Praktycznie metody szacowania poziomu drgań w czasie robót palowych - metoda empiryczna

Podczas wbijania pali cześć energii jest rozpraszana i przekazywana na grunt w postaci drgań. Drgania są w gruncie tłumione, ale część z nich dociera do obiektów i instalacji zlokalizowanych w sąsiedztwie terenu robót palowych. W praktyce poziom generowanych drgań na obiekty sąsiadujące mierzy się w terenie w trakcie wbijania pali testowych. Jest to bardzo dobra metoda oceny wpływu robót palowych na obiekty sąsiednie w zakresie drgań, ponieważ uwzględnia jednocześnie wszystkie czynniki wpływające na generowanie drgań na obiekcie, tj. rzeczywiste warunki gruntowe i wodne, rzeczywisty młot i pal oraz reakcję na drgania rzeczywistego obiektu.

Do szacowania wpływu drgań od palowania na otoczenie w trakcie projektowania można wykorzystać pomiary wykonane w trakcie wbijania próbnego, ale w praktyce jest to sposób rzadko stosowany. Projektant może wykorzystać złożone modele numeryczne, które jednak wymagają dużego nakładu czasu i pracy, co znacznie ogranicza możliwość ich szerokiego wykorzystania w projektowaniu. Poza tym, ze względu na złożoność modeli numerycznych i częsty brak wiarygodnych danych wejściowych, uzyskane wyniki mogą być mało dokładne.

W projektowaniu, z praktycznych względów, najczęściej wykorzystuje się wcześniejsze doświadczenia lub – w przypadku ich braku – proste w użyciu metody empiryczne. Cechą charakterystyczną metod empirycznych jest wbudowane w nie wysokie bezpieczeństwo. W praktyce wykorzystanie metod empirycznych z reguły oznacza oszacowanie bardzo wysokiego poziomu drań, który z reguły nie wystąpi w rzeczywistych warunkach budowy.

Wykorzystując jedną z pierwszych opracowanych w 1973 roku przez Attewell’a i Farmer’a zależności empirycznych [2]:

v = CW√rv = CWr

w której:
v jest szacowaną maksymalna prędkością cząstek gruntu w mm/s,
C jest parametrem zależnym o rodzaju gruntu i młota (patrz tablica poniżej),
W jest energią młota wyrażona w J/uderzenie, a
r jest poziomą odległością puntu od miejsca wbijania pala w m.

można oszacować wartość PPV (peak particle velocity), czyli prędkość maksymalna cząstek gruntu wyrażoną w mm/s. Warto zauważyć, że metoda nie uwzględnia reakcji na drgania chronionego obiektu, co tak naprawdę jest celem tego rodzaju oszacowań.

Tablica 1. Wartość parametru C dla młotów hydraulicznych

Przykład liczbowy:
Młot hydrauliczny o ciężarze 50 kN zostanie użyty do wbicia pala prefabrykowanego w grunty sypkie średnio zagęszczone. Przyjęto maksymalną wysokość spadu młota równą 0,4m. Należy obliczyć maksymalne prędkości drgań gruntu w zależności od odległości od miejsca palowania.

Przyjęto C = 0,75 z tabeli powyżej.

Energia młota W = 50 000 N x 0,4 m = 20 000 Nm = 20 000 J.

r = 1 m, 2 m .. 50 m.

v = CW√rv = CWr

Wyniki obliczeń:

Wyniki przeprowadzonych obliczeń pozwalają przy przyjętych założeniach na bardzo bezpieczne prowadzenie robot palowych w odległości ok. 20 m od typowych obiektów oraz 45 m od zabytków lub szpitali (obiektów wrażliwych). Na podstawie doświadczeń można przyjąć, że równie bezpiecznie będzie palowanie w odległości 5 m od instalacji podziemnych oraz budowli bardzo ciężkich, a 10 m od budynków przemysłowych. Biorąc pod uwagę, że gabaryty kafara w planie osiągają ok. 10m, wyniki obliczeń nie stanowią istotnego ograniczenia dla możliwości przeprowadzenia prawidłowo zaplanowanych robót palowych.

Wyniki tego rodzaju oszacowań warto weryfikować pomiarami w terenie w trakcie wbijania pali testowych, co z reguły pozwala na zwiększenie zbliżenia robót do chronionego budynku.

Fot. 1. Przykład wbijania pali w bezpośrednim sąsiedztwie budynku

Fot. 2. Zestaw czujników do pomiaru drgań wykorzystywany standardowo w trakcie palowania w terenie zabudowanym

Fot. 3 Przykład wbijania pali w bezpośrednim sąsiedztwie budynku oraz instalacji przemysłowych

Fot.4. Przykład palowania w maksymalnym zbliżeniu do istniejącego budynku

Opracowano na podstawie:

[1] - Gary Chou: Steel Sheet Piling – Drivability vs SPT-N Values; Vibrations & Noise Level. TECHNICAL NOTE 013. KMS / AGM (Technical). Technical Department. Chun Wo Construction & Engineering Co Ltd. Version 01, Jul. 2013.
[2] - Attewell P.B., Farmer I.W.: Attenuation of ground vibrations from pile driving. Ground Engineering, Vol. 3(7), pp. 26-29 (1973).