Miloš Stanić1, Aleksandra Kiković2, Miloš Hranisavljević3, Trifun Janjić4, Darko Bogdanović5,

UTICAJ SNIŽENJA PODZEMIH VODA NA KVALITET ŠIPOVA

Rezime

Kod izvođenja bušenih šipova u prisustvu visokog nivoa podzemne vode javlja se pitanje kakva je posledica strujanja vode tokom crpljenja na ispiranje čestica sveže betonske mešavine. U radu se analizira uticaj sniženja nivoa podzemne vode na kvalitet očvrsnulog betona AB šipova i predlaže metodologija za projektovanje drenažnog sistema u tim uslovima.

Ključne reči

šipovi, intergitet šipova, podzemna voda, crpljenje vode

EFFECT OF DEWATERING ON PILES’ CONCRETE QUALITY

Summary

During bored piles performance in New Belgrade, in presence of high groundwater level, the question is what affects of groundwater movement can be on the removal of fines in fresh concrete. This paper analyzes the impact of dewatering on piles’ hardened concrete quality and metodology for dewatering system in these cicrumstances.

Key words

piles, pile integrity, groundwater, dewatering

1. UVOD

U specifičnim hidrogeološkim uslovima, izgradnja objekta može biti uslovljena time da se pojedini delovi konstrukcije izvode pri visokom nivou podzemne vode. U praksi su

1 Dipl.ing, docent, Građevinski fakultet, Beograd, Bulevar kralja Aleksandra 73, mstanic@grf.bg.ac.rs

2 Dipl.ing, Novkol , Surčinski put 1k, Beograd, Srbija, aleksandra@novkol.co.rs

3 Dipl.ing, Novkol , Surčinski put 1k, Beograd, Srbija, milhran@gmail.com

4 Dipl.ing, Novkol , Surčinski put 1k, Beograd, Srbija, janjict@novkol.co.rs

5 Dipl.ing, Novkol , Surčinski put 1k, Beograd, Srbija, darko@novkol.co.rs

mogući slučajevi da se iskop za potrebu izgradnje objekta izvodi u suvom pod uticajem sistema za sniženje nivoa podzemne vode (depresioni bunari, igla filteri). U tom slučaju se pojedini delovi konstrukcije, kao sto su šipovi, izvode u zoni koja je pod uticajem sistema za sniženje nivoa podzemnih voda. Pri nepovoljnim uslovima u pogledu ostvarenih brzina kretanja podzemne vode, može se dogoditi da se umesto zahtevanog kvaliteta betona šipova dobiju faktički šljunčani šipovi, jer je prinudno kretanje vode izazvalo ispiranje cementnog mleka. U praksi se uticaj prinudnog kretanja vode i posledice koje iz toga proizilaze često slabo prate sa aspekta postignutog kvaliteta podzemnih delova objekta.

Slika 1. Izgled šipa nakon ispiranja cementnog mleka

Generalno, ovaj problem se može prevazići na dva načina:

- Prvi način je da se pažljivim projektovanjem broja, rasporeda i kapaciteta bunara zadovolje uslovi u pogledu zahtevanog sniženja nivoa podzemne vode, a da se istovremeno obezbedi da procenjene (sračunate) brzine strujanja podzemne vode u zoni izvođenja šipova budu takve da ne mogu imati uticaj na kvalitet betona.

- Drugi način je da se šipovi izvode sa površine terena, bez prethodnog snižavanja nivoa podzemne vode. To podrazumeva da bi se tek nakon što šipovi budu izvedeni pristupilo snižavanju nivoa podzemne vode, iskopu do kote fundiranja, a potom skraćivanju (krajcovanju) šipova.

Očigledno je da se, izvođenjem šipova sa površine terena, obezbeđuje da sistem za sniženje nivoa podzemne vode nema uticaj na kvalitet izvedenih radova, ali su izvedeni šipovi često značajno veće dužine, pa se lako može pokazati da ovaj pristup najčešće nije ekonomski opravdan.

