Stanovenie experimentálnej únosnosti pilót

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2022. Byl oceněn a recenzován odbornou porotou a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Posúdenie a návrh pilotových základov nie je jednoduchý proces, za najvhodnejšie sa javí navrhovanie pilót na základe medzného stavu používateľnosti, t. j. sadnutia a ich únosnosť overiť dodatočne. Podstatne odlišný trend však môžeme vyrozumieť z platného Eurokódu 7-1, ktorý sa venuje predovšetkým podmienkam MSÚ a sadnutie pilót spomína len okrajovo. Únosnosť pilóty a jej presná formulácia je pomerne komplikovaná záležitosť. Únosnosť má zodpovedať takému stavu, kedy nie je prekročená pevnosť materiálu pilóty alebo pevnosť okolitej zeminy, prípadne ich medza pretvorenia [1]. Za najspoľahlivejší spôsob stanovenia únosnosti osamelej pilóty sa všeobecne považuje statická zaťažovacia skúška. Pri testovaní pilóty sa zohľadňujú aj ďalšie vplyvy, ktoré výpočtové predpoklady nemusia vždy správne vystihovať. Do úvahy sa berú najmä vplyvy akými sú vlastnosti základovej pôdy v konkrétnej oblasti a technologické aspekty realizácie pilóty. Výsledok merania statickej zaťažovacej skúšky sa graficky znázorňuje zaťažovacou krivkou, ktorá zobrazuje závislosť zvislého zaťaženia a ustáleného sadania hlavy pilóty. Rovnako ako analytické metódy má aj statická zaťažovacia skúška rôzne metódy vykonávania a vyhodnocovania experimentálneho merania poskytujúce odlišné hodnoty únosnosti ako uvádzajú autori v [2], [3], [4].

Článok analyzuje porovnanie troch metód vyhodnotenia a vzájomného porovnania výsledkov získaných zo zaťažovacej krivky na veľkopriemerových vŕtaných pilótach s použitím výpažnice. Konkrétne ide o metódy vyhodnotenia krivky podľa STN 73 1002, metódy Brinch Hansen – 80% kritérium a podľa Davissonovej metódy medznej únosnosti.

2. Statická zaťažovacia skúška pilóty

Rovnako ako analytické metódy má aj statická zaťažovacia skúška (SZS) rôzne metódy postupu a vyhodnocovania výsledkov. Pri každej metóde je nutné dodržať určitý postup zaťažovania pre získanie relevantnej zaťažovacej krivky, ktorá sa následne analyzuje a určí sa výsledná únosnosť pilóty, pre ktorú sa stanoví bezpečné zaťaženie, ktorým je možné pilótu zaťažiť bez toho, aby došlo k poškodeniu nosných konštrukcií v hornej stavbe. Najbežnejšie používanou metódou je pomalá skúška udržiavaného zaťaženia (slow ML test), označovaná ako štandardný postup zaťažovania v ASTM navrhovaní D-1143 [5]. Na obr. 1 možno vidieť schematickú zostavu SZS s využitím zaťažovacieho mostu, čo je na území Slovenskej republiky najpoužívanejší spôsob. Zaťaženie na pilótu je aplikované hydraulickými lismi rozopieranými o zaťažovací most, ktorému slúžia ako protizáťaž kotviace pilóty. Najzákladnejšie meranie počas priebehu skúšky je zaznamenávanie posunu (zatlačenie) hlavy pilóty. Skúšky môžu byť doplnené aj prídavné snímače. Napr. ide o tenzometricke snímače, poskytújúce rozsiahlejší obraz o vzájomnej interakcii pilóty a základovej pôdy. Taktiež je možné merať priehybové (poklesové) kotliny, pomocou ktorých sa zisťuje vplyv prenášania zaťaženia do okolitého geologického prostredia.

