Sveučilište u Zagrebu. Građevinski fakultet. Zavod za Geotehniku OJAČANJE TLA I STIJENA. 8. predavanje

Transcript

1 Sveučilište u Zagrebu Građevinski fakultet Zavod za Geotehniku OJAČANJE TLA I STIJENA 8. predavanje

2 Vibracijsko punjenje - Šljunčani stupovi Metoda izvedbe stupova od kamena, korištenjem teške vibracijske sonde (dubinski vibrator), kojim se razmiče in-situ tlo i zbija ubačeni kameni materijal u tlu, naziva se vibracijsko punjenje ili izvedba šljunčanih stupova. Ova tehnika se počinje primjenjivati krajem 50-tih, te je puno ime tehnike Vibracijska dubinska ugradnja šljunčanih stupova. Mogućnost primjene metode vibracijskog punjenja u određenoj vrsti tla prikazana je na slici 8.1.

3 Slika 8.1. Primjena metode vibracijskog punjenja u određenoj vrsti tla Ako je sadržaj praha negdje između 5% i 15%, odnosno ako se granulometrijska krivulja nalazi negdje drugdje u osjenčanoj zoni, preporučljivo je koristiti krupniji materijal ispune za poboljšanje osnovnog tla. U ostalim slučajevima, kada granulometrijska krivulja siječe osjenčanu zonu na dijagramu, ili kada je tlo u potpunosti od sitnih čestica (prahovi, gline ili pijesci), projekt treba biti baziran na efektu ojačanja ugrađenih šljunčanih stupova (tehnika vibracijske dubinske ugradnje šljunčanih stupova / Stone Columns).

4 Razvoj tehnike vibracijskog punjenja povezan je sa razvojem tehnike dubinskog vibracijskog zbijanja. Osnovna je namjera vibracijskog zbijanja, kao tehnike poboljšanja tla, bila zbijanje nekoherentnih tla. Iz iskustva je uočeno da sa povećanjem sadržaja sitnih čestica u tretiranom tlu umanjuju efekti zbijanja. Međutim, također je uočeno da stijenke bušotine, kreirane vibracijskom sondom, jedno vrijeme ostaju stabilne. To je dovelo do koncepta izvedbe nosivih stupova u bušotini kreirane vibratorom. Tijekom izvedbe stupova, u okolini bušotine, tlo se ukrućuje, dok sami stupovi imaju veću krutost nego okolno tlo. Prema tome, na početku djelovanja opterećenja, stupovi prenose najveći dio opterećenja, ali uslijed dugotrajnog djelovanja oni se nastoje deformirati u okolno tlo. Ovo dovodi do zaključka da nosivost šljunčanih stupova ovisi od otporu koji pruža okolno tlo.

5 Iako šljunčani stupovi instalirani uz pomoć vibratora uzrokuju značajni bočni pritisak na okolno tlo, u saturiranim koherentnim materijalima povećanje gustoće je samo marginalnog karaktera. Veliki opseg probnih opterećenja, poželjno na grupi šljunčanih stupova, daje dobru pouzdanost in situ mjerenja za kontrolu kvalitete, dokazujući učinkovitost primijenjene tehnike poboljšanja tla Iako su oprema i postupak vrlo slični kao kod tehnike vibracijskog zbijanja nekoherentnih tala, osnovni principi poboljšanja se bitno razlikuju. Činjenica da se efekti obje tehnike preklapaju, ne smije dovesti do pogrešnih projektnih kriterija i/ili pogrešne interpretacije rezultata.

6 Metoda se primjenjuje kod koherentnih tla i za povećanje stabilnosti nasipa na mekim tlima. Zajedno s okolnim tlom, šljunčani stupovi, imaju veću krutost i pružaju veći otpor smicanju. Time je povećana nosivost temeljnog tla, a smanjena su ukupna slijeganja. Zbog velike propusnosti šljunčanih stupova, oni u tlu djeluju kao vertikalni drenovi, što ubrzava konsolidaciju temeljnog tla.

