BADANIA PALI Z POMIAREM DYSTRYBUCJI SIA
Y
Adam KRASIC
SKI*, Rafał SIEC
KO**
*) Dr inż., Politechnika Gdańska, Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa
Morskiego, [e-mail]
**) Dr inż., Politechnika Krakowska, Zakład Konstrukcji Sprężonych,
NeoStrain Sp. z o. o., Kraków, [e-mail]
STRESZCZENIE
Pomimo rozwoju różnego rodzaju metod obliczeniowych, jak również
technik badawczych, próbne obciążenia statyczne wciąż są zasadniczą metodą
weryfikacji projektów i wykonawstwa pali. Wynika to również z zaleceń
Eurokodu 7 [9], w którym zaznacza się, że każda metoda projektowania pali
musi być potwierdzona wynikami próbnych obciążeń. W Polsce jak dotąd,
zdecydowana większość próbnych obciążeń pali realizowana jest z użyciem
podstawowego systemu pomiarowego, umożliwiającego rejestrację wartości
przykładanej siły oraz przemieszczeń pionowych w poziomie głowicy pala. Taki
sposób pomiaru jest z resztą wystarczający w świetle wymagań dotychczasowej
polskiej normy palowej PN-83/B-02482. Informacja o wartości siły i przemie-
szczeń pionowych głowicy pala jest rzeczywiście wystarczająca z punktu
widzenia inżynierskiego oraz w sytuacjach, gdy próbne obciążenia dają wyniki
pozytywne. W wielu innych sytuacjach potrzebna jest jednak większa liczba
informacji i danych. Szczególnie przydatna jest informacja o dystrybucji siły
wzdłuż trzonu pala i rozdziale tej siły na tarcie wzdłuż pobocznicy i opór pod
podstawÄ… pala.
1. WPROWADZENIE
Przeprowadzanie próbnych obciążeń pali metodą statyczną z użyciem
aparatury umożliwiającej pomiar dystrybucji siły wzdłuż ich trzonów jest od lat
standardem w wielu krajach świata [1, 4, 5]. W Polsce pierwsze próby użycia
podobnego systemu pomiarowego podejmowano już w latach 70-tych i 80-tych
ubiegłego wieku, np. przy budowie Portu Północnego w Gdańsku. Badane
wówczas pale wyposażono w zestaw tensometrycznych czujników elektro-
oporowych przymocowanych do zbrojenia. System taki okazał się jednak
zawodny z uwagi na znaczną awaryjność czujników, problemy z ich kalibracją
i wrażliwością na różnego rodzaju wpływy (temperatura, wilgotność). Duża
liczba czujników ulegała awarii podczas wprowadzania zbrojenia i betonowania
pala. Kolejną wadą systemu była pracochłonność instalacji, która wymagała
precyzyjnego przygotowania prętów zbrojeniowych do klejenia czujników
tensometrycznych oraz ich zabezpieczenia przeciwwilgociowego. W rezultacie
próby zakończyły się niepowodzeniem, a metoda pomiarowa nie zdołała się
upowszechnić w praktyce inżynierskiej.
W ostatnich latach pojawiła się w Polsce możliwość zastosowania w próbnych
obciążeniach pali systemu pomiarowego składającego się z zestawu
ekstensometrów wykorzystujących w swej konstrukcji technologię pomiarów
strunowych [3, 6]. Oprócz niezawodności i odporności na warunki
atmosferyczne, zaletami systemu są także szybkość jego instalacji, możliwość
wielokrotnego zastosowania i nie powodowanie istotnych komplikacji
w przebiegu próbnego obciążenia pala.
2. ZASADNOŚĆ I ZALETY STOSOWANIA ROZSZERZONEGO
SYSTEMU POMIAROWEGO W BADANIACH PALI
Pomiar rozkładu odkształceń (zmian długości) wzdłuż trzonu pala
w czasie próbnego obciążenia ma wiele zalet i niesie za sobą dużo korzyści
praktycznych. Również od strony czysto formalnej może być on przydatny.
Zgodnie bowiem z zaleceniami EC7, wyniki próbnych obciążeń pali, w których
prowadzony będzie pomiar rozdziału siły na pobocznicę i podstawę, będą mogły
być interpretowane z korzystniejszymi współczynnikami bezpieczeństwa lub
będą mogły być przeprowadzane na palach o mniejszych średnicach niż pale
konstrukcyjne. Są to propozycje, które mogą zainteresować zarówno
projektantów, inwestorów, jak i wykonawców pali.
