Výpočetní metody pro návrh základových konstrukcí u ČSN 73 1004
Příspěvek popisuje novou ČSN 731004 Navrhování základových konstrukcí, Stanovení požadavků pro výpočetní metody, která vyšla v červenci 2020. Předmětem této normy jsou jednoduché výpočetní metody pro návrh základových konstrukcí založené vesměs na konvenčních analytických metodách ověřených dlouhodobým užíváním nejen v České republice. Norma se týká plošných základů, pilot vrtaných a ražených, mikropilot a sloupů tryskové injektáže pro osové zatížení. Určena je především pro konstrukce spadající do 2. geotechnické kategorie.
1. Úvodní poznámky
V květnu roku 2020 byla dokončena nová česká norma pro zakládání staveb ČSN 731004 Navrhování základových konstrukcí – Stanovení požadavků pro výpočetní metody. Norma zohledňuje skutečnosti spojené s přechodem na soustavu Eurokódů, konkrétně ČSN EN 1997: Navrhování geotechnických konstrukcí a na zrušení ČSN 73 1001: Základová půda pod plošnými základy a 73 1002: Pilotové základy. Nová ČSN 731004 využívá klasifikaci základových půd podle ČSN P 73 1005, ČSN EN ISO 14688-1, ČSN EN ISO 14688-2, ČSN EN ISO 14689-1 a rovněž základní principy pro návrh základů pomocí mezních stavů při jejich odlišení podle 3 základních Geotechnických kategorií (GK). Zaměřuje se na navrhování následujících geotechnických konstrukcí při využití výpočetních modelů:
- plošné základy,
- pilotové základy,
- mikropilotové základy,
- sloupy tryskové injektáže pro osové zatížení.
Předmětem normy jsou jednoduché výpočetní metody pro návrh základových konstrukcí, založené zejména na konvenčních analytických metodách, ověřených dlouhodobým používáním zde uvedených postupů.
Cílem normy je zachování dosavadních dobrých zkušeností při navrhování běžných základových konstrukcí při využití metodiky návrhu podle Eurokódu 7: Navrhování geotechnických konstrukcí. Jde o přehled a doporučení návrhových výpočetních metod, s kterými byly dobré zkušenosti.
Bližší aplikace, a to nejen uvedených metod, ale i dalších doporučených postupů vč. základních technologických požadavků pro návrh základových konstrukcí obsahuje např. [4].
Výpočetní modely analytické jsou nejčastěji využitelné pro 2. GK. Pro 3. GK převládají numerické výpočetní modely, zatímco pro 1. GK převládají návrhy na základě dosavadních zkušeností.
2. Obsah normy
- Předmluva
- 1 Předmět normy
- 2 Citované dokumenty
- 3 Termíny, definice a značky
- 4 Základní principy
- 4.1 Rozlišení návrhu podle geotechnické kategorie (GK)
- 4.2 Základní principy návrhu geotechnické konstrukce
- 5 Plošné základy
- 5.1 Obecně
- 5.2 Hloubka založení
- 5.3 Navrhování plošných základů spadajících do 1. GK
- 5.4 Vstupní veličiny pro návrh plošných základů spadajících do 2. GK
- 5.5 Základní podmínka návrhu podle m.s. porušení (ULS) typu GEO
- 5.6 Základní podmínka návrhu podle m.s. použitelnosti (SLS) – sedání
- 6 Pilotové základy
- 6.1 Obecně
- 6.2 Návrhová doporučení a návrhové metody
- 6.3 Stanovení návrhové únosnosti pilot z výsledků zatěžovacích zkoušek
- 6.4 Metody výpočetního stanovení osové únosnosti vrtaných pilot
- 6.5 Metody analytického stanovení příčné únosnosti vrtaných pilot
- 6.6 Metody analytického stanovení osové únosnosti ražených pilot
- 6.7 Ostatní výpočetní modely pro ražené piloty
- 7 Mikropiloty
- 7.1 Základní požadavky
- 7.2 Zásady technologického postupu výroby mikropilot
- 7.3 Osová únosnost mikropilot
- 7.4 Zatěžovací zkoušky
- 7.5 Osová únosnost stanovená výpočtem
