Sławomir KWIECIEŃ*
Politechnika Śląska
STANOWISKO DO BADAŃ MODELOWYCH W BIJANYCH KOLUMN KAMIENNYCH
Streszczenie. W prezentow anym referacie przedstaw iono stanow isko do badań modelowych kolum n kam iennych, w zm acniających słabe podłoże gruntow e. Podjęto próbę ustalenia kształtu kolum ny, form ow anej w procesie w ym iany dynam icznej. Całość poprzedzono opisem samej m etody.
MODEL TEST STATION FOR DRIVEN STONE COLUMNS
Sum m ary. The paper presents m odel test station for stone colum ns strengthening soft soils. An attem pt has been m ade to determ ine shape o f colum n form ed in th e course o f dynamic replacem ent process. D escription o f the m ethod has been provided at first.
1. Wstęp
Wbijane kolum ny kam ienne stanow ią je d n ą z w ielu m etod w zm acniania słabego podłoża gruntowego [1], zbudow anego z gruntów spoistych i organicznych. T akie w zm acnianie powoduje nie tylko w zrost nośności podłoża, ale rów nież redukcję je g o osiadań oraz przyspiesza konsolidację słabego gruntu [2], [7].
Istniejące w spółcześnie inżynierskie m etody obliczeniow e w zakresie stanów granicznych: nośności i użytkowalności, odniesione zostały do kolum n w ykonyw anych metodą w ibroflotacji [3], W przypadku kolum n form ow anych z użyciem udarów o wysokiej energii szacow anie nośności podłoża i je g o osiadań tym i m etodam i m oże budzić jednak wątpliwości. P rzesłanki m o g ą w ynikać głów nie z odm ienności technologii form ow ania kolumn. P otw ierdzają to m.in. różnice osiadań obliczonych w g istniejących m etod i osiadań z próbnych obciążeń, zam ieszczone w pracy [5]. O w iele lepszą dokładność osiadań kolum n otrzymujemy dzięki analizie M ES [6], lecz i tu osiadania rzeczyw iste są m niejsze od osiadań
* Opiekun naukow y: D r hab. inż. Jerzy Sękow ski, prof. P olitechniki Śląskiej
220 S. Kwiecień
obliczonych. Stąd w niosek, że dla praw idłow ego określenia nośności i osiadań podłoża w zm ocnionego w bijanym i kolum nam i kam iennym i potrzebna je st dokładna znajomość param etrów w ytrzym ałościow o - odkształceniow ych zarów no kolum ny, ja k i słabego gruntu, oraz param etrów geom etrycznych form ow anych kolum n (wysokość kolum ny i jej średnica).
Przypom nijm y, iż w przypadku kolum n w ykonyw anych m etodą w ibroflotacji ich kształt przyjm ow any je s t ja k o cylindryczny - co dla kolum n w bijanych nie m usi być oczywiście praw dą. O ile w przypadku param etrów w ytrzym ałościow o - odkształceniow ych materiału kolum ny i otaczającego go gruntu m ożliw e je s t w celu ich określenia szersze zastosowanie badań niestandardow ych (dylatom etr, ścinarka obrotow a, sondy statyczne, próbne obciążenie), o tyle w przypadku geom etrii kolum ny trudno coś jednoznacznie stwierdzić bez przeprow adzenia odpow iednich badań (łącznie z odkryciem w ykonanych kolumn). Stąd pom ysł na podjęcie badań, ja k na razie w skali laboratoryjnej, których celem byłoby uchw ycenie kształtu kolum n, w ykonyw anych przy użyciu udarów . Ich wstępne wyniki zaw iera niniejszy referat.
Zaprezentow ano w nim stanow isko badaw cze zbudow ane z m yślą o wspomnianych badaniach, oraz w yniki badań nad kształtem kolum ny kam iennej, form owanej w procesie w ym iany dynam icznej. Całość poprzedzono opisem technologii w ykonyw ania wbijanych kolum n kam iennych.
2. Technologia kolumn kamiennych
D o w bijania m ateriału kam iennego w podłoże stosow ane je st urządzenie, umożliwiające sw obodny zrzut ubijaka o dużej masie z określonej w ysokości (rys. 1).