Informacja o rozkładzie siły wzdłuż trzonu pala podczas badania statycznego
jego nośności jest przydatna między innymi w następujących sytuacjach:
1) W przypadku testowania nowego typu pali lub nowej technologii ich
wykonywania, w celu rozpoznania charakterystyk pracy pali w gruncie 
rozwijania się oporów gruntu na pobocznicy i pod podstawą w kolejnych
stopniach obciążenia, aż do osiągnięcia wartości granicznych tych oporów.
2) W przypadku testowania i weryfikacji nowej metody obliczania nośności lub
osiadań pali. Większość metod obliczeniowych polega na oddzielnym
wyznaczaniu nośności podstawy i pobocznicy pali zgodnie z określonymi
założeniami, a następnie sumowaniu tych wartości. Określenie podczas obciążeń
próbnych nośności podstawy i pobocznicy pali rzeczywistych, pozwala na
weryfikację przyjmowanych założeń obliczeniowych.
3) W przypadku niekorzystnych wyników próbnych obciążeń objawiających się
małą nośnością pali lub dużymi osiadaniami. Pomiary rozkładu siły wzdłuż pala
pozwalają wówczas na stwierdzenie, czy przyczyną  złego wyniku jest mała
nośność pobocznicy, czy podstawy pala. Tego typu diagnoza byłaby np. bardzo
pomocna w określeniu przyczyn często spotykanej niskiej nośności pali
wierconych, wykonywanych na terenach występowania iłów krakowieckich.
Wyniki próbnych obciążeń wykazują tam zwykle mniejsze nośności pali niż
otrzymywane z obliczeń normowych. Prawdopodobną przyczyną jest słaba
nośność podstaw pali. Aby się jednak upewnić, należałoby wykonać kilka
próbnych obciążeń na palach z dodatkowym oprzyrządowaniem pomiarowym.
Pozwoliłoby to następnie na wprowadzenie korekt w metodzie obliczeniowej dla
pali realizowanych na tych terenach.
4) W przypadku zamiaru oszacowania wartości tarcia negatywnego działającego
na trzony pali w górnych warstwach podłoża gruntowego. Jak wiadomo, tarcie
negatywne w czasie próbnego obciążenia działa w przeciwnym kierunku niż
w czasie pracy fundamentu (działa pozytywnie). Pomimo przeciwnych
kierunków, wartości tego tarcia są w obu sytuacjach zbliżone. Pomiar wartości
tarcia negatywnego pozwala ponadto na dokładniejszą interpretację wyniku
próbnego obciążenia  znana jest wartość siły tarcia negatywnego o jaką
musimy pomniejszyć nośność pala uzyskaną z badania.
5) W przypadku badań skuteczności iniekcji pod podstawami pali. W takiej
sytuacji możemy zaplanować próbne obciążenia dwóch pali: jednego
z wykonaną iniekcją, drugiego bez iniekcji. Zwykłe próbne obciążenia pali
pozwalają jedynie na określenie różnic w osiadaniach głowic i w globalnych
nośnościach pali. Pomiary rozdziału siły na pobocznicę i podstawę pozwoliłyby
na bardziej ilościową ocenę wpływu iniekcyjnego sprężenia podstaw pali. Tak
zaprogramowane badania wykonano między innymi na palach fundamentu
pylonu mostu przez Odrę na budowie obwodnicy Wrocławia, o czym więcej
napisano w pkt. 4.1. Zebranie większej liczby danych z podobnie
zaprogramowanych badań umożliwiłoby opracowanie dokładniejszych
wytycznych projektowania pali z iniekcjÄ… podstaw.
6) W przypadku zamiaru określenia sztywności osiowej trzonu pala (EA) oraz
wartości skrócenia własnego pala pod określonym obciążeniem. Jak to zostanie
opisane w dalszej części, proponowany system, jako bazowych, dokonuje
pomiarów skróceń poszczególnych odcinków pala. Inne wielkości (np. wartość
siły) są wynikiem przeliczeń. Zsumowanie skróceń wszystkich odcinków daje
nam wartość całkowitego skrócenia pala. Wartość siły i odkształcenia w pierw-
szym górnym odcinku (tzw. referencyjnym) pozwala na obliczenie wartości EA
trzonu pala z uwzględnieniem występującego zbrojenia i rzeczywistych
parametrów betonu. Takie oszacowanie może być przydatne w analizach
obliczeniowych całych ustrojów i fundamentów palowych.