- 7.6 Ohybová únosnost
- 8 Sloupy tryskové injektáže osově namáhané
- 8.1 Definice, druhy tryskové injektáže
- 8.2 Osová tlaková únosnost sloupů tryskové injektáže
- 8.3 Statické zatěžovací zkoušky sloupů tryskové injektáže a jejich vyhodnocení
- 8.4 Osová únosnost sloupů tryskové injektáže stanovená výpočtem
- Přílohy
- A Hodnoty tabulkové návrhové únosnosti plošných základů
- B Doporučené limitní velikosti sednutí
- C Velikosti koeficientů μ0 a μ1 pro výpočet počátečního sedání nasycených jemnozrnných zemin
- D Hodnoty opravného součinitele přitížení m
- E Napětí pod rohem obdélníka b.l zatíženého konstantním zatížením f
- F Napětí pod charakteristickým bodem obdélníka b.l zatíženého konstantním zatížením f
3. Základní principy
Geotechnické kategorie musí být stanoveny v souladu s ČSN EN 1997-1, přičemž základní zařazení do příslušné GK má se uskutečnit již v rámci inženýrsko-geologického průzkumu. Za tím účelem se v současné době připravuje úprava a aktualizace normy ČSN 731005: Inženýrsko-geologický průzkum, jež sice vyšla v r. 2018, ale zatím jako norma předběžná (P). Dle této normy je povinností průzkumu vytvořit tzv. inženýrsko-geologický model včetně návrhu geotechnických typů (GT) a k nim přiřadit odvozené parametry geotechnických vlastností základové půdy. V normě bude rovněž uvedeno, že lze dodat i návrh hodnot charakteristických a je na projektantovi, zdali je bude akceptovat či nikoliv, v každém případě však za velikosti charakteristické nese zodpovědnost projektant.
Geotechnické konstrukce zařazené do 1. GK lze podle ČSN EN 1997-1 navrhovat na základě dosavadních zkušeností, s pomoci rutinních metod, což zcela přebírá i ČSN 731004. Hlavním předmětem této normy jsou geotechnické konstrukce spadající do 2. GK, navrhované za využití analytických výpočetních metod. Geotechnické konstrukce zařazené do 3. GK mají využívat alternativní ustanovení a pravidla, která vycházejí z nejnovějších poznatků oboru a ve větší míře využívají numerické výpočetní metody a vyžadují příslušně rozsáhlý a obsáhlý geotechnický průzkum.
Základní princip návrhu geotechnické konstrukce spočívá v ověření, že pro žádnou návrhovou situaci není překročen příslušný mezní stav a pro splnění této základní podmínky je nutné:
- specifikovat všechny relevantní návrhové situace,
- specifikovat příslušné mezní stavy pro návrhové situace,
- specifikovat zatížení příslušná pro návrhové situace,
- specifikovat geotechnické parametry příslušné pro návrhové situace,
- specifikovat charakteristické hodnoty geotechnických parametrů,
- specifikovat návrhový přístup.
Za základní návrhové situace specifikované v této normě se považují:
- stav pro zatížení za neodvodněných podmínek spojené s krátkodobou (neodvodněnou) únosností, okamžitým (počátečním) sednutím (nasycené zeminy za neodvodněných podmínek) a následným konsolidačním sednutím, jehož konečná velikost se uvažuje stejná jako při odvodněných podmínkách,
- stav pro zatížení za odvodněných podmínek spojené s dlouhodobou (odvodněnou) únosností a odvodněným sednutím.
Rozlišení těchto dvou stavů je významné především pro jemnozrnné zeminy, pro propustné hrubozrnné zeminy to může být relevantní např. při dynamickém zatížení. Únosnost plošných základů v jemnozrnných zeminách se má ověřovat pro obě návrhové situace, neodvodněnou i odvodněnou, přičemž rozhodnutí, která bude relevantní, nelze učinit bez detailní znalosti dráhy napětí a to zejména v případě silně překonsolidovaných zemin.
