Pri prenošenju opterećenja na veću dubinu razmatra se "duboko fundiranje". Konstruktivni oblici dubokog fundiranja su najčešće različite vrste šipova, ali se koriste i dijafragme, bunari ili kesoni. Ovde će se razmotriti samo jedan od najčešće primenjivanih oblika posrednog ili dubokog temeljenja koji podrazumeva upotrebu šipova.
Šip je relativno dug i relativno tanak element koji se najčešće ugrađuje u vertikalnom pravcu sa površine terena. Ovaj konstruktivni oblik temeljenja je stariji od istorije; primenjivao se još u neolitu, kada su se kuće, sojenice, gradile na drvenom kolju pobijenom u dno plitkog jezera. Iako se šipovi najčešće upotrebljavaju u grupama, ovde će se razmatrati samo nosivost pojedinačnog šipa opterećenog vertikalnom silom, koji na tlo prenosi opterećenje vertikalnim naponima na bazi šipa i smičućim naponima po površini stabla, mada se šipovi mogu koristiti i za prenošenje kosih i zatežućih sila.
Slika 9.13. Primena šipa i prenošenje vertikalnog opterećenja
Dubokim temeljima se opterećenje prenosi na izvesnu dubinu ispod korisnog dela građevinske konstrukcije. Osnovna ideja primene šipova prikazana je na Slici 9.13, kada se u površinskoj zoni nalazi sloj meke gline a na većoj dubini postoji mogućnost prenošenja opterećenja na tlo veće nosivosti (Slika 9.13-a), ili se pobijanjem šipa postiže prenošenje opterećenja na veću masu tla uz eventualno povećanje njegove zbijenosti (Slika 9.13-b). U opštem slučaju, vertikalno opterećenje Q koje deluje na vrh, (gornji kraj), šipa (Slika 9.13-c) prenosi se preko smičućih napona τs na kontaktu između stabla šipa i tla i vertikalnih komponenti normalnih napona qb koji deluju na bazu šipa.
VRSTE ŠIPOVA
Neke osnovne vrste šipova prikazane su na Slici 9.14. Materijal za izradu šipa može biti drvo, armirani ili prednapregnuti beton ili čelik.
Slika 9.14. Neke vrste šipova. Red veličine dimenzija dat je u tekstu.
Drveni šipovi (Slika 9.14-a) su relativno laki, jednostavni za transport i manipulisanje i u nekim zemljama jeftini. Mogu se pobijati do dubine do oko 18 m a mogu se i nastavljati. Generalno se ugrađuju ispod nivoa podzemne vode i tada im trajnost može biti znatna, a iznad nivoa podzemne vode moraju se obavezno štititi impregnacionim sredstvima. U morskoj vodi mogu ih napadati razne životinjice.
Međutim, u našim uslovima u najširoj primeni je beton. Kvadratni presek ima ivicu od min. 20 cm, tipično 25 do 45 cm, a samo izuzetno do 60 cm. Prefabrikovani ili gotovi armirano betonski ili prednapregnuti šipovi (Slika 9.14-b) pobijaju se specijalnim makarama do tipičnih dubina od oko 8 do 18 m. Dužina šipa se odredi unapred, izrađuju se u kontrolisanim uslovima i transportuju do mesta ugrađivanja. Ako se specijalnim vezama nastavljaju, najduži armiranobetonski element je dug do oko 15 m, tako da se mogu postići dubine 100 m, ali u većini praktičnih slučajeva dubina pobijanja nije veća od oko 30 m. Podzemna voda ne utiče na pobijanje, kontinuitet šipa je pouzdan ako se primenjuje odgovarajući postupak pobijanja, može se završiti i iznad površine terena ili iznad nivoa vode, ako se pobija sa vode (pristaništa, mostovi). Ugrađivanjem u rastresita krupnozrna tla povećava se zbijenost tla. Ima i nedostataka, jer bubrenje tla u zasićenom sitnozrnom tlu tokom pobijanja može izazvati teškoće, dužina se ne može menjati tokom pobijanja, mogu se oštetiti tokom pobijanja, količina armature često zavisi od uticaja koji se pojavljuju tokom manipulisanja i ugrađivanja, i ne mogu se pobijati šipovi većih prečnika. Buka i vibracije pri pobijanju su takve da ih taj razlog najčešće eliminiše iz primene na lokacijama u naseljenim mestima.
Pobijeni šipovi betonirani u tlu (Slika 9.14-c) ugrađuju se pod zaštitom prethodno pobijene čelične cevi koja se nakon dostizanja željene dubine sukcesivno izvlači iz tla uz dodavanje betona. Dobre osobine ove vrste šipova, koji se mnogo koriste u svetu, a primenjuju se i kod nas (Franki šip ili sličan), ogledaju se u mogućnosti da se dubina prilagodi otporu tla pri pobijanju cevi, zatim se može formirati proširena baza šipa i tako povećati nosivost baze, a površina stabla je hrapava što omogućava maksimalnu mobilizaciju smičućeg otpora u krupnozrnom tlu. Međutim, teže je kontrolisati kvalitet ugrađenog betona, pa neadekvatno izvođenje može proizvesti šipove sa prekidom u stablu, prečnici su ograničeni na manje od 60 cm i dubine pobijanja su ograničene do oko 20 m, sa tipičnim dopuštenim opterećenjima oko 600 do 1200 kN. U zasićenom tlu mogu izazvati poremećaje i porne pritiske koji u procesu konsolidacije nakon izvođenja mogu izazvati pojavu negativnog trenja. Ne mogu se izvoditi sa površine vode bez posebne opreme. Buka i vibracije tokom izvođenja su znatne, ali nešto manje nego kod pobijanja prefabrikovanih betonskih šipova.
