FUNDAMENTOWANIE
POJĘCIA PODSTAWOWE
Fundamentowanie jest nauką o projektowaniu i wykonawstwie fundamentów, których zadaniem jest przekazanie w sposób bezpieczny i ekonomiczny obciążeń od budowli na podłoże gruntowe. Nauką podstawową dla fundamentowania jest przede wszystkim mechanika gruntów, to jest nauka o fizycznych i mechanicznych własnościach ośrodka gruntowego, oraz o stanach naprężeń i odkształceń w gruncie pod wpływem działających nań obciążeń.
Prawidłowe rozwiązanie każdego zadania z fundamentowania powinno być oparte na rozpatrywaniu konstrukcji budowli i podłoża gruntowego jako jednej całości konstrukcyjnej.
Fundamentem nazywamy tę część konstrukcji budowlanej lub inżynierskiej która jest oparta bezpośrednio na gruncie lub znajduje się poniżej powierzchni terenu. Fundament na za zadanie przekazać na podłoże budowlane obciążenie użytkowe obiektu wraz z ciężarem obiektu i ciężarem samego fundamentu. Obciążenia te wywołują stan naprężenia w gruncie podłoża i tym samym jego odkształcenie, czego skutkiem są najczęściej osiadania obiektu.
Podłożem budowlanym nazywamy bryłę gruntu przejmującą naciski przekazywane przez fundament. Zasadniczo, w planie, podłoże budowlane ograniczone jest obrysem geometrycznym budynku lub nieznacznie wychodzi poza ten obrys.
Podłoże budowlane od dołu ograniczone jest poziomem na którym umownie przyjmujemy, że zanika wpływ obciążenia budowlą.
PODZIAŁ FUNDAMENTÓW
można go dokonać na podstawie różnych kryteriów. Najczęściej fundamenty dzielimy w zależności od:
1.) Głębokości posadowienia
2.) Sztywności fundamentu
3.) Kształtu i konstrukcji wznoszonego obiektu
Ad. 1.) Podział fundamentów w zależności od głębokości posadowienia:
a.) Płytkie: do fundamentów płytkich zaliczamy fundamenty oparte bezpośrednio na warstwie nośnej, wykonane w wykopie otwartym na ogół bez specjalnych umocnień. Maksymalna głębokość takich fundamentów 3- 4 [m] (umownie).
Pod względem konstrukcyjnym do tej grupy fundamentów zaliczamy:
- płyty
- ławy
- stopu fundamentowe
- ruszty fundamentowe
Tego typu fundamenty płytkie określamy jako fundamenty bezpośrednie, a posadowienie - posadowieniem bezpośrednim.
b.) Głębokie: przy głębszym zaleganiu warstwy nośnej posadowienie można rozwiązać na dwa sposoby:
+ jako fundament bezpośrednio oparty na warstwie nośnej, przy czym dojście do tej warstwy wymaga odpowiednich ubezpieczeń skarp wykopu i często obniżenia zwierciadła wody gruntowej. Pod względem konstrukcyjnym najczęściej mamy tutaj skrzynie fundamentowe.
+ jako fundament tzw. sztuczny tj. fundament przekazujący obciążenie od obiektu na warstwę nośną za pośrednictwem elementów konstrukcyjnych wprowadzonych w grunt na głębokość od 10 do 60 [m]. Stąd często ten rodzaj fundamentu nazywany jest często fundamentem pośrednim. Pod względem konstrukcyjnym należą tutaj pale, studnie i kesony.
Ad. 2.) Podział fundamentów w zależności od ich sztywności:
a.) Sztywne: są to takie fundamenty które przekazując obciążenie na podłoże same nie ulegają odkształceniu. Podstawa fundamentów zachowuje kształt pierwotny, a przy obciążeniach pionowych symetrycznie rozłożonych odkształcenia podłoża pod całą podstawą fundamentu są jednakowe, o ile podłoże jest w miarę jednorodne.
b.) Podatne: są to takie fundamenty które przy przekazywaniu obciążeń na podłoże same ulegają odkształceniu. Materiał konstrukcyjny w takich fundamentach pracuje na zginanie. Przemieszczenia takich fundamentów zależą od ich sztywności i ściśliwości gruntów występujących w podłożu..
Ad. 3.) Podział fundamentów w zależności od kształtu i konstrukcji wznoszonego obiektu:
a.) Pasmowe: ławy fundamentowe stosowane pod ścianami nośnymi budynków lub rzędami słupów
b.) Stopy fundamentowe: stosowane pod słupami obiektów o konstrukcji szkieletowej
c.) Płytowe (płyty fundamentowe): stosowane np. pod dużymi zbiornikami lub silosami, albo pod dużymi i ciężkimi obiektami posadowionymi na słabym podłoży
d.) Masywne: należą tu kesony lub studnie fundamentowe
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYBÓR SPOSOBU POSADOWIENIA
Dla dokonania właściwego sposobu posadowienia należy przeprowadzić analizę:
1.) Rodzaju budowanego obiektu
2.) Warunków gruntowych
3.) Warunków wodnych
4.) Warunków techniczno-ekonomicznych
Ad. 1.) Analiza rodzaju budowanego obiektu:
Rodzaj i przeznaczenie obiektu i wynikające z tego wielkości i rodzaje obciążeń własnych i użytkowych przekazywanych na fundament w decydujący sposób narzucają wybór rodzaju posadowienia. Musimy tutaj dokładnie przeanalizować wielkości obciążeń pionowych i poziomych oraz występowanie ewentualnych momentów. Równie istotne jest ustalenie czasu działania obciążeń użytkowych (zmiennych).
