analiza napręeń na pobocznicy pala oraz pod podstawą
Transkrypt
analiza napręeń na pobocznicy pala oraz pod podstawą
XVIII SEMINARIUM NAUKOWE z cyklu REGIONALNE PROBLEMY INŻYNIERII ŚRODOWISKA Szczecin 25 czerwca 2010 r. prof. dr hab. inż. ZYGMUNT MEYER1 ANALIZA NAPRĘŻEŃ NA POBOCZNICY PALA ORAZ POD PODSTAWĄ POJEDYNCZEGO PALA W OPARCIU O LINIOWĄ TEORIĘ BOUSSINESQA 1. Wstęp Analiza warunków formowania się naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawą pala była przedmiotem badań wielu autorów [1,2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,15,16,17]. Wiele z tych prac dotyczy interpretacji próbnych obciążeń pali, określenia nośności pali w różnych warunkach. Stosunkowo niewiele prac dotyczy współpracy pobocznicy pala i gruntu w ujęciu analitycznym. Próbne obciążenie, a co za tym idzie projektowanie wymiarów pala wymaga często zmiany długości czy średnicy po to aby zoptymalizować koszty. Wtedy pojawia się problem w oparciu o jakie zależności analityczne należy interpretować próbne obciążenia i jak przeprojektować wymiary pala, przy uzyskaniu odpowiednich nośności. Próbne obciążenia statyczne pala poprzez przyłożenie siły w głowicy jest najbardziej typowym testem. W stosunku do pali o bardzo dużej nośności (kilkudziesięciu MN), kiedy wytworzenie takiego obciążenia jest praktycznie niemożliwe posługujemy się palem, w którym zamontowano w miejscu poniżej połowy jego długości komorę ciśnieniową. Komora ciśnieniowa rozpiera pal do góry i w dół. Jest to tzw. test Osterberga. Analizę mechanizmów formowania się naprężeń na pobocznicy i pod podstawą przedstawiono w literaturze [4,5,11,12,16]. Zagadnieniem, które wiąże się z przedstawioną analizą jest wymiarowanie kolumn wykonywanych w gruncie [10,13]. Nośności kolumn coraz częściej przekraczają 1,5MN i określenie rozdziału nośności kolumny na część, która wynika z naprężeń na pobocznicy oraz tą, która wynika z naprężeń pod podstawą, jest coraz częściej stawianym pytaniem. Pytanie bardziej ogólne to, jak naprężenia na pobocznicy wpływają na osiadanie pojedynczej kolumny czy pala. Mając na względzie te pytania autor przedstawił analizę warunków formowania się naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pala. W szczególności jak obciążenie przyłożone w głowicy pala jest równoważone przez naprężenia na pobocznicy i w podstawie pala i jak ten rozdział zmienia osiadanie. Podejmując ten problem autor miał na celu zwrócenie uwagi, iż w wielu przypadkach praktycznych, naprężenia te zależą od siebie i nie powinny być przyjmowane w projektowaniu jako dwa niezależne parametry. Drugim powodem był fakt, iż w praktyce inżynierskiej przy obliczaniu 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Katedra Geotechniki Zygmunt Meyer 82 osiadania pojedynczego pala występowanie naprężeń na pobocznicy zmniejsza osiadanie w stosunku do tego, jakie wystąpiłoby gdyby tych naprężeń nie uwzględniać. 