Tadeusz BRZOZOWSKI

1

BADANIA DYNAMICZNE NOŚNOŚCI PALI WIERCONYCH

W ŚWIETLE PRÓBNYCH OBCIĄŻEŃ STATYCZNYCH

1. Wstęp

Metoda wysoko-odkształceniowych badań dynamicznych (z ang. high-strain) stosowana

jest na świecie najczęściej dla pali wbijanych. Od wielu lat wykorzystywana jest również dla
pali wykonywanych w gruncie. Metodę badań dynamicznych zastosowano po raz pierwszy
w Polsce w 1999 r.

W pracy przedstawiono krótką analizę wykonanych w kraju badań dynamicznych

nośności pali wierconych w porównaniu z próbnymi obciążeniami statycznymi wykonanymi
jako badania korelacyjne. Badania przeprowadził w latach 2001-2007 zespół naukowy
Katedry Geotechniki Politechniki Gdańskiej pod kierownictwem prof. Andrzeja Tejchmana
a następnie prof. Kazimierza Gwizdały.

Zagadnienia związane z badaniami dynamicznymi omawiano już w kilku artykułach

prezentowanych w czasopismach i na konferencjach krajowych ([2], [3], [5], [9], [10], [11]).
Z powyższego powodu pominięto szczegółowe omówienie metody, skupiając się na
przedstawieniu spostrzeżeń z badań i interpretacji oraz analizie badań wykonanych dla pali
wierconych w porównaniu do badań statycznych.

2. Metoda badawcza

Badanie dynamiczne polega uderzeniu w specjalnie przygotowaną głowicę pala młotem

kafara lub innym ciężarem prowadzonym w prowadnicach i wywołaniu w palu fali naprężeń.
Za pomocą czujników zamontowanych na palu poniżej głowicy, mierzy się przyspieszenie
i odkształcenie w czasie.

Przenośny komputer we współpracy ze wzmacniaczem i przetwornikiem sygnałów

rejestruje dane (rys. 1). Na podstawie parametrów podłoża (najlepiej w postaci wyników
sondowania statycznego) i pala przygotowuje się model analityczny układu młot–pal–grunt,
który umożliwia (na podstawie wielkości zarejestrowanych w czasie uderzenia) określenie
zależności obciążenie – osiadanie oraz ekwiwalentnej do statycznej nośności pala.

Metoda badań dynamicznych uznawana jest za porównywalną z badaniem statycznym

umożliwiając ocenę nośności pali. Potwierdza to szereg otrzymanych na świecie wyników
z obu badań ([4], [7], [8]). W większości norm i wytycznych na świecie (np. [12], [13], [16])
zaleca się wykonać jako korelacyjne przynajmniej jedno próbne obciążenie statyczne dla
kilku przeprowadzonych prób dynamicznych.

1

Dr inż., Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska

Rys. 1. Stanowisko do badania dynamicznego pala wierconego

φ 1500 mm.

Bijak o ciężarze 100 kN wyczepiany przez szczęki hydrauliczne zawieszone na dźwigu.

W prawym górnym rogu fotografii przedstawiono czujnik przymocowany do pala.

Zjawisko modeluje za pomocą jednowymiarowej teorii falowej rozpatrując przypadek
cylindrycznego pręta, nie poddanego oddziaływaniu gruntu ani żadnym zewnętrznym
oporom. Do celów praktycznych wykorzystuje się schemat młot–pal–grunt umożliwiający
przeprowadzenie obliczeń dla większości badań dynamicznych. Równanie jednowymiarowej
teorii falowej uzupełnione jest o elementy uwzględniające charakterystykę mechaniczną
gruntu:

0

)

,

(

)

(

)

,

(

)

(

)

,

(

)

,

(

1

2

2

2

2

2

=

∂

∂

+

+

∂

∂

−

∂

∂

t

t

x

u

AE

x

s

t

x

u

AE

x

k

x

t

x

u

t

t

x

u

c

(1)

gdzie:
c – prędkość propagacji fali naprężeń,
Z – oporność mechaniczna,
E – moduł sprężystości materiału pala,

(

ρ

=

E

c

,

ρ

⋅

=

⋅

=

E

A

c

A

E

Z

,

ε

σ

=

E

,

A

F

=

σ

,

x

u

∂

∂

=

ε

)

F – siła osiowa działająca na pal,
ρ – gęstość materiału pala,
u – przemieszczenie,
x – współrzędna w liniowym układzie odniesienia,
t – czas,

A – powierzchnia przekroju pala,
M – masa młota (masa uderzająca),
m – masa podbabnika,
k – współczynniki sprężystości (k

C

, k

S

, k

B

),

s – współczynniki tłumienia (s

C

, s

S

, s

B

).

