Nośność pali w badaniach w komorze kalibracyjnej

Lech B A Ł A C H O W S K I, E u g e n iu sz D E M B IC K I Politechnika G d ań sk a

NOŚNOŚĆ PALI W BADANIACH W KOMORZE KALIBRACYJNEJ

S treszczen ie. W p ra c y z estaw io n o w yniki serii b ad ań m o d elo w y ch w c isk a n ia p ali przeprow adzonych w z a g ę sz c z o n y m p ia s k u L u b iato w o przy ró żn y m p o z io m ie n a p rę ż e n ia w komorze o raz p rzy ró ż n y c h w a ru n k a c h b rzegow ych. P rz ean alizo w an o w p ły w w aru n k ó w brzegowych n a w a rto ś c i ta rc ia śred n ieg o o raz je d n o s tk o w e g o o p o ru p o d sta w y p ali modelowych. Z a o b se rw o w a n o isto tn y w p ły w w aru n k ó w b rzeg o w y ch p o d czas w c isk a n ia pali na składow ą p o z io m ą n a p rę ż e n ia w o k ó ł m asy w u g runtow ego o ra z n a tarcie n a pobocznicy.

MODEL TESTS OF PILE CAPACITY IN CALIBRATION CHAMBER

Sum m ary. A series o f m o d el te s ts o n in stru m en ted p ile s p u sh e d into th e soil w as performed in th e c a lib ra tio n c h a m b e r in d en se L u b iato w o san d fo r v ario u s stress level and boundary co n d itio n s. T h e in flu e n c e o f b o u n d ary co n d itio n s o n p o in t resistan ce an d lateral friction w as an aly sed . A co n sid e ra b le in flu en ce o f b o u n d ary c o n d itio n s w as o b serv ed for lateral friction.

1. W prowadzenie

K om ora k alib ra c y jn a sk o n s tru o w a n a w K ated rze G eo tech n ik i P o litech n ik i G dańskiej um ożliw ia p rz e p ro w a d z a n ie b ad a ń m o d elo w y ch w ściśle o k reślo n y ch w a ru n k a c h b rzeg o w y ch na cylindrycznych p ró b k a c h g ru n tu o w y so k o ści 100 cm i śred n icy 53 c m fo rm o w an y ch m eto d ą d e sz c z u p iask o w e g o . K o m o ra o p o d w ó jn y ch ścian k ach b o czn y ch , w y p o sa ż o n a w p n eu m aty czn o -h y d rau liczn y sy stem sterujący, u m o ż liw ia sto so w an ie ty p o w y ch w aru n k ó w brzegow ych o d u trz y m y w a n ia stały ch n a p rę ż e ń w o k ó ł m asy w u g ru n to w eg o do b rak u odkształceń w o k ó ł m a s y w u g ran to w eg o . M asy w g ra n to w y o to czo n y je s t g u m o w ą m e m b ra n ą p rz ek azu jącą ciśn ie n ie w o d y z w ew nętrznej k o m o ry aparatu. S k ła d o w a p io n o w a n ap rę ż e n ia na g ra n t w y w ieran a je s t p rz e z d w ie p o zio m e m em b ran y w y p ełn io n e w o d ą (n a g ó rze i n a dole

próbki). P rzy k ład an ie n a p rę ż e ń o d g óry i od d o łu p ró b k i p o z w a la n a b ard ziej ró w n o m iern e je j odk ształcan ie o raz re d u k u je w p ły w w aru n k ó w b rzeg o w y ch n a n o śn o ść p o d staw y p a la / opór na sto ż k u so ndy statycznej w y w o łan y zm n iejszen iem składow ej p io n o w ej nap rężen ia w okół w cisk an eg o m o d elu [5]. K o n stru k c ja ko m o ry u m o ż liw ia sto so w an ie n a p rę ż e ń d o chodzących do 500 k P a. S z c z eg ó ło w y o p is k o n stru k cji k o m o ry zaw arto w p ra c a c h [1, 2], Interpretacja w y n ik ó w b a d ań w k o m o rz e kalibracyjnej w y m a g a o sz a c o w a n ia w p ły w u w aru n k ó w b rzegow ych, co je s t p rz e d m io te m niniejszej pracy.

