Przewodnik projektanta dla systemu GSI

Transkrypt

1 G O N AR - S Y S T E M S I N TE R N AT I O N AL Przewodnik projektanta dla systemu GSI Gonar - Systems International Sp. z o.o. ul. Obroki Katowice tel fax gsi@gonar.com.pl

2 Spis treści: Przedmowa Charakterystyka Systemu GSI.. 4 Dane techniczne systemu GSI... 5 śerdzie Koronki wiertnicze. 6 Tuleje Podkładki i nakrętki Centralizatory.. 8 Ochrona przeciwkorozyjna Projektowanie Kotwienie Gwoździowanie Mikropale Zakończenie Bibliografia Strona 2

3 Przedmowa Firma GONAR SYSTEMS INTERNATIONAL Sp. z o.o. bazując na doświadczeniu firm Gonar Sp. z o.o. oraz Królmet Sp. z o.o. wprowadziła na rynek systemy kotew gruntowych. Jest to zunifikowany system słuŝący do wykonywania gwoździ gruntowych, kotew gruntowych oraz mikropali przy zastosowaniu tych samych elementów (koronki wiertniczej, Ŝerdzi, centralizatora, tulei, podkładki i nakrętki). System ten przygotowano do zastosowań w szeroko pojętej geoinŝynierii (geotechniki, budownictwa podziemnego i inŝynieryjnego, fundamentowania, górnictwa i inŝynierii środowiska). Niniejszy przewodnik ma na celu przybliŝyć Państwu system GSI, zalety i moŝliwości jego stosowania jak równieŝ podstawowe zasady projektowe. Strona 3

4 Charakterystyka systemu GSI System GSI pozwala na wykorzystanie jednego procesu technologicznego przy wykonywaniu gwoździ gruntowych, kotew gruntowych oraz mikropali. Wykorzystana do tych celów gwintowana Ŝerdź, zaopatrzona w odpowiednią koronkę wiertniczą spełnia rolę zarówno przewodu wiertniczego, słuŝy do iniekcji oraz stanowi zbrojenie systemu jako element tracony. Równocześnie z rozpoczęciem wiercenia obrotowo udarowego poprzez otwór wewnętrzny rozpoczyna się iniekcja wstępna. Równomierne rozprowadzenie zaczynu umoŝliwiają umieszczone na Ŝerdziach centralizatory. Ten sposób iniekcji pozwala na wypełnienie wolnych przestrzeni występujących w ośrodku gruntowym 1), jak równieŝ pozwala na wypchnięcie wody i powstałych w trakcie wiercenia obsunięć i rozluźnień ścian otworów zapewniając całkowite wypełnienie otworu iniektem. Po odwierceniu otworu wykonuje się iniekcję końcową. śerdź wraz z koronką pozostają w otworze jako zbrojenie. Dodatkowo istnieje moŝliwość łączenia Ŝerdzi za pomocą tulei w celu ich wydłuŝenia. W wyniku iniekcji uzyskuje się jednorodną buławę o średnicy efektywnej uzaleŝnionej od rodzaju gruntu. Szczegółowo system GSI przedstawiono na rysunku 1. Stosowanie systemu GSI pozwala osiągnąć duŝe korzyści w wymiarze techniczno ekonomicznym poprzez: niŝsze koszty sprzętu wiertniczego ze względu na jego mniejsze gabaryty mniejszą powierzchnię przeznaczoną na plac robót moŝliwość zastosowania systemu w trudnych warunkach terenowych i skomplikowanej geometrii ścian dowolne długości zestawów Ŝerdzi (łączenie za pomocą systemowych tulei) równoczesne wiercenie i prowadzenie iniekcji poprawiające strukturę otaczającego gruntu niska uciąŝliwość dla środowiska i otaczających budowli w trakcie prowadzenia prac (niski poziom hałasu i drgań) wiercenia bez uŝycia rur osłonowych (niŝsze koszty inwestycji) 1) termin ośrodek gruntowy w tym przewodniku określa zarówno grunty jak i skały Strona 4

5 Rys. 1. Przekrój schematyczny gwoździa zainstalowanego w gruncie Dane techniczne systemu GSI śerdzie śerdzie wytwarzane są ze stali gatunku 28Mn6. Posiadają gwinty faliste (Ŝerdzie typu R25, R32, R38, R51) lub trapezowe (Ŝerdź typu T76), zdecydowanie poprawiające przyczepność Strona 5

