Acta Sci. Pol. Architectura 15 (2) 2016, 3 22

Transkrypt

1 ISSN Acta Sci. Pol. Architectura 15 (2) 2016, 3 22 FUNDAMENTY PALOWE, OBLICZENIA Z ZASTOSOWANIEM ZASAD EUROKODU 7 I DOWIADCZE KRAJOWYCH Kazimierz Gwizdaa, Adam Krasiski Politechnika Gdaska, Gdask Streszczenie. Zagadnienie obliczania fundamentów palowych jest w Eurokodzie 7 przedstawione w sposób ogólny. Okrelono jedynie gówne zasady wykonywania oblicze oraz podano wymagania, jak`im powinny odpowiada. Zaoenie takie jest uzasadnione, ale stanowi utrudnienie w praktycznym zastosowaniu inynierskim. Projektanci s obligowani do samodzielnego poszukiwania odpowiednich i wiarygodnych metod obliczeniowych, które s rozproszone w licznych opracowaniach. Dotyczy to zarówno metod obliczania statycznego fundamentów palowych, okrelania nonoci pali, jak i prognozowania osiada pali pojedynczych oraz w grupie. W artykule omówiono powysze zagadnienia oraz przedstawiono kilka propozycji metod i podej obliczeniowych z wykorzystaniem aktualnych wyników bada oraz wieloletnich dowiadcze krajowych. Sowa kluczowe: pale fundamentowe, projektowanie pali, nono pali, osiadania fundamentów palowych WSTP W Polsce od kilku lat stosowane s zasady projektowania geotechnicznego zgodne z Eurokodem 7. W zaczniku krajowym do powyszej normy nie ma dodatkowych zalece dotyczcych obliczania i projektowania fundamentów palowych, w zwizku z czym obowizuj zalecenia zawarte w wersji oryginalnej (ogólnoeuropejskiej) normy. Dotycz one midzy innymi klasykacji metod obliczeniowych, wartoci wspóczynników cz- ciowych oddziaywa G i Q, wspóczynników korelacyjnych od 1 do 6 oraz wspóczynników nonoci b, s, t i s;t. Adres do korespondencji Corresponding author: Kazimierz Gwizdaa, Politechnika Gdaska, Wydzia Inynierii Ldowej i rodowiska, Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego, ul. Narutowicza 11/12, Gdask, kgwiz@pg.gda.pl Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2016

2 4 K. Gwizdaa, A. Krasiski Wedug zacznika krajowego, sprawdzanie nonoci fundamentów, równie palowych, zaleca si przeprowadza, stosujc podejcie obliczeniowe 2 (DA2 lub DA2*), z kombinacj wspóczynników: A1 + M1 + R2. Przy opracowywaniu EC7 przyjto, e w normie znajd si jedynie zasady i wymagania, jakim powinny odpowiada rónego rodzaju obliczenia statyczne fundamentów i konstrukcji geotechnicznych, bez narzucania konkretnych metod i szczegóowych wzorów obliczeniowych. Przedstawiono jedynie pewne propozycje oblicze. Idea ta znaczco odrónia Eurokody od dawnych norm polskich, w których zawarte wzory obliczeniowe traktowano jako obowizkowe. Z jednej strony taka istotna zmiana jest korzystna z tego wzgldu, e daje projektantom du swobod w doborze metod obliczeniowych i nie krpuje rozwoju tych metod. Jednoczenie odpowiedzialno za projekt i wyniki oblicze skupiana jest tylko na osobie projektanta. Z drugiej strony swoboda doboru metod obliczeniowych moe by dla wielu projektantów kopotliwa i niewygodna. Wymusza na nich cigy rozwój i uaktualnianie swojej wiedzy przez studiowanie biecej literatury fachowej i najnowszych opracowa. Zalecane jest te due dowiadczenie praktyczne i dobra znajomo zagadnienia. Zgodnie z wymaganiami EC7, stosowane przez projektantów metody obliczeniowe powinny mie solidne podstawy merytoryczne pochodzi z uznanych róde bd mie oparcie w wynikach bada eksperymentalnych. Biorc pod uwag du liczb dostpnych róde literatury, naley stwierdzi, e zadania, przed jakimi stoj projektanci, mog nie by atwe. Wychodzc naprzeciw zapotrzebowaniu i chcc czciowo uatwi prac projektantom, w niniejszym artykule zawarto kilka wskazówek i porad dotyczcych stosowania niektórych metod obliczania statycznego i projektowania fundamentów palowych z zachowaniem zasad i wymogów EC7. Przytoczone metody naley jednak nadal traktowa jako przykadowe lub sugerowane, ale dajce w miar wysoki poziom wiarygodnoci i bezpieczestwa. METODY OKRELANIA NONOCI PALI ZGODNIE Z ZASADAMI EC7 Wiadomoci wstpne W EC7, pkt 7.4.1, wyróniono cztery rodzaje metod okrelania nonoci pali. We wszystkich nono graniczn pala deniuje si umownie jako si, przy której przemieszczenie jego gowicy osiga warto równ 10% rednicy trzonu D. Warto nono- ci charakterystycznej pala oblicza si, dzielc nono graniczn przez wspóczynniki korelacyjne od 1 do 6, a nono projektow (obliczeniow) okrela si przez podzielenie wartoci charakterystycznej przez wspóczynniki nonoci b, s, t lub s;t. W przypadku okrelania nonoci pali na podstawie próbnych obcie statycznych (SPLT) wystpuje taka niedogodno, e rzadko podczas badania dochodzi si do wartoci siy powodujcej przemieszczenie równe 10% rednicy pala. W przypadku badania pali tzw. produkcyjnych nie jest to czasami wskazane ze wzgldów konstrukcyjnych. W powyszej sytuacji proponuje si ekstrapolacj wykresu Q-s z próbnego obcienia do Acta Sci. Pol.