Ad. 2.) Analiza podłoża gruntowego:
Podstawę do przeprowadzenia analizy stanowi dokładne rozpoznanie warunków gruntowych. Rozpoznanie to musi obejmować rodzaje, grubość i głębokość zalegania poszczególnych warstw gruntu, ich pochylenia, wyklinowywania się i zakłócenia glacjitektoniczne. Dla każdej warstwy muszą być określone parametry geotechniczne istotne z punktu widzenia potrzeb fundamentowania.
Ad.3) Analiza warunków wodnych:
Badania wód podziemnych mają na celu określenie:
- poziomu wód gruntowych grawitacyjnych
- określenie zmian tego poziomu w zależności od pory roku i ewentualnych zmian poziomu wód w najbliższych ciekach lub zbiornikach otwartych
- kierunku i prędkości przepływu wód podziemnych
- występowania wód o zwierciadle napiętym i określenie poziomu tego zwierciadła
- określenie agresywności chemicznej wód, oraz stopnia ich zanieczyszczenia
Ad.4) Analiza warunków techniczno-ekonomicznych:
Bierzemy pod uwagę:
- koszt fundamentu
- okres budowy i porę roku (ciągłość prac betonowych, budowle hydrotechniczne)
- możliwości techniczne wykonawcy (posiadany sprzęt, kwalifikacje personelu)
PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ I KONSTRUKCJI FUNDAMENTÓW BEZPOŚREDNICH:
1.) Ławy fundamentowe stosujemy pod ściany nośne budynków lub pod rzędami słupów.
- ławy kamienne h/s≥2, s/b≤0,5
- ławy ceglane: zaprawa wapienna h/s≥3; zaprawa cementowo-wapienna i cementowa h/s≥2
- ławy betonowe: z betonu B15 lub B20 h≤0,5 (zbrojenie podłużne 4 pręty Ø12-20 mm, utrzymywane przez strzemiona Ø6 mm co 50 cm)
- ławy żelbetowe: gdy wysokość ławy betonowej h≥1 m z betonu B15 i stali AI (przekroje jak betonowych)
- ławy prefabrykowane: zazwyczaj betonowe; B do 80 cm, L do 120 cm, h=30 cm
- ława szeregowa pod rzędem słupów
2.) Stopy fundamentowe
- betonowe: nie mają zbrojenia
- żelbetowe: z betonu B15 i Stali AI
- prefabrykowane
3.) Ruszt fundamentowy: stosuje się wówczas jeżeli mamy siatkę słupów, a zastosowanie ław szeregowych pod rzędami słupów nie dałoby pożądanej sztywności konstrukcji fundamentowej. Siatka takiego rusztu wyznaczona jest rozstawą słupów
Zastosowanie rusztu fundamentowego celowe jest wówczas gdy pola utworzone siatką słupów zbliżone są do kwadratów, a zastosowanie ław tylko w jednym kierunku prowadziłoby go nadmiernej ich szerokości. Szerokość ław rusztu fundamentowego wypada mniejsza niż byłaby w przypadku zastosowania ław szeregowych pod rzędami słupów
4.) Płyty fundamentowe: stosujemy wtedy gdy, nośność podłoża gruntowego jest stosunkowo nieduża, a mamy posadowić duże i ciężkie obiekty jak np. silosy, zbiorniki, kominy i wyższe budynki o konstrukcji trzonowo-szkieletowej do których posadowienie na ławach byłoby nieopłacalne lub wręcz niemożliwe. Posadowienie na płycie może być celowe wówczas gdy mamy wysoki poziom wód gruntowych zalegający powyżej poziomu posadowienia. W takim przypadku fundament płytowy przyjmuje kształt wanny wodoszczelnej.
W sensie geotechnicznym płyty fundamentowe obliczamy tak samo jak stopy.
- płyty żelbetowe: proste w wykonaniu, górna powierzchnia płyty jest posadzką piwnicy.
- żebrowe: z żebrami skierowanymi w dół lub do góry.
- fundamenty płytowe wykonane w postaci sklepień odwróconych
5.) Fundamenty skrzyniowe: stosujemy je w przypadku gdy wymagana jest duża wytrzymałość na zginanie. Fundamenty skrzyniowe mają zastosowanie głównie przy posadawianiu budynków wysokich o konstrukcji trzonowo-szkieletowej, przy posadawianiu konstrukcji wysokich.
Fundamentom skrzyniowym stawia się wymagania:
-obciążenie podłoża budowlanego pod fundamentem skrzyniowym nie powinno być w istotny sposób większe niż naprężenia pierwotne, panujące na tej głębokości przed wykonaniem wykopu fundamentowego
-wypadkowa obciążeń stałych budowli powinna przechodzić przez środek ciężkości rzutu poziomego posadowienia, czyli obrysu fundamentu w planie.
-projektowany fundament wraz z konstrukcją powinien zapewnić przeniesienie obciążeń poziomych aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnych wychyleń wierzchołka budowli.
-fundament skrzyniowy powinien być sztywną i zwartą bryłą, a jej odkształcenia własne, nie powinny w istotny sposób wpływać na stan naprężeń w podłożu.
Pomieszczenia w skrzyniach mogą być wykorzystane:
-do wypełnienia balastem, dla zapewnienia prawidłowej pracy budowli (stateczności) przy przenoszeniu obciążeń poziomych.
