Statická zatěžovací zkouška

Inovace studijního oboru Geotechnika
reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0009
SILNIČNÍ A
GEOTECHNICKÁ
LABORATOŘ
podklady do cvičení
STATICKÁ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA
Ing. Marek Mohyla
Místnost: C 315
Telefon: 597 321 362
E-mail: [email protected]
Statická zatěžovací zkouška
Dotčené normy a předpisy
•
•
•
•
ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin
ČSN 73 6190 Statická zatěžovací zkouška podloží a podkladních vrstev vozovek
ČD S4 Železniční spodek
TP 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací
Účel zkoušky
Statická zatěžovací zkouška slouží k:
•
přímému ověřování deformačních charakteristik předepsaných dokumentací stavby,
jako např.: modul přetvárnosti z druhého zatěžovacího cyklu (Edef,2), nebo poměr
modulů přetvárnosti prvního a druhého zatěžovacího cyklu (Edef,2/Edef,1) případně další
vlastnosti (K -modul reakce podloží, Epr – modul pružnosti podloží),
•
zjištění míry zhutnění sypanin při výstavbě pozemních komunikací a stavbě
železničního spodku, u nichž je problematické použití přímých metod, jako např.:
stanovení objemové hmotnosti kamenitých a balvanitých sypanin apod.
Použité zařízení
ECM-Static (ECM Electronic Control & Measurement s.r.o.) je zařízení sloužící k poloautomatickému měření deformačních parametrů a kontrole statické únosnosti zhutňovaných
sypanin. Výběr z technických parametrů výrobce [5]:
•
•
•
•
•
•
•
minimální výška opěrné plochy protizátěže: 520 mm,
maximální povolená síla: 50 kN (omezení tenzometrického snímače síly),
maximální zatěžovací tlak (deska o průměru 300 mm): cca 0,530 MPa,
maximální měřené zatlačení: 24 mm,
chyba měření tlaku: +/- (1 % + 1kPa),
chyba měření zatlačení: +/- 0,005 mm (snímač 0,001 mm),
provozní teplota: (0 až +45) °C.
Součásti zařízení
Zařízení potřebné pro provedení statické zatěžovací zkoušky se skládá z následujících
součástí:
•
•
•
•
•
•
•
•
Kruhová zatěžovací deska o průměru 300 mm (375mm atd.), zatěžovací deska musí
být dostatečně tuhá dle ČSN 73 6190. Průměr použité zatěžovací desky je závislý na
normě, dle které se zkouška provádí.
Tenzometrický snímač síly s přesností 1% nejvyššího zatížení dosaženého při zkoušce.
Zařízení ECM Static 50 kN +/- 0,2 %.
Hydraulický zatěžovací systém, který je tvořený pístem, ruční pumpou a hadicí
s rychlospojkou. Pumpa musí umožňovat postupné zvyšování a snižování síly a její
udržování bez kolísání po dobu měření. Píst je uchycen k protizátěži (rám nákladního
automobilu) pomocí magnetické hlavice s kloubem.
Měřící nosník s jednobodovým snímáním zatlačení, který slouží k odečtu zatlačení
zatěžovací kruhové desky v jejím středu. Měřící nosník se skládá z teleskopického
snímacího ramena s výsuvnými, stavitelnými opěrami. Opěry měřícího nosníku musí
být vzdáleny od okraje zatěžovací desky nejméně 1,25 m (Ø desky 300 mm) případně
1,65 m (Ø desky 600 mm a více).
Optoelektronický lineární snímač dráhy (standardně 24mm +/-0,002 mm), který je
umístěn v měřícím nosníku.
Elektronická část zařízení, která je tvořena měřící a řídící mikropočítačovou
jednotkou. Mikropočítačová jednotka kontroluje, řídí a vyhodnocuje celý postup
měření. Jednotka je vybavena alfanumerickou klávesnicí umožňující doplnění
dodatkových informací (popis stavby, materiálu a dalších okolností měření) pro
přesnější identifikaci měřeného místa. Všechny prováděné zkoušky včetně výsledků
jsou ukládány do zálohované paměti, nebo průběžně tištěny na přiložené tiskárně.
Protizátěž (např. naložený nákladní automobil, hutnicí válec apod.). Kruhová
zatěžovací deska musí být vzdálena od podpor protizátěže (např. kola automobilu)
nejméně o 0,75 m (Ø desky 300 mm) případně nejméně 1,3 m (Ø desky 600 mm).
Pomůcky pro přípravu kontaktní plochy zkoušené vrstvy se zatěžovací deskou –
vodováha, olovnice, smetáček, metr apod.).
