Posadowienie nasypów komunikacyjnych na palach

Artykuł porusza zagadnienie posadowienia nasypu komunikacyjnego na palach w warunkach słabonośnego podłoża. Przestawia formuły i wzory do projektowania grupy pali. Opisuje problemy, na które należy zwrócić uwagę przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności i użytkowalności.

Podłoże słabonośne zawsze stanowi wyzwanie dla inżynierów projektantów nasypów drogowych i kolejowych. Uzyskanie zadawalającej nośności, stabilności i przemieszczeń jest możliwe przy użyciu wielu technik, do których można zaliczyć: przeciążenie, kolumny kamienne, głębokie mieszanie gruntu, lekkie wypełnienie nasypu, materace geosyntetyczne czy wzmocnienie podłoża. Można także wykorzystać fundamenty specjalne w postaci stalowych czy betonowych pali. Temu rozwiązaniu poświęcony jest artykuł.

Wprowadzenie

Technika palowania umożliwia konstrukcję nasypów o dużych wysokościach, z dowolnym tempem wykonania (zakładając, że grunt jest odpowiednio stabilny), niewysokimi kosztami i kontrolowaniem osiadań po zakończeniu budowy. Sposób ten zakłada ułożenie pod nasypem siatki pali przebiegających przez słabonośne warstwy i osadzonych w nośnym podłożu lub opartych na skale. Siatki mogą być w układzie kwadratowym, prostokątnym lub trójkątnym (rys. 1).

Obciążenie z nasypu jest przenoszone przez pal na głębiej położone nośne podłoże. Aby wzmocnić efekt, głowica pala powinna być jak największa, przy niezmienionej pobocznicy. Powszechnym rozwiązaniem jest zwieńczanie pala kwadratowymi lub okrągłymi płytami betonowymi. Ograniczeniem tego rozwiązania jest to, że wymaga dwóch osobnych procesów: ukończenia wykonania pala i montażu prefabrykowanej płyty stanowiącej głowicę. Można więc zastosować inne rozwiązanie – np. pal ze stożkową głowicą, będący rodzajem pala o zmiennym przekroju (rys. 2). Pal wykonuje się jednocześnie z głowicą, co zapewnia ciągłość połączenia. Ze względu na swoją specyficzną geometrię pal o stożkowej głowicy może częściowo przekształcać obciążenie pionowe w obciążenie poziome, co poprawia nośność [4].

Konwencjonalne podparcie nasypu palami wymaga wykonania szerokich głowic i małych odległości pomiędzy palami (rys. 3a). Jest to niezbędne, by przenieść obciążenia z nasypu na pale i uniknąć deformacji powierzchni wywołanej dużymi różnicami osiadań gruntu pomiędzy głowicami. Poza tym, aby przeciwdziałać naciskom wywołanym przez siły boczne, realizuje się na krawędziach nasypu pale ukośne. Dobrym rozwiązaniem jest rozłożenie sił od obciążenia i ciężaru nasypu poprzez umieszczenie na głowicach pali płaskiej konstrukcji. Można zastosować płytę betonową, która dobrze przenosi obciążenia, ale wymaga to użycia dużej ilości stali jako zbrojenia lub dużej miąższości płyty. Sprawia to, że takie rozwiązania są mało ekonomiczne i rzadko stosowane w praktyce. Innym częściej stosowanym rozwiązaniem są geosyntetyki, wynika to z ich właściwości, przede wszystkim nośności, wytrzymałości na rozciąganie i niewysokich kosztów (rys. 3b). Geosyntetyczna platforma lub mata zwiększa efektywność przenoszenia sił z nasypu i przeciwdziała ugięciom między głowicami. Warstwa geosyntetyczna zapewnia odporność na boczny nacisk na krawędziach nasypu. Wykorzystanie geosyntetyku przyspiesza wykonanie posadowienia [3].

Stateczność nasypu konstruowanego na słabym podłożu jest determinowana w większości przez wytrzymałość fundamentu na ścinanie i budowa nasypu może być ograniczona do problemu nośności. Ważne jest, by wziąć pod uwagę, że stabilność nasypu jest najbardziej krytyczna podczas budowy, gdyż stosunkowo niska przepuszczalność podłoża nie pozwala na pełną konsolidację w normalnej skali czasowej. Wzrost wytrzymałości fundamentu na ścinanie w wyniku konsolidacji może być niewystarczający dla stabilności, szczególnie gdy okres budowy jest krótki. Czas budowy powinien pozwalać na wyeliminowanie potrzeby wzmacniania w celu poprawy stabilności. W okresie między zakończeniem budowy a konsolidacją podłoża podstawowym wymaganiem wytrzymałościowym powinno być, by w dowolnym momencie projektowa wytrzymałość była równa lub przewyższała obciążenie obliczeniowe.

Pod nasypami można zastosować szereg rodzajów pali, w tym: prefabrykowane lub wykonywane na miejscu pale betonowe, pale drewniane, kolumny betonowe lub kamienne (np. formowane metodą wgłębnego mieszania gruntu (DSM)), z iniekcją lub bez iniekcji zaczynu, kolumny wapienne, pale wiercone świdrem ciągłym (CFA), pale przemieszczeniowe formowane w gruncie (FDP) itd. Zwykle zakłada się osiągnięcie przez pale warstwy nośnej. Montaż większości typów pali powinien odbywać się z tymczasowej platformy roboczej. Należy w projektowaniu uwzględnić wpływ budowy platformy na pale (tarcie ujemne) oraz konsolidację gruntu między palami poniżej poziomu wzmocnienia.

