ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Σπουδαστές: Γεωργιλάς Αναστάσιος, Ραπτόπουλος Συμεών. Επιβλέπων: Γραβαλάς Φώτιος. Ακαδημαϊκό έτος: ΑΤΕΙΘ-ΣΤΕΦ

Transcript

1 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστές: Γεωργιλάς Αναστάσιος, Ραπτόπουλος Συμεών Επιβλέπων: Γραβαλάς Φώτιος Ακαδημαϊκό έτος: ΑΤΕΙΘ-ΣΤΕΦ Τμήμα: Πολιτικών Έργων Υποδομής

2 ΘΕΜΕΛΙΩΣΕΙΣ ΜΕ ΠΑΣΣΑΛΟΥΣ ΜΕΜΟΝΩΜΕΝΑ ΠΕΔΙΛΑ ii

3 Περίληψη Η έντονη οικονομική, τεχνολογική και κοινωνική ανάπτυξη που παρατηρείται στις μέρες μας σε συνδυασμό με τη ραγδαία αύξηση του πληθυσμού και τη συγκέντρωση του στα μεγάλα αστικά κέντρα έχουν ως άμεσο αποτέλεσμα την σταδιακή άνοδο της οικοδομικής και κατασκευαστικής δραστηριότητας. Το γεγονός αυτό καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα τη μελέτη των επιμέρους στοιχείων που απαρτίζουν μια κατασκευή, μέρος της οποίας αποτελούν και τα στοιχεία θεμελίωσης της στο έδαφος. Ως γνωστό η θεμελίωση αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία εδράζεται ένα κτίριο ή μια κατασκευή και συνιστά ένα από τα βασικότερα μέρη του φέροντα οργανισμού ενός δομικού έργου διότι μ αυτήν επιτυγχάνεται αφενός η ασφαλής και ομοιόμορφη στήριξη του στο έδαφος και αφετέρου η εξασφάλιση του από οριζόντια φορτία (σεισμός, ανεμοπίεση), καθώς και από αναμενόμενες ή απρόβλεπτες εδαφικές παραμορφώσεις (καθιζήσεις). Για τους παραπάνω λόγους, επιβάλλεται να σχεδιάζεται και να υπολογίζεται κατάλληλα, ώστε να είναι σε θέση να διανέμει ομοιόμορφα τα φορτία που παραλαμβάνει πάνω σε μια επαρκή οριζόντια επιφάνεια εδάφους προκειμένου να επιτυγχάνεται η ασφάλεια και η λειτουργικότητα των κατασκευών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη δύο εκ των βασικών τύπων θεμελίωσης που εφαρμόζονται στις μέρες μας και συγκεκριμένα των μεμονωμένων πεδίλων, που ανήκουν στην κατηγορία των επιφανειακών θεμελιώσεων και των πασσάλων θεμελίωσης, που ανήκουν στην κατηγορία των βαθιών θεμελιώσεων. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται διάφορα στοιχεία που αφορούν τη μορφολογία των εν λόγω κατασκευαστικών διατάξεων, την πορεία επίλυσης τους και τον υπολογισμό των απαιτούμενων διατομών τους, την οικονομοτεχνική τους ανάλυση, τα πλεονεκτήματα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν, αναλύονται κάποιες περιπτώσεις εφαρμογής τους, ενώ επιλύονται και κάποια παραδείγματα εφαρμογής τους. i

4 Περιεχόμενα Περίληψη i 1 Εισαγωγή 1 2 Γενικά στοιχεία θεμελιώσεων Ορισμός και ρόλος των θεμελιώσεων Λειτουργία των θεμελιώσεων Μορφολογία και κατηγορίες θεμελιώσεων Στάδια μελέτης των θεμελιώσεων Επιφανειακές θεμελιώσεις Μεμονωμένα πέδιλα Γενικά στοιχεία επιφανειακών θεμελιώσεων Εισαγωγικά στοιχεία και ορισμοί Βάθος θεμελίωσης Στάδια υπολογισμού επιφανειακών θεμελιώσεων Μορφές αστοχίας επιφανειακών θεμελιώσεων Μεμονωμένα πέδιλα Εισαγωγικά στοιχεία Μορφολογία πεδίλων Προϋποθέσεις θεμελίωσης με τη χρήση μεμονωμένων πεδίλων Κατασκευαστικές διατάξεις μεμονωμένων πεδίλων Επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού μεμονωμένων πεδίλων Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα μεμονωμένων πεδίλων Μέθοδοι ενίσχυσης μεμονωμένων πεδίλων Παραδείγματα Βαθιές θεμελιώσεις Πάσσαλοι θεμελίωσης Γενικά στοιχεία βαθιών θεμελιώσεων Πάσσαλοι θεμελίωσης Εισαγωγικά στοιχεία Κατηγορίες πασσάλων Μέθοδοι και μηχανήματα τοποθέτησης των πασσάλων Θέση μηχανημάτων πασσαλώσεων και εκτέλεση των εργασιών ii

5 4.2.5 Επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού πασσάλων θεμελίωσης Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα θεμελίωσης με πασσάλους Ομάδες πασσάλων Αστοχίες πασσάλων Συνδυασμός επιφανειακής θεμελίωσης με πασσάλους Παραδείγματα Συμπεράσματα 79 Βιβλιογραφία 81 Παράρτημα 85 iii

6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η έντονη ανάπτυξη των αστικών περιοχών που παρατηρείται στη σημερινή εποχή σε συνδυασμό με τη ραγδαία αύξηση του πληθυσμού και τη μεταφορά του στα μεγάλα αστικά κέντρα, επιβάλλουν αναπόφευκτα την οικοδόμηση όλο και περισσότερων τεχνικών έργων, όπως κτίρια, γέφυρες, φράγματα, λιμάνια και άλλων ποικίλων κατασκευών. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι μόνο στις Η.Π.Α. κατασκευάζονται κάθε χρόνο νέες γέφυρες, ενώ στην Ασία, η κατασκευαστική δραστηριότητα ακολουθεί ρυθμό μοναδικό για την ιστορία της ανθρωπότητας. Τα παραπάνω σε συνδυασμό με το γεγονός ότι κάθε επιτυχής σχεδιασμός ενός τεχνικού έργου οφείλει να εγγυάται την ασφάλεια του υπό την επίδραση του μέγιστου επιβαλλόμενου φορτίου και συγχρόνως να διασφαλίζει την κατασκευή έναντι υπερβολικών μετακινήσεων, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν ακόμα και στην κατάρρευση της, καταδεικνύουν τη σπουδαιότητα που αποκτά η διενέργεια μιας σωστής και αξιόπιστης μελέτης των επιμέρους δομικών στοιχείων των κατασκευών, πολύ περισσότερο μάλλον της θεμελίωσης, η οποία αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία αυτές εδράζονται. Οι θεμελιώσεις συνιστούν αναπόσπαστο τμήμα των γεωτεχνικών κατασκευών, δηλ. κάθε τεχνικού έργου του οποίου η επίδραση στο περιβάλλον συναρτάται ουσιαστικά με τις ιδιότητες της γεωμάζας με την οποία βρίσκεται σε επαφή. Η γεωτεχνική κατασκευή κατά τεκμήριο συνδέεται εμπειρικώς με την υποδομή ενός τεχνικού έργου και αποτελεί αντικείμενο της Γεωτεχνικής Μηχανικής, του κλάδου εκείνου της επιστήμης του Πολιτικού Μηχανικού ο οποίος ασχολείται με το έδαφος, αλλά και το υπόγειο νερό, καθώς και με την επιρροή τους στον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία ενός τεχνικού έργου. Η παρούσα εργασία, λοιπόν, εντάσσεται στην ευρύτερη γνωστική περιοχή που αφορά τις γεωτεχνικές κατασκευές και ειδικότερα στη θεματολογία που αναφέρεται στην κατηγορία των θεμελιώσεων των κατασκευών. Αντικείμενο της αποτελεί η μελέτη δύο εκ των βασικών τύπων θεμελίωσης (μεμονωμένα πέδιλα και πάσσαλοι θεμελίωσης) που εφαρμόζονται στις μέρες μας, προκειμένου να επιτευχθεί η ασφαλής και ομοιόμορφη στήριξη των διαφόρων κατασκευών (κτίρια, γέφυρες, φράγματα κ.α.) και η μεταβίβαση των φορτίων της ανωδομής 1

7 στο έδαφος, το οποίο λειτουργεί ως φέρον μέσο. Απαρτίζεται από πέντε επιμέρους κεφάλαια, τα οποία περιλαμβάνουν τα εξής: Στο 1ο κεφάλαιο, το οποίο συνιστά και το εισαγωγικό κείμενο, αφού πραγματοποιηθεί μία αρχική εισήγηση στο ζήτημα των θεμελιώσεων των κατασκευών και στην ανάδειξη τους ως σημαντικό παράγοντα επιτυχούς σχεδιασμού των τελευταίων, παρουσιάζονται συνοπτικά οι στόχοι της παρούσας εργασίας. Στο 2ο κεφάλαιο παραθέτονται κάποια γενικά στοιχεία όσον αφορά τις θεμελιώσεις, τα οποία σχετίζονται με τη μορφολογία τους, το ρόλο τους στις κατασκευές, τη λειτουργία τους, τις επιμέρους κατηγορίες στις οποίες διαχωρίζονται και τέλος στα στάδια μελέτης τους, τα οποία ακολουθούνται ρητά ανεξάρτητα από το είδος της θεμελίωσης που εφαρμόζεται και αποτελούν τη βάση του ολοκληρωμένου σχεδιασμού τους. Στο 3ο κεφάλαιο, αφού παρουσιαστούν ορισμένα βασικά στοιχειά όσον αφορά τις επιφανειακές (αβαθείς) θεμελιώσεις, επιχειρείται η περιγραφή και η ανάλυση των μεμονωμένων πεδίλων, παραθέτοντας στοιχεία που αναφέρονται στη μορφολογία τους, τις κατασκευαστικές τους διατάξεις, το σχεδιασμό τους, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν σε σχέση με τα υπόλοιπα είδη θεμελίωσης, καθώς και τις μεθόδους ενίσχυσης τους. Τέλος, επιλύονται κάποια παραδείγματα σύμφωνα με τα οποία μελετάται η συμπεριφορά των μεμονωμένων πεδίλων για διάφορες περιπτώσεις. Στο 4ο κεφάλαιο, αφού παρουσιαστούν ορισμένα βασικά στοιχειά όσον αφορά τις βαθιές θεμελιώσεις, επιχειρείται η περιγραφή και η ανάλυση των πασσάλων θεμελίωσης. Παραθέτονται στοιχεία που αναφέρονται στη μορφολογία τους, τις κατηγορίες στις οποίες κατατάσσονται, τις μεθόδους και τα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση τους, το σχεδιασμό τους, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν, καθώς και για τους παράγοντες εκείνους που συντελούν στην κατασκευαστική τους αστοχία. Επίσης, γίνεται αναφορά σε ένα σύστημα που συνδυάζει επιφανειακές θεμελιώσεις με πασσάλους, ενώ τέλος επιλύονται κάποια παραδείγματα σύμφωνα με τα οποία μελετάται η συμπεριφορά των πασσάλων για διάφορες περιπτώσεις. Στο 5 ο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί το καταληκτικό τμήμα της παρούσας εργασίας, παραθέτονται διάφορα συμπεράσματα που εξάγονται από την περιγραφή των δύο προαναφερθέντων τύπων θεμελίωσης, ενώ αναλύονται και τα διάφορα κριτήρια επιλογής των εναλλακτικών τύπων θεμελίωσης, δίνοντας περισσότερο έμφαση στα οικονομοτεχνικά. 2

8 Κεφάλαιο 2 Γενικά στοιχεία θεμελιώσεων 2.1 Ορισμός και ρόλος των θεμελιώσεων Τα κατακόρυφα φέροντα στοιχεία των ανωδομών (στύλοι, τοιχία) είναι δυνατό να μεταφέρουν σημαντικά φορτία, δεδομένης της μεγάλης αντοχής του υλικού κατασκευής τους (χάλυβας οπλισμένο σκυρόδεμα). Τα φορτία αυτά, εάν προσαχθούν απευθείας στο έδαφος, του οποίου η αντοχή είναι πολύ μικρότερη (δύο τρεις τάξεις μεγέθους), θεωρείται βέβαιο ότι θα δημιουργήσουν πολλά προβλήματα, όπως έντονες παραμορφώσεις του εδάφους και της κατασκευής, καθιζήσεις κ.α. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών, σε κάθε δομικό έργο σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ειδική ομάδα στοιχείων, η οποία χρησιμοποιείται για την ασφαλή μεταβίβαση των φορτίων της ανωδομής στο έδαφος. Το μέρος αυτός της κατασκευής καλείται θεμελίωση. Με τον όρο θεμελίωση εννοείται δηλαδή το υψομετρικώς χαμηλότερο σημείο μιας κατασκευής, το οποίο αποτελεί αφενός τη βάση πάνω στην οποία εδράζεται η κατασκευή και αφετέρου το τμήμα της κατασκευής που βρίσκεται σε άμεση επαφή με το έδαφος και μεταφέρει τα φορτία σε αυτό. Η θεμελίωση συνιστά την απαρχή των κατασκευαστικών εργασιών κάθε δομικού έργου, ενώ για την κατασκευή της απαιτούνται γνώσεις Τεχνικής Μηχανικής, Υδρομηχανικής και Τεχνικών Υλικών. Ειδική σημασία κατέχει ο κλάδος της Εδαφομηχανικής για την κατανόηση του θεωρητικού υπόβαθρου των έργων θεμελίωσης. Συγχρόνως, απαιτούνται γνώσεις και τεχνολογική εμπειρία από τις περιοχές των Μεταλλικών Κατασκευών, του Οπλισμένου Σκυροδέματος και των Ξύλινων Κατασκευών τόσο για την κατασκευή των θεμελιώσεων όσο και για τη μελέτη των επιδράσεων στην ανωδομή. Η κατοχή βασικών γνώσεων από τις υπόλοιπες περιοχές της επιστήμης του Πολιτικού Μηχανικού διευκολύνει τόσο τη διατύπωση των προβλημάτων όσο και την κατανόηση της έκτασης τους. Συμπερασματικά, βασικό ρόλο της θεμελίωσης αποτελεί η μεταφορά των φορτίων της ανωδομής στην γεωμάζα στην οποία εδράζεται και η οποία την περιβάλλει, κατά τέτοιον τρόπο ώστε να μη προκαλείται υπερφόρτιση τόσο στο έδαφος (με αποτέλεσμα υπερβολικές παραμορφώσεις) όσο και των δομικών στοιχείων του έργου. Για το λόγο αυτό, οι θεμελιώσεις απαιτούν σωστή μελέτη, δηλαδή ακριβή επιλογή κάθε είδους θεμελίωσης, και διατάξεων, 3

9 καθώς και ορθή κατασκευή, δηλαδή έντεχνη και λειτουργικά σωστή κατασκευαστική διαμόρφωση. 2.2 Λειτουργία των θεμελιώσεων Το έδαφος θεμελίωσης, η θεμελίωση και η ανωδομή αποτελούν ένα ενιαίο, αναπόσπαστο σύνολο. Όπως προαναφέρθηκε, τα φορτία της ανωδομής οδηγούνται στα θεμέλια, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρονται στο έδαφος θεμελίωσης. Η ισορροπία διατηρείται με τις αντιδράσεις που αναπτύσσει το έδαφος. Οι αντιδράσεις αυτές προκαλούν τάσεις από τις οποίες παραμορφώνεται το έδαφος, όπως και φέροντα στοιχεία της κατασκευής. Οι παραμορφώσεις στην αρχή είναι ελαστικές, καθώς όμως αυξάνεται η καταπόνηση γίνονται πλαστικές μέχρι τη θραύση. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υποχώρηση της επιφάνειας του εδάφους ή του θεμελίου (καθιζήσεις), η οποία αυξάνεται καθώς αυξάνονται οι τάσεις και φτάνει τη μέγιστη τιμής της κατά τη θραύση. Επειδή η αποφυγή του φαινομένου των καθιζήσεων δεν καθίσταται εφικτή, σκοπός της μελέτης και διαστασιολόγησης των θεμελιώσεων αποτελεί: ο περιορισμός των καθιζήσεων σε αποδεκτά για την ανωδομή όρια, η διατήρηση τους σε κατά το δυνατόν ίσες τιμές για όλα τα θεμέλια του έργου (αποφυγή διαφορικών καθιζήσεων), ο αποκλεισμός παραμορφώσεων θραύσης, όπως θραύση εδάφους. Προκειμένου μια θεμελίωση να χαρακτηριστεί ως κατασκευαστικά σωστή και λειτουργική, απαιτείται η εκπλήρωση των εξής προϋποθέσεων: α) να είναι ασφαλής έναντι πιθανής αστοχίας ή θραύσης του εδάφους πάνω στο οποίο εδράζεται, β) να μη δεχθεί υπερβολικές ή καταστροφικές δράσεις, γ) να σχεδιάζεται λαμβάνοντας υπόψη περιβαλλοντικούς (δράση παγετού και ανέμου, υπόγεια νερά, σεισμούς κ.α.) και άλλους παράγοντες (χαλαρά εδάφη, παρακείμενα κτίρια, εκσκαφές, ιδιοκτησίες κ.α.) και δ) να είναι οικονομικά εφικτή σε σχέση με τη λειτουργία και το κόστος της συνολικής κατασκευής. 2.3 Μορφολογία και κατηγορίες θεμελιώσεων Σε γενικές γραμμές, η θεμελίωση ενός δομικού έργου περιλαμβάνει: α) το έδαφος πάνω στο οποίο τοποθετείται η βάση της κατασκευής μέσω της οποίας πραγματοποιείται η κατανομή του φορτίου του φέροντος οργανισμού (μόνιμο φορτίο) καθώς και των φορτίων που ασκούνται στον φέροντα οργανισμό (ωφέλιμο φορτίο) και β) τη θεμελίωση από οπλισμένο σκυρόδεμα, μια και οι περισσότερες θεμελιώσεις κατασκευάζονται με το συγκεκριμένο υλικό διότι παρέχουν σχετικά χαμηλό κόστος, υψηλή αντοχή και αντίσταση στη διάβρωση του οπλισμού. Επιπρόσθετα, τις περισσότερες των περιπτώσεων απαρτίζεται συνήθως από πολλά στοιχεία (θεμέλια), τα οποία συνεργάζονται μεταξύ τους για την ασφαλή 4

10 αλλά ταυτόχρονα και οικονομική παραλαβή και μεταβίβαση των φορτίων της ανωδομής στο έδαφος. Ανάλογα με το είδος της κατασκευαστικής αρχής που επιλέγεται, η μορφή του φέροντος οργανισμού του έργου αλλά και τον τρόπο μεταφοράς των φορτίων στο έδαφος, τα διάφορα είδη θεμελιώσεων μπορούν να καταταχθούν σε δύο κατηγορίες: Α) Επιφανειακές θεμελιώσεις Β) Βαθιές θεμελιώσεις Αν το βάθος θεμελίωσης που καθορίζεται καταρχήν από τη λειτουργία του έργου αντιστοιχεί σε στρώμα με επαρκή φέρουσα ικανότητα, η θεμελίωση ονομάζεται αβαθής. Αν όμως οι εδαφικές συνθήκες δεν επιτρέπουν τη θεμελίωση στο βάθος αυτό, εξετάζονται στην αρχή κάποια μετρά βελτίωσης του εδάφους και εφόσον αποκλειστούν οδηγούμαστε σε θεμελίωση σε βάθος. Στην περίπτωση αυτή με την κατασκευή ειδικών στοιχείων θεμελίωσης, τα φορτία της ανωδομής μεταφέρονται σε βαθύτερες εδαφικές στρώσεις με επαρκές πάχος και φέρουσα ικανότητα. Συνεπώς, η διάκριση σε αβαθείς θεμελιώσεις και θεμελιώσεις σε βάθος δεν εξαρτάται από τη θέση της διεπιφάνειας έδρασης μεταξύ ανωδομής και θεμελίωσης, αλλά από τη θέση των στρώσεων με επαρκή φέρουσα ικανότητα. Τέλος, η σωστή επιλογή του κατάλληλου για κάθε περίπτωση είδους θεμελίωσης πρέπει να είναι αποτέλεσμα του ορθού συνδυασμού γνώσης, εμπειρίας και κατασκευαστικής διαίσθησης του μελετητή. Ένα αποτέλεσμα που θα οδηγεί σε λύσεις γρήγορες και οικονομικές και θα εξασφαλίζει στο έργο την απαραίτητη σταθερότητα και διάρκεια ζωής. 2.4 Στάδια μελέτης των θεμελιώσεων Η μελέτη μιας θεμελίωσης οποιουδήποτε τύπου πρέπει να εξασφαλίζει την κατασκευή από τον κίνδυνο ολικής αστοχίας του εδάφους θεμελίωσης, κάτι που επιτυγχάνεται με την αποφυγή υπέρβασης μίας επιτρεπόμενης τάσης θεμελίωσης και συγχρόνως να περιορίζει τις καθιζήσεις (ολικές και διαφορικές) σε επιτρεπτά όρια, ανάλογα του είδους της κατασκευής. Στα στάδια που πρέπει να ακολουθούνται κατά τη μελέτη μίας θεμελίωσης περιλαμβάνονται τα εξής: α) Σε μία κάτοψη των στοιχείων που πρόκειται να θεμελιωθούν, αναγράφονται τα φορτία (κατακόρυφα, οριζόντια, ροπές) που προέκυψαν από την ανάλυση της ανωδομής για διάφορες καταστάσεις φόρτισης. β) Αναλύονται τα στοιχεία που υπάρχουν για το έδαφος και προτείνεται μία εδαφική τομή σχεδιασμού από την οποία γίνεται μία πρώτη εκτίμηση των επιτρεπόμενων τάσεων θεμελίωσης για διάφορα βάθη. 5

11 γ) Με βάση τα χαρακτηριστικά των διαφόρων εδαφικών στρώσεων, τη στάθμη του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και διάφορες κατασκευαστικές και λειτουργικές απαιτήσεις του κτιρίου (π.χ. ύπαρξη υπογείου) καθορίζεται το ελάχιστο βάθος θεμελίωσης. Λαμβάνοντας υπόψη την επιτρεπόμενη τάση θεμελίωσης για το συγκεκριμένο βάθος, τα φορτία της ανωδομής και διάφορα κατασκευαστικά προβλήματα (π.χ. θεμελίωση κάτω από τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα) επιλέγεται ο τύπος της επιφανειακής θεμελίωσης που θα χρησιμοποιηθεί ή σε περίπτωση που η επιφανειακή θεμελίωση δεν είναι ικανοποιητική (από τεχνική ή οικονομική άποψη) προτείνεται η θεμελίωση με πασσάλους. δ) Αφού έχει πια επιλεγεί ο τύπος της θεμελίωσης, προσδιορίζονται οι τελικές διαστάσεις, ώστε να προκύπτουν: ικανοποιητική φέρουσα ικανότητα και καθιζήσεις μικρότερες των επιτρεπόμενων. ε) Στη συνέχεια γίνεται η διαστασιολόγηση των διαφόρων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (ή άλλου υλικού) της θεμελίωσης. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι συχνά στην πράξη, όταν πρόκειται για συνήθη κτίρια κατοικιών σε περιοχές όπου έχουν ήδη κατασκευαστεί αρκετά παρόμοια κτίρια, η διαστασιολόγηση των επιφανειακών θεμελιώσεων γίνεται χωρίς να έχει προηγηθεί γεωτεχνική έρευνα και υπολογισμός της φέρουσας ικανότητας και των καθιζήσεων. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται μια επιτρεπόμενη τάση, η οποία έχει αποδειχθεί ασφαλής για παρόμοια έργα στην περιοχή και η οποία γίνεται αποδεκτή από τις τοπικές κρατικές υπηρεσίες ελέγχου. Επειδή οι τιμές αυτές των επιτρεπόμενων τάσεων είναι συνήθως αρκετά συντηρητικές, οι προκύπτουσες θεμελιώσεις παρουσιάζονται υπερδιαστασιολογημένες. Από την άλλη πλευρά, εάν το έδαφος της περιοχής παρουσιάζει κάποια τοπική ανομοιογένεια, χωρίς αυτό να γίνεται αντιληπτό από τον υπεύθυνο μηχανικό, μπορεί να προκύψουν σημαντικοί κίνδυνοι για την ευστάθεια της θεμελίωσης και επομένως για ολόκληρη την κατασκευή. Σε έργα στα οποία υπάρχει κάποια αβεβαιότητα ως προς το έδαφος θεμελίωσης, ή που παρουσιάζουν κάποια ιδιαιτερότητα ως προς τη χρήση της κατασκευής και το μέγεθος των φορτιών, είναι απαραίτητο να πραγματοποιείται γεωτεχνική έρευνα, από την οποία θα ανακύπτουν οι απαραίτητες για τη μελέτη της θεμελίωσης εδαφικές παράμετροι. Το κόστος της γεωτεχνικής έρευνας θεωρείται ασήμαντο σε σχέση με τις δαπάνες που θα απαιτηθούν στο μέλλον, εάν η θεμελίωση αποδειχθεί ανεπαρκής. 6

