10 Temeljenje Pred 1 0302

GRAĐEVINSKI FAKULTET OSIJEK PREDMET: MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, VII ŠK.GOD. 1999/2000. , VI SEMESTAR

TEMELJENJE 1. PREDAVANJE – UVODNO

UVOD U TEMELJENJE PRINCIPI PROJEKTIRANJA (PRAVILNICI, EUROCODE 7) ISTRAŽNI RADOVI – KONCEPTI I PRINCIPI PROJEKTNI PROFIL TLA ISTRAŽNI RADOVI NA TERENU -

GEOFIZIČKA ISPITIVANJA BUŠENJE IN SITU ISPITIVANJA LABORATORIJSKA ISPITIVANJA

ZAKLJUČAK LITERATURA

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

2

1. UVOD

Geotehnički zahvati neizbježan su dio građevinske prakse, prvenstveno zbog činjenice da se sve gradi na tlu, odnosno da se konačno sve sile moraju prenijeti u tlo. Njihov značaj varira u ovisnosti o uvjetima u tlu, karakteru objekta i načinu gradnje. Temeljenje objekata je najčešći geotehnički zadatak. O pravilima temeljenja pojedinih objekata dogovaraju se nacionalne udruge inženjera. U Europi se uvode jedinstvena pravila projektiranja u graditeljstvu, pa i u problemu temeljenja, unutar Europske zajednice. Ona su razrađena u dokumentima pod jedinstvenim nazivom EUROCODE (predviđeno je ukupno 10 takvih dokumenata), prema tipovima konstrukcija i zahvata, a za geotehniku su dokumenti svrstani u EUROCODE 7, koji se sastoji od tri dijela: ENV 1997-1: opća pravila projektiranja, ENV 1997-2 : projektiranje uz pomoć laboratorijskih pokusa; ENV 1997-3: projektiranje uz pomoć terenskih pokusa. Hrvatska je 2001. preuzela normu ENV 1997 -1,2,3 (Eurocode 7) kao paralelnu normu za geotehničko projektiranje u Hrvatskoj. Pri rješavanju problema temeljenja i drugih geotehničkih zahvata (npr. stabilnost pokosa, podzemni radovi, odlagališta otpada) oslanjamo se na principe znanstvene discipline Mehanike tla, iskustvo i opažanja i mjerenja pri izvedbi zahvata. Razvijeni su jasni i provjereni principi koji se odnose na ispitivanje tla, numeričke proračune vezane uz zahvate, te postupci mjerenja i kontrole kvalitete izvedbe zahvata. Brojni su primjeri velikih izazova u temeljenju objekata, u Hrvatskoj i u Svijetu. Oni se protežu od zgrada, industrijskih objekata, prometnih objekata, do objekata kulturne baštine (crkve, tvrđave), energetskih objekata (brane, elektrane) i objekata zaštite okoliša (odlagališta otpada). U okviru kolegija TEMELJENJE obradit će se problem plitkog temljenja (temeljne stope, trake, ploče), dubokog temeljenja (piloti, bunari), potpornih konstrukcija (potporni zidovi, zagatne stijene, dijafragme), problem dinamičkog opterećenja temelja, problem poboljšanja tla (armirano tlo i poboljšanje temeljnog tla), osnove geotehnike u zaštiti okoliša (odlagališta otpada) te osnove opažanja geotehničkog zahvata i kontrole izvedbe. Po svom karakteru navedeni sadržaji općenito spadaju u GEOTEHNIČKO INŽENJERSTVO. S toga je ispravnije razmišljati o budućem sadržaju kao o problemu geotehničkog inženjerstva, a ne samo temeljenja, jer je ono samo dio aktivnsoti koje će se razmatrati. U nastavku se daju primjeri značajnijih problema i projekata koji spadaju u područje geotehnike. Plitki temelji najčešći su oblik temeljenja, ali ne uvijek i najjednostavniji. Primjer kosog tornja u Pisi (slika 1.1.) pokazuje ozbiljnost i kompleksnost problema plitkog temelja na stišljivom tlu. Danas je problem nestabilnosti tornja riješen na temelju preporuka međunarodnog tima stručnjaka i prva mjerenja pokazuju da se predloženo rješenje može smatrati dobrim. Mnogi mostovi zahtijevaju složena temeljenja, bez obzira na njihov nosivi sklop. Na slici 1.2. pokazan je primjer temeljenja stupa mosta u rijeci. Poznat je i slučaj temeljenja lučnog mosta na Korani u Karlovcu (autor mosta Prof. Tonković) gdje su troškovi temeljenja značajno narasli radi neprilagođenog tipa nosive konstrukcije uvjetima u tlu.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

3

Velike građevne jame sve češće se izvode u gradovima radi povećanja prostora ispod površine tla. Geotehnički zahvat svodi se na osiguranje iskopa jame i kontrolu deformacija stijenki objekta u budućem obliku konstrukcije (slika 1.3.). U postupcima poboljšanja tla bilježi se veliki, gotovo svakodnevni, napredak tehnologije, bilo da se radi o poboljšanju tla dodavanjem novog – boljeg tla, ili da se kemijskim i/ili mehaničkim intervencijama postižu bolja svojstva tla (poboljšanje šljunčanim pilotima, injektiranje, armiranje tla). Šljunčani piloti u raznim izvdbama često se koriste za poboljšanje raznih vrsta tla (slika 1.4.)

slika 1.1. Kosi toranj u Pisi – vjerojatno najčuveniji problem temeljenja u svijetu (iz E.Nonveiller,1981.)

slika 1.2. Bušeni piloti promjera 600 i 800 mm, za most na Kupi kod Pokupskog (iz E.Nonveiller,1981.)