-jako pomieszczenia użytkowe dla celów gospodarczych i eksploatacyjnych (kotłownie, magazyny)
-jako garaże
WARUNKI I ZASADY PROJEKTOWANIA FUNDAMENTÓW PALOWYCH
1.) Fundamenty palowe: posadowienie na palach jest podstawowym sposobem posadawiania pośredniego (tzw. fundament sztywny). Posadowienie to polega na wprowadzeniu gruntu gotowych elementów konstrukcyjnych lub wykonaniu tych elementów bezpośrednio w gruncie. Elementy te przenoszą obciążenia od budowli na podłoże gruntowe w otoczeniu pali i zalegające bezpośrednio w poziomie ostrzy pali. W palu możemy wyróżnić dolny jego koniec, czyli ostrze (podstawo-stopa), jego pobocznicę oraz górny koniec, czyli głowicę. Obciążenie na podłoże przenosi się za pośrednictwem ostrza i pobocznicy, inaczej mówiąc pal pracuje ostrzem i pobocznicą. Posadowienie na palach stosujemy wówczas gdy warstwa nośna znajduje się na tak dużej głębokości ze dojście do niej wykopem otwartym jest niemożliwe lub nieopłacalne. Czasem może okazać się jednak opłacalne posadowienie na krótkich 3-5 [m] palach żelbetowych w przypadku budynków nie podpiwniczonych i przy wysokim poziomie wód gruntowych, wówczas gdy warstwa nośna zalegająca płytko znajduje się poniżej poziomu wód gruntowych.
Również może być opłacalne posadowienie na palach podpór mostowych w dnie rzeki mimo że grunt, w dnie rzeki, jest dostatecznie nośny by wykonać posadowienie bezpośrednie. W tym przypadku posadowienie na palach jest łatwiejsze do wykonania i unika się niebezpieczeństwa wymycia gruntu spod fundamentu bezpośredniego.
W skład fundamentu palowego wchodzi zawsze ruszt wieńczący grupę pali, na którym to ruszcie wspiera się obiekt budowlany. W zależności od położenia dolnej powierzchni rusztu można rozróżnić fundamenty z rusztem wysokim lub niskim.
Podział pali:
I.) w zależności od warunków geotechnicznych i rodzaju współpracy fundamentu palowego z podłożem:
a.) pale stojące - słupy: stosujemy w sytuacji gdy mamy grunt nienośny i podłoże (np. skałę, żwir, pospółki zagęszczone). Pracują tylko ostrzem. Całkowite obciążenie przekazywane jest na podłoże wyłącznie przez podstawy pali; ma to miejsce w sytuacji gdy ostrza pali wspierają się na bardzo mocnym podłożu.
b.) pale zawieszone, wiszące: stosujemy wówczas gdy warstwa mocna znajduje się głęboko. Pale takie pracują tylko swoją pobocznicą.
c.) pale pośrednie: pracujące ostrzem i pobocznicą. Ostrze zagłębione jest w warstwie mocnej. Grunt przez który przechodzą pale i który z nimi współpracuje przez tarcie o pobocznicę stanowi jak gdyby przedłużenie właściwego fundamentu i z tąd się bierze nazwa fundament sztuczny. Ogólne zasady projektowania fundamentów palowych:
II.) W zależności od rodzaju materiału z którego pale są wykonane:
a.) drewniane
b.) stalowe
c.) betonowe
d.) żelbetowe
Przy projektowaniu fundamentu palowego musimy przeanalizować następujące czynniki:
1.) warunki geologiczne i hydrogeologiczne.
2.) konstrukcję budowli.
3.) obciążenia użytkowe i własne budowli
4.) możliwości wykonawcze.
Ad 1.) Decydują o wyborze typu pali tzn. pali słupów lub zawieszonych lub pośrednich i tym samym narzucają długość pali i dobór materiału.
Ad 2.) Konstrukcja budowli i tym samym fundamentów wpływa na sposób rozmieszczenia pali i współpracę fundamentu z paliami. W zależności od rodzaju budowli fundamenty palowe mogą mieć różne kształty; a mianowicie tak jak przy posadowieniu bezpośrednim (ławy, stopy, ruszty, płyty fundamentowe). Kształt tych fundamentów narzuca sposób rozmieszczenia pali. Pod względem współpracy fundamentu z palami wyróżniamy fundamenty oparte na zespole pali zagłębionych w gruncie (ruszt niski) oraz fundamenty oparte na palach częściowo wystających z gruntu (ruszt wysoki)
Ad 3.) Wartości rodzaje obciążeń przekazywanych na pale decyduje o ich liczbie i łącznie z warunkami geologicznymi o ich długości. Kierunek działania obciążeń ma wpływ na dobór układów. Mogą tu być pale pionowe, wciskane lub wyciągane ale również pale ukośne i podpory palowe wykonane w postaci tzw. kozłów palowych.
Ad 4.) Decyduje o wyborze typu pali w sensie wykonawcy.
Rozmieszczenie pali pod fundamentem:
Rozmieszczenie pali pod fundamentami obciążonymi siłami poziomymi:
Podstawowe pojęcia stosowane przy projektowaniu posadowienia na palach:
udźwig pala: tj. dopuszczalna nośność osiowa przy wciskaniu, uwarunkowana własnościami gruntu otaczającego pal i sposobem jego wykonania.
uciąg pala: tj. dopuszczalna nośność osiowa przy wyciąganiu pala uwarunkowana własnościami gruntu i sposobem jego wykonania.
udźwig względny pala: dopuszczalna nośność ze względu na naprężenia w materiale pala przy jego wciskaniu.
uciąg względny pala: dopuszczalna nośność uwarunkowana naprężeniami w materiale pala przy jego wyciąganiu.
względna nośność boczna pala: tj. dopuszczalna nośność boczna, która nie powoduje przekroczenia naprężeń dopuszczalnych w materiale pala.
Pale projektujemy zgodnie z normą PN-83/13-02482 „Fundamenty budowlane, nośność pali i fundamentów palowych”.
Określenie udźwigu pala:
1.) Metoda teoretyczna: polega na obliczeniu przy pomocy odpowiednich wzorów oraz w oparciu o dane geologiczne podłożą nośności na stan graniczny I i II.
