background image

 

1

Fundamenty Specjalne - projekt fundamentu płytowo-palowego - część

 3 

Charakterystyka obciążenie-osiadanie pala - metoda funkcji transformacyjnych 

(dr hab. inż. Adam Krasiński) 

Podstawowym  celem  metody  funkcji  transformacyjnych  jest  dostarczenie  prognozowanej  pełnej 

charakterystyki Q-s pala obciążonego osiową siłą wciskającą, zagłębionego w różnych warunkach 

gruntowych.  Wraz  z  rozwojem  komputerowych  technik  analizy  konstrukcji,  powstała  potrzeba 

bardziej zaawansowanego modelowania zachowania się pali pod obciążeniem. Oprócz tego, zaczęto 

zwracać uwagę, że zagadnienie nośności i osiadań pali powinno być rozpatrywane łącznie oraz, że 

decyzja  o  nośności  pala  i  akceptowalnej  wartości  jego  osiadania  powinna  zależeć  od  rodzaju 

konstrukcji i jej wrażliwości na osiadania.  

 

Metoda funkcji transformacyjnych jest nieskomplikowana i prosta w użyciu. Dodatkową jej 

zaletą  jest  to,  że  zaproponowane  przez  różnych  autorów  charakterystyki  t-z  i  q-z  zostały 

w większości wyprowadzone z badań rzeczywistych. Dzięki temu metoda jest bardziej wiarygodna 

od metod analitycznych i numerycznych. 

 

W  metodzie  funkcji  transformacyjnych,  pal  rozpatruje  się  jako  sprężysty  pręt,  najczęściej 

o stałej  sztywności  podłużnej  trzonu  EA,  podzielony  na  szereg  krótkich  odcinków.  Ośrodek 

gruntowy, w którym pal jest zagłębiony, modeluje się za pomocą zestawu więzów, rozmieszczonych 

wzdłuż pobocznicy oraz pojedynczej więzi pod podstawą (rys. 1). Więzy modelujące grunt opisane 

są  charakterystykami  nieliniowymi.  Układ  i  charakterystyki  więzów  dostosowuje  się  do  układu 

i parametrów  warstw  podłoża  gruntowego.  Im  gęstszy  podział  pala  na  odcinki  tym  lepiej,  przy 

czym nie jest zasadne dzielenie na odcinki krótsze niż średnica pala D

 

Rys. 1. Schemat modelownia współpracy pala z gruntem za pomocą funkcji transformacyjnych 

Obliczenia polegają na zadawaniu kolejnych przyrostów osiadań pala i iteracyjnym wyznaczaniu sił 

przejmowanych  przez  poszczególne  więzy.  Iteracje  przeprowadza  się  do  uzyskania  zakładanej 

zbieżności.  Wynikiem  końcowym  obliczeń  jest  pełna  krzywa  osiadania  pala  Q-s,  którą  można 

background image

 

2

dodatkowo  rozdzielić  na  wykresy  składowe  odnoszące  się  do  oporu  podstawy  Q

b

-s

b

,  oporu 

pobocznicy Q

s

-s

s

 (rys. 2), a także do oporów poszczególnych warstw gruntowych wzdłuż pala. 

 

Rys. 2. Przykładowy wynik analizy współpracy pala z gruntem za pomocą funkcji transformacyjnych 

Charakterystyki  funkcji  transformacyjnych  t-z  i  q-z  określa  się  najczęściej  metodą 

empiryczną.  Znane  są  też  propozycje  teoretycznego  ich  definiowania  (np.  według  Poulosa 

i Davisa). W Polsce najbardziej znane są funkcje transformacyjne zaproponowane przez Gwizdałę, 

wyrażone w postaci funkcji potęgowych: 

 

α





=

v

s

z

s

t

t

max

     dla  ≤ t

max

 

 

 

β



=

f

b

f

z

s

q

q

       dla  ≤ q

f

 

 

w których: 

α

  – wykładnik  funkcji  t-z,  którego  wartość  uzależniona  jest  od  rodzaju  gruntu, 

szorstkości  pobocznicy  i  technologii  wykonania  pala  oraz  od  wartości 

składowej  pionowej  naprężenia  efektywnego  w  gruncie 

σ

v0

.  Najczęściej 

wartość 

α

 przyjmuje się z przedziału 0,3 do 0,5. 

 

z

v

  – przemieszczenie pobocznicy pala, przy którym mobilizuje się maksymalny opór 

tarcia gruntu t

max

z

v

 przyjmowane jest najczęściej o wartości 5 mm lub 0,01D

 

β

 

– wykładnik funkcji q-z, którego wartość przyjmuje się indywidualnie, najczęściej 

z przedziału 0,25 do 0,6. 

 

z

f

 

– przemieszczenie  podstawy  pala,  przy  którym  mobilizuje  się  graniczny  opór 

gruntu q

f

 pod podstawą; z

f

 przyjmowane jest najczęściej o wartości 0,05D lub 

0,1D

Wartości oporów maksymalnych i granicznych t

max

 i q

f

 Gwizdała proponuje określać indywidualnie, 

na  podstawie  dostępnych  w  literaturze  i  ogólnie  sprawdzonych  metod  wyznaczania  tych  oporów, 

np.  z  zaleceń  normowych,  bezpośrednio  z  badań  „in  situ”  CPT,  PMT,  SPT,  z  próbnych  obciążeń 

pali, bądź z obliczeń analitycznych nośności pali metodami np. 

α i β. 

