ZESZYTY N A UK O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: BU D OW N ICTW O z. 102
2004 N r kol. 1644
Sławomir KWIECIEŃ*
Politechnika Śląska
ANALIZA PORÓWNAWCZA OBLICZONYCH I POMIERZONYCH OSIADAŃ KOLUMN KAMIENNYCH WZMACNIAJĄCYCH SŁABE PODŁOŻE GRUNTOWE
Streszczenie. W pracy porównano wyniki obliczonych i pom ierzonych osiadań trzech kolum n kam iennych w zm acniających słabe podłoże gruntowe pod zrealizowanym i obiektami inżynierskimi. O siadania kolum n oszacowano m etodam i w ykorzystującym i koncepcję komórki jednostkow ej (m etody wg: Priebe, Balaam i Booker oraz Van Impe - Madhav).
Odniesieniem dla obliczeń porównaw czych i wynikających stąd w niosków były wyniki próbnych obciążeń kolum n w w arunkach in situ.
C O M P A R ISO N OF C A L C U L A T E D A N D M E A S U R E D SE T T L E M E N T S IN W E A K SO IL R E IN F O R C E D W ITH ST O N E C O L U M N
S u m m ary . Settlem ents o f three stone columns reinforcing a w eak subgrade under constructed engineering structures have been calculated and com pared w ith the measured values. The settlements have been evaluated by three methods utilizing the concept o f a unit cell (Priebe, Baalam and Booker, as well as Van Impe - M adhav methods). The results o f trial loads perform ed on-site m ake the background for the theoretical considerations and following conclusions.
1. Wstęp
Coraz częściej inżynier budowlany staje przed problem em posadow ienia obiektów budowlanych i inżynierskich na gruntach słabych i silnie odkształcalnych. Sytuacja taka występuje m iędzy innym i w ówczas, gdy w podłożu pojaw iają się grunty spoiste w stanie od plastycznego po płynny lub grunty organiczne, charakterystyczne np. dla starorzeczy cieków wodnych oraz rejonów podm okłych i bagiennych.
* Opiekun naukowy: Dr hab. inż. Jerzy Sękowski
274 S. Kwiecień
Obecnie istnieje wiele m etod wzm acniania słabego podłoża gruntowego [2]. Jedną z nich są kolumny kam ienne, wykonyw ane m etodą udarową. Takie wzm acnianie podłoża powoduje nie tylko w zrost jego nośności, ale również redukcję osiadań oraz przyspiesza konsolidację słabego gruntu [3], [11]. Ponadto takie zalety, jak: ekonom iczność, szybkość i prostota w ykonania spowodow ały, że wzmacnianie podłoża za pom ocą kolum n kam iennych doczekało się licznych realizacji w praktyce [3],
Przy projektowaniu posadowienia obiektów na podłożu w zm ocnionym kolumnami kamiennymi zm uszeni jesteśm y do rozważenia stanów granicznych nośności oraz użytkowania. Stosowane obecnie m etody obliczeń obu stanów granicznych szeroko zaprezentowane zostały w pracy [4], Odniesiono je do kolum n wykonywanych techniką wibrowymiany. N asuw a się jednak pytanie, na ile metody te są słuszne w przypadku kolumn formowanych w gruncie z wykorzystaniem udarów o wysokiej energii.
W referacie skupiono się na stanie granicznym użytkowania podłoża wzmocnionego wbijanymi kolumnami kam iennym i. Dokonano analizy porównawczej osiadań takich kolumn, określonych wybranymi metodam i obliczeniowymi z wartościami uzyskanymi z próbnych obciążeń. Podstaw ą analizy porównawczej były trzy zrealizow ane przykłady z praktyki inżynierskiej.
2. Obliczanie osiadań podłoża wzmocnionego kolumnami kamiennymi z wykorzystaniem koncepcji komórki jednostkowej
2.1. U w agi ogólne
Zgodnie z [4] koncepcje m odelow ania podłoża z regularną siatką kolumn, na potrzeby przewidywania ostatecznych osiadań, możemy podzielić na dw ie grupy. Charakterystyczne dla nich są:
> redukcja obszaru analizy do tzw. komórki jednostkowej,
> hom ogenizacja kom pozytu „grunt - kolum ny” .