Rys. 2. Uproszczony schemat młot–pal–grunt

Powyższe równanie składa się z 4 członów reprezentujących przyspieszenie (bezwładność),
odkształcenie, opory gruntu i prędkość (tłumienie). W metodach wysoko-odkształceniowych
wszystkie składowe powyższego równania mają istotny wpływ na opis zjawiska.

Równanie opisujące zmiany przemieszczenia pala w funkcji czasu t rozwiązuje się

metodą elementów lub różnic skończonych jak również metodami analitycznymi, które
oparte są na przekształceniach całkowych.

Szczegółowy opis podstaw teoretycznych oraz metod badań dynamicznych przedsta-

wiony został między innymi w pracach [1] i [6].

3. Interpretacja badań

Interpretację badań dynamicznych można wykonać korzystając z prostych wzorów

(tzw. metody bezpośrednie, np. CASE, TNO, Impedance) oraz konstruując matematyczny
model, którego parametry dobiera się iteracyjnie (tzw. metody pośrednie, np. CAPWAP,
TNODLT). Metody bezpośrednie stosowane samodzielnie są mało wiarygodne, a dla pali
wykonywanych w gruncie obarczone często dużym błędem. Dlatego do interpretacji badań
nośności pali wierconych stosuje się najczęściej metody iteracyjne (pośrednie).

W praktyce, interpretację wyników badań dynamicznych wykonuje się za pomocą

programów komputerowych opracowanych przy założeniu kilku różnych modeli układu
młot–pal–grunt.

Wszystkie interpretacje badań nośności wykorzystane w niniejszej pracy wykonane

zostały metodą pośrednią TNODLT (patrz np. [3] i [9]).

W przypadku pali wbijanych interpretacja badań zazwyczaj nie powoduje dużych

trudności. Dla pali wierconych często zdarza się, że pomierzone sygnały są zakłócone
(zniekształcone). Podstawowymi przyczynami takich zakłóceń są:

– pęknięcia w głowicy lub pod głowicą (w skrajnych przypadkach uniemożliwiające

zarejestrowanie sygnału),

– źle wykonana głowica lub styk pala z głowicą (silne tłumienie fali),
– niejednorodność struktury betonu w głowicy i/lub trzonie pala (różna prędkość fali),
– niewłaściwy poziom zamocowania czujników (duże zakłócenia sygnału),
– nieosiowe uderzenie ciężaru w głowicę (trudności w uśrednieniu pomierzonych

sygnałów).

Doświadczenia zdobyte w czasie prowadzonych od kilku lat badań pozwalają stwierdzić, że
główną przyczyną zniekształceń mierzonych sygnałów są pierwsze dwa wymienione
powody (rys. 3 i 4). O ile nieosiowe uderzenie oraz niepoprawne zamocowanie czujników
można podczas badania wyeliminować, to w przypadku źle przygotowanej głowicy i pęknięć
sytuacja jest znacznie trudniejsza. Jeśli rejestrowane sygnały są słabe można jedynie
spróbować zamocować czujniki w innych punktach. W wielu przypadkach nie przynosi to
jednak pożądanego efektu ponieważ większość powstających pęknięć można zauważyć
dopiero po dokładnym skuciu pala.

Rys. 3. Pęknięcie pod głowicą pala

Rys. 4. Źle przygotowany styk głowicy

w rejonie zamocowania czujnika

z trzonem pala

Bezpośrednią przyczyną pęknięć jest oczywiście uderzenie bijaka w głowicę pala. Jednak do
wywołania pęknięcia trzonu pala wielkośrednicowego, wykonanego obecnie z betonu
minimum B25, potrzebne byłoby na przykład bardzo nieosiowe uderzenie!

„Słabszy” beton w górnej części pala spowodowany może być wymieszaniem zwiercin

gruntu z mieszanką betonową. W przypadku betonowania metodą „kontraktor”

zanieczyszczenia pochodzić mogą nawet z okolic podstawy pala. Dzieje się tak gdy
dopuszczane jest krótkie nadbetonowywanie trzonów pali lub w przypadku braku usuwania
zwiercin gruntu z powierzchni mieszanki betonowej.