U radu će biti prezentirana metodologija planiranja i izvođenja šipova u uslovima sniženja nivoa podzemne vode. Metodologija podrazumeva definisanje kriterijuma za projektovanja drenažnog sistema, proisteklih iz kontrole kvaliteta betona AB šipova tokom izvođenja testa probnog crpljenja. Metode i postupak ispitivanja betona su sprovedeni u skladu su sa standardom ASTM D6760-02, (2002) (Standard test method for integrity testing of concrete deep foundations by ultrasonic cross hole testing).

Primena ove metodologije će biti prikazana na slučaju izgradnje objekta, Energetsko - poslovnog kompleksa od preko 40000m2 bruto površine na Novom Beogradu. Veličina i značaj objekta su zahtevali da se pre početka radova izvrše potrebne analize i definišu ključni koraci u izvođenju podzemnog dela objekta. Pri tom je bilo bitno da se ne remeti planirani rok izvođenja radova, troškovi i što je najbitnije, da se postigne zahtevani kvalitet gradnje.

2. OPIS OBJEKTA I PROBLEMATIKE

Pomenuti objekat, čiji su Investitori EPS i EDB, nalazi se na Novom Beogradu, u Bloku 20. Kompleks se sastoji iz pet objekata od kojih se objekat „B“, na površini od 4.000,00 m2 fundira na AB šipovima. Na lokaciji je ranije započeta gradnja objekta, pri čemu su radovi na konstrukciji prekinuti pri vrlo skromnom stepenu završenosti: izvedena je samo temeljna konstrukcija objekta i deo zidova i stubova. Novim projektom objekat se ukopava za još jednu etažu niže od već izvedene konstrukcije, tako da je prethodno potrebno porušiti postojeću konstrukciju i raščistiti teren.

Kota iskopa za objekat „B“ po novom projektu je 65,94 (64,94 ispod centralnog dela objekta). Vertikalna zaštita prilikom iskopa sastoji se od AB dijafragmi po konturi celog objekta, i izvodi se od kote 75,00 do kote 59,60. Nivo podzemne vode u periodima niskih vodostaja Save i Dunava je oko 67,00 dok u periodima visokih vodostaja dostiže i do 72,00. Fundiranje objekta predviđeno je na bušenim šipovima prečnika 600mm, dužine 12m. Ukupan broj šipova je 466 kom.

Nakon rušenja i raščišćavanja terena, novoformirani plato sa koga se vrši nastavak radova je na koti 72,00. Za pomenute uslove na terenu, analizirane su dve varijante izvođenja šipova:

- Prva varijanta je da se šipovi izvode sa površine platoa, iznad nivoa podzemne vode. Dubina bušenja za svaki šip povećala bi se za oko 6,0m. Bušenje treba vršiti pažljivo zbog prisustva starih „Franki“ šipova na lokaciji. Nakon betoniranja šipa do projektovane kote, neophodno je preostali iskopani deo do kote terena zapuniti peskom (oko 2m3 peska potrebno je za zapunjavanje jedne bušotine). Po završetku radova na izradi šipova, aktivira se sistem za sniženje nivoa podzemne vode i nastavlja sa iskopom do kote fundiranja sa koje se izvodi temeljna konstrukcija.

- Druga varijanta sastoji se u tome da se sistem za sniženje nivoa podzemne vode aktivira u početnoj fazi, paralelno sa iskopom. Šipovi bi se izvodili sa kote fundiranja, a uslovi za rad bi se obezbedili depresionim bunarima. Kako bi se ubrzali radovi, predviđaju se šipovi CFA koji se odlikuju velikom produktivnošću, mogućnošću izvođenja čak i do 20 kom dnevno.

