MOSTY.CZ - Technické informace

Úvodní strana > Články > Technické informace

Tisk článku |

Kontrola integrity vrtaných pilot

Informuje: Ing. Zdeněk Motyčka (AI-G,DS,VS)
referát geotechnika – odd. 233 zkušebních laboratoří ŘSD ČR, tel. (02) 84009354,
srpen 2000 / s využitím odborné literatury

V následném textu se jedná obecně o nedestruktivní zkoušku vrtaných i beraněných pilot, zhotovených ze železového betonu, předpjatého betonu i oceli, ale pozornost se zaměří na betonové na místě (in situ) zhotovené vrtané širokoprofilové piloty. Dynamickou zkouškou integrity při nízkém přetvoření se měří a následně posuzuje pilota s ohledem na eventuelní odchylky vůči projektovaným parametrům tvaru (geometrie), celistvosti (integrity) dříku, s ohledem na trhliny a/nebo na kvalitu materiálu piloty = tj. posouzení pevnosti a modulu přetvárnosti betonu. Na rozdíl od zkoušky únosnosti se využívá při zkoušce integrity pohybu (chvění) na hlavě piloty. Impuls je vyvolán jednoduchým úderem kladiva na hlavu zhotovené (tj. v zemi zabudované) piloty a zachycený odraz vlnění by měl poskytnout informace o průřezu piloty a její délce. Protože se však metodou PIT vyhodnocuje zdánlivý odpor = impedance, nemusí být vyhodnocení jednoznačné. Např. to, co se jeví jako změna průřezové plochy, může být ve skutečnosti změnou kvality betonu. Účinky odporu k šíření odrazové vlny závisejí na délce piloty, jejím obvodu, drsnosti, na veličině rychlosti vlny i na jiných faktorech piloty. Užitek tato nedestruktivní metoda přináší, pokud očekáváme jednoduše interpretovatelné, avšak poměrně hrubé hodnocení vlastností piloty. Po positivním vyhodnocení integrity pilot lze příznivěji výpočtově upravit koeficient bezpečnosti tohoto hlubinného základu. Jako doplňková je zkouška při nízkém namáhání (přetvoření) doporučena i Eurokódem 7(čl. 7.10, odst. 8 ČSN P ENV 1997-1).

Pracovník provádějící dynamickou zkoušku integrity pilot by měl mít vlastní zkušenosti v tomto oboru a měl by mít znalosti z měření, posuzování a srovnávání vůči vzorovým (zkušebním) výsledkům pokusného (zde firemního) srovnávacího měření. Touto metodou nelze zjistit únosnost pilot. Metoda je založena na odrazu indukovaného vlnění. Vyhodnocují se tzv. odchylky (změny) impedance Z (MN.s/m) v přímém vztahu (úměře) k průřezové ploše piloty A (m/s2), dynamickému modulu pružnosti E (MN/m2) a v nepřímé úměře k rychlosti šíření indukované vlny c (m/s). Rychlost vlnění je zase závislá na měrné hmotnosti r (t/m3) a na modulu pružnosti E piloty.

Z = (E.A/c) c² = E/r

Problém zkoušky je v tom, že samostatně každou z veličin nelze určit. Posuzuje se proto jen součin (impedance) E.A – jen u ocelových pilot a v nejlepším případě u prefabrikovaných pilot s konstantním průřezem lze usuzovat ze změny E.A na změny průřezu A, např. na tvorbu trhlin či zlom piloty.

Pokud se liší specifická hmotnost materiálu piloty jen nepatrně od průměru a pokud není exaktně určeno složení betonové směsi, je rychlost vlnění svázána s modulem pružnosti materiálu piloty a tím se stává dobrým indikátorem pro určení kvality betonu. U vrtaných in situ betonovaných pilot se může změna modulu E, eventuelně změna hustoty (měrné hmotnosti) r, vykládat např. buď jako výskyt štěrkového hnízda v betonu piloty, tak i jako zmenšení průřezové plochy. Pouze při zvětšení součinu E.A je pravděpodobné, že příčinou změn odezvy je změna průřezu (zvětšení) dříku piloty či lokální nárůst plášťového tření či přechod mezi různorodými vrstvami horninového podloží.

Při měření metodou PIT se měří rychlost vlnění c (indukovaného úderem), intenzita odrazu (reflexe) a zjišťuje se příslušná (odpovídající) doba T potřebná k návratu odraženého vlnění k hlavě piloty o délce L.

T = 2.L/c

U betonu bývá rychlost vlnění c = 3500 – 4000 m/s (pro srovnání u vzduchu c = 343 m/s a u vody c = 1500 m/s).