2. Program badań

P ro g ram b ad ań o b e jm o w a ł w y k o n an ie serii w c isk a n ia p a li m o d elo w y ch o różnych śred n icach (20 m m , 32,8 m m ) w zag ęszczo n y p iasek L u b iato w o przy ró żn y m poziom ie składow ej p io n o w ej n a p rę ż e n ia d la d w ó ch p o d staw o w y ch w a ru n k ó w b rzeg o w y ch w okół m asy w u grun to w eg o : BC1 (sta ła w arto ść składow ej p o zio m ej n ap rężen ia) i BC3 (brak m o żliw o ści o d k ształceń b o czn y ch m asy w u g runtow ego). S to su jąc w aru n ek BC1 zało ż o n o , że w sp ó łczy n n ik p a rc ia sp o czy n k o w eg o Ko je s t ró w n y 0,4. Z asto so w an ie w aru n k u B C 3 polegało n a sto p n io w y m z w ię k sz a n iu składow ej pionow ej n ap rężen ia i tak im d o b o rze ciśn ien ia w ody w k o m o rze zew n ętrzn ej ap aratu (w y ró w n an iu go do w arto ści c iśn ie n ia w o d y w kom orze w ew n ętrzn ej), ab y u n ie m o ż liw ić o d k ształcen ia b o czn e m asy w u gruntu.

składowa pionowa naprężenia [kPa]

R ys.l. Konsolidacja masywu gruntowego w warunkach edometrycznych F ig .l. Soil mass consolidation in oedometric conditions

M o żliw y b y ł za te m p o m ia r w sp ó łczy n n ik a p a rc ia spoczy n k o w eg o p o d czas k o n so lid acji m asyw u w w aru n k ach edom etrycznych. P rzy p raw id ło w o u fo rm o w an y ch p ró b k ach w artość tego w sp ó łczy n n ik a - w sp ó łczy n n ik k ie ru n k o w y prostej n a ry s .l - b y ła z b liż o n a do 0,4.

3. Badania nośności pali m odelowych

Po zak o ń czen iu k o n so lid a c ji m asy w u g runtow ego p a l m o d elo w y w cisk an o ze s ta łą prędkością na g łę b o k o ść o k o ło 55 cm , a n astęp n ie o d ciąż an o i w yciągano. B ad an ia przeprowadzone b e z m o ż liw o śc i o d k sz ta łc e ń b o czn y ch w y k azały isto tn y p rzy ro st składow ej poziomej n ap rę ż e n ia w o k ó ł m asy w u grun to w eg o w yw ołany w c isk a n ie m p a la m o d elo w eg o , zwłaszcza o śred n icy 32,8 m m . P rzy ro st te n p rzed staw io n o (rys.2) w p o staci zm ian współczynnika ro z p o ru b o c z n e g o m asy w u g runtow ego K m z ale żn y ch o d z a g łę b ie n ia pala.

(1)

gdzie: oy ,cr' s ą o d p o w ie d n io s k ła d o w ą p o z io m ą i p io n o w ą n a p rę ż e n ia w o k ó ł m asyw u.

W artość tego w sp ó łc z y n n ik a je s t n a jw ię k sz a przy n is k ic h n a p rę ż e n ia c h o raz d la p ala o większej śred n icy i m o ż e w g ran iczn y m p rzy p ad k u osiąg n ąć w a rto ść 1.

