Geotechnika-Ocena zmian projektowych warunków posadowienia sztywnego ustroju płytowo-palowego wspierającego konstrukcję komina

[

Wykaz publikacji

]

Awarie Budowlane 2003

prof. dr hab. inż. Zygmunt Meyer

mgr inż. Sebasan Chruściewicz

Politechnika Szczecińska

Katedra Geotechniki

OCENA ZMIAN PROJEKTOWYCH WARUNKÓW POSADOWIENIA SZTYWNEGO USTROJU PŁYTOWO‐

PALOWEGO WSPIERAJĄCEGO KONSTRUKCJĘ KOMINA

ESTIMATION OF PROJECT CONDITIONS OF THE FOUNDATION OF STIFF PILED RAFT SYSTEM SUPPORTING

CONSTRUCTION OF THE CHIMNEY

Streszczenie
Przedmiotem   pracy   jest   analiza   nośności   wykonanych   pali.   Pierwotny   projekt   posadowienia   komina   zakładał
wykonanie   pali   CFA.   Po   wykonaniu   próbnych   obciążeń   stwierdzono,   że   pale   te   mają   mniejszą   nośność   niż
projektowano.   Zalecono   więc   wykonanie   dodatkowych   pali   TUBEX.   Autorzy   przeprowadzili   analizę   osiadania
sztywnego   ustroju   płytowo‐palowego   podtrzymującego   konstrukcję   komina.   Model   zaprezentowany   we
wcześniejszych   pracach[1,2,3,4],   zakłada   obliczanie   naprężeń   w   przestrzeni   gruntu   z   uwzględnieniem   wskaźnika
koncentracji κ Fröhlicha oraz niejednorodności gruntu rodzimego i  zasypki pod płytą. Przeprowadzona analiza pod
kątem określenia wysiłków w palach jak i osiadania całkowitego ustroju wskazuje, że wysiłki w palach w grupie są
znacznie mniejsze niż udźwig pojedynczego pala przy tym samym osiadaniu. Przeprowadzone obliczenia  osiadania
proponowaną metodą mają bardzo dużą zgodność z wynikami z pomiarów geodezyjnych.

Abstract
The object of work is to analyse the carrying capacity of made piles . The orginal project concerning the foundaons
of a chimney assumed realizaon of CFA piles. A<er the realizaon of the piles loading test it was aﬃrmed, that the
piles have smaller carrying capacity then the one stated in the project. It was recommended to made addional
TUBEX piles. The authors carried the analysis of the se@lement of sﬀ piled ra< system supporng the construcon of
the chimney. The model which had been presented in earlier works[1,2,3,4] takes into accound tensions founds in
space of soil with regard of coeﬃcient of concentraon κ Fröhlich tensions as well as inhomogeneies of nave soil
and backﬁll under the ra<. The analysis aiming at esmaon of eﬀors in the piles as well as the se@lement of the
whole system shows that the eﬀors in the group piles are much lower then depression li<ing copacity of a single pile
provided that they have the same se@lement. The calculaon of the se@lement with the proposed method
compable with the geodesic measurements results.

1. Wstęp

Tematem opracowania jest fundament pod komin zlokalizowany na terenie zespołu elektrowni „DOLNA ODRA” S.A. w
Nowym Czarnowie. Na podstawie przeprowadzonej analizy nośności pali wierconych CFA stwierdzono, że istnieje
uzasadniona obawa wyboczenia zagłębionego zbrojenia pala i pęknięcia dolnej betonowej części przy podstawie