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

4

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

slika 1.3. Velika građevna jama za tgovački centar Importane, pored hotela Esplanade u Zagrebu

slika 1.4. Raznim tehnikama poboljšanja tla racionalno se rješavaju i ubrzavaju geotehnički zahvati (iz publikacija Keller, GmbH)

geosintetik za ojačanje

geotekstil za drenažu

slika 1.5. Danas je tehnika armiranja tla jako razvijena i zastupljena , posebno u prometnim građevinama (ceste i željeznice)

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

5

U cestogradnji pretežno, ali i u drugim tipovima zahvata (kanali, usjeci, nasipi), koristi se tehnologija armiranja tla kako bi se ostvarili strmiji pokosi s dovoljnom sigurnosti te iskoristili slabiji materijali (slika 1.5.). Problemi zaštite okoliša su od posebnog značaja, pa tako odlagališta otpada postaju ozbilje inženjerske konstrukcije u kojima se temeljne probleme (nosivost, stabilnost pokosa, nepropusnost) rješava primjenom principa geotehničkog inženjerstva.

2. PRINCIPI GEOTEHNIČKOG PROJEKTIRANJA Geotehničko projektiranje ravnopravno je (po značaju i metodologiji) svakom drugom građevinskom projektiranju. Taj pojam uveden je u praksu pojavom Eurocode-a, i prepoznat je kao ispravan put u geotehničkom dijelu građevinskih zahvata. U Hrvatskoj se koristi nekoliko pravilnika za geotehničko projektiranje (Pravilnik o temeljenju …, Pravilnik o hidrotehničkim objektima…, Pravilnik o projektiranju objekata u seizmičkim područjima …). Svi ti pravilnici i njima srodni i komplementarni (npr. Pravilnik o provedbi istražnih radova ..) zastarili su i traže dopunu suvremenim znanjima i odgovarajućim razvitkom tehnologije izvedbe. Smatra se da će se nakon 2004. godine moći usvojiti jedinstvena norma za projektiranje u geotehnici pod nazivom EUROCODE 7, koji se danas smatra paralelnom normom nacionalnim normama u zemljama Europske zajednice, a tako je i u Hrvatskoj. Zbog toga će se u okviru razmatranja problema temeljenja koristiti i komentirati odredbe tog dokumenta i njemu srodnih dokumenata na koje se on poziva. EUROCODE 7 To je dokument sa snagom prednorme (stanje 02.2002. a uskoro će biti u statusu norme) kojim se koriste stručnjaci prilikom projektiranja i izvedbe geotehničkih zahvata u tlu i u stijenama. Sastoji se od tri dijela: Eurocode- 7 Geotehničko projektiranje - Dio 1., Opća pravila (oznaka ENV 1997-1), Eurocode - 7 Geotehničko projektiranje - Dio 2. Projektiranje uz pomoć laboratorijskih pokusa (oznaka ENV 1997-2), Eurocode- 7 Geotehničko projektiranje - Dio 3. Projektiranje uz pomoć pokusa na terenu (oznaka ENV 1997-3). Dio 1. postavlja osnovne principe koji se koriste pri projektiranju a dio 2. i 3. obrađuju laboratorijske i pokuse na terenu čiji rezultati su važni za projektiranje. Eurocode 7 razlikuje tri kategorije objekata: kategorija 1. : mali i relativno jednostavni objekti (za njih vrijedi da se osnovni zahtjevi mogu zadovoljiti na temelju iskustva i kvalitativnih geotehničkih istražnih radova, te da je rizik za objekt i ljude zanemariv; primjer: jednokatnice i dvokatnice i agrikulturni objekti, s max opterećenjem 250 kN na stupovima i 100 kN/m’ na zidovima gdje se koriste uobičajeni tipovi plitkih temelja i pilota, potporni zidovi niži od 2 m te manji iskopi za drenaže i cjevovode). Za ovakve objekte važna su lokalna iskustva na sličnim objektima i uvjetima u tlu, te adekvatno projektantsko iskustvo. kategorija 2. : obuhvaća uobičajene objekte bez izrazitog rizika i bez izrazitih posebnosti i posebnih poblema s uvjetima u tlu ili u opterećenju; potrebni su kvantitativni geotehnički podaci, ali se koriste uobičajeni-rutinski postupci ispitivanja,

