Badania nośności pali w ekspansywnych iłach trzeciorzędowych

ZESZYTY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: BU DOW NICTW O z. 97

2003 N r kol. 1573

Maciej Kordian KU M OR , K rzysztof SZPAKOW SKI Akademia Techniczno-R olnicza, Bydgoszcz

BADANIA NOŚNOŚCI PALI W EKSPANSYWNYCH IŁACH TRZECIORZĘDOWYCH

Streszczenie. W referacie przedstaw iono poligon badawczy nośności pali form owanych w ekspansywnych iłach trzeciorzędow ych. N a zaprojektow anym w Katedrze Geotechniki poligonie m ożliw e je s t oddzielne oznaczenie nośności pobocznicy, podstaw y i całkowitej nośności pala. A nalizow ane s ą m iędzy innymi nośności pali w różnym stanie wilgotnościowym iłów podłoża: podłoże naturalne — iły „suche” oraz podłoże w stępnie zalane wodą, „iły spęczniałe” . W ykonano próbne obciążenia dla każdego przypadku badanych pali.

V przypadku spęczniałych ekspansyw nych iłów, rzeczyw ista nośność całkow ita i nośność pobocznicy je st niższa o co najm niej 40% od nośności pali obliczonej w g Polskiej Normy.

FIELD TESTS OF THE B EA R IN G CAPA CITY OF B O R ED PILES INTO EXPANSIVE TER TIA RY CLAYS

Summary. The paper presents a test site for the bearing capacity o f in-situ cast piles in expansive Tertiary clays. The investigations have enabled to determ ine separately the bearing capacity o f piles shaft and base. The piles bearing capacity due to the influence o f w ater content in the clays w as determ ined too.

1. Wstęp

Dotychczasowe wyniki nośności uzyskiw ane z próbnych obciążeń pali form ow anych w jednorodnym podłożu ekspansyw nym , określające w artości rzeczyw iste, ró żn ią się zasadniczo od nośności pali obliczonej zgodnie z zapisam i polskich norm [4]. Fakt ten szczególnie uw idocznił się w analizowanych przypadkach przeszacow ania nośności fundamentów palow ych podpór m ostów w iłach ekspansywnych serii poznańskiej w Bydgoszczy i Poznaniu. N ajw iększe spadki nośności, ja k ustalono, dotyczyły przede wszystkim pobocznicy pala. Jednocześnie wyniki prowadzonych od kilku lat [2], badań w skali laboratoryjnej w K atedrze Geotechniki, symulujące w arunki w spółpracy betonowej pobocznicy pala z iłem ekspansyw nym wykazały, że w ytrzym ałość na ścinanie strefy

244 Maciej K ordian Kum or. K rzysztof Sznakowski

kontaktowej ił ekspansyw ny-beton, je st zdecydowanie niższa w iłach po spęcznieniu i zależy w dużym stopniu od w ilgotności nie tylko betonu. Uzyskane z badań dane odbiegają również od analogicznych w artości liczbowych oporu pobocznicy zalecanych w Normie [5] w podobnych stanach w ilgotnościow ych iłu. Szczególnie różnice spadku nośności dotyczyły analizowanych praktycznych przypadków, gdy w podłożu zalegał praw ie jednolity masyw ilasty, z niezauw ażalnym i przew arstw ieniam i pyłów, o lekko napiętym zwierciadle wody gruntowej lub sączące w odę wkładki piaszczyste. W próbnych obciążeniach uzyskiwano zw ykle nośność n iższą niż projektowana, nawet o 40%. Jedną z przyczyn powstających rozbieżności je st stw ierdzenie, że założenia [5] o stałej w artości oporu pobocznicy pala poniżej 5 m p.p.t. ( a n = 100 kPa) nie je st w rzeczyw istości spełnione. Fakt ten podkreśla Gw izdała [1] wprow adzając współczynnik £, w funkcję tr = 4*troax-

U zasadnione staje się zatem poszukiwanie ścisłych danych do określenia relacji wytrzym ałości pobocznicy betonowego pala w zależności od różnych warunków w ilgotnościowych, jakie m ogą wystąpić podczas w ykonawstwa pali w iłach ekspansywnych.

