Realizacja prac budowlanych polegających na wykonaniu pośredniego posadowienia wiąże się z kontrolą jakości wykonanych pali. Najpopularniejszymi metodami weryfikacji są badania nośności statyczne i dynamiczne.
Badania dynamiczne nośności pali charakteryzuje wiele zalet: szybkość wykonania, brak konieczności budowania specjalistycznych stanowisk wykorzystywanych w przypadku badań statycznych, możliwość monitorowania elementu fundamentu (pala, grodzicy) podczas pogrążania na całej jego długości, krótki czas badania. Te argumenty przekładają się na o wiele większe spektrum zastosowań w stosunku do metody statycznej. Jest to też rozwiązanie korzystniejsze finansowo. W artykule przedstawimy metody analizy dynamicznej CASE i CAPWAP, powszechnie stosowane w zakresie badań dynamicznych, a także sposoby, dzięki którym możliwe jest skuteczne optymalizowanie fundamentów palowych. Można je wykorzystać zarówno do bieżącej kontroli, jak i prac odbiorowych. Można też zweryfikować, jak korespondują z badaniami statycznymi. Stosowanie metod dynamicznych dopuszcza norma PN-EN 12699 Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych – Pale przemieszczeniowe. Idea dynamicznego badania nośności pala sprowadza się do pomiaru odkształceń ε i przyspieszeń a w poziomie głowicy pala testowego w trakcie jego dynamicznego pogrążania:
F = EA ε ; v = ∫ adt
W tym celu po dwóch stronach pala instalowane są zazwyczaj 2 pary czujników w postaci tensometru i akcelerometru, ok. 2 średnice poniżej zwieńczenia jego głowicy.
Czujniki połączone są z urządzeniem rejestrującym sygnał. Do dynamicznego pogrążania pala, czyli do wykonania badania, wykorzystuje się kafar lub inną formę balastu zrzucanego z zadanej wysokości w celu wymuszenia przemieszczenia. Wysokość podrzutu młota dobierana jest tak, aby uzyskać odpowiednie przemieszczenie od pojedynczego uderzenia, pozwalające na zmobilizowanie pełnej nośności pala. Jednostka rejestrująca zapisuje dane, na które składają się m.in. odkształcenia sprężyste oraz osiadanie trwałe.
Znajomość całkowitej siły F i całkowitej prędkości v pozwala rozdzielić falę siły poruszającą się w dół i w górę pala:
gdzie:
↓F – siła poruszająca się w dół pala,
↑F – siła poruszająca się w górę pala,
Z = c · ρ · a,
c – prędkość fali,
ρ – gęstość materiału.
Metoda CASE zakłada, że opór dynamiczny Rdyn jest proporcjonalny do prędkości penetracji podstawy pala Vb. Współczynnik proporcjonalności jest iloczynem impedancji Z i współczynnika tłumienia Jc:
Rdyn = Jc · Z · Vb
Metoda CAPWAP wykorzystuje dopasowanie funkcji fali powrotnej, generowanej przez model obliczeniowy pala pogrążonego w gruncie, do fali powrotnej pomierzonej w trakcie badania. Dopasowanie krzywych odbywa się przez dobór wartości kilkunastu parametrów funkcji. Wynikami zastosowania metody CAPWAP są nośność graniczna z rozbiciem na stopę i pobocznicę oraz symulowana krzywa zależności przemieszczenia pala od jego obciążenia. Jest to zależność ekwiwalentna do krzywej obciążenie–osiadanie, otrzymanej z obciążenia statycznego. Bardzo istotnym elementem i poniekąd zaletą tej metody jest wykonywanie badań podczas instalacji pali. Pozwala to na niespotykaną dotąd możliwość obserwacji zachowania pala na całej jego długości, co można wykorzystać zarówno przy projektowaniu (np. przy realizacjach w systemie „projektuj i buduj”), jak i optymalizacji we wczesnym stadium budowy.
>>> Pale stalowe w konstrukcjach fundamentowych
>>> Inwestycje w wymagających warunkach – fundament to podstawa
>>> Fundamenty poniżej poziomu wody gruntowej w zabudowie miejskiej
Plac budowy. Fot. Dejan Gospodarek – stock.adobe.com
Jednym z przykładów jest przeprowadzenie badań na palach prefabrykowanych 40 x 40 cm, w ramach których realizowaliśmy fazę testową mającą na celu optymalizację pali poprzez ich skrócenie. Zdecydowano się na badania dynamiczne wyznaczonych pali o długościach mieszczących się odpowiednio w zakresie 10–24 m.