Wymienione przypadki celowości zastosowań pomiarów dystrybucji siły
w czasie próbnych obciążeń pali są przykładowe i nie obejmują wszystkich
możliwości.
3. KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAA
ANIA PROPONOWANEGO
SYSTEMU POMIAROWEGO
3.1. Konstrukcja
Pomiar dystrybucji siły przykładanej podczas obciążenia próbnego do
głowicy pala wzdłuż długości jego trzonu prowadzony jest metodą pośrednią za
pomocą tzw. czujników ekstensometrycznych [5]. Czujniki te umożliwiają
wyznaczenie zmian długości określonych odcinków pala. W tym celu, wewnątrz
pala (najczęściej w jego osi), wzdłuż jego wysokości, instalowana jest wraz
z koszem zbrojeniowym rurka stalowa bÄ…dz
z tworzywa sztucznego. Przed
rozpoczęciem obciążenia próbnego, wprowadza się do rurki zestaw czujników
ekstensometrycznych 1 (rys. 1) połączonych ze sobą prętami z włókien
węglowych, szklanych 2 (rys. 1) bądz
stali nierdzewnej. Najniżej położonym
elementem systemu pomiarowego jest kotwa 3 (rys. 1).
1. 2.
3.
Rys. 1. Składniki zestawu ekstensometrycznego wg [6] (opis w tekście).
Długość całego zestawu powinna być zbliżona do długości pala, ale możliwe
jest również wykonanie pomiaru tylko na interesującym nas odcinku. Do
wszystkich czujników doprowadzony jest kabel elektryczny oraz przewód
ciśnieniowy. Kotwa wyposażona jest jedynie w rurkę służącą do doprowadzenia
ciśnienia. Gdy kotwa osiągnie projektowane położenie, przy pomocy sprężonego
gazu wysuwa się specjalne, stożkowe bolce blokujące jej położenie. Podobnie
postępuje się ze wszystkimi czujnikami ekstensometrycznymi, wywołując przed
ich zablokowaniem lekkie napięcie w prętach łączących poszczególne czujniki.
Po ustaleniu położenia zestawu ekstensometrycznego w palu, przeprowadza się
pomiar zerowy, podczas którego rejestrowana jest początkowa częstotliwość
drgań struny każdego czujnika oraz jego temperatura. Opisywany zestaw
ekstensometryczny dokonuje pomiarów zmian długości poszczególnych
odcinków pala, wykorzystując tzw. tensometrię strunową. W technice tej
przyjmuje się (w uproszczeniu) założenie o zależności napięcia struny od jej
częstotliwości:
µ = k f 2 (3.1)
gdzie µ jest odksztaÅ‚ceniem, a f  czÄ™stotliwoÅ›ciÄ… drgajÄ…cej struny. Na rys. 2
pokazano schematycznie sposób działania czujnika strunowego. Czujnik
ekstensometryczny wyposażony jest dodatkowo w sprężynę o znanej
charakterystyce, dzięki czemu możliwe jest wykonywanie pomiarów w zakresie
kilkudziesięciu milimetrów. Cewka elektromagnetyczna wzbudza do drgań
strunę oraz dokonuje odczytów częstotliwości tych drgań. Specjalne
oprogramowanie umożliwia, przy zastosowaniu filtrów, określenie podstawowej
częstotliwości drgań, która jest podstawą do obliczenia zmian odkształceń
elementu pomiarowego. Każdy czujnik wyposażony jest ponadto w termistor,
który umożliwia rejestrację temperatury w bezpośrednim sąsiedztwie struny
czujnika. Pomiar temperatury umożliwia dokonanie tzw. kompensacji
temperaturowej pomiarów.