12 Κεφάλαιο 3 Επιφανειακές θεμελιώσεις Μεμονωμένα πέδιλα 3.1 Γενικά στοιχεία επιφανειακών θεμελιώσεων Εισαγωγικά στοιχεία και ορισμοί Στην κατηγορία των επιφανειακών θεμελιώσεων ανήκουν οι θεμελιώσεις που μεταβιβάζουν τα κατακόρυφα και οριζόντια φορτία της ανωδομής στο έδαφος μόνο με τη βάση τους. Η συνεισφορά των πλευρών του θεμελίου, για την παραλαβή των φορτιών, είτε είναι μηδενική, είτε πολύ μικρή σε σχέση με αυτή της βάσης και συνεπώς δε λαμβάνεται υπόψη. Με άλλα λόγια, πρόκειται για θεμελιώσεις όπου το βάθος θεμελίωσης (D) είναι μικρό σε σχέση με το πλάτος τους (Β), δηλαδή για θεμελιώσεις μικρού βάθους (αβαθείς) και όχι μόνο για θεμελιώσεις που εδράζονται στην επιφάνεια (Σχήμα 3.1). Έχουν ως στόχο την κατανομή των κατακόρυφων φορτιών ανωδομής σε επαρκή επιφάνεια θεμελίωσης για την ανάπτυξη τάσεων στο έδαφος, οι οποίες παραλαμβάνονται με ασφάλεια από το εδαφικό υλικό δίχως αστοχία και σημαντικές καθιζήσεις. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός θεωρείται αναγκαίο: α) να επιλεγεί ένα κατάλληλο βάθος θεμελίωσης και β) να σχεδιαστούν και να υπολογιστούν κατάλληλα οι διαστάσεις και οι οπλισμοί των στοιχείων θεμελίωσης. Οι επιφανειακές θεμελιώσεις αποτελούν την κανονική μορφή θεμελίωσης και χρησιμοποιούνται όταν η στρώση του εδάφους ακριβώς κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης διαθέτει την απαιτούμενη αντοχή για να δεχτεί με ασφάλεια τις καταπονήσεις από την ανωδομή. Εφόσον το επιτρέπουν οι εδαφικές συνθήκες, εφαρμόζονται σε κτιριακά και βιομηχανικά έργα καθώς και σε ποικίλα έργα υποδομής. Η μορφή της επιφανειακής θεμελίωσης καθορίζεται από το είδος και το μέγεθος των φορτιών της ανωδομής, με την απλούστερη μορφή, η οποία εφαρμόζεται για κυρίως κατακόρυφη φόρτιση, να αντιστοιχεί σε έναν αρμό έδρασης που διαμορφώνεται οριζόντιος και σε ένα φορτίο που εισάγεται συμμετρικά. Συνηθέστερα, οι επιφανειακές θεμελιώσεις έχουν ορθογωνική και σπανιότερα κυκλική ή άλλη γεωμετρία σε κάτοψη, ώστε να μετατρέπουν ένα συγκεντρωμένο ή γραμμικό φορτίο της ανωδομής σε τάση έδρασης ή επαφής, η οποία διανέμεται σε όλη την επιφάνεια του θεμελίου. Η τάση αυτή θα πρέπει να αναληφθεί με ασφάλεια από την φέρουσα γεωμάζα. 7

13 Σχήμα 3.1: Τομή επιφανειακής θεμελίωσης απείρου μήκους Η τάση επαφής αποτελεί συνάρτηση των γεωτεχνικών χαρακτηριστικών του εδάφους θεμελίωσης και του μηχανισμού παραμόρφωσης, οριακά θραύσεως, κατά τον οποίο αυτό αστοχεί. Σε φάση προμελέτης του έργου, γίνεται χρήση μιας μέσης τιμής, η οποία προκύπτει είτε από την προσωπική εμπειρία του Μηχανικού, είτε από κανονισμούς και διατάξεις, εθνικού ή παγκόσμιου χαρακτήρα. Επισημαίνεται πάντως πως μόνο ως ενδεικτικές θα πρέπει να λαμβάνονται τέτοιες τιμές, και με κανέναν τρόπο δεν υποκαθιστούν εκείνες που θα προκύψουν από έναν επιτυχή συνδυασμό διασκόπησης του εδάφους, αναλυτικής προσομοίωσης της συμπεριφοράς του και κρίσης του Μηχανικού. Μία επιφανειακή θεμελίωση μεταφέρει στο έδαφος μια τάση q ίση προς το λόγο του κατακόρυφου φορτίου P της ανωδομής προς το εμβαδόν (ΒxL) της θεμελίωσης. Με την αύξηση της τάσης q που επιβάλλει το θεμέλιο στο έδαφος αυξάνει η καθίζηση s και παράλληλα αυξάνουν οι διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται στα διάφορα εδαφικά στοιχεία που βρίσκονται κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης. Αυτή η αύξηση των διατμητικών τάσεων προκαλεί σταδιακή αστοχία περιοχών της εδαφικής μάζας (πλαστικοποίηση) και ταχύτερη αύξηση της καθίζησης με την αύξηση της τάσης q. Τελικά δημιουργείται ένας μηχανισμός αστοχίας και μία επιφάνεια θραύσης που διέρχεται από εδαφικά στοιχεία που έχουν αστοχήσει. Μετά από αυτό το σημείο η καθίζηση του θεμελίου αυξάνει γρήγορα χωρίς πρόσθετη αύξηση της επιβαλλόμενης τάσης q (Σχήμα 3.2). 8

14 Σχήμα 3.2: Πλαστικοποίηση εδαφικής μάζας Επιφάνειες αστοχίας Υπάρχουν οι εξής χαρακτηριστικές περιπτώσεις επιφανειακών θεμελιώσεων που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές. Αυτές είναι: Α) Τα μεμονωμένα πέδιλα (κεντρικά ή έκκεντρα που συνδέονται με συνδετήριες δοκούς) Β) Οι πεδιλοδοκοί Γ) Οι κοιτοστρώσεις Σχήμα 3.3: Μεμονωμένα πέδιλα (επάνω) Πεδιλοδοκός (αριστερά κάτω) Κοιτόστρωση (δεξιά κάτω) Τα μεμονωμένα πέδιλα αποτελούν τον συνηθέστερο τρόπο επιφανειακής θεμελίωσης σε καλά εδάφη και εφαρμόζονται σε κατασκευές που δεν είναι ευαίσθητες σε διαφορικές καθιζήσεις. Στην πραγματικότητα συνιστούν μια διεύρυνση του κάτω μέρους ενός υποστυλώματος ή ενός τοιχίου, που κατασκευάζονται με σκοπό τη μεταφορά και κατανομή των επιβαλλόμενων φορτίων ενός δομικού έργου σε μια επαρκώς μεγάλη περιοχή του εδάφους. Οι πεδιλοδοκοί αποτελούν έναν τρόπο ομαδικής θεμελίωσης υποστυλωμάτων / 9

15 τοιχίων, των οποίων οι άξονες βρίσκονται σε περίπου ευθεία γραμμή και χρησιμοποιούνται όταν εκτιμάται ότι σε περίπτωση κατασκευής μεμονωμένων πεδίλων θα αναπτυχθούν μεγάλες ολικές και κυρίως διαφορικές καθιζήσεις ή όταν η θεμελίωση με μεμονωμένα πέδιλα προκύπτει αντιοικονομική. Στην περίπτωση των πεδιλοδοκών εμφανίζονται σημαντικά μειωμένες τάσεις έδρασης σε σχέση με τα μεμονωμένα πέδιλα, διότι τα φορτία της κατασκευής κατανέμονται σε πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια εδάφους. Με τη μέθοδο αυτή απαιτείται η χρήση περισσότερου σκυροδέματος απ ότι με τα απλά πέδιλα. Οι κοιτοστρώσεις είναι ενιαίες πλάκες θεμελίωσης, οι οποίες φέρουν κάθετα στο επίπεδο τους περισσότερα των δύο υποστυλωμάτων ή τοιχίων και κατά τις δύο διευθύνσεις και οι οποίες χρησιμοποιούνται γενικά σε περιπτώσεις όπου το έδαφος θεμελίωσης είναι πολύ χαλαρό (και άρα η επιτρεπόμενη φόρτιση είναι πολύ μικρή) και τα φορτία εμφανίζονται μεγάλα (και συνεπώς απαιτούνται μεγάλα εμβαδά θεμελίωσης) ή και εντόνως άνισα μεταξύ τους (οπότε και οι διαφορικές καθιζήσεις είναι πιθανές). Με αυτόν τον τρόπο θεμελίωσης η επιφάνεια του εδάφους πάνω στο οποίο θα κατανεμηθούν τα φορτία της κατασκευής είναι η μέγιστη δυνατή και συνεπώς οι τάσεις έδρασης παρουσιάζονται ιδιαιτέρως μειωμένες σε σχέση τόσο με τα μεμονωμένα πέδιλα όσο και με τις πεδιλοδοκούς. Αποτελεί φαινομενικά τον ακριβότερο τρόπο θεμελίωσης, αφού απαιτεί περισσότερο σκυρόδεμα σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους, παρόλα αυτά χαρακτηρίζεται ως αρκετά οικονομικός, αφού το καλούπωμα και οι εκσκαφές που χρειάζονται είναι πολύ λιγότερες, και δεν απαιτούνται η κατασκευή του δαπέδου του υπογείου (η ίδια κοιτόστρωση αποτελεί αυτό το δάπεδο), η μόνωση κάτω από το δάπεδο του υπογείου (κροκάλα και νάϋλον), καθώς και το μπάζωμα των πεδίλων. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χρόνου 7-10 ημέρες για μια μέση οικοδομή, γεγονός που οδηγεί και στην απαίτηση λιγότερων εργατικών. Οι σύγχρονες επιφανειακές θεμελιώσεις κατασκευάζονται κατά κανόνα από οπλισμένο σκυρόδεμα και σχεδιάζονται αναλόγως, ώστε να μπορούν να φέρουν με ασφάλεια τόσο τις εντάσεις που προκύπτουν από την ανωδομή, όσο και τις τριβές λόγω επαφής τους με την περιβάλλουσα γεωμάζα. Σημειώνεται πάντως ότι, από κατασκευαστικής πλευράς προτιμώνται τα τετραγωνικά μεμονωμένα πέδιλα από τα ορθογωνικά και τα κυκλικά, τα άκαμπτα από τα εύκαμπτα, και οι πεδιλοδοκοί από τις σύνθετες κατόψεις, και τούτο, για να είναι απλούστερες οι εκσκαφές, αλλά και ευχερέστερη η μόρφωση και τοποθέτηση του σιδηρού οπλισμού Βάθος θεμελίωσης Η επιλογή του βάθους θεμελίωσης οριοθετείται από την συνθήκη ελαχιστοποίησης των παραμορφώσεων του εδαφικού στοιχείου στην άμεση ζώνη επιρροής της γεωτεχνικής κατασκευής και οφείλει να προκύπτει μετά από θεώρηση των εξής παραγόντων: α) η στάθμη θεμελίωσης πρέπει να βρίσκεται κάτω από τη ζώνη που γίνονται αισθητές οι εποχιακές μεταβολές (παγετός, υψηλές θερμοκρασίες, διακυμάνσεις υγρασίας κ.α.), έτσι 10

16 ώστε να προστατεύονται τα θεμέλια από τις δράσεις αυτές και το υπέδαφος θεμελίωσης να μην υπόκειται στη δυσμενή τους δράση. β) η στάθμη εδράσης πρέπει να είναι τέτοια ώστε το έδαφος κάτω από τα θεμέλια να μην υπόκειται σε πιθανή διάβρωση λόγω ροής νερού. γ) η έδραση των θεμελίων πρέπει να γίνεται σε υγιές έδαφος, απαλλαγμένο δηλαδή από τις επιφανειακές προσμίξεις με οργανικά υλικά. Πρέπει να γίνεται δε, σε τέτοιο βάθος, ώστε να είναι δυνατή η σύνδεση του κτιρίου με τα δίκτυα κοινής ωφέλειας. δ) η προκύπτουσα θεμελίωση να είναι εύκολο να κατασκευαστεί και να αποτελεί άρτια οικονομοτεχνική λύση (π.χ. η ύπαρξη υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα δημιουργεί πολλά προβλήματα εάν το θεωρούμενο βάθος εκσκαφής είναι κάτω από τη στάθμη του νερού). ε) θα πρέπει να εξασφαλίζεται (σε κάτοψη και τομή) η μη υπέρβαση της αντοχής του εδάφους, καθώς και των επιτρεπόμενων καθιζήσεων. Σαν ελάχιστο βάθος θεμελίωσης, για την περίπτωση μη ύπαρξης υπογείου συνιστάται το βάθος των -2m από την επιφάνεια. Σε περίπτωση ύπαρξης υπογείου γενικά δεν υφίσταται πρόβλημα ελάχιστου βάθους εκσκαφής. Παρόλα αυτά, πρέπει να εξετάζονται οπωσδήποτε οι εξής παράγοντες: α) Ύπαρξη γειτονικών κτιρίων στην κοινή γραμμή ιδιοκτησίας με βάθος θεμελίωσης μικρότερο από το θεωρούμενο. Ευνόητο είναι ότι στην περίπτωση αυτή πρέπει να ληφθούν ειδικά μέτρα αντιστήριξης ή και υποστήριξης των διπλανών κτιρίων. β) Ύπαρξη υπόγειου ορίζοντα σε στάθμη υψηλότερη από τη στάθμη θεμελίωσης. Στις περιπτώσεις αυτές τα υπόγεια κατασκευάζονται είτε στεγανά (οπότε το βάρος του κτιρίου θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το βάρος της άνωσης) είτε με ένα μόνιμο σύστημα συγκέντρωσης και απομάκρυνσης των νερών με χρήση ειδικής αντλίας. Όσον αφορά, τώρα, την επιρροή της κατασκευής ή όχι υπογείου στο δημιουργούμενο πεδίο τάσεων παραμορφώσεων στο έδαφος αξίζει να σημειωθεί ότι η κατασκευή υπογείου οδηγεί σε θεαματική μείωση των εισαγόμενων τάσεων στο έδαφος και κατά συνέπεια και των σχετικών καθιζήσεων. Ο λόγος είναι προφανής. Η κατασκευή υπογείου ισοδυναμεί με την αφαίρεση ενός φορτίου έντασης q = γ εδαφους *Η υπογείου και διαστάσεων BxL (όπου B και L οι διαστάσεις της κατασκευής) Στάδια υπολογισμού επιφανειακών θεμελιώσεων Αφού καθοριστεί το βάθος της στάθμης θεμελίωσης, στη συνέχεια θα πρέπει να προσδιοριστούν οι αναγκαίες διαστάσεις των θεμελίων. Αυτές οφείλουν να είναι τέτοιες, ώστε να μην γίνεται υπέρβαση της επιτρεπόμενης τάσης έδρασης. Σαν επιτρεπόμενη τάση έδρασης ενός στοιχείου θεμελίωσης ορίζεται η μέγιστη τάση την οποία επιτρέπεται να προσάγει το στοιχείο φόρτισης στη στάθμη θεμελίωσης, ώστε: 11

17 α) να μην γίνεται υπέρβαση της φέρουσας ικανότητας (συμπεριλαμβανομένου και ενός συντελεστή ασφαλείας) β) να μην προκαλούνται υπερβάσεις των επιτρεπόμενων καθιζήσεων (ολικών και διαφορικών) Με βάση τις γνώσεις της Εδαφομηχανικής, η παραπάνω διαδικασία διαμορφώνεται ως ακολούθως: 1. Καθορισμός των συνθηκών του υπεδάφους 2. Εκλογή βάθους θεμελίωσης 3. Απλοποιημένη προεκλογή της επιτρεπόμενης φόρτισης (q επιτρ ) για κάθε στοιχείο θεμελίωσης (φέρουσα ικανότητα / συντελεστής ασφαλείας) 4. Προεκλογή των διαστάσεων του στοιχείου θεμελίωσης (F απαιτ = Ν/ q επιτρ ) 5. Υπολογισμός της επιτρεπόμενης φόρτισης με βάση πλέον τις διαστάσεις του στοιχείου από το βήμα [4] και επανάληψη της διαδικασίας μέχρι την επίτευξη της επιθυμητής ακρίβειας (ελάχιστες διαστάσεις) 6. Υπολογισμός των αναμενόμενων καθιζήσεων του στοιχείου φορτιζόμενου με φορτίο p = N/BxL (είναι προφανώς p q επιτρ ) και έλεγχος τους. Εάν προκύψουν μικρότερες των επιτρεπόμενων, τότε η q επιτρ θεωρείται σαν η επιτρεπόμενη τάση φόρτισης και καλείται γενικά σαν επιτρεπόμενη τάση έδρασης - σ επιτρ. Εάν οι καθιζήσεις προκύψουν μεγαλύτερες των επιτρεπόμενων τότε: ή α) μεγαλώνουμε τις διαστάσεις του στοιχείου, οπότε η επιβαλλόμενη φόρτιση μειώνεται άρα και οι καθιζήσεις, οι οποίες και πάλι πρέπει να είναι μικρότερες από τις επιτρεπόμενες. Ο κύκλος αυτός συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί καθίζηση μικρότερη από την επιτρεπόμενη. Είναι πιθανό, όμως, ο κύκλος αυτός να μην οδηγεί στο επιθυμητό. Στην περίπτωση αυτή προχωράμε στο επόμενο βήμα, ή β) αλλάζει η γενική διάταξη των στοιχείων και αντί μεμονωμένων πεδίλων πεδιλοδοκών, χρησιμοποιούμε συνδυασμένες θεμελιώσεις δηλαδή είτε εσχάρες πεδιλοδοκών είτε κοιτοστρώσεις. 7. Αφού γίνει ο έλεγχος καθιζήσεων των μεμονωμένων στοιχείων, στη συνέχεια γίνεται η εκτίμηση και ο έλεγχος των διαφορικών καθιζήσεων. Εάν ο έλεγχος είναι ικανοποιητικός, προχωράμε στο επόμενο βήμα, αλλιώς επιστρέφουμε στο προηγούμενο βήμα [6]. 8. Με τη λήξη και του βήματος [7], έχει τελειώσει η διαστασιολόγηση των επιφανειακών θεμελίων σε κάτοψη. Σε αυτό το βήμα ακολουθεί η εύρεση των τάσεων επαφής θεμελίου εδάφους. Γενικά, όσον αφορά τα μεμονωμένα πέδιλα, η κατανομή των τάσεων υποτίθεται γραμμική, ενώ όσον αφορά τις πεδιλοδοκούς, ακολουθείται μια διαδικασία που λαμβάνει υπόψη της τόσο την ακαμψία της θεμελίωσης όσο και την παραμορφωσιμότητα του εδάφους. 9. Μετά τον υπολογισμό των τάσεων επαφής γίνεται ο υπολογισμός των φορτιών διατομής (καμπτικές ροπές Μ, τέμνουσες δυνάμεις V, ροπές στρέψης Τ). 12

18 10. Ο σχεδιασμός ολοκληρώνεται με τον υπολογισμό των αναγκαίων διατομών και οπλισμών Μορφές αστοχίας επιφανειακών θεμελιώσεων Η επάρκεια της αντοχής του εδάφους σε θραύση κάτω από τη θεμελίωση, καθώς και η στατική επάρκεια του ίδιου του δομικού στοιχείου θεμελίωσης, αποβλέπουν στην ασφαλή μεταφορά των φορτίων της κατασκευής στο έδαφος, με τρόπο που να αποτρέπει την πρόκληση μεγάλων μετακινήσεων. Η θραύση χαρακτηρίζεται ως διατμητική, διότι προκαλείται λόγω της υπέρβασης της διατμητικής αντοχής του εδάφους. Σύμφωνα με τον Vesic, διακρίνονται τρεις τυπικές μορφές θραύσης: Γενική θραύση: Χαρακτηρίζεται από διόγκωση του εδάφους στην περιοχή του θεμελίου. Είναι έντονη, καταστροφική και επέρχεται ξαφνικά (απότομη αύξηση της καθίζησης μετά την ανάπτυξη του οριακού φορτίου). Αναπτύσσονται σαφείς επιφάνειες ολίσθησης και παρατηρείται σε πυκνά και ασυμπίεστα εδάφη, όπως πυκνές άμμους και σκληρές ή στιφρές αργίλους, όπου υπάρχει επαρκής αντοχή για την πλήρη ανάπτυξη του μηχανισμού αστοχίας και των επιφανειών ολίσθησης. Κατά την αστοχία η θεμελίωση καθιζάνει και η επιφάνεια του εδάφους ανυψώνεται, ενώ συνήθως συνοδεύεται και από στροφή του θεμελίου. Τοπική θραύση: Χαρακτηρίζεται από μικρή διόγκωση του εδάφους στην περιοχή του θεμελίου και οι επιφάνειες ολίσθησης αναπτύσσονται ακριβώς κάτω από το θεμέλιο, ενώ διαχέονται βαθύτερα και χάνονται. Το παρακείμενο έδαφος εμφανίζει μικρή μόνο ανύψωση, της οποίας ο όγκος είναι μικρότερος του όγκου του εντοπιζόμενου εδάφους. Παρατηρείται σε εδάφη μέσης πυκνότητας και μέσης συμπιεστότητας, όπως μέσης έως χαμηλής πυκνότητας άμμους και μέσης έως χαμηλής αντοχής συνεκτικά εδάφη. Διάτρηση ή Διείσδυση ή Εισχώρηση: Χαρακτηρίζεται από θραύση του εδάφους στην περίμετρο του θεμελίου. Το θεμέλιο δείχνει σα να βυθίζεται, χωρίς να εμφανίζεται αισθητή διόγκωση στην επιφάνεια του εδάφους. Κάτω από τη θεμελίωση δημιουργείται μια σφήνα, η οποία συμπιέζεται και ολισθαίνει μέσα στο έδαφος. Η επιφάνεια του εδάφους εκτός του θεμελίου δεν ανυψώνεται, καθώς λόγω της μεγάλης συμπιεστότητας ο όγκος του φορτιζόμενου εδάφους μειώνεται. Η αστοχία οφείλεται στη σταδιακή αύξηση της καθίζησης και συνήθως δε συνοδεύεται από μεγάλη στροφή. Αυτού του είδους η αστοχία παρατηρείται σε χαλαρά εδάφη μικρής πυκνότητας και μεγάλης συμπιεστότητας, όπως χαμηλής πυκνότητας άμμους και μαλακά αργιλικά εδάφη. 13

19 Σχήμα 3.4: Τύποι αστοχίας επιφανειακής θεμελίωσης Στο Σχήμα 3.5, που προτάθηκε από τον Vesic (1963), καθορίζονται προσεγγιστικά τα όρια εμφάνισης των τριών τύπων αστοχίας σε περιπτώσεις αμμώδους εδάφους με βάση τη σχετική πυκνότητα της άμμου D r, το πλάτος θεμελίου B, το μήκος θεμελίου L και το βάθος θεμελίωσης D. Για συνήθη βάθη επιφανειακών θεμελιώσεων (D B), γενική θραύση παρατηρείται μόνο στα πυκνά εδάφη με σχετική πυκνότητα μεγαλύτερη του 67%. 14

20 Σχήμα 3.5: Επιρροή της πυκνότητας στον τύπο αστοχίας Oι αστοχίες αβαθών θεμελιώσεων οφείλονται κατά κύριο λόγο (2/3 του συνόλου) στις ακόλουθες τρεις αιτίες: α) ανεπαρκή συμπύκνωση επιχωμάτων ή χαλάρωση των in situ εδαφών σε ποσοστό περίπου 25%, β) εισροές νερού στο υπέδαφος σε ποσοστό 20% και γ) ετερογενείς θεμελιώσεις σε ποσοστό 20% είτε διότι το υπέδαφος δεν παρουσιάζει τα ίδια χαρακτηριστικά μέσα στην ενεχόμενη ζώνη είτε διότι οι θεμελιώσεις εδράζονται σε διαφορετικές στάθμες ή είναι διαφορετικού τύπου. Το ποσοστιαίο υπόλοιπο των αστοχιών αποδίδεται στη δόμηση όμορων κατασκευών (10%), στην ιδιαιτέρως μεγάλη συμπιεστότητα του υπεδάφους και την αδυναμία του δομήματος να προσαρμοσθεί στις προκύπτουσες διαφορικές καθιζήσεις (10%), στο ανεπαρκές βάθος θεμελίωσης, ώστε το φέρον έδαφος να είναι ευάλωτο στις περιβαλλοντικές δράσεις (10%) και τέλος στη δόμηση σε ασταθές έδαφος (8%) λόγω καταρρεύσιμης δομής, κατολισθαίνουσας μάζας πρανούς, αποσύνθεσης οργανικών υλικών, γενικής κατάπτωσης κ.α. Κάθε αβαθής θεμελίωση σε υπέδαφος ιδιαιτέρως συμπιεστό και ετερογενές συνεπάγεται υπερβολικές παραμορφώσεις (καθιζήσεις και πλευρική διάταση), με αποτέλεσμα τη δεινή δοκιμασία της ανωδομής. Το μονολιθικό και άκαμπτο της ανωδομής θεμελίωσης αποτελεί τότε απαραίτητη δομική απαίτηση. Σε περιπτώσεις ομόρων κατασκευών, ο κίνδυνος αστοχίας αυξάνει εξαιτίας των φαινομένων αλληλεπίδρασης, γιγαντώνεται δε όπου το πάχος των συμπιεστών στρωμάτων διαφέρει από θέση σε θέση. Στην περίπτωση ιδιαιτέρως συμπιεστών εδαφών (τύρφη, μαλακή λιμναία ιλύς, άργιλος με υψηλό ποσοστό υγρασίας κ.α.) ακόμη και μικρή επιφορτιτική τάση (π.χ. επίχωση) προξενεί απαράδεκτες για την ανωδομή καθιζήσεις, οπότε η έδραση αβαθών θεμελιώσεων σε αυτά τα εδάφη είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα οδηγήσει σε θεαματική αστοχία. Οι κάθε είδους εισροές νερών χαλαρώνουν το υπέδαφος, ενδεχομένως δε να οδηγήσουν σε γενικότερη αστάθεια όταν πρόκειται για αβαθείς θεμελιώσεις σε εδαφικά πρανή. Τα 15