N a ry su n k ach 3-r6 z e sta w io n o k rzy w e je d n o stk o w e g o o p o ru p o d staw y o raz tarcia średniego n a p o b o c z n ic y w z ale żn o ści o d zag łę b ie n ia p a la m o d elo w eg o d la różn y ch składowych p io n o w y c h n a p rę ż e n ia p rzy w aru n k ach b rzeg o w y ch BC1 i B C 3. O p ó r jednostkow y p o d sta w y p a la m o b iliz o w a n y je s t przy n ie w ie lk ic h zag łę b ien iach , a n astęp n ie utrzymuje się n a zb liż o n y m p o z io m ie lub w zrasta, szczeg ó ln ie w b ad a n ia c h b ez m o żliw o ści odkształceń b o c z n y c h m a s y w u g ru n to w eg o . W p rz y p a d k u ta rc ia , w y so k ie p o czątk o w e wartości ta rc ia z w ią z a n e s ą z w p ły w em w ysokiego p o z io m u n a p rę ż e n ia w sąsied ztw ie podstawy pala. W m ia rę z a g łę b ia n ia p a la ta rc ie śred n ie stab ilizu je się, a n astęp n ie m aleje w badaniach z w a ru n k ie m BC1 lub lek k o ro śn ie w b ad an ia ch z w aru n k iem B C 3 . O d stęp stw a od tej zasady w y n ik a ją z n ieró w n o m ie rn e g o z a g ęszczen ia g ru n tu o raz zb y t m ałeg o w y p ełn ien ia w odą m em b ran y d o ln ej. P o d c z a s w y ciąg an ia p ali o b serw o w an o w y so k ie w arto ści tarcia m obilizow ane p rzy m a ły ch p rz e m ieszczen iach , a n astęp n ie je g o sz y b k ą degradację.

Pom ierzone m a k sy m aln e w a rto śc i ta rc ia średniego s ą nieco w ię k sz e p o d c z a s w cisk a n ia n iż przy w yciąganiu.

| 0,7 OO) V o 0.6 ao

I ” cC 0.4

f3_o.

%

200 300 400

zagłębienie [mm]

U '= 1 5 0 kPal

300 zagłębienie [mm]

Rys.2. Zmiana wartości współczynnika Km podczas wciskania i wyciągania pali modelowych Fig.2. Changes o f K m coefficient during pushing in and pulling out the model piles

M ak sy m aln e w arto ści ta rc ia średniego p rzy du ży ch p rz e m ie sz c z e n ia c h w fazie w cisk an ia Tmax w y korzystano do o k re śle n ia w sp ó łczy n n ik a ro zp o ru b o czn eg o n a p o b o czn ic y p a la K pai.

K max

(2)

gdzie:

8CV - kąt tarcia p o m ięd zy s ta lą a g ru n tem p rzy du ży ch p rze m ie sz c z e n ia c h p rzy jęty ja k o rów ny

2/3*<t»cv - k ą ta ta rc ia w ew n ętrzn eg o p iask u przy du ży ch p rzem ieszczen iach . N a p odstaw ie b adań w aparacie tró jo sio w eg o śc isk a n ia przy jęto , że <|)Cv w y n o si 3 2 ° .

zag łę b ie n ie [m m]

Rys.3. Opór podstawy pala przy stałej składowej poziomej naprężenia w okół masywu gruntowego Fig.3. Point resistance for constant norm al stress boundary condition

s‘v=70kPa

— s'v=100kPa - * - s ‘v=150kPa s‘v=200kPa

Rys.4. Tarcie średnie przy stałej składowej poziomej naprężenia w okół masywu gruntowego Fig.4. Lateral friction for constant normal stress boundary condition

s'v=50kPa s'v=70kPa

— s'v=100kPa -*-s'v=150kP a s'v=150kPa

— s'v=200kPa s'v=300kPa

z a g łę b ie n ie [m m ]

Rys.5. Opór podstawmy pala przy braku możliwości odkształceń bocznych w okół masywu gruntowego Fig.5. Point resistance for no volume changes boundary condition

za g łę b ie n ie [m m ]