Już w czasie przygotowywania powierzchni i wiercenia otworów pod czujniki można

określić jakość betonu pod głowicą. Obserwacje dotyczące jakości betonu pozwoliły na
skorygowanie zależności badań statycznych i dynamicznych, przedstawionych poniżej.

4. Porównanie badań dynamicznych i statycznych

Porównanie wyników badań dynamicznych z próbnymi obciążeniami statycznymi

wykonano dla 39 badań dynamicznych, dla których w bezpośrednim sąsiedztwie wykonano
korelacyjne badania statyczne. Pale badano na kilkunastu obiektach budowanych w kraju
(głownie mostach i wiaduktach), z których część została opisana w poprzednich publikacjach
([2], [3], [5], [9], [10]). Z ogólnej liczby 39 badanych pali, 35 to pale wiercone o średnicach
800, 1000, 1200 i 1500 mm wykonane w rurach obsadowych a 4 były palami CFA
o średnicy 800 i 1000 mm. W gruntach niespoistych zakończono 25 pali a w gruntach
spoistych 14 pali.

Trudność w porównaniu krzywych otrzymanych z badań statycznych i dynamicznych

polega między innymi na tym, że w zasadzie należałoby porównywać je na całej długości.
Jest to jednak dość kłopotliwe gdy takiej analizie należy poddać kilkadziesiąt pali.

Analizę krzywych obciążenie-osiadanie, w odniesieniu do nośności otrzymanej na

podstawie badań dynamicznych wykonano zakładając, że wartość nośności z krzywej Q-s
otrzymanej na podstawie badania dynamicznego N

D1

odpowiada osiadaniu otrzymanemu dla

nośności z próbnego obciążenia statycznego (kN

c

0

), zinterpretowanego wg PN-83/B-02482

[15] (patrz rys. 5).

Dla tak przyjętego założenia otrzymano dla wszystkich analizowanych pali zależność

przedstawioną na rysunku 6. Pale zakończone w gruntach niespoistych i spoistych
zestawiono osobno. Punkty na wykresach wypełnione na czarno odpowiadają badaniom,
w których zaobserwowano problemy z jakością betonu pod głowicą. Po odrzuceniu
wymienionych punktów otrzymano bardzo dobrą korelację liniową (również dla pali
zakończonych w gruntach spoistych).

Na rysunku 8 przedstawiono analizę krzywych obciążenie-osiadanie w odniesieniu do

osiadania pali. Porównano osiadania z krzywych obciążenie-osiadanie odpowiadające
nośności z próbnego obciążenia statycznego (kN

c

0

), zinterpretowanego wg PN-83/B-02482

[15] (patrz rys. 7). Pale zakończone w gruntach niespoistych i spoistych zestawiono osobno.
Podobnie jak na rys. 6 punkty wypełnione odpowiadają badaniom, w których wystąpiły
problemy z jakością betonu.

Rys. 5. Sposób określania wartości N

D1

a) b)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

N

D1

[MN]

kN

c

0

[M

N

]

kN

c

0

=N

D1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

N

D1

[MN]

kN

c

0

[M

N

]

kN

c

0

=N

D1

Rys. 6. Porównanie wyników obciążeń statycznych i badań dynamicznych (nośności):

a) pale zakończone w gruntach niespoistych, b) pale zakończone w gruntach spoistych.

Rys. 7. Sposób określania wartości s

stat

i s

dyn

a) b)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

s

dyn

[mm]

s

st

at

[m

m

]

s

stat

= s

dyn

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

s

dyn

[mm]

s

st

at

[m

m

]

s

stat

= s

dyn

Rys. 8. Porównanie wyników obciążeń statycznych i badań dynamicznych (osiadania):
a) pale zakończone w gruntach niespoistych, b) pale zakończone w gruntach spoistych.

5. Podsumowanie

Główną zaletą dynamicznych badań nośności pali jest całkowite wyeliminowanie

urządzeń kotwiących oraz krótki czas potrzebny do przeprowadzenia badania. Metodę
dynamiczną docenić można szczególnie w przypadku, gdy warunki techniczne lub terenowe
uniemożliwiają przeprowadzenie próbnego obciążenia statycznego.