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

pala. Na podstawie wykonanych próbnych obciążeń stwierdzono, iż istniejące pale CFA mają mniejszą nośność niż
projektowano. Po przeprowadzeniu dodatkowych badań terenowych stwierdzono, iż w podłożu gruntowym poniżej
16 m od poziomu terenu znajdują się grunty luźnie i średnio zagęszczone o szacunkowym współczynniku zagęszczenia
I

w granicach 0.4 do 0.3. Taki stan powoduje, że zaprojektowane wielkośrednicowe pale wiercone typu CFA

przenoszą obciążenia głównie poprzez pobocznicę przy minimalnym udziale stopy pala. Oznacza to, że schemat
styczny pracy pala uległ zmianie na pal zawieszony. Na podstawie wniosków z wykonanej ekspertyzy stwierdzono, że
należy zaprojektować posadowienie komina ze wzmocnieniem podłoża gruntowego w sposób umożliwiający
bezpieczne i pewne przeniesienie obciążeń poprzez wykonanie:

dodatkowych pali typu TUBEX z wykorzystaniem iniekcji pobocznicy poszczególnych pali wraz z ich podstawami
zapewniających zagęszczenie podłoża gruntowego,

całkowicie odmiennego posadowienia komina z iniekcją wzmacniającą podłoże gruntowe; wykonane
wielkośrednicowe pale wiercone CFA należy potraktować jedynie jako wzmocnienie podłoża gruntowego,

zwiększenie sztywności fundamentu komina wraz z powiększeniem jego powierzchni podstawy, z
zastosowaniem dodatkowych skośnych wielkośrednicowych sztywnych pali wierconych, umieszczonych po
zewnętrznym obrysie fundamentu.

Na podstawie wykonanej opinii geotechnicznej podłoże gruntowe komina zbudowane jest z plejstoceńskich i młodo
plejstoceńskich osadów rzecznych, generalnie piasków średnich, podrzędnie z pospółek. Te niespoiste grunty
charakteryzują się bardzo zróżnicowanym stopniem zagęszczenia, wobec czego uwzględniając także niejednorodne
uziarnienie wydzielono w nich VI warstw geotechnicznych.

warstwa I – piaski średnie, wilgotne i nawodnione, luźne o charakterystycznej wartości stopnia zagęszczenia
I

=0,26; są to grunty słabonośne;

warstwa II – piaski średnie, wilgotne i nawodnione, średniozagęszczone, o charakterystycznej wartości stopnia
zagęszczenia I

=0,45; są to grunty o ograniczonej nośności dla posadowienia pośredniego;

warstwa III – piaski średnie, wilgotne i nawodnione, średniozagęszczone o charakterystycznej wartości stopnia
zagęszczenia I

=0,61;

warstwa IV – piaski średnie, nawodnione, bardzo zagęszczone o uogólnionej wartości stopnia zagęszczenia
I

=0,90;

warstwa V – pospółki nawodnione, średnio zagęszczone o uogólnionej wartości stopnia zagęszczenia I

=0,4;

warstwa VI – pospółki nawodnione, zagęszczone o uogólnionej wartości stopnia zagęszczenia I

=0,8;

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

Rys 2. Przekrój geotechniczny.

Tablica 1. Parametry geotechniczne.

warstwy

geote‐

chnicznej

Symbol gruntu

PN‐86/B‐02482

Stopień

zagęszczenia

Wilgotność

naturalna

[%]

Gęstość

objętościowa

r [tm

‐3

]

Kąt tarcia

wewnętrznego

fu [°]

Edmoetryczny

moduł

ściśliwości

pierwotnej

[kPa]

Moduł

odkształcenia

pierwotnego

[kPa]

Wartość

oporu gruntu

[kPa]

0.26

16/25

1.80/1.95

0.9

1.62/176

31.5

0.9

28.4

61600

51600

0.77

30.8

0.45

15/23

1.83/1.97

0.9

1.65/1.77

32.7

0.9

29.4

86700

73200

2700

0.9

2430

0.9

49.5

III

0.61

13/21

1.87/2.03

0.9

1.68/1.83

33.7

0.9

30.3

114200

96200

3300

0.9

2970

0.9

62.1

0.9

2.05

0.9

1.84

35.5

0.9

31.9

178700

149100

5200

0.9

4680

115

0.9

103.5

0.4

2.05

0.9

1.84

37.7

0.9

33.9

133400

120200

3400

0.9

3060

0.9

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

0.8

2.10

0.9

1.89

40.6

0.9

36.6

219700

197100

6200

0.9

5580

132

0.9

118.8

2. Opis modelu matematycznego.

W pracy założono, że obciążenia zewnętrzne działają osiowo i wywołują odpór gruntu pod płytą oraz nacisk na pale i
dalej reakcje podłoża na ostrza pali. Siły te wywołują stan naprężeń i odkształceń w gruncie.

