[ Pobierz całość w formacie PDF ]
SEMINARIUM „Zagadnienia posadowień na fundamentach palowych”
Gdańsk, 25 czerwca 2004
Błędy występujące w projektowaniu i wykonawstwie pali – cz. I
A. Tejchman
Katedra Geotechniki Politechniki Gdańskiej; atej@pg.gda.pl
1. WSTĘP
Bezpieczne posadowienie różnego rodzaju budowli na palach wymaga spełnienia czterech podstawowych warun-
ków:
– dokładnego rozpoznania podłoża gruntowego w miejscu projektowanego obiektu oraz prawidłowego
określenia parametrów gruntowych niezbędnych do obliczeń,
– właściwego wyboru pali do występujących warunków gruntowych oraz obciążeń i rodzaju konstrukcji,
– wykonaniaprzemyślanych, prawidłowych obliczeń nośności i osiadania pali i fundamentu palowego,
– poprawnegowykonaniapali.
Należy dodać, że na etapie projektowania posadowień różnego rodzaju budowli istotną sprawą jest również prawi-
dłowe wyznaczenie obciążeń przenoszonych z konstrukcji na pale. Łączy się to z właściwym przyjęciem modelu
obliczeniowego, odpowiadającego rzeczywistej pracy układu: budowla-fundament-pale-podłoże gruntowe. Niestety
w wielu przypadkach projektanci stosują modele zbyt uproszczone, co prowadzi do wyznaczania błędnych sił w pa-
lach. Zagadnienie to omówione jest szerzej w referacie A. Krasińskiego.
Ogólnie, można stwierdzić, że podstawowe błędy w projektowaniu pali są głównie wynikiem:
– złego lub niewystarczającego rozpoznania podłoża gruntowego,
– niewłaściwie przyjętych parametrów gruntowych,
– nieznajomości sposobu przenoszenia obciążeń przez różnego rodzaju pale w gruncie,
– złej interpretacji metody obliczeń i niedoświadczenia projektanta wykonującego obliczenia,
– braku analizy współpracy konstrukcji budowli z palami.
Podstawowe błędy w wykonawstwie pali mogą wynikać między innymi z:
– nieznajomości technologii danego rodzaju pali,
– niewłaściwie zastosowanego typu pali w danych warunkach gruntowych,
– rozluźnienia gruntu wokół pali i pod podstawą pala,
– złego wykonania podstawy lub trzonu pala w przypadku pali wierconych,
– zastosowanianiewłaściwego sprzętu (maszyn) do wykonawstwa pali.
W Polsce stosuje się obecnie duży zakres różnego typu pali. Można tu wymienić przede wszystkim następujące
rodzaje pali:
– wierconewielkośrednicowe ( w tym z iniekcją pod podstawami),
– CFA (Continous Flight Auger piles, pale Formowane Świdrem Ciągłym),
– prefabrykowane,
– Vibro-(Fundex) - wbijane lub wwiercane,
– Vibrex,
– jet-grouting(wysokociśnieniowe iniekcyjne pale strumieniowe),
– Tubex(+iniekcyjne),
– stalowe rurowe (otwarte i zamknięte),
– mikropale.
1
SEMINARIUM „Zagadnienia posadowień na fundamentach palowych”
Gdańsk, 25 czerwca 2004
W zasadzie w przypadku wszystkich pali można popełnić błędy zarówno w projektowaniu jak i wykonawstwie,
z tym, że w tym drugim przypadku odnosi się to głównie do pali wierconych. Ocenę poprawności obliczeń nośności
pali (również i osiadań) oraz ich wykonawstwa dokonuje się przede wszystkim na podstawie próbnych obciążeń
statycznych oraz badań dynamicznych pali. Taką ocenę umożliwiają również pomiary osiadań budowli posadowio-
nej na palach podczas jej użytkowania.
W dalszej części referatu omówione będą wyżej wymienione ważniejsze zagadnienia z ilustracją (w części II)
przykładów rozwiązań fundamentów na palach, w których popełniono błędy.