Při zkoušení je třeba rozlišovat mezi několika možnými zkušebními metodami, zde se zaměříme na zkoušku s indukováním vlnění pomocí ručního kladiva (Low-strain-Prüfung či P.I.T. = Pile integrity testing), a to bez měření síly úderu = reflexní metodu.

(Metoda PIT a její aplikace se v zahraniční odborné literatuře vyskytují pod názvy např. Low-Strain-Method či Impakt-Echo-Methode či Dynamic integrity test či Dynamische Integritätsprüfung či Hammerschlagmethode nebo Stosswellenmethode či SIT = Sonic Integrity Test či Méthode par réflexion či Méthode impulsionnelle.)

Akustické zkoušení integrity pilot je jednoduchou, rychlou a lacinou metodou, nazývá se též metodou nízkého namáhání, neboť se pro vytvoření krátké vlny o pozoruhodném zrychlení, ale při nízkých úrovních namáhání, používá relativně malé kladivo. Lze takto v poměrně krátké době na staveništi přezkoušet velký počet předem upravených pilot – průměrně asi 6 během jedné hodiny. Výsledkem každé zkoušené piloty je křivka zrychlení nebo rychlosti, která se vynese jako funkce času.

Obvykle vystačíme s odhadnutou hodnotou rychlosti šíření impulzu c = 4000 m/s. Protože zkouška integrity PIT je metoda rychlá a relativně laciná, lze odzkoušet denně větší počet pilot. Pokud jsou piloty ve skupině v obdobných geologických podmínkách, lze podle odchylek od standardního signálu (odezvy) lépe usoudit na možné chyby v provedení pilot. Při následně prováděné dynamické zkoušce integrity pilot však může docházet k případům, že pilota nevyhoví projektovaným požadavkům na bezpečnost tohoto hlubinného základu. Následky (respektive náprava) pro zhotovitele stavby bývají pak velmi nepříjemné a nákladné. Proto jsou na spolehlivost metod měření = kontroly a jejich interpretaci (respetive na jejich interpretátora) kladeny vysoké nároky (ne vždy splnitelné, jak je naznačeno dále). Je třeba zařadit zkušební = kontrolní metody do procesu výstavby tak (v takovém čase), aby ještě šla eventuelní nápravná opatření provádět se snesitelnými vícenáklady.

V jednoduchých případech můžeme interpretovat (vyhodnotit) signály odrazu na základě zkušeností. Vyhodnocení výsledků může být však též velmi obtížné, pokud se vlnění odražené od paty piloty překrývá společně se signálem od jiných odrazů od odchylek na dříku piloty. Nedá se např. s dostatečnou přesností zjistit, pokud u vrtaných pilot chybí předepsané krytí výztuže (5 cm) na jednom metru délky piloty. Pokud jsou odchylky signálu zapříčiněny kombinací vlivů = nehomogenitou materiálu piloty, změnou jejího průřezu a/nebo vlivy okolního horninového prostředí, pak je interpretace výsledků obtížná či dokonce objektivně nemožná. Při vyhodnocování takových obtížných případů se mohou používat metody počítačové simulace (např. PITWAP a TNOWave), které ale nejsou dosud v ČR zavedeny (podle našich informací). K posouzení integrity pilot by však měly být v té chvíli k dispozici údaje o geologickém prostředí z IGP či (lépe) z geologického sledování výnosu jádra při vrtání piloty. Výsledek měření integrity je ovlivňován jak vlastnostmi (respektive heterogenitou) piloty, tak i horniny v okolí. Je žádoucí pro vyhodnocení signálů mít dostatečně podrobné informace o geologii okolního prostředí.

Největšími překážkami při zkoušení (měření) integrity pilot se jeví vliv tření horniny a špatná kvalita betonu hlavy piloty. Odrazy vln mohou být totiž způsobeny rovněž účinky odporu zeminy či některými kombinacemi změn průřezu a vlastností zeminy. Vysoký odpor horniny v oblasti u paty piloty „maskuje“ dolní část piloty a tímto má metoda PIT vážná omezení. Takže za určitých okolností nelze u metody nízkého namáhání jednoznačně interpretovat zkušební záznamy, a to i když se používá katalog (vzorník) interpretací typických signálů či (u nás zatím nezavedená) novější metoda přizpůsobení signálu CAPWAPC. Pravidla interpretování uváděná v návodech používání metody PIT či aplikovaná v katalogu jsou přísně aplikovatelná pouze za ideálních podmínek. Zkouší-li se však větší počet pilot na jednom pracovišti v obdobných geologických podmínkách, lze pak vysledovat určitou standardní odezvu, která pomáhá při vyhodnocování jejich integrity. Při porovnávání více pilot se ukazuje jistá závislost amplitudy a rychlostí odezvy na délce a typu pilot – statistické porovnávání pak sice prodlužuje dobu důsledného zhodnocení integrity posuzovatelem, ale výsledky se více blíží skutečnosti.