2. Matematyczny opis zjawiska Do analizy zjawiska przyjęto cylindryczny pal zagłębiony w jednorodnym gruncie o długości h oraz średnicy D = 2r, obciążony w głowicy pionową siłą N. Schematycznie pal zagłębiony w gruncie pokazano na rys. 1 [11] Rys. 1 Schemat pala zagłębionego w gruncie Na rys. 1 przyjęto następujące oznaczenia: h – długość pala w gruncie; D – średnica pala; N – siła przyłożona w głowicy działająca pionowo w dół; N1 – siła skupiona działająca w podstawie pala; r – promień pala.; T – siła wytworzona na pobocznicy przez naprężenia styczne; z, ρ - układ współrzędnych cylindrycznych przyjęty do analizy: oś z- skierowana jest pionowo w dół, ρ - współrzędna biegunowa; q c - naprężenia wytworzone przez odpór gruntu pod podstawą pala; τ - naprężenia styczne na pobocznicy pala. Do dalszej analizy przyjęto następujące uproszczenia - grunt jest jednorodny, - pal jest nieodkształcalny, - analizę rozkładu naprężeń w gruncie oparto o liniową teorię Boussinesqa wykorzystując jedynie składową σ z pionową tensora naprężeń . Podstawowy wzór opisujący składową σ z [7,9] ma postać [18]: 3 z3 ⋅Q⋅ (1) 5/ 2 2π z2 + ρ 2 gdzie Q - jest stałą skupioną działającą pionowo w dół w punkcie współrzędnych, która te naprężenia w półprzestrzeni sprężystej wywołuje. Równanie równowagi sił pionowych działających na pal wymaga, aby było spełnione równanie: σ z (z , ρ ) = ( ) Analiza naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pojedynczego pala... 83 h N = N 1 + ∫ τ ( z )2πr ⋅ dz (2) 0 Założenie nieodkształconego pala, jednorodnego gruntu oraz braku poślizgu gruntu względem pala pozwala przyjąć τ ( z ) = const = τ i wtedy (3) N = N1 + 2πr ⋅ τ (4) Siłami, które wywołują stan naprężeń w gruncie jest siła N1 działająca w podstawie pala oraz naprężenia styczne na działające na pobocznicy pala τ . Aby obliczyć osiadanie punktów (gruntu) na pobocznicy musimy obliczyć oddzielnie to osiadanie od obu sił. Ogólny wzór na osiadanie gruntu wywołane składową pionową σ z ma postać [18]: z2 S= σz ∫ E ⋅ dz (5) z1 Naprężenia pionowe na pobocznicy pala wywołane siłą N1 w podstawie mają postać (z − h )3 3 ⋅ N1 σ z (z ,r ) = 5/ 2 2π (z − h )2 + r 2 [ ] (6) Ponieważ wcześniej założono że grunt jest jednorodny więc E = const i dlatego odpowiednie osiadanie wywołane siłą N1 wyniesie ∞ S ( N1 ,r , z ) = ∫ σ z (z ,r ) dz E Po podstawieniu zależności (6) do wzoru (7) otrzymamy N 3 r2 S (N ,r , z ) = 1 ⋅ − 2πE ( z − h )2 + r 2 ( z − h )2 + r 2 (7) z [ 3/ 2 ] (8) Równanie odkształcenia powierzchni terenu wywołane siłą N1 wynosi (z = 0) 3 N1 ⋅ (9) 2π h ⋅ E Osiadanie podstawy pala wywołane naprężeniami na pobocznicy, które generuje siła N1 wynosi (z = h) S ( N1 ,r ,0 ) = N1 (10) π ⋅r ⋅E We wzorach (9) oraz (10) założono, że r<<h i dlatego w sumie kwadratów r 2 można pominąć. Wzory (9) i (10) otrzymano przy założeniu całkowania w granicach od z do ∞ (7). S ( N1 ,r ,h ) = Zygmunt Meyer 84 W praktyce liczenie osiadania przeprowadzimy do granicy strefy aktywnej. Praktycznie obliczenie osiadania jest zatem mniejsze niż wyrażone wzorem (7). W dalszej części pracy fakt ten będzie uwzględniony przez wprowadzenie współczynnika korygującego α. Drugim elementem składowym jest osiadanie wywołane