Βελτίωση Συνθηκών Θεµελίωσης Μέσω Έδρασης επί Μεµονωµένων Πλακών επί Πασσάλων, σε Μαλακά και Ρευστοποιήσιµα Εδάφη Foundation of Structures on Isolated Slabs with Concrete Piles οn Soft and Liquifiable Soils ΜΕΤΑΞΑΣ, Ι.Λ. ΚΟΥΜΟΥΛΟΣ,.Γ. ΚΟΡΓΙΑΛΟΣ, Θ.Π. Πολιτικός Μηχανικός, M.Eng.,Κάστωρ ΕΠΕ ρ Πολιτικός Μηχανικός, Κάστωρ ΕΠΕ Πολιτικός Μηχανικός, M.Sc.,Κάστωρ ΕΠΕ ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Το άρθρο αυτό αναφέρεται στην χρήση µεµονωµένων πλακών επί πασσάλων για την έδραση και κατ επέκτασιν θεµελίωση κτιρίων και τεχνικών έργων σε µαλακά ή/και ρευστοποιήσιµα εδάφη. Με την µέθοδο αυτή εξασφαλίζεται η ευστάθεια της θεµελίωσης και της κατασκευής σε σεισµό και λύνονται προβλήµατα διαφορικών καθιζήσεων και ως ένα βαθµό προβλήµατα ανάληψης των υψηλών διατµητικών δυνάµεων. Οι µεµονωµένες πλάκες επί πασσάλων φέρουν τα φορτία της κατασκευής µε ασφάλεια, χωρίς να συνδέεται η θεµελίωση µε τους πασσάλους των πλακών. Κατ αυτόν τον τρόπο είναι δυνατόν να γίνει πιο αποτελεσµατική στεγανολεκάνη εαν αυτή απαιτείται. ABSTRACT : This Paper refers to the use of isolated slabs on bored concrete piles, to improve the foundation conditions for the safe placement of structures on soft and/or liquefiable soils. With this method differential settlements are minimized and a number of problems associated with the behaviour of conventional foundations on piles which have to resist high shear forces due to earthquakes are solved. Additionally a more effective waterproofing system can be applied. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται προτάσεις για την χρήση ανεξαρτήτων πλακών επί πασσάλων για την έδραση-θεµελίωση κτιρίων, βιοµηχανικών εγκαταστάσεων και άλλων κατασκευών σε µαλακά ή/και ρευστοποιήσιµα εδάφη, καθώς και άλλων γεωτεχνικών κατασκευών σε πρανή και κατολισθήσεις. Το σύστηµα αυτό αποτελείται από µία ή περισσότερες πλάκες οπλισµένου σκυροδέµατος οι οποίες εδράζονται επί πασσάλων και µπορεί να έχει την ονοµασία υπόγεια τραπέζια. Η ιδέα αυτή είναι δυνατόν να εφαρµοστεί για να αντιµετωπισθούν πρακτικά προβλήµατα όπως παραδείγµατος χάριν: α. Κατασκευαστικές δυσκολίες στην στεγάνωση κτιρίων θεµελιωµένων επί πασσάλων µε υπόγεια κάτω απο το νερό, λόγω των διακοπών για την συναρµογή της µεµβράνης στις θέσεις σύνδεσης των πασσάλων θεµελίωσης µε την πλάκα της γενικής κοιτόστρωσης. β. υσκολίες 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 λειτουργικότητάς, λόγω δυσµενών συνθηκών υπεδάφους. δ. Μεγαλύτερη ασφάλεια των κατασκευών σε σεισµό από απρόβλεπτες συνθήκες στο υπέδαφος λόγω ανοµοιοµορφίας. Οι ανεξάρτητες πλάκες επί πασσάλων µπορούν να εφαρµοστούν σε πλήθος έργων. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 1
1.2 Πλεονεκτήµατα της Μεθόδου των Πλακών επί Πασσάλων Η µέθοδος που εφαρµόζεται συνήθως για την µείωση καθιζήσεων και την αντιµετώπιση διαφορικών καθιζήσεων κτιρίων επί µαλακών εδάφων είναι η θεµελίωση επί πασσάλων συνδεδεµένων µε την γενική κοιτόστρωση. Ο Poulos (2001) παρουσιάζει την εµπειρία που αποκτήθηκε από την συµπεριφορά θεµελίωσης κτιρίων µε σύστηµα γενικής κοιτόστρωσης συνδεδεµένης µε πασσάλους και ε- πισηµαίνει τις ιδιαιτερότητες των αναλύσεων για τον σχεδιασµό του συστήµατος αυτού, οι οποίες µπορεί να οδηγήσουν σε υπερσχεδιασµό της θεµελίωσης. Το