Θεμελιώσεις τεχνικών έργων Νικόλαος Σαμπατακάκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας
Ορισμός Θεμελίωση (foundation) είναι το κατώτερο τμήμα μιας κατασκευής και αποτελεί τον τρόπο διάταξης των δομικών στοιχείων μέσω του οποίου γίνεται η μεταφορά των φορτίων της ανωδομής στο έδαφος με ασφαλή τρόπο. Αστοχίες (καταστροφές) της θεμελίωσης οφείλονται είτε στη θραύση του εδάφους λόγω υπέρβασης της αντοχής του σε διάτμηση, είτε στις υπερβολικές καθιζήσεις λόγω παραμορφώσεων του εδάφους. Εάν ένα θεμέλιο υποβληθεί σε υπερβολικό φορτίο, τότε θα υπάρξει μερική ή ολική αστοχία του εδάφους θεμελίωσης. 2
Απαιτήσεις ασφαλούς θεμελίωσης 1) Να μη συμβεί θραύση του εδάφους 2) Οι καθιζήσεις να κείνται σε επιτρεπτά όρια μη ικανοποίηση κριτηρίων ΑΣΤΟΧΙΑ (μεγάλες καθιζήσεις, στροφές, ρωγμές, κατάρρευση) 3
Φέρουσα ικανότητα εδάφους (q u ) (Ultimate Bearing Capacity) ονομάζεται η οριακή αντοχή του εδάφους στη διατμητική θραύση. Η θραύση του εδάφους οφείλεται στην υπέρβαση της διατμητικής αντοχής του και συνοδεύεται από έντονη παραμόρφωση, με αποτέλεσμα την αστοχία της υπερκείμενης κατασκευής. 4
Επιτρεπόμενη τάση θεμελίωσης ή επιτρεπόμενη φέρουσα ικανότητα (q a ) είναι η μέγιστη τιμή της τάσης που μπορεί με ασφάλεια να μεταβιβαστεί στο έδαφος μέσω της θεμελίωσης. Η επιτρεπόμενη τάση θεμελίωσης συνήθως υπολογίζεται από την φέρουσα ικανότητα (q u ) χρησιμοποιώντας ένα συντελεστή ασφαλείας (F s ), ο οποίος παίρνει συνήθως τιμές μεταξύ 2.5-3.0 (συνήθης τιμή για θεμελιώσεις είναι 3). Η επιτρεπόμενη τάση θεμελίωσης δίνεται από τη σχέση όπου γ: το φαινόμενο βάρος του εδάφους θεμελίωσης Z: το βάθος θεμελίωσης 5
Είδη και τρόποι θεμελίωσης 1) Επιφανειακές θεμελιώσεις φέρουσα επιφάνεια (π.χ. πέδιλο) σε βάθος (κάτω από το έδαφος) πλάτος 1) Βαθιές θεμελιώσεις 6
Επιφανειακές θεμελιώσεις Ι 7
Επιφανειακές θεμελιώσεις ΙΙ 8
Επιφανειακές θεμελιώσεις ΙΙΙ 9
Επιφανειακές θεμελιώσεις ΙV 10
Βαθιές θεμελιώσεις 11
Βαθιές θεμελιώσεις - Τυπικές εφαρμογές πασσάλων 12
Είδη πασσάλων 13
Πάσσαλοι εκσκαφής 14
Κατασκευή πασσάλων εκσκαφής Κατασκευή πασσάλων εκσκαφής για τη θεμελίωση των πυλώνων της υψηλής γέφυρας Χαλκίδας (από Εργαστήριο τεχνικής Γεωλογίας) 15
Περιπτώσεις κατασκευής πασσάλων Κατασκευή μεταλλικών πασσάλων για υπόγειο σταθμό (Βυζαντινό Μουσείο) (από Εργαστήριο τεχνικής Γεωλογίας) Κατασκευή πασσάλων εκσκαφής για ανισόπεδο κόμβο (από Εργαστήριο τεχνικής Γεωλογίας) 16
Υπολογισμός επιφανειακών θεμελιώσεων ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 17
Προσδιορισμός φέρουσας ικανότητας από αποτελέσματα εργαστηριακών δοκιμών Σχέσεις Terzaghi and Peck (1967) Όπου γ: το φαινόμενο βάρος του εδάφους θεμελίωσης, c: η συνοχή εδάφους, z το βάθος θεμελίωσης και B το πλάτος θεμελίωσης. Ν γ, Ν q, N c συντελεστές φέρουσας ικανότητας εδάφους που υπολογίζονται με βάση τη γωνία εσωτερικής τριβής του εδάφους 18
Πίνακας συντελεστών φέρουσας ικανότητας 19