6 iniektu do Ŝerdzi w porównaniu z gładkimi rurami lub stalą zbrojeniową. Gwinty zewnętrzne są wytwarzane przez obróbkę rur gładkich metodą walcowania na zimno. Dane techniczne przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Dane techniczne Jedn. R25 R32L R32N R32S R38 R51L R51N T76N T76S Średnica zewnętrzna mm Średnica wewnętrzna mm 10,5 21,0 16,6 13,4 19,0 34,4 28,5 46,6 40,0 Pole przekroju poprzecznego mm Rodzaj gwintu 2) - f f f f f f f t t ObciąŜenie zrywające kn Siła uplastyczniająca kn Typowa nośność kn obliczeniowa CięŜar kg/m 2,1 2,76 3,6 4,3 5,9 7,0 8,3 16,3 21,3 Długość odcinków m 1, 2, 3, 4, 6 lub wg zamówienia klienta Tabela 1. Dane techniczne Ŝerdzi Koronki wiertnicze System GSI oferuje róŝnego rodzaju koronki tracone, przeznaczone do róŝnego rodzaju ośrodka gruntowego. Typy dostępnych koronek przedstawiono na rysunku 2. W trudnych warunkach moŝna zastosować koronki wzmacniane węglikami spiekanymi, zwiększającymi trwałość koronek. Dla systemów GSI dostępne są koronki o następujących średnicach zewnętrznych: 38, 42, 51, 64, 76, 90, 100, 115, 130, 150, 200, 300 mm. Dodatkowo istnieje moŝliwość uŝycia adaptera dla koronek przeznaczonych dla systemów o większej średnicy Ŝerdzi. Przykładowo system R32, adapter R32 R38, koronka słupkowa R38 φ115. Rys. 2. Rodzaje koronek dla systemów GSI I rząd koronki hartowane II rząd koronki z węglikami spiekanymi 2) f gwint falisty; t gwint trapezowy Strona 6

7 W tabeli 2 przedstawiono dostępność odpowiednich koronek w zaleŝności od ośrodka gruntowego. Typ Ŝerdzi R25 R32 R38 R51 T76 Tabela 2 Średnice Grunty Skały Skały koronek Piaski świry spoiste miękkie twarde mm Tabela 2. Dostępność koronek w zaleŝności od rodzaju ośrodka gruntowego Tuleje Tuleje słuŝą do łączenia Ŝerdzi i oznaczone są symbolami R25, R32, R38, R51 i T76. Wytwarzane są z wysokogatunkowej stali drobnoziarnistej 28Mn6 z gwintem wewnętrznym wykonanym w procesie obróbki skrawaniem. Rys. 3. Tuleja dla systemów GSI Nakrętki i podkładki Systemowe nakrętki i podkładki produkowane są dla kaŝdego rodzaju Ŝerdzi. W ofercie dostępne są równieŝ nakrętki sferyczne. Nakrętki wytwarzane są ze stali 42CrMo4 i obrabiane cieplnie do twardości HRC, natomiast podkładki są wykonane ze stali St3S. Rys 4. Nakrętka sferyczna i podkładka wypukła Strona 7

8 Centralizatory Systemowe centralizatory produkowane są ze stali 42CrMo4 dla kaŝdego rodzaju Ŝerdzi i o róŝnych średnicach zewnętrznych dostosowanych do średnic zewnętrznej koronek. Dostępne średnice podano w tabeli 3, a wygląd centralizatora przedstawia rysunek 5. System GSI R25 R32 R38 R51 Tabela 3 Średnica zewn T Tabela 3. Dostępne średnice zewnętrzne centralizatorów Centralizator w systemie GSI zapewnia osiowość systemu podczas wiercenia, co daje równomierną otulinę z iniektu. Równomierność otuliny zapewnia większą ochronę przed korozją. Przy dobieraniu centralizatora naleŝy pamiętać by średnica zewnętrzna była zawsze mniejsza od średnicy zewnętrznej koronki. Rys. 5. Centralizator dla systemów GSI Strona 8

9 Ochrona przeciwkorozyjna Sposób ochrony przeciwkorozyjnej jest ściśle dopasowany do sposobu uŝycia. Systemy GSI mogą być wykorzystywane jako elementy tymczasowe o przydatności poniŝej dwóch lat, jak równieŝ jako elementy zabudowane trwale. W zaleŝności od potrzeb stosuje się następującą ochronę: dla zastosowań tymczasowych - ochronę przeciwkorozyjną, którą stanowi otulina iniektu. Odpowiednią grubość oraz ciągłość otuliny uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej wielkości centralizatora. Sugerowana grubość otuliny w ośrodku skalnym powinna wynosić 10 mm natomiast w ośrodku gruntowym naleŝy ją dwukrotnie zwiększyć dla zastosowań trwałych lub tymczasowych w środowisku agresywnym Ŝerdzie mogą być wykonane ze stali ocynkowanej ogniowo, dodatkowo mogą być jeszcze pokryte warstwą epoksydową lub mogą być wykonane ze stali nierdzewnej Ŝerdź bez powłoki przeciwkorozyjnej Rys. 6. Sposoby zabezpieczania Ŝerdzi przed korozją Ŝerdź ocynkowana ogniowo Ŝerdź pokryta warstwą epoksydową Strona 9