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

6

projektiranja i izvedbe; primjer: plitko temeljenje, piloti, nasipi, tuneli u tvrdim stijenama bez zahtjeva za nepropusnosti; projektant mora biti iskusan geotehničar s odgovarajućim znanjem. kategorija 3. : obuhvaća objekte koji ne spadaju u kategorije 1 i 2, za koje nisu dovoljne standardne odredbe Eurocode-a 7; to uključuje komplicirane, velike i značajne objekte, posebne uvjete u tlu, povećane i značajne rizike, izraženu seizmičnost lokacije, pokrete tla i sl. Tablica 1.1. Opis kategorija objekata za geotehničke analize geotehničke kategorije GC2 iskusna kvalificirana osoba uobičajena istraživanja uklj. bušenje, terensko i labor. ispitivanje propisivanje mjera i uobičajeni proračun jednostavnan postupak stabilnosti i pomaka proračuna, npr. nosivosti na (deformacija) na temelju temelju iskustva, publiciranih odredbi EC7 podataka; proračun stabilnosti i pomaka ne mora biti zahtjev - jednostavni objekti 1 i 2 Uobičajeno: kata, poljoprivredni objekti s - trakasti temelji i piloti max. opterećenjem stupova - zidovi i druge potporne 250 kN i opter. zida 100 konstrukcije - stupovi mosta i upornjaci kN/m; - potporni zidovi i pridržanja - nasipi i zemljani radovi do 2 m visine - sidra u tlu i drugi - manji iskopi za drenaže i potporni sustavi cijevi - tuneli u tvrdim neraspucalim stijenama

GC1 zahtijevana osoba s odgovarajućim ekspertnost sličnim iskustvom geotehnički istr. radovi kvalitativno istraživanje uključujući istražne jame postupak proračuna

primjer građevina

GC3 iskusan specijalist geotehničar dodatno složenije istraživanje i labor. pokusi vrlo složeni proračuni

- vrlo velike građevine - veliki mostovi - duboki iskopi - nasipi na mekom tlu - tuneli u mekom ili vrlo poroznom tlu

Pretpostavka uspješnog proračuna (i projektnog rješenja) je poznavanje objekta, opterećenja na temeljnu konstrukciju i relevantnih podataka o tlu. Opterećenja se definiraju pomoću parcijalnih faktora sigurnosti, kojima se uvećavaju karakteristične vrijednosti djelovanja (opterećenja, ili deformacija, ili oboje). U tablici 1.2. daju se podaci koji se trebaju uzeti u razmatranje pri projektiranju. Pri procjeni djelovanja i stabilnosti (sigurnosti) konstrukcije može se koristiti jedan od ova dva principa: - pristup preko materijalnih faktora, gdje se primjenjuju parcijalni faktori sigurnosti na djelovanje i svojstva materijala, - pristup preko faktora otpora, gdje se primjenjuju parcijalni faktori sigurnosti na efekte djelovanja i na karakteristične otpornosti U projektiranju je potrebno uzeti u obzir sva djelovanja koja utječu na konstrukcijuobjekt (opterećenja, ograničenost deformacija, svojstva tla, seizmičnost, temperaturni efekti, djelovanje potresa), sva djelovanja okoline (puzanja, klizanja, voda, led, i sl.) te djelovanja koja zahvat može izazvati na okolinu (deformacije okolnih zgrada, zagađenje okoliša, i sl.).Konstrukcija (zahvat) moraju biti sigurni od sloma ili nestabilnosti i od ugrožavanja funkcionalnosti objekta (npr. prevelika ukupna ili diferencijalna slijeganja).

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

7

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

Tablica 1.2. Faktori koji se moraju razmotriti pri definiranju projektnih okolnosti No. 1 2 3 4

5 6

7 8 9 10 11 12 13 14

Faktori za razmatranje opća pogodnost terena na kojem će se graditi objekt raspored i klasifikacija relevantnih zona tla i stijene rudarski radovi, jame i drugi podzemni radovi Za objekte blizu stijene ili na stijeni - položenost pukotinskog sustava - tvrdi i meki slojevi između pukotina - rasjedi, pukotinski sustavi - otvori i rupe ispunjeni mekim materijalom djelovanja i njihove kombinacije Narav okoliša - efekti ispiranja, erozije i iskopa na geometriju površine terena - efekti kemijske korozije - efekti trošenja - efekti smrzavanja Promjene nivoa podzemne vode uključujući efekte odvodnje, poplava i nefunkcioniranja drenažnog sustava Prisustvo plinova iz tla Drugi utjecaji vremena i okoliša na svojstva materijala Redoslijed građenja Opasnost od šteta od potresa Posljedice rudarskih radova i drugih uzroka Osjetljivost objekta na deformacije Utjecaji novih objekata na susjedne i njihovu uporabivost

Na donjoj skici ilustrira se vezu projektiranje-ispitivanje (teren i laboratorij) prema Eurocode-u 7. EUROCODE-7 (ENV 1997-1) - granično stanje - geotehnička kategorija objekta - karakteristične vrijednosti za parcijalne faktore

vrijednosti parametara

koji tip pokusa

pokriveno s ENV 1997-2, ENV 1997-3 usvojene vrijednosti svojstava tla (parametara)

preko korelacija ili direktno

pokusi na terenu zahtjevi pokusi u laboratoriju

slika 1.6. Shema povezanosti procesa projektiranja i ispitivanja tla/stijene Projektiranje uključuje i opažanje i mjerenje, pa se taj dio mora obraditi u projektnoj dokumentaciji, u opsegu koji zahtijeva problem. Ponekad se ispitivanje tla predviđa i nakon završetka geotehničkog zahvata, npr. poboljšanje temeljnog tla koje se može ustanoviti penetracijama. Svako projektno rješenje mora zadovoljiti tri kriterija: - stabilnost (sigurnost), - funkcionalnost, - trajnost zahvata (objekta)