3 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad... 5 wartoci siy granicznej N g. Wedug zalece polskiej normy PN-83/B-02482, konstruuje si wykres pomocniczy dq/ds i poszukuje na nim odcinka prostoliniowego (rys. 1). Ekstrapolacj krzywej osiadania (linia przerywana) mona przeprowadzi, wykorzystujc metod funkcji hiperbolicznej Gwizday [2013] lub metod graczn. Rys. 1. Fig. 1. Okrelanie nonoci pala (R c;m ) z wykresu próbnego obcienia Determination of pile bearing capacity (R c;m ) from static load test chart W przypadku braku moliwoci wydzielenia odcinka prostoliniowego na wykresie dq/ds nono R c;m pala proponuje si przyj równ sile Q c;max. Ze wzgldu na moliwo wystpienia takiej sytuacji, w celu uniknicia problemów ze spenieniem warunku nonoci, warto maksymalnej siy, do której naley doprowadzi próbne obcienie, powinna by okrelona z warunku: Q c;max > F d 1 t (1) gdzie: F d warto projektowa (obliczeniowa) obcienia przekazywanego na pal. W podobny sposób naley postpowa w przypadku okrelania nonoci pali na podstawie bada dynamicznych. Badania powinny umoliwi okrelenie wartoci siy granicznej (Q ult ) i skonstruowanie wykresu Q-s. W przypadku braku takiej moliwoci nono R c;m pala naley przyj równ sile Q c;max, rozumianej jako ekwiwalent statyczny maksymalnej siy otrzymanej z interpretacji próbnego obcienia dynamicznego pala. W obliczeniach wstpnych do projektu najczciej wykorzystywane s metody analityczne obliczania nonoci pali na podstawie parametrów z bada podoa gruntowego. Naley zaznaczy, e w EC7 wymaga si, aby metody te byy zwerykowane wynikami próbnych obcie statycznych pali. Nonoci pali w metodach analitycznych wyznacza si z ogólnych wzorów statycznych: w przypadku pala wciskanego Rc;cal = Rb;cal + Rs;cal = Ab qb + As; i qs; i (2) Architectura 15 (2) 2016

4 6 K. Gwizdaa, A. Krasiski w przypadku pala wyciganego Rst;cal = As ; i qst; i (3) Oznaczenia wielkoci zawarte w powyszych wzorach s zgodne z EC7. W grupie rozpatrywanych metod nadal najchtniej stosowana jest w Polsce metoda obliczeniowa wedug polskiej normy PN-83/B Zostaa ona zwerykowana setkami próbnych obcie statycznych pali, które w wystarczajcym stopniu potwierdziy jej wiarygodno i bezpieczestwo. W celu dostosowania do zaoe EC7 metoda wymagaa jednak nieznacznej modykacji, któr zaproponowa midzy innymi Sobala [2012, 2014]. Za najbardziej miarodajne i nowoczesne uwaa si jednak metody oblicze opierajce si na bezporednich wynikach bada in situ (najczciej sondowa CPTU). W literaturze polskiej istnieje kilka propozycji takich metod, np. metoda Gwizday i Stczniewskiego [2006, 2007] w odniesieniu do pali Vibro i pali wielkorednicowych, metoda Krasiskiego [2013a, b] do pali przemieszczeniowych wkrcanych (SDP). Prowadzone s równie badania naukowe nad opracowaniem takiej metody do okrelania nonoci pali CFA. Najbardziej rozpowszechnione w wiecie z grupy metod bezporednich s propozycje francuskie [Bustamante i Gianesselli 1983] i belgijskie [Van Impe 1991]. Obliczanie nonoci pali wedug PN-83/B z dostosowaniem do zasad EC7 Po dostosowaniu polskiej metody normowej do wymogów EC7 nonoci graniczne pala wciskanego i wyciganego oblicza si wedug wzorów: R = R + R = S A q + S A q c;cal b;cal s;cal b b b si ; si ; si ; (4) Rst;cal = Sst; i As ; i q (5) s; i w których wspóczynniki technologiczne S b, S s;i i S st;i naley przyjmowa wedug tabeli 4, PN. W tablicy tej nie ujto niektórych pali nowych technologii, midzy innymi pali CFA i przemieszczeniowych wkrcanych. W stosunku do pali CFA proponuje si przyjmowa wspóczynniki technologiczne jak do pali wierconych gowic pokrtn. W stosunku do pali przemieszczeniowych wkrcanych proponuje si przyjmowa wspóczynniki technologiczne dla oporu podstawy jak do pali wierconych gowic pokrtn, a dla oporów pobocznicy jak do pali Vibro. Wartoci jednostkowe oporów gruntu q b i q s podane s w normie w zalenoci od rodzaju i stanu gruntu. Odpowiadaj one osiadaniom pali na poziomie 3 5% rednicy ich trzonów. W celu dostosowania tych wielkoci do zaoe europejskich, aby odpowiaday osiadaniom pali równym 10% rednicy, zwikszono je o okoo 25% (wedug propozycji Sobali [2012]). Propozycj wartoci zmodykowanych zestawiono w tabelach 1 i 2. Acta Sci. Pol.

5 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad... 7 Tabela 1. Wartoci oporów granicznych gruntu pod podstaw pala q b [kpa] Table 1. Ultimate unit base resistance q b [kpa] Rodzaj gruntu Soil type Gr, sagr CSa, MSa FSa sisa Rodzaj gruntu Soil type clsigr, clsisagr, clgr clsisa, saclsi, clsi sasicl, sicl, sacl, Cl sasi, Si I D = 1,00 I D = 0,67 I D = 0,33 I D = 0, I L < 0, w = 0 I L = 0, w = w p I L = 0,50 I L = 0, Tabela 2. Wartoci oporów granicznych gruntu wzdu pobocznicy pala q s [kpa] Table 2. Ultimate unit shaft resistance q s [kpa] Rodzaj gruntu I Soil type D = 1,00 I D = 0,67 I D = 0,33 I D = 0,20 Gr, sagr CSa, MSa FSa sisa Rodzaj gruntu Soil type clsigr, clsisagr, clgr clsisa, saclsi, clsi sasicl, sicl, sacl, Cl sasi, Si Mud I L < 0, w = 0 I L = 0, w = w p I L = 0,50 I L = 0, Wartoci q b i q s przyjmowane do wzorów (6) i (7) naley dodatkowo zinterpolowa z gbokoci, zgodnie z wytycznymi PN i komentarzem do normy [Kosecki 1988]. Wartoci charakterystyczne nonoci pali R c;k i R st;k wyznacza si wedug formu zawartych w EC7, wykorzystujcych wspóczynniki korelacyjne 3 i 4 oraz wspóczynnik modelu Rd, który przyjmuje si o wartociach: Rd = 1,25 do fundamentu na pojedynczym palu, Rd = 1,12 do fundamentu na dwóch palach i Rd = 1,00 do fundamentu na co najmniej trzech palach. Zgodnie z podejciem obliczeniowym DA2 (DA2*), nono projektow pala okrela si, stosujc wspóczynniki t = 1,1 i s;t = 1,15. Architectura 15 (2) 2016

