XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna
XXIV
Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009
awarie budowlane
Prof. dr hab.in\
. ZYGMUNT MEYER
Politechnika Szczecińska, Katedra Geotechniki
Dr in\
. MARIUSZ KOWALÓW, [e-mail]
Geotechnical Consulting Office Szczecin
WYKORZYSTANIE TESTU OSTERBERGA DO STATYCZNYCH
OBCI
śEC
PRÓBNYCH PALI
OSTERBERG LOAD METHOD USED FOR STATIC TEST PILE
Streszczenie W pracy przedstawiono statyczne próbne obcią\
enia pali o du\
ym udz
wigu (rzędu kilku do kilku-
nastu tysięcy ton). Test Osterberga pozwala na dokładne określenie nośności pobocznicy pala, podstawy pala
oraz sporządzenie wykresu obcią\
enie w głowicy-osiadanie. Z badań Osterberga wynika, \
e dla danego pala
poddawanego testom w gruncie stosunek udz
wigu pobocznicy i podstawy jest stały. Metoda pozwala na
projektowanie pali o właściwej do potrzebnego udz
wigu długości i średnicy.
Abstract The paper present statistic test load for piles using Osterberg method. The method allows to estimate
skin resistance, toe resistance and the top load  settlement curve. Based upon tests it is possible to design piles
a different length by comparation to that one applied for tests.
1. Wstęp
Posadowienie na palach obiektów in\
ynierskich jest szeroko stosowane w praktyce.
W ostatnich latach posadowienie na palach jest równie\
wykorzystywane przy posadowieniu
obiektów wysokich. Przykładem tego mo\
e być wysoki obiekt wznoszony w Sofii  Europe
Tower . Wie\
a ta ma mieć wysokość ok. 180 m, a posadowienie przewidziano na płycie
\
elbetowej, która spoczywa na palach o du\
ej nośności. Precyzyjne określenie udz
wigu pali
o du\
ej nośności, w szczególności określenie zale\
ności obcią\
enie w głowicy  osiadanie pala
w tak odpowiedzialnych konstrukcjach jest problemem. Szczególnie wtedy, kiedy 80�90%
nośności pala wynika z tarcia o pobocznicę. Obliczeniowa nośność pali to 2500 ton (25 MN).
Projekt przewiduje wykonanie pali o średnicy ok.135 cm i długości ok. 50 m, tak aby pale
spoczywały w warstwie nośnej na długości od 36�40 m. Warstwę nośną stanowią iły mioceń-
skie bardzo zwarte o następujących parametrach: kat tarcia wewnętrznego Ć=30o, kohezja
c=55 kPa oraz moduł ściśliwości E=80 MPa.
Z uwagi na charakter konstrukcji, wra\
liwość na nierównomierne osiadanie postanowiono
przeprowadzić próbne statyczne obcią\
enia pala przy wykorzystaniu testu Osterberga [2].
Geotechnika
2. Test Osterberga
Statyczne próbne obcią\
enia pali w postaci testu Osterberga polegają na zamontowaniu
w palu komory ciśnieniowej. Komora ta sprawia, \
e siła w komorze powoduje przesunięcie
górnej części pala w górę, zaś dolnej części pala w dół. Podstawowy przypadek to zamonto-
wanie komory w podstawie pala (rys.1). Siła wywoływana w komorze ciśnieniowej zmienia
się od zera do wartości maksymalnej.
Rys. 1. Schemat obcią\
enia pala komorą ciśnieniową w podstawie
Formalnie związki pomiędzy siłą w komorze N, a przemieszczeniem w górę i w dół wy-
wołanym tymi siłami mo\
na otrzymać obliczając przemieszczenia dolnej krawędzi podstawy
pala wykorzystując znane w literaturze Wiłun[1] wzory Bousinesqa. Mamy
N1
Sq = ąq �" (1)
ĄrE
T
St = ąt �" 7,5 �" (2)
ĄHE
Parametry ąq oraz ąt są stałymi dla danego rodzaju gruntu oraz rodzaju powierzchni
zewnętrznej pala. Mo\
na je ustalić w trakcie testu Osterberga [2].
Podczas testu Osterberga zarówno siły N1, jak równie\
T są równe sile generowanej
w komorze ciśnieniowej N. Mo\
na zatem napisać, \
e stosunek osiadań jest równy:
Sq ąq H
= �" (3)
St ąt 7,5r
W klasycznym teście Osterberga rezultatem badań są związki St = f (N) oraz Sq = f (N).