Celem pracy jest określenie rozkładu odporu gruntu R

pod powierzchnią sztywnej płyty oraz udźwigów pali U

przy

założeniu, że układ płyta‐pale jest sztywny i osiadanie płyty oraz ostrzy pali jest takie same. Założono, że płyta
obciążona jest obciążeniem zewnętrznym równomiernie rozłożonym na powierzchni. Analizę rozkładu naprężeń w
gruncie przyjęto według wcześniejszych prac autorów [3]. W celu uproszczenia analizy autorzy przyjęli, że nośność pala
wynika jedynie z nośności podstawy pala. Przypadek wpływu tarcia o pobocznicę na osiadanie ustroju przedstawiono
w poprzednich pracach [4]. W obliczeniach osiadania uwzględniono jedynie pionową składową naprężeń w gruncie
(metoda jednoosiowego osiadania). Jako warunek brzegowy przyjęto, że naprężenia krawędziowe płyty są zadane i
mogą być przyjmowane dowolnie ( na przykład zero ).

Wzory na osiadanie pali od obciążenia sąsiednimi palami otrzymano na podstawie wzorów Boussinesqa przez
odpowiednie całkowanie rozkładu naprężeń [1].

W pracy przyjęto następujące założenia dotyczące konstrukcji i podłoża :

‐

płyta z palami tworzy sztywną konstrukcję,

‐

podłoże jest jednorodne i sprężyste o uśrednionych parametrach gruntowych. Metoda pozwala

uwzględnić rozluźnienie gruntu bezpośrednio pod płytą, jeżeli wykonano zasypkę,

‐

model pozwala na uwzględnienie w analizie naprężeń w gruncie rodzaju gruntu poprzez

wprowadzenie współczynnika koncentracji naprężeń k Fröhlicha.

Dla tak przyjętych założeń można napisać układ równań opisujący całkowite osiadanie w poszczególnych proﬁlach.
Ostatnim, zamykającym równaniem jest suma sił pionowych działających na konstrukcję.

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

Rys. 2. Schemat pierścienia fundamentowego.

Pierwsze dwa okręgi od środka zawierają 29 pali znajdujących się wewnątrz podstawy komina. Pozostała część pali
umieszczona jest na zewnątrz ścian komina.

3.2. Obciążenia przyjęte do obliczeń.

Do obliczeń przyjęto następujące obciążenia pionowe wg projektu :

‐ całkowite obliczeniowe obciążenie przypadające na pal : 2009,6kN.

‐całkowite obliczeniowe obciążenie wyniosło:

Ponadto do obliczeń przyjęto, że powierzchnia pierścienia wynosi:

Dla potrzeb programu komputerowego, siłę obciążającą fundament palowy należało zamienić na postać obciążenia
równomiernie rozłożonego:

3.3. Parametry gruntu przyjęte do obliczeń.

Zgodnie z opinią geotechniczną najkorzystniejszym rozwiązaniem było posadowienie ostrza pali w warstwie piasków
średnich, nawodnionych, bardzo zagęszczonych o uogólnionej wartości stopnia zagęszczenia I

=0,9 i module

ściśliwości E=178,7 MPa.

3.4. Wyniki obliczeń.

Wprowadzając poszczególne dane do programu uzyskano wyniki, które uzależniają wysiłki w palach od parametrów k
oraz M. Wyniki podano w tablicach 2 i 3 oraz na rysunkach 3 i 4.