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

8

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

Projektiranje se provodi prema filozofiji projektiranja za granično stanje. To znači da se ponašanje cijelog objekta ili njegovog dijela definira u odnosu na neka granična stanja izvan kojih objekt ne zadovoljava osnovne zahtjeve (vidi tri gornja kriterija). Razlikuje se : 1. krajnje granično stanje (ULS), koje uključuje sigurnost od kolapsa, rpevelikih nedopuštenih deformacija, opasnost za ljude ili velike ekonomske gubitke; to je stanje malo vjerojatno za dobro projektirane objekte 2. granično stanje funkcionalnosti (SLS), koje označava situaciju kada objekt ili njegovi dijelovi ne zadovoljavaju tražene kriterije; npr. prevelika slijeganja ili vibracije pri normalnoj uporabi objekta; ovo granično stanje ima veću vjerojatnost pojave od ULS Zahtjevi geotehničkog prjektiranja mogu se postići jednim ili kombinacijom slijedećih postupaka: - proračun, - prilagodba propisanih mjera, - pokusno opterećenje i - modeli te opažanje i mjerenje. Projektant geotehničkog zahvata donosi odluke vezane uz geometriju i prirodu građevine te postupak građenja, za sve aktivnosti od istražnih radova, ispitivanja, izgradnje do mjerenja na završenom objektu i njegovom održavanju. Princip projektiranja objašnjen je na slici 1.6. prema kojoj se jasno oslikavaju geometrijski kriterij, kriterij akcije, projektnog graničnog stanja i poznavanja parametara tla.

svojstva tla

proračunski model

djelovanja – opterećenja i pomaci

projektno rješ.

ograničene deformacije

geometrija

pravilnik faktori sigurn.

slika 1.7. Princip projektiranja po Eurocode-u 7

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

9

Za geotehničke parametre se definiraju četiri tipa vrijednosti: - mjerena (ustanovljena pokusom-direktnim mjerenjem) - interpretirana (izvedena, npr. modul iz N(SPT)) - karakteristična (srednja vrijednost umanjena uobičajeno za 0.5 stand. devijacije) - projektna (karakteristična umanjena za faktor sigurnosti) Na slici 1.8. prikazan je odnos mjerenih i drugih vrijednosti parametra tla analiziranih u sklopu projektnog rješenja. Karakteristična vrijednost parametra tla određuje se statistički, kao srednja vrijednost umanjena za pola standardne devijacije.

slika 1.8. Primjer određivanja karakteristične vrijednosti na temelju mjerenja: globalna karakteristična vrijednost može se umanjiti na lokalnu karakterističnu vrijednost (minimum mjerenih vrijednosti), npr. za nosivost vrha pilota Geotehnička analiza objekta/zahvata dokumentira se u geotehničkom izvještaju. Geotehnički izvještaj mora imati zadanu strukturu: geotehnički izvještaj o istražnim radovima, geotehnički izvještaj o analizi parametara, projektno rješenje, tehnički uvjeti izvedbe te dio koji se odnosi na opažanje i mjerenje tjekom i poslije izvedbe objekta. On mora dati informacije o lokaciji objekta, uvjetima u tlu, predviđenim zahvatima uključujući opterećenja i pomake, projektnim parametrima, korištenim pravilnicima, stupnju prihvatljivog rizika, geotehničkom proračunu. U nacrtima će riješiti nužne geometrijske i tehnološke odnose, te elemente kojima se opažanjem kontrolira stanje objekta tjekom gradnje i/ili nakon gradnje. EC7 nudi opis geotehničkih kategorija objekta (GC1, GC2, GC3). One osiguravaju okvir za procjenu različitog stupnja rizika u geotehničkom projektiranju. Geotehnički rizik ovisi o dva faktora: geotehničkom hazardu (opasnosti, npr. uvjeti u tlu, podzemna voda, regionalna seizmičnost, utjecaj okoliša) i osjetljivosti (ranjivosti – npr. priroda i veličina konstrukcije, okolina) konstrukcije u odnosu na specifični hazard. Za pojedini tip analize (prema djelovanju ili prema efektima djelovanja) koriste se različiti parcijalni faktori sigurnosti koje definira EC 7. Njima se obuhvataju nesigurnosti u djelovanju i svojstvima tla.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

10

Na slici 1.9. pokazan je put razvoja geotehničkog (projektnog) rješenja.

