Dr.Ing. Hyne Lahuta, Ing. Josef Mráz VŠB-TU Ostrava, Katedra geotechniy a podzemního stavitelství, L.Podéště 1875, 708 00 Ostrava-Poruba, hyne.lahuta@vsb.cz, nusa@lobou.fsv.cvut.cz ÚNOSNOST A PŘETVÁŘENÍ TYČOVÝCH MIKROPILOT TITAN V ZÁVISLOSTI NA VLASTNOSTECH HORNINOVÉHO PROSTŘEDÍ A JEJICH DÉLCE Abstract The contribution describes the load displacement behaviour of miro-pilot TITAN placed in different types of soils. The research was conducted on 3D numerical model by program PLAXIS 3D. 1. Úvod Tento příspěve se zabývá chováním miropilot TITAN v různých typech zemin a při různých osových zatíženích z hledisa závislosti mezi jejich zatížením a sedáním. Toto chování bylo zjišťováno pomocí 3D modelu s využitím programového systému Plaxis 3D [2]. 2. Stručný popis miropiloty TITAN Parametry miropiloty vycházejí ze standardního návrhu používané firmou Ischebec. Veliost proinjetované části zeminy ja závislá na typu zeminy ve teré jsou piloty apliovány (viz. tab.3). Při průměru piloty 32 a 38 mm je tedy průměr proinjetované oblasti D = d x 1,5 pro zeminy třídy G a S D = d x 1,4 mm pro zeminy třídy F, de d - průměr vrtné oruny (pro uvažované průměry tyčí d 70 90 mm) Pro výpočet byly v dolní ořenové části průměry D zvětšeny u jílů na 100 mm, pro štěry a písy na 200 mm. Tento úse měl délu 500 mm od paty piloty. Parametry materiálu vyplňující ořenovou část jsou uvedeny v tab.4. detaily o miropilotách TITAN firmy Ischebec jsou popsány ve firemním materiálu [1]. Obr. 1.Vyopané miropiloty TITAN 73/53 doreslují průměr piloty, terý cca 2x větší než průměr vrtné oruny. Je patrné roztlačení do oolní zeminy a porytí cementovým amenem bez obsahu zeminy a to i v soudržné zemině (např. naplaveném slínu) 139
3. Výpočet zatížení miropilot TITAN dle firmy Ischebec Při návrhu se uvažují různá plášťová tření q s pro typy zemin dle tab. 1. Typ zeminy q s /Pa/ píse a štěropíse 200 soudržný jíl (jíl, slín) 150 zvětralý písovec 100 Tab. 1. dle DIN 1054-100 V závislosti na veliosti penetračního odporu dle SPT (Standard Penetration Test) je možno uvažovat s veliostí q s dle tab. 2. N (SPT) q s /Pa/ N 5 0 N < 10 7,2 x N + 6 N > 10 4,1 x N + 37 pro jíly a hlíny, N počet úderů SPT Tab. 2. Příladem pro návrh miropiloty je výpočet plášťového tření v prostředí hlín, u terých je N=12 (Bustamante) q s = 4,1 12 + 37 = 86 Pa dle DIN 1054-10 (tab. 1) q s = 100 Pa při průměru oruny (pro TITAN 30/11) d = 0, 075 m, pa průměr injetované oblasti D = 0,075 1,4 = 0, 105 m (viz tab.3) Typ zeminy hrubo a střednězrnné ameny píse a štěropíse soudržný jíl (jíl, slín) zvětralý písovec, fylit, břidlice Tab. 3. Průměr injetované zóny /m/ D 2 d D D D 1, 5 d 1, 4 d 1, 0 d pa pracovní zatížení piloty F w π D qs π 0,105 100 Fw = = = 16, 5 N/m de S 2 S globální fator bezpečnosti, S=2 dle DIN 4128 Potřebnou délu piloty lze stanovit z působícího zatížení na pilotu, teré nesmí přeročit únosnost tyče. Pro tyč TITAN 30/11 činí tato únosnost na mezi luzu 150 N R a potřebná déla piloty 150 L = 9 m. 16,5 140