2.) Metoda polowa dynamiczna: polega na pomiarze wielkości wpędu pala od jednego uderzenia młotem kafara o standaryzowanych (znanych) parametrach. W oparciu o wielkości tego pędu i wzory podane w normie oblicza się udźwig pala.
3.) Próbne obciążenie pala: pal poddaje się próbnym obciążeniom stopniowo wzrastającym w czasie i mierzy wielkość osiadań powstałych od tych obciążeń. Próbne obciążenia pali wykonuje się w celu sprawdzenia obliczeń nośności ze względu na stan graniczny nośności I i II.
Zaprojektowanie fundamentu na palach polega na:
ustaleniu wielkości obciążeń i ich rodzaju
określeniu udźwigu lub uciągu poszczególnych pali i nośności grupy pali
na określeniu liczby pali i ich rozmieszczenia
obliczenie fundamentu tzn. zwymiarowanie płyt palowych lub ław albo stóp i obliczenie ich zbrojenia
obliczenie osiadania fundamentu na palach
PRZYKŁĄDY KONSTRUKCJI I WYKONAWSTWA RÓŻNYCH TYPÓW PALI
a.) pale gotowe wprowadzane w grunt poprzez wbijanie, wkręcanie, wciskanie, wwibrowywanie i wpłukiwanie - drewniane, żelbetowe i stalowe.
b.) pale wykonywane w gruncie:
b.1) pale wykonane z usuwaniem gruntu spod ostrza pala i z wprowadzaniem w jego miejsce materiału pala (bez komprymacji gruntu pod ostrzem pala)
b.2) pale wykonywane bez usuwania gruntu spod ostrza pala, co powoduje jego komprymację poniżej ostrza pala.
Przykłady konstrukcji i wykonawstwa różnych typów pali:
I.) Pale gotowe:
1.) Drewniane: wykonane z prostych i gładkich pni sosnowych. Warunkiem stosowalności tych pali jest by stale pracowały poniżej zwierciadła wody gruntowej gdyż tylko wówczas są trwałe; w innych przypadkach (przy zmiennym poziomie zw. w. gr.) następuje szybkie zbutwienie pala drewnianego. Ich średnica jest od 20 do 30 cm, długość do 12 m. Czasem można przedłużać poprzez sztukowanie do 20 m. Zbieżność pala nie powinna przekraczać 1 cm na 1 m. Głowice pali ścina się równo i prostopadle do ich osi, a następnie zabezpiecza przed rozbiciem przy pomocy pierścienia stalowego z płaskownika o grubości 25 mm.
2.) Stalowe: stosowane są jedynie wyjątkowo w sytuacjach awaryjnych. Wykonuje się je z rur stalowych Ø25-100 cm; ale najczęściej stosowane Ø35-40 cm. Rury o średnicach do 40 cm opuszcza się z zamkniętym dnem tj. albo dospawa się specjalny but stalowy, albo poprzez nacinanie końców formuje się ostrze. Rury o średnicach większych niż 40 cm opuszcza się z otwartym dnem (najczęściej poprzez wiercenie). Oprócz rur można terz używać zespawanych ze sobą dwuteowników, brusów ze ścianek larsena.
3.) Prefabrykowane, żelbetowe: jest to najczęściej stosowany typ pali gotowych z uwagi na niewrażliwość na zmienne położenie zwierciadła wód gruntowych. Mogą być łatwo wykonywane na placu budowy. Posiadają przekrój kwadratowy o boku od 20x20 do 40x40 cm co 5 cm. Wykonuje się najczęściej o długościach 5-20 m co 1 m. Zbrojenie zależy od długości pala, w palach o długościach 5-12m stosujemy zbrojenie z uzwojenia spiralnego, a palach o długościach 13-20 m zbrojenie z prętów podłużnych, czyli przy pomocy strzemion. Jeżeli zachodzi konieczność na ostrze pala zakładany jest tzw. but stalowy.
4.) Sposoby wprowadzania pali gotowych w grunt:
4.1) Wbijanie przy pomocy kafara.
4.2) Wpłukiwanie w grunt.
4.3) Wprowadzanie przy pomocy wibromłota.
4.4) Wprowadzanie poprzez wkręcanie.
Ad 4.2) Wpłukiwanie w grunt: metoda ta polega na doprowadzeniu do ostrza pala wody pod ciśnieniem. Grunt pod wpływem strumienia wody ulega rozluźnieniu na głębokość 30-40 cm pod ostrzem pala w takim stopniu że pal pod wpływem własnego ciężaru, i ciężaru postawionego na nim młota może zagłębiać się. Wpłukiwanie można stosować przede wszystkim w gruntach sypkich, w których po zakończeniu wpłukiwania odtwarza się z powrotem naturalna struktura gruntu. W gruntach spoistych to zjawisko nie zachodzi w związku z czym w tych gruntach nie można stosować tej metody. Stosując metodę wpłukiwania dobrze jest ostatni metr zagłębiania wbić przy pomocy młota.
Przykładowe ciśnienia stosowane przy wpłukianiu:
piaski grube i żwiry 0,8-1,8 [MPa]
piaski średnie i drobne 0,3-0,5[MPa]
Przykładowe zapotrzebowanie na wodę:
piaski grube i żwiry 2000-3000 [dm3/min]
piaski średnie i drobne 300-1200 [dm3/min]
Wodę pod ostrze pala doprowadzamy przy pomocy rurek stalowych Ø38-75 mm. Przy palach żelbetowych rurkę wbetonowywuje się w osi pala. Przy palach drewnianych rurkę dopinamy przy pobocznicy pala.