Početna procjena kompliciranosti projektnog rješenja Preliminarna kategorizacija geotehničke kategorije Geotehnički istražni radovi za određivanje geot. parametara Provjera procjene kompliciranosti projektnog rješenja Iskaz uvjeta za projektiranje, uključujući podatke o tlu i opterećenju-deform. Projektiranje – račun, predvidive mjere, modeli ili opažanje Izrada geotehničkog izvještaja Provjera projektnog rješenja tjekom izvedbe slika 1.9. Postupak geotehničkog projektiranja prema EC 7 Dakle, čitav postupak geotehničkog projektiranja se svodi na definiranje, savladavanje i kontrolu rizika od pojave graničnog stanja stabilnosti ili funkcionalnosti objekta, ovisno o karakteru zahvata, uvjetima u tlu i o okolini. Na prijedlog Nacionalnog tehničkog komiteta u Hrvatskoj-TC 182 Državni zavod za normizaciju i mjeriteljstvo usvojio je izvornu normu ENV 7 kao paralelnu normu za primjenu u Hrvatskoj.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

11

3. GEOTEHNIČKI ISTRAŽNI RADOVI Pažljivo skupljanje, bilježenje i interpretacija geotehničkih informacija o tlu uvijek se mora obaviti. To uključuje i informacije o geologiji, morfologiji, seizmičnosti, hidrologiji i povijesti lokacije objekta. Istraživanja se moraju tako obaviti da se obuhvate promjene u tlu od značaja za objekt. Geotehnička istraživanja se planiraju tako da se omogući ispitivanje utjecaja izvedbe i funkcionalnosti objekta u uvjetima lokacije. Poželjno je da se program (opseg i vrsta) istražnih radova prilagođavaju novim saznanjima iz istraživanja u tjeku. ENV 1997-1 dozvoljava da se istraživanja provode primjenom jednog od priznatih svjetskih standarda. Istražuje se bušenjem, ispitivanjem u bušotini ili bez bušotine na terenu, te ispitivanjem uzoraka u laboratoriju. Istraživanje uvijek uključuje i vizuelni pregled lokacije objekta / zahvata. Razlikuju se tri stupnja istraživanja prema složenosti i ciljevima: 1. Preliminarno istraživanje, koje se koristi za kategoriju 1 i kao završno, a za ostale kategorije kao prvi dio istraživanja; ono ima slijedeće ciljeve: - ustanoviti generalnu pogodnost lokacije - usporediti alternativne lokacije, ako postoje - predvidjeti promjene koje može izazvati zahvat - planirati projektna i kontrolna istraživanja, uključujući određivanje volumena tla koje utječe na ponašanje objekta - ustanoviti zone pozajmišta materijala, ako treba 2. Glavno (projektno) istraživanje, koje se provodi da se dobiju sve relevantne informacije za sigurnost i funkcionalnost objekta, a posebno: - određivanje relevantnih parametara tla za projektiranje privremenih i stalnih konstrukcija i radova - sakupljanje informacija za određivanje načina izvedbe - uočavanje i definiranje poteškoća koje mogu nastati tjekom izvedbe - definiranje geoloških karakteristika lokacije, kao - prirodni ili umjetni prazni prostori (jame) - degradacija stijena, tla i materijala za nasip - geohidrološki efekti - rasjedi, diskontinuiteti, profil tla - osjetljiva tla i stijene (ekspanzivna, kolabirajuća) - prisustvo otpada razne vrste !!! Može se govoriti i o projektnom istraživanju u fazi projektiranja, ako se pri projektiranju naiđe na elemente koji zahtijevaju dodatna saznanja; dakle, ne samo istraživanja prije projektiranja nego i u tjeku projektiranja (vidi sliku 1.9.). 3. Kontrolna ispitivanja, (kojima se prikupljaju dokazi o postignutim efektima i/ili o promjeni prirodnog stanja izvedbom zahvata)

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

12

Istražni radovi provode se na terenu i u laboratoriju i za tlo i za stijene. Terenski istražni radovi sastoje se od geoloških (utvrđuju raspored i građu mase tla), hidrogeoloških istraživanja (utvrđuju pojavu i promjene režima vode u geološkim formacijama), geofizičkih istraživanja, bušenja i pokusa u bušotini ili izvan nje (npr. penetracijski pokusi). Sva istraživanja po opsegu i vrsti programira projektant, u dogovoru sa suradnicima - specijalistima. Geološka i hidrogeološka istraživanja provode geolozi i oni izrađuju karte i profile u kojima se opisuje pojava i osnovna svojstva i rasprostiranje geoloških formacija, te pojava i uvjeti tečenja vode u tlu. Pri tome se koriste postojećim kartama, pregledom terena i istražnim geotehničkim radovima i geofizičkim istraživanjima. Često se u geotehničkim istražnim radovima primjenjuju i geofizička istraživanja. Njihov doprinos geotehničkim istraživanjima je, po mnogim inženjerima iz prakse, ograničen i nejasan. To, međutim, ovisi o načinu (ciljevima) korištenja tih metoda i uvjetima u tlu. Dvije se tehnologije pri tome koriste : (a) seizmičke metode, kojima se mjeri brzina prolaska različitih valova kroz tlo (postupkom refrakcije ili refleksije) te (b) metoda mjerenja električne otpornosti tla (vidi sliku 1.10). Ograničenja ovih metoda su značajna. Seizmičke metode nemaju puno uspjeha u situaciji kada krutost tla opada s dubinom (mekši proslojak između tvrdih), kada slojevi nisu horizontalni i imaju ulegnuća u kontaktnoj površini, kada se lateralno mijenja njihova debljina. Voda i buka ometaju mjerenja.

