Badanie ciągłości kolumn w geotechnice - Menard.pl Badanie ciągłości kolumn w geotechnice - Menard.pl

Badanie ciągłości kolumn w geotechnice

mgr inż. Monika Michalska Remea Sp. z o.o., dr inż. Piotr Kanty Menard Sp.z o.o.

Trudność zweryfikowania ciągłości kolumn wynika z braku dostępu do nich. Informacji wstępnych o prawidłowej długości kolumny dostarczają metryki elektroniczne zawierające rejestr danych zapisywanych w trakcie wykonywania kolumny. Nie odzwierciedlają one jednak jej jakości. Kolumna mogła bowiem ulec uszkodzeniu po wykonaniu, np. podczas pracy sprzętu ciężkiego.
Badaniem, które może potwierdzić jakość wykonania kolumny oraz możliwość przenoszenia obciążeń obliczeniowych, jest obciążenie próbne, ale często nie ma możliwości czasowych oraz finansowych do weryfikowania w ten sposób większej liczby kolumn lub pali. Początkowo badanie ciągłości wykonywano w przypadku pali prefabrykowanych oraz wielkośrednicowych, a z czasem rozszerzono na kolumny o średnicy najczęściej wykonywanej. Mając do dyspozycji odkrytą głowicę kolumny, informację o materiale z jakiego jest wykonana, zapis głębokościowy z metryki i termin realizacji, wykonawca może skontrolować jakość i ciągłość kolumny, występowanie ewentualnych przewężeń średnicy oraz niekiedy ocenić litologię gruntu wokół kolumny za pomocą nieinwazyjnego badania ciągłości [1].

Przegląd metod badawczych

Obecnie w Polsce badanie ciągłości kolumn nie jest regulowane normami ani wytycznymi. Prowadzi się je na podstawie wiedzy dostępnej w literaturze, doświadczenia osoby, która je wykonuje oraz zaleceń producenta osprzętu. W najbliższym czasie mają zostać wydane w Polsce Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego kolumnami sztywnymi. Projektowanie, wykonawstwo i kontrola (ASIRI), które będą regulowały m.in. wymaganie dotyczące badania ciągłości kolumn. Niektórzy wykonawcy korzystają z zapisów zawartych w dokumencie ASTM D5882-07 Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundation,ale ich stosowanie nie jest obligatoryjne.
Wyróżnia się trzy najbardziej popularne metody badania ciągłości kolumn/pali PIT (Pile Integrity Testing), PET (Pile Echo Tester) oraz SIT (Sonic Integrity Testing). Idea jest taka sama, natomiast różne jest oprzyrządowanie (połączenia przewodowe lub bezprzewodowe). W skład zestawu wchodzą: detektor fali; młotek oraz program do odczytu danych. Przed wykonaniem badania głowica kolumny powinna zostać oczyszczona, wysuszona oraz wyrównana, aby czujnik dokładnie do niej przylegał po zamocowaniu za pomocą kitu technicznego.
Badania PIT, PET i SIT są realizowane przez lekkie uderzenie głowicy skalibrowanym młotkiem z końcówką z utwardzonej żywicy, którego zadaniem jest wywołanie fali akustycznej, przemieszczającej się wzdłuż trzonu kolumny [3]. Detektor fali akustycznej przymocowany do głowicy rejestruje powracające fale w funkcji czasu, tj. długości kolumny. Badanie wykonuje się po uprzednim ustawieniu zakładanej prędkości fali w betonie, którą określa się na podstawie wieku betonu, jego docelowej wytrzymałości oraz długości kolumny wg metryki.
Fala wywołana uderzeniem młotka porusza się z prędkością:
c = √E/ρ
gdzie:
E – moduł Younga betonu; ρ – ciężar właściwy.
W przypadku, gdy fala akustyczna natrafi na wyraźną zmianę w przekroju kolumny, np. przewężenie lub poszerzenie głowicy, to odzwierciedla ją, a gdy nastąpi przerwanie ciągłości kolumny, wówczas zostaje odbita w miejscu występowania nieciągłości.
Znając czas powrotu fali t (zarejestrowany przez detektor), można obliczyć długość kolumny L z zależności:
L = t/2 • Vb
gdzie:
Vb – prędkość fali w betonie kolumny.
Opisane metody badań pozwalają w łatwy i szybki sposób ocenić długość kolumn, jakość ich wykonania (profil kolumny), a nawet pokazać gwałtowne zmiany układu warstw geotechnicznych.

Ograniczenia metody

Badania ciągłości kolumn/pali mimo wielu zalet mają ograniczenia, które uniemożliwiają ich wykonanie lub utrudniają interpretację otrzymanych wyników.
Nie można ich stosować, gdy:

  • materiałem kolumny jest cementogrunt (kolumny DSM) – prawdopodobieństwo niejednorodności kolumny i ryzyko rozpraszania fali akustycznej;
  • kolumna została wykonana metodą wibracyjną (kolumny betonowe MSC) z użyciem rury pogrążanej – wykazują one niekiedy niejednorodność geometryczną wynikającą ze sposobu lokalizacji kolumny i podatności otaczającego gruntu;
  • wiek kolumny wynosi mniej niż 14 dni [2] – dopiero po tym czasie stabilizuje się prędkość przyrostu wytrzymałości betonu, a więc prędkość fali w betonie osiąga docelową wartość; wraz ze wzrostem wytrzymałości zwiększa się moduł sprężystości i następuje przyrost prędkości rozchodzenia się fali;
  • stosunek L/D (długość/średnica kolumny betonowej) jest większy niż średnica kolumny – w tym przypadku sygnał rozproszy się, zanim dotrze do głowicy; można określić maksymalną długość kolumny o danej średnicy, w przypadku której możliwe jest wykonanie badania ciągłości (tabela).
  • głowica kolumny (lub pala) jest uszkodzona, niewyrównana, mokra [4] – uniemożliwia to dokładne, równoległe przyleganie detektora; niedokładne jego zamocowanie spowoduje rozproszenie fali akustycznej bezpośrednio po uderzeniu młotkiem głowicy kolumny.
Menard.pl