7 Princip izvedbe prikazan je na slikama 8.2 i 8.3. Vibracijska sonda s uređajem za doziranje i prisilnim vođenjem postavlja se iznad obilježene točke. Hidrauličkim putem fiksira se na oslonce. Posebni utovarivač puni spremnik postrojenja kamenim materijalom. Spremnik s materijalom diže se uz konstrukciju stupa i prazni svoj sadržaj u uređaj za doziranje. Nakon zatvaranja uređaja posebnom zaklopkom komprimirani zrak potiskuje materijal prema izlaznom otvoru na šiljku vibratora. Slika 3.7. Princip izvođenja postupka vibracijskog punjenja

8 Slika 8.3. Princip izvođenja postupka vibracijskog punjenja SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

9 Video 8.1. Vibracijsko punjenje

10 Vibrator istiskuje okolno tlo i spušta se do projektirane dubine, potpomognut tlakom vode ili zraka i prema dolje usmjerenoj vertikalnoj sili sa stupne konstrukcije. Kad je konačna dubina dosegnuta, vibrator se podiže za cm, stvara šupljinu ispod sebe u koju ulazi materijal pod pritiskom. Ponovnim spuštanjem vibratora materijal se zbija i bočno utiskuje u okolno tlo. Na taj način se postupno odozdo prema gore izvodi šljunčani stup. Promjer šljunčanih stupova ovisi o vrsti tla i najčešće iznosi m, iako se mogu postići i veći promjeri. Raster stupova može biti trokutasti ili četverokutni, s rasponom 1-2 m za pojedinačna opterećenja ili 2-3 m za rasprostranjeno opterećenje. Mogu se tretirati tla na dubinama većim od 30 m.

11 U zadnje vrijeme, kao metoda ojačanja tla, često se koristi izvedba cementiranih šljunčanih stupova. Takvi stupovi imaju veću krutost nego klasični šljunčani stupovi, ali ih se ne može koristiti u smislu ubrzanja konsolidacije. U osnovi postoje tri različite metode izvedbe šljunčanih stupova u koherentnim tlima: 1) metoda vlažnog punjenja na vrhu (wet top-feed method) 2) metoda suhog punjenja na vrhu (dry top-feed method) 3) metoda suhog punjenja na dnu (dry bottom-feed method)

12 Metoda vlažnog punjenja na vrhu (wet top-feed method) koristi vodu kao mlazni fluid za pomoć prodiranju sonde do tražene dubine, za održavanje stabilnosti stijenki bušotine i za olakšanu raspodjelu šljunka. Nakon što je bušotina ispražnjena dodaje se šljunak u inkrementima debljine od m i zbija vibratorom koji se nalazi na dnu sonde. Ova metoda se najčešće koristi u jako mekim tlima sa visokom razinom podzemne vode gdje je stabilnost stijenki bušotina upitna i najbrža je metoda od sve tri navedene metode, te rezultira sa najvećim promjerom šljunčanih stupova (tipično od 0.7 do 1.1 m u promjeru), sposobna je podnijeti najveće opterećenje po jednom stupu i dopušta upotrebu materijala šljunka u najširem rasponu.

13 Međutim, ova metoda zahtjeva velike količine vode, 7 do 15 m 3 po satu po sondi, što može prouzrokovati razne poteškoće. Slika 8.4. Metoda vlažnog punjenja na vrhu

14 Metoda suhog punjenja na vrhu (dry top-feed method) je u principu ista kao i prethodna metoda, osim što se zrak koristi kao mlazni fluid. Na taj način ova je metoda mnogo čišća nego prethodna metoda i ne zahtjeva deponiranje mlaznog fluida. Međutim, ova metoda može jedino biti upotrijebljena tamo gdje bušotina može ostati otvorena kada se izvadi sonda, tako da se šljunak može ubaciti u bušotinu. To je moguće u koherentnim tlima u kojima je minimalna vrijednost nedrenirane čvrstoće između 50 i 60 kn/m 2, i/ili sa prilično niskom razinom podzemne vode. Ova metoda je u principu sporija nego prethodna metoda i ako sonda mora ostati unutar bušotine da bi se osigurala stabilnost stijenki, maksimalne dimenzije materijala šljunka moraju biti ograničene na 2.5 cm u međuprostoru između sonde i bušotine.