Ad 4.3) Wprowadzanie przy pomocy wibromłota: wibromłot ustawia się na głowicy pala, a wytworzone przezeń drgania przenoszą się poprzez pale na grunt znajdujący się pod jego ostrzem. Drgania te powodują znaczne rozluźnienie i zmniejszenie oporu własnego gruntu dzięki czemu pal może zagłębiać się pod wpływem własnego ciężaru i ciężaru ustawionego na nim wibromłota. Sposób ten jest szczególnie zalecany w gruntach niespoistych gdyż wibracja powoduje zagęszczenia się gruntu pod ostrzem pala i tym samym zwiększenie jego nośności w porównaniu z nośnością uzyskaną przy wbijaniu. Natomiast w gruntach spoistych wibracja powoduje rozluźnianie się gruntu i tym samym zmniejszenie się jego spójności, które nie zanika po ustaniu wibracji. Stąd nośność pala wwibrowanego w gruncie spoistym jest mniejsza niż wbijanego.
Ad 4.4) Wkręcanie pali w grunt: stosujemy do pali metalowych i żelbetowych. Pale te są od dołu zaopatrzone w gwint stalowy. Stosujemy wówczas gdy mamy do przebicia warstwę słabą do warstwy mocnej. Przebicie przez warstwę słabą jest bardzo łatwe, a wkręcanie w grunt mocny na niewielką głębokość również nie nastręcza trudności, za to daje durzą nośność. Zmniejsza się nośność pobocznicy pala, natomiast zwiększa się nośnośćgłowicy pala.
II.) Pale wykonywane w gruncie:
1.) Pale wykonywane bez zagęszczania gruntu: wykonuje się otwór do pewnej głębokości, zazwyczaj w rurze osłonowej.
1.1) Pale Straussa: średnicy 30-40 cm, składają się z odcinków 2-3 metrowych. W gruntach nieprzepuszczalnych pale wykonujemy na sucho, w przepuszczalnych wykonywane są na mokro.
1.2) Pale Wolsfholsa: betonowanie pneumatyczne. Wykonuje się podobnie jak pale Straussa, z tą różnicą że beton podaje się w stanie plastycznym przez pompę betonową o ciągłym wypływie betonu do rury wiertniczej. Rura wiertnicza na górnym końcu posiada hermetyczne zamknięcie przez które przechodzi rura doprowadzająca beton i rura doprowadzająca sprężone powietrze.
2.) Pale wykonywane z zagęszczeniem gruntu.
2.1) Pale Franki: średnica 380-520 mm, długość 8-16 m. W rurze osłonowej tworzy się korek betonowy o grubości 80-100 cm, następnie wprowadza się ubijak o masie 20-40 kN i ubija. Zwiększa się siła tarcia betonu o rurę i kiedy przekroczy siły tarcia gruntu o rurę następuje zagłębianie rury wraz z korkiem betonowym. Po doprowadzeniu rury osłonowej do projektowanego poziomu za rurę zapinamy liny i powoli wyciągamy rurę osłonową, z jednoczesnym betonowaniem pala, warstwami 60-80 cm. Formowanie stopy pala będzie trwało tak długo jak długo grunt pod stopą pala będzie komprymował się. W górnej części pala wprowadza się zbrojenie umożliwiające połączenie z ławą fundamentową.
Długość wykonywanych pali możemy zwiększyć dokręcając do siebie kolejne rury osłonowe.
2.2) Pale simplex: rura osłonowa jest wprowadzana w grunt za pomocą kafara. Od góry jest ona osłaniana kołnierzem, od dołu trzewikiem stalowym (dzięki niemu grunt pod palem jest zagęszczany). Po wprowadzeniu pala w grunt czynności wykonujemy podobnie jak w przypadku pali Straussa. Średnica 300-600 mm, długość 7-15 m.
3.) Pale specjalne mega: są to pale odcinkowe, o długości odcinków 1 m, z betonu lub żelbetu. Wciskane w grunt przy pomocy prasy hydraulicznej. Elementy tych pali są łączone ze sobą na wpust. Stosowane np. w dzielnicach starego miasta do wzmocnienia istniejących fundamentów. Średnica 20-30 cm.
4.) Mikropale: po wprowadzeniu rury osłonowej w grunt wyciągamy ją. Następnie wprowadzamy zaczyn cementowy pod ciśnieniem 6 atmosfer. Długość 8-10-12 m, średnica 12 cm, nośność pala 20-40 T (200-400 kN).
5.) Pale o dużych średnicach: posadowienie na palach dużych średnic wprowadzono w Polsce stosunkowo niedawno 1960-62, a wynikło z konieczności przeniesienia bardzo dużych obciążeń na bardzo słabe podłoże. Stosowane w Polsce pale wielkośrednicowe mają średnice 0,6-1,5 m a czasami 2m. Długość pali dochodzi do 50 m, czasem i więcej.
Zalety pali wielkośrednicowych:
przy wsparciu na skale nośność pala równa jest wprost nośności materiału z jakiego pal jest wykonany
fundamenty na palach wielkośrednicowych można stosować we wszystkich warunkach geologicznych i hydrogeologicznych, we wszystkich kierunkach inżynieryjnych.
wszystkie roboty są wykonywane na powierzchni terenu co pozwala wprowadzić pełną mechanizację robót.
pale dużych średnic mogą zastąpić fundamenty masywne w postaci studni i kesonów i tym samum uniknąć robót kesonowych.
Obecnie wykonuje się pale wielkośrednicowe jako:
pale wykonywane w otworach wiertniczych osłonowych z betonu zbrojonego pod osłoną rur
pale wykonywane w otworach wiertniczych bez rur osłonowych ale z zastosowaniem zawiesiny iłowej.
z elementów prefabrykowanych wprowadzanych do otworów uprzednio wykonanych jedną z metod.