Jako pierw szy poprzez swobodny zrzut ubijaka w ykonyw any je s t krater, do którego w sypuje się grubookruchow y materiał, w następnej kolejności ubijany. U bijanie trwa dopóki m ateriał z zapełnionego krateru nie zostanie w prow adzony w grunt. Do ponownie pustego krateru w sypuje się m ateriał i sytuacja pow tarza się (rys. 2). K olum nę wykonuje się do m om entu osiągnięcia stropu w arstwy nośnej, co uw idacznia się w ystąpieniem wyraźnego oporu przeciw w bijaniu.
Do w ykonyw ania w bijanych kolum n kam iennych urządzeniem o nazw ie DYZAG [2]
używ any je s t ubijak o kształcie podobnym do beczki (rys. 1,2), w ykonany z zespolonych blach o znacznej grubości. M a on w ysokość 1,97 m, średnicę środkow ą 1,05 m, a średnice:
górna i dolna w ynoszą 0,9 m. C iężar o m asie 10,5 t zrzucany je s t z w ysokości do 15 m.
Rys.l. Urządzenie DYZAG wraz z ubijakiem [4]
Fig. 1. DYZAG facility including rammer [4]
Liczba uderzeń potrzebna do uform ow ania kolum ny w aha się w przedziale 7+15.
Średnica tak tw orzonych kolum n uzależniona je s t od podatności gruntu i m oże osiągnąć nawet 1,7 m (najm niejsza średnica 1,2 m). D ługość kolum ny ustala się na podstaw ie dokumentacji geologiczno - inżynierskiej oraz ja k o sum ę długości w bitych kraterów .
\ ubijak
podłoże nośne
podłoże nośne
Rys. 2. Proces formowania kolumny kamiennej ([4]) Fig. 2. Process of a stone column shaping ([4])
Do w ykonyw ania kolum n stosuje się m ateriał grubookruchow y o średnicy od 30 do 120 mm. O bok m ateriałów rodzim ych, w postaci np. tłucznia, coraz częściej stosow ane są różnorodne m ateriały odpadow e (np: przepalony łupek kopalniany, żużle w ielkopiecow e, kamień dołowy, gruz betonow y).
222 S. Kwiecień
3. Stanowisko badawcze
3.1. K onstrukcja stanowiska
Stanow isko do badań um ożliw ia zarówno w ykonanie wbijanej kolum ny kamiennej, jak przeprow adzenie jej próbnych obciążeń. N a je g o konstrukcję składają się (rys. 3): stalowe słupy „1” w postaci pary spawanych ceow ników oraz stalow y rygiel „2” (I 450) z m ożliw ością regulacji zaw ieszenia co 25 cm. Całość ustaw iona je s t na żelbetowej płycie stropow ej. Form ow anie kolum n odbyw a się w stalow ej rurze „3” o średnicy wewnętrznej 620 m m i grubości ścianki 20 mm. W ysokość cylindra w ynosi 915 mm.
Rys. 3. Stanowisko do badań modelowych Fig. 3. Model tests station
Do form ow ania kolum ny skonstruow ano stalow y ubijak „4” w kształcie beczki o w ym iarach dziesięciokrotnie m niejszych od ubijaka stosow anego w urządzeniu DYZAG.
Ubijak o m asie 10 kg podw ieszony je s t liną do rygla poprzez krążek stały.
3.2. M ateriały
D o badań m odelow ych dobrano m ateriały m odelujące: słab ą i n o śn ą w arstw ę w podłożu ulepszanym oraz m ateriał kolum ny kam iennej. W arstwę nośną stanow i piasek średni o w ilgotności naturalnej w „=0,15% i w skaźniku różnoziarnistości U=2,35. G runt słaby jest torfem o w ilgotności naturalnej wn= l 10% i zaw artości części organicznych Iom=100%.
Materiałem dla kolum n był natom iast rów noziam isty (U = l,9 1 ) ostrokraw ędzisty bazalt łamany o w ilgotności naturalnej w„=0,5%. W ielkość frakcji bazaltu 4-M2mm dobrano tak, aby była dziesięciokrotnie m niejsza od frakcji stosow anej w w arunkach rzeczyw istych.
Na rys. 4 przedstaw iono sposób ułożenia i m iąższości poszczególnych w arstw podłoża ulepszanego.
