Hlubinné základy Deep Foundations
Druhy hlubinných základů • • • • • •
Piloty /Piles/ Mikropiloty /Mini-Piles/ Podzemnístě ny /Diaphragm Walls/ Kesony /Caissons/ Studny /Open Caissons/ Š achtové pilíře /Pier Foundations/
KESON
ZÁ KLADOVÁ STUDNA: a) zhotovenístudny, b) spouště ní studny, c) hotový studnový zá klad mostního pilíř e
Dě lenípilotových základů 1)podle př íčné ho rozmě ru: maloprofilové (příčnýrozmě r od 0,3 m, resp. 0,15 m do 0,6 m) velkoprofilové (příčnýrozmě r př es 0,6 m do asi 3,0 m) 2)podle sklonu: svislé šikmé 3)podle způsobu namá há ní: tlačené tažené příčně zatížení(obyčejně v kombinaci s tlakem či tahem)
TAHOVÉ PILOTY
OHÝ BANÉ
VZPĚ R
4)podle materiá lu: betonové (železobetonové , z předpjaté ho betonu) ocelové dřevě né Dř evě né piloty
SVISLÁ TABULKOVÁ Ú NOSNOST (kN) PILOT DLE DIN 4026
Ocelové piloty
Železobetonové piloty
Obecně jšídě lenípilot představuje kriterium podle vý robního postupu: • piloty typu displacement, kdy zemina z prostoru, kterýpilota zaujímá, není odstraně na, nýbrž je stlačena jak do stran, tak i pod patu piloty, • piloty typu replacement (non displacement), kdy je v prů bě hu provádě nízemina odstraně na z prostoru budoucípiloty.
EVROPSKÁ KLASIFIKACE PILOT
Ražené piloty (Displacement, bez tě ženízeminy) • Materiá l: ocel, litina, beton, dřevo, malta, kombinace materiálů • Instalace do zeminy: beraně ní, vibrování, šroubování, zatlačování, kombinace technologií • Č SN EN 12699 (731002) Provádě ní speciálních geotechnických prací– Ražené piloty
• Prefabrikované raž ené piloty – V Č R se v současnosti neprovádě jí • Raž ené, na místě betonované piloty vibrované piloty VUIS, Fundex př edrá ž ené piloty Franki - ště rkové (zlepšovánípodloží) - betonové
• • • • •
Vý hody Franki pilot: Cibulovitá pata (1,5-1,8 násobek dříku piloty) Drsný plá šť (Ø 420-450mm; 520-550mm) Kvalitníbeton (nízkývodnísoučinitel, hutný) Odolný beton (nepropustný, odolnost vů či agresivnímu prostředí) Vysoká míra únosnosti (např. v kN/cena piloty)
• • •
• •
Nevý hody Velké dynamické účinky Omezeny průmě rem i délkou Vhodné v nesoudrž ný ch zeminá ch (při beraně nív soudržných zeminách vznikají velké pórové tlaky, po jejich vymizení pilota sedne) Odsá tívody v suchých soudržných zeminách (spraše – spálenía betonu) Méně vhodné k př enosu př íčný ch sil
Vrtané piloty • Č SN EN 1536: Provádě níspeciálních geotechnických prací– Vrtané piloty /1999/ • Masopust, J.: Vrtané piloty, Č eně k a Ježek, 1994 • Č SN 731002 Pilotové základy, 1987 • Komentářk 731002
Technologie provádě nívrtaných pilot zahrnuje: 1. 2. 3. 4.