Zależność L/D, a długość i średnica kolumny

Analiza badań

Firma Menard Sp. z o.o. przeprowadziła wiele badań ciągłości kolumn betonowych (przemieszczeniowych) oraz wykonanych świdrem ciągłym za pomocą zestawu PET.
Analiza zasadności wykonania badań:

  • projekt 1 – badanie ciągłości kolumn przemieszczeniowych CMC o Ø400 i L= 11,0 m (rysunek 1), stanowiących wzmocnienie nasypu drogowego, po upływie 28 dni od ich wykonania; prędkość fali przyjęta do badań V = 3600 m/s; stwierdzono, że kolumny były ciągłe na całej długości, bez przewężeń lub nieciągłości, ale miały poszerzone głowice, co wynika z rozluźnionego gruntu; stosunek L/D wyniósł ok. 28 (L/D < średnica kolumny); kolumna nr 300 wykazała nieznaczne poszerzenie na głębokości ok. 4,5 m;
  • projekt 2 – badanie ciągłości kolumn betonowych MSC wykonanych metodą wibracji, o Ø250 i L = 6,5 m (rysunek 2),stosowanych jako wzmocnienie nasypu kolejowego; badanie realizowano po 25 dniach od wykonania Kolumn; prędkość fali przyjęta do badań V = 3500 m/s; otrzymano niejednoznaczne wyniki – kolumny były ciągłe na całej długości, ale odbicie od ich podstawy nie było wyraźne; przebieg krzywej fali nie odzwierciedla profilu kolumn; stosunek L/D wyniósł ok. 26 (L/D> średnica kolumny), co oznacza, że wynik badania może być wątpliwy;
Menard.pl

Rys. 1. Wyniki badania ciągłości kolumn CMC Źródło: Menard Sp.z o.o.

Menard.pl

Rys. 2. Wyniki badania ciągłości kolumn MSC Źródło: Menard Sp.z o.o.

  • projekt 3 – badanie ciągłości kolumn cementogruntowych DSM o Ø800 i L = 6,0 – 6,5 m (rysunek 3), wykonanych w celu wzmocnienia podłoża pod blok mieszkalny; badania prowadzono po 7 – 14 dniach od wykonania kolumn; prędkość fali przyjęta do badań V = 3600 m/s; otrzymano niejednoznaczne wyniki – ze względu na niejednorodność materiału kolumn, fala akustyczna rozproszyła się w kolumnie, uniemożliwiając określenie jakości jej wykonania i długości; przesłanką do przeprowadzenia badań kontrolnych kolumn DSM były wymagania inspektora; stosunek L/D wyniósł ok. 8 (L/D < średnica kolumny), co oznacza, że badanie można wykonać, ale uwzględniając materiał kolumn, nie powinno zostać zrealizowane;
Menard.pl

Rys. 3. Wyniki badania ciągłości kolumn DSM

  • projekt 4 – badanie ciągłości kolumn betonowych CFA, wykonanych świdrem ślimakowym, o Ø400 i L = 5,5 m, stanowiących wzmocnienie pod halę magazynową; badanie realizowano po upływie 28 dni od wykonania kolumn; prędkość fali przyjęta do badań V = 3500 m/s; otrzymano jednoznaczne wyniki – kolumny były nieciągłe na głębokości 1,3 i 1,1 m; przesłanką do wykonania badań kontrolnych kolumn było prowadzenie w ich obrębie robót ziemnych ciężkim sprzętem, bez zachowania ostrożności oraz bez wykonania warstwy transmisyjnej zabezpieczającej kolumny; po odkopaniu kolumn potwierdzono, że uległy one uszkodzeniu na wskazanej głębokości; stosunek L/D wyniósł ok. 13,75(L/D < średnica kolumny).

Wnioski

Badanie ciągłości kolumn jest pomocne w przypadku prac geotechnicznych. Zaletą badania jest szybkość i łatwość wykonania oraz możliwość kontroli stanu kolumn po wykonaniu prac ziemnych lub przejeździe maszyn ciężkich w ich obrębie. Badanie pozwala łatwo zweryfikować, czy głowice kolumn uległy pęknięciu lub zostały uszkodzone np. w trakcie prowadzenia dalszych robót ziemnych.
Wadą metody jest zależność otrzymanych wyników od jednorodności i rodzaju materiału kolumny, który niekiedy wykazuje zmienne właściwości w ramach jednej realizacji. Interpretacja wyników wymaga dużego doświadczenia osoby wykonującej badanie, a często również ich korelacji z badaniami otrzymanymi przez inne firmy. Proces ten jest jednak utrudniony z uwagi na korzystanie z różnego rodzaju sprzętu pomiarowego

Źródło: Miesięcznik MATERIAŁY BUDOWLANE nr 2/2021 str. 22-23

Literatura
[1] Amir J. 2015. Pile testing.
[2] Górska K., J. Rybak. 2011. „Badania prędkości fali akustycznej w betonie pali CFA”. Górnictwo i Geoinżynieria. Zeszyt 2.
[3] Rybak J., K. Schabowicz. 2010. „Badania jakościowe i inwentaryzacyjne pali”. Geoinżynieria – drogi, mosty, tunele.
[4] Rybak J., A. Modl. 2009. „Badania ciągłości pali prefabrykowanych”. Górnictwo i Geoinżynieria. Zeszyt 1.

Skip to content