naprężeniami τ na pobocznicy pala. Efekt ten można przedstawić działaniem siły: 2πrτ ⋅ dξ zawieszonej w osi z umieszczonej w miejscu o współrzędnej ξ . Wówczas naprężenia pionowe σ z na pobocznicy wywołane tym działaniem będą równe τ ⋅ 2πr ⋅ ( z − ξ ) dξ 3 σ z (τ ,r , z ) = ⋅∫ 2π 0 (τ − ξ )2 + r 2 5 / 2 3 h [ (11) ] po wykonaniu działań otrzymamy σ z (τ ,r , z ) = τ ⋅ r 3 (z − h )2 + r 2 − 3 z2 + r2 + r2 [(z − h) + r ] 2 2 3/ 2 + r2 [z 2 +r ] 2 3/ 2 (12) Po podstawieniu otrzymamy na powierzchni dla z=0; σ z (τ ,r ,0) = 4τ ; oraz dla z=h otrzymamy σ z (τ ,r ,h ) = 4τ . Kolejny etap to obliczanie osiadania od naprężeń σ z (τ ,r , z ) . Mamy ∞ S (τ ,r , z ) = ∫ σ z (τ , z ,r ) dz E Po wykonaniu odpowiednich obliczen otrzymamy τ ⋅ r z + z2 + r2 z + − S (τ ,r , z ) = 3 ln 2 2 2 E (z − h ) (z − h) + r 2 z + r (13) z (z − h )2 + r 2 z−h (14) Podobnie jak w przypadku siły N1 obliczamy osiadanie na powierzchni ( z=0) i wówczas otrzymamy 2h 1 + 3 ln E r dla podstawy pala (z=h) otrzymamy S (τ ,r ,0 ) = τ ⋅r S (τ ,r ,h ) = τ ⋅r 2h 1 + 3 ln = S (τ ,r ,0 ) E r (15) (16) Wzory (15) i (16) wskazują, że od naprężeń na pobocznicy pala osiadanie podstawy i powierzchni jest takie same. Można teraz porównać osiadanie pobocznicy pala wywołane naprężeniami τ , które przedstawiają wzory (15) i (16) z tymi, które otrzymujemy wykorzystując moduł odkształcenia postaciowego [18]. Otrzymamy Analiza naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pojedynczego pala... τ= S (τ , r ) ⋅G l 85 (17) E (18) 2(1 + ν ) W powyższych wzorach przyjęto następujące oznaczenia: l – jest ramieniem działania naprężeń τ , które wywołują przemieszczenie; S (τ ,r ) , G – jest modułem odkształcenia postaciowego, ν - współczynnik Poissona. Po przekształceniu otrzymujemy G= S (τ ,r ) = 2(1 + ν ) τ ⋅l (19) E Jeżeli porównamy zależność (19) z tą jaką wcześniej uzyskaliśmy (15) i (16) to pozwoli to nam określić ramię l potrzebne by grunt wywołał naprężenia ścinające τ uzyskując przemieszczenie na pobocznicy S (τ ,r ) . Otrzymamy 2h 1 + 3 ln r l =r⋅ 2(1 + ν ) Dla celów praktycznych obliczeń możemy ten wzór uprościć do postaci 3 2h ⋅ r ⋅ ln 2(1 + ν ) r W praktycznych przypadkach otrzymamy l0 = (20) (21) l0 = (4 ÷ 5)r (22) Oznacza to, że dopiero przy rozstawie zewnętrznych powierzchni pali o odległości 8r, grunt pozwala na wytworzenie naprężeń stycznych na pobocznicy τ przy osiadaniu S (τ ,r ) . Jeżeli ta odległość jest mniejsza wówczas nie wykorzystamy możliwości gruntu w mobilizowaniu naprężeń stycznych. Możemy napisać S max = 2(1 + ν ) τ ⋅ l0 (22) E Jeżeli rozstaw pali nie pozwala na uzyskanie ramienia l0 czyli S max , to wówczas l < l0 uzyskamy odpowiednio mniejsze τ . Zakładając, że osiągniemy ramię l0 uzyskujemy osiadanie pobocznicy pola wyniesie 2h (23) ⋅ r 3 ln + 1 E r Osiadanie to możemy porównać z osiadaniem podstawy pala, które wyraża wzór (10), otrzymamy wówczas S (τ ,r ) = τ τ 2h qc ⋅ r = ⋅ r 1 + 3 ln E E r a stąd (24) Zygmunt Meyer 86 qc (25) 2h 1 + 3 ⋅ ln r Należy podkreślić fakt, że wzoru (25) nie można odnosić do warunków sondy ponieważ w prezentowanej analizie odpowiednie całkowania odbyły się od powierzchni terenu i od podstawy pala. 1 W obliczeniach przybliżonych możemy przyjąć τ = qc . 