15 Slika 8.5. Metoda suhog punjenja na vrhu SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

16 Metoda suhog punjenja na dnu (dry bottom-feed method) je vrlo slična prethodnoj metodi osim što se šljunčani materijal dovodi (prenosi) do vrha sonde koristeći ekscentričnu cijev koja je postavljena na rubu sonde. Nadalje, vibrator sprečava stvaranje šupljina unutar bušotine i navedena metoda može se koristiti u vrlo mekim tlima sa visokom razinom podzemne vode. Zrak se koristi za inicijalno prodiranje sonde i za olakšanje kretanja šljunka kroz cijev do vrha sonde. Pritisak zraka trebao bi se ograničiti na vrijednost ne veću od 275 do 415 kn/m 2 radi prevencije lomljenja osnovnog tla za vrijeme izrade (ugradnje) šljunčanih stupova (navedena vrijednost zavisi od slučaja do slučaja).

17 Pomoću ove metode šljunčani stupovi imaju promjer približno 15 do 25% manji nego metodom vlažnog punjenja na vrhu. Ova metoda je sporija i zahtijeva više opreme nego vlažna metoda. Međutim, ova je metoda mnogo čišća, ne zahtjeva deponiranje mlaznog fluida i promjer šljunčanih stupova je relativno ujednačen. Slika 8.6. Metoda suhog punjenja na dnu

18 Ojačanje tla šljunčanim stupovima se uglavnom koristi za ojačanje ispod stambenih zgrada, lakih industrijskih postrojenja ili općenito za sve objekte koji nisu previše osjetljivi na diferencijalna slijeganja (skladišta, zgrade do 4 etaže, kruti višeetažni objekti). Koristi se i za smanjenje likvefakcijskog potencijala rahlih pijesaka. Većina praktičnih metoda proračuna potencijala likvefakcije tla je bazirana na in situ mjerenjima zbijenosti. Vibracijskom dubinskom ugradnjom šljunčanih stupova postiže se zbijanje (poboljšanje) osnovnog tla, ali je potrebno dodatno u obzir uzeti i stabilizirajući efekt šljunčanih stupova.

19 OGRANIČENJA METODE VIBRACIJSKOG PUNJENJA Gubitak bočnog otpora kod vrlo mekih glina, prahova ili prašinastih pijesaka Učinak je ograničen kod tresetnih tala te kod nasipa koji se još uvijek sliježu zbog vlastite težine Kod tla koje proizvodi plin metan šljunčani stupovi mogu djelovati kao provodnici plina Kod tvrdih tala nije moguće dobiti bušotinu željene dubine Nepostizanje željenog oblika i volumena stupa zbog šupljina u tlu, korijena drveća i slično

20 Ponašanje šljunčanih stupova je teško modelirati matematički. Najčešće korištena metoda je Priebe-ova metoda (1976) za proračun povećanja krutosti i čvrstoće stupova. Slijeganja se računaju konvencionalnim metodama mehanike tla. Slijeganja tla poboljšanog vibracijskim punjenjem su obično dvostruko manja od slijeganja tla prije poboljšanja. Šljunčani stupovi nisu neovisni strukturalni elementi kao što su to piloti. Teoretski pristup projektiranju je olakšan ako je poboljšanje povezano sa uvjetima okolnog tla. Međutim, određene aproksimacije su nužne, posebno one koje se odnose na interpretaciju probnih opterećenja koja su najpouzdanija metoda in situ testiranja.

21 Pojedinačni temelji na pilotima se sliježu relativno malo do dosezanja granične nosivosti, pogotovo u slučajevima kada se opterećenju suprotstavlja najvećim dijelom trenje na plaštu pilota. Nadalje, dopustivo opterećenje biti će ostvareno dosezanjem granične nosivosti prije nego iz napredovanja slijeganja. Obratno, temelji na šljunčanim stupovima se iz početka sliježu više i prekoračuju, sa povećanjem opterećenja, dopuštena slijeganja prije dosezanja granične nosivosti. Nadalje, dopustivo opterećenje na šljunčanim stupovima biti će dosegnuto napredovanjem slijeganja prije nego dosezanjem granične nosivosti.

