemieszczeń pali iniekcyjnych w zakresie obciążeń większym niż ich normowa nośność i odpowiadające jej przemieszczenie graniczne pokazują, iż nośność pala w idealnych warunkach obciążenia jest pojęciem umownym, trudnym do zdefiniowania. Za idealne warunki obciążenia uważać należy przypadek osiowego obciążenia bez mimośrodów, ograniczonej smukłości, przy prawidłowo skonstruowanej głowicy pala, przy właściwej strukturze wewnętrznej pala, a także przy jednorodnym i izotropowym ośrodku gruntowym. Rejestracja obciążenia siłą skupioną przy wzrastającym przemieszczeniu pokazuje nieliniowy, dwufazowy charakter tej zależności. W fazie pierwszej następuje szybki, nieliniowy wzrost siły. Faza druga to spadek, a następnie stabilizacja przyrostu siły. Przy znacznych przemieszczeniach kilkudziesięciu centymetrów stabilizacja także siły. Badania wskazują, iż właściwsze byłoby przyjęcie dla celów projektowych kinematycznych warunków granicznych, w tym przypadku przemieszczeń granicznych. Analiza nośności pali iniekcyjnych powinna ujmować w swym zakresie różne formy zniszczenia. Dla pali iniekcyjnych, których długość jest znacząco większa od wymiarów przekroju poprzecznego, zachodzi możliwość przyjęcia przez pal innej postaci równowagi. Przy projektowaniu zatem efekt wyboczenia powinien być analizowany. Podobnie większą uwagę należy poświęcić konstrukcji głowicy pala tak, by obciążenie mogło być w sposób prawidłowy przeniesione na pobocznicę pala. Potwierdzona została problematyczna przydatność perforowanych rur stalowych do zbrojenia pali iniekcyjnych. Weryfikacji doświadczalnej wymagają także inne struktury zespolone stosowane przy wykonywaniu pali iniekcyjnych. Innym efektem przeprowadzonego eksperymentu jest identyfikacja wzmocnienia odpowiedzi ośrodka gruntowego na powtórne obciążenia. Wzmocnienie jest zależne od wielkości wstępnego przemieszczenia trwałego. Związane jest to ze zmianą charakteru technologicznego (pal przemiesz czeniowy) w trakcie procesu mechanicznego. Uzyskanie efektów pracy przemieszczeniowej pala pozwala na praktyczne zastosowanie tego faktu do podwyższenia nośności pala uformowanego w gruncie w technologii wiercenia z wydobyciem urobku na powierzchnię. Zadanie wstępnego trwałego przemieszczenia powoduje wzrost nośności pala, w dodatku z pełną kontrolą uzyskanych efektów. Literatura [1] PN-EN 14199, Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych Mikropale. Polski Komitet Normalizacyjny, 2005 r. [2] Pachla H., Pale iniekcyjne zbrojone rurą stalową jako konstrukcja zespolona uwagi Krytyczne, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, lipiec-sierpień [3] Pachla H., Pachla F., Wartak K., Wykorzystanie niskonaprężeniowej metody SIT do badania jakości wykonania pali iniekcyjnych, 03/2011 [32]. [4] Pachla H., Uwagi do projektowania w zakresie wzmocnienia fundamentów palami iniekcyjnymi, 04/2011 [33]. [5] Gwizdała K., Pająk M., Więcławski P., Wpływ technologii pali na ich nośność i stan podłoża gruntowego, konferencja w budownictwie, Sandomierz 8-9 listopada [6] Pachla H., Kotwienie pali iniekcyjnych w betonowych fundamentach, 02/2011 [31]. [7] PN-83/B-02482, Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych. Wydawnictwo Normalizacyjne ALFA, Warszawa [8] Sikora Z., Sondowanie statyczne, metody i zastosowanie w geoinżynierii, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [9] Gwizdała K., Fundamenty palowe, technologie i obliczenia tom 1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Rys. 8. Przebieg zależności siła-przemieszczenie pala zbrojonego stalową rurą z utratą zespolenia rura zaczyn cementowy Rys. 9. Przebieg zależności siła przemieszczenie przy wielokrotnym obciążaniu i odciążaniu pala Rys. 10. Przebieg zależności siła przemieszczenie przy wielokrotnym obciążaniu i odciążaniu pala styczeń - luty 1 / 2012 [36]

6 styczeń - luty 1 / 2012 [36] 31