vrtání přípravné práce před betonáží betonáž práce dokončovací
Vrtané piloty : vrtá ní, vklá dá nípaž nice do vrtu, dovrtá nínezapaž ené čá sti vrtu, vklá dá níarmokoše, betoná ž piloty, odpaž ová ní
1.Vrty pro piloty a vrtné ná stroje
Vrtný šnek, spirá l
Vrtný hrnec, šapa
Zař ízenína rozšíř enípaty
Sacívrtá k
• Vrty nepaž ené • Vrty paž ené d > 1,0m vždy úvodnípažnice nesoudržné Id < 0,5 soudržné Ic < 0,5 pažit vždy !!! a) pomocíocelových pažnic b) pomocípažícísuspenze
Paženíjílovou suspenzí Jílová pažicísuspenze zajišť uje stabilitu stě n i dna vrtu kombinovaným účinkem hydrostatického tlaku a elektrochemický ch jevů, v jejichž dů sledku se na stě ně vrtu vytvoří ochrannýjílovýfiltračníkoláč, jehož tloušť ka závisína kvalitě té to suspenze a na mnoha dalších okolnostech. Je-li jílová suspenze v klidu, přejde z tekuté ho stavu na gel a její pevnost ve střihu se výrazně zvě tší. Mícháním přejde gel na tekutinu (sol) – thixotropie.
2. Př ípravné prá ce př ed betoná ží • Č iště nívrtu • Kontrola dé lky vrtu • Č erpánípodzemnívody Přestávka mezi dovrtáním a zahájením betonáže co nejkratší!!! Minimálníkrytívýztuže u pilot s profilem d ≤ 0,6 m je 50 mm, u pilot s d > 0,6 m pak 60 mm.
3. Betoná ž Beton pro betonáž vrtaných pilot musímít vysokou odolnost proti rozmě šová ní, vysokou plasticitu a správné složenía konzistenci, schopnost samozhutně nía především sprá vnou zpracovatelnost pro jeho ukládání, jakož i pro případ vytahovánípažnic z čerstvé ho betonu. Složeníbetonu by mě lo odpovídat požadavků m Č SN EN 206-1 Beton – Č ást 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Dle té to normy se stanovujízejmé na požadavky na třídu betonu, jež by mě la být v rozmezí C16/20 až C30/37.
Piloty CFA /Continuous Flying Auger/ • Vhodné pro zeminy soudrž né, Id > 0,4, suché či zvodně lé , bez velkých balvanů • nesoudrž né, kromě mě kkých, senzitivních jílů , event. spraší, pokud neobsahují nevrtatelné vložky • Rychlá, efektivnímetoda • tichá, bez vibrací • d pilot je 600-1400mm, dé lka 18-20m
VRTÁ NÍ
BETONÁ ŽŽ BETONÁ
DOKONČENÍ BET.
ARMOKOŠ
Osová únosnost vrtaný ch pilot Osová únosnost osamě lé piloty je zatížení, při které m pilota vyhovípodmínkám pevnostním (řešenípodle 1.MS), tak i obecným podmínkám deformačním (řešenípodle 2. MS). Obecně přicházejí v úvahu následujícímeznístavy:
• celková ztráta stability, • únosnost piloty, • vyzdviženívztlakem, nebo nedostatečnýodpor v tahu piloty, • konstrukčníporušenípiloty tlakem, vybočením, resp. tahem, • nadmě rné sedání, • nadmě rné zvednutí.
Statické zatě žovacízkoušky • Studijní– v předstihu na mimosysté mových nebo modelových (profil zmenšen max 1:2) pilotách • Průkazní– před zahájením stavby • Kontrolní– v prů bě hu realizace pilot nebo po skončenístavby. Vě tšinou piloty systé mové .
Ú nosnost osamě lých pilot stanovená výpočtem na zá kladě 1. skupiny MS
Uvd = Ubd + Ufd ≥ Vde kde Uvd je svislá výpočtová únosnost piloty Ubd je výpočtová únosnost paty piloty, Ufd je výpočtová únosnost na plášti Vde je svislá složka extré mního výpočtové ho zatíženípů sobícího v hlavě piloty.