slika 1.10. Primjer analize uvjeta u tlu na klizištu - geofizičke snimke omogućile su interpretaciju uslojenosti (refrakcija i električni otpor)

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

13

Električnim otporom se mogu raspoznati vrste materijala, dubina vode, prisutnost slane vode (promjene kemizma), otkriti ekonomski interesantne zone materijala za eksploataciju, otkriti kanali, jame, ulegnuća i sl. U posljednje vrijeme razvila se metoda koja koristi površinske valove, pa je i dobila naziv SASW (spectral analyses of surface waves – spektralna analiza površinskih valova). Njom se mogu odrediti debljine slojeva različite krutosti, u prirodnim ležištima i u konstrukcijama (npr. cestama), a u posljednje vrijeme se uspješno koristi i za prognozu krutosti pri malim deformacijama. Mjerenja su ograničena na male dubine (deset do petnaest metara). Geofizički radar (GPR-Ground penetration radar) pomoću magnetskih valova koje odašilje s površine iz uređaja i prijema povrasta tih valova otkriva promjene u tlu, prisustvo rupa, stranih pedmeta, daje obrise islojenoati i raspucalosti tla (stijena), te relativnu sliku promjena krutosti tla. To je brza metoda ali i relativno neprecizna, vrlo osjetljiva na vlagu, slojeve gline koji blokiraju snimanje ispod njih. Geološka istraživanja i geofizička istraživanja često služe kao podloga za detaljnija geotehnička istraživanja. Međutim, detaljnija istraživanja mogu ih uključiti i u kasnijoj fazi, npr. za posebna ispitivanja u bušotinama. BUŠENJE TLA Bušenje tla je najstariji, često najinformativniji ali i najskuplji i najdugotrajniji način utvrđivanja svojstava tla. Cilj bušenja je da se utvrdi građa i raspored slojeva tla u profilu, da se dobiju uzorci tla (stijene) na kojima se ispituju njihova svojstva u laboratoriju, te da se izvedu pokusi u bušotini. Bušenje može biti namijenjeno samo ostvarenju rupe (što je skupo, npr. za pokus presiometrom), ili se nastoji dobiti i nabušeni materijal za identifikaciju. Razlikuje se po tehnici i priboru bušenje u tlu i bušenje u stijenama. Bušenje u tlu može biti ručno (sl. 1.11.) ili strojno (bušilice, sl. 1.12.). Kada se buši u tlu može se koristiti postupak kojim se svrdlom vadi postupno nabušena jezgra do neke dubine, ili se buši uz vađenje punog profila zahvatom cijevi specijalne konstrukcije (tzv. cilindar za jezgru), koja se utiskuje u tlo i onda sa sobom po izvlačenju iznose van i tlo unutar cijevi. Cijevi su pričvršćene na bušaće šipke kojima se utiskuju u tlo i vade van. Ukoliko je nestabilna stijenka bušotine i zarušava se, potrebno je osigurati njenu stabilnost za što se koriste cijevi većeg promjera od bušaćih (tzv. zaštita kolonazacjevljenje), ili se bentonitna isplaka koristi kao stabilizator bušotine (u vodi razmućena tiksotropna glina, npr. bentonit, zapreminske mase veće od vode). Strojno bušenje razlikuje se za tlo i stijenu. Kod tla je potrebno imati male brzine okretanja i veliku snagu stroja, a kod bušenja u stijeni koriste se krune na kraju cijevi koje su obogaćene tvrdim matrijalima (dijamanti, iridij) kako bi se uz veliku brzinu okretanja krune i bušaće cijevi ostvario komad jezgre koja se odvaja od okoline kao stup unutar bušaćeg pribora. Postoje i u tlu i u stijeni postupci bušenja kojima je jedini cilj napraviti prostor (rupu) radi provođenja pokusa unutar bušotine. Takva su udarna bušenja u stijeni, ili tvrdom tlu. Nabušeni materijal nosi se posebnom tekućinom (isplakom) izvan bušotine na površinu .

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

14

Na slici 1.11. prikazan je pribor za ručno bušenje u tlu. To su svrdla različitih oblika, kojima se buši plitko - do nekoliko metara. Uzorci koji se tako buše su poremećeni i jedva da mogu poslužiti dobroj klasifikaciji tla (definiranje uslojenosti). Za objekte koji nnisu veliki i osjetljivi ovim načinom bušenja mogu se dobiti kvalitativna svojstva tla i/ili omogućiti ispitivanje unutar bušotine.

slika 1.11. Ručna svrdla za bušenje tla

Strojno bušenje tla (pomoću bušilica, vidi sl.1.12.) omogućuje dostizanje većih dubina bušenja, bolji kvalitet bušenja te provedbu pokusa u bušotinama uz bolje uvjete (nego kod ručnog bušenja). Poseban problem predstavlja vađenje uzoraka iz bušotine. Ti uzorci su poremećeni ili neporemećeni u smislu da li se pri postupku uzorkovanja oštećuju ili ne tako da se ne mogu koristiti za mjerenje mehaničkih svojstava nego samo za (neka) fizikalna svojstva tla (poremećaji se odnose na poremećaj strukture, građe, gustoće, unošenje naprezanja i deformacija koje mijenjaju krutost uzorka i sl.).