Po vykonaní metódy zaťažovania je potrebné krivku analyzovať a stanoviť z nej návrhové hodnoty. Najčastejšie používane metódy analýzy zaťažovacej krivky sú uvedené v [6]. Problematike analýze krivky sa venovali v [2] a konštatovali, že interpretácia tej istej krivky zobrazujúcej priebeh zaťaženia a sadania môže poskytnúť veľký rozptyl finálnych výsledkov v závislosti od použitej metódy, a od toho ako blízko k porušeniu bola pilóta zaťažená. Rozptyl pri niektorých metódach ovplyvňuje aj subjektívnosť inžiniera vykonávajúceho interpretáciu, pretože nie každá metóda je založená na matematických pravidlách [4].

Vyhodnotenie podľa STN

Na Slovensku sa najviac používa metóda, ktorú uvádza STN 73 1002 a určuje experimentálnu únosnosť U_ve,i zo štyroch medzných hodnôt (U_con , Ud_ef , U_pr a U_y). Následne sa z nich určí návrhová únosnosť U_vd ako minimálna hodnota podľa vzťahu:

kde je

U_ve

experimentálna únosnosť určená z priebehu krivky [kN],

U_vd

návrhová únosnosť [kN],

γ_re,i

parciálny súčiniteľ zohľadňujúci bezpečnosť návrhu.

Za výslednú návrhovú únosnosť sa považuje minimálna hodnota U_vd . Zaťaženie, pri ktorom sa dosiahne sadnutie 25 mm je považované za smernú únosnosť a označuje sa U_con . Hodnota zaťaženia, pri ktorej sa dosiahne sadanie 0,1D je považovaná za únosnosť na medzi pretvorenia U_def . Zaťaženie, pri ktorom nastane väčšia zmena zakrivenia zaťažovacej krivky, sa považuje za únosnosť na medzi úmernosti U_pr . U_y predstavuje únosnosť na medzi pretvorenia, ide o hodnotu pri ktorej sa dosiahne zreteľný zlom na zaťažovacej krivke. Ak sa nedosiahne ani jedna z uvedených hodnôt za charakteristickú únosnosť sa považuje najväčšia hodnota zaťaženia počas SZS [7].

Vyhodnotenie podľa Brinch Hansen – 80% kritérium

J. Brinch Hansen v roku 1963 definoval únosnosť pilóty Q_u (U_ve) ako záťaž, ktorá vyvoláva štvornásobok sadania hlavy pilóty získaného pri 80 % tejto záťaži. Toto 80% kritérium možno odhadnúť priamo z krivky sadania a zaťaženia, ale presnejšie je určené v grafe závislosti odmocniny každej hodnoty sadania podelenej príslušnou hodnotou zaťaženia a samotného sadania (√S/V a S). V tomto grafe sa následne určia parametre C₁ a C₂ z koncovej priamkovej časti grafu.

kde je

Q_u

charakteristická únosnosť určená z priebehu krivky [kN],

S_u

sadnutie pilóty pri Q_u [kN],

C₁

číselné vyjadrenie sklonu priamky,

C₂

ypsilónová súradnica začiatku priamky.

Pri použití metódy Brinch Hansen – 80% kritérium je dôležité skontrolovať či bod 0,80Q_u /0,25S_u leží v blízkosti krivky alebo na nameranej krivke sadania a zaťaženia. Relevantnosť hodnotenia sa môže prehodnotiť tak, že nameraná krivka sadania a zaťaženia sa prekryje vypočítanou krivkou podľa rovnice (4). Tieto dve krivky by mali byť v tesnej blízkosti zaťaženia rovnajúceho sa približne 80 % z Q_u a samotného konečného zaťaženia (únosnosti) Q_u [8].

kde je

V_v

vypočítané zaťaženie [kN],

S

sadanie [mm].

Vyhodnotenie podľa Davissonovej metódy medznej únosnosti

Davisson definoval únosnosť pilóty Q_u (U_ve) ako záťaž zodpovedajúcu sadaniu, ktoré presahuje elastické stlačenie (skrátenie) pilóty Δ o hodnotu 4 mm plus faktor rovný priemeru pilóty D (v milimetroch) delený 120. Medzná únosnosť pilóty sa určí priamo z grafu závislosti sadania S a zaťaženia V. Za únosnosť pilóty sa podľa Davissonovej metódy považuje bod, kde pretne odsadená čiara elastického skrátenia o hodnotu X_d krivku závislosti sadania a zaťaženia získanú zo statickej zaťažovacej skúšky. Elastické skrátenie pilóty Δ a jeho odsadenie X_d sa vypočítajú podľa vzťahov (5) a (6). Δ a X_d sa počíta pre každý stupeň zaťaženia [3], [9]

kde je

Δ

elastické stlačenie pilóty [mm],

V

aplikované zaťaženie [kN],

L

dĺžka pilóty [m],

A

plocha priečneho rezu pilóty [m²],

E

modul pružnosti materiálu piloty [kPa].

kde je

X_d

odsadenie elastického skrátenia pilóty [mm],

D

priemer pilóty [mm].