Zgodnie  z  rys.  1b,  w  niektórych  rodzajach  gruntów,  charakteryzujących  się  wrażliwością 

strukturalną,  należy  stosować  współczynniki 

ξ

  i 

µ

  (mniejsze  niż  1,0)  do  określania  oporów 

rezydualnych  t

r

  tarcia  gruntu  o pobocznicę.  W  większości  przypadków,  zagadnienie  oporów 

rezydualnych pomija się i przyjmuje funkcje transformacyjne o formie według rys. 1c. 

background image

 

3

Parametry  funkcji  transformacyjnych,  dla  wybranych  rodzajów  pali  proponuje  się  przyjmować 

według poniższej tablicy 1: 

 

Tablica 1. Proponowane parametry funkcji transformacyjnych 

 

 

 

 

 

 

    z

v

             

α

             z

f

                

β

 

 

 

- pale prefabrykowane wbijane 

 

0,01D        0,50       0,05D         0,25 

 

 

- pale wiercone i CFA: 

 

 

     

   grunty niespoiste 

 

 

0,01D        0,50       0,05D         0,50 

 

 

     

  grunty spoiste   

 

 

0,01D        0,25       0,05D         0,50 

 

 

- pale Vibro   

 

 

 

0,01D        0,25       0,05D         0,25 

 

 

- pale SDP 

(według A.Kasiński)

  

 

10 mm       0,38       0,1D           0,38 

 

Wyżej wspomniano, że obliczenia należy wykonywać iteracyjnie. W przypadku jednak pominięcia 

odkształcalności  trzonu  pala  (przyjęcia  pala  jako  nieskończenie  sztywnego)  obliczenia  nie 

wymagają iteracji. 

 

Charakterystykę Q-s pala można wyznaczyć również w sposób przybliżony na podstawie obliczeń 
nośności pala, np. metodą 

α

 lub 

β

.  Funkcje transformacyjne formułuje się wówczas dla wartości 

wypadkowych oporów pobocznicy i podstawy pala: 

   

α





=

v

s

k

s

s

z

s

R

Q

;

     dla  Q

s

 

≤ R

s;k

  ;     

β



=

f

b

k

b

b

z

s

R

Q

;

     dla  Q

b

 

≤ R

b;k

     

→       Q

c

 = Q

s

 + Q

b

   

gdzie:  R

s;k

 - charakterystyczna nośność graniczna pobocznicy pala, [kN]; 

 

R

b;k

 - charakterystyczna nośność graniczna podstawy pala, [kN]; 

Rezultatem  są  wykresy  przedstawione  na  rys.  3.  Do  obliczeń  statycznych  można  zastosować 

uproszczoną charakterystykę Q-s w postaci wykresu łamanego, opisanego trzema parametrami: K

1

K

2

 i D

1

.  

 

 

Rys. 3. Charakterystyki Q-s pala: nieliniowa i uproszczona (łamana) do obliczeń 

Q

s

 

Q

c

 

Q

b

 

R

b;k

 

R

s;k

 

z

v

 

z

f

 

Q

c1

 

D

1

 = z

v

 

Q

c2

 

K

1

 

K

2

 

R

c;k

 

K

1

 =  

Q

c1

 

z

v

 

[kN/m] 

K

2

 =  

Q

c2

 - Q

c1

 

z

f

 - z

v

 

[kN/m] 

D

1

 = z

v

 

z

f

 

Trzy parametry: 

background image

 

4

Przykład obliczeniowy 

Wyznaczyć  charakterystykę  Q-s  pala  wierconego  D = 800  mm,  L = 15,0  m  z  przykładu 

obliczeniowego w części 2 materiałów dydaktycznych. Wykorzystać wyniki obliczeń nośności pala 

metodą 

β

.  

Z obliczeń nośności pala metodą 

β

 otrzymano następujące wielkości: 

  R

s

;k

 = 1074,0 kN ,      R

s

;k

 = 700,0 kN ,     R

c

;k

 = 1774,0 kN  

Przyjęto parametry funkcji transformacyjnych:  

z

v

 = 0,01D = 8,0 mm;    

α

 = 0,25 ;     z

f

 = 0,05D = 40,0 mm;    

β

 = 0,50 ;  

Funkcje transformacyjne: 

     

1074

0

,

8

1074

25

,

0

=

s

Q

s

kN     ;    

700

40

700

50

,

0

=

s

Q

b

kN 

W obliczeniach pominięto skrócenie własne pala. 

Tabela obliczeń 

 [mm]

Q

s

 [kN]

Q

b

 [kN]

Q

c

 [kN]

0,0

0,0

0,0

0,0

1,0

638,6

110,7

749,3

2,0

759,4

156,5

916,0

3,0

840,5

191,7

1032,2

4,0

903,1

221,4

1124,5

6,0

999,5

271,1

1270,6

8,0

1074,0

313,0

1387,0

10,0

1074,0

350,0

1424,0

15,0

1074,0

428,7

1502,7

20,0

1074,0

495,0

1569,0

25,0

1074,0

553,4

1627,4

30,0

1074,0

606,2

1680,2

35,0

1074,0

654,8

1728,8

40,0

1074,0

700,0

1774,0

 

Wykresy Q-s 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

300

600

900

1200

1500

1800

 [kN]

s

 [m

m

]

   

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

300

600

900

1200

1500

1800

 [kN]

s

 [

m

m

]

K

1

K

2

D

1

 

 

Parametry charakterystyki do obliczeń statycznych:  

173400

10

0

,

8

0

,

1387

3

1

=

K

kN/m ;    

12100

10

)

0

,

8

0

,

40

(

0

,

1387

0

,

1774

3

2

=

K

 kN/m ;    D

1

 = 0,008 m