U analiziranom slučaju, prednost druge varijante ogleda se u brzini izvođenja radova, ali je ona i povoljnija sa ekonomskog aspekta. Ali, pored ekonomske opravdanosti, usvojeno rešenje mora biti opravdano kako tehnički tako i sa aspekta kvaliteta. Iz tog razloga je pre usvajanja konačne varijante bilo potrebno izvršiti egzaktnu proveru. Ispitivanje ima cilj da utvrdi koliki zapravo uticaj ima sniženje nivoa podzemnih voda na kvalitet betona izvedenih šipova. Izvođač radova je izveo terenska istraživanja kojim bi mogao doći do tog zaključka.

Ispitivanje se sastojalo iz 2 celine: Probno crpljenje podzemne vode iz depresionog bunara i ispitivanje kvaliteta betona CFA šipova izvedenih tokom rada probnog bunara.

3. SNIŽENJE NIVOA PODZEMNE VODE – KRITERIJUMI ZA PROJEKTOVANJE

Test probnog crpljenja je obavljen 27.12.2010. godine kako bi se odredili parametri sredine merodavni za projektovanje drenažnog sistema. Za potrebe probnog crpljenja izveden je jedan bunar dubine 18m, a promene nivoa podzemne vode su praćene u tri pijezometra dužine po 12m. U dva pijezometra nivoi su osmatrani automatski, pomoću logera sa intervalom uzorkovanja od 30 sekundi, dok je nivo u trećem pijezometru osmatran ručno. Izmereni protoci na bunaru u toku testa su varirani u opsegu od 7 do 10 l/s. Za interpretaciju rezultata probnog crpljenja korišćeno je Theis-ovo analitičko rešenje, uz primenu principa superpozicije u vremenu:

∑−

∆=

ii

ei

ttT

Srw

T

Qs )

)(4(

4

2

π (1)

gde je:

s - depresija na rastojanju r od bunara nakon vremena t od početka crpljenja (m),

∆Qi – promena protoka u bunaru u i-tom vremenskom preseku ti (m3/s),

T - transmisivnost (m2/s),

Se – specifična izdašnost (-),

r - rastojanje od bunara do pijezoemtra (m),

w(u) – Theis-ova bezdimenzionalna funkcija.

Na osnovu prikazanog modela određeni su parametri porozne sredine:

o Transmisivnost T = 0.012 m2/s,

o Specifična izdašnost Se = 0.0001.

Rezultati merenja su dati na slici 2, i prikazani su samo za najbliži pijezometar P5. Nivo podzemne vode na početku testa je iznosio 68.10 mnm.

Iako ne postoje jasni kriterijumi sa kojima bi se moglo definisati kada dolazi do ispiranja čestica cementa u poroznoj sredini, ipak se može doći do nekih pokazatelja koji su sasvim sigurno vezani za stvarnu brzinu kretanja podzemne vode. Intuitivno je jasno da su najosetljivija područja koja imaju visok koeficijent filtracije (šljunak) i nalaze se najbliže bunaru, gde su gradijenti pijezometarskih nivoa podzemne vode, pa samim tim i brzine, najveće.

Slika 2. Merene i na modelu sračunate vrednosti depresije u pijezometru P5 koji se nalazi na 5.1 metara od bunara

Prosečna brzina kretanja podzemne vode (V) računa se na osnovu Darsijevog zakona: V=Kf ∆s/∆L, gde je Kf Darsijev koeficijent filtracije (m/s), a ∆s/∆L negativna vrednost gradijenta pijezometarske kote (i= ∆s/∆L). Ovako dobijena brzina je fiktivna, jer se ne vodi računa da se tečenje podzemne vode odvija samo kroz pore pa se prosečna, stvarna brzina kretanja podzemne vode dobija deljenjem sa poroznošću (p): Vs=Kf ∆s/∆L/p.

Sa druge strane, na osnovu Štoksovog zakona, može se sračunati brzina tonjenja čestice prečnika D u fluidu gustine ρ i koeficijenta viskoznosti µ: Vt=g(ρs-ρ)D

2/(18µ).

