Nowy Eurokod 7 w projektowaniu posadowień obiektów mostowych na palach

Grupy palowe

Ocena grup palowych w stanach granicznych może być analizowana w ramach metod numerycznych, analitycznych lub metod empirycznych, lub oceniana na podstawie obserwacji porównywalnych grup palowych. Podkreśla się efekt różnego oddziaływania pali w grupie i potencjalne zmiany naprężeń oraz stany gruntu wynikające z instalacji pali z uwzględnieniem charakterystyk jak dla pala pojedynczego.

Graniczny osiowy pionowy opór grupy może być określony wg wzoru:

gdzie:

R_i – graniczny osiowy opór i − tego pala w grupie, z uwzględnieniem interakcji pali,
R_block – graniczny pionowy opór bloku, po jego obwodzie.

Fundamenty płytowo-palowe (piled raft)

Graniczny opór na wciskanie fundamentu płytowo-palowego (piled raft), R_{piled – raft}, może być określany z wzoru:

gdzie:

R_raft – graniczny opór na wciskanie płyty,
R_c,i – graniczny opór na wciskanie i – tego pala.

Przemieszczenia fundamentów palowych

Osiadanie fundamentu palowego lub przemieszczanie poprzeczne należy określać na podstawie wyników testów lub obliczeń analitycznych, numerycznych, empirycznych lub zasad z wykorzystaniem obserwacji porównywalnych pali pojedynczych lub grupy pali.

Stany graniczne nośności

Pale pojedyncze i grupy palowe

Opór pala pojedynczego na wciskanie należy liczyć ze wzoru:

F_cd ≤ R_cd (7)

gdzie:

F_cd – obliczeniowe osiowe obciążenia pala,
R_cd – obliczeniowy opór na wciskanie pala pojedynczego.

W dalszej części do szczegółowych wartości obliczeniowych w różnych stanach obliczeń stosuje się dużą liczbę współczynników, które zostały określone w tab. 6.3-6.7.

Współczynniki odnoszą się do: wciskania, wyciągania, sił poprzecznych, tarcia negatywnego, wykonanych testów, grup palowych. Współczynników jest bardzo dużo. Należy jednak postawić pytanie o metodę ich ustalenia i ewentualną bazę statystyczną w odniesieniu do praktyki inżynierskiej.

Stany graniczne użytkowalności

Generalnie wymogi odnoszą się do wcześniejszych zapisów poszczególnych części normy EC7. Jednocześnie zaleca się, aby dla grup palowych i fundamentów płytowo-palowych bazować na modelowaniu, w którym uwzględnia się: nieliniową sztywność gruntu, sztywność na zginanie budowli, interakcję pomiędzy gruntem, budowlą i palami.

Zasady projektowania w czasie wykonawstwa i eksploatacji

Należy stosować się do norm wykonawczych, które dotyczą: pali wierconych, pali przemieszczeniowych, mikropali, ścianek szczelnych i ścian szczelinowych. Określono zakres monitorowania pali oraz metody nieniszczące badań pali.

Testy terenowe pali

Scharakteryzowano podstawowe testy, które obecnie stosuje się w praktyce inżynierskiej. Przywołano, wraz z numerami norm, następujące rodzaje testów: obciążenia statyczne na wciskanie, obciążenia statyczne na wyciąganie, obciążenia na siły poprzeczne, obciążenia dynamiczne, obciążenia kinetyczne (rapid load testing).

Aneks C, uwagi i komentarz

Aneks C jest dokumentem informacyjnym i nie jest obowiązującym do stosowania. Jeżeli załączniki krajowe nie zawierają właściwych informacji, Aneks C może być stosowany.

Aneks C zawiera informacje i zalecenia dotyczące następujących zagadnień:

• podział pali z uwzględnieniem typu pali, podziałem na klasy z przykładami rodzaju pala, tablica C1,
• obliczenie nośności pali z zastosowaniem parametrów geotechnicznych gruntu,
• obliczanie nośności pali z wykorzystaniem metod bezpośrednich i wykorzystaniem pomiarów z testu CPT (sonda wciskana),
• obliczanie nośności pali na podstawie parametrów uzyskanych z badań presjometrem (PMT),
• obliczanie nośności pali z zastosowaniem wartości empirycznych (zestawienie tabelaryczne),
• model obliczeniowy uwzględniający tarcie negatywne, wynikające z przemieszczeń gruntu,
• model obliczeniowy uwzględniający założenie bloku fundamentowego na siły wyciągające,
• model obliczeniowy dla osiadania pala pojedynczego, z zastosowaniem metody funkcji transformacyjnych (funkcje t – z oraz q – z),
• model obliczeniowy dla obliczeń przemieszczeń poziomych pala pojedynczego z zastosowaniem funkcji transformacyjnych (znane z literatury jako krzywe p – y),
• model obliczeniowy uwzględniający wyboczenie pala w gruntach o małej nośności i dużej odkształcalności.

