Inovace studijního oboru Geotechnika reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0009
SILNIČNÍ A GEOTECHNICKÁ LABORATOŘ podklady do cvičení STATICKÁ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA
Ing. Marek Mohyla Místnost: C 315 Telefon: 597 321 362 E-mail:
[email protected]
Statická zatěžovací zkouška
Dotčené normy a předpisy • • • •
ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin ČSN 73 6190 Statická zatěžovací zkouška podloží a podkladních vrstev vozovek ČD S4 Železniční spodek TP 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací
Účel zkoušky Statická zatěžovací zkouška slouží k: •
přímému ověřování deformačních charakteristik předepsaných dokumentací stavby, jako např.: modul přetvárnosti z druhého zatěžovacího cyklu (Edef,2), nebo poměr modulů přetvárnosti prvního a druhého zatěžovacího cyklu (Edef,2/Edef,1) případně další vlastnosti (K -modul reakce podloží, Epr – modul pružnosti podloží),
•
zjištění míry zhutnění sypanin při výstavbě pozemních komunikací a stavbě železničního spodku, u nichž je problematické použití přímých metod, jako např.: stanovení objemové hmotnosti kamenitých a balvanitých sypanin apod.
Použité zařízení ECM-Static (ECM Electronic Control & Measurement s.r.o.) je zařízení sloužící k poloautomatickému měření deformačních parametrů a kontrole statické únosnosti zhutňovaných sypanin. Výběr z technických parametrů výrobce [5]: • • • • • • •
minimální výška opěrné plochy protizátěže: 520 mm, maximální povolená síla: 50 kN (omezení tenzometrického snímače síly), maximální zatěžovací tlak (deska o průměru 300 mm): cca 0,530 MPa, maximální měřené zatlačení: 24 mm, chyba měření tlaku: +/- (1 % + 1kPa), chyba měření zatlačení: +/- 0,005 mm (snímač 0,001 mm), provozní teplota: (0 až +45) °C.
Součásti zařízení Zařízení potřebné pro provedení statické zatěžovací zkoušky se skládá z následujících součástí: •
• •
•
• •
•
•
Kruhová zatěžovací deska o průměru 300 mm (375mm atd.), zatěžovací deska musí být dostatečně tuhá dle ČSN 73 6190. Průměr použité zatěžovací desky je závislý na normě, dle které se zkouška provádí. Tenzometrický snímač síly s přesností 1% nejvyššího zatížení dosaženého při zkoušce. Zařízení ECM Static 50 kN +/- 0,2 %. Hydraulický zatěžovací systém, který je tvořený pístem, ruční pumpou a hadicí s rychlospojkou. Pumpa musí umožňovat postupné zvyšování a snižování síly a její udržování bez kolísání po dobu měření. Píst je uchycen k protizátěži (rám nákladního automobilu) pomocí magnetické hlavice s kloubem. Měřící nosník s jednobodovým snímáním zatlačení, který slouží k odečtu zatlačení zatěžovací kruhové desky v jejím středu. Měřící nosník se skládá z teleskopického snímacího ramena s výsuvnými, stavitelnými opěrami. Opěry měřícího nosníku musí být vzdáleny od okraje zatěžovací desky nejméně 1,25 m (Ø desky 300 mm) případně 1,65 m (Ø desky 600 mm a více). Optoelektronický lineární snímač dráhy (standardně 24mm +/-0,002 mm), který je umístěn v měřícím nosníku. Elektronická část zařízení, která je tvořena měřící a řídící mikropočítačovou jednotkou. Mikropočítačová jednotka kontroluje, řídí a vyhodnocuje celý postup měření. Jednotka je vybavena alfanumerickou klávesnicí umožňující doplnění dodatkových informací (popis stavby, materiálu a dalších okolností měření) pro přesnější identifikaci měřeného místa. Všechny prováděné zkoušky včetně výsledků jsou ukládány do zálohované paměti, nebo průběžně tištěny na přiložené tiskárně. Protizátěž (např. naložený nákladní automobil, hutnicí válec apod.). Kruhová zatěžovací deska musí být vzdálena od podpor protizátěže (např. kola automobilu) nejméně o 0,75 m (Ø desky 300 mm) případně nejméně 1,3 m (Ø desky 600 mm). Pomůcky pro přípravu kontaktní plochy zkoušené vrstvy se zatěžovací deskou – vodováha, olovnice, smetáček, metr apod.).