Da ne bi došlo do ispiranja čestica cementa, potrebno je da odnos brzine tonjenja i stvarne brzine tečenja podzemne vode bude veći od koeficijenta ks, koji bi se mogao smatrati koeficijentom sigurnosti na pojavu ispiranja:

)/(18

)( 2

LsK

Dpgk

f

s

s∆∆

−=

µ

ρρ (2)

Kako u literaturi ne postoje preporuke u pogledu vrednosti ovog koeficijenta, predložena metodologija se zasniva na tome da se u toku izvođenja testa probnog crpljenja, izvedu i opitni šipovi na kojima će se obaviti testiranje kvaliteta izvedenog betona. Time bi se za konkretnu lokaciju na kojoj se izvode radovi, dobila vrednost koeficijenta Ks pri kojoj su zadovoljeni uslovi u pogledu kvaliteta izvedenih radova. Nakon toga se broj, raspored i kapacitet bunara drenažnog sistema projektuju tako da budu zadovoljena dva kriterijuma: 1. da se obezbedi zahtevano sniženje nivoa podzemne (što je standardan zahtev) i 2. da u zoni izvođenja šipova ne budu prevaziđene procenjene kritične vrednosti koeficijenta Ks, kako se ne bi ugrozio kvalitet izvedenih radova [1].

Na slici 3 su prikazani rezultati proračuna sniženja nivoa podzemne vode u toku izvođenja probnih šipova, kao i vrednosti koeficijenata Ks. Može se primetiti da je u zoni izvođenja šipa ŠP-1, koji je bliži bunaru, vrednost ovog koeficijenta nešto veća od 1, a u zoni izvođenja šipa ŠP-2, koeficijent Ks iznosi oko 2.75. Nakon toga se pristupilo ispitivanju kvaliteta ugrađenog betona, kako bi se utvrdila prihvatljiva vrednost koeficijenta Ks.

0.

0.

1.

1.

2.

2.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Vreme (min)

s (m)

Mereno

Racunato

Slika 3. Shematski prikaz položaja bunara, pijezometara i probnih šipova (slika levo) i rezultati proračuna (slika desno): sniženje nivoa podzemne vode tokom izvođenja probnih

šipova i sračunate vrednosti koeficijenta Ks

4. KONTROLA KVALITETA BETONA AB ŠIPA TOKOM SNIŽAVANJA PODZEMNE VODE

Kontrola kvaliteta šipova je izvršena 18.02.2011. godine. U blizini probnog bunara izvedena su dva šipa tehnologijom CFA, prečnika 600mm na udaljenosti od 5m, odnosno 11m. Šipovi su tokom betoniranja bili pod uticajem sistema za sniženje. Dužina šipova je 12m. Nivo podzemne vode praćen je preko pomoćnih pijezometara. Položaj bunara i testiranih šipova prikazan je na slici 3. Probni bunar, šipove i pijezometre izvelo je preduzeće NOVKOL iz Beograda tokom decembra 2010. godine.

4.1. „CROSS-HOLE“ TEST – METODA ISPITIVANJA I ANALIZE

Pri odabiru metode za ispitivanje vodilo se računa o tome da sama metodologija i rezultat ispitivanja mogu da prikažu realno stanje šipa. Kontrola kvaliteta betona AB šipova izvedena je na dva šipa metodom CSL (Cross-hole Sonic Logging) ili „cross-hole“. Ispitivanje se vrši pomoću uređaja CHA (Cross Hole Analyzer). Ispitivanje je izvršila firma SLP, iz Ljubljane.

Za ispitivanje je bilo potrebno ugraditi cevi prečnika min 36mm u AB šip. Unutar armaturnog koša ugrađene su po četiri cevi. Ove cevi povezane su sa armaturnim košem radi lakšeg ugrađivanja. Za vreme ispitivanja cevi su napunjene vodom. Ispitivanje se zasniva na merenju vremena i energije koju šalje odašiljač (transmitter) preko betona do prijemnika (receiver). Ispitivanje se vrši unakrsno, za više pravaca, tako što se odašiljač i prijemnik naizmenično ubacuju u cevi, ukupno 6 ciklusa po šipu. Na osnovu brzine putovanja naponskih talasa kroz beton dobija se ocena homogenosti betona u šipovima, po celoj dužini šipova.