ELEKTROMAGNES
SYGNAA

TERMISTOR
POMIAROWY
POLE
DRGAJ
CA
MAGNETYCZNE
STRUNA
Rys. 2. Zasada działania czujnika strunowego
3.2. Zasada działania i interpretacja wyników pomiarów
Po wykonaniu odczytu zerowego przystępuje się do realizacji obciążenia
próbnego pala zgodnie ze standardową procedurą. Odczyty wskazań
poszczególnych czujników wygodnie jest prowadzić automatycznie przy
zastosowaniu elektronicznego rejestratora. Umożliwia on bieżącą (np. co
minutę) kontrolę zachowania się pala podczas przykładania siły do jego głowicy.
Wzrost obciążenia powoduje odpowiedz
pala w postaci zmiany jego długości.
Ponieważ pal współpracuje z gruntem wzdłuż pobocznicy, zmiany długości
zależą od położenia odcinka pomiarowego. Odległości pomiędzy punktami
pomiarowymi mogą wynosić od 50 cm do kilku bądz
kilkunastu metrów, przy
czym w celu umożliwienia poprawnej interpretacji pomiarów, długości
odcinków powinno dobierać się każdorazowo, w zależności od układu warstw
geotechnicznych oraz oczekiwanej dokładności uzyskiwanych wyników.
Urządzenie umożliwia podział pala na dwa do ośmiu odcinków pomiarowych.
ZnajÄ…c pole powierzchni przekroju betonowego pala Ac oraz pole powierzchni
stali zbrojeniowej As możemy wyznaczyć tzw. pole sprowadzone Acs:
Acs = Ac + As (Ä…s  1) (3.2)
gdzie ąs jest stosunkiem modułu sprężystości stali zbrojeniowej i betonu. Jeżeli
nie wykonujemy równocześnie badań modułu sprężystości betonu w palu,
przyjmujemy wartość modułu odpowiednią dla danej klasy betonu Ecm lub
wyznaczamy go na podstawie zmiany długości pierwszego odcinka
pomiarowego. W przypadku prowadzenia obliczeń w sytuacji trwałej (np. po
30-tu latach eksploatacji) konieczne jest zastosowanie modułu efektywnego Ec,eff
uwzględniającego wpływ zjawisk reologicznych na odkształcalność betonu.
Znając długości odcinków pomiarowych Li, możemy obliczyć wartość siły
ściskającej Fi w każdym z nich:
"Li
Fi = Å" Acs Ecm (3.3)
Li
gdzie "Li jest skróceniem danego odcinka pomiarowego.
Ponieważ na wysokości pala temperatura podczas badania może ulegać zmianie,
konieczne jest uwzględnienie korekty temperaturowej w obliczeniach zmian
długości zestawu ekstensometrycznego.
Siła w pierwszym od góry odcinku pomiarowym powinna być praktycznie
równa sile przykładanej do głowicy pala, dlatego też odcinek ten powinien być
stosunkowo krótki i powinien być zlokalizowany poza strefą wpływu nośności
pobocznicy.
Zmniejszanie się siły ściskającej w kolejnych odcinkach pomiarowych świadczy
o przekazywaniu obciążenia z pala przez tarcie pobocznicy na grunt.
4. PRZYKA
ADY ZASTOSOWAC
SYSTEMU W POLSKIEJ
PRAKTYCE INŻYNIERSKIEJ
4.1. Badania pali pod fundament pylonu mostu przez Odrę we Wrocławiu
Omawiany most zaprojektowano do przeprowadzenia obwodnicy
autostradowej Wrocławia przez rzekę Odrę. Żelbetowy pylon mostu,
zlokalizowany na wyspie, posadowiono na płycie fundamentowej opartej na 160
palach wierconych wielkośrednicowych Ć1500 mm i długości L = 18,0 m [2].
Średnie obciążenie obliczeniowe przekazywane na pojedynczy pal wynosi Qśr H"
6700 kN. Pale zaprojektowano z iniekcjÄ… pod podstawami, przy czym
wykonawca zdecydował o zastosowaniu iniekcji bezpośrednio w grunt poprzez
rury z manszetami (rozwiÄ…zanie IBDiM).
W górnych partiach podłoża gruntowego występują rzeczne utwory niespoiste
złożone z pospółek, żwirów i piasków grubych, które sięgają do głębokości
około 7 m ppt. Poniżej zalega kompleks plejstoceńskich iłów o znacznej
miąższości, które są w stanie twardoplastycznym i półzwartym. Zaprojektowane
pale osadzono w kompleksie iłów, które uznano za wystarczająco nośne do
przejęcia obciążeń z pali. Iły te ponadto zostały poddane szczegółowym
badaniom terenowym i laboratoryjnym (zob. [2]).