Postup měření
Statická zatěžovací zkouška se smí provádět na sypaninách z hrubozrnných materiálů a
jemnozrnných zeminách s tuhou až pevnou konzistencí, přímo pod deskou se nesmí
vyskytovat zrna větší než 25% průměru desky [1]. Vlastní měření je realizováno dle
následujícího postupu:
•
Příprava povrchu měřené zeminy: povrch zeminy musí být urovnaný v horizontální
poloze bez znaků mechanického porušení. Zemina nesmí být namrzlá, rozbředlá, nebo
jinak mechanicky porušená.
•
•
•
•
•
•
Osazení kruhové zatěžovací desky: deska musí dosedat v celé ploše, v případě výskytu
dutin je možné povrch vyrovnat vrstvou sádrové kaše (spodek desky je potřeba
naolejovat), nebo vrstvou stejnozrnného písku o tloušťce několik mm [1, 2].
Osazení tenzometrického snímače síly: střed zatěžovací desky je opatřen trnem pro
osazení tenzometrického snímače síly. Při montáži je potřeba dbát na čistotu
dosedacích ploch mezi všemi součástmi systému.
Sestrojení hydraulického zatěžovacího systému: nejnižší možná výška protizátěže je
520mm. V případě nutnosti je možné tuto výšku navýšit pomocí distančních nástavců,
které jsou standardně součásti zařízení. Stabilita zatěžovací soustavy je zajištěná
pomocí magnetické hlavice přichycené k protizátěži (podvozek nákladního
automobilu). Při kompletaci je nutné zkontrolovat svislost celé soustavy pomocí
vodováhy nebo olovnice. Magnetická hlavice smí být uchycena pouze na dostatečně
velkých částech protizátěže, které jsou v horizontální rovině. V případě nedodržení
tohoto bodu hrozí obsluze vážné zranění vymrštěním zatěžovací soustavy během
zkoušky. Pro eliminaci vzniku ohybových momentů je soustava opatřena klouby
v úrovni nad tenzometrickým snímačem síly a v magnetické hlavici.
Osazení měřícího nosníku: nosník musí být stabilně umístěn tak, aby během měření
bylo eliminováno jeho posunutí nevhodným pohybem obsluhy. Součásti zařízení jsou
přídavné trny, které je možné umístit na stavitelné opěry a tím zajistit vyšší stabilitu
měřicího nosníku proti nežádoucím pohybům. Vzdálenost stavitelných opěr musí být
vzdáleny od desky nejméně 1,25 m v případě použití desky o průměru 300mm.
Pomocí stavitelných opěr je možné urovnat geometrii rámu tak, aby optoelektronický
lineární snímač dráhy mohl fungovat v počáteční dráze svého rozsahu bez chodu „na
prázdno“.
Kompletace zařízení a kontrola sestavení. Po sestavení všech částí statické zatěžovací
zkoušky zbývá propojit tenzometrický snímač síly a optoelektronický snímač dráhy
s mikropočítačovou jednotkou pomocí kabeláže se speciálními konektory odlišenými
červenou a modrou barvou. Před započetím vlastního měření je vhodné zkontrolovat
kompletnost a správnost celé měřící soustavy, během měření již nebude možné
cokoliv dodatečně upravovat.
Spuštění zkoušky: po sestavení zařízení pro provádění statické zatěžovací zkoušky a
nastavení základních parametrů (viz. „Základní parametry nastavení“) je možné
přistoupit k vlastnímu měření. Po spuštění měření je obsluha vedena příkazy
mikropočítačové jednotky. Jediný parametr, který může obsluha během měření
ovlivnit je přítlačná síla lisu. Ovládání tlaku je realizováno pomocí manuální pumpy.
Dílčí výsledky jsou v průběhu měření tištěny na přiložené tiskárně.
Výsledkem měření je závislost zatlačení desky na napětí – hysterezní smyčky (obr. 2). Na
základě těchto křivek mikropočítačová jednotka dopočítává Edef1, Edef2 a jejich poměr
Edef2/Edef1. V odstavci „Vzorový příklad vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky“ je
prezentován manuální výpočet uvedených deformačních parametrů.
Základní parametry nastavení
Před započetím samotného měření je možné zvolit přednastavený režim měření dle použité
normy, nebo je možné všechny parametry zadat manuálně v uživatelském nastavení.
Přednastavené režimy mikropočítačové jednotky Electronic Control & Measurement ECM –
Static (typ: STA, model: 99):
•
•
•
ČSD S4
DIN 18 134
U1 – U5: uživatelské nastavení pro 5 zkoušek.