Prednost CSL metode, osim toga što je nedestruktivna, ogleda se i u tome što nam daje rezultat o kvalitetu betona po celoj dužini šipa, a uz to, merenje se može vršiti više puta tokom vremena. Pomoću „cross-hole“ metode moguće je izvršiti merenje u momentu koji

je značajan po krajnji kvalitet betona tj. šipa. Zbog toga smo se, između ostalog, odlučili na ovaj metod ispitivanja.

Slika 4. CSL ispitivanje homogenosti AB šipa ŠP-2

4.2. REZULTATI CSL (CROSS-HOLE SONIC LOGGING) ISPITIVANJA

Na osnovu terenskih ispitivanja utvrđeno je da je prosečna brzina naponskih talasa kroz beton šipa ŠP-1 3650 m/s, dok je ta vrednost za šip ŠP-2 3880 m/s [3]. Na slici 4 se prikazuje interpretacija CLS ispitivanja.

Slika 5. Prosečne brzine naponskih talasa kroz šipove ŠP-1 i ŠP-2 za različite pravce

ispitivanja

Po završenom testu, zaključilo se da su oba šipa izvedena bez prekida kontinuiteta i detektovanih grešaka u betonu. Beton u oba ispitana šipa bio je dobar, na osnovu ocena prema tablici za rangiranje homogenosti betona (brzina talasa >3600 m/s). Međutim, u šipu ŠP-1 koji se nalazio bliže probnog bunara prosečna brzina naponskih talasa bila je nešto manja u odnosu na šip ŠP-2, što bi moglo da ukazuje na eventualan nepovoljan uticaj bunara. U našem slučaju, prilikom rada samo jednog bunara, postignuti su zadovoljavajući rezultati kvaliteta betona u šipovima.

5. ZAKLJUČAK

U radu je prikazana metodologija izvođenja šipova, u uslovima sniženja nivoa podzemne vode. Predlaže se izvođenje i testiranje kvaliteta probnih šipova u okviru izvođenja testa probnog crpljenja. U okviru metodologije je uveden koeficijent Ks kojim se može proceniti rizik od ispiranja cementa i smanjivanja kvaliteta izvedenih radova. Na ovaj način se za projektovanje drenažnog sistema, za sniženje nivoa podzemne vode, osim standardnog uslova koji podrazumeva odgovarajuće sniženje nivoa podzemne vode, uvodi i dodatni kriterijum koji podrazumeva da vrednosti koeficijenta Ks, ne smeju biti manji od vrednosti koje su prethodno utvrđenje, kao granične-minimalne sa kojima se može garantovati kvalitet izvedenih radova. U konkretnom primeru izvođenja Energetsko-poslovnog kompleksa EPS-a, zahtevano je projektovanje kapaciteta, broja i rasporeda bunara tako da se obezbedi sniženje nivoa podzemne vode na kotu 64.5 mnm, a da se pri tome ne prevaziđe vrednost koeficjenta Ks od oko 1.5, što je procenjeno kao minimalna vrednost pri kojoj nema nepovoljnih uticaja na kvalitet izvedenih šipova.

Slika 6. Radovi na gradilištu u toku izrade šipova

LITERATURA

[1] M.Stanić: „Drenažni sistemi u fazi gradnje objekata“, Građevinski kalendar, Beograd, 2008 [2] J. P. Powers, A. B.Corwin, P. C. Schmall, W.E. Kaeck: „Construction Dewatering and

Groundwater Control“, John Wiley & Sons, Inc.,Hoboken, New Jersey, 2007, 638 p [3] SLP: „Izveštaj o ispitivanju homogenosti betona AB šipa“, Ljubljana, 2011, 20 str.