Badania nośności pali wykonano metodą próbnych obciążeń statycznych, które
przeprowadzono na 4 palach. Próbne obciążenia zrealizowano z rozszerzonym
programem pomiarowym [8]. Jeden pal przeznaczony do badania wykonano bez
iniekcji podstawy (również bez wykonywania instalacji do tej iniekcji).
Pozostałe trzy pale wykonano z iniekcją podstaw. Celem takiej decyzji było
poznanie skuteczności działania iniekcji, a zarazem dodatkowa kontrola jakości
jej wykonania. Ponadto w trzech palach zainstalowano system do pomiaru
dystrybucji siły w trzonach pali, zbudowany z łańcucha czujników
ekstensometrycznych. Schemat przykładowego pala próbnego z układem
ekstensometrów przedstawiono na rys. 3. Czujniki rozmieszczono w 7
poziomach na całej długości pala. Było to pierwsze tego typu badanie w Polsce.
Zainstalowany system pomiarowy pozwolił na określenie wartości siły
przenoszonej przez poszczególne odcinki pobocznicy oraz przez podstawę pali,
a ponadto umożliwił przybliżone ustalenie wartości siły wygenerowanej pod
podstawÄ… w wyniku iniekcji.
Próbne obciążenia pali zrealizowano według typowej procedury zalecanej przez
polskÄ… normÄ™ PN-83/B-02482, z wykorzystaniem stanowiska kotwiono-
balastowego (rys. 4). Obciążenia doprowadzono do siły Qmax = 11000 kN
z odciążeniem pośrednim przy sile Q1 H" Qr = 7400 kN.
Konstrukcja
oporowa
Siłowniki
hydrauliczne
Profil
Rejestrator
geotechniczny
Ps + Å»
Poziom
fundamentu
ID H" 0,65
Rura stalowa
Ć57/2,6 mm
A
ańcuch
7 czujników
ekstensome-
trycznych
Kompleks
iłowy
IL d" 0,0
Rys. 4. Fotografie z próbnego obciążenia pala
Rys. 3. Schemat pala do próbnego
fundamentu mostu MA21 we Wrocławiu.
obciążenia z układem czujników
ekstensometrycznych.
Otrzymane wyniki próbnych obciążeń pali w pełni potwierdziły słuszność
decyzji o rozszerzonym programie pomiarowym. Uzyskano wiele cennych
informacji, dzięki którym wyraz
nie podniósł się poziom ufności co do
bezpieczeństwa i charakteru pracy fundamentu w czasie przyszłej eksploatacji
mostu.
Ogólnie można stwierdzić, że próbne obciążenia pali:
a) potwierdziły dobrą, a nawet bardzo dobrą pracę wszystkich pali w podłożu
gruntowym,
b) wykazały wyraz
ną skuteczność iniekcji pod podstawami, a więc dobrą jakość
jej wykonania, jak również zasadność jej zastosowania. Jak ilustruje rys. 5 pale
z iniekcją wykazały dużo mniejsze osiadania,
<"
20,0
R
L = 18,0
3,0
3,0
3,0
2,0
2,0
3,0
3,0
 c) wykazały, dzięki pomiarom ekstensometrycznym, szczególnie dobrą pracę
pobocznic pali, które przenosiły większość siły przekazywanej na pale (patrz
rys. 6).
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0
Q [kN]
5
10
Pale nr 62, 71, 74
15
(z iniekcjÄ… podstawy)
20
Pal nr 99
25
(bez iniekcji podstawy)
30
35
Rys. 5. Most MA21 we Wrocławiu - wykresy próbnych obciążeń pali, wg [8].
Siła Q [kN]
Siła Q [kN]
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
Pal nr 99 Pal nr 62
14
14
(bez iniekcji podstawy)
(z iniekcjÄ… podstawy)
16 16
Pal nr 62
18 18
Rys. 6. Rozkłady sił w trzonach pali otrzymane z pomiarów ekstensometrycznych.