Vzorové nastavení „U1“ dle normy ČSN 72 1006:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1
velikost desky:
počet zatěžovacích cyklů (1-3):
počet zatěž. st. 1. cykl. (1–7):
počátek výpočtu (stup. 0-5):
konec výpočtu (stup. 2-6):
tlak desky (MPa):
tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]:
počet zatěž. st. 2. cykl. (1-7):
počátek výpočtu (stup. (0-5):
konec výpočtu (stup. 2-6):
tlak desky (MPa):
tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]:
počet odleh. st. 1. cykl (1-4):
tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]:
tlak (MPa): cykl.1, 1.st.:
tlak (MPa): cykl.1, 2.st.:
tlak (MPa): cykl.1, 3.st.:
počet odleh. st. 2. cykl (1-4):
tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]:
tlak (MPa): cykl.2, 1.st.:
tlak (MPa): cykl.2, 2.st.:
tlak (MPa): cykl.2, 3.st.:
ustálení 0,05 mm (1-3):
modul pružnosti [A/N]:
U1: start zk.? [A/N]:
300mm;
2;
6;
1;
5;
0,300 1);
Ano;
6;
1;
5;
0,300;
Ano;
3;
2
Ne
);
0,150;
0,075;
0,000;
3;
Ne;
0,150;
0,075;
0,000;
1 min;
Ne 3);
) pro zatěžovací desku 300mm je maximální povolený tlak 0,50MPa (nebo tlak odpovídající zatlačení desky 5
mm);
2
) v odlehčovací větvi se tlak snižuje na 50%, 25% a 0% maximálního tlaku desky;
3
) modul pružnosti nelze počítat v případě, kdy se odlehčuje ve více stupních.
Orientační požadavky modulu přetvárnosti
Tab. 1 požadavky Edef,2 základních konstrukčních vrstev pozemních komunikací [1]
konstrukční vrstvy:
zemní pláň (povrch aktivní zóny)
ochranné, nestmelené vrstvy
horní nestmelené podkladní vrstvy
Edef,2 [MPa]
≥ 45
≥ 120
≥ 180
Další požadované hodnoty stanovuje např.: TP 170 „Navrhování vozovek pozemních
komunikací“ (platný od 1. prosince 2004).
Edef,2=45MPa
Obr. 1 ukázka požadavků Edef,2 na kontaktu konstrukčních vrstev pozemních komunikací [4]
Tab. 2 Ukázka směrných hodnot Edef,2 pro pozemní komunikace v závislosti na míře zhutnění D [1]:
Druh zeminy
GW
GP, SW, SP
D [%]
≥ 100
≥ 97
≥ 100
≥ 95
Edef,2 [MPa]
≥ 100
≥ 70
≥ 80
≥ 45
Tab. 3 Ukázka směrných hodnot poměru Edef,2/Edef,1 [1]:
Druh sypaniny
hrubozrnné zeminy
jemnozrnné zeminy
kamenitá sypanina
Charakteristika
D ≥ 100
D ≥ 97
D ≥ 95
-
Edef,2/Edef,1
≥ 2,3
≥ 2,6
≥ 2,0
≥ 4,0
Vzorový příklad vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky
Základní rovnice pro vyhodnocení Edef je následující [1]:
E def =
1,5 ⋅ r ⋅ ∆p
∆y
(1)
Edef – modul přetvárnosti [MPa];
∆p – změna kontaktního napětí [MPa];
r – poloměr zatěžovací desky [m];
∆y – změna zatlačení desky odpovídající změně napětí ∆p [m].
Tab. 4 Naměřené hodnoty statickou zatěžovací deskou:
Bod č.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Fáze
zkoušky
První
zatěžovací
cyklus
Odlehčení
Druhý
zatěžovací
cyklus
Kontaktní
napětí [MPa]
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,15
0,08
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Zatlačení
desky
[mm]
0,00
0,35
0,75
1,21
1,82
2,61
3,62
3,09
2,70
1,47
1,93
2,27
2,66
3,04
3,39
3,86
Kontaktní napětí [MPa]
0
0,1
0,2
0,3
0
y = 26,429x2 + 3,8214x + 0,0479
R² = 0,9986
1
Zatlačení desky [mm]
y = 0,381x2 + 7,6429x + 1,5012
R² = 0,9985
2
3
4
1. zatěžovací cyklus
odlehčení
2. zatěžovací cyklus
5
Obr. 2 vykreslení závislosti zatlačení desky na napětí – hysterezní smyčky
Zatěžovací stupně se proloží kvadratickým polynomem (polynomem 2. stupně) a určí se
jednotlivé konstanty regresního polynomu a0, a1, a2 (např. v softwaru Excel pomocí funkce
„Přidat spojnici trendu…“, Polynomický, pořadí: 2). Obecný tvar polynomu druhého stupně
je:
y = a0 + a1 ⋅ p + a 2 ⋅ p 2
(2)
Obr. 2 dokumentuje grafické vykreslení naměřených dat a proložení zatěžovacích větví
polynomy 2. stupně.
