Inovace studijního oboru Geotechnika reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0009

SILNIČNÍ A GEOTECHNICKÁ

LABORATO Ř

podklady do cvičení STATICKÁ ZAT ĚŽOVACÍ ZKOUŠKA

Ing. Marek Mohyla Místnost: C 315

Telefon: 597 321 362 E-mail: marek.mohyla@vsb.cz

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 polo-automatickému 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:

• velikost desky: 300mm; • počet zatěžovacích cyklů (1-3): 2; • počet zatěž. st. 1. cykl. (1–7): 6; • počátek výpočtu (stup. 0-5): 1; • konec výpočtu (stup. 2-6): 5; • tlak desky (MPa): 0,300 1); • tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: Ano; • počet zatěž. st. 2. cykl. (1-7): 6; • počátek výpočtu (stup. (0-5): 1; • konec výpočtu (stup. 2-6): 5; • tlak desky (MPa): 0,300; • tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: Ano; • počet odleh. st. 1. cykl (1-4): 3; • tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: Ne 2); • tlak (MPa): cykl.1, 1.st.: 0,150; • tlak (MPa): cykl.1, 2.st.: 0,075; • tlak (MPa): cykl.1, 3.st.: 0,000; • počet odleh. st. 2. cykl (1-4): 3; • tlak desky dělit rovnoměrně? [A/N]: Ne; • tlak (MPa): cykl.2, 1.st.: 0,150; • tlak (MPa): cykl.2, 2.st.: 0,075; • tlak (MPa): cykl.2, 3.st.: 0,000; • ustálení 0,05 mm (1-3): 1 min; • modul pružnosti [A/N]: Ne 3); • U1: start zk.? [A/N]:

1) 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: Edef,2 [MPa] zemní pláň (povrch aktivní zóny) ≥ 45

ochranné, nestmelené vrstvy ≥ 120 horní nestmelené podkladní vrstvy ≥ 180

Další požadované hodnoty stanovuje např.: TP 170 „Navrhování vozovek pozemních komunikací“ (platný od 1. prosince 2004).

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 D [%] Edef,2 [MPa] GW ≥ 100 ≥ 100

≥ 97 ≥ 70 GP, SW, SP ≥ 100 ≥ 80

≥ 95 ≥ 45

Tab. 3 Ukázka směrných hodnot poměru Edef,2/Edef,1 [1]:

Druh sypaniny Charakteristika Edef,2/Edef,1 hrubozrnné zeminy D ≥ 100 ≥ 2,3

D ≥ 97 ≥ 2,6 jemnozrnné zeminy D ≥ 95 ≥ 2,0 kamenitá sypanina - ≥ 4,0

Edef,2=45MPa

Vzorový příklad vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky

Základní rovnice pro vyhodnocení Edef je následující [1]:

y

prEdef ∆

∆⋅⋅= 5,1 (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. Fáze

zkoušky Kontaktní

napětí [MPa]

Zatlačení desky [mm]

1

První zatěžovací

cyklus

0,00 0,00 2 0,05 0,35 3 0,10 0,75 4 0,15 1,21 5 0,20 1,82 6 0,25 2,61 7 0,30 3,62 8

Odlehčení 0,15 3,09

9 0,08 2,70 10 0,00 1,47 11

Druhý zatěžovací

cyklus

0,05 1,93 12 0,10 2,27 13 0,15 2,66 14 0,20 3,04 15 0,25 3,39 16 0,30 3,86

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:

2210 papaay ⋅+⋅+= (2)

Obr. 2 dokumentuje grafické vykreslení naměřených dat a proložení zatěžovacích větví polynomy 2. stupně.

y = 26,429x2 + 3,8214x + 0,0479R² = 0,9986

y = 0,381x2 + 7,6429x + 1,5012R² = 0,9985

0

1

2

3

4

5

0 0,1 0,2 0,3

Za

tla

čen

í d

esk

y [

mm

]Kontaktní napětí [MPa]

1. zatěžovací cyklus

odlehčení

2. zatěžovací cyklus

Rovnice 1. zatěžovací větve je: 0479,08214,3429,26 2 +⋅+⋅= xxy

Odpovídající konstanty polynomu: .429,26;8214,3;0479,0 210 === aaa

Rovnice 2. zatěžovací větve je: 5012,16429,7381,0 2 +⋅+⋅= xxy

Odpovídající konstanty polynomu: .381,0;6429,7;5012,1 210 === aaa

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]:

)(

5,1

max21 paa

rEdef ⋅+

⋅= (3)

Po dosazení dostaneme:

MPaEdef 149,19)3,0429,268214,3(

1505,11, =

⋅+⋅=

MPaEdef 005,29)3,0381,06429,7(

1505,12, =

⋅+⋅=

Přehled výsledků:

Zjišťované a počítané veličiny Zatěžovací cyklus

označení rozměr první druhý

pmax MPa 0,300 0,300

a1 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 - 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

Příloha č. 1 Schéma statické zatěžovací desky

min

. 5

20 m

m

(bez

dis

tančn

ího

n

ásta

vce)

ten

zom

etri

cký

sním

ač s

íly

kru

ho

vá

zatě

žova

cí

des

ka

pís

t h

ydra

ulic

kéh

o z

atěž

ova

cíh

o s

ysté

mu

tlak

ový

ven

til

ručn

í pu

mp

a

dis

tan

ční n

ásta

vec

mag

net

ická

hla

vice

s k

lou

bem

tisk

árn

a

tele

skop

ické

sní

mac

í ram

eno

měř

ícíh

o no

sník

u stav

itel

ná

op

ěra

měř

ící n

osn

ík

opto

elek

tron

ický

lin

eárn

í sní

mač

dráh

y

pro

tizá

těž

(po

dvo

zek

nák

lad

níh

o

auto

mo

bilu

)

mik

rop

očí

tačo

vá je

dn

otk

a

display

signalizace vybité baterie

alfanumerická klávesnice

signalizace zapojení síťového adapteru

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 Kontaktní napětí [MPa] Zatlačení desky [mm]

Další údaje:

Hladina podzemní vody:

Jméno a podpis odpovědného technika: