Mehanika_tal_s_temeljenjem_05.pdf

9.

TEMELJENJE Načini temeljenja Temeljenje obravnava prenos obtežb z objektov na temeljna tla, ki jih lahko predstavljajo vse vrste naravnih in umetnih (nasutih) materialov. Tla so lahko sestavljena homogeno (enaki materiali) ali heterogeno (različni materiali), tako po tlorisni površini kot tudi po globini pod temelji objektov. Ker so objekti in tla deformabilne strukture, nastane ob spremembah vplivov (dodatne obtežbe, posegi v tla, dvig talne vode itd.) sodelovanje (interakcija) med njima. Sistem objekt-temelj-temeljna tla je prikazan na sliki 9.1.

Sl. 9.1: Sistem objekt-temelj-temeljna tla Delno deformabilni (sicer bolj oz. manj togi) objekti ležijo na podajnih temeljnih tleh, ki se zaradi dodatnih vplivov še nadalje deformirajo in zato se tudi na objektu pojavijo nove deformacije. Tako se pojavi mehanizem izenačevanja vplivov in odporov v času in prostoru po shemi: dodatni vpliv – deformacije tal in objekta – pregrupiranje obremenitev in odporov do vzpostavitve končnega statičnega ravnotežja. V celotnem procesu prevzemanja osnovnih in dodatnih obtežb ne sme biti nobeno mejno stanje preseženo. Zato je najpomemnejša naloga geotehnika pri načrtovanju temeljenja uskladitev lastnosti objekta (delo projektanta) z lastnostmi temeljnih tal (vpliv lokacije) tako, da bosta obe strukturi združljivi tako glede na pričakovane relativne posedke in nosilnosti temeljnih tal ob hkratnem pogoju, da morajo biti pojavi mejnih stanj v naprej preprečeni. Lastna teža, koristne in posebne obtežbe, ki delujejo na objekte in temelje so v splošnem znani in enostavno določljivi vplivi, medtem, ko so kontaktne napetosti (interakcijske napetosti oz. sile) odvisni od deformacij in lastnosti skupnega sistema, ki ga tvorijo objekti, temelji in temeljna tla v vplivnem območju načrtovanega objekta (glej sliko 9.2).

Slika 9.2: Obtežbe temeljev in interakcijske napetosti Temeljenje

141

Za presojo in zagotovitev potrebne nosilnosti načrtovanih gradbenih konstrukcij (mejno stanje STR) in oceno zadostne nosilnosti temeljnih tal (mejno stanje GEO) moramo poznati zunanje obtežb obeh struktur in kontaktne vplive (interakcijske sile oz. napetosti) med temelji in tlemi. Na sliki 9.2 prikazane sile F1, F2, H1, H2, M1 in M2 predstavljajo vplive objekta na temelj, (g) in (p) stalne in spremenljive obremenitve temelja vključno z lastno težo, (q) oz. (qzx) sta komponenti normalnih oz. strižnih kontaktnih interakcijskih napetosti v ravnini (x-z) ter točke i = 1, 2, 3.. ...n-1,n točke v kontaktni površini med temeljem in tlemi v katerih določamo interakcijske napetosti (tlačne in/ali strižne). Pri določanju kontaktnih (interakcijskih) sil oz. napetosti med temelji in tlemi lahko upoštevamo šest ravnotežnih pogojev za celotni objekt z upoštevanjem aktivnih vplivov (lastna teža objekta + koristne obtežbe) in vsote vseh kontaktnih tlakov med objekti in tlemi: Fx  0, Fy  0, Fz  0 in M x  0, M y  0, M z  0 ter 3n pogojev enakih premikov temelja in tal v vseh analiziranih kontaktnih točkah med temelji in tlemi. V splošnem lahko z upoštevanjem šestih pogojev globalnega ravnotežja in 3n pogojev enakih oz. preprečenih relativnih premikov določimo razporeditev kontaktnih napetosti za poljubne kombinacije obremenitev sistema objekt-temelj-tla (interakcijska analiza). Temelj je skupni izraz za vse vrste temeljnih konstrukcij (točkovni, pasovni, temeljne plošče, piloti, skrinje, vodnjaki itd.), vendar glede na način prenašanja obtežbe na temeljna tla ločimo tri med sabo povsem različne načine temeljenja. PLITVO TEMELJENJE Uporabljamo v primerih, kadar so temeljna tla pod objektom dovolj nosilna in tako malo deformabilna, da lahko prevzamejo dodatne obtežbe z objektom brez izboljšave lastnosti tal v zmernih globinah tik pod objektom. GLOBOKO TEMELJENJE Uporabljamo v primerih, kadar se dovolj nosilna tla nahajajo v večji globini pod objektom ter je potrebno predvideti posebno konstrukcijo za prenos obtežbe z objekta na dovolj nosilna temeljna tla. Shema temeljenja objekta na pilotih je prikazana na sliki 9.3.