Όρια εφαρμογής σχέσεων φέρουσας ικανότητας 1) Ο υπολογισμός των παραμέτρων διατμητικής αντοχής του εδάφους απαιτεί την εκτέλεση των κατάλληλων εργαστηριακών δοκιμών σε αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα και σε εντατικές συνθήκες που προσομοιάζουν στις επιτόπου συνθήκες 2) ομοιομορφία εδάφους σε βάθος μέχρι Β κάτω από τη στάθμη θεμελίωσης 3) Αναφέρονται για πέδιλα - πεδιλοδοκούς που φέρουν κατακόρυφα και ομόκεντρα φορτία. Σε διαφορετική περίπτωση υπεισέρχονται συντελεστές διόρθωσης σχετικά με την εκκεντρότητα, την κλίση, το σχήμα, καθώς και την κλίση του εδάφους που απομειώνουν την τιμή της φέρουσας ικανότητας 20
Άσκηση 1 21
Άσκηση 2 22
Προσδιορισμός φέρουσας ικανότητας από επιτόπου δοκιμές SPT Σχέσεις Terzaghi et al.(1974) 23
Όρια εφαρμογής σχέσεων φέρουσας ικανότητας 1) καθιζήσεις μικρότερες των 25 mm. 2) τιμές του N SPT που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι διορθωμένες σε συνάρτηση με την ενεργή γεωστατική τάση και για λόγο ενέργειας 60%. 3) στάθμη υδροφόρου ορίζονται χαμηλότερη από τη στάθμη θεμελίωσης, στην περίπτωση που είναι υψηλότερα χρησιμοποιείται απομείωση της επιτρεπόμενης τάσης κατά 50% περίπου. 24
Άσκηση 3 25
Προσδιορισμός φέρουσας ικανότητας από επιτόπου δοκιμές CPT από Canadian Foundation Engineering Manual Για κοκκώδη εδάφη: Για λεπτόκοκκα εδάφη: Κ φ είναι αριθμητικός συντελεστής που εξαρτάται από την πυκνότητα του εδάφους και το είδος του θεμελίου και κυμαίνεται από 0.16 έως 0.3. Μια τιμή Κ φ =0.16 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις περιπτώσεις, ώστε να έχουμε τις ελάχιστες καθιζήσεις. Κ su είναι αριθμητικός συντελεστής που εξαρτάται από την ευαισθησία και την προφόρτιση του εδάφους καθώς και το είδος του θεμελίου και κυμαίνεται από 0.3 έως 0.6. Μια τιμή Κ su =0.3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις περιπτώσεις. 26
Άσκηση 4 27
Καθιζήσεις Η συνολική καθίζηση (S) ενός θεμελίου δίνεται γενικά από την παρακάτω σχέση (από Canadian Foundation Engineering Manual): q z η επιβαλλόμενη τάση, h z το πάχος του στρώματος, Ε s το μέτρο ελαστικότητας του εδάφους Η εκτίμηση του Ε s γίνεται εργαστηριακά από την καμπύλη στερεοποίησης συντελεστή συμπιεστότητας όγκου (m v ) για τα συνεκτικά εδάφη (Ε s =1/m v ) από επιτόπου δοκιμές για τα μη συνεκτικά (π.χ. από CPT όπου Ε s = k q c με τιμές του k που δίνονται στον Πίνακα Ι 28
Καθιζήσεις σε μη συνεκτικά εδάφη Στα μη συνεκτικά εδάφη οι καθιζήσεις είναι ανεξάρτητες του χρόνου και γίνονται άμεσα με την επιβολή της εξωτερικής τάσης και ο υπολογισμός του Ε s γίνεται από εμπειρικές σχέσεις μέσω κυρίως επιτόπου δοκιμών. 29
Καθιζήσεις σε συνεκτικά εδάφη Εξαρτώνται από: τη γεωλογική ιστορία βαθμό προστερεοποίησης του εδάφους τη διαπερατότητα (αποστράγγιση πίεση πόρων) Κρίσιμες παράμετροι: (α) συνολικό εύρος & (β) χρόνος ολοκλήρωσης 30
Συνολικό εύρος και χρόνος ολοκλήρωσης καθιζήσεων Για το συνολικό εύρος, ισχύει ό,τι ακριβώς και στα μη συνεκτικά εδάφη Χρόνος (t) που απαιτείται για την ολοκλήρωση των καθιζήσεων (βαθμός στερεοποίησης U μέχρι 100%) Η: το μήκος της πορείας αποστράγγισης (συνήθως όλο ή το μισό του πάχους του αργιλικού στρώματος) Τ v είναι αδιάστατος χρονικός συντελεστής που έχει σχέση με το μέσο βαθμό στερεοποίησης: 31
Άσκηση 5 32