πλεονέκτηµα της µεθόδου των µεµονω- µένων πλακών επί πασσάλων, είναι ότι η θε- µελίωση του κτιρίου υπολογίζεται ανεξάρτητα από τους πασσάλους, αφού αυτοί δεν συνδέονται µε την θεµελίωση του κτιρίου. Το κτίριο συµπεριφέρεται πλέον σαν να έχει εδραστεί επί ενός σκληρού εδάφους, ή επί ενός ηµιβράχου. Η θεµελίωση του κτιρίου µπορεί να µελετηθεί στις περισσότερες περιπτώσεις µε δείκτη εδάφους της τάξεως των k s =50.000kN/m 3. Η θεµελίωση µπορεί να είναι εσχάρα πεδιλοδοκών εαν δεν απαιτείται στεγανολεκάνη, ή γενική κοιτόστρωση. Σε περιπτώσεις µεγάλων κτιρίων, υψηλών κτιρίων, ή σηµαντικών κτιρίων όπως νοσοκο- µεία, σχολεία κλπ, σε περιοχές υψηλής σεισµικότητας µπορούν να χρησιµοποιηθούν ειδικά εφέδρανα µεταξύ της γενικής κοιτόστρωσης του κτιρίου και της µεµονωµένης πλάκας, για καλύτερη συµπεριφορά στο σεισµό. Όπου απαιτείται να γίνει στεγανολεκάνη λόγω υπογείων υδάτων, το παραπάνω σύστηµα εξασφαλίζει καλύτερη και πιό 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. Στις επόµενες παραγράφους παρουσιάζονται µερικές περιπτώσεις θεµελιώσεων µε ε- φαρµογή της µεθόδου των πλακών επί πασσάλων. Σχήµα 1. Θεµελίωση κτιρίου επί ρευστοποιήσιµων ή µαλακών αργιλικών εδαφών. Τοµή πλακών επί πασσάλων. Figure 1. Foundation of building on liquifiable or soft clayey soils. Cross section of isolated slabs on piles. 2. ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΛΑΚΩΝ ΕΠΙ ΠΑΣΣΑΛΩΝ 2.1 Ρευστοποιήσιµα Αµµώδη Εδάφη Στα Σχήµατα 1 και 2 παρουσιάζονται ενδεικτικά παραδείγµατα έδρασης κτιρίων σε πλάκες επί πασσάλων. Με την µέθοδο αυτή αποφεύγεται το ενδεχόµενο ανατροπής και στροφής σε κτίρια που θεµελιώνονται επί ρευστοποιήσιµων εδαφών, λόγω σεισµού. Στην περίπτωση ρευστοποιήσιµων εδαφών θα πρέπει οι πάσσαλοι των πλακών να έχουν διάµετρο Φ800mm, και ο σχεδιασµός να γίνει έτσι ώστε να παραλαµβάνουν µε τους απαιτούµενους συντελεστές ασφαλείας, όλο το φορτίο του κτιρίου, µαζί µε τις αρνητικές τριβές επί των πασσάλων. Σε περιπτώσεις ρευστοποιήσιµων εδαφών µεγάλου πάχους, παραδείγµατος χάριν µεγαλύτερου των 4m, συνιστάται η εγκατάσταση µεταξύ των φρεατοπασσάλων στραγγιστηρίων των τύπων EQ-drains ή screen pipes. Εναλλακτικά µπορούν να κατασκευαστούν χαλικοπάσσαλοι ελάχιστης διαµέτρου 600mm. Με αυτόν τον τρόπο µειώνεται ο κίνδυνος ρευστοποίησης και περιορίζεται η καταπόνηση των πασσάλων σε περίπτωση µεγάλου σεισµού από διατµητικές δυνάµεις και καµπτικές ροπές. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 2
Σχήµα 2. Παραδείγµατα θεµελίωσης κτιρίων επί ρευστοποιήσιµων ή µαλακών αργιλικών εδαφών. Κατόψεις πλακών επί πασσάλων. Figure 2. Examples of foundations of buildings on liquifiable or soft clayey soils. Plan views of isolated slabs. 2.2 Μαλακά Αργιλικά Εδάφη Οι πλάκες επί πασσάλων συµβάλλουν στην αύξηση της φέρουσας ικανότητας του εδάφους, και στην µείωση ανεπιθύµητων καθιζήσεων σε κτίρια που θεµελιώνονται επί µαλακών αργιλικών εδαφών. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα δίδονται στα Σχήµατα 1 και 2. Ο σχεδιασµός της οµάδας των πασσάλων θα πρέπει να γίνει έτσι ώστε να φέρουν τους απαιτούµενους συντελεστές ασφαλείας το ολικό φορτίο του κτιρίου. Στην περίπτωση αυτή ο σχεδιασµός των πάσσαλων θα πρέπει να γίνει έτσι ώστε να φέρουν µε τους απαιτούµενους συντελεστές ασφαλείας το ολικό φορτίο του κτιρίου και να γίνει έλεγχος ευστάθειας του πρανούς. 