Sl. 9.3: Temeljenje objekta visokih gradenj na pilotih Temeljenje

142

IZBOLJŠANJE NOSILNOSTI TEMELJNIH TAL Cilji izboljšanja temeljnih tal pod objekti so običajno zmanjšanje deformabilnosti, povečanje vodoprepustnosti, izboljšanje strižne trdnosti itd. S primernimi geotehničnimi ukrepi izvedemo tolikšno izboljšanje lastnosti temeljnih tal, da preprečimo preseganje vseh potencialno možnih mejnih stanj uporabnosti in nosilnosti v temeljnih tleh in v načrtovanih konstrukcijah. Temeljenje objektov na izboljšanih temeljnih tleh največkrat izvedemo plitvo. Primer plitvega temeljenja in izboljšanja tal tik pod temelji je prikazan na sliki 9.4.

Sl. 9.4: Plitvo temeljenje objekta na izboljšanih tleh 9.2 Plitvo temeljenje Najmanjšo potrebno globino temeljenja določajo klimatski pogoji, sestava in geomehanske lastnosti tal, hidrološki pogoji in vrsta ter pomen objekta katerega temeljenje obravnavamo. Kadar globino temeljenja ne določajo konstrukcijski razlogi, je pogojena z globino zmrzovanja oz. z nevarnostjo izsuševanja in izpiranja zemljin pod temelji. Glede na nevarnost zmrzovanja določamo globino temeljenja na osnovi podatkov o globini prodiranja mraza v tla. Določena je z večletnim opazovanjem meteoroloških postaj ter na osnovi praktičnih izkušenj. Kadar ne razpolagamo z natančnejšimi podatki, veljajo naslednje minimalne globine zmrzovanja:  v sredozemski klimi do nadmorske višine 500 m

40 cm

 v kontinentalnem podnebju

80 cm

 v gorskem svetu

80-120 cm

Ker v sami coni zmrzovanja temeljenje še ni dopustno, moramo k navedenim vrednostim dodati še 10-20 cm. Pri relativno manj pomembnih objektih so dopustne še naslednje olajšave: -kadar je pri temeljenju na kompaktni skali preprečen dotok vode v temeljno ploskev do globine zmrzovanja, lahko temeljenje izvedemo praktično na površini, -pri temeljenju na čistem pesku, produ ali drobljencu lahko navedeno globino zmanjšamo za 20% v kolikor je nivo talne vode pod globino zmrzovanja, -pri temeljenju na preostalih nekoherentnih materialih lahko globino temeljenja zmanjšamo za 20% v kolikor se nivo talne vode nahaja vsaj 2.0 m pod globino zmrzovanja. Temeljenje