Pomiary ekstensometryczne umożliwiły ponadto oszacowanie siły wygene-
rowanej przez iniekcję pod podstawą pala, którą określono z analizy
porównawczej wykresów na rys. 6 o wartości w okolicach 600 kN. Na tym
samym rysunku daje się też zauważyć odmienny charakter rozdziału siły w palu
bez iniekcji podstawy i w palu z iniekcjÄ….
s [mm]
G
Å‚Ä™
boko
ść
z [m]
G
Å‚Ä™
boko
ść
z [m]
4.2. Badania pali CFA na budowie Centrum Jana Pawła II w Krakowie
Obiekty Centrum JPII zostały zlokalizowane na obszarze hałdy osadów
wapiennych dawnego zakładu przemysłowego Solvay w Krakowie-
A
agiewnikach. Materiał poprodukcyjny deponowano tam metodą
hydrotransportu przez kilkadziesiąt lat. W miejscu posadowienia obiektów
Centrum JPII proces składowania zakończono w latach 70-tych uzyskując
poziom ok. 20 m nasypu. Konsystencja zgromadzonych osadów jest
zróżnicowana warstwami i zmienia się w pobliżu obwałowań zbiorników.
Pomimo zachodzących w czasie procesów powodujących konsolidację nasypów,
większość z nich posiada do dziś konsystencję tzw. pulpy.
Skomplikowane warunki geologiczno-inżynierskie (III kategoria) spowodowały,
że projektant posadowienia, na podstawie wyników badań na dwóch poletkach
próbnych wykonanych w styczniu 2009 r., zaproponował posadowienie
obiektów na palach CFA przechodzących przez osady i zagłębionych
w gruntach rodzimych (w warstwach niespoistych o ID>0,6 i spoistych o IL<0,0).
Według norm projektowania geotechnicznego osady wapienne jako grunty
antropogeniczne nie mogą być przyjmowane do przenoszenia obciążeń. Zatem
w procesie projektowania posadowienia na palach pominięto warstwy osadów,
przyjmując zagłębienie pali w gruntach nośnych, rodzimych, które miały przejąć
całe obciążenia z pali. Jednakże projektant przewidując przenoszenie tarcia
z pobocznicy przez warstwy osadów, zaproponował wykonanie dla dwóch pali
badań sprawdzających przy zastosowaniu zestawu czujników ekstensometrycz-
nych. Pomiary te miały na celu wyznaczenie  in situ dystrybucji siły osiowej
wzdłuż pali.
Pomiarami objęto dwa pale CFA nr 161 i 180 o średnicy 650 mm, wykonane
z betonu C30/37, zbrojone zbrojeniem sztywnym z kształtowników HEB160.
Zbrojenie zagłębiono na 16m, podczas gdy długość pali wynosiła 23m. Ze
względu na trudność wprowadzenia rurki osłonowej do podstawy pala przyjęto,
że pomiar odbywać się będzie na długości zbrojenia sztywnego. Tę część pala
podzielono na 5 odcinków pomiarowych o długości 3,0 m. Ostatecznie cały
system ekstensometryczny miał długość 15,0 m od poziomu głowicy pala.
Na rys. 8 pokazano rozkłady sił ściskających w palach w funkcji obciążenia
przykładanego do ich głowic. Wartości te wyznaczono przyjmując do obliczeń
przekrój poprzeczny pala o średnicy nominalnej zespolony ze zbrojeniem
sztywnym na długości 16 m i bez tego zbrojenia na długości 16 do 23 m oraz
moduł sprężystości betonu Ecm dla betonu C30/37.
0 500 1000 1500 2000 2500
Q [kN]
0
1
Pal nr 161
2
Pal nr 180
3
Rys. 7. Centrum JPII w Krakowie - wykresy próbnych obciążeń pali CFA nr 161 i 180
Siła Q [kN]
Siła Q [kN]
0 500 1000 1500 2000 2500 0 500 1000 1500 2000 2500
0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9
10 10
11 11
Pal nr 161
Pal nr 180
(CFA, Ć650 mm, L = 23 m)
12 (CFA, Ć650 mm, L = 23 m)
12
13 13
Pal nr 62 Pal nr 62
14
14
15
15
Rys. 8. Rozkłady sił w trzonach pali CFA nr 161 i 180 otrzymane z pomiarów
ekstensometrycznych
Przeprowadzone badania ekstensometryczne skrócenia pali CFA nr 161 i 180
pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków:
a) siła przykładana do pali przenoszona była w większości przez ich pobocznice.