N aw et niewielki w zrost w ilgotności iłów ekspansywnych, zwykle będących w stanie półzwartym lub co najwyżej twardoplastycznym , pociąga za so b ą zaw sze obniżenie wartości liczbowej param etrów geotechnicznych iłu i osłabia wytrzym ałość kontaktow ą ił-beton.

W edług badań Katedry Geotechniki, po zalaniu w odą trzeciorzędow ego iłu ekspansywnego, w pierwszej godzinie następuje dynam icznie największy w zrost w ilgotności i jednoczesny spadek wartości w ytrzym ałości spęczniałego iłu, osiągający 50% i więcej.

W celu poznania zależności kształtow ania się w ytrzym ałości na ścinanie strefy kontaktowej ił ekspansywny-beton pod wpływem zm ian wilgotności uznano, że odpowiedni będzie test przeprow adzony w warunkach poligonowych na rzeczywistych palach form owanych w odpow iednio dobranym, pod w zględem geotechnicznym , podłożu ilastym.

2. Opis poligonu doświadczalnego i przeprowadzone badania

Badania zm ian nośności rzeczyw istych pali w iłach ekspansywnych najkorzystniej przeprow adzić je st na poligonie. W procesie projektowania i w ykonaw stw a fundamentów palowych, a także w badaniu poligonow ym należy uw zględnić co najmniej trzy zagadnienia:

• praw idłow e rozpoznanie geotechniczne i w łaściw ą interpretację badań z miarodajnym określeniem param etrów geotechnicznych podłoża,

• w łaściw e określenie nośności i zagłębienia pali w podłożu gruntowym,

RaHania nośności pali w ekspansyw nych iłach trzeciorzędow ych 245

• prawidłowe w ykonaw stw o w edług obranej technologii, przy uw zględnieniu wszystkich uw arunkow ań technologicznych i naturalnych w terenie.

W przypadku badania nośności pali w iłach ekspansyw nych niezbędne je st uwzględnienie przede w szystkim , w każdym z tych etapów, specyficznej w rażliw ości iłu na zmiany zawilgocenia. Prow adząc badania należy mieć stałą św iadom ość skutków zjawisk nawilgocenia iłu i jego pęcznienia, które m o g ą w ystąpić z przyczyn nie tylko naturalnych, w podłożu podczas form ow ania i podczas pracy pali. Stąd program , jak i założono, dla poligonu badawczego uw zględniał następujące warunki:

- ekspansywny, naturalny typow y m asyw ilasty, „suchy” o jednorodnymi profilu geotechnicznym i m iąższości co najmniej 9,0 m, bez śladów w ystępow ania wody, - pełną m ożliw ość identyfikacji param etrów geotechnicznych podłoża i strefy wokół

pala, zarówno m etodam i polow ym i i laboratoryjnymi,

- obserwację i sterow aną zm ianę w ilgotności m asyw u iłu w strefie oddziaływ ania pala, - realizacje próbnych obciążeń pali przez co najmniej 4 lata.