2. ROZPOZNANIE PODŁOŻA GRUNTOWEGO
Właściwe rozpoznanie podłoża gruntowego w miejscu projektowanej budowli, niezbędne do dalszych etapów
projektowania i wykonawstwa fundamentów palowych powinno być rzeczą oczywistą, a jednak jest niedoceniane
lub wręcz bagatelizowane przez Inwestorów, jak też Projektantów. Na ten temat można by napisać osobny referat,
dlatego w referacie będą tylko wymienione podstawowe błędy.
Badania gruntu wykonywane są zwykle bez przygotowania dokładnego programu, który powinien być opraco-
wany przez geotechnika i obejmować między innymi rodzaj badań, liczbę, usytuowanie i głębokość wierceń
i sondowań oraz zakres koniecznych badań
in situ
i laboratoryjnych. W wykonywanych badaniach geotechnicznych
preferowane są przeważnie typowe wiercenia z pobieraniem próbek gruntu, uzupełniane czasami dodatkowo
sondowaniami sondą dynamiczną (SC, SL, SPT), gdy tymczasem najbardziej miarodajnym badaniem jest wykona-
nie sondowań statycznych (CPT lub CPTU), nie wspominając o badaniach presjometrycznych czy dylatometrycz-
nych. W dokumentacjach geotechnicznych zdarza się niewłaściwe usytuowanie miejsc badań ze względu na rodzaj
konstrukcji i rozkład obciążeń oraz wykonywanie badania do głębokości niewystarczającej dla właściwej oceny
nośności, a szczególnie osiadań fundamentów na palach.
Efektem badań podłoża powinno być uzyskanie, nie tylko dokładnego przekroju geotechnicznego, ale przede
wszystkim miarodajnych parametrów poszczególnych warstw gruntu do obliczeń. Odnosi się to przede wszystkim
do stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych oraz stopnia plastyczności gruntów spoistych, gdyż te właśnie
parametry mają decydujący wpływ na wyznaczenie właściwych wartości jednostkowych oporów gruntu pod
podstawą pala (
q
) i wzdłuż pobocznicy (
t
). W przypadku obliczeń osiadań pali dochodzi jeszcze moduł ściśliwości
gruntu (
M
0
). W projektach spotyka się często zbyt optymistyczne przyjmowanie tych parametrów, co prowadzi do
przeceniania nośności pali, a tym samym nie uzyskiwania w próbnych obciążeniach wymaganych nośności lub brak
odpowiedniej rezerwy bezpieczeństwa. W niektórych gruntach należy ponadto zachować szczególną ostrożność, jak
na przykład w pęczniejących gruntach spoistych czy nawodnionych piaskach drobnych.
W przyjmowaniu do obliczeń prawidłowych wartości parametrów gruntu odgrywa rolę również nie tylko rodzaj
gruntu, ale i rodzaj pala. Należy pamiętać, że np. wykonawstwo pali wierconych, w tym pali CFA, może te parame-
try pogorszyć i stąd musi występować większa ostrożność projektanta w tym zakresie i przyjmowanie większego
zapasu bezpieczeństwa.
Prawidłowa interpretacja wyników badań laboratoryjnych i
in situ
jest zatem bardzo ważna i wymaga dużego
doświadczenia. W tablicy 1 przedstawiono przykładowo różnice w przyjęciu wartości stopnia zagęszczenia wystę-
pujące w zależności od przyjętej metody interpretacji dla wbijanej sondy ciężkiej oraz wciskanej sondy statycznej.
Łatwo sobie wyobrazić jak duże różnice występują w obliczeniach nośności pala, w zależności czy przyjmie się
I
D
= 0,50 czy
I
D
= 0,25.