Možnost rušení při sběru dat
způsobuje nejen umístění radaru v dané širší oblasti, ale u staršího typu přístroje (PIT) i zapnutý mobilní telefon. Vyloučit je třeba při měření též šumy od blízkých motorů a příklepových kladiv.

Srovnání s ostatními kontrolními metodami
si neklade za cíl tento text (v časopise Silniční obzor se na str. 64-67 ročníku 2000 tématem zabývá Ing. Pachta: Kontrola kvality hlubokých základů). Americké přístroje P.I.T. v ČR používá ke kontrole integrity pilot a.s. Zakládání staveb a k supervizi zkušební laboratoř Ředitelství silnic a dálnic ČR Praha, obdobný přístroj britské provenience používá firma INSET Praha, kdežto a.s. SG – Geotechnika se zaměřila na měření integrity základových prvků ultrazvukem = transparenční metodou, která však vyžaduje zabudování specielních prvků do měřené základové konstrukce. Žádná z těchto nepřímých metod nemůže sice nahradit časově i finančně nákladnou statickou či dynamickou zatěžovací zkoušku únosnosti základového prvku, zvláště však u zkoušek nízkým namáháním lze na daném staveništi operativně, tj. rychle a levně, ověřit velké množství pilot.

Poznámky k vyhodnocování integrity pilot reflexní metodou = nízkého namáhání:

Pokud si všímáme zjištěné rychlosti indukovaného a odraženého vlnění c, můžeme obvykle předpokládat, že se délka a kvalita betonu piloty neliší od projektových požadavků.

Pokud však je rychlost příliš malá, např. c < 3000 m/s, může se sice stát, že je pilota příliš dlouhá (je to nepravděpodobné, ale nikoliv nemožné), beton může být také velmi „mladý“ (nevyzrálý – což lze ale určit), spíše však je beton horší kvality, což vede v daném případě k jeho nízké pevnosti. Útlum vlny vlivem kvality betonu je však předem neurčitelný materiálový parametr, zmenšení její rychlosti je závislé i na délce piloty. Při příliš malé rychlosti odražené vlny je možné i další vysvětlení – a to, že v konstrukci piloty je nějaký lom (trhlina) či že nastala výrazná změna profilu piloty.

Pokud je naopak rychlost příliš vysoká, např. c > 4500 m/s, potom může mít beton obzvláště vysokou kvalitu (což je nepravděpodobné, ale nikoliv vyloučené), spíše však je pilota kratší. Beton by také v tomto případě mohl být značně starý (což lze určit podle záznamů = deníku) - měli bychom si totiž uvědomit, že se zráním betonu v čase se obvykle jeho pevnost zvětšuje a tím se i mírně zvyšuje rychlost c vlnění – je zjistitelný např. rozdíl mezi hodnotami rychlosti vlnění z měření integrity téže piloty po dvou týdnech či po dvou měsících od jejího zhotovení. Při hodnocení naměřených rychlostí odrazové vlny je též třeba vzít v potaz statistický rozptyl hodnot.

Odraz na patě
se nemusí objevit, je-li pilota příliš štíhlá a zároveň dlouhá – optimální štíhlost je údajně 20. Pata piloty může zaniknout (myšleno na grafickém znázornění odrazové vlny) u delších pilot opřených o skálu. Naopak výskyt zřetelného odrazu signálu od paty piloty nutně nepotvrzuje, že je dobrá kvalita piloty po celé její délce. Jasný patní signál je však ujištěním, že se jedná o pilotu z jednoho kusu a že lze tedy zátěže vrchní konstrukce přenášet na celou délku piloty.

Dosah odrazu
se snižuje zejména v pevných jílovitých zeminách. Naopak v prostředí měkkých neulehlých zemin je dosah impulzu až 60násobkem průměru piloty.

Anomálie v dříku piloty blízko hlavy piloty
se u zkoušky s přímým odrazem (tj. bez aktivovaného snímače v kladivu) s výjimkou prasklin přes celou šířku (plochu) pilot nezjistí. Závažná vada u hlavy piloty pak vytváří odraz, který se podobá zvýšení impedance či vysokému tření. Účinek odrazové vlny u hlavy piloty vyvolaný velmi vážnou vadou o krátké délce s vysokým tlumením se může jevit obdobně, jako se jeví účinek odrazové vlny při méně závažných vadách o nižším tlumení či při větší délce vady. Odhalit vadu hlavy piloty může být velmi obtížné v případě, když je odpor zeminy relativně vysoký.