Stanovenie návrhovej únosnosti

Návrhová únosnosť U_vd sa stanovuje podelením experimentálnej únosnosti pilóty U_ve koeficientom bezpečnosti γ. Tu však treba dať pozor, koeficient bezpečnosti γ nie je jednotná hodnota uplatniteľná za každých okolností. Jeho hodnota závisí od dovolenej úrovne zlyhania, ako aj od úrovne kontroly aspektov ovplyvňujúcich zmenu únosnosti pilóty na danom mieste. Ovplyvňuje ho aj metóda, ktorá sa používa na vyhodnotenie výsledkov skúšky. Veľa noriem určuje jednotný koeficient bez ohľadu na podmienky, zvyčajne je to hodnota 2,0 často aj vyššia [3]. Voľnosť inžinierov pri navrhovaní pilót viedla k použitiu veľkého množstva koeficientov bezpečnosti. Pri zaťažovacej skúške vykonanej na začiatku projektových prác, kedy nie je isté, že pilóta bude rovnakého druhu, sa používajú hodnoty 2,5. V prípade testovania počas konečnej konštrukčnej fázy, keď sa zaťažovacia skúška uskutoční za priaznivých podmienok reprezentatívnych pre projekt, sa používajú hodnoty 1,8–2,2.

Metóda STN uvádza rozmedzie koeficientu bezpečnosti γ v rozsahu od 1,0–1,5, a to v závislosti od dosiahnutej medznej hodnoty (v našom prípade je to pri pilótach č. 1 až 7 a 10 hodnota 1,5; pri pilótach č. 8 a 9 je to hodnota 1,3). Koeficient bezpečnosti γ pre Davissonovú metódu sa zvyčajne volí v rozsahu 1,8 až 2,0. Vo výpočtoch je uvažované s hodnotou 2,0. Pri metóde Brinch Hansen – 80% kritérium je pre určenie návrhového zaťaženia koeficient bezpečnosti γ zvyčajne v rozsahu 2,0–2,5 [6]. V našich analýzach sme uvažovali s hodnotou 2,0.

3. Vyhodnotenie zaťažovacích kriviek

Ako podklad pre hodnotenie slúžia výsledky zo skúšok realizovaných na pilótach, ktoré sú súčasťou základov stavebných mostných objektov SO 201 a SO 202 situované na ceste I/51, Trnava, severný obchvat. Realizácia a postup zvyšovania zaťaženia na pilótu počas SZS bol realizovaný podľa [7]. Maximálne skúšobné zaťaženie na pilótu bolo stanovené ako 1,5násobok návrhového zaťaženia poskytnutého statikom hornej stavby. V článku je vyhodnotených 10 statických zaťažovacích skúšok podľa [7], [8], [9]. Všetky pilóty boli zhotovené z betónu triedy C30/37 ako vŕtané pilóty s výpažnicou a CFA technológiou (pilóty s priemerom 1,0 m – CFA, pilóty s priemerom 1,2 m – vŕtané). Dĺžky, priemery, triedy betónu, inžiniersko-geologické profily, v ktorých sa pilóty nachádzajú a priebehy statických zaťažovacích skúšok sú prevzaté z [10]. Na obr. 2 možno vidieť priebeh sadania jednotlivých pilót v závislosti od zaťaženia.