1 _ ...
i
przekładka z geow łókniny'
■ k
T
1
1 i 1
1
B
1N, \
_
N, OoCDil Oo
CM O
od O
CD
\M
oo
\ \
660
Rys. 4. Układ warstw w komorze badawczej Fig. 4. Lay-out o f layers in a test chamber
3.3. Program i w yniki badań
Badania w stępne obejm ow ały próbę uchw ycenia kształtu kolum n kam iennych formowanych z zachow aniem technologii przedstaw ionej w punkcie 2. Jako niezm ienne w badaniach przyjęto: rodzaj i stan gruntu nośnego oraz w ysokość zrzutu ubijaka (h = l m).
Również m ateriał kolum ny kam iennej pozostał jednakow y w e w szystkich badanych próbach.
Zmiennymi były natom iast: m iąższość i stan gruntu słabego oraz w arunki realizacji wzmocnienia. Jako pierw sze w ykonyw ane były kolum ny w luźno układanym w kom orze badawczej torfie o m iąższości: 20, 40 i 60 cm. Z uw agi na fakt, iż w praktyce kolum ny wykonywane są najczęściej z platform y roboczej (zw ykle w postaci w arstw y nasypu), umożliwiającej pracę ciężkiego sprzętu, w części badań zasym ulow ano takie w arunki poprzez obciążenie w arstw y torfu p ły tą żelbetow ą o grubości 5 cm i średnicy 59 cm z otw orem wewnętrznym o średnicy 23 cm. S am ą płytę, dającą nacisk jednostkow y q =1,1 kPa, przyłożono bezpośrednio przed w ykonaniem kolum ny. D odajm y tu jeszcze, że przyjm ow ane w poszczególnych badaniach m iąższości w arstw y słabej i m iąższość nasypu platform y (równoważna obciążeniu q) były w założeniu dziesięciokrotnie m niejsze od w artości rzeczywistych. W części badań m odelow ych grunt słaby skonsolidow ano wstępnie obciążeniem 6,5 kPa, natom iast kolum nę w ykonano sym ulując w spom nianą platform ę.
224 S. Kwiecień
W szystkie z badanych kolum n bezpośrednio po uform ow aniu zalewane były zaczynem gipsow o - w odnym w stosunku 1/1, co znacznie ułatw iło ich inwentaryzację.
N a rys. 5a, b i c przedstaw iono kolum ny w ykonane w torfie luźnym o miąższości kolejno:
20, 40 i 60 cm. W przypadku tych kolum n (brak obciążenia płytą) napotkano na problemy przy form ow aniu ich głowic. Po zrzuceniu ubijaka z pełnej wysokości (1 m) materiał głowicy kolum ny rozbijany był na boki, przez co uzyskiw ana była w iększa średnica niż w pozostałej części kolum ny, a w m iejscu uderzenia pow stawał lej. D odatkow o zaobserwowano też podnoszenie się otaczającego kolum nę torfu. Stąd też po kilkakrotnym zrzuceniu ubijaka z pełnej w ysokości podczas form ow ania górnej części kolum ny jej głow ica ubijana była już z m niejszej w ysokości (ok.10 cm ). W sytuacji tej obok w spom nianego podnoszenia się gruntu oraz rozbijania głow ic kolum n w idoczne było rów nież słabsze jej zagęszczenie w tej strefie.
D odajm y tu, że zjaw isko takie je s t też obserw ow ane w praktyce, stąd też w podobnych sytuacjach najczęściej g órną część kolum ny usuw a się.
Rys. 5. Kolumny kamienne formowane w luźnym torfie: a) o miąższości 20 cm, b) o miąższości 40 cm, c) o miąższości 60 cm
Fig. 5. Stone columns formed in loose peat: a) of 20 cm depth, b) of 40 cm depth, c) o f 60 cm depth
W przypadku kolum n w ykonyw anych w zm iennych warunkach realizacji (tj. z płytą i bez) uzyskane kształty przedstaw iono na rys. 6. Jak w idać, w dolnych częściach kolumny otrzym ano podobne średnice, natom iast głow ice kolum n ró żn ią się zasadniczo. Wpływ obciążenia płytą przekłada się zarówno na zm niejszenie średnicy głowic, ja k również na bezproblem ow e je j w ykonanie na całej wysokości.