Ograničenja u pogledu veličine prečnika šipa se prevazilaze primenom bušenih šipova betoniranih u tlu (Slika 9.14-d). Mogu se izvoditi prečnici od min. 60 cm, sasvim su uobičajeni prečnici od 1,2 do 1,5 m, a maksimalni prečnici dostižu i 3 do 5 m, tako da se često nazivaju i šipovima velikog prečnika. U povoljnim uslovima može se u vezanom tlu izvesti proširenje baze. Za razliku od pobijenih šipova, tlo se vadi pod zaštitom prethodno utisnute čelične cevi i iskopani materijal zamenjuje betonom. U novije vreme razvijena je tehnologija izvođenja bušenih šipova umerenih prečnika bez zaštitne cevi, sa kontinualnom spiralom oko uže centralne cevi kroz koju se, nakon dostizanja željene dubine, unosi beton uz sukcesivno povlačenje pribora. Bušeni šipovi se mogu primenjivati u naseljenim područjima jer je buka pri ugrađivanju umerena, vibracija praktično i nema, ali zato nema ni efekata zbijanja tla u koje se šip ugrađuje.
Suprotna krajnost u odnosu na šipove velikog prečika su razne vrste mini ili mikrošipova koji će se ovde svrstati u grupu "koren šipova". Takvi šipovi imaju relativno mali prečnik, svega 8 do 15-30 cm, (Slika 9.14-e), neki se armiraju sa samo po jednom šipkom armature, pobijeni dostižu dubinu do max. oko 6 metara, ali se posebnim tehnikama bušenja mogu dostići i veće dužine. Zbog malih prečnika, umesto betona primenjuje se malter.
U nekim zemljama je veoma rasprostranjena primena čeličnih šipova od H profila (Slika 9.14-f), raznih kombinovanih čeličnih profila spojenih zakivanjem ili zavarivanjem, ili od čeličnih cevi koje mogu biti zapunjene betonom ili po pobijanju mogu biti ostavljene prazne. Čelične cevi se često pobijaju i sa otvorenim donjim krajem tako da tlo delimično ispuni pobijenu cev. Ovi šipo vi se mogu pobijati sa površine vode, često se primenjuju u fundiranju kejskih zidova, ali se mora imati u vidu njihova ograničena otpornost protiv korozije, te se primenjuju različite mere zaštite.
Rezimirajući postupke ugrađivanja, u načelu, šip se u tlo može ugraditi na tri načina: pobijanjem udarima, ugrađivanjem u prethodno izrađenu bušotinu iz koje je iskopavanjem tlo uklonjeno i statičkim utiskivanjem u tlo. Dužina šipa najčešće nije manja od oko šest metara, najčešće dužine su između 10 i 20 metara, a mogu dostići dužinu i od više desetina metara, pa čak i do 100 m. Poprečna dimezija šipova koji se u tlo ugrađuju pobijanjem kreće se od najmanje 8 cm (mikro-šipovi) do oko 60 cm, dok se uz prethodno bušenje u tlo ugrađuju šipovi sa tipičnim prečnicima između 60 i 150 cm, a mogu se postići i dimezije prečnika do oko 3,0 m, izuzetno 5,0 m primenom odgovarajućih tehnologija građenja uklanjanjem tla iz bušotine velikog prečnika.
ZNAČAJ NAČINA UGRAÐIVANJA ŠIPA
Raspodela napona u tlu, veličina sleganja i granična nosivost šipa zavisi, osim od dimenzija, i od načina ugrađivanja šipa. Šip predstavljen cilindrom dužine Df i prečnika B predstavlja diskontinuitet u masi tla koji ili zamenjuje ili potiskuje tlo, zavisno od toga da li je ugrađen pobijanjem (ili utiskivanjem) ili bušenjem uz uklanjanje tla. Usled izvođenja iskopa uklanjanjem tla dolazi do pomeranja tla prema unutrašnjosti šipa, što izaziva poremećaj u glini i razrahljivanje u pesku. Utiskivanje šipa u prostor mase tla ili unošenje svežeg betona uz vibriranje ili nabijanje, unosi nov poremećaj potiskujući delimično tlo u suprotnom pravcu. Pri pobijanju ili utiskivanju nastaju još veći poremećaji.