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

15

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

zacjevljenje

cijev za jezgru

bušaća kruna

slika 1.12. Prikaz osnovnih pojmova kod bušenja u tlu strojem za bušenje Bušenje u tvrdom tlu zahtijeva uporabu bušaće krune. To je tvrdi prsten pričvršćen na kraj jezgrene cijevi kojim se može napredovati u dubinu (rotacijom rezati, ili udaranjem drobiti i tečenjem vode iznositi na površinu). Posebni su problemi u šljunku i pijesku, kada se koriste zacjevljenja i puno vode da bi se krune hladile pri rotaciji i prodoru kroz tvrdi materijal. Uzorci se vade posebnim priborom, jer su rastresiti i ispadali bi iz cilindra van pri njegovu izvlačenju. Svi ti uzorci su poremećeni. Za specijalne projekte, kada se traži neporemećeni uzorak u nekoherentnom tlu, koristi se postupak zamrzavanja lokacije ili samog prostora oko cilindra, kako bi se sačuvala građa i struktura tla. To je skupo, ali tehnički izvedivo (pozitivna iskustva postoje u Hrvatskoj na pijescima iz lokacije Prevlake).

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

16

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

Postoji dogovor (EC 7) da se svi uzorci klasificiraju prema stupnju neporemećenosti i podobnosti za utvrđivanje pojedinih svojstava tla u laboratoriju (vidi tablicu 1.4.). Važno je pitanje utvrđivanja neporemećenosti uzorka tla. To se može napraviti na nekoliko načina: rendgentskim snimanjem jezgre (kontrola prisutnosti deformacija od vađenja uzorka), mjerenjem deformacije pri slomu u jednoosnom smicanju (neporemećeni uzorci imaju do 3% vršnu čvrstoću), mjerenjem u edometru (izražen napon prekonsolidacije, promjena koef. konsolidacije s naponom ) i slično. Tablica 1.3. Klase kvalitete uzoraka prema EC 1997-2 ; pregled svojstava koja su podložna promjeni vađenjem i rukovanjem uzorkom SVOJSTVO TLA / KLASA KVALITETE Nepromijenjena svojstva tla granulometrijski sastav vlažnost gustoća, indeks gustoće, propusnost stišljivost, posmična čvrstoća Svojstva koja se mogu odrediti raspored slojeva granice slojeva – grube granice slojeva – preciznije Atterbergove granice, gustoća čestica, sadržaj organskih m. vlažnost gustoća, indeks gustoće, porozitet, propusnost stišljivost, posmična čvrstoća

1

2

3

4

+ + + +

+ + +

+ +

+

+ + + +

+ + + +

+ +

+ +

+

+

+ + +

+ +

+

5

+

Poseban problem u cilju očuvanja neporemećenosti uzorka je postupak njegova vađenja cilindrom iz bušotine. Samo specijalni cilindri su dobri za neporemećene uzorke. Oni moraju imati određeni odnos unutarnjeg i vanjskog promjera, mora postojati kontrola prodora cilindra u tlo i eventualnog stiskanja tla u cilindru tim prodorom. Takvi cilindri su cilindri sa klipom (slika 1.13.) koji kontrolira eventualno stiskanje tla pri utiskivanju cilindra u tlo, te duljinu ulaskacilindra u tlo. Postupci vađenja neporemećenih uzoraka su posebno zahtijevni u mekim tlima. Uspješne patentirane cilindre za neporemećene uzorke imaju Švedska, Kanada, Japan. Njihov promjer se razlikuje (5080 mm). Razvijeni su cilindri s više stijenki za tvrde materijale. Posebnu grupu uzoraka klase kvalitete 1 predstavljaju blok-uzorci. Oni se uzimaju ručno, pažljivim rezanjem i zaštitom bloka (obično kocka, rjeđe cilindar), i za njihovo uzimanje potrebno je da postoji pristup na poziciji za čovjeka (otkop, tunel, šaht i sl). Ti uzorci su najkvalitetniji ako su dobro uzeti i zaštićeni do laboratorija i u laboratoriju. Prema njima se određuju ostale kvalitete uzoraka. Tretman uzorka u laboratoriju je još jedna komponenta koja je posebno važna : uzorke treba čuvati u uvjetima dobre vlažnosti (više od 95%), stalne niske temperature, ispitati ih što prije nakon vađenja, ne smiju biti stariji od tri mjeseca, treba ih se držati u duplim vrećicama ili folijama i slično.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

17

slika 1.10. Pojmovi i definicije vezani uz geometriju noža za neporemećene uzorke u tlu (prema BS – british standard- max Area ratio = 25%)

slika 1.11. Tankostijeni cilindar za vađenje neporemećenog uzorka u mekom tlu a) klip se utiskuje zajedno s cilindrom b) uzorkovanje-klip ostaje na dnu bušotine a cilindar se utiskuje u tlo c) sav pribor s uzorkom se vadi van s fiksiranim klipom