Dla pala nr 161, podczas obciążenia do wartości Qmax = 2094,5 kN, siła w palu
na głębokości 13,50 m poniżej głowicy wynosiła zaledwie 353 kN. Oznacza to,
że pobocznica na długości ok. 15,0 m, przy całkowitej długości pala wynoszącej
23 m, przejęła blisko 80% przyłożonej siły. Zakładając analogiczną pracę
pobocznicy poniżej odcinka objętego pomiarem można przyjąć, że siła w palu
zaniknie na głębokości kilkunastu metrów (do ok. 18 m). Z pewnością nie
osiągnie podstawy pala, co oznacza, że w badanych palach podstawy nie brały
s [mm]
G
Å‚Ä™
boko
ść
z [m]
G
Å‚Ä™
boko
ść
z [m]
udziału w przenoszeniu obciążenia próbnego. Oczywiście przeprowadzone
pomiary trwały zbyt krótko, by móc na ich podstawie prognozować zachowanie
się pali w długim okresie czasu. Nie mniej jednak należy stwierdzić, że pomimo
niskich parametrów mechanicznych osadów wapiennych oraz ich znacznej
zmienności, są one w stanie przenosić znaczne obciążenia z pobocznic pali CFA,
b) powyższa analiza dystrybucji siły wzdłuż długości pali potwierdza się
podczas rozważania dotyczącego porównania osiadania pali (rys. 7) z pomiarem
ich skrócenia. Jeśli rozważymy przykładowo wyniki próby obciążeniowej dla
pala nr 161 dojdziemy do następującego wniosku. Skoro osiadanie całkowite
pala przy obciążeniu nieznacznie wyższym od obliczeniowego Qr = 1500 kN
wynosiło 1,00 mm, a skrócenie 15,0 m badanego odcinka pala osiągnęło wartość
0,88 mm, to oznacza, że praktycznie cała siła została wykorzystana do
pokonania oporu pobocznicy na tym odcinku. Skrócenie badanego odcinka pala,
wymodelowanego jako wspornikowy słup zamocowany w podstawie,
wynosiłoby 1,66mm. Jeśli porównamy dodatkowo osiadanie trwałe (0,26mm)
z pozostałym po zdjęciu obciążenia skróceniem trzonu (0,32mm) potwierdzimy
ponownie poprawność wnioskowania o wyłącznym udziale pobocznicy
w przenoszeniu obciążenia przez pal. Dodatkowo należy stwierdzić, że pozostałe
po zdjęciu obciążenia skrócenie pala związane jest z jego  sprężeniem
wywołanym współpracą z gruntem.
5. WNIOSKI
Przedstawiony w artykule opis działania, zalety stosowania oraz
przykłady wykorzystania systemu pomiarowego do próbnych obciążeń pali
złożonego z układu ekstensometrycznych czujników strunowych powinien
zachęcić zarówno projektantów i wykonawców pali do częstego stosowania go
w praktyce. Pomiary dystrybucji siły pomiędzy pobocznicę i podstawę pala
przyczynią się nie tylko do podniesienia jakości próbnych obciążeń, ale również
do pogłębienia wiedzy inżynierskiej na temat charakteru pracy pali różnych
technologii wykonywanych w odmiennych warunkach gruntowych.
W przypadku projektowania posadowienia pośredniego rozległych obiektów na
szczególnie trudnym podłożu, warto jest wykonać pilotażowe pale
umożliwiające porównanie kilku technologii. Określenie sposobu pracy pali  in
situ przy wykorzystaniu systemu ekstensometrycznego może spowodować
istotne korzyści, gdyż projektowanie posadowienia poparte będzie wynikami
badań opisującymi rzeczywiste zachowanie się pali. Dzięki temu możliwy
będzie obiektywny wybór najkorzystniejszej technologii palowania oraz
parametrów technicznych tych pali  średnicy, czy długości, co bezpośrednio
wpływa na koszt posadowienia.