21 επιφανειακά νερά θα πρέπει απαραιτήτως να απομακρύνονται με κατάλληλο σύστημα αποστράγγισης, ενώ όσον αφορά τα υπόγεια νερά πρέπει να λαμβάνονται ειδικά κατασκευαστικά μετρά υγρομόνωσης των θεμελιώσεων (Σχήμα 3.6). Σχήμα 3.6: Κατασκευαστικά προστατευτικά μετρά αβαθούς θεμελίωσης μέσα στον υδροφόρο ορίζοντα Τέλος, οι αστοχίες ετερογενών θεμελιώσεων παρουσιάζονται συνήθως σε δομήματα μεγάλης έκτασης (οικιστικά συγκροτήματα, αθλητικές εγκαταστάσεις, βιομηχανικές μονάδες κ.α.), όπου συχνά εμφανίζεται διπλή ετερογένεια, εδαφική και δομική. Στην τελευταία μάλιστα περίπτωση εντάσσεται και η όμορη συνύπαρξη δομημάτων με υψηλά φορτία και σχετικά μικρή δυνατότητα παραλαβής διαφορικών μετακινήσεων. 3.2 Μεμονωμένα πέδιλα Εισαγωγικά στοιχεία Μορφολογία πεδίλων Όπως έχει προαναφερθεί, τα μεμονωμένα πέδιλα αποτελούν την διεύρυνση του κάτω μέρους των υποστυλωμάτων και των τοιχίων μιας κατασκευής και για το λόγο αυτό κάθε δομικό έργο μπορεί να αποτελείται από μια πληθώρα μεμονωμένων πέδιλων που συνδέονται μεταξύ τους με συνδετήριες δοκούς. Συνιστούν τον κύριο τύπο των επιφανειακών θεμελιώσεων τόσο λόγω του χαμηλού κόστους όσο και της ευκολίας κατασκευής τους και χρησιμοποιούνται σε μικρού έως μεσαίου μεγέθους κατασκευές σε περιοχές με καλές ή 16

22 μέτριες εδαφικές συνθήκες. Προκειμένου να εφαρμοστούν σε μεγάλες κατασκευές, τα εδάφη στα οποία εδράζονται οφείλουν να είναι εξαιρετικά καλά. Τα μεμονωμένα πέδιλα κατασκευάζονται σε διάφορα μεγέθη και σχήματα ανάλογα με την ανάγκη που εξυπηρετούν. Στη συνέχεια αναφέρονται οι βασικότερες σχηματικές διατάξεις των μεμονωμένων πεδίλων (Σχήμα 3.7) Τετραγωνικά πέδιλα Ορθογωνικά πέδιλα Κυκλικά πέδιλα Σχήμα 3.7: Τετραγωνικό πέδιλο (αριστερά) Ορθογωνικό πέδιλο (κέντρο) Κυκλικό πέδιλο (δεξιά) Σύμφωνα με έναν άλλο διαχωρισμό που αφορά τη διάταξη του κατακόρυφου στοιχείου (υποστύλωμα ή τοιχίο) σε σχέση με το μεμονωμένο πέδιλο πάνω στο οποίο στηρίζεται, τα πέδιλα διακρίνονται σε (Σχήμα 3.8): Κεντρικά πέδιλα: Στον τύπο αυτό των πεδίλων ο άξονας του κατακόρυφου φορτίζοντος στοιχείου συμπίπτει με τον άξονα του πεδίλου Έκκεντρα πέδιλα: Στον τύπο αυτό των πεδίλων ο διαμήκης άξονας του κατακόρυφου φορτίζοντος στοιχείου δε συμπίπτει με τον άξονα του πεδίλου και κατά συνέπεια εμφανίζεται μια κατασκευαστική εκκεντρότητα, λόγω της οποίας τροποποιείται η ανάπτυξη των τάσεων στο έδαφος (Σχήμα 3.9) Τα πέδιλα της θεμελίωσης μιας οικοδομής συνιστάται να κατασκευάζονται κεντρικά. Συχνά όμως αυτό δεν είναι δυνατό για λόγους ιδιοκτησιακούς και πολεοδομικούς. Έτσι τα πέδιλα, των οποίων τα υποστυλώματα βρίσκονται σε επαφή με όριο ιδιοκτησίας, δεν επιτρέπεται να προχωρήσουν στο διπλανό οικόπεδο και έτσι τα πτερύγια των πεδίλων αναπτύσσονται μόνο προς τη μια διεύθυνση (Σχήμα 3.8). Επίσης, όταν τα πέδιλα, των οποίων τα υποστυλώματα εφάπτονται στην οικοδομική γραμμή (όριο πέρα από το οποίο δεν επιτρέπεται να επεκτείνονται οι εξωτερικοί τοίχοι μιας οικοδομής), τότε, εάν το βάθος της στάθμης θεμελίωσης είναι D f 2,50m επιτρέπεται από την πολεοδομία η κατασκευή ενός 17

23 πτερυγίου μήκους 0,30m. Όταν το βάθος θεμελίωσης είναι D f 5,0m, τότε το επιτρεπόμενο πτερύγιο έχει μήκος 0,50m. Σχήμα 3.8: Κεντρικά πέδιλα κωνικά και σταθερού ύψους (αριστερά) Έκκεντρα πέδιλα κωνικά και σταθερού ύψους (δεξιά) Σχήμα 3.9: Κεντρική φόρτιση (αριστερά) εκκεντρότητα (κέντρο) μεγάλη εκκεντρότητα (δεξιά) Συμφώνα με μια τελευταία κατηγοριοποίηση, τα μεμονωμένα πέδιλα διακρίνονται σε δύσκαμπτα και εύκαμπτα. Η διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι τα δύσκαμπτα είναι πέδιλα με σχετικά μεγάλο ύψος σε σχέση με τις διαστάσεις έδρασης τους. Το γεγονός αυτό βέβαια, εκτός των άλλων, διαφοροποιεί την κατανομή των τάσεων στη βάση του πεδίλου (Σχήματα 3.10 & 3.11). Όπως γίνεται άμεσα εμφανές, στην περίπτωση του εύκαμπτου πεδίλου οι τάσεις που αναπτύσσονται είναι προφανώς ομοιόμορφες, σε αντίθεση με εκείνες που αναπτύσσονται στα δύσκαμπτα πέδιλα, όπου γίνεται η παραδοχή της γραμμικής κατανομής. 18

24 Σχήμα 3.10: Κατανομή τάσεων στη βάση δύσκαμπτου πεδίλου που φορτίζεται με ομοιόμορφη πίεση Σχήμα 3.11: Κατανομή τάσεων στη βάση εύκαμπτου πεδίλου που φορτίζεται με ομοιόμορφη πίεση Τα μεμονωμένα πέδιλα συνδέονται μεταξύ τους και στις δύο διευθύνσεις με ισχυρά δοκάρια, τα οποία ονομάζονται συνδετήριες δοκοί (Σχήμα 3.12). Η ύπαρξη των συνδετήριων δοκών σε θεμελίωση με μεμονωμένα πέδιλα θεωρείται απαραίτητη για την εξασφάλιση της μονολιθικότητας της θεμελίωσης. Το κάτω πέλμα των συνδετήριων δοκών διατάσσεται σε στάθμη κάτω από την άνω στάθμη των πεδίλων (Σχήμα 3.13). Η συνδετήρια δοκός παραλαμβάνει τμήμα της συνολικής ροπής που έρχεται στο θεμέλιο από τα κατακόρυφα στοιχεία. Οι ελάχιστες διαστάσεις και ο οπλισμός των συνδετήριων δοκών είναι: Για n 3 ορόφους: - Ελάχιστες διαστάσεις: 25/40 - Διαμήκης οπλισμός: 0,4% ή min 3Ø14 άνω και κάτω - Συνδετήρες: Ø10/20cm Για n 4 ορόφους: - Ελάχιστες διαστάσεις: 25/60 - Διαμήκης οπλισμός: 0,4% ή min 3Ø16 άνω και κάτω - Συνδετήρες: Ø10/15cm 19

25 Σχήμα 3.12: Κάτοψη διάταξης μεμονωμένων πεδίλων με συνδετήριες δοκούς Σχήμα 3.13: Διάταξη συνδετήριων δοκών μεμονωμένων πεδίλων Προϋποθέσεις θεμελίωσης με τη χρήση μεμονωμένων πεδίλων Όλα τα έργα του Πολιτικού Μηχανικού (κτίρια, γέφυρες, επιχώματα οδοποιίας, σήραγγες, τοίχοι αντιστήριξης, φράγματα κλπ) πρέπει να εδρασθούν στο έδαφος. Είναι προφανές ότι η ασφαλής θεμελίωση των έργων αυτών αποτελεί έναν από τους στόχους του σχεδιασμού τους. Οι μέθοδοι θεμελίωσης των κατασκευών ποικίλουν και εξαρτώνται από το είδος του εδάφους, τις απαιτήσεις του προς θεμελίωση έργου, αλλά και τις οικονομικές συνθήκες, το διαθέσιμο μηχανικό εξοπλισμό και τέλος, την ικανότητα και εμπειρία του Μηχανικού. 20

26 Στην περίπτωση που εδαφικές στρώσεις επαρκώς ανθεκτικές και ικανού πάχους υπάρχουν σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους, ο συνήθης τρόπος θεμελίωσης είναι με μεμονωμένα πέδιλα. Όπως προαναφέρθηκε, η μεταφορά των φορτίων της κατασκευής στο έδαφος γίνεται με διεύρυνση της βάσης των φερόντων στοιχείων, κατά τρόπο ώστε οι τάσεις στα στοιχεία αυτά (που συνήθως είναι κατασκευασμένα από οπλισμένο σκυρόδεμα) να μειωθούν σε βαθμό που να μπορούν πλέον να παραληφθούν ασφαλώς από το έδαφος θεμελίωσης. Είναι φανερό ότι η μέθοδος αυτή προϋποθέτει ότι τα φέροντα στοιχεία της κατασκευής μπορούν να αναλάβουν μεγαλύτερες τάσεις από το έδαφος θεμελίωσης, υπόθεση που στο σύνολο σχεδόν των περιπτώσεων είναι ακριβής. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η προηγούμενη χρήση όρων με σχετική σημασία, όπως: "επαρκώς ανθεκτική στρώση", "ικανού πάχους", "μικρό βάθος", "συνήθης τρόπος θεμελίωσης", δεν είναι τυχαία και έγινε για να καταδειχθεί η σχετικότητα των αποφάσεων του Μηχανικού όσον αφορά τον τρόπο θεμελίωσης ενός έργου. Πιο συγκεκριμένα, ο όρος "επαρκώς ανθεκτική στρώση" δεν αφορά μόνο τις ιδιότητες της εδαφικής στρώσης αλλά και το είδος και τις απαιτήσεις της κατασκευής. Πράγματι, μια εύκαμπτη κατασκευή, που μπορεί να δεχθεί σημαντικές διαφορικές υποχωρήσεις των σημείων έδρασης χωρίς κίνδυνο να υποστεί βλάβες (π.χ. ρηγματώσεις) ή να αλλοιωθεί η λειτουργικότητα της, έχει μικρότερες απαιτήσεις "ανθεκτικότητας" του εδάφους θεμελίωσης από μια άκαμπτη κατασκευή του ιδίου μεγέθους, που έχει μικρές ανοχές σε διαφορικές υποχωρήσεις. Παράδειγμα κατασκευών με μεγάλες ανοχές σε διαφορικές υποχωρήσεις αποτελούν οι γέφυρες με ισοστατικό φορέα (στατική λειτουργία αμφιέρειστης δοκού). Οι φορείς αυτοί μπορούν να αναλάβουν διαφορικές υποχωρήσεις δεκάδων εκατοστών του μέτρου χωρίς να υποστούν βλάβες. Βεβαίως, στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η λειτουργικότητα του έργου, επειδή, όπως είναι φυσικό, οι υποχωρήσεις των βάθρων της γέφυρας θα δημιουργήσουν ανισοσταθμίες και αποκλίσεις από την ευθυγραμμία. Με βάση τα ανωτέρω, είναι προφανές ότι, ακόμη και στην περίπτωση ενός ισοστατικού φορέα, οι απαιτήσεις "ανθεκτικότητας" του εδάφους είναι αρκετά σύνθετες. Στην περίπτωση υπερστατικών φορέων, η κατάσταση γίνεται ακόμη δυσκολότερη επειδή οι διαφορικές υποχωρήσεις της θεμελίωσης, εκτός από τα προβλήματα λειτουργικότητας, προκαλούν πρόσθετη ένταση στο φορέα και ανακατανομή των φορτίων στα στοιχεία της κατασκευής. 'Ένας άλλος όρος που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως είναι το "ικανό πάχος" της στρώσης στην οποία θα εδρασθεί η κατασκευή. Είναι σαφές ότι τα φορτία της κατασκευής που ασκούνται στο έδαφος στα σημεία έδρασης των στοιχείων θεμελίωσης μεταφέρονται και πέραν των σημείων αυτών με την ανάπτυξη τάσεων, οι οποίες προκαλούν παραμόρφωση του εδάφους στην περιοχή της θεμελίωσης. Όσο αυξάνει η απόσταση από τα σημεία έδρασης, οι αναπτυσσόμενες τάσεις μειώνονται 21

27 και συνεπώς μειώνονται και οι απαιτήσεις ανθεκτικότητας των εδαφικών στρώσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, όμως, οι πρόσθετες τάσεις λόγω των φορτίων της κατασκευής είναι σημαντικές μόνο σε μια περιοχή κάτω από τα σημεία έδρασης (ζώνη επιρροής). Το εύρος και το βάθος της ζώνης επιρροής εξαρτώνται προφανώς από τις διαστάσεις των στοιχείων έδρασης (Σχήμα 3.14). 'Έτσι, π.χ. το βάθος επιρροής ενός τετραγωνικού πεδίλου με πλευρά δύο μέτρα είναι πολύ μικρότερο από το βάθος επιρροής μιας δεξαμενής καυσίμων με διάμετρο 30 μέτρων. Σχήμα 3.14: Εξάρτηση του βάθους επιρροής από το πλάτος (Β) του πεδίλου Χρησιμοποιήθηκε επίσης και ο όρος "μικρό βάθος" από την επιφάνεια του εδάφους. Προφανώς, ο όρος "μικρό" αναφέρεται στο κόστος εκσκαφής, αφαίρεσης, μεταφοράς και διάθεσης των υπερκείμενων μη-ανθεκτικών στρώσεων, ώστε να αποκαλυφθεί η ανθεκτική στρώση και να εδρασθούν σ' αυτήν τα πέδιλα της κατασκευής. Το κόστος αυτό εξαρτάται από ποικίλους παράγοντες, όπως: 1. Τα διαθέσιμα μηχανήματα και η τεχνολογία. Είναι σαφές ότι το κόστος της εκσκαφής μερικών μέτρων εδάφους είναι πολύ μικρότερο με τη σημερινή τεχνολογία από ότι πριν από μερικά χρόνια. 2. Η ύπαρξη υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Η εκσκαφή κάτω από τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα προκαλεί σημαντική επιβάρυνση στο κόστος κατασκευής λόγω των απαιτούμενων αντλήσεων, αντιστηρίξεων κλπ. 3. Η γειτνίαση του έργου με υπάρχουσες κατασκευές θεμελιωμένες σε υψηλότερη στάθμη από την επιδιωκόμενη εκσκαφή. Οι υπάρχουσες κατασκευές θα πρέπει να αντιστηριχθούν, ώστε να μη διαταραχθεί η ισορροπία τους, γεγονός που επιβαρύνει το κόστος και αυξάνει το χρόνο κατασκευής του έργου. 4. Τα περιβαλλοντικά προβλήματα κατά τη διάθεση των προϊόντων εκσκαφής. 'Έτσι, π.χ. η μεταφορά κυβικών μέτρων εδάφους από την Πλατεία Συντάγματος διαμέσου των οδών της Αθήνας δεν είναι εφικτή λόγω της ρύπανσης, παρεμπόδισης της κυκλοφορίας των αυτοκινήτων, θορύβου κλπ. 22

28 Με βάση όλα τα προηγούμενα, καθίσταται σαφής η σχετικότητα του όρου "μικρό βάθος" από την επιφάνεια του εδάφους. Τέλος, αναφέρθηκε ο όρος "συνήθης τρόπος θεμελίωσης". Πράγματι, αν ικανοποιούνται σε επαρκή βαθμό οι ανωτέρω προϋποθέσεις, η έδραση με μεμονωμένα πέδιλα αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τρόπο θεμελίωσης έργων χωρίς "ιδιαίτερες απαιτήσεις". Στην περίπτωση που δεν ικανοποιούνται κάποιες από τις ανωτέρω προϋποθέσεις, θα πρέπει να διερευνηθούν εναλλακτικές μέθοδοι θεμελίωσης ή, τέλος, να μετατεθεί η θέση του έργου, μια απόφαση που μερικές φορές είναι ίσως η προσφορότερη αν δεν υπάρχει κάποια δέσμευση ως προς τη συγκεκριμένη επιλογή της θέσης. Οι εναλλακτικές μέθοδοι θεμελίωσης μπορεί να είναι είτε η επιλογή άλλου τρόπου επιφανειακής θεμελίωσης είτε η βελτίωση των μη ανθεκτικών επιφανειακών στρώσεων είτε, τέλος, η θεμελίωση σε μεγαλύτερο βάθος όπου υπάρχουν επαρκώς ανθεκτικές στρώσεις Κατασκευαστικές διατάξεις μεμονωμένων πεδίλων Το πέδιλο λειτουργεί σαν ανεστραμμένος πρόβολος, με φόρτιση από κάτω προς τα πάνω. Επειδή η ακαμψία του πεδίλου, κατά κανόνα, είναι ισχυρή, οι τάσεις του εδάφους είναι σχεδόν γραμμικές και σε περίπτωση συμμετρικού (ως προς το υποστύλωμα) πεδίλου, ορθογωνικές. Οι τάσεις του εδάφους αποτελούν και τη φόρτιση του πεδίλου που λειτουργεί σαν πλάκα και παραμορφώνεται με τον τρόπο που απεικονίζεται στο Σχήμα Η πραγματική παραμόρφωση είναι της τάξης χιλιοστού και δεν φαίνεται με το μάτι, αλλά είναι πάντοτε αυτής της μορφής. Ο οπλισμός του πεδίλου τοποθετείται στην κάτω πλευρά του και προς τις δύο διευθύνσεις x και y. Η αγκύρωση των οπλισμών του υποστυλώματος μέσα στο πέδιλο μπορεί να είναι ευθύγραμμη, ή με άγκιστρο 90 ο στο άκρο. Το είδος αγκύρωσης εξαρτάται από το ύψος του πυθμένα του πεδίλου, από τη στάθμη πάκτωσης του υποστυλώματος, που συνήθως είναι το άνω σημείο των συνδετηρίων δοκών που συντρέχουν. Το ύψος αυτό, τις περισσότερες φορές είναι αρκετό για να επαρκεί η ευθύγραμμη αγκύρωση. Πρακτικά, η ανάγκη αγκίστρων στη βάση των υποστυλωμάτων τίθεται κυρίως στην περίπτωση κοιτοστρώσεων χωρίς ενισχύσεις, όταν το πάχος της ενιαίας πλάκας είναι σχετικά μικρό. 23

29 Σχήμα 3.15: Τάσεις εδάφους και παραμόρφωση μεμονωμένου πεδίλου Ο οπλισμός είναι ο ίδιος τόσο για τα εύκαμπτα, όσο και για τα δύσκαμπτα πέδιλα, είτε αυτά είναι κεντρικά, είτε έκκεντρα (Σχήμα 3.16). Σχήμα 3.16: Όπλιση μεμονωμένου πεδίλου Ο οπλισμός του πεδίλου είναι ένα ορθογωνικό πλέγμα, του οποίου η πυκνότητα και η διάμετρος των ράβδων προς τις δύο διευθύνσεις, μπορούν να είναι διαφορετικές. Η κάμψη των ράβδων στα άκρα, βοηθά στην αγκύρωση του οπλισμού. Ένας πρακτικός κανόνας επιβάλει, η ελάχιστη διάμετρος ράβδου πεδίλου να είναι Ø12 και η μέγιστη επιτρεπόμενη απόσταση μεταξύ των ράβδων, 150 mm. Σε κάποιες περιπτώσεις, το πέδιλο μπορεί να έχει οπλισμό με πλέγμα και στην πάνω πλευρά (Σχήμα 3.17). Σε κάποιες άλλες περιπτώσεις, το πέδιλο μπορεί να έχει και οπλισμό διάτρησης, που η πιο συνηθισμένη περίπτωση είναι με περιμετρικό κλωβό συνδετήρων (Σχήμα 3.18). Η διάτρηση είναι κατάσταση ανάλογη της διάτμησης (λοξός εφελκυσμός), η οποία αναπτύσσεται σε όλη την περίμετρο του υποστυλώματος. Η διάτρηση είναι ένας τύπος ολίσθησης του υποστυλώματος, με την προέκταση ενός κώνου, που έχει κλίση ως προς την οριζόντιο της τάξης των 35 ο, όπως φαίνεται στο. Το πρώτο σκέλος του συνδετήρα πρέπει να 24

30 απέχει από την παρειά του πεδίλου το πολύ 0.5d και το τελευταίο το πολύ 1.25d του πεδίλου. Σχήμα 3.17: Μεμονωμένο πέδιλο με οπλισμό πάνω και κάτω Σχήμα 3.18: Αντιμετώπιση διάτρησης μεμονωμένου πεδίλου με κλωβούς συνδετήρων Στο Σχήμα 3.19 για ένα πέδιλο 2,5x2,5m με υποστύλωμα 0,4x0,4m φαίνονται οι διατομές και οι πυκνότητες των οπλισμών του (συμπεριλαμβανομένου του οπλισμού διάτρησης): Τέλος, ισχύουν οι ακόλουθοι κανόνες όσον αφορά τις διαστάσεις του πεδίλου καθώς και τον οπλισμό τους: α) Ελάχιστη διάσταση πεδίλου σε κάτοψη 1.0x1.0m. β) Ελάχιστο συνολικό ύψος πεδίλου d=50cm, πλευρικό ύψος d/3 20cm. γ) Η ονομαστική (συνολική = ελάχιστη + 5mm) επικάλυψη των οπλισμών στη βάση του πεδίλου είναι: 45mm, σε περίπτωση διαμόρφωσης του εδάφους με gross-beton 80mm, σε περίπτωση απευθείας σκυροδέτησης σε μη διαμορφωμένο έδαφος 25

31 δ) Οι ελάχιστες διαστάσεις οπλισμών συνιστάται να είναι Ø14/25 (ράβδοι Ø14 ανά 25cm). Συνιστάται επίσης η χρήση μεγαλύτερων διαμέτρων όταν το έδαφος θεμελίωσης παρουσιάζει έντονη υγρασία για την αποφυγή οξείδωσης. ε) Οι οπλισμοί του υποστυλώματος πρέπει να κατέρχονται μέχρι τη βάση του πεδίλου, όπως βέβαια και οι αντίστοιχοι συνδετήρες. Σχήμα 3.19: Μεμονωμένο πέδιλο με οπλισμό διάτρησης Επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού μεμονωμένων πεδίλων Τα δεδομένα στο πρόβλημα του σχεδιασμού ενός μεμονωμένου πεδίλου είναι: Τα φορτία που μεταβιβάζει το υποστύλωμα ή τοιχίο. Τα φορτία αυτά είναι αξονικές δυνάμεις Ν, τέμνουσες δυνάμεις V και καμπτικές ροπές M x, M y. Αξίζει να σημειωθεί ότι λόγω του τρόπου επίλυσης της ανωδομής ενός κτιρίου, σαν δεδομένα προκύπτουν διάφορες ομάδες φορτίων (Ν, V, M x -M y ) ανάλογα με τον ελεγχόμενο συνδυασμό στατικής (λειτουργίας και αστοχίας) και δυναμικής (σεισμός) φόρτισης. Οι διαστάσεις του υποστυλώματος ή τοιχίου. Τα εδαφοτεχνικά στοιχεία στην εξεταζόμενη θέση. 26

32 Και τα ζητούμενα είναι τα εξής: Οι διαστάσεις του πεδίλου σε κάτοψη (πλάτος μήκος) και τομή (στατικό ύψος). Οι αναγκαίοι οπλισμοί. Η γενική πορεία επίλυσης που ακολουθείται για τα μεμονωμένα πέδιλα περιλαμβάνει τα στάδια που παρουσιάζονται στο Σχήμα Σχήμα 3.20: Γενική πορεία επίλυσης και έλεγχοι μεμονωμένων πεδίλων Στον έλεγχο σε ολίσθηση πρέπει η αντοχή σε ολίσθηση H R να είναι μεγαλύτερη από τα οριζόντια φορτία, ενώ ο έλεγχος σε άνωση δεν είναι κρίσιμος για τα μεμονωμένα πέδιλα, σε αντίθεση με τις υπόγειες κατασκευές κλειστού τύπου (δεξαμενές, υπόγεια με γενική κοιτόστρωση κτλ.), όπου θεωρείται κρίσιμος. Όσον αφορά τη φέρουσα ικανότητα θα πρέπει η επιτρεπόμενη τάση να είναι μεγαλύτερη από την αναπτυσσόμενη, ενώ σχετικά με τις καθιζήσεις (μεμονωμένες και διαφορικές) πρέπει να μην υπερβαίνουν τα σχετικά όρια. Τέλος, ο έλεγχος του σώματος θεμελίωσης σε κάμψη, διάτμηση και διάτρηση γίνεται με τον ίδιο συνδυασμό φορτίων Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα μεμονωμένων πέδιλων Η χρήση μεμονωμένων πεδίλων αλλά και γενικώς επιφανειακών θεμελιώσεων στις κατασκευές έχουν τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα. Στα πλεονέκτημα τους συγκαταλέγονται τα εξής: Είναι οικονομικά αποδοτικές κατασκευές και επομένως προσιτές, ιδιαίτερα τα μεμονωμένα πέδιλα όπου απαιτείται και λιγότερο σκυρόδεμα για την κατασκευή τους 27