Rys.6. Tarcie średnie przy braku możliwości odkształceń bocznych masywu gruntowego Fig.6. Lateral friction for no volume changes boundary condition

W b ad an ia ch p rzy stałej składow ej poziom ej n ap rężen ia w o k ó ł m asy w u gruntow ego (rys.7) w sp ó łczy n n ik K pai d la p a la o średnicy 20 m m je s t n iew iele w ięk szy o d w sp ó łczy n n ik a pa rc ia spoczynkow ego. W p rzy p ad k u p a la o średnicy 32,8 m m w sp ó łczy n n ik K pai osiąga n ajw ięk sze, zb liżo n e do je d n o ś c i w arto ści przy nisk ich n a p rę ż e n ia c h i m aleje ze w zrostem naprężenia.

a1,1 s 1

1 °'9

¡

o 0,7

c 0.6 0 0,5

1 - 0,4

' ' ' ' I w a ru n e k BC1 I

v A ---

/

■ Kpai 20mm

A Kpai32,8mm

---pal 20 mm

---pal 32,8 mmm ... ...-

...

100 150 200 250

składowa pionowa naprężenia [kPa]

Rys.7. W spółczynnik rozporu bocznego na pobocznicy pali dla warunku BC1 Fig.7. Lateral stress coefficient for piles for constant normal stress boundary condition

A n a liz a w y n ik ó w d o ty czą cy ch p ali 20 m m i 32,8 m m p rzy b rak u m o żliw o ści o d k ształceń bocznych w o k ó ł m asy w u (ry s.8,9) w ykazała, że istn ieje z b ież n o ść w arto ści w sp ó łczy n n ik ó w ro zp o ru d la m asy w u g ru n to w eg o (p atrz rys.2) i p o b o czn ic y p a la p rzy w y so k ich naprężeniach.

Przy niskiej składow ej pionow ej n ap rężen ia w k o m o rze w arto ści w sp ó łc z y n n ik a ro z p o ru na p o b o czn ic y p a la 20 m m s ą w y raźn ie m n iejsze n iż w sp ó łczy n n ik ro z p o ru b o czn eg o m asyw u gruntow ego. P rz e c iw n ą ten d en c ję zao b serw o w an o (rys.9) dla p a la o śred n icy 32,8 m m .

M aksym alne w arto ści jed n o stk o w e g o o p o ru p o d staw y p a la w w a ru n k ach BC1 zestaw io n o n a rys. 10. P rzy danym w aru n k u b rzeg o w y m zao b serw o w an o b rak istotnej ró żn icy p o m ięd zy

wynikami uzyskanym i d la p a li o ró ż n y c h średnicach. Istn ieje n ie w ie lk a ró ż n ic a w arto ści jednostkow ego o p o ru p o d sta w y d la danego p a la w ró żn y ch w a ru n k a c h b rzegow ych.

Świadczy to o n ie w ie lk im w p ły w ie w aru n k ó w b rzeg o w y ch n a w arto ści je d n o s tk o w e g o opo ru podstawy p ala m ie rz o n e w a n a lizo w an y m p ia s k u m odelow ym .

1 warunek BC31

O

O ?

b

■ *

___ ...

■ Kpala

— Km max

■ ■

0 50 100 160 200 250

składowa pionowa naprężenia [kPa]

Rys.8. Współczynnik rozporu bocznego dla masywu gruntowego i pobocznicy pala przy warunku BC3 Fig.8. Lateral stress coefficient for soil mass and pile for no volume changes boundary condition

składowa pionowa naprężenia [kPa]

Rys.9. W spółczynnik rozporu bocznego dla masywu gruntowego i pobocznicy pala przy warunku BC3 Fig.9. Lateral stress coefficient for soil mass and pile for no volume changes boundary condition

o p ó r je d n o s tk o w y p o d s ta w y p a ls [M Pa]