10 Część wspólna dla kotew, gwoździ i mikropali Projektowanie Schemat postępowania Problem geoinŝynierski Warunki geologiczno-inŝynierskie Metoda Gwoździe gruntowe Kotwy gruntowe Mikropale Zakładane obciąŝenie Zakładane obciąŝenie Zakładane obciąŝenie Dobór Ŝerdzi spełniających warunek nośności Dobór Ŝerdzi spełniających warunek nośności Dobór Ŝerdzi spełniających warunek nośności Określenie długości buławy iniekcyjnej Określenie długości Ŝerdzi Określenie długości Ŝerdzi Określenie długości Ŝerdzi Przed przystąpieniem do projektowania naleŝy uzyskać od inwestora szczegółowe badania geotechniczne lub je zlecić wyspecjalizowanej firmie geotechnicznej. Oprócz litologii i budowy geologicznej naleŝy uzyskać następujące dane: opis i klasyfikacja gruntu (uziarnienie, wilgotność, cięŝar objętościowy, stopień zagęszczenia, granice konsystencji) wytrzymałość na ścinanie, ściśliwość przepuszczalność i warunki wodne agresywność korozyjna ośrodka gruntowego i wód gruntowych Strona 10

11 Dobór Ŝerdzi śerdź w systemie GSI stanowi zbrojenie i jest dobierana z warunku na elementy rozciągane osiowo wg. normy PN-B-03264:2002: N Sd N Rd (1) N Sd projektowane obciąŝenie działające na konstrukcję systemu GSI, kn N Rd nośność obliczeniowa Ŝerdzi, kn Nośność obliczeniową Ŝerdzi dobiera się na podstawie tabeli 1. (łączenie Ŝerdzi za pomocą tulei nie mniejsza ich nośności) Nośność zewnętrzna Nośność jest największą wyciągającą siłą osiową, jaką kotwa moŝe przenieść bez wywołania przemieszczeń. Inaczej jest to graniczny opór pobocznicy buławy na styku buława ośrodek gruntowy. Nośność zewnętrzna uzaleŝniona od parametrów ośrodka gruntowego oraz wymiarów buławy iniekcyjnej. Nośność zewnętrzną liczy się ze wzoru: π DB τ N zw = (2) η N zw nośność zewnętrzna, kn D B obliczeniowa średnica buławy iniekcyjnej, m τ tarcie graniczne na pobocznicy buławy iniekcyjnej, kpa η współczynnik bezpieczeństwa Obliczeniową średnicę buławy iniekcyjnej D B liczy się ze wzoru: D = α (3) B D O D B obliczeniowa średnica buławy iniekcyjnej, m D O nominalna średnica otworu (średnica zewnętrzna koronki wiertniczej), m α współczynnik zaleŝny od rodzaju ośrodka gruntowego Strona 11

12 współczynnik α dobiera się na podstawie tabeli 4 lub na podstawie doświadczenia sprawdzonego w warunkach in situ. Rodzaj gruntu Oznaczenie PN-B PN-EN ISO Tabela 4 współczynnik α świr ś Gr 1,3 1,4 świr piaszczysty śp sagr 1,2 1,4 Piasek ze Ŝwirem Po grsa 1,2 1,3 Piasek gruby Pr C 1,1 1,2 Piasek średni Ps M, Sa 1,1 1,2 Piasek drobny Pd F 1,1 1,2 Piasek pylasty Pπ sisa 1,1 1,2 Pył π Si 1,1 1,2 Glina, ił G, I Cl 1,2 Skały RQD < 50 % 1,1 Skały RQD > 50 % 1,0 Tabela 4. ZaleŜność współczynnika α od rodzaju ośrodka gruntowego Kotwienie Projektowanie konstrukcji oporowej z uŝyciem kotew gruntowych najlepiej jest poprzedzić wykonaniem próbnych kotew w miejscu budowy, gdyŝ wyniki takich badań stanowią najwłaściwszą podstawę zaprojektowania konstrukcji. Długość całkowita kotwy Długość całkowita kotwy jest to swobodna długość kotwy L free oraz długość buławy iniekcyjnej L fixed umieszczona w strefie nośnej poza klinem odłamu lub poza strefą gruntów nienośnych. Aby zapewnić optymalne osadzenie Ŝerdzi, buławę iniekcyjną naleŝy umieścić minimum 2 metry za powierzchnią odłamu (rys.7). W celu zaprojektowania długości wolnej naleŝy: 1. wyznaczyć klin odłamu ϕ γ = 45 + (4) 2 γ kąt nachylenia powierzchni odłamu,... φ kąt tarcia wewnętrznego gruntu,... Strona 12