4. Model MKP Pro stanovení závislosti zatížení a sedání miropiloty byl použit výpočtový model MKP v systému Plaxis 3D Tunnel. Parametry a typy zemin ve terých byly apliovány miropiloty jsou uvedeny v tab.4. Tab. 4. Vstupní parametry středně ulehlý * Byly zvoleny: tyče TITAN (DÉLKY) 30/11 (4,6,8 m) 73/53 (3,6,9 m) Výpočtem byly sledovány tyto veličiny: - únosnost s maximálním vertiálním posunem - smyová napětí na ontatu pilota-zemina Jedním z principu Technologie Ischebec TITAN je mimo jiné injetáž oolního prostředí cementovou směsí, dy dochází e zpevnění oolní horniny. Pevnost oolní zeminy se ve sutečnosti s narůstající vzdáleností od osy piloty snižuje. Namodelovat nepravidelný dří odpovídající alespoň zčásti této sutečnosti je téměř nemožné, proto bylo nutné přiročit určitým zjednušením v rámci geometrie. Model, terý byl vytvořen je rozměry shodný s rozměry, ze terých vychází firemní výpočet. Průměr dříu piloty je závislý na druhu horninového prostředí a na veliosti použité oruny (viz tabula 5). Tvar miropiloty, terý se ve sutečnosti blíží válci, byl nahrazen rovnoplochým průřezem čtvercovým, dutá tyč byla modelována jao plnostěnná. Vetšíprůřez neovlivňuje výsledy ve zjištované stabilitě miropiloty, protože největší zatěžovacísíly byly voleny hodnotou rovnou síle na mezi luzu použité tyče (bez reduce součinitelem bezpečnosti) Obr.2. Kruhový průřez dříu je v matematicém modelu převeden na čtvercový Obr.3. Přílad zadávání rozhraní a přiřazení vlastností 141
V modelu Plaxis 3D je nutno zvolit taový prostorový tvar, terý lze určit svislými prostorovými řezy a vodorovnými spojnicemi ve směru vytváření 3D rozměru. 3D model je pa tvořen ta, že pomocí zadaných příme vzniají uzavřené homogenní oblasti ( clusters ), terým byly v jednotlivých svislých rovinách o rozdílné souřadnici ve směru osy z přiřazovány předvolené materiálové vlastnosti formou orajových podmíne. Tím lze vytvořit odstupňovaný průřez složený z vádrů. Tab. 5. Rozměr čtvercového dříu dle typu zeminy a oruny Obr. 5. Detail deformace v hlavě miropiloty Obr. 4. Uáza celého modelu s vertiální deformací při zatížení hlavy miropiloty 142
5. Výsledy a závěry Analýzou grafů závislosti zatížení sedání lze sledovat změny v přírůstcích posunů a lze je považovat za výpočtový zatěžovací diagram miropiloty (mezní zatěžovací řiva) Výsledem řešení ombinací déle, průměrů a oolního prostředí v závislosti na zatížení je soubor diagramů, z nich lze zpětně podle předpoládaného zatížení a materiálu záladové půdy zvolit délu tyče ta, aby deformace byly v přípustných mezích. Z něj je možno onvenčním způsobem stanovit hodnotu výpočtové únosnosti. Např. pro s con =25 mm lze z grafů stanovit celovou únosnost miropiloty R con a výpočtovou únosnost U m U = vd γ r de součinitel spolehlivosti zatížení γ r γ r = 1,5 pro únosnost U y (únosnost na mezi zaboření), U pr (únosnost na mezi úměrnosti) a U con (únosnost směrná ustálených 