σ σ
Stabilitních parametry jednotlivých vrstev základové pů dy se stanovídle zásad mezních stavů pomocínásledujících dílčích součinitelů spolehlivosti γm: -pro úhel vnitřního tření(efektivníči totální) - pro soudržnost (efektivníči totální) - pro objemovou tíhu a hydrostatickýtlak
γmϕ = 1,4 γmc = 2,0 γmγ = 1,0
Únosnost paty piloty je dána vztahem: Ubd = k1.As.Rd kde As je plocha paty piloty Rd je výpočtová únosnost paty piloty stanovená v zeminách podle vztahu: Rd = 1,2.c.Nc + (1+sinϕd).γ1.L.Nd + γ2.d/2.Nb
kde Nc = 2 + π pro ϕu = 0 Nc = (Nd – 1).cotgϕd pro ϕd > 0 Nd = exp(π.tgϕd).tg2(45 + ϕd/2) Nb = 1,5.(Nd – 1).tgϕd
k1 je součinitel, vyjadřujícízvě tšení únosnosti vlivem dé lky piloty L: pro L ≤ 2,0 m 2,0 m < L ≤ 4,0 m 4,0 m < L ≤ 6,0 m L > 6,0 m
k1 = 1,0 k1 = 1,05 k1 = 1,1 k1 = 1,15
Výpočtová únosnost na plá šti je dána: Ufd = ∑ π.di.hi.fsi třenína plášti fsi je dáno rovnicí: fsi = σxi.tg(ϕd/γr1) + cd/γr2 vodorovné napě tív i-té vrstvě je dáno: σxi = k2.σori kde σori je geostatické napě tív hloubce zi
k2 je součinitel bočního zemního tlaku na plášťpiloty: pro z ≤ 10,0 m k2 = 1,0 z > 10,0 m k2 = 1,2
Součinitel podmínek pů sobenízákladové pů dy γr1 se dosazuje následovně : pro z ≤ 1,0 m 1,0 m < z ≤ 2,0 m 2,0 m < z ≤ 3,0 m z > 3,0 m
γr2 = 1,3 γr2 = 1,2 γr2 = 1,1 γr2 = 1,0
Ú nosnost osamě lých pilot stanovená výpočtem na zá kladě 2. skupiny MS A. Výpočtová únosnost pilot opřených o nestlačitelné podloží Jedná se o vrtané piloty opřené patou o skalníhorniny tř.R1, R2, resp. zahloubené do tě chto hornin na hloubku t = 0,1 – 0,2 m. Uvd = 0,8.As.Rbd kde Rbd je výpočtová pevnost betonu v tlaku (v závislosti na jeho třídě )
Okamžité sedáníje dáno vztahem: s = Isp.V.L/(As.Eb) kde Isp je příčinkovýkoeficient pro sedání opřené piloty podle tabulky V je pů sobícísvislá síla, Eb je modul deformace (pružnosti) betonu.
Tuhost piloty je dána pomě rem: K = Eb/Es kde Es je prů mě rná velikost sečnové ho modulu deformace zemin podé l dříku pilot
Velikosti př íčinkového koeficientu Isp pro sedá níopř ené piloty K L/d
100
200
500
1000
2000
5000
10000
3 5 10 25
0,92 0,88 0,75 0,40
0,97 0,92 0,84 0,57
0,99 0,97 0,92 0,75
1,00 0,98 0,96 0,84
1,00 0,99 0,98 0,92
1,00 1,00 1,00 0,97
1,00 1,00 1,00 0,99
B. Výpočtová únosnost pilot zahloubených do stlačitelné ho podloží Mezníúnosnost na plá šti piloty je dána: Rsu = m1.m2.π.∑di.hi.qsi kde hi je mocnost příslušné vrstvy zeminy m1 je dílčíkoeficient podle druhu zatížení: pro zatíženíprovozní m1 = 0,7 pro zatíženíextrémní m1 = 1,0
m2 je dílčíkoeficient vyjadřujícívliv povrchu dříku piloty: pro betonáž do suché ho vrtu a pod vodu m2 = 1,0 pro betonáž pod pažicísuspenzi m2 = 0,9 pro ochranu dříku pomocífólie PVC, PE, tl. přes 0,7 mm, m2 = 0,7 pro ochranu dříku pomocífólie a pletiva B-systé mu m2 = 0,5 pro ochranu ponechanou ocelovou pažnicí m2 = 0,15
a
b
β⋅
a) meznízatě ž ovacíkř ivka vrtané piloty, b) schéma piloty ulož ené ve vrstevnaté zemině
Velikost mezního plá šťového tř eníje dána vztahem: qsi = a – b/(Di/di) kde
a, b jsou regresníkoeficienty /kPa/ podle tabulky Di je vzdálenost od hlavy piloty do poloviny i-té vrstvy di je prů mě r piloty v té to vrstvě .