13 2. wyznaczyć głęboką powierzchnię poślizgu 2 γ K = ϕ (5) 3 γ K kąt nachylenia głębokiej powierzchni poślizgu,... φ kąt tarcia wewnętrznego gruntu, Narysować w odpowiedniej skali obliczone: klin odłamu i głęboką powierzchnię poślizgu oraz zaznaczyć wyznaczony poziom kotwienia (pkt. A) 4. Z punktu kotwienia (pkt. A) poprowadzić prostą pod odpowiednim kątem α = (10 35 ), aŝ do przecięcia z linią wyznaczającą głęboką powierzchnię poślizgu. Punkt przecięcia tych dwóch prostych (pkt. B) wyznacza środek projektowanej buławy iniekcyjnej. 5. Wyznaczyć długość L (odcinek pomiędzy punktem A i B) 6. Obliczyć całkowitą długość kotwy ze wzoru: L fixed L C = L' + (6) 2 L c całkowita długość kotwy L odległość między punktem kotwienia a środkiem buławy iniekcyjnej L fixed długość buławy iniekcyjnej α A γ powierzchnia odłamu γ K głęboka powierzchnia poślizgu L fixed B Strona 13

14 Rys. 7. Sposób wyznaczenia długości kotew gruntowych Gwoździowanie Gwoździe gruntowe (bierne kotwy gruntowe) słuŝą do zbrojenia gruntu, czyli podniesienia własności wytrzymałościowych ośrodka gruntowego. UŜycie systemu GSI w wykonywaniu tego rodzaju prac w pełni ukazuje zalety systemu. Wiercenie otworu z bezpośrednią iniekcją nie powoduje osuwania gruntu ze ścian otworu i w rezultacie jego zasypywania. Jednocześnie taki sposób tworzenia gwoździ wzmacnia ośrodek gruntowy poprawiając jego parametry, gdyŝ w wyniku iniekcji wszystkie szczeliny i pustki w strefie przyotworowej wypełniane zostają iniektem. Szczególnie waŝne jest to przy prowadzeniu prac w słabych ośrodkach gruntowych (np. flisz karpacki). Rys. 8. Zastosowanie metody TOP DOWN do podcięcia skarpy Gwoździowanie gruntu znajduje szerokie zastosowanie przy: wykonywaniu zabezpieczeń ścian głębokich wykopów Stosuje się przy tym doskonale sprawdzoną metodę TOP DOWN (rys. 8), polegającą na etapowym wykonywaniu ścian w następującej kolejności: wykonaniu wykopu o głębokości umoŝliwiającej wykonanie dwóch rzędów gwoździ wykonanie gwoździ gruntowych i zabezpieczenie lica ściany (np.: torkretowanie, panele) zdjęcie kolejnej warstwy gruntu Czynności te powtarza się, aŝ do osiągnięcia Ŝądanej głębokości. Gwoździe gruntowe zapewniają stateczność całego układu tworząc lekką konstrukcję oporową. Strona 14