Baza šipa deluje kao manja temeljna stopa, koja akumulirajući konus tla ispod baze, prodire naniže potiskujući tlo u stranu izazivajući sukcesivni prolom tla. Tako se stvara poremećena zona koja ima širinu od jednog do dva prečnika šipa. Unutar poremećene zone u zasićenom sitnozrnom tlu deformacije su dovoljno velike da se može ispoljiti nedrenirana smičuća čvrstoća u prerađenom stanju cur, koja zavisi od osetljivosti, senzitivnosti gline, uz pojavu dopunskih pornih pritisaka. Discipcija pornog pritiska u procesu konsolidacije, novi efektivni naponi nakon ugrađivanja šipa, a pre nanošenja opterećenja objektom, mogu uticati na promenu kako drenirane, tako i nedrenirane smičuće čvrstoće, ali i na ukupno opterećenje šipa dodatnim negativnim trenjem. Nova čvrstoća se razlikuju od početne, karakteristične za neporemećene uzorke gline uzete iz tla za laboratorijska ispitivanja pri početnom geostatičkom stanju napona.
U krupnozrnom rastresitom i srednje zbijenom tlu obično dolazi do zbijanja i povećanja smičuće čvrstoće pri ugrađivanju šipa utiskivanjem ili pobijanjem. Međutim, u veoma zbijenom tlu može doći do razrahljivanja, kada se prekorači vršna smičuća čvrstoća, savladavaju se efekti dilatancije i nakon povećanja zapremine, lom se događa pri konstantnoj zapremini i smičuća čvrstoća može opasti do veličine uslovljene sa φcv′.
Temelj na šipovima, pa čak i pojedinačan šip, visoko je neodređen statički sistem. Mogućnost precizne analize temelja sa šipovima je znatno manja u poređenju sa drugim problemima koji se tretiraju u mehanici tla. Sistematizovana empirijska znanja i rezultati probnih opterećenja na lokaciji budućeg objekta su obično neophodni za korektno rešenje temeljenja na šipovima. U ovom poglavlju će se prikazati priroda problema vertikalnog šipa opterećenog aksijalnom silom u svetlu mehanike tla.
MEHANIZAM PRENOŠENJA OPTEREĆENJA
Vertikalna sila Q naneta na vrh šipa prenosi se na tlo preko baze šipa komponentom Qb i preko komponente stabla Qs, prema Slici 9.15. Sa povećavanjem opterećenja povećava se sleganje i ukupna zavisnost obično pokazuje žilavo ili plastično ponašanje pri opterećenjima koja izazivaju lom tla u dreniranim uslovima, što ukazuje da se lom tla u području baze šipa događa kao lom pri probojnom ili lokalnom smicanju (Slika 9.1-b, c i Slika 9.2).
Slika 9.15. Komponente nosivosti šipa
Idealizovana i sasvim pojednostavljena elasto-plastična aproksimacija razvoja komponenti sa povećavanjem ukupnog opterećenja ukazuje da se granična veličina sile koju prima stablo šipa Qs ispoljava pri relativno malim sleganjima reda veličine 5-15 mm, uz mogućnost daje zavisnost krto-plastičnog tipa. Međutim, za dostizanje granične sile nosivosti Qb = Qbf baze šipa potrebno je znatno veće sleganje reda veličine 10% njegovog prečnika. To znači da ove dve komponente pri radnom opterećenju nisu mobilisane u istim proporcijama graničnih nosivosti, tako da postoje jaki razlozi da se računa sa relativno velikim učešćem nosivosti omotača šipa, a sa znatno manjom mobilizacijom nosivosti baze, koja odgovara dopuštenim sleganjima šipa.
GRANIČNA NOSIVOST
Ukupna granična nosivost šipa težine W jednaka je zbiru nosivosti baze Qb,f i nosivosti stabla Qs,f, odnosno:
Qf = Qb,f + Qs,f + W (9.67)
Granična nosivost baze šipa je:
Qb,f = Abqb,f (9.68)
gde je:
Ab površina baze šipa,
qb,f granična nosivost tla u području baze šipa.
Granična nosivost omotača šipa je:
Qs,f = Σ(ΔL)asτs,f (9.69)
gde je:
ΔL dužina dela šipa,
as površina omotača stabla po jedinici dužine šipa,
τs,f smičuća čvrstoća, granični napon smicanja na kontaktu omotača i tla.
Za prognozu granične i dopuštene nosivosti primenjuju se mnoge metode. Evropska iskustva objavili su De Cock i Legrand (1997). Prema našem "Pravilniku" dozvoljeno opterećenje šipa dokazuje se najmanje sa dva od sledećih načina:
- obrascima s obzirom na stepen mobilizacije otpornosti tla,
- obrascima u kojima se koriste podaci penetracionog sondiranja,
- probnim opterećenjem šipova,
- prema iskustvu sa šipovima u sličnom tlu,
- obrascima s obzirom na otpornost pri pobijanju šipova.
U ovom tekstu će se prikazati osnove prve tri metodologije, od kojih se prva može nazvati Teorijskim metodama Mehanike tla, druga obuhvata primenu rezultata penetracionih sondiranja statičkim penetrometrom (CPT), odnosno rezultata standardnog penetracionog opita (SPT), a treća, jedan postupak probnog opterećenja.