33 Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους είναι συγκεκριμένα και εύκολα διαθέσιμα (σκυρόδεμα, χάλυβας) Η διαδικασία κατασκευής τους είναι σχετικά απλή και Δεν απαιτείται έμπειρο εργατικό δυναμικό Στα μειονεκτήματα τους περιλαμβάνονται: Εμφανίζουν σημαντικές καθιζήσεις (μεμονωμένες και διαφορικές) Υπόκεινται πάντοτε σε καταπόνηση λόγω ροπής, στρέψης και εφελκυσμού και Η κατασκευή τους είναι προβληματική σε περιπτώσεις εδαφών με ανώμαλη επιφάνεια Μέθοδοι ενίσχυσης μεμονωμένων πεδίλων Το θέμα της ενίσχυσης των θεμελιώσεων των κατασκευών παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια αυξημένο ενδιαφέρον, καθώς, παρατηρείται ολοένα και εντονότερη η ανάγκη για τη διατήρηση, στερέωση,ανάδειξη και επανάχρηση παλαιών κατασκευών. Η αστοχία μιας θεμελίωσης και η επακόλουθη πρόκληση βλαβών στην ανωδομή, συνήθως προκαλούνται από: Την υπέρβαση της φέρουσας ικανότητας του εδάφους Την ανάπτυξη μεγάλων καθιζήσεων (και ειδικότερα διαφορικών καθιζήσεων) εξαιτίας της στερεοποίησης μαλακών και συμπιεστών αργιλικών στρώσεων ικανού πάχους Μεγάλες οριζόντιες μετακινήσεις, κοντά σε φυσικά πρανή ή στο μέτωπο εκσκαφών Εκτός των κλασσικών αυτών περιπτώσεων, συναντάται στη πράξη μια πολύ μεγάλη ποικιλία αιτιών που προκαλούν μετακινήσεις η ακόμα την αστοχία της, θεμελίωσης, όπως η διάνοιξη υπογείων έργων, η γήρανση και εξασθένηση των θεμελίων ή και η συμπύκνωση χαλαρών επιχωματώσεων. Ανεξαρτήτως όμως, των αιτιών στα οποία οφείλονται οι μετακινήσεις των θεμελιώσεων, έχει παρατηρηθεί ότι αποτελούν τη συχνότερη αιτία πρόκλησης βλαβών σε κτιριακά και άλλα τεχνικά έργα. Γενικά δεν υπάρχει αποδεκτό κριτήριο επιβολής ενίσχυσης των θεμελιώσεων. Ωστόσο προτείνεται ενίσχυση της θεμελίωσης ενός έργου όταν: Το έργο παρουσιάζει σοβαρές βλάβες οφειλόμενες σε μετακινήσεις των θεμελίων οι οποίες συνεχίζονται Οι βλάβες δεν είναι ακόμα σοβαρές, αλλά ο ρυθμός των καθιζήσεων αυξάνεται ή είναι υψηλός Οι καθιζήσεις έχουν μεν περιοριστεί, αλλά η κατάσταση της θεμελίωσης δικαιολογεί σοβαρή ανησυχία στην περίπτωση πρόσθετων επιπονήσεων Στην περίπτωση των μεμονωμένων πεδίλων οι τρόποι ενίσχυσης και επισκευής που εφαρμόζονται είναι οι ακόλουθοι: 1. Ενίσχυση με αύξηση του ύψους του πεδίλου 28

34 2. Ενίσχυση με αύξηση των διαστάσεων του πεδίλου 3. Μεγέθυνση των πεδίλων 4. Κατασκευή νέων θεμελίων 5. Αύξηση της ασφάλειας έναντι ανατροπής και ολίσθησης Ενίσχυση με αύξηση του ύψους του πεδίλου Η εφαρμογή αυτού του είδους ενίσχυσης επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός μανδύα από σκυρόδεμα που τοποθετείται πάνω από το παλιό πέδιλο αυξάνοντας το ύψος αλλά όχι το μέγεθος του. Το δυσκολότερο κομμάτι της εργασίας είναι η επίτευξη συνοχής και απόλυτης συνεργασίας μεταξύ του παλιού και του νέου σκυροδέματος. Ακολουθούν κάποιες βασικές συστάσεις για την βελτίωση την συνάφειας στην διεπιφάνεια. Απαιτείται: Καθαίρεση του αποδιοργανωμένου σκυροδέματος Διαμόρφωση κοιλοτήτων για τον καλύτερο εγκιβωτισμό του νέου υλικού, δημιουργία δηλαδή «φωλιών» στη διεπιφάνεια αλλά και τοποθέτηση βλήτρων που να εξασφαλίζουν τη καλύτερη συνεργασία του παλιού υλικού με το νέο (Σχήμα 3.21, αριστερά) Ανακάλυψη των οπλισμών και αγρίεμα της διεπιφάνειας Συμπληρωματική μηχανική εκτράχυνση της διεπιφάνειας με αμμοβολή Έκπλυση της διεπιφάνειας με άφθονο νερό υπό πίεση για να φύγει η σκόνη και διαβροχή του υπάρχοντας σκυροδέματος μέχρι κορεσμού πριν τη διάστρωση Διατήρηση της επιφανείας του στοιχείου συνεχώς σε υγρή κατάσταση μετά την αποπεράτωση της σκυροδέτησης με βρεγμένες λινάτσες Η πυκνότητα του οπλισμού να επιτρέπει τη διέλευση των χοντρών αδρανών και η συμπύκνωση του νέου σκυροδέματος να είναι σωστή Το νέο σκυρόδεμα να έχει αντοχή μεγαλύτερη τουλάχιστον από 5 ΜΡa (ή 10 ΜΡa σύμφωνα με τις συστάσεις του ΕΜΠ) ώστε τα χαρακτηριστικά συνάφειας και συνοχής στην επιφάνεια να αναπτυχθούν καλύτερα Η διάμετρος των αδρανών του νέου σκυροδέματος δεν πρέπει να ξεπερνά τα 2 cm Το νέο σκυρόδεμα πρέπει να χαρακτηρίζεται από ρευστότητα, διεισδυτικότητα και πλαστικότητα Ο μανδύας σκυροδέματος πρέπει να καλύπτει το μισό του ύψους του πεδίλου και να περιλαμβάνει πάντοτε κλειστούς συνδετήρες με ελάχιστο το Φ12/10 (Σχήμα 3.21, κέντρο) Η παρούσα μέθοδος εφαρμόζεται κυρίως για την αντιμετώπιση βλαβών σε υποστυλώματα του κατώτερου ορόφου μιας κατασκευής. Σε περίπτωση που ενισχύεται με μανδύα το υπερκείμενο του θεμελίου υποστύλωμα, επιβάλλεται ο μανδύας αυτός μαζί με τους νέους οπλισμούς να συνεχίζεται και να καλύπτει ένα ποσοστό του πεδίλου. Απαιτείται τοποθέτηση οριζόντιων συνδετήρων με ελάχιστο Φ12/10. Επίσης ο μανδύας πρέπει να 29

35 συνεχίζεται πέραν του σημείου συνδέσεως του υποστυλώματος με το πέδιλο, ώστε οι οπλισμοί να έχουν το απαιτούμενο μήκος αγκύρωσης (Σχήμα 3.21, κέντρο και δεξιά). Σχήμα 3.21: Τοποθέτηση βλήτρων (αριστερά) Αγκύρωση μανδύα μέσα στο πέδιλο (κέντρο & δεξιά) Ενίσχυση με αύξηση των διαστάσεων του πεδίλου Η εφαρμογή αυτή έχει άμεση σχέση με την προηγούμενη καθώς η μέθοδος διεκπεραίωσης της εργασίας είναι παρόμοια. Η εφαρμογή διευκολύνεται στην περίπτωση αύξησης των διαστάσεων του πεδιλού με μανδύα ταυτόχρονα με την κατασκευή μανδύα του υπερκείμενου υποστυλώματος με ενιαίο τρόπο. Συνεπώς, στην περίπτωση που αυξάνεται και η διατομή του υποστυλώματος και του πεδίλου, οι πρόσθετες τάσεις του εδάφους λόγω αύξησης του πεδίλου εξισορροπούνται από τις λοξές δυνάμεις στο νέο μανδύα του υποστυλώματος. Ο περιμετρικός μανδύας πού δημιουργείται στη βάση του θεμελίού χρησιμεύει στη μεταφορά των πρόσθετων κατακόρυφων αντιδράσεων του εδάφους και των λοξών δυνάμεων στο μανδύα του πεδίλου. Γι αυτό επιβάλλεται ισχυρή όπλιση με επαρκή αγκύρωση στην περιοχή καθώς και επαρκή μετρά διατμητικής σύνδεσης (π.χ. βλήτρα) (Σχήμα 3.22). Στην περίπτωση πού δεν γίνεται ταυτόχρονη ενίσχυση του υποστυλώματος μαζί με το πέδιλο η πίεση του εδάφούς, που ασκείται στο ενισχυμένο τμήμα του πεδίλου πρέπει να μεταβιβαστεί απευθείας στο υπάρχον πέδιλο (Σχήμα 3.23). Αυτή η μεταβίβαση επιτυγχάνεται με βλήτρα ή με κάποιες πρότυπες μεταλλικές διατομές που τοποθετούνται κάτω από τα άκρα του υπάρχοντος πεδίλου. Το νέο τμήμα του πεδίλου επεκτείνεται και κάτω από το παλαιό πέδιλο, ώστε οι εδαφικές πιέσεις να μεταφερθούν απευθείας στο παλιό πέδιλο. Η διάταξη αυτή παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες ως προς την εφαρμογή της αφού απαιτείται η περιμετρική εκσκαφή κάτω από το παλιό πέδιλο και επιπλέον χρειάζεται προσωρινή στήριξη σε αυτήν την περιοχή με μεταλλικές διατομές, οι οποίες τελικά ενσωματώνονται στο νέο στοιχείο. Για το λόγο αυτό η συγκεκριμένη εφαρμογή δεν προτάσσεται. Η αύξηση του ύψους του πεδίλου πρέπει να είναι τόση ώστε να επιτυγχάνεται αύξηση της ακαμψίας τού πεδίλου, 30

36 ομοιόμορφη διανομή των τάσεων του εδάφους αλλά και μείωση των απαιτήσεων του πεδίλου για οπλισμό. Σχήμα 3.22: Επέμβαση με ενίσχυση του φέροντος κατακόρυφου στοιχείου Σχήμα 3.23: Επέμβαση χωρίς ενίσχυση του φέροντος κατακόρυφου στοιχείου Μεγέθυνση των πεδίλων Εκτός από την ενίσχυση του υπάρχοντος πεδίλου με τη χρήση μανδύα σκυροδέματος υπάρχει και η δυνατότητα κατασκευής ενός κύβου σκυροδέματος κάτω από την υπάρχουσα θεμελίωση (Σχήμα 3.24). Κατασκευή νέων θεμελίων Επειδή είναι αρκετά συχνή η περίπτωση προσθήκης επιπλέον ορόφων σε μια κατασκευή, απαραίτητη είναι η κατασκευή νέων θεμελίων καθώς πρέπει να αναλάβουν τα πρόσθετα φορτία. Σε αυτές τις περιπτώσεις εκατέρωθεν του παλαιού πεδίλου τοποθετούνται νέες πρόσθετες λωρίδες θεμελίων. Οι λωρίδες αυτές με την βοήθεια διαδοκίδων αναλαμβάνουν τα πρόσθετα φορτία. Στο πρόσθετο θεμέλιο χρησιμοποιούμε ειδικούς πασσάλους διάτρησης ένα μέρος των οποίων δένεται μέσα στο σκυρόδεμα των συνδετήριων δοκών θεμελίωσης (Σχήμα 3.25). Οι πάσσαλοι αυτοί παρουσιάζουν μικρότερη μάζα καθιζήσεως, αλλά επηρεάζουν σε κάποιο βαθμό τα υπάρχοντα θεμέλια λόγω της αναπόφευκτης χαλάρωσης του εδάφους και της αρνητικής τριβής. 31

37 Η τεχνική της προσθήκης νέων θεμελίων είναι η συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη σε περίπτωση βλαβών στο σύστημα θεμελίωσης. Εξαιτίας του γεγονότος αυτού έχουν αναπτυχθεί από ιδιωτικά συνεργεία πολλές πατέντες που περιλαμβάνουν είτε χρήση πασσάλων είτε κιβώτια σκυροδέματος. Σχήμα 3.24: Μεγέθυνση πεδίλου Σχήμα 3.25: Υποστήριξη διαμήκους τοίχου υπογείου Αύξηση της ασφάλειας έναντι ανατροπής και ολίσθησης Επειδή η πιθανότητα να υπάρξει ολίσθηση στη στάθμη της θεμελίωσης είναι μεγάλη μπορεί να κατασκευαστεί μίας περιμετρικής ζώνης με οπλισμένο σκυρόδεμα γύρω από το κτίριο στη στάθμη θεμελίωσης - συνδετήριας δοκού. Αλλιώς προτείνεται σε χαμηλό έδαφος και σε επαφή με το χαμηλότερο σημείο των τοίχων κατασκευή χαλινών οπλισμένου σκυροδέματος Παραδείγματα Για τα παρακάτω παραδείγματα φόρτισης μεμονωμένων πεδίλων χρησιμοποιήθηκε το τυπολόγιο του Eurocode 7: 32

38 Αστράγγιστη φόρτιση EUROCODE 2004 (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης) (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται πάνω από τη στάθμη θεμελίωσης) s c = συντελεστής μορφής της θεμελίωσης i c = συντελεστής κλίσης του φορτίου b c = συντελεστής κλίσης της βάσης έδρασης της θεμελίωσης p 0 =η ολική επιφόρτιση B,L= το ενεργό πλάτος και μήκος της θεμελίωσης H= η συνισταμένη των οριζόντιων φορτίων στη βάση της θεμελίωσης c u = η αστράγγιστη διατμητική αντοχή του εδάφους ω= η κλίση της βάσης του θεμελίου σε ακτίνια γ 1 =το φαινόμενο ειδικό βάρος του εδάφους πάνω από τη στάθμη θεμελίωσης γ 1sat =το αντίστοιχο κορεσμένο ειδικό βάρος πάνω από τη στάθμη θεμελίωσης q= η επιφόρτιση στην επιφάνεια του εδάφους d w = η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα D= το βάθος θεμελίωσης 33

39 Στραγγισμένη φόρτιση,,,,,,, (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης) (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται πάνω από τη στάθμη θεμελίωσης) (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης) (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται σε βάθος μικρότερο από το πλάτος της θεμελίωσης κάτω από τη στάθμη έδρασης) (στην περίπτωση όπου η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα βρίσκεται πάνω από τη στάθμη θεμελίωση, Nc= συντελεστής φέρουσας ικανότητας Nq= συντελεστής φέρουσας ικανότητας Νγ= συντελεστής φέρουσας ικανότητας για το ίδιο βάρος του εδάφους φ'= η γωνία διατμητικής αντοχής του εδάφους sc,sq,sγ= συντελεστές μορφής της θεμελίωσης ic,iq,iγ= συντελεστές κλίσης φορτίου bc,bq,bγ= συντελεστές κλίσης της βάσης έδρασης της θεμελίωσης c'= η ενεργός συνοχή του εδάφους 34

40 H= η συνισταμένη των οριζόντιων φορτίων στη βάση της θεμελίωσης B,L= το ενεργό πλάτος και μήκος της θεμελίωσης m= συντελεστής που εξαρτάται από τις ενεργές διαστάσεις της θεμελίωσης και τη διεύθυνση του φορτίου mb= όταν το οριζόντιο φορτίο είναι κάθετο στη μεγάλη διάσταση της θεμελίωσης (ΗΒ=Η και ΗL=0) ml = όταν το οριζόντιο φορτίο είναι κάθετο στη μικρή διάσταση της θεμελίωσης (ΗL=H και HB=0) m= όταν το οριζόντιο φορτίο σχηματίζει γωνία θ με την μεγάλη διάσταση της θεμελίωσης ω= η κλίση της βάσης του θεμελίου σε ακτίνια γ1=το φαινόμενο ειδικό βάρος του εδάφους πάνω από τη στάθμη θεμελίωσης q= η επιφόρτιση στην επιφάνεια του εδάφους dw= η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα D= το βάθος θεμελίωσης 35

41 ΤΥΠΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΥΔΡΟΦΟΡΟΥ ΟΡΙΖΟΝΤΑ 36

42 1 ο Παράδειγμα Να υπολογισθεί το κατακόρυφο φορτίο αστοχίας V ολ μιας τετραγωνικής θεμελίωσης πλάτους Β χ =Β y =2.2m, η οποία μεταφέρει στο έδαφος έκκεντρο φορτίο με εκκεντρότητες e χ =e y =0,2m. Στη βάση της θεμελίωσης ασκούνται οριζόντια φορτία Η χ =Η y =0,1V. Να εξεταστούν δύο περιπτώσεις στάθμης υδροφόρου ορίζοντα: α) d w =1m και β) d w =2,5m. H οριακή φέρουσα ικανότητα για στραγγισμένη φόρτιση σύμφωνα με τις διατάξεις του Eurocode 7 δίνεται από την παρακάτω σχέση: q u 1 scicbc gcdc ( c * Nc ) sqiqbq g qd q ( po * N q ) s i b g d ( * * B* N ) 2 Εφόσον, όμως, πρόκειται για αμμώδες έδαφος (με c=0) και στραγγισμένες και λαμβάνοντας τους συντελεστές b, g και d ίσους με την μονάδα (θεωρώντας ότι η κλίση του φορτίου, της επιφάνειας του εδάφους και της βάσης έδρασης της θεμελίωσης είναι μηδενικές), η παραπάνω σχέση γίνεται τελικά: q u 1 sqiq ( po * N q ) s i ( * * B* N ) 2 Οι συντελεστές N q και Ν γ για γενική μορφή αστοχίας, εφόσον πρόκειται για αμμώδες έδαφος και για φ=35 ο ισούνται με: N q N 2 35 tan 45 * e 2 tan 35 33,3 33,3 1* tan35 45, 2 2* 37

43 Λόγω εκκεντρότητας οι ενεργές διαστάσεις του θεμελίου θα είναι: ' ' Bx By 2.2 2* ex 2.2 2*0,2 1.8 B L 1. 8m s q B 1 sin 1 sin 35 1,57 L B 1 0,3 1 0,3 0,7 L s H H H 0,1 V 0,1 V m B m 2 0,5 0,1* 2 V x y * L 1,8 1,8 1,5 m 1,5* cos 11,8 1, ,5*sin 45 1,5 i q H 1 V B * L * c tan m 1 H V m 1,5 1 0,141 0, 795 i H 1 V B * L * c tan m1 m1 H 1 V 2,5 1 0,141 0, 638 Για την περίπτωση που η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα είναι d w =1m η φέρουσα ικανότητα θα είναι: q u 1460,84kPa 1*19 1*11 * 33,3*1,57 * 0,795 Επομένως: V qu * B* L 1460,84*1,8*1,8 4733, 12kN 1 *1,8*11* 45,2*0,7 *0, ,90 213,94 Για την περίπτωση που η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα είναι d w =2,5m η φέρουσα ικανότητα θα είναι: q u 20* 1883,53kPa 2,5 211* 2 1,8 2,5 3 1,8 1*19 1* 20 * 33,3*1,57 * 0,795 Επομένως: 13,5kN / m V qu * B* L 1883,53*1,8*1,8 6102, 63kN 1 *1,8*13,5* 45,2*0,7 *0, ,97 262,56 2 ο Παράδειγμα Εσωτερικός στύλος 40/40 με κατακόρυφα φορτία V G =600kN και V Q =300kN θεμελιώνεται κεντρικά σε αμμώδες έδαφος με τα εξής χαρακτηριστικά: γ εδ =18kN/m 3, γ sat =20kN/m 3, φ=27 ο. Η στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα συμπίπτει με τη στάθμη έδρασης του πεδίλου. Το βάθος 38

44 θεμελίωσης ισούται με D f =1,5m. Το πέδιλο είναι τετραγωνικό B=L, ορθογωνικής (και όχι τραπεζοειδούς) διατομής ύψους 60cm. Να επιλεγούν οι διαστάσεις πεδίλου. Δίνεται γ w =10kN/m 3. Υπάρχει κεντρική φόρτιση (δεν υπάρχουν ροπές) και η κατασκευή του θεμελίου γίνεται κεντρικά, συνεπώς δεν αναπτύσσονται τυχόν εκκεντρότητες (e B =e L =0). Η αναπτυσσόμενη τάση στο έδαφος δεν πρέπει να υπερβαίνει την επιτρεπόμενη τιμή φέρουσας ικανότητας. Ο έλεγχος φέρουσας ικανότητας του εδάφους σε στατικά φορτία γίνεται με τον συνδυασμό G+Q: V VG VQ 600kN 300kN 900kN H οριακή φέρουσα ικανότητα για στραγγισμένη φόρτιση σύμφωνα με τις διατάξεις του Eurocode 7 δίνεται από την παρακάτω σχέση: q u 1 scicbc gcdc ( c * Nc ) sqiqbq g qd q ( po * N q ) s i b g d ( * * B* N ) 2 Εφόσον, όμως, πρόκειται για αμμώδες έδαφος και λαμβάνοντας τους συντελεστές b, i ίσους με τη μονάδα (θεωρώντας ότι η κλίση του φορτίου, της επιφάνειας του εδάφους και της βάσης έδρασης της θεμελίωσης είναι μηδενικές), ενώ λαμβάνοντας υπόψη και τον υδροφόρο ορίζοντα κάτω από τη στάθμη έδρασης, η παραπάνω σχέση γίνεται τελικά: 1 q u sq * po * N q s * * * B * N 2 q 1 * 2 u sq po * N q s * *( sat w)* B * N Οι συντελεστές N q και Ν γ για γενική μορφή αστοχίας, εφόσον πρόκειται για αμμώδες έδαφος και για φ=27 ο ισούνται με: Ν q =13,199 και Ν γ =12,431. Επίσης, εφόσον πρόκειται για τετραγωνικό θεμέλιο χωρίς εκκεντρότητες με ίδιες διαστάσεις προκύπτει ότι: s q s B 1 sin 1 sin 27 1,45 L B 1 0,3 1 0,3 0,7 L Αντικαθιστώντας τις τιμές αυτές καθώς και τις αντίστοιχες για τις υπόλοιπες παραμέτρους προκύπτει (Β =Β, εφόσον δεν υπάρχουν εκκεντρότητες στην περίπτωση αυτή): q u 1 1,45*18*1,5*13,199 0,7* *(20 10)* B *12,431 q 516,741 43,509* B 2 Η ωφέλιμη φέρουσα ικανότητα θα ισούται: q qu M * D 516,741 43,509* B 20*1,5 q 486,741 43,509* B f 39

45 Καθώς η φόρτιση είναι κεντρική και δεν υπάρχουν ροπές επιλέγεται τετραγωνικό θεμέλιο (B=L). Η αναπτυσσόμενη τάση στη στάθμη έδρασης του πεδίλου πρέπει να είναι μικρότερη από την επιτρεπόμενη (φέρουσα ικανότητα): V V ( B 2e )*( L 2e ) B * L B B L q 486,741 43,509* B 162,247 14,503* B FS 3, ,274 14,503* B 14,503* B 162,247 * B B Και με δοκιμές προκύπτει ότι βέλτιστες διαστάσεις του πεδίλου είναι: Β=L= 2,2m δίνοντας ότι είναι: 104% * (καλή λύση). 40

46 Κεφάλαιο 4 Βαθιές θεμελιώσεις Πάσσαλοι θεμελίωσης 4.1 Γενικά στοιχεία βαθιών θεμελιώσεων Ως βαθειά εννοείται κάθε είδους θεμελίωση η οποία δεν πληροί τις προϋποθέσεις κατάταξης στις επιφανειακές θεμελιώσεις. Βαθειά θεμελίωση είναι λοιπόν κάθε δομοστατικό στοιχείο, επιμήκες, του οποίου ο ρόλος είναι να μεταφέρει σε υψομετρικός βαθύτερα στρώματα τα φορτία που εφαρμόζονται στην στέψη του. Με άλλα λόγια, οι βαθιές θεμελιώσεις περιλαμβάνουν όλα τα συστήματα θεμελίωσης, τα οποία μεταφέρουν τα φορτία της κατασκευής σε εδαφικές στρώσεις που βρίσκονται βαθύτερα από τις στρώσεις σε άμεση επαφή με το έργο. Η εισαγωγή και μεταβίβαση των φορτίων είναι δυνατό να γίνει τόσο κατά σημεία (πάσσαλοι) όσο και κατά επιφάνειες (φρέατα, καταδυόμενα κιβώτια). Σε αντίθεση με τους πασσάλους, των οποίων η διάμετρος (συνήθως 0,40 έως 1,0 m) είναι κατά πολύ μικρότερη του μήκους τους (κατά τον λόγο 1:20 έως 1:40), τα φρέατα χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάμετρο που κατά κανόνα υπερβαίνει το 1,50m, το μήκος τους όμως δεν ξεπερνά τα 12,0m (Σχήμα 4.1). Τα φρέατα προτιμώνται έναντι των πασσάλων στις ακόλουθες περιπτώσεις: τα προς παραλαβή από το έδαφος φορτία της κατασκευής έχουν μεγάλο μέγεθος και σημειακό χαρακτήρα εντοπίζεται εδαφικό στρώμα με ικανοποιητικά μηχανικά χαρακτηριστικά σε σχετικώς μικρό βάθος το φέρον στρώμα περιέχει κροκάλες και λίθους, δεν παρουσιάζει όμως ιδιαίτερες δυσκολίες κατά την εκσκαφή, ενώ η ευστάθεια των μετώπων της μπορεί να εξασφαλισθεί με σχετική οικονομία ο υδροφόρος ορίζοντας βρίσκεται κάτω από την προβλεπόμενη στάθμη έδρασης του φρέατος Οι πάσσαλοι και τα φρέατα διαφέρουν ως προς την γεωμετρία, κυρίως όμως ως προς τον τρόπο κατασκευής τους: τα φρέατα υλοποιούνται πάντοτε μέσω εκσκαφής και ανπστήριξης των παρειών τους, ενώ οι πάσσαλοι μορφώνονται με εκσκαφή (ενδεχομένως αντιστηριζόμενη) ή κατασκευάζονται εκτός της τελικής τους θέσης και εμπηγνύονται στη συνέχεια στο έδαφος με στατικές ή δυναμικές τεχνικές. Ένας "κοντός" πάσσαλος λοιπόν και ένα φρέαρ δε διαφέρουν, απλώς το φρέαρ είναι ευκολότερα κατασκευάσιμο αφού τα εκσκαπτικά μέσα που απαιτούνται είναι απλούστερα, ώστε το κόστος να είναι χαμηλότερο. Το κύριο πλεονέκτημα των φρεάτων έναντι των πασσάλων βρίσκεται στη δυνατότητα που 41