22 Prema tome, specifikacije za relativno veliki opseg probnih opterećenja trebaju odgovarati onima za statičko opterećenje na plitkim temeljima (npr. Static Load on Spread Footings ASTM D 1194), a ne onima za pilote pod aksijalnim tlačnim opterećenjem (npr. Piles under Axial Compressive Load ASTM D 1143). Mnogi inženjeri, ipak i dalje promatraju šljunčane stupove kao pilote. To izgleda logično, sve dok ih se ne testira kao pilote podvrgavajući ih direktnom opterećenju na površini terena. Osnovni mehanizam prijenosa naprezanja u tlo je u principu isti za stupove i pilote. Međutim, interakcija stupova i tla je toliko velika da ih zajedno čini učinkovitim u formi ojačanja tla, mnogo više nego u prenosu opterećenja u dublje slojeve tla. Betonski piloti su zapravo dio konstrukcije pomoću kojih se prolazi slabo tlo, dok šljunčani stupovi tvore kompozit sa takvim slabim tlom, poboljšavaju ga i reduciraju njegove deformacije.

23 Slika 8.7. ilustrira naprezanja generirana u tlu koje okružuje jedan stup koji se nalazi pod opterećenjem, i oko grupe stupova pod kontinuiranim opterećenjem. Različito ponašanje pilota i šljunčanih stupova se očituje u vrlo velikoj razlici u njihovoj krutosti prema tlu. Piloti su relativno jako kruti - oko puta krući od tla, a šljunčani stupovi su samo oko 2 do 20 puta krući od tla. Slika 8.7. Naprezanja u tlu oko šljunčanog stupa

24 Za razliku od pilota, relativna krutost šljunčanih stupova se može značajno promjeniti pod djelovanjem opterećenja. Krutost pilota i otpor prema slomu je takva da se njihov poprečni presjek vrlo malo mijenja pod djelovanjem opterećenja i njihova radijalna deformacija nema značajnog utjecaja na okolno tlo. Na taj način, radijalno naprezanje u tlu σ R ostaje praktički nepromjenjeno nakon ugradnje pilota i za vrijeme opterećenja. Slabiji šljunčani stupovi, bez vlačne čvrstoće, stlačuju se i pokazuju izbočenje pod opterećenjem i kontaktna se naprezanja σ R povećavaju dovodeći u igru otpor tla (analogno djelovanju presiometra).

25 Metoda koja će se opisati za dimenzioniranje šljunčanih stupova je u izvornom obliku razvijena pred dvadesetak godina. U međuvremenu bilo je mnoštvo dopuna i promjena na osnovu postignuća u praksi. Izričito se ističe, da se metoda dimenzioniranja odnosi samo na poboljšavajuće djelovanje šljunčanih stupova u jednom promatranom tlu. Najprije se pri tome ustanovljuje jedna vrijednost odnosno faktor poboljšanja u kojem stupovi poboljšavaju izvorno stanje tla. Za tu se vrijednost povećava npr. čisto računski krutost osnovnog tla, ili se smanjuje slijeganje izračunato za osnovno tlo.

26 Razmjerno kompleksni sistem šljunčanih stupova može se računski obuhvatiti prilično točno samo za jednoznačno točno definirani granični slučaj neograničene opterećene površine na neograničenom rasteru stupova. Pri ispitivanju ovog graničnog slučaja promatra se jedna ćelija površine A, koja se sastoji od jednog stupa površine AS i pripadajućeg dijela tla. U ostalom pretpostavljaju se slijedeći idealizirajući uvjeti: - stup se sastoji od jednog nepopustljivog sloja, - dodani materijal je nestišljiv, - vlastita težina tla i stupa mogu se zanemariti.

27 Stup dakle ne može potonuti, a slijeganje opterećene površine može nastati samo izbočenjem stupa, koje je konstantno po visini stupa. Pod ovim uvjetima može se proračunati poboljšanje tla pomoću stupova uz pretpostavku da se stupovi od početka deformiraju na smicanje, a okolno se tlo ponaša elastično. Tlo se osim toga, tijekom izrade stupa, potiskuje bočno toliko da njegov tlak na stup odgovara tlaku tekućine, pa je K=1. Rezultat sa osnovnom vrijednošću poboljšanja n0: n 0 AS 1/ 2 f B,AS / A 1 1 A KaS f B,AS / A