15 zabezpieczenia stateczności podcinanych zboczy W przypadku skarp o mniejszym nachyleniu stosuje się gwoździe GSI, natomiast lico skarpy zabezpiecza się technologią elastyczną: siatkami stalowymi, biowłókninami, lub geosyntetykami co pozwala na zazielenienie powierzchni zabezpieczającej skarpę. zabezpieczania osuwisk Ten rodzaj prac w pełni ukazuje moŝliwości i zalety systemu GSI, a mianowicie moŝliwość pracy w trudnym terenie oraz szybkie i efektywne wbudowywanie gwoździ. zabezpieczania zboczy rumowiskowych W miejscach gdzie występuje zjawisko spadania odłamków i okruchów skalnych, szczególnie w terenach górskich, stosuje się gwoździowanie w połączeniu z siatkami stalowymi o podwyŝszonej wytrzymałości. Z uwagi na dynamizm zjawiska siatka, jak i mocujące ją gwoździe musza zapewniać odpowiednią wytrzymałość i długowieczność. Projektując jak równieŝ wykonując gwoździe gruntowe naleŝy pamiętać aby: ilość gwoździ oraz ich rozstaw poziomy i pionowy zaprojektować w oparciu o wyznaczone wcześniej parametry ośrodka gruntowego gwóźdź gruntowy, aby spełniał swoje zadanie musi przebijać powierzchnię poślizgu gwoździowanie naleŝy rozpoczynać bezpośrednio po wykonaniu wykopu, tak aby nie nastąpiło odpręŝenie gruntu. Gęstość (ilość) gwoździ oblicza się ze wzoru: N zw P = (7) a b P gęstość gwoździ N zw nośność zewnętrzna gwoździa, kn a b rozstaw pionowy i poziomy gwoździ, m m Zamiast długości buławy przyjmuje się długość gwoździa leŝącą poza płaszczyzną poślizgu. Gwoździowany ośrodek gruntowy zmienia swoją spójność wynikającą z wprowadzenia gwoździ: Strona 15

16 c uz cu + c 1 = (8) c uz zmodyfikowana spójność ośrodka gruntowego po wprowadzeniu gwoździ, kpa c u pierwotna spójność ośrodka gruntowego, kpa c 1 wartość o jaką poprawia się spójność ośrodka gruntowego spowodowanym wprowadzeniem gwoździ, kpa Wartość c 1 oblicza się wg wzoru: 1+ sinϕ c1 = P (9) 2 cosϕ φ kąt tarcia wewnętrznego,... P gęstość gwoździ W oparciu o zmodyfikowaną wartość c uz dalsze obliczenia stateczności prowadzi się zastępując pierwotną spójność gruntu, zmodyfikowaną spójnością ośrodka gruntowego. Mikropale Podobnie jak przy projektowaniu kotew gruntowych prawidłowe zaprojektowanie mikropala polega na właściwym doborze zbrojenia, w zaleŝności od jego projektowanej nośności. NaleŜy przy tym korzystać z tych samych wzorów jak dla kotew gruntowych. Przy obliczaniu wymaganej długości buławy iniekcyjnej oraz ustalaniu całkowitej długości mikropala, naleŝy zwrócić uwagę, aby jego długość zapewniała posadowienie w gruntach nośnych, gdyŝ całą nośność mikropala uzyskuje się właśnie z tej warstwy. W miejscach płytko występujących skał naleŝy na tyle przegłębić otwór, aby pal osadzić 0,5 metra w podłoŝu skalistym. W czasie prowadzenia prac w ośrodkach spoistych, szczególnie miękkoplastycznych i plastycznych, naleŝy uwaŝać na moŝliwość wyboczenia mikropala. Strona 16

17 Podczas projektowania zabezpieczeń z uŝyciem systemu GSI najlepiej wspomagać się komputerowymi metodami analitycznymi (Slope/W, Talren, Stability, itp.) jak równieŝ stosunkową młodą dziedziną jaką są metody numeryczne oparte na: Metodzie Elementów Skończonych (Plaxis, Crisp, Z_Soil, itp.) Metodzie Elementów Brzegowych (Beasy, itp.) Metodzie RóŜnic Skończonych (Flac, Flac 3D, itp.) Zakończenie Niniejszy Przewodnik ma za zadanie przybliŝyć Państwu zalety systemu GSI, jego funkcjonalność i łatwość stosowania. Metody wzmacniania podłoŝa oparte na uŝyciu systemów kotew z roku na rok zdobywają coraz większe zainteresowanie i wypierają metody tradycyjne. Te wydajne a zarazem ekonomiczne metody, są skuteczne w wielu sytuacjach. Rozbudowany system, składający się z wielu elementów dających się dowolnie łączyć daje wręcz nieograniczone moŝliwości jego zastosowania. Jednocześnie proste metody obliczeniowe pozwalają na dość szybkie wyznaczenie parametrów technicznych oraz wstępne oszacowanie kosztów. Przedstawiliśmy równieŝ podstawowe wiadomości na temat wstępnego projektowania, jednak kaŝdorazowo naleŝy pamiętać, aby projekt został wykonany przez uprawnionego projektanta. Bibliografia PN-EN 1537:2002 Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Kotwy gruntowe. PN-B-02481:1998 Geotechnika. Terminologia podstawowa, symbole literowe i jednostki miar. PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŝone. Obliczenia statyczne i projektowanie Jarominiak A.: Lekkie konstrukcje oporowe. WKiŁ, Warszawa 2000 Strona 17