Tablica 1. Przykładowa interpretacja wyników badań sondą ciężką i wciskaną
według Borowczyka i Frankowskiego
I
D
= 0,50
Badanie sondą ciężką
dla
N
20
= 4
według PN-86/B-02480
I
D
= 0,36
według PN-81/B-03020
I
D
= 0,25
według zestawienia Koseckiego (dla 10 metod)
I
D
= 0,18 ÷ 0.53
według Lunne i Christoffersena
I
D
= 0,52
według Wysokińskiego
I
D
= 0,32
Badanie sondą wciskaną
dla
q
c
= 5 MPa
według zestawienia Bucy, Geoprojekt-Gdańsk
(metoda Meyerhofa, Borro, normy radzieckiej, dla piasków średnich)
I
D
= 0,33 ÷ 0.42
według Geoprojektu (odpowiednio dla żwiru i piasku grubego)
I
D
= 0,07 ÷ 0.20
według DIN 4094 (dla piasku – żwiru o wskaźniku różnoziarnistości
U
≥ 6)
I
D
= 0,47
2
SEMINARIUM „Zagadnienia posadowień na fundamentach palowych”
Gdańsk, 25 czerwca 2004
3. ZNAJOMOŚĆ PRACY PALA W PODŁOŻU GRUNTOWYM
Wiedza o sposobie przenoszenia obciążeń przez pale na grunt sprowadza się przede wszystkim do znajomości mobi-
lizacji oporu gruntu pod podstawą
Q
b
i wzdłuż pobocznicy pala
Q
s
, co ma zasadniczy wpływ na rozdział obciążenia
całkowitego na podstawę i pobocznicę oraz do rodzaju pala – pale sztywne i pale przemieszczeniowe. Przykładowo
na rys. 1 pokazano dla porównania wykres mobilizacji
Q
b
i
Q
s
dla pali wierconych wielkośrednicowych i dla pali
wbijanych.
a)
Obci¹¿enie Q
b)
Obci¹¿enie Q
5÷15 mm
(0.5÷1% œrednicy
pala)
10÷20 mm
(1÷2% œrednicy
pala)
10÷25 mm
(2÷5% œrednicy
pala)
Q
s
Q
b
Q
s
Osiadanie
Opór
pobocznicy
Opór
podstawy
Obci¹¿enie
ca³kowite
100÷200 mm
(10÷30% œrednicy
pala)
Q
s
Q
b
Q
s
Opór
pobocznicy
Opór
podstawy
Obci¹¿enie
ca³kowite
Rys. 1. Uogólnione krzywe osiadania: a) dla pali wbijanych, b) dla pali wierconych
Osiadanie
Z rysunku 1 jasno wynika, że dla osiągnięcia pełnej mobilizacji oporu podstawy pala wierconego, a tym samym
wykorzystania nośności pala konieczne jest jego większe osiadanie, co powinno być uwzględnione w projekcie
danej budowli. Znacznie lepsze pod tym względem są pale wbijane, dla których mobilizacja oporu gruntu pod
podstawą pala i wzdłuż pobocznicy przebiega w zasadzie jednocześnie. Z tym zagadnieniem związana jest również
długość pala wielkośrednicowego. Pal taki musi być dostatecznie długi, aby przy przenoszeniu obciążeń można było
wykorzystać nośność jego podstawy. W projektach spotyka się często pale o popularnych średnicach 120 ÷ 150 cm
i długościach 7 ÷ 8 m, co powoduje, że tak krótki pal pracuje w gruncie głównie swoją pobocznicą, z bardzo nie-
wielkim włączeniem się podstawy. Należy pamiętać, że aby pal wiercony o dużej średnicy (a takie pale są stosowa-
ne w praktyce pod prawie wszystkie obiekty mostowe, a więc konstrukcje bardzo ważne) przenosił prawidłowo
obciążenie na grunt, jego względne zagłębienie w gruncie, tzn. stosunek długości do średnicy był co najmniej równy
10 w gruntach niespoistych oraz 12 w gruntach spoistych. Praca bardzo krótkich pali o średnicach 120 ÷ 180 cm
zbliżona jest już do fundamentów blokowych, dla których nie można stosować zasad normy.
Powyższe zalecenia w zasadzie odnoszą się również do pali typu CFA, chociaż w odniesieniu do tych pali
bardzo dużą rolę odgrywa również sposób ich wykonawstwa (wkręcanie świdra w grunt), co będzie omówione
w innym punkcie. Z doświadczeń wynika, że długość tych pali nie powinna być mniejsza od 10 m, szczególnie
w gruntach niespoistych.