W referacie, na potrzeby analizy porównawczej, wykorzystane zostaną trzy najczęściej stosowane w obliczeniach projektowych metody określania osiadań podłoża wzmocnionego kolumnami kamiennymi. W szystkie z nich bazują na założeniach koncepcji komórki jednostkowej.
A naliza porównawcza. 275
2.2. Komórka jednostkowa
Przy projektow aniu kolum n kam iennych m am y do w yboru trzy m ożliw e regularne siatki rozstawu kolumn: sześcioboczną, kw adratow ą oraz trójkątną (ry s.la). K ażdą z siatek możemy podzielić na jednostkow e obszary wpływu poszczególnych kolumn. S ą to odpowiednio obszary: sześcioboczny, kw adratowy oraz trójkątny (rys.la).
Jeżeli nacisk na w zm ocnione podłoże je st równom ierny, całość m ożem y rozpatrywać jako zbiór niezależnych graniastosłupow ych komórek. D la wygodniejszego prow adzenia obliczeń figury podobszarów zastępujem y okręgami o tej samej pow ierzchni (ry s.la ), sprowadzając analizę osiadania do zagadnienia osiowo symetrycznego równow agi walcowej komórki jednostkow ej, współosiowej z kolum ną (rys. Ib).
Rys. 1. Konstrukcja komórki jednostkowej
a) typowe siatki i odpowiadające im podobszary wpływu oraz ekwiwalentna średnica, b) przekrój osiowy komórki
Fig. 1. Construction o f a unit cell
a) typical grids and corresponding domains of each column influence and equivalent diameter
b) axial intersection o f a unit cell
Zgodnie z [4] współczesne metody, rozwinięte w ram ach koncepcji komórki jednostkow ej, opierają się n a następujących założeniach (rys. Ib):
> podłoże otaczające kolum nę tw orzy skończoną rurę grubościenną z materiału sprężystego, izotropowego, jednorodnego i nieważkiego, o pow ierzchniach doskonale gładkich,
276 S. Kwiecień
> górny brzeg i w ew nętrzna powierzchnia boczna rury poddane są odpowiednio:
pionowem u naciskow i p z fundamentu i poziomem u oddziaływ aniu kolum ny p , \
>■ dolny brzeg i zew nętrzna powierzchnia boczna rury są podparte przegubowo przesuwnie,
> kolum na obciążona pionow ym naciskiem Pk z budowli i poziom ym oddziaływaniem otaczającego podłoża p r podlega całkowitemu lub częściow em u uplastycznieniu, z reguły bez zm iany objętości,
> osiadania kolum ny s* oraz otaczającego podłoża s są identyczne i nie zm ieniają się w planie komórki.
D la tak określonych założeń, zgodnie z [7] równanie wyjściowe m a postać:
P o '4 '= P k A k + P 'A g > O )
gdzie:
p 0 - średni nacisk jednostkow y na powierzchnię komórki,
A e - pow ierzchnia poziom ego przekroju komórki jednostkow ej, składająca się z:
powierzchni kolum ny Ak i powierzchni otaczającego j ą gruntu A g = A e - A k .
Ponadto, definiuje się następujące bezwymiarowe charakterystyki: n = A - współczynnik P
A. s
koncentracji obciążenia, a = — współczynnik wymiany oraz /? = — współczynnik
Ae s
efektywności wzm ocnienia, gdzie s 0 i s to odpowiednio osiadania podłoża bez w zm ocnienia i podłoża wzmocnionego.