W części badań kolum nę form ow ano w torfie skonsolidow anym obciążeniem 6,5 kPa, zu ż y c ie m płyty żelbetow ej. W pływ podatności gruntu słabego na średnicę formowanych w nim kolum n przedstaw iono na rys.7.
c)
a)
... bez płyty z płytą
Rys. 6. Kolumny kamienne formowane w torfie o miąższości 40 cm: a) z płytą b) bez płyty, c) porównanie kształtu obydwu kolumn
Fig. 6. Stone columns formed in the peat o f 40 cm depth: a) with plate, b) without plate, c) comparison o f both columns shape
... to rf skonsolidowany to rf nieskonsolidowany
Rys. 7. Kolumny kamienne formowane w torfie o miąższości 40 cm: a) bez konsolidacji i z płytą b) z konsolidacją i z płytą c) porównanie kształtu obydwu kolumn
Fig. 7. Stone columns formed in the peat of 40cm depth: a) without consolidation and with plate, b) with consolidation and plate, c) comparison o f both columns shape
4. Uwagi końcowe
W prezentow anym referacie podjęto próbę uchw ycenia kształtu w bijanych kolum n kamiennych. Z przeprow adzonych dotychczas badań w ynika, że s ą one zróżnicow ane.
Kształty te zależą m .in. od w arunków , w ja k ich w ykonyw ane były kolum ny. W przypadku torfów nieskonsolidow anych uform ow ane kolum ny m iały znaczne średnice, będące ok. 2,5 - do 3-krotnie w iększe od średnicy ubijaka (10,5 cm). N atom iast dla podłoża uprzednio
226 S . Kwiecień
skonsolidow anego obciążeniem 6,5 kPa średnice te były w yraźnie m niejsze i wynosiły ok. 20 cm. R ów nie istotny w pływ na kształt kolum n m iało obciążenie płytą (symulacja platform y roboczej). W dodatku zdecydow anie ułatw iło ono wykonanie kolumn, w szczególności ich głowic.
D la w szystkich przedstaw ionych w pracy w arunków realizacji w ykonane kolumny nic m iały jednorodnego cylindrycznego przekroju na całej w ysokości. Charakterystyczne byty tutaj: dół kolum ny przypom inający kształtem półksiężyc, część środkow a o kształcie „cebuli naprężeń”, a także je j głow ica - poszerzona lub też nie w zględem średnicy w części środkow ej kolum ny (w zależności od obciążenia górnego).
W dalszej części badań laboratoryjnych autor zam ierza w ykonać próbne obciążenia zarów no form ow anej kolum ny w kom orze badaw czej, ja k i grupy kolum n wykonanych w skrzyni o w iększych w ym iarach. Ich uzupełnieniem pow inny być badania kolumn realizow anych w skali rzeczywistej.
LITER A TU R A
1. G ryczm ański M .: W spółczesne kierunki rozw oju geotechniki w Polsce. Inżynieria i Budow nictw o, 8, 1994, 339-347.
2. G ryczm ański M.: W zm acnianie podłoża w bijanym i kolum nam i kam iennym i. Przegląd dośw iadczeń śląskich. Inżynieria i B udow nictw o, 3, 2003, 123-126.
3. G ryczm ański M.: M etody analizy nośności i osiadania podłoża wzmocnionego kolum nam i kam iennym i. Inżynieria M orska i G eotechnika, 5, 1993, 224-231.
4. G ryczm ański M ., Sękow ski J., K w iecień S.: U lepszanie podłoża gruntow ego wbijanymi kolum nam i kam iennym i. Przegląd Budow lany, 2, 2005, 34-37.
5. K w iecień S.: A naliza porów naw cza obliczonych i pom ierzonych osiadań kolumn kam iennych w zm acniających słabe podłoże gruntow e. V K onferencja Naukowa D oktorantów W ydziałów B udow nictw a, W isła 2004, z. 102,273-282.
6. Sękow ski J., K w iecień S.: A naliza num eryczna w pływ u param etrów m odelu Coulomba- M ohra na osiadania podłoża w zm ocnionego kolum nam i kam iennym i. XXVIII Zimowa Szkoła M echaniki G órotworu i Geoinżynierii, Szklarska Poręba 2005, 333-340.
7. Steckiew icz R., Szypcio Z.: N ośność graniczna kolum n kam iennych. Inżynieria Morska i G eotechnika, 3, 1996, 241-243.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zenon Szypcio