20 Obliczenie zasięgu ramienia naprężeń stycznych l0 można również obliczyć w sposób przybliżony porównując siły występujące w tzw. walcu naprężeń. Schematycznie sytuację pokazano na rys. 2. τ= Rys. 2. Schemat równoważenia naprężeń na pobocznicy naprężeniami w podstawie σ (τ ) Na podstawie rys. 2 z równania równowagi sił otrzymamy 2 2πrhτ = π (r + l0 ) − πr 2 ⋅ σ (τ ) [ ] (26) Natomiast ze wzoru (19) po porównaniu go z zależnością (10) otrzymamy l qc = 2(1 + ν ) 0 ⋅ τ (27) r Jeżeli założymy, że w podstawie pala na zewnątrz przestrzeni sprężystej naprężenia generowane przez τ nie mogą być większe niż qc pod podstawą pala to otrzymamy: σ (τ ) = qc l0 min = 3 i wtedy r2 ⋅ h 1 +ν ostatecznie możemy napisać nierówność (28) Analiza naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pojedynczego pala... 2h 1 + 3 ⋅ ln r ⋅h r < l0 < r 1 +ν 2(1 + ν ) 87 2 3 (29) Nierówność (29) określa zasięg ramienia l dla naprężeń τ , tak aby mogły się one rozwinąć do maksymalnej wartości. Problemem pozostaje czy gęstość zabijania pali pozwala na otrzymanie ramienia l0 . 3. Obliczenie osiadania pala Do obliczenia osiadania pala wykorzystano zależności (10) oraz (19). Ponieważ zależności te są uniwersalne i nie uwzględniają elementów współpracy pal-grunt uzupełniono je współczynnikami ατ oraz α q . W szczególności naprężenia na pobocznicy w dużym stopniu zależą od powierzchni bocznej pala (chropowatości tej powierzchni). Aby uwzględnić lokalne własności współpracy pala i gruntu wprowadzono współczynniki α : Sq = α q ⋅ qc ⋅r E St = α t ⋅ 2(1 + ν ) ⋅ oraz (30) τ ⋅l (31) E Ponieważ podobnie jak poprzednio zakładamy, że nie ma poślizgu pobocznica-grunt, możemy napisać S q = St i wtedy qc τ ⋅ r = α t ⋅ 2(1 + ν ) ⋅ ⋅ l E E Powyższa zależność pozwala na uzyskanie związku αq ⋅ τ = τ (qc ) w postaci α 1 r τ = qc q ⋅ ⋅ gdzie α t 2(1 + ν ) l (32) (33) r = const ; jest określane zależnością (20). l Z równania równowagi sił otrzymamy ponadto 2πrhτ + qc ⋅ πr 2 = N Po podstawieniu za τ zależności (33) i po przekształceniach otrzymamy: N1 = N h α 1 1+ ⋅ q ⋅ l αt 1 +ν (34) (35) Zygmunt Meyer 88 Dla celów praktycznych obliczeń ten wzór można przedstawić jako N1 = N (36) 1 αq h 1+ ⋅ ⋅ 7 ,5 α t r Osiadanie możemy wówczas obliczyć ze wzoru (10). Otrzymamy wzór przybliżony S= N 1 αq h πEr 1 + ⋅ ⋅ 7 ,5 α t r (37) Do dalszej analizy wygodnie jest wprowadzić oznaczenia: r αq 1 ⋅ l αt 1 +ν κ= ⋅ (38) Wówczas wzór na osiadanie ma postać S= αq ⋅ N (39) h 1 + κ ⋅ πrE r Próbne obciążenia pala, test statyczny pozwala nam na obliczenie parametru α . Ponieważ mówimy o analizie w zakresie liniowej teorii Boussinesqa, dlatego możemy się posłużyć krzywą N – S w pierwszym zakresie, kiedy jest to odcinek prosty rys. 3. Rys. 3. Wykres próbnych obciążeń pala Z rys. 3 widać, że gdy N < N prop , to wówczas αq ds = const = h dN 1 + κ ⋅ πrE r (40) Analiza naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pojedynczego pala... 89 Z zależności (40) możemy obliczyć α i wykorzystać ją do zmiany wymiarów pala. Jeżeli po testach okazuje się, że pal ma za małą nośność i wydłużamy go oraz zmieniamy jego średnicę wówczas bez potrzeby nowych testów możemy określić związek S = S(N) w postaci S1 = αq ⋅ N (41) h 1 + κ ⋅ 1 π ⋅ r1 ⋅ E r1 Dla tych samych obciążeń N osiadanie obu pali zachowa poniższą proporcję h 1 + κ ⋅ ⋅ r S1 r = S h 1 + κ ⋅ 1 ⋅ r1 r1 (42) 4. Przykład obliczeniowy Jako przykład obliczeniowy do analizy przyjęto pal o długości h =10 i średnicy 2r = 0,3m. Moduł ściśliwości gruntu przyjęto E = 30 MPa oraz ponadto ν =0,25. W pierwszej kolejności oszacowano l ze wzoru (21). Otrzymano l 3 2 ,10 = ⋅ ln = 5,87 r 2(1 + 0 ,25) 0 ,15 Doświadczenie testów statycznych wskazuje, iż parametry α q oraz ατ przyjmują zwykle wartości α q = 0,4 ; ατ = 1,2 . Wartość α q = 0,4 wynika z faktu, że obliczając osiadanie podstawy pala przyjęliśmy całkowanie od zera do nieskończoności. W praktyce obliczanie osiadania kończymy na granicy strefy aktywnej i w związku z tym jest ona mniejsza. Po podstawieniu do wzoru (38) otrzymamy 1 0 ,4 1 1 ⋅ ⋅ = 5,87 1,2 1 + 0,2 22 Załóżmy, że taką wartość otrzymaliśmy z testów terenowych wówczas osiadanie pala wyniesie κ= S = αq ⋅ N m 1 m MN = 14 2 MN ⋅ N 1 10 ⋅ 1 + π ⋅ 0 ,15 ⋅ 30 22 0 ,15 Dla N = 2MN otrzymamy S = 1,40cm Jeżeli można dopuścić większe osiadanie to pal możemy skrócić np. do 8m. Wówczas otrzymamy zgodnie ze wzorem (42) następujące osiadania: Zygmunt Meyer 90 1 + S1 = S 1 + 1 8 ⋅ ⋅ 0 ,15 22 0 ,15 = 0 ,85 1 101 ⋅ ⋅ 0 ,15 22 0 ,15 Dla tego samego obciążenia 2MN osiadanie wynosi S = 1,64cm. 5. Wnioski 1. W pracy przedstawiono analizę formowania się naprężeń na pobocznicy i w podstawie pala w przypadku, gdy na pal działa siła osiowa przyłożona w głowicy. Analizę przeprowadzono przy założeniu liniowej teorii Boussinesqa. 2. Uzyskane wyniki można odnosić do próbnych statycznych obciążeń pali, w części gdzie pierwszy odcinek krzywej osiadania jest odcinkiem prostym. W praktyce zwykle dopuszczalne obciążenie pala wywołują osiadania w tej strefie. 3. Analiza wskazuje, że pomiędzy naprężeniami na pobocznicy pala, a naprężeniami w podstawie zachodzi liniowa zależność. Współczynnik proporcjonalności zależy od wymiarów pala, współczynnika Poissona gruntu oraz współczynników α q oraz ατ , które uwzględniają lokalne warunki współpracy pala z gruntem. 4. Uzyskane zależności mogą mieć zastosowanie przy wymiarowaniu pali na podstawie próbnych obciążeń. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Cichy L., Rybak J., Tkaczyński G: Badanie nośności pali prefabrykowanych. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, str. 30-32, 2009. Cruz N., Pinto P., Viana de Fonceca A., Andrae R: Pile Bearing Capacity of the new Bridge over Zambezi River (Mozambique). Predictions and performance of static load best results. 11th Baltic Sea Geotechnical Conference, Geotechnics in Martime Engineering, Gdańsk, pp. 35-41, 2008. Dundulis K., Żarżojus G.: Ewaluation of the Pile Foundation Bearing Capacity. 