Tablica 2. Wyniki osiadania fundamentu bez uwzględnienia nośności pobocznicy.

Osiadanie s[m]

1,5

2,5

0,031744

0,040725

0,047518

0,035302

0,045886

0,053373

3,5

0,038951

0,049689

0,057734

Tablica 3. Wyniki osiadania fundamentu z uwzględnieniem nośności pobocznicy.

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

Osiadanie s[m]

1,5

2,5

0,005996

0,007693

0,008976

0,006668

0,008668

0,010082

3,5

0,007358

0,009386

0,010906

Rys. 3. Zestawienie udziału nośności płyty i pali bez uwzględniania nośności pobocznicy w przenoszeniu całkowitego

obciążenia.

Rys. 4. Zestawienie udziału nośności płyty i pali z uwzględnieniem nośności pobocznicy w przenoszeniu całkowitego

obciążenia.

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm

Rys. 7. Zestawienie nośności poszczególnych pali w przekazywaniu obciążenia.

(M=1, M=1.5, M=2, k=3,5 UT – nośność teoretyczna)

4. Wnioski.

4.1 W pracy przedstawiono analizę pracy sztywnego fundamentu płytowego na palach wspierającego komin.

4.2 Proponowana w pracy metoda zasadza się na założeniu, że sztywna płyta wywołuje odpór gruntu i pale
obciążone są jedynie częścią siły pionowej wynikającej z ciężaru konstrukcji.

4.3 Metoda uwzględnia współczynnik koncentracji naprężeń k Fröhlicha, który pozwala na zróżnicowanie
rodzaju gruntu, oraz uśredniony moduł ściśliwości w przekroju geotechnicznym, który reprezentowany jest
przez parametr M.

4.4 Wyniki obliczeń prowadzą do wniosku, że uwzględnienie wpływu pali i płyty powoduje znacznie mniejsze
wysiłki w palach, niż to wynikło z osiadania pojedynczego pala.

4.5  W projekcie  technicznym  komina  w  elektrowni  Dolna  Odra  założono,  że  całkowite  pionowe   obciążenie
konstrukcji   przejmą   pale.   Płyta   jest   elementem   wieńczącym   konstrukcję   nośną.   Dokładna   analiza   układu
przeprowadzona   w   oparciu   o   proponowaną   metodę   pokazuje,   że   nawet   dla   najgorszego   z   możliwych
przypadków   (rys.   7.   osłabienia   gruntu   κ=3.5,   uwzględnieniu   zasypki   pod   płytą   M=2   i   pominięciu   nośności
pobocznicy w palach ) reakcja ostrza pala jest o połowę mniejsza niż zakładana nośność pojedynczego pala,
wynikająca z osiadania. Wynika to z uwzględnienia pracy sztywnej płyty.

5. Literatura.

[1] Meyer Z. Chruściewicz S.: Model osiadania sztywnej płyty fundamentowej posadowionej na palach. IX
Seminarium Naukowe. Regionalne problemy ochrony środowiska w ujściu Odry. Rugia 2001.

[2] Meyer Z. Chruściewicz S.: O obliczaniu osiadania fundamentu sztywnego według teorii Boussinesqa i
PN‐81/B‐03020. Inżynieria i Budownictwo 5/2001.

[3] Meyer Z. Chruściewicz S.: Osiadanie dużych fundamentów sztywnych. Inżynieria Morska i Geotechnika
5/2001.

[4] Meyer Z. Chruściewicz S.: Wpływ nośności pobocznicy pali w sztywnej konstrukcji płytowo‐palowej na
udźwig i rozkład naprężeń w gruncie. X Seminarium Naukowe. Regionalne problemy inżynierii środowiska.
Geotechnika w warunkach oddziaływania morza. Międzyzdroje 2002.

[5] Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKiŁ. Warszawa 2000.

[

Publikacje

]

h@p://geotechnika.zut.edu.pl/o_nas/publikacje/pub_zm/Oz_upp_wkk_2003.htm