47 παρέχουν για άμεση επιθεώρηση του πυθμένα και των παρειών της εκσκαφής, όπως και για ελεγχόμενη ποιότητα σκυροδέτησης. Σχήμα 4.1: Τεχνολογίες κατασκευής των φρεάτων Τα καταδυόμενα κιβώτια διαφέρουν από τα φρέατα όχι τόσο ως προς τη γεωμετρία, όσο ως προς τον τρόπο κατασκευής και το εδαφικό περιβάλλον: πρόκειται για μεγάλων διαστάσεων βαθιές θεμελιώσεις, οι οποίες προκατασκευάζονται συνήθως στην εδαφική επιφάνεια και στη συνέχεια βυθίζονται σταδιακά μέσω εκσκαφής εκ των έσω και ταυτόχρονη απώθηση του νερού (εάν εμφανίζεται υδροφόρος ορίζοντας) (Σχήμα 4.2). Μπορεί να έχουν τη μορφή ανοικτών ή κλειστών κιβωτίων ή να είναι πνευματικά, δηλ. να έχουν ανοικτό κάτω άκρο και αεροστεγή οροφή, ώστε ο δημιουργούμενος χώρος στον πόδα τους να βρίσκεται υπό συνθήκες πεπιεσμένου αέρα, επιτρέποντας έτσι την παρουσία ανθρώπινου δυναμικού για εκτέλεση εργασιών εκσκαφής με ελεγχόμενη ασφάλεια. Τα κάτω κλειστά κιβώτια χρησιμοποιούνται συνήθως σε θαλάσσια έργα (λιμένες, θαλάσσιες εξέδρες κ.α.). Γι αυτό κατασκευάζονται σε παράκτια ζώνη και στη συνέχεια μεταφέρονται με επίπλευση στην τελική τους θέση όπου βυθίζονται, καθώς το εσωτερικό τους κενό πληρούται με αδρανή, σκυρόδεμα ή και νερό. Η έδραση τους στον θαλάσσιο πυθμένα απαιτεί προετοιμασία του τελευταίου, ώστε να δημιουργηθεί οριζόντια επιφάνεια ενισχυμένη με διάφορες τεχνικές. 42

48 Σχήμα 4.2: Τεχνολογίες κατασκευές καταδυόμενων κιβωτίων Από τα παραπάνω συνεπάγεται ότι η τεχνολογία των βαθιών θεμελιώσεων απαιτεί τεχνογνωσία και βεβαίως εξειδίκευση καθώς δεν είναι πάντοτε υλοποιήσιμη. Υπάρχουν πολλών ειδών λόγοι που επιβάλλουν την εφαρμογή βαθιών θεμελιώσεων, όπως: Ύπαρξη ευαίσθητων ή μικρής αντοχής εδαφικών στρώσεων μεγάλου πάχους, των οποίων η βελτίωση ή η απομάκρυνση είναι αντιοικονομική Εδαφικές στρώσεις μεγάλης κλίσης που ίσως να οδηγήσουν σε σημαντικές άνισες καθιζήσεις Ακανόνιστη διαδοχή των στρώσεων και θύλακες μη ανθεκτικού υλικού με διάφορα πάχη, οι οποίοι μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες διαφορές καθιζήσεων Φορτία ανωδομών γειτονικών κτιρίων που οι τιμές τους απέχουν πολύ μεταξύ τους, με σημαντική αμοιβαία αλληλεπίδραση των τάσεων στο έδαφος θεμελίωσης Έργα στο ανοικτό νερό, όπου απαιτείται τα φορτία να μεταφερθούν με ασφάλεια και οικονομικότητα στο ανθεκτικό έδαφος Ειδικές κατασκευές (π.χ. βάθρα γεφυρών, παράκτιες κατασκευές) Ενδεχόμενο ρευστοποίησης εδάφους κατά τη διάρκεια του σεισμού Οι θεμελιώσεις με πασσάλους αποτελούν την πιο διαδεδομένη μέθοδο βαθιών θεμελιώσεων, κυρίως λόγω της δυνατότητας της εύκολης προσαρμογής τους σε μεγάλο εύρος κατασκευών και εδαφών, η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην περιγραφή και την ανάλυση των χαρακτηριστικών αυτού του συγκεκριμένου είδους θεμελίωσης. 43

49 4.2 Πάσσαλοι θεμελίωσης Εισαγωγικά στοιχεία Οι πάσσαλοι είναι δομικά στοιχεία μεγάλου μήκους και τετραγωνικής ή κυκλικής συνήθως διατομής, τα οποία χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν τα φορτία της κατασκευής σε βαθιές εδαφικές στρώσεις. Πρόκειται για κατακόρυφα στοιχεία μικρής διατομής σε σχέση με τις διαστάσεις των κατασκευών, που κατασκευάζονται με διαφορετικούς τρόπους μέσα στο έδαφος ή μπήγονται σε αυτό, επάνω στα οποία εδράζονται τελικά οι κατασκευές. Από άποψη λειτουργίας, η κύρια διαφορά των πασσάλων θεμελίωσης σε σύγκριση με τις επιφανειακές θεμελιώσεις είναι ότι μέρος του φορτίου, που μπορεί να είναι και το μεγαλύτερο, μεταβιβάζεται στο έδαφος με την παράπλευρη επιφάνεια, ενώ στις επιφανειακές ολόκληρο το φορτίο μεταβιβάζεται με τη βάση έδρασης. Οι θεμελιώσεις με πασσάλους πρωτοεμφανίστηκαν στους προϊστορικούς χρόνους και περιλάμβαναν αρχικά κορμούς δένδρων, τους οποίους οι άνθρωποι συνήθιζαν να εμπήγουν σε μαλακά εδάφη παραλίμνιων περιοχών για να κτίσουν επάνω τους κατοικίες. Αργότερα ολόκληρες πόλεις όπως η Βενετία τον 8 μ.χ. αιώνα και το Άμστερνταμ τον 10 μ.χ. αιώνα κτίστηκαν επάνω σε ξύλινους πασσάλους. Στις μέρες μας το οπλισμένο σκυρόδεμα και ο χάλυβας έχουν αντικαταστήσει σχεδόν πλήρως τη χρήση του ξύλου στην κατασκευή πασσάλων θεμελίωσης και οι χρησιμοποιούμενες διάμετροι, που στους ξύλινους πασσάλους έφθαναν μέχρι 30cm, μπορούν τώρα να ξεπεράσουν ακόμη και τα 3m. Επίσης το μήκος των πασσάλων που στους ξύλινους δεν ξεπερνούσε συνήθως τα 10m, σήμερα μπορεί να φθάσει και τα 100m. Μάλιστα πέρα από την κλασσική μέθοδο της έμπηξης των πασσάλων έχουν αναπτυχθεί και άλλες μέθοδοι κατασκευής πασσάλων με αποτέλεσμα να έχει διευρυνθεί σημαντικά το πεδίο εφαρμογής των πασσάλων θεμελίωσης. Πάσσαλοι θεμελίωσης χρησιμοποιούνται όπου οι επιφανειακές θεμελιώσεις είναι ανεπαρκείς. Όταν η επιφανειακή στρώση του εδάφους είναι κακής ποιότητας (μικρή διατμητική αντοχή και μεγάλη παραμορφωσιμότητα), με αποτέλεσμα να προκύπτουν μεγάλες καθιζήσεις και μικρή φέρουσα ικανότητα των επιφανειακών θεμελίων, τα φορτία μεταφέρονται με πασσάλους σε βαθύτερα στρώματα του εδάφους. Χαρακτηριστικές είναι οι περιπτώσεις χρήσης πασσάλων σε εδάφη όπου ένα στρώμα μαλακής αργίλου / ιλύος υπέρκειται ενός στρώματος πυκνής άμμου, αμμοχάλικου ή βράχου. Πάσσαλοι επίσης χρησιμοποιούνται όταν χρειάζεται να παραληφθούν σημαντικά οριζόντια φορτία που μπορεί να προέρχονται από ωθήσεις γαιών, θαλάσσια κύματα, προσκρούσεις πλοίων, σεισμούς, ανέμους κλπ. Χρησιμοποιούνται ακόμη όταν η θεμελίωση απαιτείται να παραλάβει εφελκυστικές δυνάμεις, που μπορεί να προέρχονται από δυνάμεις άνωσης, από σημαντικές ροπές στη βάση της κατασκευής κλπ. Τέλος υπάρχουν και άλλες ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποίησης πασσάλων, όπως στην περίπτωση που απαιτείται ενίσχυση 44

50 θεμελιώσεων υφιστάμενων κατασκευών που παρουσιάζουν προβλήματα καθιζήσεων (υποθεμελιώσεις), κατασκευή διαφραγματικών τοίχων αντιστήριξης, καθώς και στις περιπτώσεις που υπάρχει κίνδυνος υποσκαφής των επιφανειακών θεμελιώσεων. Σε γενικές γραμμές, η θεμελίωση με πασσάλους θεωρείται αναγκαία στις ακόλουθες περιπτώσεις: το έδαφος υπό την κατασκευή έχει ανεπαρκή αντοχή για να φέρει τα φορτία της ανωδομής μέσω επιφανειακής θεμελίωσης η εδαφική συμπιεστότητα είναι σημαντικά μεγάλη, ώστε να προκύπτουν υπερβολικές καθιζήσεις στην ενδεχόμενη επιφανειακή θεμελίωση η σημαντική διαφοροποίηση της εδαφικής συμπιεστότητας ή η ανομοιόμορφη κατανομή των φορτίων, οδηγούν την επιφανειακλη θεμελίωση σε διαφορικές καθιζήσεις η θεμελίωση υποχρεούται να φέρει σημαντικά θλιπτικά φορτία, άνωση ή σημαντικά οριζόντια φορτία η αποκάλυψη μέσω αβαθούς εκσκαφής ενός στρώματος επαρκής αντοχής αποδεικνύεται τεχνικώς δύσκολη ή αντιοικονομική υπάρχει κίνδυνος αστοχίας λόγω υδραυλικής υποσκαφής, π.χ. σε βάθρο γέφυρας επί ποταμού Άξιο επισήμανσης είναι, επίσης, το γεγονός ότι η χρήση πασσάλων είναι ενδεχόμενο να μη σχετίζεται με την ανάληψη φορτιών, αλλά με τη βελτίωση των εδαφικών ιδιοτήτων, π.χ. μέσω έμπηξης προκατασκευασμένων πασσάλων σε χαλαρό μη-συνεκτικό έδαφος ή την κατασκευή επί τόπου εγχυνόμενων πασσάλων σε ασταθές συνεκτικό έδαφος. Εξάλλου, η τεχνική των χαλικοπασσάλων βελτιώνει την αντοχή και τη συμπιεστότητα του εδάφους, δημιουργεί όμως και ελεγχόμενη αποστράγγισή του. Στο Σχήμα 4.3 παρουσιάζονται τυπικές εφαρμογές των πασσάλων για τη θεμελίωση κατασκευών. Στην περίπτωση θεμελίωσης κτιρίων, οι πάσσαλοι διατάσσονται σε κάνναβο (Σχήμα 4.3α), ενώ στην περίπτωση θεμελίωσης άλλων δομικών κατασκευών, διατάσσονται σε ομάδες ή γραμμικά (Σχήμα 4.3β,γ). Στο Σχήμα 4.3δ, οι πάσσαλοι δε σχετίζονται άμεσα με τη θεμελίωση της κατασκευής, αλλά χρησιμοποιούνται για τη συγκράτηση των πρανών εκσκαφής (πασσαλοδιάφραγμα). 45

51 Σχήμα 4.3: Τυπικές εφαρμογές πασσάλων Κατηγορίες πασσάλων Η ταξινόμηση των πασσάλων σε κατηγορίες γίνεται με διάφορους τρόπους. Ως κριτήριο ταξινόμησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί: α) το υλικό κατασκευής τους (ξύλο, χάλυβας, οπλισμένο σκυρόδεμα), β) η μορφή της διατομής τους (κυκλική, ορθογωνική, πολυγωνική), γ) ο τρόπος μεταβίβασης των δυνάμεων στο έδαφος (πάσσαλοι αιχμής, πάσσαλοι τριβής), δ) ο τρόπος καταπόνησης τους (θλιβόμενοι πάσσαλοι, εφελκυόμενοι πάσσαλοι, καμπτόμενοι πάσσαλοι) και ε) η μέθοδος κατασκευής τοποθέτησης τους (πάσσαλοι έμπηξης, πάσσαλοι εκσκαφής). Ο τελευταίος τρόπος ταξινόμησης ανταποκρίνεται καλυτέρα στη μηχανική συμπεριφορά των πασσάλων, έτσι η χρήση του έχει καθιερωθεί τα τελευταία χρόνια σε παγκόσμια κλίμακα. Με συνδυασμό των άνω κριτηρίων προκύπτουν υποκατηγορίες, όπως π.χ. οι εμπηγνυόμενοι πάσσαλοι κοίλης ή πλήρους διατομής, οι έγχυτοι με χρήση περιστροφικού ή κρουστικού τρυπανιού κλπ. Σε κάθε περίπτωση, όμως, η μέθοδος εγκατάστασης είναι αυτή που έχει την μέγιστη επιρροή στην ανάπτυξη του μηχανισμού μεταφοράς του φορτίου στο έδαφος, και όχι το υλικό κατασκευής. Στη συνέχεια αναλύονται τέσσερις από τις κατηγορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, περιγράφοντας τα διάφορα είδη πασσάλων που περιλαμβάνονται σε κάθε μία από αυτές. Ταξινόμηση με βάση τη μέθοδο κατασκευής Πάσσαλοι έμπηξης: Κύρια ομάδα πασσάλων της κατηγορίας αυτής είναι οι προκατασκευασμένοι πάσσαλοι έμπηξης, οι οποίοι τοποθετούνται στο έδαφος κρουστικά με τη βοήθεια σφύρας. Κατά την έμπηξη, το έδαφος εκτοπίζεται με αποτέλεσμα την 46

52 ανάπτυξη σημαντικών τάσεων κάθετων στη διεπιφάνεια πασσάλου εδάφους, οι οποίες συνήθως αυξάνουν το αξονικό φορτίο που μπορεί να δεχθεί ο πάσσαλος. Στην κατηγορία αυτή υπάρχουν πάσσαλοι οπλισμένου σκυροδέματος τετραγωνικής, κυκλικής ή πολυγωνικής διατομής, χαλύβδινες δοκοί και χαλυβδοσωλήνες μεγάλης διαμέτρου (χρησιμοποιούνται κυρίως για τη θεμελίωση θαλάσσιων και λιμενικών έργων), όπως και ξύλινοι πάσσαλοι (Σχήμα 4.4). Οι πάσσαλοι από σκυρόδεμα έχουν συνήθως τετραγωνική διατομή με πλευρά από 0,25m μέχρι 0,6m, ή πολυγωνική με ανάλογες διαστάσεις. Κατασκευάζονται σε οριζόντια θέση και ο οπλισμός τους υπολογίζεται έτσι ώστε να αντέχει τόσο στα φορτία της ανωδομής, όσο και στις καμπτικές ροπές που αναπτύσσονται λόγω ιδίου βάρους κατά την μεταφοράς τους πριν από την έμπηξη. Η εφαρμογή τους έχει περιοριστεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξή των έγχυτων πασσάλων εκσκαφής, οι οποίοι μπορούν να κατασκευαστούν με αρκετά μεγαλύτερες διαμέτρους και επομένως να παραλάβουν μεγαλύτερα φορτία. Οι χαλύβδινοι πάσσαλοι κατασκευάζονται κυρίως από χαλυβδοσωλήνα μεγάλης διαμέτρου (από 0,6 έως 3,0m) και πάχους 12,5 έως 75 mm. Το κόστος των πασσάλων αυτών είναι πολύ υψηλό και για το λόγο αυτό η χρήση τους περιορίζεται κυρίως σε θαλάσσια και λιμενικά έργα. Σχήμα 4.4: Προκατασκευασμένοι εμπηγνυόμενοι πάσσαλοι (α) κυκλικής διατομής, κοίλοι από σκυρόδεμα, (β) ορθογωνικής διατομής, πλήρεις από σκυρόδεμα, (γ) από χαλυβδοσωλήνα Στα πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας πασσάλων συγκαταλέγονται τα εξής: - είναι δυνατόν να ελέγχονται ως προς την ποιότητα τους πριν από τη μεταφορά τους στον τόπο χρήσης τους - δεν υπόκεινται σε συμπίεση - η κατασκευή τους δεν επηρεάζεται από τον υδροφόρο ορίζοντα - μετά την τοποθέτηση τους μπορεί να προεξέχουν πάνω από την επιφάνεια του εδάφους (χρήσιμο σε περιπτώσεις θαλάσσιων κατασκευών) - αντέχουν σε υψηλά καμπτικά και εφελκυστικά φορτία - μπορούν να μεταφερθούν σε μακρινές αποστάσεις 47

53 Στα μειονεκτήματα των προκατασκευασμένων πασσάλων έμπηξης περιλαμβάνονται τα εξής: - οι μη-αρθρωμένοι πάσσαλοι δε μεταβάλλονται εύκολα σε μήκος - πιθανότητα φθοράς κατά τη μεταφορά τους - δημιουργούνται κραδασμοί και θόρυβος κατά τη μεταφορά τους - η μετατόπιση του εδάφους ίσως να επηρεάσει παρακείμενες κατασκευές - ο σχεδιασμός τους προκύπτει περισσότερο ως αποτέλεσμα των απαιτήσεων μεταφοράς τους και όχι λειτουργίας τους, με αποτέλεσμα τη μη οικονομική κατασκευή Μια ακόμη ομάδα πασσάλων της κατηγορίας αυτής είναι οι πάσσαλοι έμπηξης επιτόπου σκυροδέτησης (Σχήμα 4.5). Η κατασκευή τους περιλαμβάνει την έμπηξη ενός χαλύβδινου σωλήνα (διαμέτρου 0,3 έως 0,6 m) με φραγμένη αιχμή και στη συνέχεια τη σκυροδέτηση του εσωτερικού κενού με οπλισμένο ή άοπλο σκυρόδεμα. Συνήθως ο σωλήνας που χρησιμοποιείται για τη διάνοιξη της οπής αφαιρείται μετά την έγχυση του σκυροδέματος, αλλά μπορεί και να παραμείνει μέσα στο έδαφος ως τμήμα του πασσάλου. Η απόφραξη της αιχμής του σωλήνα διάνοιξης της οπής γίνεται είτε με ένα χαλύβδινο κώνο, ο οποίος παραμένει μέσα στο έδαφος μετά την εξόλκευση του σωλήνα, είτε με μία ποσότητα σκυροδέματος (πάσσαλοι Franki). Σχήμα 4.5: Τα στάδια κατασκευής πασσάλου έμπηξης επιτόπου σκυροδέτησης Στα πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας πασσάλων συγκαταλέγονται τα εξής: - το μήκος τους μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί στις ανάλογες συνθήκες - η είσοδος του υπόγειου νερού μπορεί να αποκλειστεί με τη χρήση ειδικών διατάξεων - μπορεί να επιτευχθεί διαπλάτυνση της βάσης τους - ο θόρυβος και οι κραδασμοί μειώνονται με τη χρήση εσωτερικής σφύρας Στα μειονεκτήματα των προκατασκευασμένων πασσάλων έμπηξης περιλαμβάνονται τα εξής: 48

54 - το σκυρόδεμα δεν μπορεί να ελεγχθεί μετά την έγχυση του - η τοποθέτηση τους μπορεί να επηρεάσει παρακείμενες κατασκευές - το μήκος τους μπορεί να περιοριστεί σε περίπτωση που οι χρησιμοποιούμενες σωληνώσεις πρέπει να εξαχθούν - προκαλούνται ανεπιθύμητοι θόρυβοι και κραδασμοί Πάσσαλοι εκσκαφής (φρεατοπάσσαλοι): Οι πάσσαλοι εκσκαφής κατασκευάζονται σαν έγχυτοι πάσσαλοι από σκυρόδεμα, ενώ σε πολύ ειδικές περιπτώσεις τοποθετούνται έτοιμοι πάσσαλοι σε ανοιγμένες οπές, οι οποίες και σφραγίζονται στη συνέχεια (Σχήμα 4.6). Ο σωλήνας προώθησης εισέρχεται με υδραυλική πίεση στο έδαφος. Προκειμένου να μειωθεί η πλευρική τριβή, η σωλήνωση περιστρέφεται υδραυλικά περί τον άξονα της. Το εδαφικό υλικό στο εσωτερικό του σωλήνα αφαιρείται και επομένως δεν προκαλείται εκτοπισμός του εδάφους. Σε επικίνδυνα εδάφη πρώτα τοποθετείται η σωλήνωση και κατόπιν ακολουθεί η εκσκαφή, ώστε να αποφευχθούν θραύσεις του εδάφους από έξω προς τα μέσα. Σε διαφορετική περίπτωση η αποτόνωση του εδάφους στη γειτονιά του πασσάλου μπορεί να προκαλέσει μείωση της αντοχής και καθιζήσεις στην επιφάνεια. Η σωλήνωση προώθησης δεν είναι κλειστή και συνεπώς το νερό του εδάφους εισέρχεται στο εσωτερικό της. Η τήρηση σταθερά σε υψηλότερο επίπεδο της στάθμης του νερού στο εσωτερικό του σωλήνα παράγει πτώση της πίεσης του από μέσα προς τα έξω και συνεπώς αποτρέπει υδραυλικές θραύσεις των τυχόν στρώσεων λεπτόκοκκης άμμου, από τις οποίες πρέπει να διέλθει ο σωλήνας. Η σκυροδέτηση εκτελείται σύμφωνα με κάποια από τις μεθόδους σκυροδέτησης μέσα στο νερό, κατάλληλη για τον περιορισμένο χώρο που διατίθεται, ενώ η σωλήνωση ανελκύεται κατά τη σκυροδέτηση. Επειδή εντός του νερού το σκυρόδεμα μπορεί μόνο να διαστρωθεί και όχι και να συμπυκνωθεί όπως συνήθως, η απαιτούμενη ποιότητα σκυροδέματος επιτυγχάνεται μόνο με αυξημένο ποσοστό τσιμέντου. Για τον λόγο αυτό κατασκευάζονται και πάσσαλοι διάτρησης από σκυρόδεμα υπό πίεση, στους οποίους το νερό εκτοπίζεται από πεπιεσμένο αέρα που αφενός συμπυκνώνει το σκυρόδεμα και αφετέρου συμβάλλει στην έξοδο της σωλήνωσης. Μέσω της σωλήνωσης προώθησης εισάγονται λεπτότοιχοι σωλήνες, οι οποίοι παραμένουν στο έδαφος και περιβάλλουν το σκυρόδεμα μειώνοντας την αρνητική πλευρική τριβή και προστατεύοντας τον πάσσαλο από διαθρωτικά εδάφη ή νερά. 49

55 Σχήμα 4.6: Τα στάδια κατασκευής επί τόπου έγχυτου πασσάλου Οι έγχυτοι πάσσαλοι πλεονεκτούν έναντι των άλλων τύπων πασσάλων στα ακόλουθα σημεία: - η απουσία δονήσεων τους καθιστά σχεδόν μοναδική λύση σε αστικό περιβάλλον (ακόμη και σε πολύ μικρή απόσταση από υπάρχοντα έργα ή όπου ο χώρος είναι περιορισμένος, όπως π.χ. κατά της υποθεμελίωση υπάρχοντος κτιρίου) - δυνατότητα αναγνώρισης (ακόμη και επόπτευσης σε περίπτωση πασσάλων μεγάλης διαμέτρου) της εδαφικής στρωματογραφίας, καθώς και λήψης δειγμάτων, αλλά και της εκτέλεσης επί τόπου δοκιμών κατά τη διάρκεια υλοποίησης του πασσάλου - δυνατότητα διάτρησης σκληρών εδαφών ή/και εμποδίων (π.χ. παλιών λιθοδομών), κάτι που θεωρείται ανυπέρβλητο στους εμπηγνυόμενους πασσάλους και μάλιστα χωρίς τη χρήση γιγαντιαίων μηχανημάτων - δυνατότητα μόρφωσης τοιχίων με εφαπτομενικούς ή/και αλληλοτεμνόμενους πασσάλους (αντιστηρίξεις) - δυνατότητα υλοποίησης στοιχείων μεγάλου μήκους και διαμέτρου, άρα και υψηλής φέρουσας ικανότητας - δυνατότητα προσαρμογής του μήκους τους στα τοπικά εδαφικά χαρακτηριστικά - δυνατότητα μόρφωσης βολβού στον πόδα τους, στοιχείο το οποίο αυξάνει σημαντικά τη φέρουσα ικανότητα τους - ο οπλισμός των πασσάλων προκύπτει ως αποτέλεσμα της λειτουργίας τους και όχι των απαιτήσεων κατά την εγκατάσταση τους, όπως οι προκατασκευασμένοι, με αποτέλεσμα να είναι οικονομικότεροι. 50