Dla obszaru, gdzie ma zastosowanie liniowe teoria obcią\
enie-osiadanie otrzymujemy w tym
teście zale\
ności:
St = Bt �" N oraz (4)
292
Meyer Z. i inni: Wykorzystanie testu Osterberga do statycznych obcią\
eń próbnych pali
Sq = Bq �" N (5)
Przykładowo wykresy St (N) oraz Sq(N) pokazano na rys. 2
Rys. 2. Wykresy obcią\
enie-przemieszczenia pala podczas testu
Zwykle w praktyce analizę pracy pala ograniczamy do części, gdzie związki osiada-
nie-obcią\
enie są liniowe. Jakkolwiek istnieją mo\
liwości ekstrapolacji hiperbolicznej w celu
ustalenia granicznych wielkości N dla St oraz Sq . A
ącznie nośność pala obcią\
onego w gło-
wicy oblicza się porównując osiadanie Osterberg [2]. Mamy:
St = Sq oraz zakładając udz
wig pala U = N1 + T (6)
wówczas otrzymamy poni\
sze związki
Bq
1 Bt
N1 = U , T = U (7)
Bq Bq
1+ 1+
Bt Bt
ponadto mo\
na otrzymać stosowną krzywą osiadanie-obcią\
enie, która wynika ze wzoru (6) rys.
2. Na podstawie zale\
ności (3) oraz (7) mo\
emy otrzymać związek, który ma znaczenie przy
zmianie długości pala podczas projektowania posadowienia na podstawie opisywanego testu:
Bq H ą ąq 7,5r Bq
q
= �" oraz = �" = const (8)
Bt 7,5r ąt ąt H Bt
Ponadto mamy:
Bq
T
= (9)
N1 Bt
oraz pala w postaci
Bq
S = U �" (10)
Bq
1+
Bt
293
Geotechnika
Wzór (8) pozwala obliczyć nową wartość Bt(1) dla pala o długości H1 innej ni\
pala testowe-
go ( H `" H1). Przy skróceniu pala w stosunku do długości testowej parametr Bq nie zmienia się.
3. Przykład obliczeniowy
Dla warunków posadowienia Europe Tower w Sofii, w trakcie testów utworzono zale-
\
ności siła N w komorze oraz przemieszczenie, które dla części liniowych związków mają
Bq
przykładowo postać: Bq = 1mm / MN oraz Bt = 0,2mm / MN i wtedy = 5 i następnie
Bt
U mm T 5 N1 1
�ł łł
S = oraz = ; = .
�ł śł
6 MN U 6 U 6
�ł �ł
Dla projektowanego obcią\
enia np. U = 25MN otrzymamy S = 4,1mm . Dla przyjętych
pali widać, \
e osiadanie jest bardzo małe i układ mo\
e być zbyt sztywny. Dlatego mo\
na
skrócić pale z pierwotnej długości np. H = 36m w warstwie nośnej do np. H1 = 20m nie
(
zmieniając średnicy. Zale\
ności stosunku Bq1) do Bt(1) otrzymamy ze wzoru (8):
(
Bq1) Bq H1
= �" (11)
Bt(1) Bt H
i wtedy
(
Bq1)
1 Bt(1)
(1) (1) (1)
N1(1) = U ; T = U �" (12)
( (
Bq1) Bqq)
1+ 1+
Bt(1) Bt(1)
W rozpatrywanym przykładzie obliczeniowym po podstawieniu otrzymamy:
( (1) (1) (1)
Bq1) / Bt(1) = 2,78 oraz N1 = 0,26 �"U a następnie T = 0,74 �"U . Oznacza to, \
e zmniejszy-
ła się nośność pobocznicy z 83% do 74%. Wią\
e się to ze wzrostem osiadania pala. Mo\
na
wykazać, ze wzoru (1), \
e osiadanie to wyniesie:
N1(1)
(1)
S = S �" = Bq �" N1(1) (13)
N1
Jak ju\
napisano wcześniej przy zmianie długości pala w stosunku do pala testowego parametr
Bq nie zmienia się. Dlatego po podstawieniu otrzymamy:
mm mm
�ł łł
(1)
S1 = N1(1) �"10 = 0,26 �"U (14)
�łMN śł
MN
�ł �ł
(1)
Przyjmując tak jak poprzednio U = 25MN otrzymamy w tym przypadku osiadanie
(1)
pojedynczego pala S = 7,0mm .