2.1. Lokalizacja i w łaściw ości geotechniczne iłów podłoża

Poligon dośw iadczalny do badań nośności pali spełniający pow yższe warunki, zlokalizowano na terenie A kadem ii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy. Teren poligonu znajduje się na średnim tarasie nadzalew ow ym rzeki W isły w rejonie płytkiego, poziom ego występowania stropu iłu. W łaściw ości geotechniczne iłów trzeciorzędow ych obszaru poligonu są bardzo dobrze rozpoznane z badań reperow ych punktu zlokalizow anego w pobliżu. Dodatkow o na terenie poligonu wykonano badania identyfikacyjne obejm ujące między innymi sondow ania C PT i badania dylatom etryczne D M T, w strefie oddziaływ ania i poza strefą w pływ u pali. Poniżej przedstaw iono charakterystyczny przekrój geotechniczny podłoża i wybrane w yniki badań polow ych CPT. W tablicy 1 zestawiono niektóre właściwości badanego iłu z podłoża poligonu. N a podstaw ie otrzym anych wyników wilgotności naturalnej m ożna stw ierdzić, że iły podłoża m ają konsystencję zwartą, a stan nie gorszy niż tw ardoplastyczny (IL< 0,07). B ędą wykazywały w praktyce praw ie wyłącznie fazę pęcznienia, a ich skurcz je s t m ało praw dopodobny. W oda gruntow a naturalnie nie występowała w badanym podłożu do głębokości co najmniej 9,0 m p.p.t. N a uwagę zasługują otrzymane wysokie w artości w skaźników ekspansywności, tj: ep - w skaźnika pęcznienia, Wf - wilgotności pęcznienia i czasu pęcznienia, wskazujące na bardzo w ysoką w rażliwość iłów podłoża na działanie w ody przy stosunkowo krótkim czasie kontaktu szkieletu mineralnego z wodą.

246 Maciej K ordian Kumor. K rzysztof Szpakowski

Tablica 1 W ybrane w łaściw ości geotechniczne iłów ekspansywnych podłoża poligonu P aram etr

geotechniczny

w„ w s w p wL

IP II

nie [h]

r % i

m

Wartość średnia - x 26,34 11,29 28,56 87,9 61,5 -0,02 5 38 59 27,6 45,7 84 Wartość - xmin 20,53 9,65 21,77 71,8 49,7 -0,1 ^{3 35 54} 22,2 40,1 71 Wartość - xmax 35,93 14,8 38,23 106,8 75,9 0,07 7 40 62 33,0 52,2 96

Liczba próbek - N 137 8 30 24 24 24 5 5 5 12 12 12

W artości param etrów podłoża poligonu są typowe dla bardzo ekspansywnych iłów z rejonu Bydgoszczy, o ekstrem alnie wysokim pęcznieniu [4],

2.2. Poligon doświadczalny

Poligon dośw iadczalny zaprojektow ano do badania reprezentatyw nych typów warunków, przy czym każdy z w ykonanych pali charakteryzował inne założone warunki. Przyjęto następujące w arunki geotechniczne w spółpracy pala z ekspansywnym podłożem ilastym:

- pal nr 1 - współpracujący z podłożem tylko pobocznicą w warunkach iłu spęczniałego, p o w stępnym sztucznym nawodnieniu,

- pal nr 2 - w spółpracujący z podłożem tylko pobocznicą w w arunkach iłu naturalnego w złożu, „suchego” ,

pal nr 3 - w spółpracujący z iłami pobocznicą i podstaw ą w otw orze „suchym”, - pal nr 4 - w spółpracujący z iłami pobocznicą i podstaw ą w otw orze w warunkach iłu

spęczniałego, p o nawodnieniu.

Schem atyczne rozm ieszczenie pali i punkty badaw cze na poligonie przedstawiono na

Rys. 1. Szkic sytuacyjny poligonu doświadczalnego Katedry Geotechniki ATR ul. Kaliskiego 7 w Bydgoszczy

Fig. 1. Bydgoszcz test site - situation

Przyjęte założenia badaw cze dla pali w w ym ienionych różnych warunkach geotechnicznych pozw alają na przeprow adzenie pełnych badań nośności pali w kombinacjach obejm ujących określenie nośności pali w naturalnych warunkach oraz w ilastym podłożu nawadnianym sztucznie. Jednocześnie po zastosow aniu odpowiedniego pakera gumowego i

Badania nośności pali w ekspansyw nych iłach trzeciorzędow ych 247

wytworzeniu kieszeni pow ietrznej pod podstaw ą pala, uzyskano rozdział na nośność pobocznicy, podstawy pala oraz nośność całkow itą pala, rys. 2.

