Εναλλακτικές προτάσεις θεμελίωσης κτιρίου σε έδαφος με επιφανειακή μαλακή άργιλο

Abstract

H ανάπτυξη της βέλτιστης λύσης θεμελίωσης κατασκευών σε μαλακό αργιλικό επιφανειακό στρώμα αποτελεί θέμα συνεχούς μελέτης από την ερευνητική κοινότητα. Ο κύριος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση εναλλακτικών μεθόδων θεμελίωσης κτιρίου, με χρήση αποθήκης βαρέων βιομηχανικών φορτίων, σε έδαφος με γνωστή στρωματογραφία. Το έδαφος θεμελίωσης αποτελούνταν από δύο στρώματα αμμώδους εδάφους με διαφορετική πυκνότητα κάτω από στρώμα μαλακής επιφανειακής αργίλου. Οι εναλλακτικές λύσεις που εξετάσθηκαν για τη θεμελίωση του κτιρίου ήταν όλες οι δυνατές λύσεις βαθιάς θεμελίωσης και αβαθούς θεμελίωσης με ή χωρίς προηγούμενη ενίσχυση της αργιλικής στρώσης. Έλεγχος ενίσχυσης της αργιλικής στρώσης πραγματοποιήθηκε για χαλικοπασσάλους, προφόρτιση σε δύο φάσεις, συνδυασμό αυτών και τέλος για εκσκαφή, τοποθέτηση εξυγιαντικής στρώσης λιθορριπής και επανεπίχωση. Οι τεχνικές λύσεις που προκρίθηκαν είναι οι εξής: (α) επιφανειακή θεμελίωση χωρίς προηγούμενη βελτίωση της αργιλική στρώσης, (β) επιφανειακή θεμελίωση κατόπιν βελτίωσης της αργιλικής στρώσης με προφόρτιση, (γ) βαθειά θεμελίωση με πασσάλους, (δ) επιφανειακή θεμελίωσης κατόπιν ενίσχυσης της αργιλικής στρώσης του εδάφους με χαλικοπασσάλους, (ε) επιφανειακή θεμελίωση κατόπιν ενίσχυσης της αργιλικής στρώσης του εδάφους με συνδυασμό προφόρτισης-χαλικοπασσάλων, (στ) επιφανειακή θεμελίωση έπειτα από εκσκαφή και τοποθέτηση εξυγιαντικής στρώσης λιθορριπής και επανεπίχωση. Οι εναλλακτικές λύσεις αξιολογήθηκαν με βάση το χρόνο και το κόστος κατασκευής. Στις επιφανειακές θεμελιώσεις πραγματοποιήθηκε υπολογισμός φέρουσας ικανότητας πεδίλου και πεδιλοδοκού υπό έκκεντρη και λοξή φόρτιση και στη συνέχεια έλεγχος θραύσης υπό σεισμική και μη σεισμική φόρτιση. Στην περίπτωση γενικής κοιτόστρωσης πραγματοποιήθηκε έλεγχος καθιζήσεων των τριών στρωμάτων εδάφους. Έγινε έλεγχος ευστάθειας επιχώματος με ταυτόχρονη παρουσία γεωυφάσματος με το πρόγραμμα Larix για το επίχωμα προφόρτισης και στις δύο φάσεις κατασκευής του. Έγινε έλεγχος χρήσης γεωυφάσματος ενίσχυσης επιχώματος ταυτόχρονα με την προφόρτιση. Στις λύσεις βαθιάς θεμελίωσης: στους εμπηγνυομένους πασσάλους διαμέτρου 50cm έγινε υπολογισμός φέρουσας ικανότητας υπό κατακόρυφη στατική φόρτιση. Στους πασσάλους διαμέτρου 80 και 120 cm έγινε υπολογισμός φέρουσας ικανότητα κατά DIN 4014. Για την προκριθείσα, από τους ελέγχους σε κατακόρυφη φόρτιση, λύση των πασσάλων διαμέτρου 120 cm, ακολούθως πραγματοποιήθηκε έλεγχος υπό οριζόντια φόρτιση. Με χρήση του προγράμματος Pfahl έγινε εκτίμηση τάσεων και ανάλυση φορτίσεων σε συστοιχία 21 πασσάλων υπό στατική και σεισμική φόρτιση. Υπολογίσθηκε ακολούθως η καθίζηση πασσαλομάδας κατά Simons και Menzies. Στη λύση βελτίωσης της αργίλου με συνδυασμό προφόρτισης και χαλικοπασσάλων και στη συνέχεια αβαθούς θεμελίωσης: έγινε έλεγχος ευστάθειας πρανών προφόρτισης με το πρόγραμμα Larix. Έπειτα έγινε υπολογισμός φέρουσας ικανότητας πεδίλου και πεδιλοδοκού κατά Meyerhof. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκε έλεγχος χρόνου παραμονής προφόρτισης σε ενισχυμένο με χαλικοπασσάλους διαμέτρου 80cm έδαφος. Τέλος, έγινε έλεγχος φέρουσας ικανότητας χαλικοπασσάλων. Στην περίπτωση της εξυγιαντικής στρώσης λιθορριπής έγινε έλεγχος καθίζησης όλων των στρωμάτων για πλάκα κοιτοστρώσεως και έλεγχος κλίσης πρανών εδάφους. Η αξιολόγηση των εναλλακτικών μεθόδων θεμελίωσης απέδειξε πως οι πιο αποτελεσματικές λύσεις ήταν εκείνες που περιελάμβαναν πρώτα την ενίσχυση της μαλακής στρώσης αργίλου και στη συνέχεια την εφαρμογή της αβαθούς ή βαθιάς λύση θεμελίωσης. Η βέλτιστη λύση βρέθηκε να είναι ένας συνδυασμός γενικής κοιτόστρωση με μια προφορτισμένη αργιλική στρώση.

Developing the optimal foundation solution to account for the case of soft clay surface layer is a constant issue for the research community. The major objective of the present thesis is the evaluation of alternative foundation methods for an industrial building located on a three layer ground that comprises of two layers of sandy soil with different density under the soft clay surface layer. The commercial software for geotechnical analysis, Larix, was used to estimate the soil compaction of the ground layer for the case of soft clay. Analysis was carried out regarding the overall slope stability of the two phase pre-stressed embankments. The potential of applying a geotextile under the embankments was examined. The Pfahl software was used to analyze piles and piled-raft foundation and to estimate the strains and the load of each pile subjected to both horizontal static and dynamic loading. Analysis then focused on the soil sedimentation and the efficiency of the suggested foundation solution in terms of the required number of piles and the raft thickness. The comparison of the alternative foundation methods revealed that the most efficient solutions were those that included the reinforcement of the soft clay layer first and then the application of shallow or deep foundation solution. The alternative solutions were evaluated in terms of time and cost of construction. The optimal solution was found to be a combination of raft foundation with a pre-stressed, reinforced soft clay layer.