Velikost napě tíq0 na patě piloty při deformaci odpovídajícíplné mobilizaci plášť ové ho třeníje: q0 = e – f/(L/d0) kde e, f jsou regresníkoeficienty /kPa/ podle tabulky L je dé lka piloty, d0 je prů mě r piloty v patě .
Velikosti regresních koeficientů pro jednotlivé typy zemin a hornin. Pro nesoudrž né zeminy je třídícím znakem relativníulehlost ID, pro soudrž né zeminy potom index konzistence IC
Regresníkoeficienty /kPa/
Zemina Hornina
a
b
e
f
Poloskalní
R3 R4 R5
246,02 169,98 131,92
225,95 139,45 94,96
2841,31 1616,22 957,61
1298,96 1155,34 703,89
Nesoudrž né
ID = 0,5 ID = 0,7 ID = 0,9
62,46 91,22 154,03
16,06 48,44 115,88
268,11 490,34 1596,70
174,89 445,42 1399,88
Soudrž né
IC = 0,5 IC ≥ 1,0
46,39 97,31
20,81 108,59
197,74 987,60
150,22 1084,26
Stanovíme-li průmě rnou velikost plá šťového tř enípodé l dříku piloty qs jako váženýprů mě r velikostíqsi: qs = (∑di.hi.qsi)/(∑di.hi) lze určit koeficient př enosu zatíž enído paty piloty β dle rovnice: β = q0/(q0 + 4.qs.L/d0) zatíž enív hlavě piloty na mezi mobilizace plášť ové ho tření: Ry = Rsu/(1 - β)
Odpovídajícívelikost sedá níje dána rovnicí: sy = I.Ry/(d.Es) kde I je příčinkovýkoeficient sedánípiloty, Es je prů mě rná velikost sečnové ho modulu deformace zemin podé l dříku piloty. Příčinkovýkoeficient: I = I1.Rk kde I1 je základnípříčinkovýkoeficient stanovenýpodle grafu
I1
I1
0.7 0.5
0
5
10
Př íčinkový koeficient sedá níI1
15
l/d L/d
Průmě rný sečnový modul deformace se vypočítá jako váženýprů mě r: Es = (∑Esi.hi)/(∑hi) Souřadnicemi (sy; Ry) je jednoznačně určena prvnívě tev meznízatě žovací křivku tvaru paraboly 2o o rovnici: s = sy.(R/Ry)2 pro obor zatížení: 0 ≤ R ≤ Ry.
3.0
Rk Rk 2.5
l/d= 50
2.0 25
1.5 5 2
1.0 100 200
10 500 1000 2000
5000 10000 K
K
Korekčnísoučinitel Rk
Druhá vě tev meznízatě žovacíkřivky je dána úsečkou o souřadnicích koncové ho bodu (s25 = 25 mm; Rbu ) Rbu = Rsu + Rpu Rpu = β.Ry.s25/sy Rovnice té to druhé vě tve meznízatě žovací křivky je: s = sy + (s25 – sy).(R – Ry)/(Rbu – Ry) pro obor zatížení: Ry ≤ R ≤ Rbu
Sečnové moduly deformace Es /MPa/ pro horniny poloskalní h (m)
1,5 3 5 10
d /m/ 0,6
1,0
1,5
R3
R4
R5
R3
R4
R5
R3
R4
R5
50,3 64,5 -
28,2 43,1 58,2 87,5
20,2 30,8 41,3 61,6
72,3 105,5 -
35,0 57,3 75,3 114,5
24,7 41,0 54,8 83,2
85,5 138,3 -
33,5 58,8 87,9 133,0
22,3 41,2 63,7 97,0
Sečnové moduly deformace Es /MPa/ pro zeminy nesoudrž né
h (m)
d /m/ 0,6
1,0
1,5
ID 1,5 3 5 10
0,5
0,7
0,9
0,5
0,7
0,9
0,5
0,7
0,9
11,0 15,5 18,8 23,8
13,7 20,2 26,6 36,6
28,3 44,5 56,1 72,1
12,8 18,4 22,8 29,8
15,8 25,0 32,5 47,8
30,6 47,8 69,1 93,4
13,0 19,4 24,5 32,6
15,3 24,5 36,0 54,0
29,0 52,5 78,2 107,3
Sečnové moduly deformace Es /MPa/ pro zeminy soudrž né h /m/
d /m/ 0,6
1,0
1,5
IC 1,5 3 5 10
0,5
≥ 1,0
0,5
≥ 1,0
0,5
≥ 1,0
6,9 10,0 12,5 15,5
13,2 22,0 31,2 44,3
7,9 12,5 15,9 21,3
13,4 23,9 35,4 51,3
8,6 13,7 18,4 24,6
12,3 23,0 36,7 57,4
Osová únosnost skupiny pilot Při návrhu mimořádně zatížených pilotových základů navrhujeme více pilot uspořádaných do skupiny, jež tvoříjeden statickýcelek. Piloty jsou vždy v hlavách spojeny patkou, nebo deskou, nebo alespoň nadzemníkonstrukcí, přičemž tuhost vý sledného systému významně ovlivňuje deformace tohoto pilotové ho základu.