Rys. 2. Schemat pali: a — pale współpracujące z iłem tylko pobocznicą (1,2) , b - pale współpracujące z iłem podłoża pobocznicą i podstawą (2, 3)

Fig. 2. Scheme o f piles: a-friction piles (shaft surface in clay only); b- bearing capacity: shaft and base surfaces o f piles together

2.3. Wykonane badania

Wiercenia otw orów palow ych przeprow adzono na sucho, w iertnicą H-2. Pale formowano w gruncie m etodą W olfsholza, długość całkow ita pala L = 8,0 m (w tym 6,0 m w iłach), średnica pali 0 = 256 m m , beton klasy B25, zbrojone na całej długości (4 0 1 4 mm), zabezpieczone ru rą o słonow ą na długości 2 m w strefie kontaktu pala z piaskam i, rys. 2. Pale współpracujące z iłam i ekspansywnym i tylko pobocznicą uform ow ano w sposób zapewniający brak kontaktu podstaw y pala z podłożem , (zastosow ano odpowiedni gumowy paker - elastyczny kołnierz zabezpieczający).

Przed uform ow aniem pali nr 1 i 4, tj. współpracujących pobocznicą z iłem spęczniałym, przygotowane otwory w iertnicze (z pakerem i bez pakera) zalano w o d ą na 15 godzin. Po tym czasie stwierdzono, że iły ekspansyw ne w zalanym otw orze spęczniały i zam knęły światło otworu tworząc tiksotropow y korek na długości kontaktu iłu z wodą. Przed betonowaniem pali wodę odpom pow ano i w yszlam ow ano otwory z zaw iesiny iłu do założonej średnicy pala.

Pobrano próbki gruntu oraz betonu do analiz wytrzymałościowych.

Pale uform owano zgodnie z założonym program em i zazbrojono. Po upływie 30 dni od zabetonowania w szystkie pale poddano badaniu nośności poprzez próbne obciążenie.

Jednocześnie wykonano badania rozkładu w ilgotności iłów w strefie bezpośredniej wokół poszczególnych pali oraz w strefie poza oddziaływaniem pali. D odatkow o przeprow adzono w otoczeniu pali badania iłów za p om ocą CPT i D M T łącznie z innym i badaniam i, rys. 3.

248 Maciej Kordian Kumor. K rzysztof Szpakowski

Rys. 3. Przykładowe rozkłady wilgotności oraz granic konsystencji iłów ekspansywnych Fig. 3. Soil water content and

profiles of consistency limits from the Bydgoszcz test site

3. Wyniki badań

3.1. Sondowanie CPT i DM T

W celu dokładnej identyfikacji i analizy zm ian kształtujących w łaściw ości geotechniczne iłów podłoża oraz w celu określenia niezbędnej wartości liczbow ej, m iędzy innymi współczynnika Ko i w ytrzym ałości na ścinanie, wykonano sondow ania CPT i DM T, rys. 4.

a b c d

Rys. 4. Wyniki badania CPT i DMT na poligonie iłów ekspansywnych w Bydgoszczy Fig. 4. Typical results o f CPT and DMT profile, Bydgoszcz test site of expansive clays

Rezultaty tych badań poddano łącznej interpretacji z uw zględnieniem w analizie wyników szerokich laboratoryjnych badań wytrzymałości na bezpośrednie ścinanie strefy kontaktowej ił ekspansywny - beton pala [2], Uzyskano z sondow ania C PT wyraźny spadek wytrzymałości na ścinanie w strefie iłu objętego wpływem oddziaływ ania pala

Badania nośności pali w ekspansyw nych iłach trzeciorzędow ych 249

uformowanego w w arunkach, gdy ił został w stępnie naw odniony i spęczniał pod wpływem działania wody, rys. 4c. Spadek ten odniesiono do w ytrzym ałości na ścinanie iłu w strefie tam gdzie nie doszło do spęcznienia iłów podłoża. P otw ierdzają ten fakt także inne wyniki, które uzyskano w badaniach laboratoryjnych wytrzymałości bezpośredniej i z interpretacji nośności otrzymywanych w próbnych obciążeniach, zaw sze dla przypadków gdy dochodziło do nawodnienia i pęcznienia iłów w strefie kontaktowej z betonem pala.