294
Meyer Z. i inni: Wykorzystanie testu Osterberga do statycznych obcią\
eń próbnych pali
Znając moduł ściśliwości gruntu, wielkości geometryczne pala oraz siłę na pobocznicy
i w podstawie mo\
na obliczyć stałe ąq oraz ąt . Otrzymamy ze wzoru (1)
ąq = Bq �"ĄrE (15)
a następnie ze wzoru (8)
H Bt
ąt = ąq �" (16)
7,5r Bq
Po podstawieniu otrzymamy: ąq = 0,18 ; ąt = 0,25 . Są to stałe charakteryzujące współpracę pal
 grunt. Podkreślić nale\
y, \
e wielkości ąq oraz ąt pozostają takie same przy zmianie długości
pala i reprezentują wzajemne oddziaływanie w rozpatrywanym przypadku gruntu i pala.
4. Wnioski
1. W pracy przedstawiono podstawowe zasady prowadzenia testu Osterberga oraz opis
matematyczny związków obcią\
enie-osiadanie, które zachodzą w tym teście.
2. Test Osterberga pozwala na bardzo dokładne ustalenie zale\
ności obcią\
enie pala w głowi-
cy oraz osiadanie.
3. Stosownie do przyło\
onego w głowicy pala obcią\
enia otrzymujemy opór pobocznicy
i opór podstawowy pala. Badania na podstawie tych testów wskazują, i\
stosunek tych opo-
rów dla zadanego pala jest stały. Opór pobocznicy i podstawy pala rośnie proporcjonalnie
w miarę jak rośnie obcią\
enie pala w głowicy.
4. Wyniki testów pozwalają na projektowanie w oparciu o pomierzone wielkości równie\
pali
o innych długościach (i średnicach), ale pracujących w takim samym gruncie. Dla pali
krótszych otrzymujemy wtedy większe osiadania.
5. Przedstawione tu podstawowe zasady prowadzenia testów Osterberga i ich interpretacja nie
wyczerpują wszystkich mo\
liwości tej metody. Często np. stosuje się komorę ciśnieniową
umieszczoną poni\
ej połowy długości pala, po to aby zmniejszyć nacisk na podstawę
i zbli\
yć do siebie moment utraty stateczności na pobocznicy i w podstawie.
6. Praktyczne przeprowadzenie testów wymaga uwzględnienia równie\
innych elementów
osiadania pala np. przemieszczenie się poziomych ścian komory ciśnieniowej względem
powierzchni terenu. Pozwala to m.in. na uwzględnienie skrócenia długości pala \
elbeto-
wego przy du\
ej sile osiowej. Mo\
e ono wynosić nawet 8 mm.
7. Na podkreślenie zasługuje równie\
fakt, i\
metoda ta pozwala na wyznaczenie stałych ąt
oraz ąq , które mają odniesienie do fizycznego opisu procesu.
8. Program dalszych badań przewiduje m.in. analizę testu statycznego Osterberga dla pali,
kiedy komora ciśnieniowa umieszczona jest powy\
ej podstawy.
Oznaczenia
Bq  stała opisująca przemieszczenie podstawy pala w dół,
Bt  stała opisująca przemieszczenie głowicy pala w górę,
(
Bq1) , Bt(1)  stałe dla pala o skróconej długości,
E  moduł ściśliwości gruntu,
H  długość pala na jakiej znajduje się on w warstwie nośnej,
295
Geotechnika
N  siła generowana w komorze ciśnieniowej,
N1  nacisk podstawy pala na grunt,
r  promień pala,
Sq  osiadanie podstawy pala,
St  przemieszczenie głowicy pala,
T  opór pobocznicy pala,
U  obcią\
enie pionowe przyło\
one w głowicy pala,
ąq ,ąt  stałe we wzorze na osiadanie
Uwaga: indeks (1) górny oznacza odpowiednie wielkości dla pala o skróconej długości
Literatura
1. Wiłun Z.: Zarys geotechniki, Wydawnictwo Komunikacji i A
ączności, Warszawa 1976.
2. Osterberg J.O.: Recent Advances in Load Testing Driven Piles and Drilled Shafts Using
Osterberg Load Cell Method, American Society of Civil Engineers, Chicago, 1994.
3. Schmertmann, John and Hayes, John: The Osterberg Cell and Bored Pile Testing 
A Symbiosis, Proceedings at the Third Annual Geotechnical Engineering Conference,
Cairo University, Cairo  Egypt, 1997.
296