Postup měření Statická zatěžovací zkouška se smí provádět na sypaninách z hrubozrnných materiálů a jemnozrnných zeminách s tuhou až pevnou konzistencí, přímo pod deskou se nesmí vyskytovat zrna větší než 25% průměru desky [1]. Vlastní měření je realizováno dle následujícího postupu: •
Příprava povrchu měřené zeminy: povrch zeminy musí být urovnaný v horizontální poloze bez znaků mechanického porušení. Zemina nesmí být namrzlá, rozbředlá, nebo jinak mechanicky porušená.
•
•
•
•
•
•
Osazení kruhové zatěžovací desky: deska musí dosedat v celé ploše, v případě výskytu dutin je možné povrch vyrovnat vrstvou sádrové kaše (spodek desky je potřeba naolejovat), nebo vrstvou stejnozrnného písku o tloušťce několik mm [1, 2]. Osazení tenzometrického snímače síly: střed zatěžovací desky je opatřen trnem pro osazení tenzometrického snímače síly. Při montáži je potřeba dbát na čistotu dosedacích ploch mezi všemi součástmi systému. Sestrojení hydraulického zatěžovacího systému: nejnižší možná výška protizátěže je 520mm. V případě nutnosti je možné tuto výšku navýšit pomocí distančních nástavců, které jsou standardně součásti zařízení. Stabilita zatěžovací soustavy je zajištěná pomocí magnetické hlavice přichycené k protizátěži (podvozek nákladního automobilu). Při kompletaci je nutné zkontrolovat svislost celé soustavy pomocí vodováhy nebo olovnice. Magnetická hlavice smí být uchycena pouze na dostatečně velkých částech protizátěže, které jsou v horizontální rovině. V případě nedodržení tohoto bodu hrozí obsluze vážné zranění vymrštěním zatěžovací soustavy během zkoušky. Pro eliminaci vzniku ohybových momentů je soustava opatřena klouby v úrovni nad tenzometrickým snímačem síly a v magnetické hlavici. Osazení měřícího nosníku: nosník musí být stabilně umístěn tak, aby během měření bylo eliminováno jeho posunutí nevhodným pohybem obsluhy. Součásti zařízení jsou přídavné trny, které je možné umístit na stavitelné opěry a tím zajistit vyšší stabilitu měřicího nosníku proti nežádoucím pohybům. Vzdálenost stavitelných opěr musí být vzdáleny od desky nejméně 1,25 m v případě použití desky o průměru 300mm. Pomocí stavitelných opěr je možné urovnat geometrii rámu tak, aby optoelektronický lineární snímač dráhy mohl fungovat v počáteční dráze svého rozsahu bez chodu „na prázdno“. Kompletace zařízení a kontrola sestavení. Po sestavení všech částí statické zatěžovací zkoušky zbývá propojit tenzometrický snímač síly a optoelektronický snímač dráhy s mikropočítačovou jednotkou pomocí kabeláže se speciálními konektory odlišenými červenou a modrou barvou. Před započetím vlastního měření je vhodné zkontrolovat kompletnost a správnost celé měřící soustavy, během měření již nebude možné cokoliv dodatečně upravovat. Spuštění zkoušky: po sestavení zařízení pro provádění statické zatěžovací zkoušky a nastavení základních parametrů (viz. „Základní parametry nastavení“) je možné přistoupit k vlastnímu měření. Po spuštění měření je obsluha vedena příkazy mikropočítačové jednotky. Jediný parametr, který může obsluha během měření ovlivnit je přítlačná síla lisu. Ovládání tlaku je realizováno pomocí manuální pumpy. Dílčí výsledky jsou v průběhu měření tištěny na přiložené tiskárně.
Výsledkem měření je závislost zatlačení desky na napětí – hysterezní smyčky (obr. 2). Na základě těchto křivek mikropočítačová jednotka dopočítává Edef1, Edef2 a jejich poměr Edef2/Edef1. V odstavci „Vzorový příklad vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky“ je prezentován manuální výpočet uvedených deformačních parametrů.
Základní parametry nastavení Před započetím samotného měření je možné zvolit přednastavený režim měření dle použité normy, nebo je možné všechny parametry zadat manuálně v uživatelském nastavení. Přednastavené režimy mikropočítačové jednotky Electronic Control & Measurement ECM – Static (typ: STA, model: 99): • • •
ČSD S4 DIN 18 134 U1 – U5: uživatelské nastavení pro 5 zkoušek.