Dále nelze zjistit (viz text v časopise Zakládání 4/98 – RNDr. Ivan Beneš: Nedestruktivní zkoušky integrity pilot):

zakřivení piloty,
místní ztráty krytí výztuže,
nevyčištění paty piloty,
postupné = plynulé zvětšování či zmenšování profilu (tj. průměru dříku) piloty, tj. postupnou kuželovitost,
postupné změny materiálu piloty,
malé uzavřeniny = inkluze,
postupné změny vrstev podložních hornin.

Vada v betonu pod snímačem může signál zkreslit vysokofrekvenčními odrazy. – Proto se místa snímání a úderů na hlavě piloty při jednotlivých měřeních mění = přemísťují.

Je-li průměr piloty větší než desetina její délky,
jsou porušeny předpoklady aplikované metody PIT a záznam odrazové vlny nemusí být vyhodnotitelný.
Přechod vrtané piloty ze zrnité do soudržné vrstvy
podložních hornin obvykle vytvoří zmenšení průřezu piloty.
Snížení tření okolní horniny
může rovněž vytvořit takovou odezvu signálu, která bude připomínat signály od zmenšeného průřezu. V obou těchto případech je pro správné vyhodnocení integrity pilot nutná znalost geologie horninového prostředí.
Rozšíření, praskliny a jiné anomálie na dříku piloty
lze za jinak příznivých podmínek měření obvykle detekovat z diagramu = odrazu vlny na patě piloty. Jen u krátkých pilot s hladkou povrchovou plochou lze očekávat, že odrazová vlna taky zřetelně koresponduje s útlumem vlivem kvality betonu. V praxi je výraznější účinek působením okolní horniny či změnami složení konstrukce či změnami průřezové plochy než vliv materiálového tlumení.
Zúžení dříku piloty pod výraznou trhlinou
nebývá též k rozpoznání – signál odrazové vlny je příliš ovlivněn výše ležící trhlinou.

Opatření na staveništi
podmiňující úspěšnost měření integrity pilot sestávají především ve správném postupu odbourání hlavy pilot před měřením. Odbourávat piloty šramováním se má provádět ve směru pokud možno kolmém k ose piloty tak, aby se beton odlamoval a co nejméně drtil. Je možné též měřit i na neodbouraných pilotách a v případě, že již při měření se neobdrží uspokojivé výsledky, lze postupně hlavu piloty odšramovat a v nižší úrovni měření integrity opakovat. Pokud se takto na třech úrovních provádějí měření, zvětší se pravděpodobnost obdržení kvalitního signálu a tím možnost vyhodnocení integrity piloty.
Organizačním opatřením je včasné zajištění přístupnosti a suchosti měřeného prostředí (tj. hlavy piloty) a k následnému vyhodnocení integrity pilot je potřebné i včasné předání záznamů geologického průzkumu či lépe sledování výnosu horninového jádra (dokumentace vrtání) hodnotiteli, ovšem též dodržování všech technologických nařízení při betonáži pilot.

Závěry pro praxi:
Odborný pracovník hodnotící integritu pilot si musí být vědom své odpovědnosti, protože důsledky mohou být vemi nákladné, a to ať při možném pozdějším porušení vrchní (například mostní) konstrukce či naopak při včasné sanaci hlubinných základů. Posudek se nesmí založit na pouhém jednom měření jednotlivé piloty, ale vždy se má více měření integrity piloty srovnávat se zkouškami na dalších pilotách v obdobných geologických podmínkách, nejlépe v téže skupině pilot. V posudku se nesmí uvádět žádné závěry, které nejsou podloženy fyzikálně (tj. jednodimensionální teorií vln). Jakékoliv vyčíslení (uvedení kvantity) eventuelních odchylek (například změn průřezu) lze uvádět pouze v případě reálně dosažené přesnosti měření, a to jen u pilot kratších než 15 m v relativně jednoduchých geologických podmínkách.

Další použitá literatura:
- Oswald Klingmüller: Dynamische Integritätsprüfung und Qualitätssicherung bei Bohrpfählen, in: Geotechnik 16 / 1993, str. 72-80
- Pile Integrity Tester – PC User´s Manual, Version 93.1, Goble Rausche Likins and Associates, Inc.
- Prof. Dr.-Ing. E. Franke + Dipl.-Ing. J.M. Seitz: Technischer Bericht - Empfehlungen des Arbeitskreises 5 der DGEG für dynamische Pfahlprüfungen, in: Geotechnik 14 / 1991, str. 139-153

zpět

ISSN 1213-6395 | Tiráž | RSS

(statická verze - archiv)