6 8 K. Gwizdaa, A. Krasiski Propozycja obliczania nonoci pali Vibro i pali wielkorednicowych na podstawie sondowa CPT(U) Propozycj dla pali wciskanych przedstawili Gwizdaa i Stczniewski [2006, 2007]. Nono graniczn pala oblicza si z wzoru (2), w którym wartoci oporów jednostkowych q b i q s;i okrela si z wyrae: q b = ψ q 1 c q q cs; i si ; = (6, 7) ψ 2; i gdzie: q c, q cs; i reprezentatywne wartoci oporów stoka sondy CPT odpowiadajce podstawie i pobocznicy pala w warstwie i, 1, 2;i wspóczynniki nonoci odpowiednio dla podstawy i pobocznicy pala w warstwie i (tab. 3 i 4). Reprezentatywn warto q c przyjmuje si jako redni waon z przedziau gbokoci (l 1 + l 2 ), gdzie l 1 jest odcinkiem mierzonym od poziomu podstawy pala w gór, a l 2 odcinkiem mierzonym od poziomu podstawy pala w dó. Dugoci odcinków l 1 i l 2 przyjmuje si z przedziau od 1D b do 4D b (D b rednica podstawy pala) w zalenoci od uwarstwienia podoa gruntowego w rejonie podstawy pala (szczegóy opisano w wymienionych pracach Gwizday i Stczniewskiego). Reprezentatywn warto q cs; i przyjmuje si jako redni waon z warstwy i gruntu o wysokoci h i. Tabela 3. Wspóczynniki 1 i 2 w odniesieniu do pali Vibro Table 3. Bearing capacity coefcients 1 and 2 for Vibro piles Rodzaj gruntu Soil type Wszystkie All soils Wszystkie All soils Wspóczynnik 1 Wspóczynnik 2 Coefcient 1 Coefcient 2 q c Wzór Formula 4 MPa 1 = 1, MPa q c ψ 1 = 1,9 p ref 0,455 Rodzaj gruntu Soil type clsi, saclsi, clsisa q cs 0,5 12 MPa Wzór Formula qcs ψ 2 = 18,0 + 9,4 p qcs sisa 4 40 MPa ψ 2 = 10,3 + 82,6 p qcs FSa 4 40 MPa ψ 2 = 7,0 + 86,3 p ref ref ref MSa i CSa 4 40 MPa qcs ψ 2 = 5,9 + 58,6 p ref p ref = 1,0 MPa Acta Sci. Pol.

7 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad... 9 Tabela 4. Wspóczynniki 1 i 2 w odniesieniu do pali wierconych wielkorednicowych Table 4. Bearing capacity coefcients 1 and 2 for large diameter bored piles Rodzaj gruntu Soil type Wszystkie All soils Wspóczynnik 1 Wspóczynnik 2 Coefcient 1 Coefcient 2 q c MPa Wzór Formula Rodzaj gruntu Soil type q oraz D cs q and D cs Wzór Formula qc q ψ 1 = 0,177 0,001 sisa 4 40 MPa ψ 2 = 12, 4 cs p p ref ref q cs FSa 4 40 MPa ψ 2 = 9, p ref MSa i CSa MSa i CSa 4 40 MPa D < 1,5 m 4 40 MPa D 1,5 m q cs ψ 2 = 6, p ref q cs ψ 2 = 10, p ref p ref = 1,0 MPa, D rednica pala pile diameter W przypadku pali wierconych wielkorednicowych wartoci wspóczynników 1 i 2 odnosz si w zasadzie tylko do gruntów niespoistych. Nie jest zatem wskazane wykorzystywanie proponowanej metody do obliczania nonoci tego rodzaju pali w gruntach spoistych. W odniesieniu z kolei do pali Vibro metoda moe zawya nono podstawy (R b ), a zania nono pobocznicy (R s ). Z tego wzgldu zaleca si ostrono w stosowaniu jej do pali o maym zagbieniu w warstwie nonej (poniej 5D). Propozycja obliczania nonoci pali przemieszczeniowych wkrcanych w gruntach niespoistych na podstawie sondowa CPT(U) Propozycj przedstawi Krasiski [2013a, b]. Metod obliczeniow opracowa na podstawie ponad 20 bada nonoci pali, oprzyrzdowanych w aparatur umoliwiajc pomiar oporów pobocznicy i podstawy pala. Badania byy powizane z badaniami CPT podoa gruntowego, wykonywanymi dokadnie w miejscach lokalizacji pali. Badania zrealizowano na terenach deltowych pónocnej Polski i dlatego stosowanie metody powinno by ograniczone do pali wciskanych zagbionych w gruntach nonych z nawodnionych piasków drobnych, rednich i pospóek pochodzenia wodno-lodowcowego. Podobnie jak w opisanych wyej metodach, nono graniczn pala wciskanego oblicza si z ogólnego wzoru (2), w którym wartoci oporów jednostkowych q b i q s;i okrela si z: q 0,16 0,23 q q cb cs; i bgr ; = 2475 [kpa]; qsi ; = 65 [kpa] pref pref (8, 9) Architectura 15 (2) 2016