Vzorové nastavení „U1“ dle normy ČSN 72 1006: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 1
velikost desky: počet zatěžovacích cyklů (1-3): počet zatěž. st. 1. cykl. (1–7): počátek výpočtu (stup. 0-5): konec výpočtu (stup. 2-6): tlak desky (MPa): tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: počet zatěž. st. 2. cykl. (1-7): počátek výpočtu (stup. (0-5): konec výpočtu (stup. 2-6): tlak desky (MPa): tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: počet odleh. st. 1. cykl (1-4): tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: tlak (MPa): cykl.1, 1.st.: tlak (MPa): cykl.1, 2.st.: tlak (MPa): cykl.1, 3.st.: počet odleh. st. 2. cykl (1-4): tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: tlak (MPa): cykl.2, 1.st.: tlak (MPa): cykl.2, 2.st.: tlak (MPa): cykl.2, 3.st.: ustálení 0,05 mm (1-3): modul pružnosti [A/N]: U1: start zk.? [A/N]:
300mm; 2; 6; 1; 5; 0,300 1); Ano; 6; 1; 5; 0,300; Ano; 3; 2 Ne ); 0,150; 0,075; 0,000; 3; Ne; 0,150; 0,075; 0,000; 1 min; Ne 3);
) pro zatěžovací desku 300mm je maximální povolený tlak 0,50MPa (nebo tlak odpovídající zatlačení desky 5 mm); 2 ) v odlehčovací větvi se tlak snižuje na 50%, 25% a 0% maximálního tlaku desky; 3 ) modul pružnosti nelze počítat v případě, kdy se odlehčuje ve více stupních.
Orientační požadavky modulu přetvárnosti Tab. 1 požadavky Edef,2 základních konstrukčních vrstev pozemních komunikací [1]
konstrukční vrstvy: zemní pláň (povrch aktivní zóny) ochranné, nestmelené vrstvy horní nestmelené podkladní vrstvy
Edef,2 [MPa] ≥ 45 ≥ 120 ≥ 180
Další požadované hodnoty stanovuje např.: TP 170 „Navrhování vozovek pozemních komunikací“ (platný od 1. prosince 2004).
Edef,2=45MPa
Obr. 1 ukázka požadavků Edef,2 na kontaktu konstrukčních vrstev pozemních komunikací [4] Tab. 2 Ukázka směrných hodnot Edef,2 pro pozemní komunikace v závislosti na míře zhutnění D [1]:
Druh zeminy GW GP, SW, SP
D [%] ≥ 100 ≥ 97 ≥ 100 ≥ 95
Edef,2 [MPa] ≥ 100 ≥ 70 ≥ 80 ≥ 45
Tab. 3 Ukázka směrných hodnot poměru Edef,2/Edef,1 [1]:
Druh sypaniny hrubozrnné zeminy jemnozrnné zeminy kamenitá sypanina
Charakteristika D ≥ 100 D ≥ 97 D ≥ 95 -
Edef,2/Edef,1 ≥ 2,3 ≥ 2,6 ≥ 2,0 ≥ 4,0
Vzorový příklad vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky Základní rovnice pro vyhodnocení Edef je následující [1]: E def =
1,5 ⋅ r ⋅ ∆p ∆y
(1)
Edef – modul přetvárnosti [MPa]; ∆p – změna kontaktního napětí [MPa]; r – poloměr zatěžovací desky [m]; ∆y – změna zatlačení desky odpovídající změně napětí ∆p [m].
Tab. 4 Naměřené hodnoty statickou zatěžovací deskou:
Bod č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Fáze zkoušky
První zatěžovací cyklus
Odlehčení
Druhý zatěžovací cyklus
Kontaktní napětí [MPa] 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,15 0,08 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Zatlačení desky [mm] 0,00 0,35 0,75 1,21 1,82 2,61 3,62 3,09 2,70 1,47 1,93 2,27 2,66 3,04 3,39 3,86
Kontaktní napětí [MPa] 0
0,1
0,2
0,3
0
y = 26,429x2 + 3,8214x + 0,0479 R² = 0,9986
1
Zatlačení desky [mm]
y = 0,381x2 + 7,6429x + 1,5012 R² = 0,9985
2
3
4 1. zatěžovací cyklus odlehčení 2. zatěžovací cyklus 5 Obr. 2 vykreslení závislosti zatlačení desky na napětí – hysterezní smyčky
Zatěžovací stupně se proloží kvadratickým polynomem (polynomem 2. stupně) a určí se jednotlivé konstanty regresního polynomu a0, a1, a2 (např. v softwaru Excel pomocí funkce „Přidat spojnici trendu…“, Polynomický, pořadí: 2). Obecný tvar polynomu druhého stupně je:
y = a0 + a1 ⋅ p + a 2 ⋅ p 2
(2)
Obr. 2 dokumentuje grafické vykreslení naměřených dat a proložení zatěžovacích větví polynomy 2. stupně.