Już na początku należy stwierdzić, że zagadnienia przytoczone powyżej na podstawie EC7 – 3 w większości przypadków w Polsce są dobrze rozpoznane.

Poniżej odniosę się do niektórych zagadnień szczegółowych w kontekście doświadczeń krajowych.

Warto zwrócić uwagę, że w tab. C1 w klasie pali z wydobywaniem gruntu umieszczono również kesony, barety i ściany szczelinowe.

W punkcie C.4 zawarto propozycje metod bezpośrednich, dla oporu pobocznicy, w ramach metody α (dla gruntów spoistych).

W uwagach szczegółowych jako typowe podano wartości α = 0,15 do α =1,0.

Szczegółowe zalecenia można znaleźć w literaturze krajowej, np. [5].

Podobnie dla metody β, dla różnych gruntów wartości β = 0,2 do β = 2,0. Również tutaj można znaleźć szczegółowe propozycje krajowe, np. [5].

Ocena parametrów w metodzie β jest szczególnie trudna. Wartość β zależy od wielu czynników i parametrów geotechnicznych oraz przede wszystkim od rodzaju i stanu gruntu, technologii wykonania i rodzaju pola, stopnia przekonsolidowania podłoża gruntowego.

Wartości szczegółowe w tym zakresie przedstawiono między innymi w pracy Fundamenty palowe. Technologie i obliczenia [5].

W metodzie α oraz β należy uwzględnić szereg czynników, które mają znaczący wpływ na stosowane wartości, patrz również rys. 4 i 5.

Aneks C, niektóre propozycje wg EC7:

jako typowe podano, metoda α, α = 0,15  do  α = 1,0

uwagi:

• współczynnik α zależy od wytrzymałości na ścinanie bez odpływu, naprężeń efektywnych nadkładu, rodzaju pala i metody wykonania;
• typowe wartości współczynnika α ,
  
  • α = 0,15 do  α = 1,0 dla normalnie skonsolidowanych gruntów drobnoziarnistych;
  • α = 0,4  do  α = 0,75 dla bardzo wytrzymałych przekonsolidowanych gruntów drobnoziarnistych;
  • metoda β,

β = 0,20 do β = 2,0

uwagi:

• współczynnik parcia gruntu K_s zależy od: wytrzymałości gruntu, rodzaju pala, metody wykonania i odległości powyżej podstawy pala,
• K_s = 0,5 do 0,9 dla pali przemieszczeniowych,
• K_s = 0,8 do 1,2 dla pali w pełni przemieszczeniowych,
• β = 0,20 do 0,3 dla gruntów drobnoziarnistych i nasypów,
• β = 0,50 do 2,0 dla gruntów drobnoziarnistych w zależności od stopnia zagęszczenia.

Opór jednostkowy pod podstawą pala z wykorzystaniem parametrów geotechnicznych gruntu przedstawiono w punkcie C.5. Przedstawiono klasyczne wzory z zastosowaniem współczynników nośności, Nc – dla gruntów spoistych i Nq – dla gruntów niespoistych. Dla współczynnika Nq nie podano żadnych propozycji. Komentarze w tym zakresie można znaleźć miedzy innymi w pracy Gwizdały [5], patrz rys. 6. Dość powszechnie zalecone są wartości wg Bierezancewa.

Opór pod podstawą przy zastosowaniu parametrów geotechnicznych podłoża.

Warunki bez odpływu, grunty spoiste

W gruntach spoistych, dla praktyki inżynierskiej stosuje się zależność:

c_u – wytrzymałość na ścinanie bez odpływu

Dla gruntów niespoistych wzór praktycznie upraszcza się do:

q’ – jest efektywnym naprężeniem nadkładu.