8 10 K. Gwizdaa, A. Krasiski gdzie: q cb, q cs ekwiwalentne wartoci oporu stoka sondy CPT okrelane z wykresu sondowania wedug schematu na rysunku 2 (przy wyznaczaniu q cs grunt nony zaleca si podzieli na podwarstwy), MPa. p ref naprenie referencyjne o wartoci 1,0 MPa. Rys. 2. Fig. 2. Schemat obliczania ekwiwalentnych wartoci oporów stoka q cs i q cb. Calculation scheme of the equivalent cone resistances q cs and q cb We wzorach (8) i (9) wartoci q cb i q cs;i naley podawa w MPa i powinny one spenia warunki: q cs (5 25) [MPa] i q cb (10 30) [MPa] (10) Przy zagbieniu pala w gruncie nonym (h N ) mniejszym ni 5D naley zastosowa redukcj jego nonoci za pomoc wspóczynnika hn : hn Rt;cal = ηhn ( Rb;cal + Rs;cal ), gdzie ηhn = 0, 4 + 0, 6 1, 0 (11, 12) 5Dp Wspóczynniki korelacyjne do pali przemieszczeniowych wkrcanych proponuje si nieznacznie obniy w stosunku do propozycji zawartej w EC7 ze wzgldu na bardziej wyrównan charakterystyk pracy tego rodzaju pali w gruncie w porównaniu z palami innych technologii oraz przy kontroli warunków gruntowych podczas wykonania pali (rejestracja oporów wkrcania). Proponowane wartoci wspóczynników 3 i 4 podano w tabeli 5. Tabela 5. Wartoci wspóczynników korelacyjnych 3 i 4 (n liczba zbadanych prolów CPT) Table 5. Correlation coefcients 3 and 4 values (n number of CPT proles) dla n for n ,3 1,25 1,21 1,19 1,17 1,15 1,13 4 1,25 1,15 1,12 1,09 1,05 1,0 1,0 Acta Sci. Pol.

9 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Propozycja obliczania nonoci pali na podstawie sondowa CPT wedug PN-EN :2007 W rozpatrywanej normie zawarto dwie propozycje szacowania oporów gruntu wokó pali na podstawie wyników sondowa CPT podoa gruntowego. W pierwszej propozycji, opisanej w pkt D.6 normy, podaje si bardzo proste korelacje pomidzy oporami gruntu niespoistego wzdu pobocznicy i pod podstaw pala (q s i q b ) a oporami (q c ) stoka sondy wciskanej z kocówk elektryczn. Korelacje te zestawiono w tabelach 6 i 7. Tabela 6. Wartoci oporów gruntów niespoistych pod podstaw pala (q b ) Table 6. Unit base resistance (q b ) for non-cohesive soils Znormalizowane osiadanie pala Normalized pile settlement Opór gruntu pod podstaw pala q b [MPa] w zalenoci od redniego oporu stoka sondy q c [MPa] Base soil resistance q b [MPa] in relation to average cone resistance q c [MPa] s/d b q c = 10 q c = 15 q c = 20 q c = 25 0,02 0,70 1,05 1,40 1,75 0,03 0,90 1,35 1,80 2,25 0,10 2,00 3,00 3,50 4,00 Wartoci porednie mona interpolowa liniowo Intermediate values can be interpolated linearly. W przypadku pali z powikszon podstaw, podane wartoci q b naley przemnoy przez 0,75. In the case of piles with enlarged basis the given q b values should be multiplied by Tabela 7. Wartoci oporów gruntów niespoistych na pobocznicy pala (q s ) Table 7. Unit shaft resistance (q s ) for non-cohesive soils redni opór stoka sondy q c [MPa] Warto oporu gruntu na pobocznicy pala q s [MPa] Average cone resistance q c [MPa] Value of soil shaft resistance q s [MPa] , , ,120 Wartoci porednie mona interpolowa liniowo Intermediate values can be interpolated linearly. Propozycj zapoyczono z normy niemieckiej DIN 1054 (2003-1), w której podano informacj, e metoda odnosi si do pali wierconych wielkorednicowych. Informacji takiej nie zamieszczono niestety w normie PN-EN :2007. Midzy innymi z tego powodu autorzy nie rekomenduj powyszej propozycji, jak równie dlatego, e jest zbyt uproszczona, zania warto oporu gruntu pod podstaw pala oraz nie podaje procedury wyznaczania redniej wartoci q c w rejonie podstawy pala. Druga propozycja, opisana w pkt D.7 normy, jest bardziej zoona ni pierwsza i cz- ciowo uwzgldnia technologi pali. Poniej scharakteryzowano j skrótowo. Architectura 15 (2) 2016

10 12 K. Gwizdaa, A. Krasiski Opór graniczny gruntu pod podstaw pala (q b ) okrela si z: q + q q s q 2 ci ; ;mean cii ; ;mean b = 0,5 αp β + c; III ;mean 15 MPa (13) gdzie: p wspóczynnik klasy pala, wedug tabeli 8, wspóczynnik ksztatu podstawy pala; w przypadku pali o przekroju koowym lub kwadratowym i bez powikszenia podstawy = 1,0, s dodatkowy wspóczynnik uwzgldniajcy ksztat podstawy pala; w przypadku pali o przekroju koowym lub kwadratowym s = 1,0, q c;i;mean, q c;ii;mean i q c;iii;mean rednie wartoci oporu stoka sondy z odpowiednich przedziaów gbokoci w rejonie podstawy pala (szczegóy opisane w normie). Opór graniczny gruntu wzdu pobocznicy pala (q s ) okrela si z: q = α q (14) s s c; z; a gdzie: s wspóczynnik wedug tabel 8 i 9, q c;z;a warto odcitej q c na gbokoci z; wedug normy q c;z;a 12 MPa lub 15 MPa. Tabela 8. Maksymalne wartoci wspóczynników p i s dla pali w piaskach i pospókach Table 8. Maximum values of p and s coefcients for piles in sand and sandy gravel Rodzaj pala (rednica > 150 mm) Type of pile (diameter > 150 mm) Pale elbetowe prefabrykowane wbijane Precast concrete driven piles Pale wbijane Vibro i Franki Driven Vibro and Franki piles Pale formowane widrem cigym (CFA) Continuous Flight Auger piles (CFA) Pale wiercone w rurach osonowych Bored piles in casings p 1,0 1,0 0,8 0,6 s 0,010 0,012 0,006 0,005 Tabela 9. Maksymalne wartoci wspóczynnika s dla pali w iach i pyach Table 9. Maximum values of p and s coefcients for piles in clay and silt Rodzaj gruntu (Soil type) q c [MPa] s I Clay I Clay Py Silt > 3,0 3,0 0,030 0,020 0,025 Podobnie jak wyej, autorzy nie rekomenduj opisanej propozycji. Warto 0,5 we wzorze (13) jest w pewnym sensie wspóczynnikiem skali pomidzy oporami q b i q c ( p naley traktowa jako wspóczynnik technologiczny). Przyjcie staej wartoci wspóczynnika skali jest bdne. Ogólnie wiadomo, e zmniejsza si ona nieliniowo wraz ze Acta Sci. Pol.