56 Ταξινόμηση με βάση τον τρόπο μεταβίβασης των δυνάμεων στο έδαφος Πάσσαλοι αιχμής: Γενικά ένα τμήμα του φορτίου του πασσάλου μεταβιβάζεται στο έδαφος μέσω της αντίστασης κατά την αιχμή του πασσάλου και το υπόλοιπο μέσω της τριβής κατά την πλευρική του επιφάνεια. Αν η μεταβίβαση του φορτίου επιτυγχάνεται κυρίως με την αντίσταση αιχμής και την πλευρική τριβή στην περιοχή της αιχμής, ο πάσσαλος λέγεται πάσσαλος αιχμής. Στην περίπτωση αυτή επιδιώκεται περιορισμένη και λεία επιφάνεια, ενώ συγχρόνως απαιτείται μεγάλη διατομή. Οι απαιτήσεις αυτές ικανοποιούνται με πασσάλους συμπαγείς, σωληνωτούς ή κιβωτιοειδείς. Η φέρουσα ικανότητα αυξάνει σημαντικά αν αυξηθεί η διατομή και η πλευρική επιφάνεια στην περιοχή της αιχμής. Σχετικά είναι δυνατά τα εξής μέτρα: α) κατασκευή προχύτων πασσάλων με ενισχυμένη αιχμή, β) επισυγκόλληση πτερυγίων σε χαλύβδινους πασσάλους και γ) διεύρυνση του κάτω άκρου εγχύτων πασσάλων. Παρόλα αυτά, τα μέτρα αυτά δεν πρέπει να αυξήσουν τις αντιστάσεις εισόδου των εμπηγομένων πασσάλων στα ανώτερα εδαφικά στρώματα και, συνεπώς, η εφαρμογή τους περιορίζεται μόνο στις περιπτώσεις με μαλακά επιφανειακά εδάφη. Πάσσαλοι τριβής: Όταν το φορτίο του πασσάλου μεταβιβάζεται κύρια μέσω της πλευρικής τριβής, ο πάσσαλος χαρακτηρίζεται ως πάσσαλος τριβής. Στην περίπτωση αυτή απαιτούνται μεγάλες πλευρικές επιφάνειες με σημαντική τραχύτητα, γεγονός που ικανοποιείται με τη χρήση έγχυτων πασσάλων ή χαλύβδινων μορφής δοκού. Όταν η απαιτούμενη πλευρική τριβή μπορεί να ενεργοποιηθεί μόνο σε βαθύτερες, ανθεκτικές, χαλικώδεις ή αμμώδεις στρώσεις, χρησιμοποιούνται κυρίως χαλύβδινοι πάσσαλοι μορφής δοκού με επισυγκολλημένα πτερύγια μορφής δοκού, τα οποία θα έχουν μεγαλύτερο μήκος. Τα τελευταία αυξάνουν σημαντικά την φέρουσα ικανότητα, επειδή το κοκκώδες έδαφος τίθεται υπό ένταση στις σχηματιζόμενες κυψέλες και δημιουργείται βύσμα, ενώ συγχρόνως αυξάνεται η επιφάνεια. Τα ανώτερα μαλακά στρώματα δεν παρουσιάζουν σημαντική αύξηση της αντίστασης κατά την έμπηξη αυτών των ιδιαίτερα μικρών χαλύβδινων διατομών. Πάντοτε πρέπει να επιδιώκεται οι πάσσαλοι να μεταφέρουν τα φορτία τους σε κάποια στρώση επαρκούς αντοχής στην οποία εισδύουν σε αρκετό βάθος. Οι καθιζήσεις αυτών των εδραζομένων πασσάλων παραμένουν σε ανεκτά όρια. Αν όμως το ανθεκτικό έδαφος βρίσκεται σε τέτοιο βάθος, ώστε να είναι αντιοικονομική η παραπάνω λύση, χρησιμοποιείται κατ εξαίρεση η μορφή του αιρούμενου πασσάλου. Τότε τα φορτία των πασσάλων μεταφέρονται κύρια μέσω της πλευρικής τριβής σε βαθύτερες, περισσότερο στερεοποιημένες στρώσεις συνεκτικού εδάφους. Αν και στην περίπτωση αυτή το κέντρο βάρους εισαγωγής των δυνάμεων βρίσκεται βαθύτερα από την αντίστοιχη αβαθή θεμελίωση και οπωσδήποτε το μέτρο συμπίεσης σ αυτό το βάθος είναι αρκετά μεγαλύτερο απ ότι στην επιφάνεια, εμφανίζονται σημαντικές καθιζήσεις που ερμηνεύονται από την αναπόφευκτη καθίζηση των εδαφικών στρώσεων υπό το πρόσθετο φορτίο. Για τους λόγους αυτούς κανονικά πρέπει να αποφεύγεται η αιωρούμενη θεμελίωση. 51

57 Οι προαναφερθέντες μηχανισμοί μεταφοράς των φορτίων προς το έδαφος μέσω των πασσάλων απεικονίζονται στο Σχήμα 4.7. Σχήμα 4.7: Οι μηχανισμοί μεταφοράς φορτίων προς το έδαφος Ταξινόμηση με βάση τον τρόπο καταπόνησης Θλιβόμενοι πάσσαλοι: Καταπονούνται σε κεντρική θλίψη. Χρησιμοποιούνται στις θεμελιώσεις κτιρίων και έργων υποδομής (Σχήμα 4.8). Για λόγους περιορισμού των καθιζήσεων κατασκευάζονται κυρίως σαν πάσσαλοι αιχμής ή τριβής και πρέπει να εισδύουν αρκετά στο ανθεκτικό έδαφος (3,0 m περίπου). Ως θλιβόμενοι πάσσαλοι χρησιμοποιούνται όλα τα είδη εμπηγόμενων πασσάλων ή πασσάλων εκσκαφής με ή χωρίς ενίσχυση του κάτω άκρου. Εφελκυόμενοι πάσσαλοι: Χρειάζονται όταν πρέπει να παραληφθούν και οριζόντιες δυνάμεις, όπως σε έργα αντιστηρίξεων (ωθήσεις γαιών και νερού) ή σε πυργοειδείς κατασκευές (άνεμος) (Σχήμα 4.8). Στην τελευταία περίπτωση προκαλούνται στον αρμό θεμελίωσης ροπές, οι οποίες, ανάλογα με το ύψος του έργου και το περιορισμένο βάρος των πυργοειδών κατασκευών, οδηγούν σε μεγάλες εκκεντρότητες. Οι εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται στην περίπτωση αυτή είναι δυνατόν να μεταβιβαστούν στο έδαφος μόνο με εφελκυόμενους πασσάλους. Μια άλλη περιοχή εφαρμογών είναι τα αγκύρια των τοίχων αντιστήριξης και οι εξασφαλίσεις από την άνωση του πυθμένα των υδραυλικών έργων. Στον τομέα αυτό αναπτύχθηκαν ειδικοί πάσσαλοι, όπως ο πάσσαλος Bauer ή ο πάσσαλος MV. Επειδή η εφελκυστική δύναμη είναι δυνατό να μεταβιβαστεί στο έδαφος μόνο μέσω της πλευρικής τριβής, χρησιμοποιούνται μόνο πάσσαλοι τριβής. Συνεπώς οι πάσσαλοι με μεγάλη και τραχεία επιφάνεια θεωρούνται κατάλληλοι. Ιδιαίτερα πρέπει να αναφερθούν οι έγχυτοι πάσσαλοι από σκυρόδεμα, φυσικά οπωσδήποτε οπλισμένοι, και συχνά εφοδιασμένοι με ενίσχυση του κάτω άκρου, ώστε να αξιοποιηθεί και το βάρος της σχηματιζόμενης χωμάτινης 52

58 στήλης. Παρόλα αυτά, εξαιτίας της μεγάλης επιφάνειας που σχηματίζεται μπορούν να χρησιμοποιηθούν και χαλύβδινοι πάσσαλοι μορφής δοκού. Η απαιτούμενη τραχεία επιφάνεια σχηματίζεται μετά από ένα χρονικό διάστημα λόγω της διάβρωσης. Καμπτόμενοι πάσσαλοι: Μολονότι προτείνεται να καταπονούνται οι πάσσαλοι κυρίως κατά τον άξονα τους, οι καμπτόμενοι πάσσαλοι χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο. Ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται βάθρα ή αγκυρώσεις για την παραλαβή των οριζόντιων δυνάμεων, προκαλούνται αθέλητες εκκεντρότητες στους λοξούς πασσάλους και συνεπώς και καμπτική καταπόνηση που οφείλονται σε καθιζήσεις του εδάφους, στην πάκτωση του άνω άκρου καθώς και σε αναπόφευκτες ανακρίβειες κατά την έμπηξη. Η συνεχιζόμενη ανάπτυξη και χρήση μεγάλων πασσάλων αυξάνει άλλωστε την τάση να χρησιμοποιούνται οι κατακόρυφοι πάσσαλοι για την παραλαβή τόσο οριζόντιων όσο και κατακόρυφων δυνάμεων ή και ροπών. Οι διαστάσεις του πασσάλου δηλ. ο λόγος d/l = διάμετρος προς βάθος είσδυσης καθορίζουν αν ο πάσσαλος θα συμπεριφερθεί δύσκαμπτα (ο οποίος στρέφεται απαραμόρφωτος στο έδαφος), ή σαν δοκός με ελαστική στήριξη. Σχήμα 4.8: Εφελκυστικός και θλιπτικός πάσσαλος Ταξινόμηση με βάση το υλικό κατασκευής Ξύλινοι πάσσαλοι: Χρησιμοποιήθηκαν ήδη από την αρχαιότητα λόγω της εύκολης κατεργασίας τους και μεταφοράς τους, καθώς το ξύλο επιπλέει και μεταφέρεται εύκολα μέσω ποταμών. Οι ξύλινοι πάσσαλοι χαρακτηρίζονται από μεγάλη ελαστικότητα και σημαντική διάρκεια ζωής, εφόσον βρίσκονται μέσα στο νερό και δεν εκτίθενται κατά διαστήματα στο οξυγόνο της ατμόσφαιρας. Εξαιτίας της ανθεκτικότητας στα οξέα που παρουσιάζουν, προσφέρονται για οργανικά εδάφη και διαβρωτικά περιβάλλοντα. Στα πλεονεκτήματα τους συμπεριλαμβάνονται επίσης το σχετικώς χαμηλό κόστος κατασκευής, η απλή προετοιμασία και η εύκολη και ταχεία εκτέλεση. Από την άλλη, μειονέκτημα αποτελεί η ευαισθησία του ξύλου στις φυτικές ασθένειες στο περιβάλλον του νερού των λιμνών, ο κίνδυνος 53

59 καταστροφής του πασσάλου κατά την έμπηξη, η δυσχερής σύνδεση με άλλα στοιχεία της κατασκευής, η συνήθης απόκλιση από την κατακόρυφο, καθώς και το γεγονός ότι έχουν περιορισμένη φέρουσα ικανότητα. Για τα βαρέα εδάφη προσφέρονται λιγότερο, εξαιτίας του κινδύνου μετακίνησης του εδάφους κατά την τοποθέτηση τους. Για λόγους οικονομίας σπάνια χρησιμοποιείται ξυλεία από το εξωτερικό. Συνήθως προτιμάται η βόρεια ξυλεία λόγω της μεγαλύτερης αναλογίας φθινοπωρινού ξύλου και συνεπώς και της αντίστοιχα μεγαλύτερης αντοχής. Για λόγους κόστους σχεδόν δεν χρησιμοποιείται η δρυς. Όταν υπάρχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις μήκους, ανθεκτικότητας στην προσβολή από έντομα κτλ., χρησιμοποιούνται είδη υπερπόντιας ξυλείας. Η ξυλεία από την Β. Αμερική συνδυάζει μεγάλα μήκη με μεγάλες διαμέτρους και είναι ομοιόμορφα αναπτυγμένη. Τα είδη Oregon Pine και Douglas Fir, εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα έχουν και τις ιδιότητες της δρυός, δεν είναι όμως ανθεκτικά στην προσβολή των εντόμων. Όταν χρειάζεται μεγάλη σκληρότητα και αντοχή σε θρυμματισμό (απότμηση) προτιμάται η τροπική ξυλεία, όπως π.χ. η ξυλεία Bongossi της Αφρικής, η οποία υπάρχει σε όλες τις διαστάσεις στο εμπόριο και χρησιμοποιείται για κοινούς πασσάλους, πασσάλους μέσα στο νερό κτλ.. Παρόμοιες εφαρμογές βρίσκουν και τα είδη Basralocus και Demerara Greenheart της Κεντρικής Αμερικής. Όλα αυτά τα είδη δεν προσβάλλονται από τα έντομα, στις θερμοκρασίες όμως υπό το 0 ο γίνονται ψαθυρά και διαρρηγνύονται εύκολα. Η επεξεργασία τους είναι δύσκολη λόγω της σκληρότητας τους, όμως οι σύγχρονες μηχανές επεξεργασίας του ξύλου έχουν επιλύσει τα προβλήματα. Γενικά, προτιμώνται κορμοί ευθύγραμμοι που αναπτύχθηκαν χωρίς συστροφές και ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις ποιότητας της δομικής στρογγυλής ξυλείας των κατηγοριών Ι και ΙΙ. Η μέση διάμετρος πρέπει να προσαρμόζεται στο μήκος του πασσάλου. Βασικά οι πάσσαλοι πρέπει να τοποθετούνται με την κορυφή του δένδρου προς τα κάτω, οπότε με αυτόν το τρόπο δέχεται τις κρούσεις το ανθεκτικότερο τμήμα. Στην αιχμή των ξύλινων στρογγυλών πασσάλων δίνεται πάντοτε η μορφή τετραγωνικής πυραμίδας με ύψος ανάλογο με την ποιότητα του εδάφους. Όσο το έδαφος είναι στερεότερο, τόσο μικρότερο είναι το μήκος της πυραμοειδούς αιχμής, ώστε να μην καταστρέφεται εύκολα η αιχμή κατά την τοποθέτηση. Συνήθως, η αιχμή του πασσάλου δεν εφοδιάζεται με περίβλημα. Μόνο στα πετρώδη εδάφη, χρησιμοποιούνται περιβλήματα από χάλυβα με σφυρήλατη αιχμή. Η αιχμή πρέπει να μορφωθεί με μεγάλη προσοχή και ομοιόμορφα ώστε να συμπέσει με τον άξονα του πασσάλου. Η κεφαλή του πασσάλου προστατεύεται με μια κωνική χαλύβδινη στεφάνη που τοποθετείται εν θερμώ. Επειδή το όριο σήψης σε κατάσταση πλημύρας αντιστοιχεί στη μέση στάθμη του νερού, συνιστάται οι ξύλινοι πάσσαλοι να τελειώνουν κάτω από το σημείο αυτό και να συνεχίζονται με άλλο υλικό προς τα πάνω. 54

60 Χαλύβδινοι πάσσαλοι: Υπάρχουν πολλές μορφές χαλύβδινων πασσάλων. Συχνά εφαρμόζονται διατομές της κανονικής παραγωγής των χαλυβουργείων, όπως τα ελάσματα μορφής δοκού (διπλού ταφ), ή οι σωληνωτοί πάσσαλοι, οι οποίοι είναι χωρίς ραφή εφόσον δεν απαιτείται μεγάλη διάμετρος, Σε διαφορετική περίπτωση χρησιμοποιούνται συγκολλητοί σωλήνες από το εμπόριο. Οι κιβωτιοειδείς πάσσαλοι αποτελούνται από συγκολλούμενα μεταξύ τους ελάσματα, είτε κανονικά είτε ειδικής παραγωγής. Συνήθως χρησιμοποιούνται είτε κανονικές διατομές πασσαλοσανίδων είτε ημιέτοιμα προϊόντα της έλασης πασσαλοσανίδων. Η συγκόλληση εκτελείται πάντα με συγκολλητικές μηχανές, οπότε εξασφαλίζεται ομοιόμορφη ποιότητα των ραφών. Οι ιδιότητες αντοχής των πασσάλων καθορίζονται από την ποιότητα του χάλυβα των αρχικών διατομών. Ανάλογα με τη μορφή χρησιμοποιούνται: α) γενικοί δομικοί χάλυβες, β) χάλυβες πασσαλοσανίδων και γ) χάλυβες σωλήνων χωρίς ραφή. Οι χαλύβδινοι πάσσαλοι έμπηξης παράγονται σε μήκη ως 34,00 m. Τα μήκη αυτά, όμως, δημιουργούν προβλήματα τόσο κατά τη μεταφορά όσο και κατά την έμπηξη, καθιστώντας την μεταφορά τους τελείως αδύνατη. Για το λόγο αυτό, στις περισσότερες περιπτώσεις το μέγιστο χρησιμοποιούμενο μήκος είναι 20,0 m. Η μεγάλη αντοχή του υλικού, η ελαστικότητα, ο ενιαίος ιστός και η υψηλή πλευρική δυσκαμψία, η οποία φυσικά εξαρτάται από τις ροπές αδρανείας, εξασφαλίζουν τους χαλύβδινους πασσάλους από τις καμπτικές καταπονήσεις κατά τη μεταφορά, την τοποθέτηση και τη λειτουργία τους. Τοποθετούνται με οποιαδήποτε κλίση και παραμορφώνονται δύσκολα κατά την κεφαλή ή την αιχμή. Οι κιβωτιοειδείς και σωληνωτοί πάσσαλοι σχεδόν πάντα είναι κάτω ανοιχτοί, δηλ. δεν εφοδιάζονται με ειδική αιχμή. Στα κοκκώδη εδάφη και για πασσάλους με Ø 500 mm σχηματίζεται με την ένταση των εδαφικών στοιχείων ένα βύσμα που λειτουργεί σαν αιχμή. Οι σωληνωτοί και κιβωτιοειδείς πάσσαλοι λειτουργούν κυρίως ως πάσσαλοι αιχμής, ενώ οι πάσσαλοι μορφής δοκού ως πάσσαλοι τριβής. Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα είδη πασσάλων έμπηξης, οι χαλύβδινοι πάσσαλοι είναι δυνατό να επιμηκυνθούν όσο χρειάζεται κάθε φορά. Τα επιμέρους τμήματα του πασσάλου τοποθετούνται σε επαφή, συγκολλούνται και η θέση σύνδεσης καλύπτεται πλήρως με εξωτερικές λεπίδες σύνδεσης. Η διάβρωση αποτελεί ένα πρόβλημα που όμως αμβλύνεται αν ο πάσσαλος πληρωθεί με σκυρόδεμα και εκλεγούν μεγαλύτερα πάχη τοιχωμάτων (χωρίς να ληφθούν υπόψη στον στατικό υπολογισμό), ώστε να υπάρχουν περιθώρια οξείδωσης. Επιπλέον είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί καθοδική επιφανειακή προστασία του πασσάλου. Στα πλεονεκτήματα των χαλύβδινων πασσάλων συγκαταλέγονται η υψηλή αντοχή στην αιχμή και στην κεφαλή, η εύκολη έμπηξη λόγω μικρής αντίστασης κατά τη διείσδυση, η απλή προετοιμασία (στο εργοστάσιο) και η εύκολη σύνδεση με τα στοιχεία της κατασκευής από χάλυβα ή σκυρόδεμα. Ως μειονεκτήματα τους θεωρούνται το υψηλό κόστος (περίπου 55

61 τριπλάσιο των πασσάλων από σκυρόδεμα, ανά τόνο και μέτρο μήκους) και ο κίνδυνος διάβρωσης τους. Πρόχυτοι πάσσαλοι από οπλισμένο σκυρόδεμα: Χρησιμοποιούνται τόσο οι συμπαγείς όσο και οι κοίλες μορφές. Οι συμπαγείς πάσσαλοι από οπλισμένο σκυρόδεμα έχουν τετραγωνική ή ορθογωνική διατομή και σπάνια κυκλική ή πολυγωνική. Το κάτω άκρο είναι ανοικτό ή κλειστό. Πρόκειται, συνήθως για σωλήνες από φυγοκεντρημένο σκυρόδεμα υψηλής αντοχής. Κατασκευάζονται με οποιεσδήποτε σχεδόν διαστάσεις και μήκος, ανάλογα με τις ανάγκες του έργου. Κατά τη μελέτη της σύνθεσης του σκυροδέματος λαμβάνεται υπόψη η ανάγκη ανθεκτικότητας στο νερό και στις υπόλοιπες βλαβερές επιδράσεις. Για το λόγο αυτό η πλακά της πασσαλοεσχάρας μπορεί να βρίσκεται και έξω από το νερό. Η σύνδεση προς την πλακά της πασσαλοεσχάρας των εφελκυόμενων ή θλιβόμενων πασσάλων δεν παρουσιάζει προβλήματα. Κατά την τοποθέτηση τους, η μεγάλη μάζα των πασσάλων προκαλεί σημαντική συμπύκνωση, αν και το μεγάλο βάρος αποτελεί μειονέκτημα, καθώς προκαλεί δυσκολίες κατά το χειρισμό τους. Δύσκολα μετατοπίζονται ή μεταφέρονται, και το μεγαλύτερο πρόβλημα δημιουργεί τότε η κάμψη. Η μεγαλύτερη καταπόνηση του πασσάλου δημιουργείται κατά τη μεταφορά και την ανύψωση πριν την τοποθέτηση του. Το μεγάλο ίδιο βάρος επιβάλλει τη χρήση βαρέος πασσαλοπήκτη και ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στα εδάφη με θύλακες εμποδίων, οπότε ίσως χρειαστεί να χρησιμοποιηθούν πάσσαλοι από άλλο υλικό. Οι πάσσαλοι της κατηγορίας αυτής κατασκευάζονται εργοστασιακά ή εργοταξιακά. Για λόγους οικονομίας ξυλοτύπων η σκυροδέτηση γίνεται κατά περισσότερες θέσεις, εφόσον το έδαφος δεν παρουσιάζει άνισες καθιζήσεις. Στα πλεονεκτήματα της κατηγορίας αυτής των πασσάλων συγκαταλέγονται η ικανοποιητική συμπεριφορά κατά την έμπηξη, η δυνατότητα παραλαβής καμπτικών ροπών (όπως και οι χαλύβδινοι), η υψηλή φέρουσα ικανότητα, η εξαιρετική αντίσταση στη διάβρωση (αναλόγως της ποιότητας του σκυροδέματος) και η εύκολη σύνδεση με τα στοιχεία της κατασκευής. Ως μειονεκτήματα τους θεωρούνται ο σχετικώς δύσκολος χειρισμός τους (οι πάσσαλοι είναι στοιχεία βαριά και εύθραυστα), η δύσκολη κοπή τους όταν είναι οπλισμένοι, το υψηλό κόστος και η δυσκολία στον προσδιορισμό του μήκους τους. Οι κοίλοι πάσσαλοι από οπλισμένο σκυρόδεμα σχεδόν πάντοτε κατασκευάζονται σαν σωλήνες με φυγοκέντρηση, με τη διατομή τους συχνά να λεπταίνει προς την αιχμή (1,5 cm ανά μέτρο μήκους). Ο διαμήκης οπλισμός διαμέτρου 4 έως 5 mm αποτελείται από δύο διασταυρούμενες έλικες, μία εξωτερική και μία εσωτερική. Το βήμα των ελίκων είναι 5 cm στον κορμό και 3 cm στα άκρα. Κοίλοι πάσσαλοι κατασκευάζονται συνήθως με μήκος 4,0 έως 16,0 m, αν και έχουν αναφερθεί περιπτώσεις μήκους πάνω από 30,0 m. Οι άνω διάμετροι φτάνουν τα 30 έως 60 cm και τα αντίστοιχα πάχη τοιχώματος τα 75 έως 100 mm. 56

62 Το πάχος του τοιχώματος καθορίζεται από το μήκος των πασσάλων και τη φόρτιση τους. Οι διάμετροι στην αιχμή μεταβάλλονται κατά 30 cm για επιτρεπόμενες φορτίσεις 200 και 500 kn. Πλεονεκτήματα τον κοίλων πασσάλων αποτελούν το μικρό ίδιο βάρος τους, η αυξημένη λόγω της φυγοκέντρησης ποιότητα σκυροδέματος και η ανθεκτικότητα στις διαβρωτικές επιρροές. Λόγω της μεγάλης αντοχής σε λυγισμό, χρησιμοποιούνται με επιτυχία και ως ελεύθεροι πάσσαλοι μέσα στο νερό. Προεντεταμένοι πάσσαλοι: Οι πάσσαλοι της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται όταν απαιτούνται μεγάλα μήκη, από 14,0 έως 30,0 m. Εφαρμόζονται τετραγωνικές ή ορθογωνικές διατομές ή και μορφής διπλού ταυ σε περίπτωση που επιδιώκεται μείωση του ιδίου βάρους. Η προένταση αποσκοπεί στον περιορισμό της ρηγμάτωσης οπότε και στην εξασφάλιση μεγαλύτερης διαρκείας ζωής. Οι προεντεταμένοι πάσσαλοι κατασκευάζονται είτε εργοστασιακά σε κλίνη προέντασης είτε εργοταξιακά με μια από τις συνηθισμένες μεθόδους. Ο τένοντας τοποθετείται κεντρικά και συνοδεύεται από συνοπλισμό (χαλαρό οπλισμό). Η ενεργός αγκύρωση τοποθετείται για λογούς προστασίας της κατά την έμπηξη στην αιχμή, και καλύπτεται με πρόσθετο σκυρόδεμα. Διατομές ορθογωνικές και μορφής διπλού ταυ προτιμώνται όταν η καμπτική καταπόνηση κατά τη μία διεύθυνση είναι αναπόφευκτη, όπως π.χ. σε πασσάλους με μεγάλη κλίση ή λόγω της ώθησης γαιών πίσω από πασσαλοσανίδες. Για ειδικές περιπτώσεις μεταφορών των πασσάλων αυτών αναπτύχθηκαν σύμμικτοι πάσσαλοι, οι οποίοι αποτελούνται από περισσότερα τμήματα μικρού μήκους που το καθένα τους συνδέεται μέσω κοχλιωτής σύνδεσης ή μούφας με το επόμενο του. Η έμπηξη γίνεται τμηματικά μετά από την εκτέλεση κάθε επιμέρους σύνδεσης. Εξαιρετική προσοχή απαιτείται κατά την προκατασκευή, ώστε η προσαρμογή των τμημάτων να είναι άψογη Μέθοδοι και μηχανήματα τοποθέτησης των πασσάλων Η τοποθέτηση των διαφόρων ειδών πασσάλων πραγματοποιείται είτε με απευθείας έμπηξη στο έδαφος είτε με διείσδυση μέσω δονήσεων, ενώ σε ειδικές περιπτώσεις υποβοηθείται με υδραυλική υποσκαφή (έκπλυση νερού). Η εκλογή των κατάλληλων μηχανημάτων εξαρτάται άμεσα από τον τύπο του πασσάλου, το ίδιο βάρος του, το υλικό του και το έδαφος. Η έμπηξη των πασσάλων στο έδαφος πραγματοποιείται με πασσαλόπηκτες, οι οποίοι χρησιμοποιούν κριό που κινείται με τη βοήθεια ορθοστάτη. Ο ορθοστάτης αναρτάται αρθρωτά από το ικρίωμα του πασσαλοπήκτη ή από γερανό ή από εκσκαφέα εξασφαλίζοντας αφενός την κεντρική και αξονική εισαγωγή του φορτιού με την καθοδήγηση του κριού και αφετέρου την ακρίβεια της θέσης του πασσάλου με την καθοδήγηση του σκούφου κρούσης. Έχουν αναπτυχθεί πολλά διαφορετικά είδη πασσαλοπηκτών: Πασσαλοπήκτες ελεύθερης πτώσης: Ονομάζονται και πασσαλοπήκτες έμμεσης ενέργειας. Ο κριός από χυτοσίδηρο, βάρους 5 έως 30 kn αναρτάται με σχοινί από βαρούλκο, το οποίο 57