4. Mezní stavy, geotechnické parametry
Za základní mezní stavy specifikované v této normě se považuji:
- mezní stav porušení (ULS);
- mezní stav použitelnosti (SLS).
Ze všech mezních stavů porušení se tato norma zaměřuje na mezní stavy typu GEO a STR, ostatní mezní stavy porušení typu EQU, UPL, HYD resp. další mezní stavy specifikované v ČSN EN 1997-1:2006, vyžadují individuální přístup. Pevnost zemin je rozhodující pro posuzování mezního stavu GEO, přičemž pro základní návrhové situace se používají následující parametry:
- pro odvodněnou únosnost: odvodněná pevnost s efektivními parametry smykové pevnosti (φ´, c´), pro analýzu v efektivních napětích,
- pro krátkodobou únosnost: lze analyzovat v totálních napětích při neodvodněné pevnosti cu,
- pro únosnost a sedání základů na částečně nasycených zeminách je třeba analyzovat individuálně, koncepce neodvodněného zatěžování platí v takovýchto případech jen omezeně.
Pracuje se s následujícími typy geotechnických parametrů základové půdy:
- hodnoty odvozené získané z výsledků laboratorních a terénních zkoušek doplněných osvědčenou zkušeností; tyto parametry musí být obsaženy v inženýrsko-geologickém průzkumu a zodpovídá za ně zpracovatel průzkumu, který současně navrhne příslušné geotechnické typy (GT) ve vztahu k odvozeným hodnotám geotechnických parametrů základových půd,
- hodnoty charakteristické, jež jsou obezřetným odhadem vycházejícím zejména z hodnot odvozených a přihlížejícím k výskytu příslušného mezního stavu; charakteristické parametry stanoví projektant,
- parametry návrhové (Xd) se stanoví z parametrů charakteristických (Xk) pomocí vztahu:
kde jsou
- γM
- dílčí součinitelé parametrů základové půdy podle tabulky z normy.
5. Plošné základy
Plošnými základy jsou základové konstrukce přenášející vnější zatížení pouze plochou základové spáry; jsou to: základová patka, základový pas a základová deska, popř. jejich kombinace. Jednoduché a v normě uvedené analytické metody pro výpočet a posouzení plošných základů jsou použitelné zejména pro základové patky a pasy s šířkou základu B ≤ 3,0 m. Základové desky se posuzují především metodami matematického modelování a spadají většinou do 3. GK.
Při navrhování plošných základů, které patří do 1. GK, platí:
kde je
- σd
- návrhové kontaktní napětí v základové spáře,
- Vd
- návrhová hodnota svislé síly (V) vycházející zejména ze stálého zatížení (G),
- A'
- efektivní plocha základové spáry;
- qdt
- tabulková návrhová únosnost základové půdy.
Vstupní veličiny pro návrh plošných základů spadajících do 2. GK jsou:
- pro mezní stav únosnosti:
- geologický model podloží doplněný o soubor odvozených parametrů základových půd,
- geotechnický model podloží s charakteristickými parametry základové půdy, jež budou využity v modelu výpočetním (matematickém) při stanovení hodnot návrhových,
- návrhové zatížení, které se skládá ze zatížení stálého (G) a proměnného (Q) v souladu s ČSN EN 1990 resp. ČSN EN 1991.
- pro mezní stav použitelnosti – deformace (sednutí):
- geologický model podloží doplněný o soubor odvozených parametrů základových půd,
- geotechnický model podloží s charakteristickými parametry základové půdy, především deformačními,
- charakteristické zatížení, které se skládá především ze zatížení stálého (G) v souladu s ČSN EN 1990, resp. ČSN EN 1991 a podle uvážení projektanta také s dlouhodobou složkou zatížení proměnného (Q).