11th Baltic Sea Geotechnical Conference, Geotechnics in Martime Engineering, Gdańsk, pp. 55-60, 2008. England M.: Pile Settlement Behavior: an Accurate Model. Application of stress wave theory to piles. pp. 91-96, Rotterdam-Balkena, 1992. Fleming W.G.K.: A new Method for Single Pile Settlement Prediction and Analysis. Geotechnique 42, No.3, pp. 411-425, 1992. Gwizdała K., Kowalski J.R.: Prefabrykowane pale wbijane, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 2005. Gwizdała K., Tejchman A., Blockus M.: Kontrolne badania dynamiczne pali prefabrykowanych w czasie ich wykonawstwa. XXII Konferencja NaukowoTechniczne Awarie Budowlane, Szczecin-Międzyzdroje, 2005. Gwizdała K. , Dyka L.: Analityczna metoda prognozowania krzywej osiadanie pala pojedynczego; Inżyniera i Budownictwo nr 12/2001. Analiza naprężeń na pobocznicy oraz pod podstawę pojedynczego pala... [9] [10] [11] [12] [12] [13] [14] [15] [16] [17] 91 Gwizdała K., Stęczniewski M., Dyka I.: Wykorzystanie sondowań statycznych do obliczania nośności i osiadań pali. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, str. 6268, 2009. Krasiński A., Cichy M. (2008): The Improvement of Axial Bearing Capacity of Open end Pipe Piles. 11th Baltic Sea Geotechnical Conference, Geotechnics in Martime Engineering, Gdańsk, pp. 511-518. Meyer Z., Kowalów M. (2009) : Wykorzystanie testu Osterberga do statycznych obciążeń próbnych pali. XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin-Międzyzdroje. Osterberg J.O.: Recent Advances in Load testing Driven Piles and Drilled Shafts Using Osterberg Load Cell Method. American Society of Civil Engineering, Chicago 1994. Pieczyrak J., Bzówka J.: Próbne obciążenie pali badanych w dużym zakresie obciążenia. Konferencja „Problemy geotechniczne i środowiskowe z uwzględnieniem podłoży ekspansywnych”, Bydgoszcz, 2009. Rogowski R., Franczak P.: Zastosowanie pali FDP w budownictwie mostowym. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, str. 54-57, 2009. Rychlewski P.: Badanie pali testowych. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, str. 72-74, 2009. Tumosa K., Stragys V.: Test Results of Bored Piles. 11th Baltic Sea Geotechnical Conference, Geotechnics in Martime Engineering, Gdańsk, pp. 99-105, 2008. Schmertmann J., Hayes J.; The Osterberg Cell and Bored Pile Testing a Symbiosis, Proceedings at the Third Annual Geotechnical Engineering Conference, Cairo University, Cairo-Egypt 1997. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ,. Warszawa, 2001. Normy: 1. PN-83/B-02482: Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych. 2. PN-81/B-03020: Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie. Streszczenie W pracy przedstawiono analizę formowania się naprężeń na pobocznicy i w podstawie pala. Zagadnieniem, które wiąże się z przedstawioną analizą jest wymiarowanie kolumn wykonywanych w gruncie. Zbadano jak naprężenia na pobocznicy wpływają na osiadanie pojedynczej kolumny czy pala. Analizę przeprowadzono przy założeniu liniowej teorii Boussinesqa.