11 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad wzrostem oporu q c. Zatem wzór (13) znacznie zawya warto oporu q b w gruntach zagszczonych i bardzo zagszczonych. Ograniczenie do 15 MPa nie rozwizuje problemu, gdy jest zbytdue. Zdaniem autorów, nie powinno przekracza wartoci 8 10 MPa. Z kolei wartoci wspóczynnika s w tabeli 8 wydaj si by zanione. Ponadto sposoby wyznaczania wartoci q c;i;mean, q c;i;mean, q c;iii;mean oraz q c;z;a s niejasno opisane w normie i mog sprawia trudnoci we waciwej interpretacji. Podane uwagi wymieniono jako najwaniejsze. Istniej równie propozycje prognozowania penej krzywej osiadania pali Q-s na podstawie wyników sondowa CPT. W odniesieniu do pali Vibro metod tak przedstawiono w pracach Gwizday i Wicawskiego [2015] oraz Wicawskiego [2015a, b], a w odniesieniu do pali SDP w pracach Krasiskiego [2013a, b]. Tarcie negatywne Tarcie negatywne proponuje si oblicza zgodnie z zasadami normy PN-83/B W gruntach sabononych (organiczne i lune nasypy) mona przyjmowa wartoci f sn = 5 10 kpa, niezalenie od gbokoci. W gruntach mineralnych wytrzymaych, tarcie negatywne mona oblicza wedug takich samych zasad jak tarcie pozytywne, ale ze wspóczynnikiem technologicznym jak dla pali wyciganych S st = 0,6 0,8. Tarcie negatywne powinno si przyjmowa tylko w sytuacjach, w których zachodz okolicznoci jego wystpienia. Zwraca si równie uwag, e wedug EC7 tarcie negatywne naley przyjmowa po stronie oddziaywa, ze wspóczynnikiem G. Nono pali w grupie W EC7 zagadnienie nonoci pali w grupie jest tylko wzmiankowane i to bardzo ogólnie. Dlatego proponuje si w tym wzgldzie stosowa zasady wedug PN-83/B oraz zalecenia zawarte w pracy Gwizday [2011]. W zalenoci od technologii pali, warunków gruntowych i rozstawu pali nono grupy pali moe by wiksza, równa lub mniejsza od sumy nonoci pali pojedynczych [Tejchman i in. 2001]. W przypadkach, w których nono grupy pali jest mniejsza od sumy nonoci pali pojedynczych, wyznacza si wspóczynnik m 1, którym redukuje si nono pobocznicy pala: R = R + m R ; R = m R (15, 16) tg;cal b;cal 1 s;cal stg;cal 1 st;cal Analizy teoretyczne i badania modelowe wykazuj, e nakadanie si na siebie stref oddziaywania ssiednich pali powoduje faktycznie redukcj oporu pobocznicy pali wciskanych, ale jednoczenie wpywa na wzrost oporów podstawy. Ten drugi efekt jest jednak pomijany w obliczeniach ze wzgldów bezpieczestwa. W odniesieniu do pali skrajnych w grupie autorzy proponuj korekt wspóczynnika m 1 wedug formu: dla pali krawdziowych: m 1k = 0,75 m 1 + 0,25 (17) dla pali naronych: m 1n = 0,5 m 1 + 0,5 (18) Naley pamita, e nono caej grupy pali nie moe przekroczy nonoci zastpczego fundamentu blokowego wyznaczonego zewntrznym obrysem pali i gbokoci ich podstaw [Gwizdaa 2011]. Analiza nonoci takiego fundamentu zastpczego pozwala Architectura 15 (2) 2016

12 14 K. Gwizdaa, A. Krasiski stwierdzi, czy zwikszanie liczby pali w istniejcym obrysie fundamentu jest zabiegiem efektywnym, czy nie. Analiz tak naley jednak przeprowadza z rozwag, szczególnie w odniesieniu do skadnika nonoci zalenego od wspóczynnika N i szerokoci fundamentu (B g ). PROPOZYCJE DOTYCZCE OBLICZANIA OSIADANIA PALI I FUNDAMENTÓW PALOWYCH Zagadnienie osiadania fundamentów palowych jest czsto traktowane drugorzdnie w projektowaniu obiektów budowlanych. Wynika to z faktu i zaoenia, e fundamenty palowe ulegaj maym osiadaniom. Równie w EC7 zagadnienie osiadania pali jest potraktowane bardzo ogólnie. W ostatnim czasie dostrzega si jednak wag obliczania i prognozowania osiada pali i grup palowych, gównie w kontekcie poprawnoci oblicze statycznych konstrukcji posadawianej na palach. Podatno pali oraz sztywno oczepu wieczcego w duym stopniu decyduj o rozkadzie i wartociach si w palach, si przekrojowych w fundamencie oraz wyte elementów konstrukcyjnych nadbudowy. W modelowaniu schematów fundamentów palowych bardzo przydatna jest znajomo charakterystyk obcienie-osiadanie pali. Metoda funkcji transformacyjnych Do prognozowania krzywej osiadania pala pojedynczego proponuje si metod funkcji transformacyjnych [Gwizdaa 1996], która zostaa szczegóowo opisana take w wielu innych publikacjach. Schemat obliczeniowy pala do metody przedstawiono na rysunku 3, a wynik oblicze w postaci wykresów obcienie-osiadanie pokazano na rysunku 4. Rys. 3. Fig. 3. Schemat wspópracy pala/kolumny z gruntem w metodzie funkcji transformacyjnych Soil-pile interaction scheme in the load-transfer functions method Acta Sci. Pol.