Mezníúnosnost skupinové ho zá kladu svisle zatížené ho 1. V případě centricky zatížené skupiny pilot opřených o skalnípodloží(R1, R2), nebo vetknutých do poloskalního podloží(R3, R4, popř. i R5) a do ulehlých písků či ště rků (ID ≥ 0,7) je meznívýpočtová únosnost skupiny pilot (1.MS) dána součtem únosnostíjednotlivý ch pilot pů sobících jako osamě lé .
2. Výpočtová únosnost skupiny pilot v soudržných zeminách je dána: 2.1 součtem únosnostípilot ve skupině pů sobících jako osamě lé 2.2 únosnostízemního tě lesa ve tvaru hranolu opsané ho skupině pilot dle vztahu: Zg = 0,5.(2.(B + B´).L.cus + B.B´.cu.Ncs kde cus je prů mě rná velikost neodvodně né koheze zemin podé l dříků pilot
cu je neodvodně ná koheze zeminy v ose zemního tě lesa v hloubce 0,67.L pod jeho dolnípodstavou, Ncs je koeficient únosnosti dle rovnice: Ncs = 5.(1 + L/(5.B)).(1 + L/(5.B´)) Rozhoduje vždy menšíz obou únosností stanovených dle 2.1, 2.2
L
B d
B
d
d
d B
B
Schéma pro vý počet mezníúnosnosti pilotové skupiny
Sedá nískupinové ho zá kladu svisle zatížené ho Přibližně lze sedánípravidelné skupiny pilot spojených dostatečně tuhou patkou určit: 1. v případě centricky zatížené skupiny pilot opřených o skalnípodloží(R1, R2), nebo vetknutých do hornin R3, R4, popřípadě i nesoudržných zemin s ID > 0,7 jako sedá níosamě lé piloty nacházejícíse ve stejné m prostředí
2. v případě centricky zatížené skupiny pilot v ostatních typech zemin lze použít jednu z následujících metod: 2.1 jako sedánífiktivního plošné ho základu v hloubce 0,67.L šířky B a dé lky B´, přičemž do výpočtu je třeba zahrnout vliv hloubky založenía mocnosti deformačnízóny dle výpočtu sedání plošných základů , 2.2 sedánískupiny pilot se vypočte ze vztahu: s = sy + sp
kde sy je sedáníosamě lé piloty na mezi mobilizace plášť ové ho třeníodečtené z meznízatě žovacíkřivky osamě lé piloty sp je sedánífiktivního plošné ho základu v úrovni pat pilot, jehož rozmě ry jsou dány obvodem tě chto pilot.
Fiktivníplošný zá klad je zatížen silou rovnajícíse součtu sil pů sobících v patách pilot uvažovaných jako osamě lé , přičemž podíl síly přenášené pláště m a patou piloty se odečte z meznízatě žovacíkřivky.
Schéma pro vý počet sedá nípilotové skupiny