Znajomość pracy danego rodzaju pali w określonych warunkach gruntowych odgrywa bardzo ważną rolę
w odniesieniu do zapewnienia wymaganej ich nośności oraz dopuszczalnych osiadań. W zasadzie w projektach nie
zwraca się na to uwagi, a istniejące warunki gruntowe wykluczają w wielu przypadkach stosowanie określonego
typu pali, również ze względu na to, czy są to pale przemieszczeniowe (jak np. pale wbijane) czy też pale
nieprzemieszczeniowe (jak np. wiercone). Na przykład nie powinno się stosować pali wierconych w gruntach
luźnych i średniozagęszczonych.
Często stosuje się zupełnie niepotrzebnie, czy raczej niewłaściwie, pale wiercone zamiast pali wbijanych, które
w danym gruncie pracują znacznie lepiej. W ogóle występuje wręcz tendencja odchodzenia od pali wbijanych jak,
np. bardzo dobrze przenoszących obciążenia pali Vibro-Fundex czy też Vibrex, mimo możliwości ich zastosowania
(nie ma obawy o oddziaływanie drgań na sąsiednie budowle). Na szczęście coraz częściej w praktyce są stosowane
żelbetowe pale prefabrykowane, do wbijania których używa się obecnie bardzo nowoczesnego sprzętu oraz możli-
wości łączenia ich z odcinków o różnych długościach.
3
SEMINARIUM „Zagadnienia posadowień na fundamentach palowych”
Gdańsk, 25 czerwca 2004
4. OBLICZENIA NOŚNOŚCI PALI
Obliczenia nośności i osiadań pali i fundamentów palowych dokonuje się na podstawie ciągle jeszcze obowiązującej
normy z roku 1983: PN-83/B-02482. Ponieważ od tego czasu wprowadzono nowe technologie palowania, jak też
nowe rozwiązania dotyczące między innymi nośności grup palowych, a przede wszystkim obliczania osiadań
fundamentów na palach, jak również pali obciążanych poziomo, projektanci mają pewne trudności w obliczeniach
nośności i osiadań pali. Ponadto robią to często w sposób mechaniczny, bez głębszej analizy.
Konieczne jest tu zwrócenie uwagi na fakt, że projektantami są głównie inżynierowie-konstruktorzy, którzy są
dobrymi specjalistami w zakresie obliczeń projektowanych konstrukcji, natomiast brak im wystarczającej znajo-
mości geotechniki. W zasadzie posadowienia różnego rodzaju budowli, szczególnie o dużym znaczeniu i w trud-
nych warunkach gruntowych powinni projektować specjaliści-geotechnicy.
Często więc, już na samym początku projektowania posadowień zdarza się, że dla występujących w miejscu
projektowanej budowy warunków stosuje się pale nieodpowiednie, których wykonawstwo może spowodować obni-
żenie spodziewanej nośności.
W obliczeniach nośności pali popełniane błędy przede wszystkim dotyczą:
– przyjmowania niewłaściwych współczynników technologicznych
S
p
,
S
s
i
S
w
w zależności od stosowanego
rodzaju pala i warunków gruntowych. Odnosi się to szczególnie do pali nowych technologii, które nie zostały
ujęte w normie, a są wykonywane w kraju, (np. pale CFA, Jet-grouting, Vibrex, wiercone wielkośrednicowe
z zastosowaniem iniekcji pod podstawami).
Generalnie należy stwierdzić, że wśród projektantów znajomość pracy w gruncie pali nowych technologii jak
również nowoczesnych maszyn służących do ich wykonywania jest niewystarczająca,
– niewłaściwego, a czasami wręcz złego określania do obliczeń wartości jednostkowych oporów gruntu pod
podstawą pala
q
i wzdłuż pobocznicy
t
. Dotyczy to zarówno interpolacji tych wartości, jak również ich
wyznaczenia w zależności od parametrów gruntowych
I
D
i
I
L
.
Na przykład przy występowaniu słabych warstw gruntu od poziomu terenu, interpolowane są wartości
q
i
t
od poziomu głębszego, chociaż słabe warstwy wywołują naprężenia pierwotne, albo odwrotnie: od poziomu
terenu, kiedy naprężenia pierwotne na poziomie niższych warstw są minimalne. Ma to dość istotne znaczenie
przy określaniu nośności pala.