13 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Rys. 4. Fig. 4. Krzywe obcienie-osiadanie wyznaczone metod funkcji transformacyjnych Load-settlement curves obtained from transfer functions method Funkcje transformacyjne najczciej przyjmuje si o postaciach c) i e) pokazanych na rysunku 3 i wyraa zalenociami potgowymi: β s s q = q dla q q oraz q = q dla q q b s b b; f b b; f s s;max s s;max z f zv α (19, 20) gdzie: wykadnik funkcji q s -z, który przyjmuje si z przedziau 0,3 do 0,5, z v przemieszczenie pobocznicy pala, przy którym mobilizuje si maksymalny opór tarcia gruntu q s;max ; z v przyjmowane jest najczciej o wartoci 5 mm lub 0,01D, wykadnik funkcji q b -z, którego warto przyjmuje si najczciej z przedziau od 0,25 do 0,6, z f przemieszczenie podstawy pala, przy którym mobilizuje si graniczny opór gruntu (q b;f ) pod podstaw; z f przyjmowane jest najczciej o wartoci od 0,05D do 0,1D. Wartoci oporów maksymalnych i granicznych q s;max i q b;f mona okrela opisanymi wczeniej metodami obliczania nonoci pali. Parametry funkcji transformacyjnych dla wybranych rodzajów pali zaproponowano w tabeli 10. Tabela 10. Proponowane parametry funkcji transformacyjnych Table 10. Proposed transfer function parameters Rodzaj pali Piles type z v z f Pale elbetowe prefabrykowane wbijane Precast concrete driven piles 0,01D 0,50 0,05D 0,25 Pale wiercone i CFA Bored and CFA piles grunty niespoiste non-cohesive soils grunty spoiste cohesive soils Pale Vibro Vibro piles Pale wkrcane Screw displacement piles SDP, SDC, CMC 0,01D 0,01D 0,01D 10 mm 0,50 0,25 0,25 0,38 0,05D 0,05D 0,05D 0,1D 0,50 0,50 0,20 0,38 Architectura 15 (2) 2016

14 16 K. Gwizdaa, A. Krasiski Niekiedy mona w obliczeniach pomin odksztacalno trzonu pala, dziki czemu nie wymagaj one iteracji i mona je wykona na oporach cakowitych pobocznicy i podstawy pala: β s s ( Qbs) cal = Rb;cal Rb;cal; ( Qs s) cal = Rs;cal R s;cal z (21, 22) f zv α (Q-s) cal = (Q b -s) cal + (Q s -s) cal (23) Charakterystyki Q-s pali w grupie Wyznaczanie charakterystyk pracy pali w grupie jest zagadnieniem zoonym. Do oblicze projektowych mona przyj zaoenie, e charakterystyka pala i pracujcego w grupie wynika z sumy jego osiadania jako pala pojedynczego (s 1;i ) i osiadania gruntu zalegajcego pod podstawami pali (s g;i ). Wartoci osiada s 1;i i s g;i wyznacza si przy orientacyjnej (np. redniej) wartoci obcienia charakterystycznego przypadajcego na pojedynczy pal (Q 1;k ). Warto s 1;i odpowiadajc sile Q 1;k odczytuje si z krzywej osiadania pala pojedynczego (Q-s) 1;k (rys. 6), zmodykowanej przez uwzgldnienie oddziaywania pali ssiednich za pomoc formuy: (Q-s) 1;k = (Q b -s) k + m 1 (Q s -s) k (24) gdzie wspóczynnik m 1 jest wspóczynnikiem redukcyjnym omówionym wczeniej, z dodatkowym uwzgldnieniem pali skrajnych krawdziowych (m 1k ) i naronych (m 1n ) wzory (17) i (18). Warto osiadania (s g;i ) mona wyznaczy np. metod fundamentu zastpczego wedug schematu przedstawionego na rysunku 5 lub wedug innych schematów proponowanych w literaturze. Rys. 5. Fig. 5. Schemat do obliczania osiada gruntu zalegajcego pod podstawami pali Scheme for the estimation of soil settlement underneath the pile bases Acta Sci. Pol.

15 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Obliczenia osiadania (s g ) mona przeprowadzi dowoln metod, np. odksztace jednoosiowych pod obszarem prostoktnym B L'. W celu urealnienia wyników oblicze warto uwzgldni wzrost moduu ciliwoci (M 0 ) gruntu z napreniem, wczajc w to równie naprenie dodatkowe od nacisków (q ), np. wedug formuy zaproponowanej w PN-EN :2007: w2 σ v0 ( z) + 0,5 Δσ v( z) 0( ) = 0;ref pref M z M gdzie: M 0;ref warto referencyjna moduu ciliwoci, odpowiadajca napreniu p ref = 100 kpa, ' v0 (z) skadowa pionowa naprenia efektywnego pierwotnego na gboko- ci z, ' v (z) skadowa pionowa naprenia efektywnego od obcienia budowl na gbokoci z, w 2 wykadnik, który mona przyjmowa o wartoci 0,5 do gruntów niespoistych i 0,6 do gruntów spoistych. Rozkad osiada mona opisa funkcj s g (x, y), umoliwiajc dalej wyznaczenie wartoci osiadania (s g;i ) pod dowolnym palem i. Charakterystyk (Q-s) i;k dostosowan do warunków pracy w grupie wyznacza si wedug schematu na rysunku 6. (25) Rys. 6. Fig. 6. Schemat ideowy wyznaczania charakterystyki Q-s pala i w grupie Scheme of Q-s characteristic determination for an individual pile in a group of piles W nastpnym etapie oblicze statycznych przygotowuje si schemat obliczeniowy fundamentu palowego, w którym kady pal wyraony jest podpor spryst o indywidualnej, nieliniowej charakterystyce (Q-s) i (rys. 7). Rys. 7. Fig. 7. Schemat obliczeniowy fundamentu palowego Calculation scheme for pile foundation Architectura 15 (2) 2016