0 2 4 6 8 10 12 14

Rys. 10. Opór podstawy dla dwóch pali modelowych przy stałej składowej poziomej naprężenia Fig. 10. Point resistance for twn mndpl nil*« at constant normal stress condition

4. W nioski

B ad an ia p rze p ro w a d z o n e w k o m o rze kalibracyjnej p o z w a la ją na u w zg lęd n ie n ie w pływ u zarów no p o z io m u n ap rężen ia, ja k i w aru n k ó w brzeg o w y ch n a z a ch o w an ie się badanego gru n tu o raz in terak cji p o m ię d z y m o d elem a gruntem . B a d a n ia w y k azały istotny w pływ w aru n k ó w b rzeg o w y ch n a ta rc ie n a p o b o czn ic y p ali o raz ich z n ik o m y w p ły w n a jed n o stk o w y o p ó r p o d staw y p a li m o d elo w y ch . P lan o w an e d o d atk o w e b ad a n ia z z a sto so w an iem p a la o średnicy około 13 m m p o z w o lą n a w ery fik ację teg o sp o strzeżen ia. B a d a n ia w k om orze kalibracyjnej w y k azały isto tn y w p ły w p o z io m u n a p rę ż e n ia w g ru n cie n a intensyw ność zjaw isk a d y latan cji n a sty k u p a l-g ru n t o raz na zach o w an ie się sam ego o śro d k a gruntow ego.

W yniki u zy sk an e w p ia s k u L u b iato w o m o g ą być o d n iesio n e d o innych, czystych, d ro b n o ziarn isty ch , ró w n o m ie rn ie u z ia m io n y c h p iask ó w k w arco w y ch o o b to czo n y c h ziarnach.

L IT E R A T U R A

1. B ałach o w sk i L ., D e m b ic k i E. L a c o n stru ctio n d ’u n e ch am b re d ’étalonnage à l ’U n iv ersité T ech n iq u e de G dansk. C o m p tes-ren d u e s d u X II C o llo q u e F ran co -P o lo n ais de M écan iq u e d es S o ls e t d es R o ch es A p p liq u ée, P aris, lipiec 2000.

2. B ałach o w sk i L., D em b ick i E. U n e étude de p ieu x fo n cés d an s u n e c h am b re d ’étalonnage, JN G G 2 0 0 2 , N an cy , 8-9 p a ź d z ie rn ik 2002.

3. G h io n n a V .N ., Ja m io łk o w sk i M . A critical ap p raisal o f c a lib ra tio n ch am b er testing in sands, Proc. o f 1st Int. C onf. o n C alib ratio n C h am b er T estin g , C lark so n , pp. 13-39, 1991.

4. S alg ad o R. et al. C alib ratio n ch am b e r size effects on p en etratio n resistan ce in sand, Journal o f G eo tech n ical an d G eo en v iro n m en tal E ngineering, V ol. 124, N o .9, 1998.

5. W esley, L.D . In te rp re ta tio n o f calib ratio n ch am b e r tests in v o lv in g co n e pen etro m eters in sands, G éo tech n iq u e 52, N o. 4, 289-293.

R ecen zen t: P rof. d r hab. in ż. R y szard IZB IC K I

A b stra ct

A series o f m o d el tests o n in stru m en ted p iles p u sh ed into th e soil w as p erfo rm ed in the calib ratio n ch am b e r in d en se L ubiatow o sand fo r v ario u s stress levels an d boundary conditions. P o in t resistan ce and m o b iliz a tio n curves fo r lateral frictio n o n m o d el piles in c o m p ressio n and te n sio n are presen ted . T h e in flu en ce o f b o u n d ary co n d itio n s o n point resistan ce an d lateral frictio n w as analysed. A co n sid erab le in flu en ce o f lateral stress was observed fo r lateral frictio n . P o in t resistan ce w as only slig h tly in flu en ced by th e applied b oundary conditions.