Základní podmínka posouzení m.s. únosnosti základové půdy:
kde je
- σd
- návrhové kontaktní napětí v základové spáře,
- Vd
- návrhová hodnota zatížení V vycházející ze stálého zatížení stálého (G) a proměnného (Q),
- A'
- efektivní plocha základové spáry.
- Rvd
- svislá návrhová únosnost [kN].
Základní podmínka s ohledem na odolnost proti usmyknutí v základové spáře:
kde je
- Hd
- návrhová hodnota vodorovného zatížení nebo složka celkového návrhového zatížení působící rovnoběžně se základovou spárou,
- Rd
- návrhová hodnota odporu v základové spáře,
- Rpd
- návrhová hodnota odporující síly vyvolaná zemním tlakem na boční stranu základu,
- δ
- úhel tření v základové spáře závisející na její drsnosti,
- cad
- návrhová hodnota součinitele adheze.
Pro odvodněnou únosnost plošných základů v zeminách lze použít vztah:
Neodvodněnou únosnost jemnozrnných, vodou nasycených zemin lze stanovit:
Únosnost plošných základů v horninách lze stanovit ze vztahu:
Základní podmínka mezního stavu únosnosti plošných základů podle ČSN EN 1997-1:2006 musí být splněna pro Návrhový přístup NP1, jenž je charakterizován následující kombinací dílčích součinitelů na zatížení (A), na materiál (M) a na odpor (R):
- kombinace 1: A1 „+“ M1 „+“ R1,
- kombinace 2: A2 „+“ M2 „+“ R1,
(příslušné dílčí součinitele typu A, M a R lze nalézt v normě).
Pro posouzení m.s. použitelnosti je návrhová hodnota účinku zatížení tvořena výpočtovou deformací pro sednutí rovnoměrné s, nebo pro sednutí nerovnoměrné Δ s / L, tudíž základní podmínka pro mezní stav použitelnosti z hlediska deformací je:
Pro orientační posouzení tuhosti základové konstrukce k lze využít vztahu:
Výpočet sedání neodvodněné základové půdy musí zahrnovat sedání okamžité i konsolidační. Mají se uvažovat následující složky sedání:
- s0 okamžité sednutí neodvodněné nasycené zeminy v důsledku smykové deformace za konstantního objemu:
s0 = σol ‧ B / Eu ‧ Iu (11)
- s1 konsolidační sednutí:
s1 = Σσz,i ‧ hi / Eoed,i (12)
s1 = Σ(σ´z,i − mi ‧ σor,i) ‧ hi / Eoed,i (13)
- st sednutí sekundárním stlačením (creep):
st = s1 ‧ U (14)
6. Pilotové základy
Piloty jsou nejrozšířenější a nejvíce používané prvky hlubinných základů. Dělí se do 2 skupin:
- piloty ražené (displacement), kdy se zemina z prostoru, který pilota v základové půdě zaujímá neodstraňuje, nýbrž je stlačena do stran i pod patu piloty; pro provádění těchto pilot platí ČSN EN 12699,
- piloty vrtané (non displacement, replacement), kdy se zemina v průběhu provádění odstraňuje z prostoru budoucí piloty; pro jejich provádění platí ČSN EN 1536.
Vrtané piloty jsou nosné prvky, které přenášejí zatížení ze stavební konstrukce do základové půdy a/nebo omezují deformace. Zahrnují jak prvky průřezu kruhového, tak i lamely podzemních stěn s nekruhovým průřezem. Piloty kruhového průřezu mají průměr dříku 0,3 m ≤ d ≤ 3,0 m, který může být jednotný po celé výšce, teleskopicky proměnný, nebo s rozšířením v patě, přičemž poměr délky piloty k průměru L/d ≥ 5. Nekruhové lamely podzemních stěn mají nejmenší příčný rozměr Wi ≥ 0,4 m a poměr mezi největším a nejmenším příčným rozměrem Li /Wi ≤ 6 a plochu průřezu A ≤ 15 m2, přičemž průřez lamely musí být betonován najednou, (bez koutových pažnic).