Bardzo ważne jest aby badania dynamiczne kalibrować za pomocą próbnego obciążenia

statycznego, które traktuje się jako badanie odniesienia, dla danego obszaru posadowienia
o podobnych warunkach geotechnicznych.

Porównanie krzywych obciążenie-osiadanie otrzymanych z badań dynamicznych

z krzywymi z próbnych obciążeń statycznych wykazuje dobrą korelację liniową obu badań
w zakresie obciążeń bliskich nośności kN

c

0

pod warunkiem, że odrzucone zostaną badania,

w których wyniki zostały zakłócone.

Liczba 39 badań dynamicznych jest zbyt mała aby można było rozpatrywać korelacje

w ujęciu ilościowym. Jednak badania dynamiczne są w dalszym ciągu prowadzone co
pozwala przypuszczać, że otrzymanie takich korelacji będzie możliwe w ciągu najbliższych
kilku lat.

Literatura

[1] BARENDS F.B.J., Stress Wave Theory to Piles. Balkema, Proc of 4th International

Conference, Rotterdam, 1993.

[2] BRZOZOWSKI T., BLOCKUS M., Badania dynamiczne pali. Seminarium „Zagadnie-

nia posadowień na fundamentach palowych”. Gdańsk, 2004. s. 111-124.

[3] BRZOZOWSKI T., BLOCKUS M., Warunki prawidłowego wykonania badań dyna-

micznych. Inżynieria Morska i Geotechnika 6/2004. s. 300-307.

[4] GEERLING J., SMITS, M.TH.J.H., Prediction of load displacements characteristics of

piles from the results of dynamic/kinetic load test. 1992.

[5] GWIZDAŁA K., Kontrola nośności pali i jakości robót palowych. Seminarium Funda-

menty Palowe i Specjalne. Warszawa, 2004. s. 37-62.

[6] HOLEYMAN

A.E.,

Technology of pile dynamic testing. Balkema, Rotterdam, 1992.

[7] KLINGMÜLLER O., Dynamishe Pfahlprüfung als Optimierungsproblem. Insitut für

Grundbau und Bodenmechanik, TU Braunschweig, 1991.

[8] MIDDENDORP P., VAN VEELE A.F., Application of the characteristic stress wave

method in offshore practice. Poceedings 3rd International Conference on Numerical
Methods in Offshore Piling, Nantes, France, 1986.

[9] TEJCHMAN A., GWIZDAŁA K., BRZOZOWSKI T., BLOCKUS M., SŁABEK A.,

Dynamiczne badania nośności pali wierconych. 13 Krajowa Konf. MGiF. Zeszyty
Naukowe Politechniki Śląskiej, 2003, Budownictwo z. 97, s.279-294.

[10] TEJCHMAN A., GWIZDAŁA K., BRZOZOWSKI T., BLOCKUS M., Określanie noś-

ności pali wierconych na podstawie badań dynamicznych. Inżynieria i Budownictwo,
Nr 12/2002.

[11] TEJCHMAN A., Badania dynamiczne pali. Inżynieria Morska i Geotechnika. 6/2000.

s. 325–330.

[12] D 4945 - 00: Standard Test Method for High-Strain Dynamic Testing of Piles. ASTM.

[13] EN 1997-1: 2004, Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Zasady ogólne.
[14] PN-EN 1536: 2000. Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Pale wiercone.
[15] PN-83/B-02482. Fundamenty budowlane. Nośność pali i fundamentów palowych.
[16] Recommendations for static and Dynamic Pile Tests. German Society for Geotech-

niques. Germany, June 1998.

DYNAMIC LOAD TESTS OF BORED PILES

IN THE LIGHT OF STATIC LOAD TESTS

Analysis of High Strain Dynamic Load Testing (HS DLT) of bearing capacity of bored

piles installed in Poland are presented. Main advantage of dynamic method for the
assessment of pile’s bearing capacity is an elimination of anchoring equipment as well as
relatively short time of test duration which becomes of particular importance in difficult site
and technical conditions, especially for carrying out static load tests (SLT).

Dynamic load tests should be calibrated by static load tests treated as reference tests for a

foundation area with similar geotechnical conditions.

The comparison of load-settlement curves from dynamic tests with corresponding static

load test curves reveals good agreement of the results obtained on condition that disturbed
tests was discarded.