Unikátnosť výsledkov statických zaťažovacích skúšok tkvie v tom, že sú všetky realizované na jednej lokalite, na pomerne malej ploche. Podľa geomorfologického členenia patrí skúmané územie do celku Podunajská pahorkatina, podcelku Trnavská pahorkatina, časti Trnavská tabuľa a ide o rovinaté uzemie. Povrch terénu sa pohybuje od 153,85 do 154,29 m n. m. Skúmané územie je budované na povrchu prevažne preplavenými sprašovými ílmi a v nižších polohách s výskytom fluviálnych pieskov. Hladina podzemnej vody kolíše okolo 10,5 m pod povrchom terénu vo vrstvách fluvialnych pieskov.

Geológia územia je tvorená:

• ornicou a humusom hrúbkou vrstvy 0,3–0,5 m,
• podorničnou vrstvou s hrúbkou 0,3–0,8 m siltovitého charkateru,
• vrstvami spraší so strednou a nízkou plasticitou triedy F6 tuhej miestami pevnej až tvrdej konzistencie, slabo presadavé až presadavé, hrúbka vrstvy 9,0–9,4 m,
• fluviálnymi sedimentami, ktoré majú charakter piesku ílovitého tr. S5 a piesku s prímesou jemnozrnnej zeminy S3 s hrúbkou vrstvy 1,0–2,6 m,
• spodné vrstvy sú tvorené neogénymi sedimentami charakteru ílu s vysokou plasticitou tr. F8/CH.

V Tab. 1 sú uvedené identifikačné údaje pilót a výsledky z vyhodnocovania statických zaťažovacích skúšok (návrhové únosnosti). Grafické vyhodnotenie možno vidieť na obr. č. 3. Päty pilot sú ukončené v únosnějších vrstvách pieskov triedy S3 a S5 s výnimkou pilóty č. 6, ktorej päta konči v sprašovitých zeminách.

Podľa metódy STN 73 1002 bolo možné zistiť únosnosti pre všetky pilóty. V deviatich prípadoch bola zistená návrhová únosnosť rovnaká ako návrhová hodnota zaťaženia, pretože rozhodujúca experimentálna únosnosť U_v,e bola rovná maximálnemu skúšobnému zaťaženiu. Pre pilótu č. 9 bola únosnosť nevyhovujúca.

Podľa metódy Brinch Hansen – 80% kritérium bolo možné zistiť únosnosti pre 7 pilót. Vo všetkých 6 prípadoch boli únosnosti menšie ako návrhové hodnoty zaťaženia. Únosnosť pilóty č. 2 a 7 nebola určená, pretože koncové body grafu závislosti S a √S/V netvorili priamku (R² < 0,7). Únosnosť pilóty č. 6 nebola určená, pretože bod 0,8Q_u /0,25S_u ležal mimo rozsah nameranej krivky.

Podľa Davissonovej metódy medznej únosnosti bolo možné zistiť únosnosti pre tých istých 7 pilót ako podľa metódy Brinch Hansen – 80% kritérium. V šiestich prípadoch boli únosnosti menšie ako návrhové hodnoty zaťaženia. Únosnosť pilót č. 2, č. 6 a č. 7 nebolo možné určiť, pretože elastické skrátenie pilót Δ odsadené o hodnotu X_d bolo väčšie ako sadanie pilót.

Pri porovnaní metódy STN 73 1002 s metódou Brinch Hansen – 80% kritérium sú únosnosti pilót v šiestich prípadoch menšie. Rozdiel únosnosti v percentuálnom porovnaní sa pohybuje v rozsahu 6–37 %, v priemere je to hodnota 24 %. Iba v jednom prípade bola únosnosť pilóty väčšia, a to pri pilóte č. 9, kedy predstavovala výslednú únosnosť väčšiu o 6 %.

Pri porovnaní metódy STN 73 1002 s Davissonovú metódou medznej únosnosti sú únosnosti pilót vo všetkých prípadoch menšie. Rozdiel únosnosti v percentuálnom porovnaní sa pohybuje v rozsahu 31–93 %, v priemere je to hodnota 52 %.