W zw iązku z tym równanie (1) m ożem y zapisać w następującej postaci:
P = \ + { n - \ ) a , (2)
Jak widać, do określenia efektywności wzm ocnienia gruntu kolumnami wystarczy znajomość współczynnika /? . W literaturze przedm iotu znanych je st szereg metod obliczeniowych, w ykorzystujących koncepcję komórki jednostkow ej do określania osiadania podłoża wzmocnionego kolumnami. N a potrzeby obliczeń w prezentowanej pracy wykorzystano trzy spośród nich, najczęściej stosowane w praktyce projektowej. S ą to: metoda wg Priebe [4], [9], Balaam i Booker [1], [4] oraz m etoda wg Van Impe - M adhav [14],
Analiza porównaw cza. 277
3. Analiza porównawcza osiadań podłoża gruntowego wzmocnionego kolumnami kamiennymi
Pierwszy z przykładów poddanych analizie obejm ował w zm ocnienie słabej strefy podłoża pod nasypem, który w raz z estakadą łączy dwie główne arterie m iasta Zabrza [5]. Warstwę w ym agającą stabilizacji kolumnami kamiennymi stanow iło przypowierzchniowe wyklinowanie torfu i podścielającego go piasku drobnego z dom ieszką części organicznych o łącznej miąższości 4,7 m. W arstw ę nośną planowanych kolum n tw orzyły średnio zagęszczone piaski średnie. K olum ny wykonyw ane były z powierzchni nasypu o wysokości 1 m (rys. 2), wykonanego dla um ożliw ienia pracy sprzętu ciężkiego.
Parametry słabego podłoża ustalone zostały na podstaw ie dokum entacji geotechnicznej, a parametry materiału, z którego wykonano kolumny, na podstaw ie literatury [8], [10].
Spodziewana w artość obciążenia podłoża nasypem wynosiła ok. 140 kPa.
nr 70 2,7m
b - b - b - b
Kolumna:
Djfl,4m, Hf5,7m ę>k=40°, 7 k=20kN/m3
^=0,3, Ej=70MPa
Łącznie wykonano 79 kolum n kam iennych z przepalonego łupka przyw ęglowego o średnicy zastępczej ziam od 30 do 200 mm. K olum ny o długościach od 4 do 5,5 m utworzyły siatkę trójkątów równobocznych o boku 2,7 m (rys. 2). W celu w yrów nania rozkładu odporu podłoża wykonany został na pow ierzchni głowic kolum n sztywny m aterac z geowłókniny i dwóch w arstw geosiatki, pom iędzy którymi zastosowano w spom niany wcześniej przepalony łupek przywęglowy.
l,0m
4,2m
0,5m
Rys. 2. Parametry wyjściowe do obliczeń dla kolumny nr 70 Fig. 2. Output parameters to calculations for column No 70
278 S. Kwiecień
O bciążenie [kPa]
0 130 230 - osiadania rzeczywiste
(próbne obciążenia)
- osiadania podłoża bez wzmocnienia
- osiadania wg Priebe
- osiadania wg Balaam - Booker
- osiadania wg Van Impe - Madhav
Rys.3. Wykres osiadań - kolumna nr 70 Fig. 3. Diagram of settlement - column No 70
Z próbnych obciążeń jednej z kolum n (nr 70) [5], realizow anych przy użyciu stosu płyt stalowych o średnicy podstaw y 1,2 m, uzyskano osiadania nie przekraczające 6 mm.
Pom iarów osiadań dokonano dla dwóch poziomów obciążeń (130 kPa i 230 kPa). Należy zaznaczyć, że obciążenie przyłożone było centralnie na kolumnie. D la porównania na rys. 3 przedstawiono wyniki próbnych obciążeń wspomnianej kolum ny i wyniki obliczeń jej osiadań wybranymi przez autora metodami.
Kolejnymi przykładam i zastosowania wbijanych kolum n kam iennych są w zm ocnienia podłoża pod zbiornikam i paliw (nr 8/13 oraz 8/14) w Radzionkowie [6]. S ą to konstrukcje w postaci stalowych cylindrów, każda o pojemności 9400 m 3, zam kniętych od góry kopulastymi dachami, a od dołu podwójnym i płytami dennymi z blach, przedzielonym i siatkami stalowymi. Ściany zbiorników (część nośna + płaszcz ochronny) posadowione zostały na dwóch fundamentach pierścieniowych.
Parametry poszczególnych w arstw geotechnicznych dla zbiornika 8/13 pokazano na rys.4.
Wykonano łącznie 94 kolum ny kam ienne z przepalonego łupka przy węglowego.
Kolumny o długościach ok. 4 m utworzyły siatkę trójkątów równobocznych o boku 3,5 m. Na podstawie próbnych obciążeń [12] realizow anych w czterech stopniach (34,51; 71,52; 113,03 i 213,03 kPa) uzyskano osiadania nie przekraczające 8 m m (rys. 5). Podobnie ja k w przypadku poprzedniego przykładu na rys. 5 przedstawiono osiadania tej kolumny, określone metodami wykorzystującym i koncepcję kom órek jednostkow ych.