5.) Pale wiercone: stosowane jako filary mostów oraz w przypadku pali wierconych wielkośrednicowych można zastąpić nimi fundamenty kesonowe. Wykonywane przy pomocy świdra ślimakowego o długości do 30 m, i średnicy do 1 m.
Zalety:
nośność ego typu pali jest taka sama lub nawet większa od pali typu Franki o tych samych wymiarach.
bardzo dobra wydajność 200-250 mb na roboczogodzinę.
brak wibracji, wstrząsów i bardzo niewielki hałas pracy.
Pal o długości 10 m wykonywany jest w ciągu 45 min od momentu ustawienia wiertnicy nad osią pala.
POSADOWIENIE GŁĘBOKIE NA STUDNIACH I KESONACH
STUDNIE: stanowią odmianę posadowienia pośredniego głębokiego. Zastosowanie studni może mieć miejsce gdy:
1. Warstwa nośna znajduje się na głębokości 8 m lub więcej od powierzchni terenu; przy głębokościach mniejszych niż 8 m zastosowanie studni jest nieekonomiczne. Maksymalne głębokości studni jakie osiągano dochodzą do 65 m.
2. W gruncie zalegającym powyżej warstwy nośnej nie może być dużych kamieni, kłód drzewa, starych fundamentów i tym podobnych przeszkód uniemożliwiających prawidłowe zagłębianie studni.
3. Siły tarcia o grunt na pobocznicy studni są nieduże i nie odgrywają roli w nośności studni w porównaniu z nośnością gruntu w podstawie studni, gdyż studnia pracuje praktycznie jedynie swoją podstawą, a zatem studnia musi dochodzić do warstwy nośnej.
4. Stosowanie studni ma sens wówczas gdy obciążenie od obiektu jest tak durze ze np. wymagana liczba pali byłaby tak duża, że te pala nie zmieściłyby się pod obiektem.
5. Obecność wody gruntowej uniemożliwia dojście otwartym wykopem do warstwy nośnej.
6. W bezpośrednim sąsiedztwie nie ma obiektów posadowionych płycej niż podstawa studni a wybieranie gruntu z wnętrza studni i odpompowanie wody mogłoby naruszyć podstawy sąsiednich fundamentów.
Wykonanie fundamentów na studniach polega na opuszczeniu płaszcza studni do poziomu warstwy nośnej i następnie wypełnienie wnętrza studni piaskiem lub chudym betonem. Płaszcz studni może być wykonany z betonu, żelbetu, kamienia, cegły lub ze stali.
Płaszcze żelbetowe mogą być wykonane jako ciężkie betonowane na miejscu lub prefabrykowane, cienkie w postaci powłok cylindrycznych o średnicy 3-6 m, grubości ścianek 10-14 cm i wysokości poszczególnych segmentów 3-4 m.
Zagłębienie studni odbywa się poprzez wybieranie gruntu spod płaszcza i noża, co powoduje samoczynne zagłębianie się studni pod własnym ciężarem. W przypadku lekkiego płaszcza żelbetowego i dużych sił tarcia na pobocznicy może okazać się konieczne poddanie płaszcza wibracji dla ułatwienia zagłębiania . w miarę zagłębiania nadbudowuje się płaszcz sekcjami o wysokości 3-4 m albo muruje się w przypadku studni kamiennych lub ceglanych.
Dolna krawędź płaszcza jest odpowiednio ukształtowana i umocniona stanowiąc tzw. nóż studni. Nóż może być wykształcony w postaci ostrza lub półki o szerokości w granicach 15-30 cm. Im większy jest opór gruntu przy zagłębianiu tym półka powinna być węższa. Noże studni kamiennych lub murowanych wykonane są zwykle z żelbetu z uzbrojeniem ze stalowego ostrza. Noże te połączone są ze ścianami studni przy pomocy prętów stalowych dochodzących do górnego wieńca studni. Pręty te stanowią równocześnie rodzaj zbrojenia podłużnego płaszcza studni przejmującego naprężenia rozciągające powstałe w trakcie opuszczania studni. Noże studni żelbetowych lub betonowych są integralną częścią płaszcza odpowiednio ukształtowaną i zabezpieczoną stalowym wzmocnieniem.
Metody wykonawstwa studni:
na sucho: z odpompowaniem wody.
bez odpompowywania wody.
Studnie opuszcza się do osiągnięcia warstwy nośnej. Po zakończeniu opuszczania musimy dokładnie oczyścić i wyrównać dno studni poprzez ułożenie na jej dnie warstwy tłucznia 25 cm grubości. Na tym podłożu wykonujemy korek betonowy o grubości 1-1,5 D. Po włożeniu korka wypełniamy studnię chudym betonem leżeli studnia ma pracować całą swoją podstawą albo piaskiem gdy studnia będzie pracować swoim płaszczem (studnie z grubym płaszczem -betonowe, murowane). W przypadku wypełniania studni piaskiem przykrywamy ją płytą żelbetową z otworkami Ø5 cm.
Obliczenie nośności studni:
N=A·H·T+F·σgr ; A·H·T - nośność pobocznicy, F·σgr - nośność podstawy
A - obwód studni [m]
H - wysokość [m]
T - tarcie na pobocznicy (z normy palowej)
F - pole powierzchni podstawy (studnia pracuje całą podstawą), pole muru, betonu (gdy pracuje płaszczem)
σgr - nacisk dopuszczalny na grunt.
Fundamenty na KESONACH: fundamenty kesonowe stosujemy w przypadku posadowienia ciężkich budowli tj. podpory mostów, nabrzeża portowe czy ciężkie obiekty przemysłowe posadowione w trudnych warunkach gruntowych.