16 18 K. Gwizdaa, A. Krasiski Po rozwizaniu ukadu statycznego w wynikach oblicze otrzymuje si zarówno rozkad si w palach, osiadania fundamentu z uwzgldnieniem sztywnoci oczepu fundamentowego, jak i deformacj i siy wewntrzne w konstrukcji oczepowej. Obliczenia fundamentów palowych z uwzgldnieniem wspópracy oczepu fundamentowego z nierównomiernie osiadajc grup pali mona realizowa równie metod hybrydow proponowan i opisywan midzy w pracach: Dyki [2001], Gwizday i Dyki [2002] oraz Gwizday [2011]. Metoda elementów skoczonych (MES) Obliczanie statyczne fundamentów palowych, a gównie okrelanie ich osiada i przemieszcze, coraz czciej realizowane jest metod numeryczn przy uyciu zorientowanych geotechnicznie programów komputerowych do analizy MES. Wci istotnym i trudnym problemem jest odwzorowanie numeryczne niektórych technologii wykonywania pali, gównie pali przemieszczeniowych. W celu uzyskania miarodajnych wyników oblicze niezbdne jest zatem skalibrowanie modelu numerycznego pala z wynikami bada pali w terenie (próbnych obcie statycznych). W odniesieniu do fundamentów palowych najbardziej miarodajne wyniki oblicze uzyskuje si w analizie 3D. Niektóre schematy palowe mona analizowa w ukadzie paskim 2D (PSO), przy czym naley wówczas stosowa odpowiednie przeliczniki i elementy zastpcze, dostosowujce ukad paski do rzeczywistego ukadu przestrzennego. Analizy MES fundamentów palowych w polskiej praktyce projektowej s jak dotd wykorzystywane rzadko, zazwyczaj w duych i zoonych projektach, i przy wspópracy z orodkami naukowymi. Przykadowe analizy numeryczne osiadania pali w grupie przedstawiono midzy innymi w pracach Gwizday i Ksika [2015a, b]. OBLICZANIE FUNDAMENTÓW PALOWYCH OBCIONYCH SIAMI POZIOMYMI Fundamenty palowe obcione w sposób zoony z duym udziaem si poziomych s w Polsce obliczane najczciej metod uogólnion [Kosecki 2006]. W metodzie tej pale modeluje si w postaci prtów wspópracujcych z szeregiem podpór sprysto-plastycznych, odwzorowujcych podoe gruntowe (rys. 8). Parametry podpór sprystych wyznacza si metodami opisanymi pracy Koseckiego [2006]. Po rozwizaniu schematu statycznego ukadu palowego zwykle nie sprawdza si no- noci pali na obcienia poziome, natomiast analizuje si siy osiowe i momenty zginajce w palach oraz przemieszczenia ukadu, które stanowi gówne kryterium werykacji rozwizania projektowego. Stosuje si równie obliczenia z wykorzystaniem równania róniczkowego ugicia odksztaconego prta i krzywych typu p-y [Gwizdaa 2013]. Acta Sci. Pol.

17 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Rys. 8. Fig. 8. Schemat pala w metodzie uogólnionej Pile modeled in the generalized method KONCEPCJA PODEJCIA DO PROJEKTOWANIA FUNDAMENTÓW PALOWYCH Obecnie coraz czciej wykorzystywana jest koncepcja podejcia do projektowania fundamentów palowych, której ide jest rezygnacja z klasycznego pojcia nonoci pala wyraonej w postaci siy o okrelonej wartoci liczbowej. Nono t zastpuje si funkcj (charakterystyk) obcienie-osiadanie (Q-s) pala. Koncepcj dokadniej opisano w pracy Krasiskiego [2015]. Po wyznaczeniu krzywej (Q-s) cal, np. metod funkcji transformacyjnych [Gwizdaa 1996, 2011], wyznacza si krzyw charakterystyczn (Q-s) k oraz krzyw obliczeniow pala (Q-s) d (rys. 9). Rys. 9. Fig. 9. Charakterystyki Q-s pala: obliczona, charakterystyczna i projektowa Load-settlement curves of pile: calculated, characteristic and design Architectura 15 (2) 2016

18 20 K. Gwizdaa, A. Krasiski Krzyw charakterystyczn wyznacza si zgodnie z EC7 z wyraenia: ( Qs - ) ( Qs - ) cal;min cal;min ( Qs - ) k = min ; ξ3 ξ 4 (26) a krzyw projektow z wyraenia ( Qs - ) d ( Qs - ) k = (27) γ t Propozycje wyznaczania krzywej Q-s charakterystycznej i projektowej przedstawiono równie w pracach Wicawskiego [2015a, b] oraz Gwizday i Wicawskiego [2015]. Krzyw charakterystyczn (Q-s) k wykorzystuje si w obliczeniach statycznych fundamentu palowego (np. w schemacie wedug rys. 7) w celu sprawdzenia warunków SLS, a krzyw projektow (Q-s) d w obliczeniach w celu sprawdzenia warunków ULS. W analizie wyników oblicze poprawno posadowienia na palach ocenia si na podstawie przemieszcze i deformacji oczepu fundamentowego oraz stopnia wytenia jego konstrukcji (czasami równie elementów nadbudowy). W zaoeniach koncepcji nie ma potrzeby sprawdzania warunku nonoci pali (ULS GEO), natomiast siy i ewentualne momenty zginajce w palach s potrzebne do sprawdzenia warunku ULS STR w odniesieniu do ich trzonów. Zdaniem autorów, proponowana koncepcja projektowa jest bardziej racjonalna i wygodniejsza w stosowaniu od podejcia klasycznego i wskazane jest, aby rozpowszechnia si w polskiej praktyce projektowej. PODSUMOWANIE Pomimo obowizywania EC7 w Polsce obliczenia fundamentów palowych nadal opieraj si gównie na zasadach i metodach zawartych w polskiej normie PN-83/B Norma ta zostaa opracowana na podstawie wieloletnich dowiadcze krajowych i dobrze sprawdza si w warunkach geotechnicznych Polski. W obliczeniach nonoci pali stosuje si podstawowy wzór statyczny, ale wyniki werykuje si próbnymi obcieniami statycznymi (SPLT) i/lub badaniami dynamicznymi (PDA, DLT) na palach wykonywanych w miejscu budowy. Osiadania i charakterystyki obcienie-osiadanie pali okrela si na podstawie bada terenowych (SPLT, PDA), natomiast analityczne prognozowanie krzywej obcienie- -osiadanie pala moe by realizowane metod funkcji transformacyjnych. W ostatnich latach wprowadza si i rozpowszechnia w Polsce metody obliczania no- noci i prognozowania charakterystyk Q-s pali, opierajce si na bezporednich wynikach bada in situ podoa gruntowego: CPT(U), DMT i PMT. Metody te opracowano na podstawie wyprowadzonych metodami statystycznymi empirycznych zalenoci i korelacji midzy wynikami bada podoa gruntowego i wynikami próbnych obcie statycznych pali. Jak dotd krajowe metody tego rodzaju odnosz si do pali niektórych technologii i zagbionych gównie w podou z gruntów niespoistych. Brakuje dobrej metody tego rodzaju dla pali innych technologii i zagbionych w gruntach spoistych. Acta Sci. Pol.