Przyjęto metodologię badania pali na całej długości oraz dodatkowe powtórzenia badań na ostatnim odcinku pomiarowym po czasie (restrike) w celu ewentualnego zaobserwowania zjawiska zmiany w czasie warunków współpracy pali prefabrykowanych z gruntem. Rejestracja sygnałów odbywała się co 25 cm, w wyniku czego otrzymano od ok. 10 do 70 partii sygnałów.
Rys. 1. Przekrój geologiczny wraz z profilem rozkładu nośności i tłumień na długości pogrążania pali (Ru sym – krzywa przyrostu nośności w gruntach spoistych na podstawie restrike’u po 4 dniach). Rys. archiwum Metris Sp. z o.o.
Analizę oparto na metodzie CAPWAP, do której następnie skalibrowano metodę CASE. W tym celu wykonano co najmniej jedną lub dwie analizy z dopasowaniem sygnału (CAPWAP) dla każdej warstwy geologicznej, aby następnie, operując nośnością RMX i tłumieniem Jc metody CASE, skorelować odpowiednio pozostałe sygnały. Taka metodologia pozwoliła zbudować profil rozkładu nośności i tłumień na niemal całej długości pogrążania pali. Otrzymano odpowiednio wartości tłumień Jc = 0,50 dla warstw gruntów niespoistych (piaski) oraz Jc = 0,60 – 0,70 dla warstw gruntów spoistych (gliny). Potwierdziły one również zgodność z rozkładem warstw geologicznych (rys. 1). Dodatkowymi parametrami, które mierzono, były m.in.: maksymalne średnie naprężenia ściskające i rozciągające (CSX, TSX), maksymalna energia przekazana do głowic badanych pali (EMX), maksymalna wartość prędkości w głowicach pali (VMX), maksymalne i trwałe przemieszczenie zarejestrowane w trakcie pojedynczego uderzenia (DMX, DFN). Ponadto na wszystkich badanych w ten sposób palach wykonano restrike w jednym lub dwóch interwałach czasowych, co pozwoliło określić w tym wypadku przyrost nośności pali w czasie.
Rys. 2. Wyniki badania statycznego i dynamicznego. Rys. archiwum Metris Sp. z o.o.
Zebrane dane stanowiły podstawę do odpowiedniego dopasowania długości pali finalnie przeznaczonych do pracy w konstrukcji i tym samym optymalizacji całego fundamentu. Kolejnymi zastosowaniami metody dynamicznej są: możliwość bieżącej kontroli wartości uzyskanych z wzorów dynamicznych na podstawie wpędów rejestrowanych w dziennikach instalacji pali oraz wykorzystanie jej przy pracach odbiorowych.
W pierwszym przypadku, z uwagi na dostępność metody, jej elastyczność, wymierny aspekt ekonomiczny i stosunkowo szybki efekt finalny w postaci uzyskania wyniku, wprowadzenie odpowiednich korekt odbywa się w czasie rzeczywistym bez zbędnych przestojów, co pozwala w zasadzie na całkowitą kontrolę nad prowadzonymi pracami kafarowymi.
Analogicznie w kwestii prac odbiorowych, których często kulminacją jest badanie statyczne, na podstawie którego odbierany jest zakres prac kafarowych, pozytywny wynik badania dynamicznego wykonanego odpowiednio wcześniej może znacząco przyspieszyć ten proces.
Uzyskane dotąd wyniki korelacji badań dynamicznych ze statycznymi, zarówno w przypadku pali prefabrykowanych, jak i chociażby stalowych – rurowych, świadczą o bardzo dużej dokładności metody, mieszczącej się zazwyczaj w zakresie 10–15%, a nawet poniżej (rys. 2).
Badania dynamiczne bardzo dobrze sprawdzają się w przypadku weryfikacji nośności pali istniejących. Ze względów logistycznych, w warunkach rozbiórkowych, badanie to jest znacznie łatwiejsze do przeprowadzenia niż badanie statyczne. Wykonanie serii takich analiz pozwala na wykorzystanie istniejących elementów w ramach nowo projektowanego obiektu. Doświadczenia z USA oraz rynku europejskiego, np. Skandynawii, jasno przemawiają za wykorzystaniem metody dynamicznej w coraz szerszym zakresie. Ze względu na jej dostępność, elastyczność, czynnik ekonomiczny i szybki efekt finalny w postaci wyniku możliwe jest, że w przyszłości zyska ona na popularności, redukując tym samym ilość realizowanych, wciąż bardzo popularnych, ale kłopotliwych wykonawczo i nieekonomicznych badań statycznych.
Joanna Kuna, Metris Sp. z o.o.
Adam Zgłobiś, Metris Sp. z o.o.