Rovnice 1. zatěžovací větve je: y = 26,429 ⋅ x 2 + 3,8214 ⋅ x + 0,0479 Odpovídající konstanty polynomu: a0 = 0,0479; a1 = 3,8214; a2 = 26,429. Rovnice 2. zatěžovací větve je: y = 0,381⋅ x 2 + 7,6429 ⋅ x + 1,5012 Odpovídající konstanty polynomu: a0 = 1,5012; a1 = 7,6429; a2 = 0,381. Modul přetvárnosti jednotlivých zatěžovacích cyklů se stanovuje pro obor kontaktního napětí 0,3 - 0,7 maximálního kontaktního napětí pod deskou. Pro výpočet Edef lze použít následující upravený vztah [1]:
E def =
1,5 ⋅ r (a1 + a 2 ⋅ p max )
(3)
Po dosazení dostaneme:
E def ,1 =
1,5 ⋅ 150 = 19,149 MPa (3,8214 + 26,429 ⋅ 0,3)
E def , 2 =
1,5 ⋅ 150 = 29,005 MPa (7,6429 + 0,381 ⋅ 0,3)
Přehled výsledků: Zjišťované a počítané veličiny označení rozměr pmax
0,300
0,300
mm.MPa
-1
3,821
7,643
a2
mm.MPa
-2
26,429
0,381
Edef
MPa
19,149
29,005
Edef,2 / Edef,1
-
a1
MPa
Zatěžovací cyklus první druhý
1,515
REFERENCE [1]
ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin. ICS 91.100.20; 93.020 Praha: ÚNMZ, prosinec 1998.
[2]
ČSN 73 6190 Statická zatěžovací zkouška podloží a podkladních vrstev vozovek. MDT 625.731; 620.1, Praha: ÚNMZ, říjen 1980.
[3]
ČD S4 Železniční spodek. Správa železniční dopravní cesty, říjen 2008.
[4]
TP 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy České republiky, listopad 2004.
[5]
ECM-Static [online]. Electronic Control & Measurement s.r.o. [vid. 6.5.2014]. Dostupné z: http://www.ecm-cz.com/cs/ecm-produkty-static.php
ruční pumpa
tiskárna
mikropočítačová jednotka
stavitelná opěra
měřící nosník
optoelektronický lineární snímač dráhy
alfanumerická klávesnice
tlakový ventil
teleskopické snímací rameno měřícího nosníku
tenzometrický snímač síly
signalizace zapojení síťového adapteru
kruhová zatěžovací deska
min. 520 mm (bez distančního nástavce)
magnetická hlavice s kloubem distanční nástavec píst hydraulického zatěžovacího systému
protizátěž (podvozek nákladního automobilu)
Příloha č. 1 Schéma statické zatěžovací desky
display
signalizace vybité baterie
Příloha č. 2 Souhrnný protokol pro statickou zatěžovací desku Název lokality: Poloha (x, y, z; GPS souřadnice; staničení): Objednatel / číslo zakázky: Název zakázky a lokalita: Zhotovitel:
Zkušební technik:
Datum zkoušky: Průměr statické zatěžovací desky:
Polní náčrt (měřítko 1:
/ bez měřítka) *)
s uvedením přímého geotechnického průzkumu (např. vrty):
Další informace:
Podpis: Jméno odpovědného technika:
Příloha č. 3 Formulář pro záznam naměřených hodnot Záznamy naměřených hodnot a výsledků statické zatěžovací zkoušky Zhotovitel: Číslo zakázky: Příloha: Objednavatel / název projektu: Statická zatěžovací zkouška č: datum: Průměr statické zatěžovací desky: Poloha (x, y, z; GPS souřadnice; staničení): Bod č.
Fáze zkoušky
Další údaje:
Hladina podzemní vody:
Jméno a podpis odpovědného technika:
Kontaktní napětí [MPa]
Zatlačení desky [mm]