W tab. 1 oraz na rys. 4 i 5 przedstawiono stany graniczne, które należy rozważać podczas projektowania nasypu na palach.

Nośność grupy pali

W przypadku posadowienia nasypu na palach nie wykorzystuje się jednego czy kilku, a kilkadziesiąt i kilkaset pali. Technologie ich wykonania wpływają na grunt podłoża, zmieniając go w istotny sposób, a wzajemne oddziaływanie pali powoduje, że praca grupy pali różni się od pracy pala pojedynczego. Można więc rozpatrywać dwa schematy pracy grupy pali [2] (rys. 6):

• nośność fundamentu palowego N jest równa sumie nośności pali pojedynczych (uwzględniając lub nie doświadczalne lub normowe współczynniki wpływu, które zmniejszają nośność z powodu bliskiego sąsiedztwa innego pala – jak np. w polskiej normie PN-B-02482)
• rozpatruje się jako nośność fundamentu blokowego – wtedy jego nośność jest sumą nośności podstawy i pobocznicy całego bloku:

gdzie:
N_g — nośność fundamentu palowego pracującego jako grupa pali,
N_b — nośność podstawy,
N_s — nośność pobocznicy.

Nośność podstawy wyznacza się ze wzoru (oznaczenia wg rys. 6):

gdzie:
B_g — szerokość grupy pali – fundamentu zastępczego,
L_g — długość grupy pali – fundamentu zastępczego,
q_b — jednostkowy opór gruntu w poziomie podstawy fundamentu zastępczego.

Nośność pobocznicy (oznaczenia wg rys. 6):

gdzie:
h — wysokość grupy pali – długość pali,
q_s — jednostkowy opór pobocznicy fundamentu zastępczego.

Przy wyborze, czy obliczać fundament palowy jako sumę pali pojedynczych, czy jako grupę pali, można kierować się minimalnym rozstawem pali. Zakłada się, że nie powinien być on mniejszy niż 2-3 średnice pali. Jeżeli wynosi on od 3 do 7 średnic, należy uwzględnić wpływ grupy, powyżej 7 średnic grupę pali traktuje się jako zespół pali pracujących pojedynczo [2].

Według [BS 8006] maksymalna odległość pomiędzy palami (jeżeli pale zostaną zainstalowane w siatce kwadratowej) wynosi (rys. 7):

gdzie:
s — maksymalna odległość pomiędzy palami,
γ — ciężar gruntu nasypu,
H — wysokość nasypu,
q — obciążenie nasypu.

Odległość pali od krawędzi nasypu

Pale powinny sięgać poza krawędź korony nasypu, tak by różnice w osiadaniu lub niestabilność poza grupą pali nie wpłynęły na zniekształcenia korony. Według [1] krawędź głowicy pala powinna być minimalnie oddalona od końca podstawy nasypu o wielkość (rys. 7):

gdzie:
L — odległość głowicy skrajnego pala od krawędzi zbocza,
n — nachylenie nasypu,
θ — kąt zaznaczony na rysunku, wyznaczany ze wzoru:
φ — kąt tarcia wewnętrznego materiału, z którego wykonany jest nasyp.

Obszar poza grupą pali należy sprawdzić pod kątem stateczności wewnętrznej, poślizgu bocznego oraz wyparcia gruntu spod fundamentu.

Przenoszenie obciążenia z nasypu na pale i otaczający grunt

Pionowe obciążenie wywołane obciążeniem nasypu należy przenieść na nasady pali. Istniejące modele przesklepienia podłoża między palami można podzielić na trzy grupy. Pierwszy to model sztywnego łuku – zakłada się w nim utworzenie łuku pomiędzy palami o stałym kształcie. Obciążenie powyżej łuku trafia bezpośrednio na pal, a poniżej jest przenoszone przez miękki grunt. Nie uwzględnia się w tym modelu np. kąta tarcia wewnętrznego. Drugi to model granicznej równowagi (Hewlett i Randolph) oraz model łuku koncentrycznego. Zakłada się w nim, że wysokość przesklepienia wynosi połowę odległości między palami, najbardziej obciążony jest najwyższy punkt przesklepienia oraz punkt styku łuku z palem. Innym modelem jest model tarcia, który zakłada, że wzdłuż pionowej krawędzi głowicy występuje tarcie, a równowaga w podłożu jest oparta na teorii Trezaghiego [4].

W przypadku niskich nasypów może dojść do sytuacji, w wyniku której nierównomierne przekazanie obciążenia przełoży się na odkształcenie korony nasypu. Aby zapobiec takim przypadkom, można ustalić związek pomiędzy wysokością nasypu H, a rozstawem pali s [1] (rys. 7):

gdzie:
α — wymiar głowicy pala, w przypadku pali okrągłych o średnicy D:

Jeżeli pomiędzy palami a geosyntetykiem wzmacniającym znajduje się warstwa piasku, to wymiar głowicy pala należy zmniejszyć o wysokość poduszki piaskowej. Z powodu znacznych różnic w deformacji, które występują pomiędzy palami a otaczającym go miękkim gruntem, należy przyjąć, że rozkład naprężeń pionowych w podstawie nasypu jest nierównomierny. Należy pamiętać, że ugięcie podłoża między palami powoduje większe naprężenia pionowe na palach niż otaczającym podłożu.