3.2. Nośność pobocznicy pali

Badanie nośności w szystkich w ykonanych pali przeprow adzono m etodą próbnych obciążeń zgodnie z zaleceniam i Polskiej N orm y [5], K ońcow e w yniki polow ych badań nośności pobocznicy pali przedstaw iono na rysunku 5.

Rys. 5. Przykładow e w yniki próbnego obciążenia pala Fig. 5. Exem plary pile trial loading

Otrzymane w yniki nośności pali badanych w założonych różnych warunkach geotechnicznych odniesione do w yliczonych nośności zgodnie z zaleceniam i N orm y [5], wykazują istotne zm niejszenie nośności zarówno w części nośności pobocznicy, podstawy jak i nośności całkow itej. O bniżenie poszczególnych składowych nośności pala w spęczniałym podłożu ekspansyw nym w ynosi od około ANp = 18% dla podstaw y, ANs = 40% dla pobocznicy i ANt = 34% nośności całkowitej, w stosunku w yliczonych dla warunków początkowych niespęczniałego iłu.

250 Maciej K ordian Kumor. K rzysztof Szpakowski

4. Wnioski podsumowujące

Poligon dośw iadczalny badania nośności pali betonowych form ow anych w gruncie, w spółpracujących z ekspansyw nym iłem trzeciorzędowym spełnił założenia i umożliwi!

bezpośrednie poznanie zm ian - utraty - nośności pali, w w arunkach gdy iły pobocznicy pala lub podstawy u legną rozm oczeniu i spęcznieniu w trakcie robót fundamentowych. Zalewanie w odą gruntów w głębionym otworze nie zaw sze daje się w yelim inować w warunkach rzeczywistych. Jak w ykazały wyniki przeprowadzonych badań poligonow ych, projektanci powinni przewidywać obniżenie nośności całkowitej pala o około 40% , w przypadkach gdy istnieją przesłanki geotechniczne i je st obaw a naw et o przypadkow e nawilgocenie iłu w zdłuż pobocznicy w trakcie wykonawstwa. W ykonawcy pali pow inni zwracać szczególną uwagę w iłach ekspansyw nych n a każdy naw et najm niejszy dopływu wody do iłów w rejonie pobocznicy pala i w tym zakresie ściśle w spółpracować z projektantem i geotechnikiem.

LITERATURA

1. G w izdała K.: A naliza osiadań pali przy wykorzystaniu funkcji transformacyjnych.

Budownictwo W odne nr 41. Zeszyty N aukow e Politechniki G dańskiej. G dańsk 1996.

2. K um or M. K., Szpakow ski K.: W ytrzymałość na ścinanie strefy kontaktowej il ekspansywny - beton, XII KKM GiF, Szczecin 1999.

3. Kum or M.: G eotechniczna charakterystyka iłów trzeciorzędow ych serii poznańskiej podłoża budow lanego Bydgoszczy. M ateriały seminaryjne K ILiW PAN, Bydgoszcz 1994.

4. K um or M. K.: G eotechniczna ocena posadow ienia na palach podpór m ostu przez Wartę w Poznaniu w iłach ekspansywnych, m ateriały niepublikow ane. K atedra Geotechniki, Bydgoszcz - Politechnika Pozn., Poznań 2001.

5. PN-83/B-02482. Fundam enty budowlane. N ośność pali i fundam entów palowych.

Recenzent: Prof. zw. dr hab. inż. Bohdan ZADROGA

Abstract

The paper presents a test site for the bearing capacity o f in-situ cast piles in expansive Tertiary clays. The bearing capacity o f piles shaft and base as well as the total was analysed for various w ater contents in clay: natural subsoil — “dry” and flooded w ith water clay,

“swollen clay” . Trial loads were carried out. The decrease in individual components of pile bearing capacity in sw ollen expansive subsoil am ounts to from about ANp = 18% for the base, ANs = 40% for the shaft and ANt = 34% o f total bearing capacity as against the values calculated according to Polish standard (PN) for non-sw ollen clay.

Pracę zrealizow ano w ram ach Grantu KBN nr 5T07E 05122 i przy w spółpracy z firmą H IN O , Bydgoszcz.