Obecnie ocena oporów jednostkowych pod podstawą pala, na podstawie metod bezpośrednich z wykorzystaniem wyników CPT, jest coraz częściej stosowana.

Wszystkie propozycje przedstawione w punkcie C.6 wykorzystują doświadczenia zagraniczne. Do metod tych odniesiono się, miedzy innymi w pracach Gwizdały [5] oraz Gwizdały i Krasińskiego [12].

Jako zasadę generalną należy uznać własne doświadczenia krajowe, które odniesione są do rodzaju i stanu gruntu, rodzaju pali oraz do technologii pali zrealizowanych w konkretnych warunkach.

Podobne sformułowania można odnieść do punktu C.7, który dotyczy obliczenia oporów pali na podstawie wyników badań presjometrem, PMT. Brak jest opracowań statystycznych, które by potwierdzały wartości współczynników i parametrów zawartych w tab. C.4, C.5, C.6 i C.7.

W punkcie C.8 przedstawiono opory jednostkowe, empiryczne dla pali wierconych, według DIN. Propozycje te określone zostały dla pali wierconych. Uważam, że wartości określone na podstawie doświadczeń krajowych zostały wielokrotnie sprawdzone i są bezpieczne do projektowania. Wartości te odniesiono do Eurokodu i przedstawiono między innymi w pracach Gwizdały i Krasińskiego [12] i Sobali [24].

W punkcie C.9 poruszono bardzo ważny problem tarcia negatywnego. Zagadnienie to jest dość często traktowane w praktyce bardzo ogólnikowo. Przedstawiono dwa schematy, różne dla stanu granicznego użytkowalności (SLS) i stanu granicznego nośności (ULS).

Scharakteryzowano poszukiwanie punktu neutralnego. Przedstawiono ścieżkę do analizy obliczeniowej. Dopuszczono również metodę uproszczoną.

W punkcie C.10 przedstawiono praktyczne schematy pracy grupy pali na siły wyciągające. Schematy znane i stosowane w Polsce: opór poszczególnych pali w gruncie, opór grupy pali jako bloku fundamentowego, rozwiązanie kombinowane uwzględniające powyższe schematy.

W EC7 – 3 aneks C zamieszczono również metodę obliczenia osiadania pala pojedynczego z zastosowaniem funkcji transformacyjnych t − z oraz q – z. Przyjęto dwie funkcje do oceny sztywności początkowej, funkcję potęgową i funkcję hiperboliczną. Badania terenowe, laboratoryjne i analizy teoretyczne w tym zakresie, opisane np. w [4, 5, 12, 20, 21], prowadzone są w kraju od wielu lat.

Mamy sprawdzone propozycje, które obejmują różne rodzaje gruntu i różne technologie pali. Pewne podsumowanie przedstawiano również w ostatnim okresie w pracy Fundamenty palowe, obliczenia z zastosowaniem zasad Eurokodu 7 i doświadczeń krajowych [12].

Zastosowanie w praktyce długich smukłych pali znalazło swoje odzwierciedlenie w punkcie C.13. Znajduje tu zastosowanie ocena wyboczenia pali długich i obliczenie ustrojów palowych według teorii drugiego rzędu z zastosowaniem równania różniczkowego opisującego odkształcenia pala sprężystego. Oddziaływanie uwarstwionego podłoża gruntowego jest opisane za pomocą nieliniowych charakterystyk, znanych w literaturze jako charakterystyki p-y, patrz np. Fundamenty palowe. Badania i zastosowania. Tom 2 [6] rys. 7 i 8.

y – przemieszczenie boczne w dowolnym poziomie x wzdłuż pala,
p(y) – reakcja gruntu na długości pala zależna od przemieszczenia y,
EI – sztywność pala na zginanie, stała lub zmienna na długości trzonu,
P_v – siła pionowa działająca w głowicy pala,
W – obciążenie dodatkowe na pobocznicy pala.

Uwaga:

W równaniu uwzględniono dodatkowe obciążenie (W), pobocznicy pala, które nie występuje w równaniu oryginalnym, w EC7 [6].

Należy zauważyć, że dla pali sztywnych przytoczono metodę Brincha Hansena z roku 1961. Metoda ta w nieco zmodyfikowanej formie znajduje się w PN-83/B-02482:1983.