25 mm či přípustná z hledisa stavební onstruce) γ = 1,3 pro únosnost U def (únosnost na mezi přetvoření) r Uvedený přehled na obr.7. uazuje rozdílnost v hodnotách únosnosti stanovené modelem 3D a firemním výpočtem dle metodiy Ischebec (ap. 3) Obr. 7. Přílad srovnání výsledu modelem 3D a metodiou Ischebec Pro hodnoty výpočtové únosnosti R dp bylo zjištěno, že vliv vzpěru miropilot je zanedbatelný [5] Srovnáme-li hodnoty únosnosti (N/m) stanovené v uváděném příladě (apitola 3), pa 65 21,6 pro tuhý jíl při s con =25 mm bude únosnost U con = = 21, 6 N/m a U pr = = 14, 4 3 1,5 N/m což je o cca 12% méně než uvádí firemní výpočet. Při tomto zatížení bude veliost smyového napětí na plášti cca 25 Pa což je hodnota srovnatelná s veliostí totální soudržnosti c u. Hodnoty únosnosti stanovené matematicým modelem 3D jsou tedy poněud onzervativnější než postupy zjednodušené. Umožňují ale stanovit únosnost spolehlivěji pro zadané parametry sedání, vycházející z jeho přípustné nebo normové hodnoty. Z hodnocení plášťového tření je zřejmý vliv dély miropiloty na veliost smyového napětí v oolí dříu piloty. S rostoucí délou se napětí snižuje. Rovněž při použití tyče většího průměru je hodnota napětí nižší. Při porovnání stejných průměrů a déle v různých zeminách je zřejmé, že hodnoty smyových napětí se zvyšují od jemnozrnných zemin (jíl (C), hlína (M)) zeminám hrubozrnným (píse (S), štěr (G)). Vypočítané hodnoty smyového napětí jsou nižší než tabulové. 143
50 N 100 N 150 N 200 N 300 N 400 N Obr. 6. Relativní smyové porušení pro miropilotu TITAN 73/53 dély 6 m v písu (S3) při zvyšujícím se zatížení. Literatura [1] Injetionsaner Ischebe Titan, atalog výrobů firmy, Ennepetal 2000 [2] Bringreve J., Vermeer A.: Plaxix 3D manual, Balema, 2001 [3] Hulla, J.- Šime, J.- Hulman, R.- Trávníče, I.-Štěpáne, Z.: Zaladanie stavieb, Alfa Bratislava - SNTL Praha, 1987 [4] Mráz J.: Únosnost a přetváření tyčových miropilot v zeminách, diplomová práce, VŠB-TU Ostrava, 2003 [5] Lahuta H., Aldorf J.: Únosnost a sedání miropilot TITAN stanovené 3D modelem MKP, 7. mezinárodní seminář Zpevňování a těsnění hornin, Ostrava, 2002 144
TITAN 30/11 déla miropiloty 4 m Maximální vertiální posun [mm] 10 0,746 50 3,670 100 7,570 130 10,410 TITAN 30/11 déla miropiloty 8 m Maximální vertiální posun [mm] 50 2,740 100 5,500 200 11,680 260 15,873 TITAN 30/11 déla miropiloty 6 m Maximální vertiální posun [mm] 50 3,190 100 6,420 150 10,000 200 14,090 220 15,830 Obr.7. Přílad závislosti zatížení-sedání pro pilotu TITAN 30/11 v zemině F6. 145
TITAN 73/53 déla miropiloty 3 m Maximální vertiální posun [mm] 10 0,652 50 3,030 100 6,020 150 9,140 200 14,060 TITAN 73/53 déla miropiloty 6 m Maximální vertiální posun [mm] 50 2,240 100 4,420 200 8,790 300 13,290 400 18,340 TITAN 73/53 déla miropiloty 9 m Maximální vertiální posun [mm] 100 3,710 200 7,350 300 11,000 400 14,700 600 22,580 Obr.8. Přílad závislosti zatížení-sedání pro pilotu TITAN 73/53 v zemině F6. 146