Piloty ražené jsou prvky bez omezení příčného rozměru, které se instalují v základové půdě beraněním, vibrováním, zatlačováním nebo šroubováním.
Při návrhu a posouzení pilotových základů sestávajících z vrtaných nebo ražených pilot je třeba řešit následující úlohy:
- stanovení návrhové únosnosti osamělé piloty zatížené svislým osovým zatížením (tlakovým, popř. tahovým) pro mezní stav porušení, (ULS),
- stanovení únosnosti osamělé piloty zatížené svislým osovým zatížením (tlakovým, popř. tahovým) pro mezní stav použitelnosti, (SLS),
- stanovení únosnosti osamělé piloty zatížené příčným zatížením (kombinací příčné síly a ohybového momentu) pro mezní stav porušení, event. pro mezní stav použitelnosti, (ULS) i (SLS),
- stanovení návrhové únosnosti skupiny pilot zatížené svislým osovým zatížením (tlakovým, popř. tahovým) pro mezní stav porušení, (ULS),
- stanovení únosnosti skupiny pilot zatížené svislým osovým zatížením (tlakovým, popř. tahovým) pro mezní stav použitelnosti, (SLS),
- stanovení únosnosti skupiny pilot zatížené příčným zatížením, (kombinací příčných sil a ohybových momentů) pro mezní stav porušení, event. pro mezní stav použitelnosti, (ULS),
- stanovení velikosti sil v jednotlivých pilotách skupinového pilotového základu pro všechny typy zatížení a oba mezní stavy.
Při výpočtu únosnosti pilot se postupuje podle Návrhového přístupu NP2. Základní úlohy týkající se pilot osamělých lze ve smyslu ČSN EN 1997-1 řešit následujícími postupy:
- návrhem na základě výsledků statických zatěžovacích zkoušek pilot zkušebních, systémových, či modelových, jejichž výsledky jsou v souladu s relevantní zkušeností,
- návrhem na základě empirických nebo analytických výpočetních metod, jejichž platnost byla potvrzena statickými zatěžovacími zkouškami pilot ve srovnatelných situacích,
- návrhem na základě výsledků dynamických zkoušek pilot, jejichž platnost byla potvrzena statickými zatěžovacími zkouškami ve srovnatelných situacích,
- pozorováním chování srovnatelného pilotového základu prokazujícího, že tento přístup je podpořen výsledky geotechnického průzkumu staveniště a zkouškami základové půdy.
Modely pro osamělé vrtané piloty:
- Stanovení návrhové osové únosnosti pilot z výsledků statických zatěžovacích zkoušek,
- Metody výpočetního stanovení osové únosnosti vrtaných pilot:
- výpočetní model pro mezní stav porušení (ULS) osamělé, osově zatížené vrtané piloty tlakem v zeminách a horninách tř. R3 až R6,
- výpočetní model pro mezní stav porušení (ULS) osamělé, osově zatížené vrtané piloty tlakem v horninách tř. R1, R2,
- výpočetní model pro mezní stav porušení (ULS) osamělé, osově zatížené vrtané piloty tahem,
- výpočetní model pro mezní stav použitelnosti (SLS) osamělé, osově zatížené vrtané piloty tlakem (stanovení průběhu mezní zatěžovací křivky),
- piloty opřené patou o nestlačitelné podloží,
- únosnost vrtaných pilot zahloubených do stlačitelného podloží,
- negativní plášťové tření.
Modely pro skupiny vrtaných pilot:
- výpočetní model pro mezní stav porušení (ULS) skupiny vrtaných, svisle tlakem zatížených pilot,
- výpočetní model pro mezní stav použitelnosti (SLS) skupiny vrtaných, svisle zatížených pilot tlakem,
- výpočetní modely skupiny pilot pro stanovení sil v jednotlivých pilotách:
- piloty v hlavách kloubově spojené se základovou patkou,
- piloty v hlavách vetknuté do základové patky.