63 σχεδόν πάντα είναι μηχανοκίνητο. Ο κριός ανυψώνεται και στη συνέχεια αφήνεται να πέσει ελεύθερα πάνω στον πάσσαλο (ή την πασσαλοσανίδα). Οι πασσαλοπήκτες αυτού του είδους μπορούν να χρησιμοποιηθούν παντού. Η δυνατότητα μεταβολής του ύψους πτώσης και συνεπώς και της ενέργειας έμπηξης επιτρέπει την προσαρμογή σε οποιεσδήποτε συνθήκες. Ατμοκίνητοι πασσαλοπήκτες: Προσφέρονται για πολύ βαριές πασσαλώσεις. Λειτουργούν με ατμό και έχουν ημιαυτόματη ρύθμιση. Τοποθετούνται σε ορθοστάτη άμεσα πάνω στον σκούφο κρούσης και ακολουθούν τον πάσσαλο κατά τη βύθιση του στο έδαφος. Ο βαρύς κύλινδρος του κριού από χυτοσίδηρο ανυψώνεται με την πίεση του ατμού πάνω από το σταθερό έμβολο, καθοδηγούμενος από το βάκτρο του εμβόλου μέχρι το ανώτατο σημείο του. Τότε ο ατμός παύει να διοχετεύεται και ο κριός πέφτει ελεύθερα. Δηζελοκίνητοι πασσαλοπήκτες: Λόγω της μεγάλης δαπάνης παραγωγής ατμού αναπτύχθηκαν πασσαλοπήκτες εσωτερικής καύσης, οι οποίοι αρχικά λειτουργούσαν όπως οι ατμοκίνητοι πασσαλοπήκτες σταθερού εμβόλου. Σήμερα χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά η μέθοδος της κρουστικής εκνέφωσης. Σε αυτήν, ο κοίλος κύλινδρος του πασσαλοπήκτη συνδέεται σταθερά με ένα συμπαγές κρουστικό στοιχείο. Το έμβολο, εφοδιασμένο κάτω με στρογγυλή κεφαλή, συμπιέζει με την πτώση τον αέρα, θέτοντας σε ενέργεια την αντλία έγχυσης καυσίμου και προκαλώντας κατά την πρόσκρουση εκνέφωση του καυσίμου. Τότε, το μίγμα αναφλέγεται σε πλευρικό δακτυλιοειδή χώρο καύσης και το έμβολο ωθείται ξανά προς τα πάνω. Ατμόσφυρες: Στους πασσαλοπήκτες αυτού του είδους, η πλάκα κρούσης συνδέεται αρθρωτά στον βαρύ κύλινδρο από χυτοσίδηρο και το σύνολο εδράζεται άμεσα στον πάσσαλο και παρακολουθεί τη βύθιση του. Στον κύλινδρο κινείται ταχύτατα παλινδρομικό έμβολο διπλής λειτουργίας με περιορισμένο ύψος πτώσης, το οποίο ωθείται διαδοχικά από πάνω και από κάτω με ατμό ή πεπιεσμένο αέρα. Με τον τρόπο αυτό η ενέργεια έμπηξης κάθε κρούσης φτάνει το 5-πλάσιο ή 6-πλάσιο της τιμής που παρατηρείται στους πασσαλοπήκτες ελεύθερης πτώσης για την ίδια μάζα, συνολικά όμως παραμένει περιορισμένη. Δονητικοί πασσαλοπήκτες: Στους πασσαλοπήκτες αυτούς, στρεφόμενες μάζες προκαλούν ημιτονοειδείς ταλαντώσεις, οι οποίες εισάγονται στον πάσσαλο μέσω μιας διάταξης σφιγκτήρων. Η κάθετη προς τον άξονα του πασσάλου προκαλούμενη ταλάντωση μειώνει την πλευρική τριβή. Εφόσον το έδαφος δεν παρουσιάζει σημαντική αντίσταση αιχμής, ο πάσσαλος βυθίζεται υπό την επίδραση του ιδίου βάρους και του στατικού φορτίου του πασσαλοπήκτη. Στα μη συνεκτικά εδάφη τυχόν συμπυκνώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία της μεθόδου. Υδραυλικοί πασσαλοπήκτες: Πρόκειται για πλήρως αυτοματοποιημένους πασσαλοπήκτες με υδραυλική λειτουργία. Το σώμα κρούσης ανυψώνεται μέσω ενός υδραυλικού κυλίνδρου και προσπίπτει υπό πίεση στην πλάκα κρούσης. Το μικρό βάρος της συσκευής επιτρέπει τη 58

64 χρήση ελαφρών φερόντων μηχανημάτων, δεν επαρκεί όμως για να εμποδίσει την εμφάνιση «αναπηδήσεων». Για τον λόγο αυτό κατά την προς τα κάτω επιτάχυνση, το βάρος του πασσάλου μεταβιβάζεται σαν πρόσθετο φορτίο στον πασσαλοπήκτη. Για την τοποθέτηση των πασσάλων και τη στήριξη των πασσαλοπηκτών έχουν αναπτυχθεί διάφορες διατάξεις ανάρτησης των τελευταίων. Οι σημαντικότερες κατηγορίες είναι οι ακόλουθες: Πασσαλοπήκτες σε ικρίωμα Πασσαλοπήκτες σε γερανό Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την απλούστερη μορφή του απλού ικριώματος σε σιδηροτροχιές, την ενδιάμεση μορφή του περιστρεφόμενου ικριώματος και τη σύγχρονη μορφή του ικριώματος γενικής χρήσης. Τα ικριώματα αυτής της κατηγορίας λόγω της εξάρτησης από τη σιδηροτροχιά και λόγω του βάρους τους είναι σχετικά δυσκίνητα. Η εγκατάσταση τους άλλωστε απαιτεί σημαντική προεργασία. Αντίθετα, η δημιουργία του ορθοστάτη που αναρτάται σε γερανό ή ερπυστριοφόρο εκσκαφέα ανέπτυξε έναν τύπο πασσαλοπήκτη, κατάλληλου για κάθε έδαφος Θέση μηχανημάτων πασσαλώσεων και εκτέλεση των εργασιών Η θέση των διαφόρων μηχανημάτων έμπηξης των πασσάλων κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των εργασιών θεμελίωσης διαφοροποιείται ανάλογα με την περίπτωση και μπορεί να είναι είτε στη ξηρά είτε στο νερό. Η έμπηξη από την ξηρά παρέχει την ασφαλέστερη θέση για τα μηχανήματα και επιτρέπει μεγαλύτερη ακρίβεια λόγω της καλύτερης καθοδήγησης του πασσάλου. Εξαιρετική σημασία στην περίπτωση αυτή έχει η κατασκευή του διαδρόμου πορείας των βαρέων ικριωμάτων. Σχεδόν πάντοτε διατάσσονται βαριές σιδηροτροχιές σε εγκάρσιους στρωτήρες, η απόσταση των οποίων καθορίζεται από το βάρος του πασσαλοπήκτη και τις ιδιότητες του εδάφους. Όταν οι εδαφικές συνθήκες είναι ιδιαίτερα αντίξοες χρησιμοποιούνται και διαμήκεις στρωτήρες από χάλυβα, σκυρόδεμα ή και δικτυωτοί. Όταν η έμπηξη πρέπει να εκτελεστεί σε όρυγμα, χρησιμοποιείται όχημα που κινείται κατά μήκος του ορύγματος, ενώ εγκάρσια προς αυτό κινείται ο πασσαλοπήκτης, ο οποίος τοποθετείται πάνω σε αυτό το όχημα. Τέλος, όταν η έμπηξη εκτελείται σε πλαγιές ή απότομες μεταβολές της τοπογραφίας χρησιμοποιείται όχημα με πρόβολο, εφόσον δεν χρησιμοποιηθεί πασσαλοπήκτης-εκσκαφέας ή σε γερανό. Όσον αφορά την έμπηξη μέσα στο νερό, αυτή μπορεί να γίνει είτε από πλωτό μέσο είτε από ανυψούμενη εξέδρα είτε τέλος από ειδικό ικρίωμα. Στην πρώτη περίπτωση, οι πασσαλοπήκτες προσαρμόζονται σε πλωτά μέσα, όπως μαούνες, ρυμουλκά, βάρκες και πλωτήρες βυθοκόρων, οι οποίοι συνδέονται ανά δύο με δύσκαμπτες τραβέρσες ώστε να αυξηθεί η ευστάθεια της πλεύσης. Συχνότερα πάντως χρησιμοποιούνται ειδικοί για τον σκοπό αυτό κατασκευασμένοι πλωτήρες με μεγάλη επιφάνεια και μικρή καρίνα, αυξάνοντας 59

65 με τον τρόπο αυτό την ευστάθεια κατά την έμπηξη. Παρόλα αυτά, μεγαλύτερη ακρίβεια προσφέρει η έμπηξη από ανυψούμενη εξέδρα, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της ελαφριάς και γρήγορης συναρμολόγησης με την ακρίβεια της έμπηξης από ειδικό ικρίωμα. Στην περίπτωση αυτή, ο πασσαλοπήκτης με ικρίωμα γενικής χρήσης ή σε γερανό στηρίζεται σε πλωτήρα εφοδιασμένο με έναν αριθμό σκελών, ο οποίος σύρεται μέχρι τη θέση έμπηξης και στη συνέχεια ανυψώνεται υδραυλικά πάνω στα σκέλη του σε τόσο ύψος, ώστε να μη τον φτάνουν τα κύματα. Τέλος, εκτεταμένες εργασίες πασσαλώσεων (π.χ. λιμενικών έργων) εκτελούνται, εφόσον είναι δυνατόν, με ειδικά ικριώματα, τα οποία όμως οφείλουν να κατασκευάζονται ιδιαίτερα στερεά. Πρόκειται για μία μέθοδο με αυξημένο κόστος κατασκευής, κάτι που αντισταθμίζεται όμως από την καλή απόδοση της και την αξιοπιστία της Επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού πασσάλων θεμελίωσης Στη γενική περίπτωση η μελέτη μιας πασσαλοθεμελίωσης εξετάζει τη συμπεριφορά των πασσάλων σε αξονικά και πλευρικά φορτία και καταλήγει στον προσδιορισμό του απαιτούμενου αριθμού, μήκους, διαμέτρου και ακαμψίας πασσάλων, της διάταξης τους και του τρόπου σύνδεσής τους με την ανωδομή. Η αξονική ανάλυση μιας ομάδας πασσάλων περιλαμβάνει τον υπολογισμό του επιτρεπόμενου φορτίου (θλιπτικού ή εφελκυστικού) και της καθίζησης ενός μεμονωμένου πασσάλου και ολόκληρης της ομάδας των πασσάλων. Η πλευρική ανάλυση περιλαμβάνει τον υπολογισμό της οριζόντιας μετακίνησης της κεφαλής των πασσάλων και κυρίως τον υπολογισμό των φορτίων διατομής (ροπές κάμψης και τέμνουσες δυνάμεις) κατά μήκος των πασσάλων παίρνοντας υπόψη και την αλληλεπίδραση μεταξύ των διαφόρων πασσάλων της ομάδας. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι ενώ στην περίπτωση των επιφανειακών θεμελιώσεων η μελέτη βασίζεται συχνά σε μια κατ εκτίμηση τιμή της επιτρεπόμενης τάσης εδάφους για τη συγκεκριμένη περιοχή χωρίς να προηγηθεί γεωτεχνική έρευνα, στην περίπτωση θεμελίωσης με πασσάλους η διεξαγωγή γεωτεχνικής έρευνας και μάλιστα σε σημαντικό βάθος είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την εκτέλεση της αντίστοιχης μελέτης. Με βάση τα παραπάνω, ως κριτήρια σχεδιασμού των πασσάλων ορίζονται τα εξής: Έλεγχος έναντι υπέρβασης της αξονικής φέρουσας ικανότητας Έλεγχος έναντι υπέρβασης των αποδεκτών καθιζήσεων Έλεγχος έναντι υπέρβασης της αντοχής του πασσάλου (ως δομικού στοιχείου) Έλεγχος έναντι υπέρβασης της εγκάρσιας φέρουσας ικανότητας, των αποδεκτών εγκάρσιων μετακινήσεων και της καμπτικής αντοχής του πασσάλου Για τη μελέτη και την κατασκευή μιας θεμελίωσης με πασσάλους απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η γνώση της φέρουσας ικανότητας (αντοχής) κάθε πασσάλου, δηλ. της 60

66 επιτρεπόμενης φόρτισης που μπορεί να αναλάβει. Με τον τρόπο αυτό και για δοσμένη εξωτερική φόρτιση είναι σε θέση να προσδιοριστεί το πλήθος, η απόσταση και η διάταξη των πασσάλων, δηλ. η μορφή και οι διαστάσεις όλης της θεμελίωσης. Η φέρουσα ικανότητα ενός πασσάλου είναι το οριακό φορτίο που μπορεί να αναλάβει ο πάσσαλος χωρίς να θραυστεί ή να βυθιστεί. Επηρεάζεται από τις διαστάσεις, το μήκος, τη διατομή, το υλικό του πασσάλου, από τη μορφή και την τραχύτητα της επιφάνειας του καθώς και από το έδαφος. Η επιτρεπόμενη φόρτιση, η οποία και χρησιμοποιείται κατά τους υπολογισμούς, λαμβάνεται αν διαιρεθεί η φέρουσα ικανότητα με έναν συντελεστή ασφαλείας n, ο οποίος πρέπει να καλύπτει τις αβεβαιότητες της μεθόδου υπολογισμού, τα σφάλματα στην εκτίμηση των εδαφικών παραμέτρων και τις ατέλειες στην κατασκευή, καθώς επίσης και να περιορίζει την καθίζηση του πασσάλου. Σχετικά με την τιμή που πρέπει να έχει ο συντελεστής ασφαλείας, έχουν διατυπωθεί διάφορες απόψεις. Συνήθως χρησιμοποιούνται τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 1,5 και 3,0 ανάλογα με τον πάσσαλο (αιχμής, τριβής), τις επιτρεπόμενες καθιζήσεις του συγκεκριμένου έργου, το είδος των φορτίων και την πρακτική διενέργειας δοκιμαστικών φορτίσεων επιβεβαίωσης της αναμενόμενης συμπεριφοράς των πασσάλων. Η διαστασιολόγηση των θεμελιώσεων με πασσάλους είναι δυνατόν να είναι αξιόπιστη μόνο όταν οι τιμές της φέρουσας ικανότητας των επιμέρους πασσάλων προκύπτουν είτε υπολογιστικά, με βάση τις πραγματικές εδαφικές παραμέτρους και θεωρίες στατικής των γαιών είτε πειραματικά από δοκιμές φορτίσεων. Η υπολογιστική μέθοδος έχει δυσκολίες λόγω του μεγάλου αριθμού επιρροών που πρέπει να ληφθούν υπόψη καθώς και λόγω των θεωρητικών αβεβαιοτήτων. Για το λόγο αυτό, οι σημερινοί «Κανονισμοί Πασσάλων» περιορίζονται στη χρήση εμπειρικών τύπων. Σημαντικό βήμα κατά τη διαδικασία σχεδιασμού μιας θεμελίωσης με πασσάλους αποτελεί ο υπολογισμός των αναμενόμενων καθιζήσεων και ο έλεγχος, ώστε να μην υπερβαίνουν συγκεκριμένα όρια. Η καθίζηση ενός πασσάλου μπορεί να υπολογιστεί με διάφορες μεθόδους, οι οποίες ποικίλουν από απλές εμπειρικές σχέσεις βασισμένες σε δοκιμαστικές φορτίσεις πασσάλων μέχρι σύνθετες αριθμητικές μεθόδους που λαμβάνουν υπόψη τη μηγραμμική συμπεριφορά του εδάφους. Οι σύγχρονες μέθοδοι υπολογισμού μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες: α) Μέθοδοι ελαστικότητας, οι οποίες θεωρούν το έδαφος ως ελαστικό ημιχώρο β) Μέθοδοι ελατηριακής σταθεράς στις οποίες το έδαφος αντικαθίσταται από μια σειρά αξονικών ελατηρίων κατανεμημένων κατά μήκος του πασσάλου γ) Μέθοδοι πεπερασμένων στοιχείων στις οποίες μπορεί να λαμβάνεται υπόψη η μηγραμμική σχέση τάσεων παραμορφώσεων του εδάφους Τέλος, η σημασία της ανάλυσης των πασσάλων σε οριζόντια φόρτιση έγκειται στο γεγονός ότι καλούνται να παραλάβουν σε ορισμένες περιπτώσεις έντονα σεισμικά φορτία. Το οριακό 61

67 πλευρικό φορτίο που μπορεί να δεχθεί ένας πάσσαλος εξαρτάται τόσο από την αντοχή του εδάφους όσο και από την αντοχή του υλικού του πασσάλου. Στους πασσάλους μικρού μήκους το φορτίο αυτό καθορίζεται από την αστοχία του εδάφους, ενώ στους πασσάλους μεγάλου μήκους από την αστοχία του υλικού του πασσάλου. Αξίζει να επισημανθεί ότι πολύ σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά του πασσάλου διαδραματίζουν οι συνθήκες πάκτωσης της κεφαλής του ( ελεύθερη κεφαλή, η οποία μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα και άκαμπτη κεφαλή, η οποία είναι πλήρως άστρεπτη). Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι ανάλυσης της πλευρικής συμπεριφοράς ενός μεμονωμένου πασσάλου, δηλαδή του προσδιορισμού των μετακινήσεων και της εντατικής κατάστασης κατά μήκος του πασσάλου, είναι: α) η μέθοδος της αντίδρασης του εδάφους, η οποία συνήθως ονομάζεται μέθοδος p-y β) η μέθοδος του ελαστικού ημιχώρου Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα θεμελίωσης με πασσάλους Παραπάνω πραγματοποιήθηκε η αναλυτική παρουσίαση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που έχουν οι διάφορες κατηγορίες πασσάλων (πάσσαλοι έμπηξης και εκσκαφής, πάσσαλοι από ξύλο, χάλυβα και σκυρόδεμα), κυρίως συγκρινόμενοι μεταξύ τους. Σε σχέση τώρα με τις επιφανειακές θεμελιώσεις και συγκεκριμένα με τα μεμονωμένα πέδιλα, οι πάσσαλοι παρουσιάζουν δύο βασικά πλεονεκτήματα. Το πρώτο είναι ότι χαρακτηρίζονται από σημαντικά αυξημένη φέρουσα ικανότητα, καθώς μέσω των πασσάλων τα φορτία της ανωδομής αφενός κατανέμονται σε μεγαλύτερη επιφάνεια και αφετέρου μεταφέρονται σε μεγαλύτερο βάθος (χαμηλότερα εδαφικά στρώματα). Ένα επιπρόσθετο πλεονέκτημα των θεμελιώσεων με πασσάλους είναι η δραστική μείωση των αναμενόμενων διαφορικών υποχωρήσεων σε σχέση με τις επιφανειακές θεμελιώσεις. Οι διαφορικές υποχωρήσεις μεταξύ των σημείων έδρασης μιας κατασκευής οφείλονται κυρίως στην τυχαία, συχνά σημαντική ανομοιογένεια του εδάφους κατά την οριζόντια διεύθυνση, λόγω της φύσης και του τρόπου γένεσης του (φυσικό υλικό). Έτσι, ακόμη και στην περίπτωση που τα φορτία δύο όμοιων πεδίλων είναι ίδια, είναι δυνατόν το ένα να εδράζεται σε έδαφος ανθεκτικότερο από το άλλο, οπότε οι υποχωρήσεις τους θα είναι διαφορετικές, δηλαδή θα παρουσιασθεί διαφορική υποχώρηση ίση με τη διαφορά των υποχωρήσεων των δύο πεδίλων. Το γεγονός ότι η ζώνη επιρροής ενός πεδίλου είναι γενικά μικρή (έχει βάθος της τάξης του μεγέθους του πεδίλου) ενισχύει την πιθανότητα εμφάνισης διαφορικών υποχωρήσεων λόγω της τυχαίας ανομοιογένειας των εδαφικών στρώσεων. Αντίθετα, στην περίπτωση πασσάλων τριβής, η παράπλευρη επιφάνεια του πασσάλου στην οποία αναπτύσσεται η τριβή είναι μεγάλη και συνεπώς η άθροιση των πλευρικών τριβών εξαφανίζει πρακτικά την τυχαία ανομοιομορφία του εδάφους, επειδή η φέρουσα ικανότητα του πασσάλου επηρεάζεται από το μέσο όρο των τριβών σε ολόκληρη την 62

68 παράπλευρη επιφάνεια του. Έτσι, η φέρουσα ικανότητα όλων των πασσάλων θεμελίωσης ενός έργου θα είναι παρόμοια, ακόμη και στην περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει σημαντική τυχαία ανομοιογένεια. Προφανώς, τα ανωτέρω δεν ισχύουν στην περίπτωση που το έδαφος παρουσιάζει συστηματική ανομοιογένεια, όπως π.χ. στην περίπτωση που τμήματος ενός κτιρίου που εδράζεται σε μαλακούς σχηματισμούς και το υπόλοιπο σε βράχο Ομάδες πασσάλων Η κατασκευή και τοποθέτηση ενός μεμονωμένου πασσάλου για να φέρει τα φορτία της ανωδομής δεν είναι σύνηθες στις κατασκευές, ιδίως όταν αυτές καταλαμβάνουν σημαντική έκταση. Εξάλλου είναι σημαντικά δύσκολο να κατασκευαστεί ένας πάσσαλος απολύτως κατακόρυφος και να τοποθετηθεί η θεμελίωση ακριβώς στο κέντρο του πασσάλου. Προκύπτουν, λοιπόν, αθέλητες εκκεντρότητες, με αποτέλεσμα την ενδεχόμενη λύση της συνέχειας μεταξύ κεφαλόδεσμου-πασσάλου ή και τη δομική αστοχία αυτού του μεμονωμένου πασσάλου. Κατ αυτόν τον τρόπο, προέκυψε η ανάγκη παρουσίας τουλάχιστον τριών πασσάλων σε τριγωνική διάταξη κάτω από ένα στύλο, οδηγώντας στη σύνθεση ομάδας πασσάλων. Οι πάσσαλοι μιας τέτοιας διάταξης ομαδοποιούνται συνήθως σε κάνναβο ορθογωνικής μορφής, το δε φορτίο της ανωδομής μεταφέρεται στην ομάδα και διαμοιράζεται σε κάθε μέλος της μέσω ενός παρεμβαλλόμενου στοιχείου, του κεφαλόδεσμου. Η σύνθεση της γεωμετρίας της ομάδας πασσάλων συνδέεται στενότατα με τα επιλεγόμενα τεχνικά χαρακτηριστικά (διάμετρος, μήκος, φέρουσα ικανότητα, καθίζηση) του πασσάλου - μέλους, θεωρούμενου αυτού ως μεμονωμένου. Επειδή όλοι οι συνδυασμοί δεν είναι πάντοτε εφικτοί, η σύνθεση μιας ομάδας πασσάλων αποτελεί πολυπαραμετρικό ζήτημα και το κόστος του έργου εξαρτάται άμεσα από τις υιοθετούμενες παραδοχές. Σε κάθε περίπτωση όμως, η διάταξη της ομάδας πασσάλων θα πρέπει να πληροί τις ακόλουθες τρεις συνθήκες: Συμμετρία, για να αποφεύγονται διαφορικές καθιζήσεις Σύμπτωση του κέντρου βάρους της ομάδας με τον άξονα του επιβαλλόμενου φορτίου, προκειμένου να αποφεύγεται περιστροφή και να κατανέμονται καλύτερα τα φορτία Προνομιακή αντίσταση κατά την διεύθυνση της επικρατούσας οριζόντιας δύναμης όπως π.χ. στην περίπτωση θεμελίωσης οδικής γέφυρας Άξιο αναφοράς κρίνεται το γεγονός ότι η φέρουσα ικανότητα μιας ομάδας πασσάλων δεν αναμένεται να συμπίπτει με το άθροισμα των φερουσών ικανοτήτων των μεμονωμένων πασσάλων από τους οποίους απαρτίζεται. Και αυτό ισχύει για δύο λόγους: α) διότι η εντεινόμενη εδαφική ζώνη γύρω από έναν μεμονωμένο πάσσαλο είναι πολύ μικρότερη εκείνης γύρω και κάτω από μια ομάδα πασσάλων, όπως παρουσιάζεται ποιοτικά στο Σχήμα 4.9 και β) διότι παρατηρείται αλληλεπίδραση μεταξύ των πασσάλων της ομάδας, της οποίας η έκταση αποτελεί συνάρτηση της απόστασης μεταξύ δύο διαδοχικών πασσάλων, εφόσον αλληλοεμπλέκονται οι ζώνες επιρροής τους. 63