Należy jednak zaznaczyć, że sposób interpretacji wyników pomiarów jest ściśle
powiązany z modułem sprężystości betonu, którego wartość może się zmieniać
z wysokością pala oraz z wiekiem betonu. Na parametry betonu mogą mieć
wpływ różne warunki jego dojrzewania wzdłuż trzonu pala, związane między
innymi z warunkami termicznymi, wilgotnościowymi oraz ciśnieniem
wywołanym ciężarem własnym betonu. Dodatkowo, wyniki pomiarów
uzależnione są od przekroju poprzecznego pala, który może się również
zmieniać wzdłuż długości trzonu w zależności od sztywności otaczającego
gruntu i ciśnienia hydrostatycznego mieszanki betonowej. Z niektórymi
powyższymi problemami można sobie poradzić przez odpowiednie
zaprogramowanie oraz interpretację badań (zob. [3]). Tym niemniej, w Polsce
brak jest badań określających zależność modułu sprężystości betonu, czy też
całej konstrukcji pala (przekroju sprowadzonego) od wyżej wymienionych
czynników.
Badania z wykorzystaniem omawianego urzÄ…dzenia pomiarowego sÄ… stosowane
i rozpowszechniane między innymi przez Katedrę Geotechniki, Geologii
i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej oraz Politechnikę Krakowską.
W Politechnice Gdańskiej system pomiarowy jest wykorzystywany między
innymi w realizowanym aktualnie programie badawczym, finansowanym przez
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt.  Nośność i praca w gruncie pali
wkręcanych  projekt badawczy N N506 432936  kierownik projektu Adam
Krasiński.
LITERATURA
1. Bustamante M., Doix B.: A new model of LPC removable extensometers. Proc. 4th Int.
Conf. on Piling and Deep Foundations, STRESA, Italy, April 7-12, 1991.
2. Cudny M., Krasiński A., Dembicki E., Załęski K.: Fundament pylonu mostu
podwieszonego w ciągu autostradowej obwodnicy Wrocławia (A8). Materiały
Seminarium  Wrocławskie Dni Mostowe , Wrocław, listopad 2009.
3. Hayes J., Simmonds T.: Interpreting strain measurements from load tests in bored
piles. Www.loadtest.com.
4. Hanifah A.A., Lee Sieng K.: Application of global strain extensometer (Glostrext)
method for instrumented bored piles in Malaysia. Piling and Deep Foundations: 10th
International Conference, Amsterdam, 31st May - 2nd June 2006. Amsterdam: DFI;
EFFC, 2006.
5. Sellers J.B.: Pile load test instrumentation. Instrumentation in Geotechnical
Engineering. Proc. of Geotechnical Division of the Hong Kong Institute of Civil
Engineers, 1995.
6. Model 1300 (Model A9) Retrievable Extensometer. Instruction Manual. Geokon, Inc.,
2009, www.geokon.com.
7. Sieńko R., Bednarski A
.: Badania ekstensometryczne Pali CFA wchodzących w skład
I etapu budowy Centrum Jana Pawła II w Krakowie. Opracowanie wewnętrzne.
NeoStrain Sp. z o.o., Kraków, sierpień 2009.
8. Dembicki E., Krasiński A., Cudny M., Sieńko R.: Badania nośności pali wierconych
Ć1500 mm pod fundamentem pylonu mostu MA-21 przez Odrę we Wrocławiu. Opinia
naukowo-techniczna. Geosyntex Sp. z o. o., Gdynia, kwiecień 2009.
9. PN-EN 1997-1:2005, Eurokod 7: Projektowanie geotechniczne, Część 1  Zasady
ogólne. Polski Komitet Normalizacyjny.
PILE LOAD TESTS WITH FORCE DISTRIBUTION
MEASUREMENT
Summary
Although various calculation methods, as well as research techniques have
been developed, static load tests have been still the fundamental method used to
verify project and pile construction. That also follows from the
recommendations of Eurocode 7 [9], which state that each method of pile design
must be proved with the load testing results. So far, the vast majority of pile load
tests are carried out in Poland with the use of basic measurement system, which
makes it possible to record the value of force applied and vertical displacements
on the level of pile head. In fact, such type of measurement is sufficient in the
light of requirements stipulated in the currant Polish piling code PN-83/B-02482.
Information on the value of force and vertical displacements of pile head is
sufficient from an engineers point of view and in situations when load tests give
positive results. However, in many other cases much more information and data
is required. Information on force distribution along the pile core and its division
into friction along the shaft and resistance under the pile base is especially
useful.