Posadowienie na kesonach ma uzasadnienie techniczne w przypadkach gdy:
zachodzi konieczność wykonania fundamentu w gruntach nawodnionych lub pod wodą.
gdy warstwa nośna znajduje się na głębokości nie większej niż35 m, poniżej zwierciadła wody gruntowej lub powierzchniowej.
gdy warstwy gruntu znajdujące się nad poziomem posadowienia zawierają przeszkody typu durze głazy, stare fundamenty, kłody drzewa itp. Dające się usunąć tylko poprzez bezpośrednie do nich dojście.
dopływ wody do wnętrza jest tak duży że nie ma możliwości jej odpompowania.
w sąsiedztwie budowanego obiektu podłożę gruntowe nie może być naruszone (np. przez wypompowanie wody co ma miejsce przy studniach wykonywanych na sucho).
Posadowienie na kesonach ma następujące zalety:
możliwość wykonania robót przy wielkich przeszkodach w gruncie.
bardzo nieznaczne naruszenie równowagi gruntu otaczającego keson.
ilość wydobytego gruntu przy opuszczaniu kesonu nieznacznie tylko przewyższa objętość bryły gruntu ograniczonej obrysem kesonu.
ruch wody wyciskanej z komory roboczej na zewnątrz nie powoduje rozluźnienia gruntu wokół kesonu lecz jego zagęszczenie.
istnieje dobra możliwość należytego zbadania podłoża gruntowego po dojściu do planowanego poziomu.
istnienie możliwość należytego przygotowania powierzchni podłoża na którym ma być oparty fundament.
dość szybkie opuszczanie fundamentu przy dobrej organizacji robót.
istnieje możliwość starannego wykonania fundamentu i stałej kontroli nad prawidłowym opuszczaniem kesonu.
Wady fundamentów kesonowych:
bardzo duży koszt robót i konieczność zgromadzenia dużej ilości specjalistycznego sprzętu.
szkodliwe warunki i duże niebezpieczeństwo dla ludzi pracujących wewnątrz kesonu.
Fundament kesonowy przedstawia sobą masywny blok muru bezpośrednio zagłębiony w gruncie. Sam keson jest skrzynią bez dna przykrytą stropem pod osłoną której głębi się fundament w gruntach nawodnionych. Na kesonie wykonuje się mór fundamentowy w miarę opuszczania się kesonu. Do komory roboczej kesonu doprowadzane jest sprężone powietrze które wypycha z niej wodę co umożliwia wykonywanie wszystkich robót na sucho. Komunikacja z komorą roboczą kesonu odbywa się poprzez specjalne rury szybowe zaopatrzone w górnym końcu w odpowiedni zestaw śluz umożliwiających przejście z ciśnienia roboczego w kesonie do ciśnienia atmosferycznego. Maksymalna wartość ciśnienia roboczego w kesonie nie może przekroczyć 3,5 atm (350 kPa) bo taką wielkość nadciśnienia może znieść organizm ludzki. Odpowiada to 35 m wysokości słupa wody i stąd wynika ograniczenie głębokości stosowania tego typu posadowienia.
Komory kesonowe mogą mieć kształty prostokątne, owalne, okrągłe. Mury nadkesonowe mogą być z betonu, kamienia lub cegły.
ŚCIANKI SZCZELNE
Ścianki szczelne są konstrukcją składającą się z brusów tj. podłużnych elementów drewnianych, stalowych lub żelbetowych zapuszczanych w grunt najczęściej poprzez wibracje lub wwibrowywanie oraz z zamków łączących poszczególne brusy ze sobą. Zamki muszą być w specjalny sposób uszczelnione. Ścianki szczelne stosujemy powszechnie w robotach fundamentowych do czasowego zabezpieczenia wykopów fundamentowych oraz jako stałe elementy fundamentów różnych budowli. W zależności od przeznaczenia dzielimy je na:
a. prowizoryczne
b. stałe
Ad a. ścianki szczelne prowizoryczne mają za zadanie zabezpieczać wykop fundamentowy od dopływu wody z zewnątrz oraz podtrzymać skarpy wykopu
Ad b. ścianki szczelne stałe mają za zadanie:
uszczelniać podłoże fundamentu we wszelkiego typu konstrukcjach piętrzących wodę.
odgradzać w basenie portowym ląd od rejonów wodnych przy nabrzeżach oczepowych i płytowych. W tym przypadku muszą przenieść znaczne siły poziome powstałe od parcia gruntu przy bardzo obciążonych naziomach.
przy posadowieniach bezpośrednich w gruntach nawodnionych mogą stanowić wygrodzenie podłoża obciążonego, szczególnie w piaskach drobnych i pylastych nawodnionych oraz przy ruchomych wodach gruntowych które mogłyby spowodować wypłukanie gruntu spod fundamentu.
I.) Ścianki szczelne drewniane: brusy ścianek szczelnych drewnianych wykonywane są z drewna sosnowego o długościach handlowych do 12 m (specjalne wykonanie i dobór materiału do18 m). Ścianki te stosujemy tam gdzie będą stale poniżej zwierciadła wody gruntowej.
Zalety ścianek szczelnych drewnianych:
są dostatecznie szczelne, z biegiem czasu ich szczelność rośnie.
są bardzo lekkie i łatwe do wykonania, montażu i transportu.
brusy o dużych przekrojach poprzecznych mogą przenosić obciążenia pionowe (>20 cm)
są stosunkowo tanie
Wady:
mogą przenosić niewielkie obciążenia poziome.
wykazują durze straty przy wyciąganiu (mały odzysk)
Przekroje poprzeczne brusów ścianek szczelnych drewnianych mogą być:
Sposób wprowadzania: (wbijanie ścianki szczelnej drewnianej)
przy grubościach brusów do 20 cm ścianki wbijamy przy pomocy pali kierujących i kleszczy
w przypadku brusów większych niż 20 cm wbijamy je bez pali i kleszczy.