Modely pro osamělou, příčně zatíženou pilotu:
- stanovení modulu horizontální stlačitelnosti a tuhosti piloty,
- tuhé, příčně zatížené osamělé vrtané piloty:
- homogenní jemnozrnná zemina,
- homogenní hrubozrnná zemina,
- ostatní případy statického uložení tuhých vrtaných pilot,
- ohebné, příčně zatížené osamělé vrtané piloty,
- výpočetní model pro skupinu příčně zatížených pilot.
7. Mikropiloty
Jsou uvedeny hlavní zásady technologického postupu výroby mikropilot. Osovou únosnost mikropilot lze stanovit zkouškou, nebo statickým výpočtem. Příčnou únosnost mikropilot lze stanovit statickým výpočtem únosnosti průřezu mikropilot podle zásad výpočtu ocelových, betonových, popř. spřažených konstrukcí. Při stanovení osové únosnosti mikropilot výpočtem se postupuje podle Návrhového přístupu NP2. Další články jsou věnovány:
- statickým zatěžovacím zkouškám,
- osová únosnosti stanovené výpočtem,
- vnější návrhové únosnosti (ULS) osamělé mikropiloty,
- vnější návrhové únosnosti skupiny mikropilot,
- vnitřní osová únosnosti mikropilot,
- ohybová únosnost:
- vnější ohybová únosnost,
- vnitřní únosnost ohýbaných mikropilot s výztužnou trubkou.
8. Sloupy tryskové injektáže (TI) pro osové tlakové zatížení
Trysková injektáž (TI) je metoda zlepšování vlastností základové půdy založená na rozrušení struktury základové půdy v okolí vrtu vysokou mechanickou energií tryskaného média, jejího částečného nahrazení a smíchání rozrušené základové půdy s cementačním pojivem za vzniku geokompozitu. Kapitola pojednává o:
- definici a druzích tryskové injektáže,
- osové tlakové únosnosti sloupů tryskové injektáže.
Osovou tlakovou únosnost sloupů tryskové injektáže lze stanovit buď statickou zatěžovací zkouškou na sloupu zkušebním nebo výpočtem na základě znalosti o geotechnických vlastnostech základové půdy a o pevnosti geokompozitu, z něhož je sloup tvořen.
Jsou uvedeny:
- statické zatěžovací zkoušky sloupů tryskové injektáže a jejich vyhodnocení,
- stanovení osové únosnosti sloupů tryskové injektáže výpočtem.
9. Závěr
Nová norma ČSN 731004 konečně vyplnila mezeru vzniklou po r. 2006, kdy v souvislosti s vydáním evropské normy ČSN EN 1997-1 došlo ke zrušení českých norem ČSN 731001 a ČSN 731002 určených pro navrhování prakticky všech základových konstrukcí. Nová norma, která je určena především pro základové konstrukce spadající do 2. Geotechnické kategorie bude jistě vhodnou pomůckou především pro projektanty – statiky, pro které problematika zakládání staveb není denní rutinou.
10. Literatura
- ČSN EN 1997-1:2006 (731000) Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí – Část 1: Obecná pravidla, 2006,
- MASOPUST, J.: Vrtané piloty, nakl. Čeněk a Ježek, 1994,
- MASOPUST, J. a kol.: Rizika prací speciálního zakládání staveb, ČKAIT Praha, 2011,
- MASOPUST, J.: Navrhování základových a pažicích konstrukcí, ČKAIT Praha, 2018
The paper deals with the new Czech standard ČSN 731004 Geotechnical Design – Foundations, Requirements for calculation methods, published in July 2020. The subject of this standard ase simple calculation methods for the design of foundation structures based mostly on conventional analytical methods validated by long-term use not only in the Czech Republic. The standard applies to flat foundation structures, bored piles and displacement piles, micropiles and jet-grouted columns for axial loading. The standard is primarily intended for structures falling under 2. geotechnical category.