English
Język Polski
Badania laboratoryjne wpływu wybranych parametrów technologicznych na proces formowania kolumn metodą wymiany dynamicznej
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2025.156184Abstrakt
Wymiana dynamiczna jest jedną z metod wzmacniania podłoża w ramach inżynierii geotechnicznej, w trakcie której formowane są w podłożu kolumny z gruntu gruboziarnistego o frakcji od piaszczystej do kamienistej. Technologia formowania kolumn wydaje się prosta: kolejne zrzuty ubijaka o masach od 5 do 20 ton, z wysokości 15-25 m, wprowadzają wbijany materiał w podłoże, a powstały krater jest sukcesywnie zasypywany. Wtłaczany materiał przemieszcza się pionowo, ale i również poziomo w podłoże wzmacnianie, a jednym z parametrów decydujących o kształcie uzyskiwanych kolumn jest stosunek miąższości wzmacnianego podłoża (Hs) do wysokości ubijaka (Hp). Z doświadczeń krajowych autorów wynika jednak, że w praktyce często dochodzi do wykonania kolumn zawieszonych w warstwach słabych o miąższości powyżej 4,5 m (Hs/Hp ≥ 2,25), pomimo tego, że na świecie znane są realizacje w warstwach o miąższościach większych (nawet do 8-9 m). Powodem wykonania kolumn zawieszonych może być przyjęcie błędnej technologii formowania kolumn, na którą składają się: energia uderzenia ubijaka (Et ), głębokość wykonania krateru (Hcr), wysokość (objętość) jego zasypu (Vcr) oraz przyjęte uziarnienie materiału kolumn (dm). Skłoniło to autorów artykułu do podjęcia badań o wspomnianym zakresie – w pierwszym etapie w warunkach laboratoryjnych. Badania były prowadzone na stanowisku w postaci prostopadłościennej skrzyni o zewnętrznych wymiarach 1,5 m (szerokość) × 1,0 m (wysokość) × 0,15 m (grubość), wyposażonej od czoła w akrylową szybę, umożliwiającą obserwację procesu wbijania materiału w słabą warstwę w skali technicznej 1:10. Warstwę słabą modelował usieciowany polimer akrylowy zmieszany z wodą w stosunku 1:15 (wagowo) o miąższości 2,5 krotnie większej od wysokości stosowanego ubijaka (Hs/Hp = 2,5), warstwę nośną z kolei piasek średni o uziarnieniu 0,063-2 mm, a kolumny wykonywano ze: żwiru MGr_1 o uziarnieniu 2-16 mm (dm/Dbp = 0, 022-0,18), żwiru MGr_2 o uziarnieniu 2-32 mm (dm/Dbp = 0, 022-0,36) oraz piasku średniego MSa o uziarnieniu 0,063-2 mm (dm/Dbp ≤ 0,022), gdzie Dbp = 90 mm to średnica podstawy ubijaka. Proces formowania kolumn był rejestrowany aparatem cyfrowym i kamerą o częstotliwości nagrywania 100 kl/s, a następnie analizowanywprogramie GOM i Autocad. Przewidziano wykonanie trzech typów kolumn, różniących się głębokością krateru początkowego: (A) Hcr = 0.2 m (Hcr/Hs = 0,4), (B) Hcr = 0,3 m (Hcr/Hs = 0, 6) and (C) ?Hcr = 0, 4 m (Hcr/Hs = 0, 8). Krater był zasypywany materiałem w 50% (kolumny A_50), 75% (kolumny B_75, C_75) albo w 100% (kolumny A_100, B_100, C_100). Dla wytypowania optymalnej głębokości krateru (Hcr) oraz wielkości jego zasypu (Vcr) zastosowano materiał MGr_1, a następnie sprawdzono wpływ zastosowania dwóch pozostałych materiałów o innym uziarnieniu (MGr_2 i MSa). Przeprowadzone badania unaoczniły znaczny wpływ badanych parametrów technologicznych na proces formowania kolumn oraz ich końcowy kształt. Konieczna do zastosowania energia uderzenia rośnie wraz z głębokością początkowego krateru oraz z objętością jego zasypu. Trzon formowanych kolumn, dla których krater początkowy spełniał warunek Hcr/Hs = 0,6-0,8 ulegał w trakcie wbijania obrotowi, co dało ostatecznie kolumny zawieszone bądź tylko punktowo oparte na warstwie nośnej, o nieregularnych kształtach. W przypadku krateru o najmniejszej głębokości (Hcr/Hs = 0,4), w pełni zasypywanego (Vcr = 100%), od początku formowana była podstawa w kształcie półkolistym, powiększająca się i pogrążająca się w trakcie wykonywania kolumn. W efekcie, uzyskano kolumny o kształcie „gruszki”, oparte punktowo na warstwie nośnej. Kolumny oparte całkowicie na warstwie nośnej i o średnicy zwiększającej się wraz z głębokością udało się ukształtować w przypadku kraterów o najmniejszej głębokości, zasypywanych w połowie (Vcr = 50%) (typ A_50). Jak wynika z badań polowych i analiz numerycznych MES, przeprowadzonych wcześniej przez jednego z autorów, tego typu kolumny charakteryzują się największą nośnością i sztywnością. Dodatkowo, do ich wykonania wymagana była mniejsza energia uderzenia, w porównaniu z kolumnami typu B i C. Najlepsze wyniki uzyskano dla kolumn formowanych z materiału o uziarnieniu dm/Dbp = 0, 022-0,18. W przypadku materiału drobniejszego (dm/Dbp ≤ 0, 022) ubijak penetrował zasyp krateru, zmniejszając efektywność formowania kolumn o odpowiedniej długości oraz nadmiernie powiększając średnice głowic. Z kolei materiał o większym uziarnieniu (dm/Dbp = 0, 022-0,36) klinował się w skrzyni badawczej, uniemożliwiając wykonanie powtarzalnych kolumn w warunkach laboratoryjnych. Powyższe badania pozwoliły na sformułowanie wstępnych wytycznych formowania kolumn, spełniających warunek Hs/Hp = 2,5, Hcr = Hp. Mianowicie: Vcr = 50% przy zrzutach 1-22 i Vcr = 100% przy zrzutach 23-28. Pierwsze 11 zrzutów formuje trzon kolumny – w ich trakcie stosunek wpędu podstawy kolumny (Sc) do wpędu ubijaka (Sp) wynosi kolejno: 0,28-0,2-0,15-0,11-0,06-0,05-0,04-0,04-0,04-0,03-0,02. Kolejne 11 zrzutów formuje podstawę, a ostatnie 11 zrzutów wykonywanych jest przy pełnym zasypie krateru (Vcr = 100%). Wytyczne te wymagają weryfikacji w warunkach polowych.Bibliografia
[1] B. Hamidi, “Distinguished ground improvement projects by dynamic compaction or dynamic replacement”, PhD thesis, Curtin University, Australia, 2014.