69 Σχήμα 4.9: Ενδεικτική διαφορά μεμονωμένου πασσάλου και ομάδας πασσάλων Στο Σχήμα 4.9 απεικονίζονται οι βολβοί των τάσεων που δημιουργούνται στο έδαφος κατά τη φόρτιση ενός μεμονωμένου πασσάλου, καθώς και κατά τη φόρτιση μιας ομάδας πασσάλων. Λόγω της επικάλυψης των βολβών των τάσεων των μεμονωμένων πασσάλων αναπτύσσονται πρόσθετες διατμητικές (Δτ) και ορθές (Δσ) τάσεις στη διεπιφάνεια πασσάλου εδάφους. Επιπρόσθετα, στην περίπτωση των πασσάλων έμπηξης, η εκτόπιση του εδάφους αυξάνει ακόμη περισσότερο τις ορθές τάσεις στους παρακείμενους πασσάλους. Οι πρόσθετες διατμητικές τάσεις Δτ έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του αξονικού φορτίου και κατά συνέπεια τη μείωση της φέρουσας ικανότητας του κάθε πασσάλου της ομάδας. Η επίδραση των πρόσθετων ορθών τάσεων Δσ στη φέρουσα ικανότητα του κάθε πασσάλου της ομάδας εξαρτάται από τις συνθήκες φόρτισης και το είδος του εδάφους. Για πλήρως στραγγισμένες συνθήκες φόρτισης, όπως στην περίπτωση των αμμωδών εδαφών, οι πρόσθετες ορθές τάσεις αυξάνουν τη διατμητική αντοχή στη διεπιφάνεια και επομένως τη φέρουσα ικανότητα του κάθε πασσάλου της ομάδας. Αντίθετα, στην περίπτωση αστράγγιστων συνθηκών φόρτισης σε αργιλικό έδαφος, η αύξηση των ορθών τάσεων δεν επηρεάζει την αστράγγιστη διατμητική αντοχή στη διεπιφάνεια και επομένως και τη φέρουσα ικανότητα των πασσάλων. Το τελικό αθροιστικό αποτέλεσμα αυτών των δράσεων είναι: Στα αμμώδη εδάφη η φέρουσα ικανότητα της ομάδας είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των φερουσών ικανοτήτων των μεμονωμένων πασσάλων Στα αργιλικά εδάφη η φέρουσα ικανότητα της ομάδας για αστράγγιστες συνθήκες φόρτισης είναι μικρότερη από το άθροισμα των φερουσών ικανοτήτων των μεμονωμένων πασσάλων 64

70 4.2.8 Αστοχίες πασσάλων Συχνά διατυπώνεται η άποψη ότι αστοχίες θεμελιώσεων σε πασσάλους δεν υφίστανται. Αντιθέτως, τα γεγονότα διαψεύδουν, καθώς αστοχίες πασσάλων όχι μόνο έχουν συμβεί, αλλά υπάρχουν και αρκετά καταγεγραμμένα περιστατικά τέτοιων αστοχιών. Οι γεωτεχνικές αστοχίες πασσάλων (Σχήμα 4.10) οδηγούν κατά κανόνα σε μη αποδεκτές μετακινήσεις της θεμελίωσης, οριακά δε σε κατάρρευση του δομήματος. Tα αίτια αστοχίας των βαθιών θεμελιώσεων, και των πασσάλων ειδικότερα, κατηγοριοποιούνται σε τέσσερεις ομάδες ως εξής: α) ανυπαρξία διασκόπησης ή ατελής γεωτεχνική διασκόπηση (σε ποσοστό 40%), β) ατυχής αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της γεωτεχνικής διασκόπησης ή κακή χρήση των αρχών της Γεωτεχνικής Μηχανικής (σε ποσοστό 35%), γ) κατασκευαστικά σφάλματα (σε ποσοστό 15%) και τέλος δ) επιθετική επιρροή του περιβάλλοντος (σε ποσοστό 10% του συνόλου). Ειδικότερα, στην πρώτη κατηγορία θα μπορούσαν να ενταχθούν αίτια όπως ανεπαρκής αριθμός ή και βάθος των γεωτρήσεων, χαμηλής ποιότητας δειγματοληψία, κακή επιλογή του τύπου των επί τόπου δοκιμών (π.χ. στατική πενετρομέτρηση σε παλαιά μπάζα με χαλίκια), ατελής προστασία, φύλαξη και μεταφορά των δειγμάτων, απρόσεκτη εκτέλεση των εργαστηριακών δοκιμών, αδυναμία εντοπισμού λεπτών αργιλικών ή αμμωδών ενστρώσεων κ.α.. Σχήμα 4.10: Μηχανισμοί αστοχίας πασσάλων σε στραγγισμένη φόρτιση Στη δεύτερη κατηγορία αστοχιών ως αιτίες προβάλλονται η άγνοια του ρόλου της γεωλογικής λεπτομέρειας ελάσσονος σημασίας (π.χ. μαλακός θύλακας στον πόδα του πασσάλου), η παράλειψη των επιπτώσεων που επιφέρει στη φέρουσα ικανότητα η παρουσία ειδικών φορτίων (π.χ. πέδηση οχημάτων), η εσφαλμένη εκτίμηση της δυνατότητας εγκιβωτισμού των πασσάλων από την περιβάλλουσα γεωμάζα (κίνδυνος λογισμού), η ατυχής εκτίμηση του πάχους ή της ποιότητας της στρώσης που φέρει τα φορτία πασσάλων 65

71 αιχμής, η χρήση δυναμικών μεθόδων στην εκτίμηση της φέρουσας ικανότητας εμπηγνυόμενων πασσάλων (ιδίως σε θιξοτροπικά εδάφη όπως η κιμωλία), η ανακριβής ερμηνεία των αποτελεσμάτων δοκιμαστικής φόρτισης των πασσάλων, ιδίως στην εκτίμηση της καθίζησης ομάδας πασσάλων, η κακή επιλογή του τύπου του πασσάλου, ο ερασιτεχνικός σχεδιασμός ομάδας πασσάλων (αποστάσεις, ακαμψία κεφαλόδεσμου) κ.α. Επισημαίνεται ότι η επιλογή μίας μεθόδου θεμελίωσης η οποία δεν είναι προσαρμοσμένη στον εδαφικό τύπο δεν οδηγεί απαραιτήτως σε καταστροφικά αποτελέσματα. Παρόλα αυτά, η διαφοροποίηση του αρχικού σχεδιασμού κατά τη διάρκεια των εργασιών κατασκευής κατά κανόνα συνεπάγεται δαπάνες ασυγκρίτως υψηλότερες (αθροιστικά) της δαπάνης που θα αντιστοιχούσε σε μία εμπεριστατωμένη μελέτη του υπεδάφους. Στην τρίτη κατηγορία αιτίων αστοχίας (κατασκευαστικά σφάλματα) θα μπορούσαν να ενταχθούν κακοτεχνίες του τύπου θραύση ξύλινων πασσάλων εξαιτίας υψηλής ενέργειας κρούσης ή σκληρού εδαφικού στρώματος, κακό πρόγραμμα έμπηξης ομάδας πασσάλων, ερπυσμός των εδαφικών στρωμάτων λόγω παρακείμενης εκσκαφής, κατάπτωση των παρειών της οπής κατά την εκσκαφή, καταστροφή της προστατευτικής σωλήνωσης κατά την έμπηξη της, χαμηλή ποιότητα σκυροδέτησης (π.χ. πολύ "ξηρό" σκυρόδεμα), πολύ γρήγορη απόσυρση του σωλήνα έγχυσης, έκπλυση του σκυροδέματος από ρέον υπόγειο νερό, διακοπή της σκυροδέτησης και έγχυση του σκυροδέματος από ψηλά. Σε γενικές γραμμές, η κακή σκυροδέτηση οδηγεί στην παρουσία φακών εδάφους ή σπηλαιώσεων στο σώμα του πασσάλου, καθώς και σε κακή έως ανύπαρκτη σύνδεση των κεφαλών των πασσάλων με τον κεφαλόδεσμο, ακόμη και σε λυγισμό των ράβδων οπλισμού κατά την φόρτιση. Ως κατασκευαστικά σφάλματα θεωρούνται επίσης η υπερφόρτιση των πασσάλων λόγω ανεξέλεγκτης προσθήκης επιχώματος (με ανάπτυξη πλευρικών πιέσεων στους ακραίους πασσάλους ομάδας ή σε κεκλιμένους πασσάλους ακρόβαθρου γέφυρας), η αναποτελεσματική προστασία έγχυτου πασσάλου έναντι των επιπτώσεων που επιφέρει η παρουσία αρνητικής τριβής κ.α.. Τέλος, στην τέταρτη κατηγορία αιτιών αστοχίας (επιθετικό περιβάλλον) εντάσσονται γεγονότα όπως η καταστροφή της εσωτερικής δομής των ξύλινων πασσάλων από μικροοργανισμούς ή από έκθεση τους σε εναλλασσόμενο υγρό και ξηρό περιβάλλον π.χ. σε παράκτιες ζώνες, η διάβρωση των μεταλλικών πασσάλων από μολυσμένα υπόγεια νερά, κυρίως λόγω καταστροφής της προστατευτικής τους επάλειψης από την τριβή με το περιβάλλον έδαφος κατά την έμπηξη, καθώς και η αποδιοργάνωση του σκυροδέματος των πασσάλων από χημικά απόβλητα, κυρίως στη ζώνη χαλυβουργιών ή χημικών εργοστασίων Συνδυασμός επιφανειακής θεμελίωσης με πασσάλους Στην ενότητα αυτή πραγματοποιείται η αναφορά σε μια μέθοδο που συνδυάζει τις επιφανειακές θεμελιώσεις με τις θεμελιώσεις με πασσάλους και η οποία εφαρμόζεται για την 66

72 έδραση κτιρίων και τεχνικών έργων σε μαλακά ή/και ρευστοποιήσιμα εδάφη. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη μέθοδο, η επιφανειακή θεμελίωση της κατασκευής που μπορεί να είναι εσχάρα πεδιλοδοκών ή γενική κοιτόστρωση εδράζεται σε μια πλάκα επί πασσάλων, με αποτέλεσμα η κατασκευή να συμπεριφέρεται σαν να έχει εδραστεί επί ενός σκληρού εδάφους, ή επί ενός ημιβράχου. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται η ευστάθεια της θεμελίωσης και της κατασκευής σε σεισμό και αντιμετωπίζονται προβλήματα διαφορικών καθιζήσεων και, ως ένα βαθμό, προβλήματα ανάληψης των υψηλών διατμητικών τάσεων. Η μέθοδος αυτή που εφαρμόζεται συνήθως για τη μείωση των καθιζήσεων και συγκεκριμένα των διαφορικών καθιζήσεων κτιρίων επί μαλακών εδαφών, είναι δυνατόν να εφαρμοσθεί προκειμένου να αντιμετωπιστούν πρακτικά προβλήματα, όπως π.χ. : α) κατασκευαστικές δυσκολίες στη στεγάνωση κτιρίων θεμελιωμένων επί πασσάλων με υπόγεια κάτω από το νερό, λόγω των διακοπών για τη συναρμογή της μεμβράνης στις θέσεις σύνδεσης των πασσάλων θεμελίωσης με την πλάκα της γενικής κοιτόστρωσης, β) δυσκολίες στην παραλαβή από τους πασσάλους θεμελίωσης μεγάλων διατμητικών δυνάμεων που αναπτύσσονται σε περιοχές υψηλής σεισμικότητας γ) μείωση κόστους και αύξηση ασφάλειας σε έργα, όπου υπάρχουν προβλήματα ευστάθειας και λειτουργικότητας, λόγω δυσμενών συνθηκών υπεδάφους δ) μεγαλύτερη ασφάλεια των κατασκευών σε σεισμό από απρόβλεπτες συνθήκες στο υπέδαφος λόγω ανομοιομορφίας Το πλεονέκτημα της μεθόδου των μεμονωμένων πλακών επί πασσάλων έγκειται στο γεγονός ότι η θεμελίωση του κτιρίου υπολογίζεται ανεξάρτητα από τους πασσάλους, αφού αυτοί δε συνδέονται άμεσα με τη θεμελίωση του κτιρίου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η θεμελίωση του κτιρίου μπορεί να μελετηθεί με δείκτη εδάφους της τάξης των k s = kn/m 3. Σε περιπτώσεις μεγάλων κτιρίων, υψηλών κτιρίων, ή σημαντικών κτιρίων όπως νοσοκομεία, σχολεία κ.α., σε περιοχές υψηλής σεισμικότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ειδικά εφέδρανα μεταξύ της επιφανειακής θεμελίωσης (γενική κοιτόστρωση ή εσχάρα πεδιλοδοκών) του κτιρίου και της μεμονωμένης πλάκας επί πασσάλων, για καλύτερη συμπεριφορά στο σεισμό. Όπου απαιτείται να κατασκευαστεί στεγανολεκάνη λόγω υπόγειων υδάτων, το παραπάνω σύστημα εξασφαλίζει καλύτερη και πιο αξιόπιστη στεγάνωση κάτω από την πλάκα θεμελίωσης, αφού δεν υφίσταται πλέον το δύσκολο πρόβλημα της στεγάνωσης των σημείων σύνδεσης των πασσάλων με την πλάκα θεμελίωσης του κτιρίου. Για το σχεδιασμό ενός συστήματος πλάκας επί πασσάλων απαιτούνται ενδεικτικά τα εξής: Η φέρουσα ικανότητα της πλάκας Κατακόρυφος δείκτης εδάφους για τον υπολογισμό της μεμονωμένης πλάκας επί πασσάλων και στη συνέχεια της πλάκας θεμελίωσης Οριζόντιοι δείκτες εδάφους για τον υπολογισμό των πασσάλων 67

73 Η φέρουσα ικανότητα των πασσάλων της μεμονωμένης πλάκας μέσω μιας οποιασδήποτε δόκιμης μεθόδου υπολογισμού της φέρουσας ικανότητας πασσάλων Τέλος, η εν λόγω μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές περιπτώσεις τεχνικών έργων και συγκεκριμένα για: Θεμελίωση σε ρευστοποιήσιμα αμμώδη εδάφη (Σχήμα 4.11) Θεμελίωση σε μαλακά αργιλικά εδάφη (Σχήμα 4.11) Θεμελίωση επί πρανών Σταθεροποίηση πρανών και κατολισθήσεων Αντιμετώπιση διαφορικών καθιζήσεων υψηλών κτιρίων (Σχήμα 4.12α) Θεμελίωση λιμενικών έργων επί μαλακών εδαφών (Σχήμα 4.12β) Θεμελίωση επιχωμάτων επί μαλακών εδαφών Θεμελίωση σε ανομοιογενή εδάφη (Σχήμα 4.12γ) Θεμελίωση υπογείων έργων και στεγάστρων (Cut & Cover) επί μαλακών εδαφών Σχήμα 4.11: Θεμελίωση κτιρίου επί ρευστοποιήσιμων αμμωδών εδαφών ή μαλακών αργιλικών εδαφών Σχήμα 4.12: (α) Αντιμετώπιση διαφορικών καθιζήσεων υψηλών κτιρίων, (β) θεμελίωση λιμενικών έργων επί μαλακών εδαφών, (γ) θεμελίωση σε ανομοιογενή εδάφη 68

74 Παραδείγματα Για τα παρακάτω παραδείγματα φόρτισης πασσάλων χρησιμοποιήθηκε το τυπολόγιο του Eurocode 7: ΤΥΠΟΙ ΓΙΑ ΜΕΜΟΝΩΜΕΝΟ ΠΑΣΣΑΛΟ Qu= η φέρουσα ικανότητα του πασσάλου Qb= η οριακή αντίσταση του εδάφους στην αιχμή του πασσάλου Qs= η συνολική οριακή πλευρική τριβή που μπορεί να αναπτυχθεί μεταξύ του πασσάλου και των 'n' εδαφικών στρώσεων (για πάσσαλο κυκλικής διατομής διαμέτρου D) qb= η οριακή αντίσταση αιχμής ανά μονάδα επιφάνειας της αιχμής Qsi= η οριακή πλευρική τριβή στην διεπιφάνεια πασσάλου-εδάφους στην στρώση i Li= το πάχος της στρώσης i fsi= η οριακή πλευρική τριβή ανά μονάδα παράπλευρης επιφάνειας του πασσάλου στην εδαφική στρώση i 69

75 ΓΙΑ ΑΜΜΩΔΗ ΕΔΑΦΗ Nq= συντελεστής φέρουσας ικανότητας για το έδαφος που βρίσκεται κάτω από την αιχμή του πασσάλου αt= διορθωτικός συντελεστής βάθους που προσδιορίζεται από το σχήμα Nq'= συντελεστής αναφοράς (στην περίπτωση φρεατοπασσάλων, όπου φb' η γωνία διατμητικής αντοχής του εδάφους στην περιοχή αιχμής του πασσάλου) (στην περίπτωση πασσάλων έμπηξης, όπου φb' η γωνία διατμητικής αντοχής στην περιοχή αιχμής του πασσάλου) σνb'= η κατακόρυφη τάση στη στάθμη της αιχμής του πασσάλου γi= τα ειδικά βάρη των διαφόρων εδαφικών στρώσεων Κ= συντελεστής πλευρικής ώθησης Κ=0,7 (για φρεατοπασσάλους), Κ=1 (για πασσάλους έμπηξης σε χαλαρά εδάφη) Κ=2 (για πασσάλους έμπηξης σε πυκνά εδάφη), Κ=0,5-1 (για πασσάλους με μικρή εκτόπιση του εδάφους, όπως ανοικτοί σωλήνες) δ= η γωνία τριβής στην διεπιφάνεια εδάφους-πασσάλου δ= φ' (για φρεατοπασσάλους) δ= (για πασσάλους έμπηξης, οξειδωμένος χάλυβας-σκυρόδεμα η τιμή συνήθως κυμαίνεται από 0,75tanφ'-tanφ' σν'= η κατακόρυφη τάση του εδάφους σε βάθος z γi= τα ειδικά βάρη των διαφόρων εδαφικών στρώσεων Li= το πάχος της στρώσης i 70

76 ΓΙΑ ΑΡΓΙΛΙΚΑ ΕΔΑΦΗ, Nc= συντελεστής φέρουσας ικανότητας c ub = η αστράγγιστη διατμητική αντοχή του εδάφους Nc=9 (για L/D 4), Nc=5,14 (για θεμέλιο απείρου μήκους) Nc=6,2 (για τετραγωνικό ή κυκλικό θεμέλιο) α= εμπειρικός συντελεστής πρόσφυσης (για φρεατοπασσάλους) c u = η αστράγγιστη διατμητική αντοχή σε kpa ΤΥΠΟΙ ΓΙΑ ΟΜΑΔΑ ΠΑΣΣΑΛΩΝ Qug= η φέρουσα ικανότητα ομάδας πασσάλων Qug1=φερουσα ικανότητα ομάδας πασσάλων Qug2=η φέρουσα ικανότητα πασσάλων (θεώρηση του ιδεατού ενιαίου θεμελίου) ΓΙΑ ΑΙΧΜΗ ΠΑΣΣΑΛΟΥ ΣΕ ΑΡΓΙΛΙΚΟ ΕΔΑΦΟΣ, n= ο αριθμός των πασσάλων λ= η αποδοτικότητα της ομάδας πασσάλων Qu1=η φέρουσα ικανότητα των μεμονωμένων πασσάλων n1=ο αριθμός των σειρών των πασσάλων της ομάδας n2=ο αριθμός των πασσάλων της κάθε σειράς D= διάμετρος πασσάλου s= απόσταση μεταξύ των πασσάλων, Ab=το εμβαδό της βάσης του ενιαίου θεμελίου Αs= το εμβαδό της παράπλευρης επιφάνειας του ενιαίου θεμελίου qb= η φέρουσα ικανότητα της βάσης του θεμελίου 71

77 t= η μέση πλευρική τριβή ανά μονάδα επιφάνειας (για ομάδα πασσάλων που διέρχεται από i εδαφικές στρώσεις και έχει ορθογωνική κάτοψη πλάτους Βx και μήκους Βy) cub= η αστράγγιστη διατμητική αντοχή της αργίλου στην αιχμή των πασσάλων Νc= συντελεστής φέρουσας ικανότητας Νc=5,14-9 (προσδιορίζεται με την βοήθεια νομογραφήματος) Li= το πάχος των διαφόρων εδαφικών στρώσεων ti= η μέση πλευρική τριβή ανά μονάδα επιφάνειας στην εδαφική στρώση ti= cui (για αργιλικές στρώσεις), cui = η μέση αστράγγιστη διατμητική αντοχή της στρώσης i ti=koi*σvi*tanφi' (για αμμώδεις στρώσεις) Κoi= ο συντελεστής ωθήσεων σε ηρεμία Κoi=1-sinφi' φi'=η ενεργός γωνία διατμητικής αντοχής σvi'= η μέση κατακόρυφη ενεργός τάση της στρώσης i ΓΙΑ ΑΙΧΜΗ ΣΕ ΑΜΜΏΔΕΣ ΕΔΑΦΟΣ, n= ο αριθμός των πασσάλων Qu1=η φέρουσα ικανότητα των μεμονωμένων πασσάλων h= η απόσταση της αιχμής των πασσάλων από την επόμενη εδαφική στρώση cub= η αστράγγιστη διατμητική αντοχή του αργιλικού εδάφους Νc= συντελεστής φέρουσας ικανότητας (προκύπτει από νομογράφημα) Li= το πάχος της κάθε εδαφικής στρώσης i ti= η πλευρική τριβή στην στρώση i 72

78 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΦΕΡΟΥΣΑΣ ΙΚΑΝΝΟΤΗΤΑΣ Νc ΓΙΑ ΟΜΑΔΑ ΠΑΣΣΑΛΩΝ ΣΕ ΑΡΓΙΛΙΚΟ ΕΔΑΦΟΣ 73

79 1 ο Παράδειγμα Να υπολογισθεί η φέρουσα ικανότητα δύο πασσάλων εκσκαφής (φρεατοπασσάλων) μήκους L=25m και L=35m για την εδαφική τομή του σχήματος. Η διάμετρος των πασσάλων είναι D=1m. Η φέρουσα ικανότητα του πασσάλου είναι το οριακό αξονικό φορτίο Q u στο οποίο ο πάσσαλος αστοχεί και δίνεται από την σχέση: Q u Q b Q s Όπου το Q b (η οριακή αντίσταση του εδάφους στην αιχμή του πασσάλου) δίνεται από την σχέση: * D 2 Q * 4 b q b όπου q b η οριακή αντίσταση αιχμής ανά μονάδα επιφανείας της αιχμής. 74

80 Q s (η οριακή πλευρική τριβή του πασσάλου δίνεται από: Q s n i1 Q si * D * n Li * f si i1 Για την περίπτωση του πασσάλου με μήκος L=25m θα έχουμε: Στρώση 1 (Ιλυώδης ΑΜΜΟΣ) f s K * tan * Άνω: f s 0,7* tan30*0 Κάτω: 0 2*19 15, kpa f s 0,7*tan30* ,35 Q s 1 *1*2* 48, 22kN 2 Στρώση 2 ( ΑΡΓΙΛΟΣ I) f a * s c u Άνω, κάτω: 26 a 0,21 1,29 1 f s 1*24 24kPa 24 Q s *1*16* , 37kN 2 Στρώση 3 ( ΑΜΜΟΣ) f s K * tan * Άνω: 2*19 16*8 78, kpa f s 0,7*tan34* 37 Κάτω: 2*19 16*8 2*11 88, kpa f s 0,7*tan34* 36 78,37 88,36 Q s 3 *1*2* 523, 79kN 2 Στρώση 4 ( ΑΡΓΙΛΟΣ II) f q s b a * c 9* c u u Άνω, κάτω: 26 a 0,21 0,581 1 f s 0,581* 70 40, 67kPa 70 Q s *1*5* 40,67 638, 84kN 4 75

81 q b 9*70 630kPa 1 Q b * 2 * , 8kN 4 Q s 40, ,37 523,79 638, , 67kN Η φέρουσα ικανότητα του πασσάλου τελικά θα είναι: Qu Qb Qs 494,8 2409, , 47kN Για την περίπτωση του πασσάλου με μήκος L=35m θα έχουμε: Στρώση 1: 0 15,35 Q s 1 *1*2* 48, 22kN 2 Στρώση 2: Q s *1*16* , 37kN 2 Στρώση 3: 78,37 88,36 Q s 3 *1*2* 523, 79kN 2 Στρώση 4: Q s *1*10* 40, , 68kN 4 Στρώση 4 (ΑΜΜΟΧΑΛΙΚΟ): f q s b Άνω: K * tan * N q * 2*19 16*8 2*1110*10 146, kpa f s 0,7*tan36* 47 Κάτω: 2*19 16*8 2*1110*10 5*12 176, kpa f s 0,7*tan36* 98 Q s *1*5* , 8kN 5 ' ' N q 0,21* e 0,17*33 57,4 Από νομογράφημα: L D a 0,58 N q 0,58*57,4 33 t 2*19 16*8 2*1110*10 5* kPa 11,484 MPa q b 33* 4 76

82 1 Q b * 2 * , 6kN 4 Q s 48, ,37 523, , ,8 4626, 86kN Η φέρουσα ικανότητα του πασσάλου τελικά θα είναι: Qu Qb Qs 3141,6 4626, , 46kN 77

83 2 ο Παράδειγμα Να υπολογισθεί η φέρουσα ικανότητα μίας ομάδας 25 (5x5) πασσάλων εκσκαφής διαμέτρου D=0,8m και μήκους L=21,5m. Οι μεταξύ τους αποστάσεις είναι s=2,4m. 1 ος Έλεγχος (αλληλεπίδραση) Στρώση 1 (ΑΡΓΙΛΟΣ I): f a * s c u Άνω, κάτω: 26 a 0,21 1,29 1 f s 1*24 24kPa 24 Q s *0,8*19* , 05kN 1 Στρώση 2 (ΑΜΜΟΧΑΛΙΚΟ): f q s b Άνω: K * tan * N q * 20*8 72,73kPa kpa f s 0,7*tan33* 100 Κάτω: 78