4. Záver

Výsledok statickej zaťažovacej skúšky neposkytuje jednoznačné odpovede stanovenia únosnosti pilóty. Existujú značné odchýlky v metódach interpretácie zlyhania či prekročenia únosnosti. Z tohoto dôvodu je nutné prihliadnuť aj na limitné hodnoty sadnutia pilóty pri danej únosnosti, ktoré by mohli ohroziť stabilitu konštrukcie. Statická zaťažovacia skúška, ktorá meria iba aplikované zaťaženie a pohyb hlavy pilóty nám vyjadruje únosnosť pilóty ako celku bez možnosti stanovenia samostatnej únosnosti päty a plášta pilóty, avšak pri malých projektoch je takáto úroveň náročnosti postačujúca, ak je neistota pokrytá dostatočným faktorom bezpečnosti.

Vyhodnotením výsledkov experimentálnych meraní môžeme konštatovať, že metóda STN je univerzálna, keďže je možné určiť únosnosť pre každý typ zaťažovacej krivky, tiež poskytuje najväčšie hodnoty únosnosti z troch uvedených metód, iba v jednom prípade hodnota bola menšia ako Brinch Hansen – 80% kritérium. Nevýhodou je však, že metóda nie je plne založená na matematickom pravidle, ktoré by generovalo stále rovnakú hodnotu nezávisle na mierke zobrazenia, čo neplatí však napr. pri stanovení U_pr a U_y . Tiež by poskytovala odlišné výsledky, ak by zaťažovanie pilóty pokračovalo na väčšie hodnoty.

Metódy Brinch Hansen – 80% kritérium a Davissonovú metódou medznej únosnosti nemôžme považovať za univerzálne metódy, keďže nebolo možné stanoviť únosnosť pre všetky typy zaťažovacích kriviek. Nie je možné ich použiť pre krivky, pre ktoré je typické malé sadanie s narastaním zaťaženia a malé konečné sadnutie pri maximálnom skúšobnom zaťažení.

Použité zdroje

1. STACHO, J. Analýza navrhovania pilót so zohľadnením technológie zhotovovania, dizertačná práca, STU Bratislava STU 2015.
2. DE COCK, F. – LEGRAND, C. – HUYBRECHTS, N. 2003. : Overview of design methods of axially loaded piles in Europe – Report of ERTC3-Piles, ISSMGE Subcommittee. In XIII^th European conference on soil mechanics and geotechnical engineering: proceedings. Vol 3. Geotechnical problems with man-made and man influenced grounds. Prague: The Czech Geotechnical Society CICE, 2003. ISBN 80-86769-02-X.
3. FELLENIUS, B. H. 2001. We have determined the capacity, then what? [online]. New Jersey: Deep Foundation Institute, Fulcrum, 2001. 4 p. Dostupné na internete:
   https://www.fellenius.net/papers/230%20&%20240%20Analysis%20of%20Pile%20Capacity-DFI.pdf.
4. FELLENIUS, B. H. 2001. What capacity value to choose from the results a static loading test [online]. New Jersey: Deep Foundation Institute, Fulcrum, 2001. 4 p. Dostupné na internete:
   https://www.fellenius.net/papers/230%20&%20240%20Analysis%20of%20Pile%20Capacity-DFI.pdf.
5. Astm D1143-81 Piles Under Static Compressive Axial Load.
6. DIŇA, N. Hodnotenie statickej zaťažovacej skúšky pilót podľa rôznych postupov [bakalárska práca] /; Škol. Giang Nguyen. – Katedra geotechniky Fakulty stavebnej Žilinskej univerzity v Žiline. – Žilina; 2018. – 89 s.
7. STN 73 1002: 1987: Pilotové základy.
8. Hansen, J. B., 1963. Discussion on hyperbolic stress-strain response. Cohesive soils. American Society of Civil Engineers, ASCE, Journal for Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 89, SM4, pp. 241-242.
9. Davisson, M. T., 1972. High capacity piles. Proceedings of Lecture Series on Innovations in Foundation Construction, American Society of Civil Engineers, ASCE, Illinois Section, Chicago, March 22, pp. 81-112.
10. DRUSA, M. – KORENKO, M. 2010–2011. Dokumenty „PROJEKT ZAŤAŽOVACEJ SKÚŠKY PILÓTY“ a „VYHODNOTENIE ZAŤAŽOVACEJ SKÚŠKY PILÓTY“ pre pilóty SO 201 – SO 202.