Profil podłoża gruntowego dla drugiego ze zbiorników (8/14) przedstaw iono na rys. 6.
A naliza porów naw cza.. 279
NN
(żużel+kamienie+gruz ceglany) M0=10MPa Ps(H) Id =0,44 Mo=56MPa
Gn Il=0,1Ó M0=28MPa
Ps 1d=0,40 M»=35MPa
Gtt 1=0,38 M0=16MPa
h íe P 7 M 0=30MPa
Rys. 4. Parametry wyjściowe do obliczeń dla kolumny nr 35 Fig. 4. Output parameters to calculations for column No 35
Liczba kolumn, m ateriał, z którego zostały one w ykonane, oraz sposób realizacji obciążeń próbnych kolum ny num er 146 [13] były identyczne ja k dla zbiornika 8/13. Zestawienie wyników pom iarów i obliczeń porównaw czych w tym przypadku przedstaw iono na rys. 7.
o
-5 -10 _ -15
E 1 -20
W
•S -25 «
1 -3 0 w
° -35 -4 0 -45 -5 0
O b c ią ż e n ie |k P a ] 3 4 ,5 7 1 ,5 1 3 0 2 3 0
Kolumna:
Dj-l,4m, H¡r3,8m
^ = 4 0 °, 7 k=20kN/m3
^,=0,3, ą=70MPa
- osiadania rzeczywiste (próbne obciążenia)
- osiadania podłoża bez wzmocnienia - osiadania wg Priebe
osiadania wg B alaam - Booker
- osiadania wg V an Im pe - M adhav
Rys. 5. Wykres osiadań - kolumna nr 35 Fig. 5. Diagram o f settlement - column No 35
280 S. Kwiecień
l,15m NN
(żużel+kamienie+gruz ceglany)
l,7m Ptt ID =0,4 M0=35MPa
Itt Il=0,07 Mo =30MPa
nr 146 3,5m
0 - © - © - © Kolumna:
Dfl,4m, Hf=2,85m ł4=40o, 7 k=20 kN/m1
¡4=0,3, ą=70MPa
Rys. 6. Parametry wyjściowe do obliczeń dla kolumny nr 146 Fig. 6. Output parameters to calculations for column No 146
o
-5 -10
-15
-20
•S -25
O
-30 -35
^to
Rys. 7. Wykres osiadań - kolumna nr 146 Fig. 7. Diagram of settlement - column No 146
4. Uwagi końcowe
W prezentowanym referacie podjęto próbę porównania osiadań kolum n kamiennych, wzmacniających słabe podłoże gruntowe, otrzym anych z badań z wielkościami wyznaczonymi wybranymi metodami obliczeniowymi.
O b cią żen ie [kPa]
0 34,5 71,5 130 230
-osiadania rzeczywiste (próbne obciążenia)
- osiadania podłoża bez wzmocnienia - osiadania wg Priebe
-osiadania wg Balaam - Booker
- osiadania wg Van Impe - Madhav
A naliza porównawcza. 281
Osiadania obliczane m etodam i bazującym i na założeniach kom órki jednostkow ej różnią się od osiadań uzyskanych z próbnych obciążeń. N ajw iększa różnica pom iędzy wartościami obliczonymi a w artością pom ierzoną wystąpiła w pierwszym z przykładów , gdzie w podłożu gruntowym dom inow ał to rf o miąższości h=4,2 m i edom etrycznym m odule ściśliwości M 0 = 1,8 MPa. W pozostałych przykładach, gdzie podłoże budow ały utw ory słabonośne o nieco w yższych niż torf, lecz przybliżonych param etrach, różnice te były m niejsze, natom iast większa rozbieżność m iała m iejsce w odniesieniu do sam ych m etod obliczeniowych.
Podstawowe znaczenie dla prowadzonych obliczeń m a ją wartości parametrów wytrzym ałościowych i odkształceniowych zarówno podłoża, ja k i samej kolumny. W przypadku podłoża do w yznaczania wartości param etrów m ateriałow ych budujących je gruntów (zw łaszcza gruntów słabonośnych) ze w szech m iar uzasadnione je st szersze zastosowanie badań niestandardowych (dylatometr, ścinarka obrotowa, sondy statyczne, próbne obciążenie).