2.3 Ανοµοιογενή Εδάφη Η έδραση βιοµηχανικών εγκαταστάσεων και άλλων κατασκευών που έχουν µεταβαλλόµενα φορτία σε ανοµοιογενή και ανοµοιόµορφα εδάφη όπως φαίνεται στο Σχήµα 3 εξασφαλίζει την κατασκευή από τις συνέπειες των διαφορικών καθιζήσεων. Η µέθοδος εφαρµόστηκε µε επιτυχία για την θεµελίωση κτιρίου επί τεχνητών επιχώσεων στην Αθήνα. 2.4 Θεµελίωση επί Πρανών. Εφαρµογή των πλακών επί πασσάλων µπορεί να γίνει και σε περιπτώσεις θεµελίωσης κατασκευών επί πρανών, ώστε να εξασφαλιστεί η ευστάθεια της κατασκευής κτιρίων και του πρανούς, όπως ενδεικτικά φαίνεται στo Σχήµα 4. Σχήµα 3. Βιοµηχανικές εγκαταστάσεις και σιλό σε ανοµοιογενή εδάφη. Τοµή και κάτοψη πλακών επί πασσάλων. Figure 3. Industrial installations and silos on heterogeneous soils. Cross section and plan view of isolated slabs. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 3
Σχήµα 4. Σταθεροποίηση πρανών και κατολισθήσεων. Figure 4. Slope and landslide stabilisation. 2.5 Σταθεροποίηση Πρανών και Κατολισθήσεων Σε περιπτώσεις κατολισθήσεων ή επικινδύνων πρανών, οι πλάκες επί πασσάλων µπορούν να εξασφαλίσουν σε πολλές περιπτώσεις την απαιτούµενη ευστάθεια. Επίσης συµβάλλουν στην σταθεροποίηση των εδαφών που είτε έχουν ήδη υποστεί κατολίσθηση, είτε κινδυνεύουν να ολισθήσουν, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4. Πάνω στις πλάκες επί πασσάλων µπορεί να διέρχεται και δρόµος. Η µέθοδος αυτή είναι ασφαλέστερη σε σύγκριση µε σειρές µεµονωµένων πασσάλων που εφαρµόζονται συνήθως για την αντιµετώπιση κατολισθητικών φαινοµένων. Η µέθοδος εφαρµόστηκε µε επιτυχία στην σταθεροποίηση και αντιστήριξη οδού σε περιοχή κατολίσθησης. Λεπτοµέρειες δίδονται από τους Καβουκλή, ανιηλίδη και Κούµουλο (2010) σε άλλη ανακοίνωση του παρόντος Συνεδρίου. Σχήµα 5. Θεµελίωση λιµενικών έργων επί µαλακών εδαφών. Figure 5. Foundation of marine works on soft soils. την λύση της εξυγίανσης µε χαλικοπασσάλους που εφαρµόζεται συνήθως σε παρόµοια έργα,λόγω του πυκνού καννάβου των χαλικοπασσάλων που απαιτείται κατά κανόνα. Επιπλέον, εξασφαλίζεται η ελαχιστοποίηση των καθιζήσεων και επιτυγχάνεται καλύτερη σεισµική συµπεριφορά του έργου. 2.7 Αντιµετώπιση ιαφορικών Καθιζήσεων Υψηλών Κτιρίων Οι πλάκες επί πασσάλων µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αποφυγή επικίνδυνων διαφορικών καθιζήσεων σε υψηλά κτίρια, βιοµηχανικούς πύργους και άλλες ευαίσθητες κατασκευές. Είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν µε τον κατάλληλο κάνναβο µικρότερες πλάκες επί πασσάλων αντί µίας µεγάλης για σχετική οικονοµία, όπως φαίνεται στο Σχήµα 6. 2.6 Θεµελίωση Λιµενικών Έργων επί Μαλακών Εδαφών Οι πλάκες επί πασσάλων µπορούν να εφαρµοσθούν σε λιµενικά έργα, όπου συχνά συναντώνται µαλακά εδάφη µεγάλου πάχους και κατά θέσεις δεν είναι δυνατόν να γίνουν εκσκαφές για εργασίες εξυγίανσης, λόγω υφισταµένων εγκαταστάσεων ή άλλων περιορισµών. Οι πλάκες έδρασης µπορούν να τοποθετηθούν πάνω στις κεφαλές των πασσάλων χωρίς σύνδεση, όπως φαίνεται στο Σχήµα 5. Η λύση των υπογείων τραπεζιών σε πολλές περιπτώσεις προκύπτει πιο οικονοµική από Σχήµα 6. Αντιµετώπιση διαφορικών καθιζήσεων υψηλών ή επιµήκων κτιρίων. Figure 6. Minimization of differential settlements of high or long buildings. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 4