143

Tudi kriterij izsuševanja tal je odvisen predvsem od vrste tal in klimatskih pogojev. Pri nekoherentnih zemljinah (peski, gramozi itd.) ni pomemben; pri glinah (CH, OH, MH) pa je v nekaterih primerih lahko pomemben za določanje globine temeljenja. Pri izsuševanju takšne zemljine spreminjajo svojo prostornino in zato je v takšnih primerih potrebno pri določanju globine temeljenja upoštevati lokalne izkušnje oz. predvideti povečanje globine temeljenja na osnovi rezultatov specialnih geotehničnih raziskav tako, da bodo vplivi izsuševanja na temelje čim manjši. Pri industrijskih objektih je potrebno upoštevati tudi vplive izsuševanja zaradi industrijskih procesov. Kadar se v tleh pod temelji nahaja precejajoča se talna voda se lahko pojavi tudi izpiranje drobnih frakcij v tleh pod temelji, ki lahko zmanjšuje nosilnost in povzroča dodatne posedke objektov. V takšnih primerih je potrebno oceniti za izpiranje kritične vrednosti hidravličnih gradientov ter s primernimi geotehničnimi ukrepi zmanjšati dejanske gradiente oz. z izboljšanjem tal povečati kritične gradiente, da bo izpiranje v praksi dejansko preprečeno. V praksi najmanjšo potrebno globino temeljenja večkrat določa tudi potrebna nosilnost tal, ki se s povečanjem globine temeljenja običajno povečuje. 9.2.1KONTAKTNE NAPETOSTI OB DNU PLITVIH TEMELJEV Temeljne konstrukcije dimenzioniramo (mejno stanje STR) z upoštevanjem notranjih sil (normalne in strižne sile, upogibni in torzijski momenti), ki jih povzročajo aktivne obtežbe z objekti, lastna in koristne obtežbe temeljev, zemeljski pritiski ter kontaktne obremenitve (reaktivne sile) med temelji in tlemi, ki so v globalnem ravnotežju z vsemi aktivnimi silami, ki delujejo na obravnavano konstrukcijo. V primeru povsem gibkih temeljnih konstrukcij bi bila razporeditev kontaktnih napetosti povsem enaka aktivnim obremenitvam, ki nanje delujejo. Ker pa so v praksi temeljne konstrukcije bolj ali manj toge oz. elastične, njihova togost vpliva na razporeditev kontaktnih napetosti med temelji in tlemi. Zato se v kontaktni površini med temelji in tlemi aktivirajo takšne kontaktne napetosti, da je njihov rezultantni vpliv (sile in navori) po velikosti enak vsoti vseh obremenitev in njim nasprotno usmerjen, premiki temeljne konstrukcije v kontaktni površini pa morajo biti enaki premikom tal. Togost temeljev je odvisna od togosti temeljne konstrukcije in podajnosti temeljnih tal ter jo izražamo s količnikom relativne togosti: E d k b   12E t  l 

3

kjer Eb oz. Et označujeta modul elastičnost konstrukcije oz. deformacijski modul tal ter d oz. l debelino oz. dolžino obravnavane temeljne konstrukcije. Premočrtna razporeditev kontaktnih napetosti V praksi največkrat določamo le normalno komponento kontaktnih napetosti, ki jih bomo v nadaljevanju imenovali kontaktni tlaki q (kPa). Pri togih temeljih (k > 0.4), dimenzij L oz. B do 4.0 m, na temeljnih tleh brez bistvenih heterogenosti na območju površine temelja, je skladno z geomehanskimi normami dopustno kontaktne tlake določati po teoriji premočrtne razporeditve. PASOVNI TEMELJI Med pasovne temelje prištevamo temeljne konstrukcije pod zidovi objektov, podpornimi konstrukcijami itd., kjer so obremenitve v vzdolžni smeri enakomerno porazdeljene ter je razmerje med dolžino in širino temelja L/B>2 (glej sliko 9.5). Temeljenje

144

e

V (kN) e

z

V

T

1

2

B

x

z T

q1

x b

q2

B

y

qr

e M 1m

x T

B

Sl.9.5:

Prerez in tloris pasovnega temelja: (a) prerez ee>(B/6)

Razporeditev kontaktnih tlakov določimo z ravnotežnimi pogoji: Fz 

(q 1  q 2 ) 2

BV  0,

M y  eV 

(q 2  q 1 ) B B( )  0 2 6

kjer razdaljo e (m) imenujemo ekscentričnost (izsrednost) obremenitev temelja ter produkt My=M=Ve (kNm) moment vseh aktivnih obremenitev temelja na težišče temeljne površine. Neznani robni vrednosti kontaktnih tlakov q1 oz. q2 lahko izvrednotimo:

q1 

V 6eV V 6e V M  2  (1  )   , B B B B B W

q2 

V 6eV V 6e V M  2  (1  )   B B B B B W

kjer oznaka Wy=W=1m(B2/6) (m3) označuje odpornostni moment prereza oz. tlorisne površine pravokotnega temelja proti rotaciji temelja okrog y osi. Ker lahko zemljine v kontaktni površini prevzemajo le tlačne normalne napetosti je prikazana rešitev dopustna oz. realna le kadar je ekscentričnost obremenitev e