II.) Ścianki szczelne stalowe: długość 6-30 m.
Wykonuje się bursy o różnych przekrojach:
płaskie (Lackowanna)
korytkowe (Larsena)
zetowe (Hoesch'a)
skrzynkowe (Peine'a)
Zagłębianie brusów ścianki szczelnej stalowej:
dotychczas podstawowe było wbijanie za pomocą kafara; na głowicę brusa musi być założony kołpak stalowy
za pomocą wibromłota, nie trzeba stosować kołpaków ochronnych gdyż wibromłot posiada odpowiednią obękę na brusa.
Jeżeli głębokość wbijania nie jest zbyt duża i grunt nie zawiera przeszkód utrudniających wbijanie wówczas zagłębia się brusy kolejno jeden za drugim na całą przewidzianą głębokość. W trudniejszych warunkach i przy większych głębokościach brusy wbija się partiami po kilkanaście sztuk, przy czym najpierw wbija się pierwszą partię na głębokość 1-3 m, następnie wbija się następną partię na tę samą głębokość po czym wraca się do pierwszej partii i wbija o kolejne 2-3m i przechodzi do następnej. Operację powtarza się aż do zagłębienia na żądaną głębokość. Wbijanie brusów zaczyna się zawsze od narożnikowych po czym kolejno ku środkowi. Można stosować wbijanie brusów parami. Po ich wbiciu na przewidzianą głębokość dobrze jest zespawać ich górne końce na długości 50-80 cm, polepsza to współpracę brusów przy zginaniu ścianki i zapobiega przesuwaniu się względem siebie.
Zalety:
łatwe w wykonaniu i wprowadzaniu w grunt.
mają znaczną wytrzymałość na zginanie, mogą przenosić durze obciążenia poziome (zwłaszcza korytkowe i skrzynkowe.
mogą być wielokrotnie używane (ponad 90% odzysku).
dzięki pewnym luzom w zamkach można kształtować z nich ściany o różnych krzywiznach.
Wady:
są drogie
początkowo nie są całkiem szczelne (luzy w zamkach gdzie przenika woda) z biegiem czasu ulegają samo uszczelnieniu.
III.) Ścianki szczelne żelbetowe: stosujemy wyłącznie do konstrukcji trwałych, najczęściej wtedy gdy taka ścianka pozostaje w gruncie jako część fundamentu. Grubości brusów wahają 10-50 cm, szerokość 50-60 cm, długość do 20m. Brusy wykonuje się jako elementy żelbetowe prefabrykowane lub jako sprzężone.
Cechy:
są bardzo trwałe i mogą przenosić znaczne obciążenia pionowe
są szczelne
mają mniejsze zużycie stali niż szczelne stalowe
są bardzo ciężkie i wrażliwe na uszkodzenia przy wbijaniu
potrzebny durzy plac do prefabrykacji.
Do zaprojektowania ścianki trzeba określić:
głębokość wbicia ścianki w grunt
wartość maksymalnego momentu zginającego
wielkości sił w kotwiach lub zastrzałach, jeżeli jest to ścianka podparta lub zakotwiona.
Ze względu na sposób pracy ścianki szczelnej w gruncie w sensie statycznym dzielimy ścianki na trzy rodzaje:
1. ścianki szczelne dołem utwierdzone górą niezakotwine.
2. ścianki szczelne dołem utwierdzone górą zakotwione lub wolnopodparte.
3. ścianki szczelne dołem przegubowo podparte górą zakotwine lub wolnopodparte
Aby taka ścianka pozostała w równowadze spełniony musi być warunek równowagi sił i momentów.
ZABEZPIECZENIE WYKOPÓW FUNDAMENTOWYCH I WĄSKOPRZESTRZENNYCH.
W wielu przypadkach wykopy fundamentowe oraz dla instalacji komunalnych muszą być wykonane na ograniczonej przestrzeni. Ze względu na bezpieczeństwo pionowe skarpy wykopów mogą pozostawać niezabezpieczone jedynie do głębokości 1 m. Przy wykopach głębszych niż 1 m, należy zabezpieczyć skarpy przed obsuwaniem się gruntu do wnętrza wykopu. Wykopy generalnie dzielimy na szerokoprzestrzenne i wąskoprzestrzenne. Można przyjąć żę wykop szerokoprzestrzenny to taki wykop w którym głębokość wykopu jest mniejsza od szerokości dna wykopu. Wykop wąskoprzestrzenny odwrotnie. Inne podziały przewidują że wykop < 6m to wąskoprzestrzenny. Wykopy dzielimy na płytkie do 2,5-3,0 m i głębokie >3m.
zabezpieczenie wykopów wąskoprzestrzennych: w gruntach sypkich deski poziomo, kantówki pionowo; w gruntach spoistych odwrotnie.
wykopy szerokoprzestrzenne:
IZOLACJE PRZECIWWILGOCIOWE:
Powinna zabezpieczać fundament i budowli, a zwłaszcza jej części podziemne od działania wód grawitacyjnych i kapilarnych. Izolacje muszą być bardzo starannie zaprojektowane i wykonane gdyż są bardzo wrażliwe na uszkodzenia spowodowane nierównomiernym osiadaniem fundamentu budowli. Wszelkie uszkodzenia izolacji w czasie eksploatacji budynków są bardzo trudne do naprawienia, w związku z czym należy bardzo dokładnie wykonywać izolacje w przerwach dylatacyjnych.
Izolacje budynków posadowionych powyżej zwierciadła wody gruntowej:
*budynki nie podpiwniczone.
* budynki podpiwniczone.
Izolacje budynków posadowionych poniżej zwierciadła wody gruntowej:
*zwierciadło wody do 40 cm ponad izolację pionową posadzki piwnicy
*powyżej 40 cm.