Jak już wspomniano bardzo ostrożnie należy podchodzić do przyjmowania wartości jednostkowych oporów
gruntu pod podstawą i wzdłuż pobocznicy pala. Każdorazowo wymaga to dokonania szczegółowej analizy
między innymi warunków gruntowych oraz wpływu technologii wykonawstwa danego rodzaju pala na
występujące w miejscu budowy grunty. Na skutek błędnych obliczeń, przy posadowieniu na fundamentach
palowych może występować niespełnienie normowego warunku stanu granicznego nośności, tzn. pale nie
będą przenosić projektowanego obciążenia (
Q
r
>
k
⋅
N
c
0
, gdzie
k
⋅
N
c
0
– rzeczywista nośność pala określona
z próbnych obciążeń), albo wystąpi zbyt mała rezerwa bezpieczeństwa. Może też być sytuacja odwrotna, tzn.
posadowienie zostanie zaprojektowane zbyt bezpiecznie, ze zbyt dużą asekuracją, co oczywiście prowadzi do
rozwiązania nieekonomicznego,
– nieumiejętnego obliczania nośności pali w grupie, szczególnie gdy projektant niepotrzebnie zbyt dużo redu-
kuje nośność grupy pali, wyznaczając niewłaściwie współczynnik redukcyjny
m
1
(wg normy). Wiąże się to
również z analizą występujących warunków gruntowych, przede wszystkim z poziomem warstw nienośnych.
Generalnie, według nowszej wiedzy na ten temat, można przyjmować, że nośność grupy pali odpowiada
sumie nośności pali pojedynczych. Stąd, współczynnik redukcyjny w większości przypadków może być
pomijany (
m
1
= 1),
– problemów z uwzględnieniem w obliczeniach oddziaływania tarcia negatywnego, jego wpływem na nośność
całkowitą pala oraz ustaleniem jego wielkości.
Do analizy tarcia negatywnego konieczna jest znajomość przyczyn jego występowania w warunkach budowy
i późniejszej eksploatacji obiektu oraz mechanizmu oddziaływania na pale dla określonych warunków grun-
towych. Ważną rzeczą jest też określenie na podstawie wykonanych badań geotechnicznych, czy dana słaba
warstwa gruntu rzeczywiście wywoła tarcie negatywne.
W przypadku pracy pali w grupie (a prawie zawsze mamy do czynienia z takimi przypadkami w praktyce) bardzo
ważną rzeczą jest obliczanie ich osiadań. Dotyczy to szczególnie budowli ważnych, takich jak mosty, wiadukty,
budowle przemysłowe, zbiorniki, gdzie spełnienie warunku użytkowania czyli osiadań (
s
obl
≤
s
dop
) jest szczególnie
nieodzowne. Należy pamiętać, że pale pracujące w grupie osiadają więcej od pala pojedynczego. Według rozwiązań
teoretycznych stosunek
s
g
/
s
p
(osiadanie grupy pali do osiadania pala pojedynczego) wynosi od około 4 do nawet 8.
W rzeczywistości, na podstawie prowadzonych pomiarów osiadań wykonanych obiektów waha się przeważnie
w granicach od 2 do 4. Projektanci często w odniesieniu do obliczeń osiadań fundamentów palowych nie mają nie
4
SEMINARIUM „Zagadnienia posadowień na fundamentach palowych”
Gdańsk, 25 czerwca 2004
tylko szczegółowej wiedzy i znajomości metod obliczeniowych, ale również nie dysponują programami obliczenio-
wymi.
Istnieje wprawdzie Autorski program obliczeń osiadań fundamentów palowych odnoszący się do metody obli-
czeń zamieszczonych w normie palowej, lecz na jego podstawie otrzymujemy wartości osiadań grupy pali znacznie
większe niż występują w rzeczywistości. W metodzie normowej przyjęto dawne rozwiązanie Poulosa z lat siedem-
dziesiątych, oparte na teorii sprężystości. Do obliczeń osiadań fundamentów na palach można projektantom polecić
prostą, ale w miarę dobrą, metodę fundamentu zastępczego. Zagadnienie to omówione jest szerzej w referacie
K. Gwizdały i I. Dyki.
Jak już wspomniano na wstępie tego punktu, obliczenie nośności pali odbywa się na podstawie ciągle jeszcze
obowiązującej normy z 1983 roku: PN-83/B-02482 „Nośność pali i fundamentów palowych”. Nie ulega jednak
wątpliwości, że jest ona przestarzała i wymaga jak najszybszej zmiany. Wynika to przede wszystkim z rozwoju
badań, postępu technologicznego oraz unowocześniania metod obliczania nośności i osiadań pali, a także koniecz-
ności dostosowania się do zasad i wymogów Eurokodu 7 i poprawy niektórych propozycji zawartych w normie.