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

18

Promjene u tlu za vrijeme bušenja i transporta ilustrirane su na slici 1.14. One se odnose i na fazu pripreme (oblikovanja) uzorka za ispitivanje u laboratoriju, kada je uzorak obično nepridržan bočno. Slika pokazuje da se uzorak relaksira vađenjem iz tla, te iz stanja Ko prelazi i izotropno stanje (od djelovanja kapilarnih sila). Pri tome se mijenja njegova krutost (deformabilnost) i drugačija je nego in situ, a to ima za posljedice i bujanje, promjenu posmične krutosti i karakteristika konsolidacije i prekonsolidacije.

slika 1.14. Promjene napona u uzorku izvađenom iz tla Bušenje u stijenama zahtijeva dobar i prilagođen pribor. Uvijek se koriste bušaće krune. Za slučaj da se ne traži uzorak vrši se udarno bušenje specijalnim krunama u obliku tropera (kao dlijeto), a kada se traži uzorak tada se rotacijskim bušenjem i specijalnim krunama koje režu stijenu i osiguravaju jezgru u cilindru iza krune. Pri bušenju se koristi voda ili zrak za ispuhivanje i iznošenje nabušenog predrobljenog materijala na površinu. Važno je odabrati tehniku bušenja koja neće predrobiti stijenu (RQD parametri) i promjer bušotine koji će odgovarati sustavu pukotina u stijeni tako da se reprezentativni uzorci ispituju u laboratoriju (vidi poglavlje o mehanici stijena). Poseebno su važna ispitivanja in situ (CPT, SPT, krilna sonda, presiometar, dilatometar Marchetti) kojima se utvrđuju mehanička svojstva tla te se empirijskim izrazima rezultati tih ispitivanja prevode u mehanička svojstva tla. O tim ispitivanjima bilo je govora u posebnom poglavlju o ispitivanju tla na terenu. U prilogu je data tablica uporabivosti tih penetracijskih pokusa u prognozi svojstava tla.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02

19

VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

Za projekt je važno pregledno prikazati svojstva tla važna za projektno rješenje i uskladiti ih s geološkim profilom tla. Takav profil tla na temelju kojeg se donose odluke o načinu temeljenja (npr. mosta, vidi sliku 1.15.) zove se geotehnički projektni profil tla.

B1

B4 B2

B3

slika 1.15. Primjer geotehničkog profila tla za neki most (na četiri bušotine B1-B4 označeni su položaji uzoraka tla, otpornosti penetraciji SPT, te jedan pokus CPT, zajedno s geološkim rasporedom slojeva); moguće je slici dodati i ostale informacije o čvrstoći tla iz laboratorijskih pokusa EC 7-3 daje preporuke za izbor količine i rasporeda istražnih radova (bušotina i penetracija) u ovisnosti o problemu , uvjetima u tlu i objektu. 1. za objekte koji pokrivaju velike površine mjesta istraživanja mogu se organizirati u mreži 20 m do 40 m (istražne jame, bušotine, penetracijska ispitivanja, geofizička ispitivanja i sl.) 2. za samostalne temelje ili temeljne trake dubina istraživanja treba biti između 1 i 3 puta širine temelja ispod temeljne plohe, a obično i veća kako bi se obuhvatili slojevi koji mogu utjecati na slijeganja i probleme s vodom; vrlo je važno izvesti nekoliko bušenja do većih dubina 3. za nasipe i slične nasute građevine minimalna dubina istraživanja je do dubine gdje je utjecaj na slijeganje manji od 10% ukupnih slijeganja; razmak susjedni mjesta istraživanja je 100m do 200 m 4. dubina istraživanja za pilote je barem pet promjera pilota ispod vrha pilota; za slučaj grupe pilota i dublje, npr. za manju širinu pravokutnika kojeg formiraju piloti u tlocrtu U slučaju klizanja dubina ispitivanja je barem 5 m ispod potencijalne klizne plohe.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

20

Područje istraživanja kod iskopa jama trebalo bi proširiti na stranu za barem 1.5 dubine iskopa, radi procjene utjecaja na susjedne objekte ili do dubine na kojoj postoje slojevi tla koji mogu utjecati na susjedni objekt. To znači da bi se često trebalo bušiti na susjednim parcelama, što često nije moguće, pa se i ovo pravilo teško može održati. U dodatku se daje prikaz istraživanja u fazama, uz primjenu danas raspoloživih tehnika ispitivanja tla.

LITERATURA

E.Nonveiller, (1981.), Mehanika tla i temeljenje građevina, Školska knjiga Zagreb EUROCODE 7/ 1., 2 . 3. DIO (1999.) International amanual for the ssampling of soft cohesive soils, (1981.), The subcommittee on soil sampling, ISSMFE, Tokyo, Tokyo University Press C.R.I.Clayton, N.E.Simons, and M.C.Mattews (1984.), Site Investigation, Granada Publishing Ltd Standardisation of Laboratory Testing, Report ETC 5, Workshop 2 at XI ECSMFE, Copenhagen, 1995.

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

21

gf osijek – MEHANIKA TLA I TEMELJENJE, 2001/02 VI semestar: TEMELJENJE, VII stupanj, M.M.

22