19 Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad W przypadku wanych i odpowiedzialnych obiektów zaleca si stosowanie oblicze numerycznych MES z wykorzystaniem zaawansowanych modeli orodka gruntowego. Wskazane jest równie stosowanie metod obserwacyjnych projektowania posadowie na palach. PIMIENNICTWO Bustamante, M., Gianeselli, L. (1983). Okrelenie nonoci pala pojedynczego na podstawie bada in situ. Archiwum Hydrotechniki, XXX, 1, DIN 1054:2003. Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. (Subsoil verication of the safety of earthworks and foundation). Dyka, I. (2001). Analiza i metoda oblicze osiadania grupy pali. Praca doktorska. Politechnika Gdaska, Gdask. Gwizdaa, K. (1996). Analiza osiada pali przy wykorzystaniu funkcji transformacyjnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdaskiej 532, Budownictwo Wodne XLI, Gdask. Gwizdaa, K. (2011). Fundamenty palowe. Tom 1. Technologie i obliczenia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Gwizdaa, K. (2013). Fundamenty palowe. Tom 2. Badania i zastosowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Gwizdaa, K., Dyka, I. (2002). Estimation of settlements of piles in group. Proceedings of the 9 th Conference on Piling and Deep Foundations, Nice, 3/4/5 June 2002, Gwizdaa, K., Ksik, P. (2015a). Pile group settlement, methods, examples of calculations referred to measurement results carried out in eld tests. Proceedings of XVI European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Edinburgh, 3, Gwizdaa, K., Ksik, P. (2015b). Osiadanie grupy pali w odniesieniu do wspóczesnych metod obliczeniowych. Konferencja Naukowa KILiW PAN i PZITB, Krynica, Gwizdaa, K., Stczniewski, M. (2004). Obliczanie nonoci i osiada pali Vibro na podstawie sondowania sond statyczn. Inynieria i Budownictwo, 6. Gwizdaa, K., Stczniewski, M. (2006). Obliczanie nonoci i osiada pali wierconych wielko- rednicowych na podstawie sondowania sond statyczn. Inynieria i Budownictwo, 6, Gwizdaa, K., Stczniewski, M. (2007). Determination of the bearing capacity of pile foundations based on CPT test results. Studia Geotechnica et Mechanica, 29 (1 2), Gwizdaa, K., Wicawski, P. (2015). Nono graniczna oraz interpretacje metod bezporednich dla pali przemieszczeniowych. Konferencja Naukowa KILiW PAN i PZITB, Krynica, Kosecki, M. (1988). Komentarz do normy PN-83/B Fundamenty budowlane. Nono pali i fundamentów palowych. Szczecin Kosecki, M. (2006). Statyka ustrojów palowych. Zasady obliczania metod uogólnion i fundamentów pytowo-palowych metod podoa dwuparametrowego. PZITB Oddzia Szczecin. Krasiski, A. (2013a). Pale przemieszczeniowe wkrcane. Wspópraca z niespoistym podoem gruntowym. Monograe 134, Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask. Krasiski, A. (2013b). Zasady projektowania pali przemieszczeniowych wkrcanych w gruntach niespoistych. Inynieria Morska i Geotechnika, 4, Krasiski, A. (2015). Propozycja alternatywnego podejcia do obliczania i projektowania fundamentów palowych. Inynieria Morska i Geotechnika, 5, PN-83/B Fundamenty budowlane. Nono pali i fundamentów palowych. PN-EN :2007. Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Cz. 2: Rozpoznanie i badanie pod- oa gruntowego. Architectura 15 (2) 2016

20 22 K. Gwizdaa, A. Krasiski PN-EN :2008. Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Cz. 1: Zasady ogólne. Sobala, D. (2012). Projektowanie pali wedug Eurokodu 7 metody i przykady praktycznego wykorzystania. Materiay Seminarium Podoe i fundamenty budowli drogowych, Autostrada Polska, Kielce, Sobala, D. (2014). Sposoby okrelania nonoci geotechnicznej pali wciskanych procedury i przykady obliczeniowe wedug Eurokodu 7. Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, XXXI, 61 (1/14), Tejchman, A., Gwizdaa, K., winiaski, J., Krasiski, A., Dyka, I. (2001). Nono i osiadanie fundamentów palowych. Monograa. Politechnika Gdaska, Gdask. Van Impe, W.F. (1991). Developments in pile design. Proc. 4 th Int. Conf. Piling and Deep Foundations, Stresa, Italy, Wicawski, P. (2015a). Prognozowanie pracy pali Vibro obcionych osiowo z wykorzystaniem wyników sondowania CPT. Praca doktorska. Politechnika Gdaska, Gdask. Wicawski, P. (2015b). Ocena wspópracy pali Vibro z podoem gruntowym na podstawie bada in-situ. Konferencja Naukowa KILiW PAN i PZITB, Krynica, PILE FOUNDATIONS, CALCULATIONS ACCORDING TO EUROCODE 7 RULES AND LOCAL EXPERIENCES Abstract. Eurocode 7 presents the problem of pile foundation design in a very general way. Only the main principles and requirements are specied. Such a concept is justied, however it is an impediment to practical engineering applications. Designers are obliged to independently search for suitable and reliable calculation methods, which are often scattered in numerous literature sources. This concerns to static calculation methods, piles bearing capacity determination and the settlement prediction for a single pile or a group of piles. The paper discusses these issues and presents some suggestions of methods and computational approaches using the current results of studies and long-term national experiences. Key words: foundation piles, pile design, load-bearing capacity of piles, pile foundation settlement Zaakceptowano do druku Accepted for print: Cytowanie: Gwizdaa, K., Krasiski, A. (2016). Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Eurokodu 7 i dowiadcze krajowych. Acta Sci. Pol. Architectura, 15 (2), Acta Sci. Pol.