[2] J. Guo, R. Wang, Z. Yang, and C. Zhu, “Mucky clay treatment by dynamic compacted gravel column method”, Rock and Soil Mechanics, vol. 14, no. 2, pp. 61-74, 1993.
[3] J. Chu, S. Varaksin, U. Klotz, and P. Mengé, “Construction processes. State of the art report”, in Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Alexandria. IOS Press, 2009, pp. 3006-3135.
[4] S. Kwiecień, “Influence of load plates diameters, shapes of columns and columns spacing on results of load plate tests of columns formed by dynamic replacement”, Sensors, vol. 21, no. 14, art. no. 4868, 2021, doi: 10.3390/s21144868.
[5] S. Kwiecień, The deformability of dynamic replacement columns based on in-situ load tests. Gliwice, Poland: SUT Press, 2019 (in Polish).
[6] S. Kwiecień, S. Ihnatov, and M. Kowalska, “Influence of soft layer thickness on the aggregate displacement in the backfill material of dynamic replacement columns – results of laboratory model tests”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 3, pp. 253-268, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.146079.
[7] S. Kwiecień and S. Ihnatov, “ Influence of the dynamic replacement technology on the shape of columns in laboratory conditions”, Materiały Budowlane, no. 10, pp. 32-38, 2023, doi: 10.15199/33.2023.10.07 (in Polish).
[8] K.W. Lo, P.L. Ooi, and S.L. Lee, “Unified approach to ground improvement by heavy tamping”, Journal of Geotechnical Engineering, vol. 116, no. 3, pp. 514-527, 1990, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1990)116:3(514).
[9] M. Gunaratne, G. Mullins, P. Stinnette, and S. Thilakasiri, Stabilization of Florida organic material by dynamic replacement. Final report of State Project no. 99700-3541-119. Department of Civil and Environmental Engineering, Tampa, Florida, 1997.
[10] S. Kumar, “Reducing liquefaction potential using dynamic compaction and construction of stone columns”, Geotechnical and Geological Engineering, vol. 19, pp. 169-182, 2001, doi: 10.1023/A:1016672106067.
[11] Ch. Chua, M. Lai, G. Hoffmann, and B. Hawkins, “Ground improvement using dynamic replacement for NCIG Cet3 Coal Stockyard”, Australian Geomechanic, vol. 43, no. 3, pp. 63-74, 2008.
[12] S. Kwiecień and J. Sękowski, “Research on the shape of stone columns formed in the ground with the use of dynamic replacement method”, Architecture Civil Engineering Environment, no. 2, pp. 65-72, 2008.
[13] S. Varaksin and B. Hamidi, “Ground improvement case histories and advances in practice”, in Transport infrastructure development and natural hazards mitigation: Proceedings of the International Conference on Ground Improvement and Ground Control, 30 October-2 November 2012, Singapore, Singapore, B. Indraratna, et al., Eds. Research Publishing, 2012, pp. 209-222, doi: 10.3850/978-981-07-3559-3_103-0002.
[14] S. Kwiecień and J. Sękowski, Stone columns formed with the use of dynamic replacement technology. Gliwice, Poland: SUT Press, 2012 (in Polish).
[15] J. Sękowski, S. Kwiecień, and P. Kanty, “ Field tests of rammed stone columns shape with the use of electrical resistivity tomography”, Inżynieria Morska i Geotechnika, no. 4, pp. 523-527, 2013 (in Polish).
[16] A. Danilewicz, “Numerical simulation of column creating process by dynamic replacement method”, PhD thesis, Gdańsk University of Technology, Gdańsk, 2014 (in Polish).
[17] S. Kwiecień and M. Kowalska, “Dynamic Replacement: the influence of pounder diameter and ground conditions on shape and diameter of the columns”, Architecture Civil Engineering Environment, vol. 16, no. 1, pp. 71-84, 2023, doi: 10.2478/acee-2023-0005.
[18] PN-EN ISO 17892-12:2018-08 Geotechnical investigation and testing. Laboratory testing of soil. Part 12: Determination of liquid and plastic limits. PKN, 2018.
[19] R. Jasiński, K. Stebel, and J. Domin, “Application of the DIC technique to remote control of the hydraulic load system”, Remote Sensing, vol. 12, no. 21, art. no. 3667, 2020, doi: 10.3390/rs12213667.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