Σχήµα 7. Έδραση-θεµελίωση επιχωµάτων επί µαλακών εδαφών. Figure 7. Placement-foundation of embankments on soft soils. 2.8 Θεµελίωση Επιχωµάτων επί Μαλακών Εδαφών Στο Σχήµα 7 παρουσιάζεται η περίπτωση θεµελίωσης επιχωµάτων επί µαλακών εδαφών. Οι πλάκες επί πασσάλων εξασφαλίζουν την απαιτούµενη ευστάθεια και µείωση του χρόνου κατασκευής. Ο σχεδιασµός των πασσάλων µπόρει να γίνει έτσι ώστε να φέρουν µε τους απαιτούµενους συντελεστές ασφαλείας, τουλάχιστον το 80% του ολικού φορτίου του επιχώµατος (βλ. Poulos, 2001). 2.9 Θεµελίωση Υπογείων Έργων και Στεγάστρων (Cut & Cover) επί Μαλακών Εδαφών Η θεµελίωση υπογείων έργων και στεγάστρων (Cut & Cover) επί µαλακών εδαφών µε την εφαρµογή των πλακών επί πασσάλων δίνει λύσεις σε προβλήµατα γενικής ευστάθειας και διαφορικών καθιζήσεων. Σε υπόγεια έργα µε περιορισµένο ελεύθερο ύψος οι πάσσαλοι κατασκευάζονται µε ειδικά µηχανήµατα παρόµοια µε αυτά που χρησιµοποιούνται σε υπόγεια κτιρίων για εργασίες υποστύλωσης. 3. ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΠΛΑΚΩΝ ΕΠΙ ΠΑΣΣΑΛΩΝ Για τον σχεδιασµό µίας πλάκας επί πασσάλων όπως και για µία κοιτόστρωση 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. Σχήµα 8. Θεµελίωση υπογείων έργων και στεγάστρων (Cut & Cover) επί µαλακών εδαφών. Figure 8. Foundation of underground structures and Cut & Cover on soft soils. Οριζόντιοι δείκτες εδάφους για τον υπολογισµό των πασσάλων. Η φέρουσα ικανότητα των πασσάλων της µεµονωµένης πλάκας µέσω µιας οποιασδήποτε δόκιµης µεθόδου υπολογισµού της φέρουσας ικανότητας πασσάλων. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εφαρµογή του συστήµατος µεµονωµένων πλακών επί πασσάλων για την έδραση κτιρίων και βιοµηχανικών εγκαταστάσεων σε προβληµατικά εδάφη και σε πρανή, αυξάνει σε πολλές περιπτώσεις τον συντελεστή ασφαλείας και βελτιώνει την ευστάθεια των κατασκευών. Η µέθοδος αυτή λύνει προβλήµατα πρακτικών δυσκολιών όσον αφορά στην στεγάνωση κτιρίων µε µεµβράνη κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα, όταν αυτά πρέπει να θεµελιωθούν επί πασσάλων που συνήθως συνδέονται µε την γενική κοιτόστρωση του κτιρίου. Επίσης λύνει ως έναν βαθµό προβλήµατα από την µακροχρόνια καταπόνηση των συνήθων πασσάλων θεµελίωσης οι οποίοι παραλαµβάνουν σε περίπτωση σεισµού τις οριζόντιες δράσεις του κτιρίου αφού επιτρέπει µια µικρή οριζόντια µετακίνηση µεταξύ της πλάκας θεµελίωσης και της πλάκας των πασσάλων. Παράλληλα µειώνει τις αβεβαιότητες που υπάρχουν στους υπολογισµούς του συστήµατος πασσάλων και 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 5
θεµελίωσης του κτιρίου, αφού δεν συνδέονται οι πάσσαλοι της πλάκας µε το κτίριο. Η µέθοδος εφαρµόστηκε µε επιτυχία για την θεµελίωση κτιρίου επί τεχνητών επιχώσεων (µπάζων) και για την σταθεροποίηση και αντιστήριξη οδού σε περιοχή κατολίσθησης. 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Poulos, H.G. (2001), Piled raft foundations : design and applications, Geotechnique, Vol.51, No 2, pp 95-113. Καβουκλής, Π., ανιηλίδης, Θ. και Κούµουλος. (2010), Σύστηµα αντιστήριξης οδού και αγωγού ύδατος σε περιοχή κατολίσθησης, 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής Μηχανικής. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/10 2010, Βόλος 6