Zmiany w normie powinny obejmować:
– obliczanienośności na podstawie wzoru statycznego,
– obliczanienośności pali w grupie,
– określanie nośności pali na podstawie sondowań (statycznych i dynamicznych),
– określanie nośności pali na podstawie badań dynamicznych,
– obliczanieosiadań pali pojedynczych i w grupie,
– obliczanienośności pali obciążonych poziomo,
– interpretację wyników próbnych obciążeń statycznych,
– kontrolę wykonania pali.
Zagadnienia te omawiano szczegółowo na Krajowej Konferencji Mechaniki Gruntów i Geotechniki w ubiegłym
roku w Szczyrku.
5. WYKONAWSTWO PALI
Zastosowanie danego rodzaju pala powinno być poprzedzone analizą, czy w istniejących warunkach gruntowych na
miejscu budowy oraz w odniesieniu do projektowanej konstrukcji proponowane pale będą przenosić obciążenia
w sposób prawidłowy. W projektach obserwuje się niewłaściwy dobór pali, co powoduje problemy z ich wykonaw-
stwem, nie osiąganie projektowanych nośności i przekraczanie dopuszczalnych osiadań. Często też decydują przy-
zwyczajenia projektanta do danego rodzaju pala, a z drugiej strony spotyka się wręcz nieznajomość innych i nowo-
czesnych technologii palowania oraz maszyn stosowanych do ich wykonawstwa.
Za nieprawidłowe stosowanie należy uznać, na przykład, pale wiercone wprowadzane w piaski luźne lub
pęczniejące grunty spoiste lub pale CFA wykonywane w nawodnionych piaskach drobnych lub przechodzące przez
grunty nienośne o znacznej miąższości jak torfy czy namuły. Wspomniano wcześniej, że bardzo często zamiast
przemieszczeniowych pali wbijanych (prefabrykowanych, Vibro-Fundex) projektuje się gorzej pracujące w danych
warunkach pale wiercone. Dotyczy to oczywiście przypadku, kiedy pale wbijane można zastosować.
W tym miejscu warto też zauważyć, że zdarzają się przypadki projektowania drogich posadowień na palach, gdy
tymczasem warunki gruntowe umożliwiają tańsze i równie bezpieczne posadowienie bezpośrednie.
Przedstawienie podstawowych błędów występujących w wykonawstwie ograniczono do pali wierconych CFA
i wielkośrednicowych, gdyż głównie w tych palach do nich dochodzi.
5.1. Pale CFA – formowane świdrem ciągłym
Dla pali tego typu technologia ich wykonania oraz doświadczenie załogi wykonującej pale ma bardzo duże zna-
czenie. Właściwie każdorazowo należy dopasowywać wymienione poniżej elementy technologii tych pali do
danych warunków gruntowych. Prawidłowe wykonanie pala CFA polega przede wszystkim na przestrzeganiu idei
jego technologii, tj. ciągłym zagłębieniu świdra ślimakowego w grunt i uzyskiwanie efektu dogęszczania gruntu w
otworze (pożądany efekt dogęszczenia osiągnąć można gdy objętość gruntu rozpychanego przekroczy objętość
gruntu przemieszczonego i wynoszonego na świdrze). Żądaną głębokość należy osiągać przy jak najmniejszej
liczbie obrotów świdra, co umożliwia też całkowite wypełnienie talerzy świdra gruntem, a tym samym zapobiega
rozluźnieniu (odprężeniu) gruntu w otworze.
Dla spełnienia tego podstawowego wymogu konieczne jest zastosowanie odpowiednio silnych maszyn,
charakteryzujących się dużym momentem obrotowym oraz siłą nacisku na świder. Przy zbyt słabej maszynie może
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]