28 f ( B,A S / A) 1 1 B 2 B 2 2 B A / A B 1 2 B A S S / A K as tan 2 45 S / 2 * Napomena: indeks B označava tlo, a indeks S šljunčani stup S Poissonovim koeficijentom µ B =1/3 koji u praktičnim primjerima zadovoljava, prvi se izraz pojednostavljuje na: n 0 AS 5 AS / A 1 1 A 4 K (1 A / A) as S

29 Odnos između n 0, A/A S i kuta trenja φ s prikazan je pregledno na slici 8.8. Slika 8.8. Odnos između n 0, A/A S i kuta trenja φ s

30 Kako za tlo, tako je i za materijal stupa uvedena krutost (modul stišljivosti) koja bi odgovarala pokusu u velikom edometru. Često se, izvode sondiranja u stupovima, a nažalost iz rezultirajućih skromnih rezultata donose se pogrešni zaključci. SVEUČILIŠTE U ZAGREBU Prethodnim izrazima nije uvažena stišljivost materijala stupa. Međutim, i zbijeni materijal stupa je nešto stišljiv, pa pod opterećenjem nastaje slijeganje, koje nije posljedica izbočenja. Zato stvarna vrijednost poboljšanja ne može nikako biti neizmjerna kako daje računska vrijednost za nestišljiv materijal u slučaju izmjene materijala s vrijednošću A/A S =1, nego u najboljem slučaju odgovara odnosu zbijenog materijala stupa i okolnog tla.

31 Relativno se jednostavno može utvrditi pri kojem odnosu presjeka stupa i površine rastera (A S /A) 1 osnovna vrijednost poboljšanja n 0 odgovara odnosu krutosti E S /E B. Tako se sa µ B =1/3 za (A S /A) 1 dobiva slijedeći izraz (n 0 =E S /E B ): A A S 1 4 K 2 as n 0 4 K as K as 4 K 2 n K n 1 0 as 1 as 4 K as 0 1

32 Stišljivost materijala stupa može se približno uzeti u obzir pomoću reducirane vrijednosti poboljšanja n 1, koja se dobije iz formule za osnovnu vrijednost poboljšanja n 0, tako da se odnosu površina A/A S doda Δ(A/A S ): n 1 B,AS / A B,AS / A A S 1/ 2 f 1 1 A KaS f A S A 1 A / AS A / A A / A S S A S 1 / A 1 1

33 Slika 8.9. Dijagram za uvažavanje stišljivosti stupa. Odnos krutosti E S /E B - dodatak na odnos površina Δ(A/A S )

34 Jedan od najvažnijih dijelova specifikacija namjene su probna opterećenja /ispitivanja za kontrolu izvedenih šljunčanih stupova. Postoje dakle, tri osnovna tipa probnih opterećenja/ispitivanja: 1. kratkoročna ispitivanja koja se koriste za procjenu granične nosivosti; 2. dugoročna ispitivanja koja se koriste za mjerenje karakteristika konsolidacije; 3. horizontalna ili kompozitna posmična ispitivanja koja se koriste za procjenu posmične čvrstoće kompozita (šljunaktlo) potrebne u analizama stabilnosti.

35 Slika Penetracija vibratora u tlo Slika Vibrator za ugradnju šljunčanih stupova

36 Slika Punjenje šljunkom

37 Slika Koso ugrađeni šljunčani stupovi za povećanje stabilnosti pokosa (lijevo) i ispod željeznice za smanjenje slijeganja i povećanje nosivosti (desno)

38 Metoda koja nije izravno povezana s metodom šljunčanih stupova, ali imja neke sličnosti sa njom je metoda Vibro kompozera, koja koristi pijesak za formiranje stupova ojačanog tla. Ova sonda je razvijena u Japanu za potrebe zbijanja rahlih pijesaka. Na slici je prikazan princip rada sa vibro - kompozerom. Za tretman se koristi kućište, promjera m. U upotrebi su dva standardna tipa, težina 4.5 i 6 t, sa vibracijskim amplitudama od mm.

39 Kućište se pod vibracijama dovodi do projektirane dubine, nakon čega se u njega ubacuje pijesak. Kučište se malo podigne, kroz ventil se ubacuje pijesak, nakon čega se kućište opet vraća dolje gdje zbija pješčani stup. Promjer zbijenih pješčanih stupova je m. Slika Vibro - kompozer