Rovnice 1. zatěžovací větve je: y = 26,429 ⋅ x 2 + 3,8214 ⋅ x + 0,0479
Odpovídající konstanty polynomu: a0 = 0,0479; a1 = 3,8214; a2 = 26,429.
Rovnice 2. zatěžovací větve je: y = 0,381⋅ x 2 + 7,6429 ⋅ x + 1,5012
Odpovídající konstanty polynomu: a0 = 1,5012; a1 = 7,6429; a2 = 0,381.
Modul přetvárnosti jednotlivých zatěžovacích cyklů se stanovuje pro obor kontaktního napětí
0,3 - 0,7 maximálního kontaktního napětí pod deskou. Pro výpočet Edef lze použít následující
upravený vztah [1]:
E def =
1,5 ⋅ r
(a1 + a 2 ⋅ p max )
(3)
Po dosazení dostaneme:
E def ,1 =
1,5 ⋅ 150
= 19,149 MPa
(3,8214 + 26,429 ⋅ 0,3)
E def , 2 =
1,5 ⋅ 150
= 29,005 MPa
(7,6429 + 0,381 ⋅ 0,3)
Přehled výsledků:
Zjišťované a počítané veličiny
označení
rozměr
pmax
0,300
0,300
mm.MPa
-1
3,821
7,643
a2
mm.MPa
-2
26,429
0,381
Edef
MPa
19,149
29,005
Edef,2 / Edef,1
-
a1
MPa
Zatěžovací cyklus
první
druhý
1,515
REFERENCE
[1]
ČSN 72 1006 Kontrola zhutnění zemin a sypanin. ICS 91.100.20; 93.020 Praha:
ÚNMZ, prosinec 1998.
[2]
ČSN 73 6190 Statická zatěžovací zkouška podloží a podkladních vrstev vozovek.
MDT 625.731; 620.1, Praha: ÚNMZ, říjen 1980.
[3]
ČD S4 Železniční spodek. Správa železniční dopravní cesty, říjen 2008.
[4]
TP 170 Navrhování vozovek pozemních komunikací. Ministerstvo dopravy České
republiky, listopad 2004.
[5]
ECM-Static [online]. Electronic Control & Measurement s.r.o. [vid. 6.5.2014].
Dostupné z: http://www.ecm-cz.com/cs/ecm-produkty-static.php
ruční pumpa
tiskárna
mikropočítačová jednotka
stavitelná opěra
měřící nosník
optoelektronický
lineární snímač
dráhy
alfanumerická
klávesnice
tlakový ventil
teleskopické snímací rameno měřícího nosníku
tenzometrický snímač síly
signalizace
zapojení síťového
adapteru
kruhová
zatěžovací
deska
min. 520 mm
(bez distančního
nástavce)
magnetická hlavice s kloubem
distanční nástavec
píst hydraulického zatěžovacího systému
protizátěž (podvozek nákladního
automobilu)
Příloha č. 1 Schéma statické zatěžovací desky
display
signalizace vybité
baterie
Příloha č. 2 Souhrnný protokol pro statickou zatěžovací desku
Název lokality:
Poloha (x, y, z; GPS souřadnice; staničení):
Objednatel / číslo zakázky:
Název zakázky a lokalita:
Zhotovitel:
Zkušební technik:
Datum zkoušky:
Průměr statické zatěžovací desky:
Polní náčrt (měřítko 1:
/ bez měřítka) *)
s uvedením přímého geotechnického průzkumu (např. vrty):
Další informace:
Podpis:
Jméno odpovědného technika:
Příloha č. 3 Formulář pro záznam naměřených hodnot
Záznamy naměřených hodnot a výsledků statické zatěžovací zkoušky
Zhotovitel:
Číslo zakázky: Příloha:
Objednavatel / název projektu:
Statická zatěžovací zkouška
č:
datum:
Průměr statické zatěžovací desky:
Poloha (x, y, z; GPS souřadnice; staničení):
Bod č.
Fáze zkoušky
Další údaje:
Hladina podzemní vody:
Jméno a podpis odpovědného technika:
Kontaktní napětí [MPa]
Zatlačení desky [mm]