Równie istotnym problem em pozostaje, zdaniem autora, adekwatność stosowanych w analizie obliczeniowej m etod określania osiadań podłoża w zm ocnionego kolumnami w stosunku do kolum n realizow anych m etodą wbijania. Nadm ieńm y, że m etody obliczeniowe opracowano dla kolum n wykonyw anych m etodą wibroflotacji, w której kolum na m a kształt cylindryczny. K olum ny realizow ane poprzez wbijanie m ają kształt najprawdopodobniej inny.
Tak więc w różnych założeniach poszczególnych metod obliczeniowych, a także odmienności geometrycznej kolum ny realizow anych m etodą w bijania upatrywać należy rozbieżności otrzymanych wyników. To też będzie przedm iotem kolejnych badań autora.
LITERATURA
1. Balaam N. P., Booker J. R.: The effect o f yield on the settlem ent o f rigid foundations on clay stabilized w ith stone columns. The Univ. Sydney, School o f Civ. M in. Eng. Res. Rep.
No R. 461,1983.
2. Gryczmański M.: W spółczesne kierunki rozw oju geotechniki w Polsce. Inżynieria i Budownictwo, 8 ,1 9 9 4 , 339-347.
3. Gryczmański M.: W zm acnianie podłoża wbijanymi kolum nam i kam iennym i. Przegląd doświadczeń śląskich. Inżynieria i Budownictwo, 3, 2003, 123-126.
282 S. Kwiecień
4. Gryczmański M.: M etody analizy nośności i osiadania podłoża wzmocnionego kolumnami kam iennym i. Inżynieria M orska i Geotechnika, 5 ,1 9 9 3 ,2 2 4 -2 3 1 .
5. Gryczm ański M.: W zm ocnienie podłoża nasypu drogowego w rejonie podpory nr 8 kolumnami kam iennym i wykonanymi m etodą wymiany dynam icznej. Dokumentacja powykonawcza, G liwice 2002.
6. Gryczmański M.: Fundam enty pierścieniowe i w zmocnienie podłoża gruntowego kolumnami kam iennym i wykonanymi m etodą w ym iany dynam icznej. Projekt wykonawczy, Gliwice 2002.
7. K ania M., Florkiew icz A., Janiński S.: N um eryczna symulacja zachow ania się modelu kolumny kam iennej. X III K rajow a Konferencja M echaniki Gruntów i Fundamentowania, Gliwice - Szczyrk 2003, s. Budownictwo, z. 97, 83-90.
8. Pisarczyk S.: Grunty nasypowe. W łaściwości geotechniczne i m etody ich badania.
Oficyna W ydaw nicza Politechniki W arszawskiej, 2004.
9. Priebe H.: Abschätzung des Setzungsverhaltes eines durch Stopfveriichtung verbesserten Baugrundes. Die Bautechnik, Vol. 5 3 ,5 ,1 9 7 6 .
10. Skarżyńska M.: Odpady powęglow e i ich zastosowanie w inżynierii lądowej i wodnej.
W ydawnictwo Akadem ii Rolniczej, Kraków 1997.
11. Steckiewicz R., Szybcio Z.: N ośność graniczna kolum n kam iennych. Inżynieria M orska i Geotechnika, 3, 1996,241-243.
12. Sternik K.: W yniki statycznego próbnego obciążenia kolum ny kamiennej nr 35 oraz prób dynam icznych kolum n n r 40, 65, 71 pod zbiornikiem 8/13. M ateriały niepublikowane, G liwice 2002.
13. Sternik K.: W yniki statycznego próbnego obciążenia kolumny kamiennej nr 146 oraz prób dynam icznych kolum n nr 101, 133, 159 pod zbiornikiem 8/14. M ateriały niepublikowane, Gliwice 2002.
14. Van Impe W. F., M adhav M. R.: A nalysis and settlement o f dilating stone column reinforced soil. Ö sterreichische Ingeniur und Architekten Zeitschrift, 3,1 9 9 2 ,1 1 4 -1 2 1 .
Recenzent: Dr hab. inż. Zenon Szypcio
