5.3 Üksikvaia kandevõime määramine Üksikvaia kandevõime määrab nii vaia ümbritseva pinnase tugevus kui ka vaia enda materjali tugevus. Olulisem ja sealjuures keerulisem on määrata pinnasest sõltuv kandevõime. Vaia enda tugevuse saab määrata lähtudes pinnasest tingitud kandevõimest sobiva materjali ja selle omaduste valikuga. Üksikvaia pinnasest sõltuva kandevõime määramiseks on kasutusel mitmeid meetodeid, mis erinevad üksteisest teoreetiliste põhimõtete, tulemuste usaldusväärsuse ja maksumuse poolest. Vaia kandevõime määramiseks võib kasutada: vaia staatilist proovikoormamist; staatilise penetreerimise andmeid; vaia dünaamilist katsetamist; arvutust lähtudes pinnase tugevusomadustest; arvutust lähtudes pinnase tunnusomadustest kasutades empiirilisi seoseid. Standardi EVS EN 1997.1 järgi peaks olema kandevõime määramise aluseks vaia staatiline proovikoormamine. Teisi meetodeid tohib kasutada juhul, kui need on kontrollitud staatilise proovikoormamise andmetega samasugust tüüpi ja pikkusega vaiadega sarnastes pinnasetingimustes. Vaia läbimõõt võib olla veidi erinev, kuid erinevus ei tohiks olla üle kahe korra. Teisi meetodeid tuleb kasutada mõnikord ka staatilisele proovikoormamiseks kasutatava vaia esialgse pikkuse valikul. Vajaliku pikkuse määramine ei tekita probleeme, kui kättesaadavas sügavuses on kindlalt piiritletud tugeva pinnase kiht kalju, kõva savi või väga tihe liiv. Juhul kui vaia põhi peab jääma keskmiste geotehniliste omadustega pinnasesse või kui esineb erinevaid pinnasekihte, millele vai võib toetuda, tuleb vaia esialgne pikkus valida mingisuguse lihtsama, vähem usaldusväärse meetodiga ja seejärel vaia reaalne kandevõime määrata staatilise proovikoormamisega. 5.3.1 Vaia kandevõime määramine staatilise koormuskatsega Vaia koormuskatsed peab tegema, kui: kasutatava vaia tüübi või paigaldamisviisi kohta ei ole võrreldavat kogemust; kui vaiu ei ole katsetatud võrreldavates pinnase ja koormamise tingimustes; vaiale mõjuva koormuse iseloom on selline, mille kohta puudub usaldusväärne teoreetiline arvutusskeem ja kogemuslik teave. Sellisel juhul peaks koormuskatsel kasutama projekteerimisel eeldatuga samalaadset koormust; vaia paigaldamisel ilmneb, et vaia käitumine erineb oluliselt ja ebasoodsas suunas ehitusgeoloogiliste uuringute ja kogemuse alusel prognoositust ning täiendavad pinnaseuuringud ei võimalda selgitada erinevuse põhjusi. Koormuskatse võimaldab kandevõime määramise kõrval saada usaldusväärseid andmeid vaia vajumise sõltuvuse kohta koormuse suurusest. Staatilisel koormuskatsel võib kasutada spetsiaalseid katsevaiu või ehitise Plokid vundamendi koosseisu kuuluvaid vaiu. Eelistatav viimane variant. Vaia koormamiseks vajalik jõud Platvorm saadakse: vaia peale asetatud koormusplatvormiga, millele Vai asetatakse betoon- või malmplokid (joonis 5.40); Joonis 5.40 Katsevaia koormamine koormusplatvormi ja betoonplokkidega
pinnasele toetuva koormusplatvormiga, millelt jõud vaiale antakse hüdraulilise tungrauaga (joonis 5.41); spetsiaalsete kruvivaiade(joonis Plokid 5.4) või pinnaseankrutega (joonis 5.43), mis töötavad Tungraud Vai Platvorm Joonis 5.41 Katsevaia koormamine koormusplatvormi ja tungrauaga Joonis 5.4 Vaia koormuskatse kruvivaiadega tõmbele ja millelt jõud kantakse vaiale talastiku Joonis 5.43 Vaia koormuskatse ekspanderankrutega Joonis 5.44 Vaia koormuskatse kasutades tõmbele töötavaid vaiu ja hüdraulilise tungrauaga; ehitise vundamendi koosseisu kuuluvate tõmbele töötavate vaiadega, millelt jõud Joonis 5.45 Vaia koormuskatse Tallinnas Pronksi tn Joonis 5.46 Vaia koormuskatse Tallinnas Rock al Mare kaubanduskeskuses katsevaiale kantakse tala (joonis 5.44) või fermiga (joonised 5.45 ja 5.46) ning hüdraulilise tungrauaga. Vaia paigutisi mõõdetakse pideva käiguga mõõtkelladega, mis kinnitatakse katsetatavast vaiast piisavalt kaugele vähemalt 3 m toetatud taladele (joonis 5.47).
Mõõtkellad peaksid võimaldama mõõta paigutisi vähemalt 0,1 mm täpsusega. Joonis 5.47 Vaia katsetamine Riias Hansapanga hoone ehitusplatsil Joonis 5.48 Vaia paigutise mõõtmise indikaatorkellade paigutus Joonisel 5.49 on näide eriti suurt koormust võimaldav seade. Vaiale rakendatav jõud kantakse pinnasele 1 pinnaseankru abil.
5.49 Vaia staatiline koormuskatse. Koormus kuni 3000 kn Staatilise koormuskatse sooritamine Vaia koormatakse järjest suureneva koormusega ja mõõdetakse vaia vajumit. Tavaliselt tõstetakse koormust vaiale astmekaupa. Koormusastme suurus valitakse selline, et eeldatava piirkoormuseni jõutakse 10 astmega.
Iga koormusastet hoitakse, kas vajumise tingliku vaibumiseni (GOST) või teatud kindla aja (1 või tundi). Tinglikuks vajumise vaibumiseks loetakse, kui vajumise kiirus on alla 0,1 mm tunnis (vaia otsa alla jääb liivpinnas või kõva savi) või 0,05 mm tunnis (vaia otsa all on plastne või voolav savipinnas). Vaia vajumeid registreeritakse Vaia vajum mm Joonis 1 iga koormusastme vältel teatud ajavahemike järel 10 kuni 15 minutit. Katsete analüüs on näidanud, et vaia kandevõime ei sõltu vaia koormamise kiirusest (joonis 5.50). Muidugi ei kehti see juhul, kui koormust suurendatakse väga kiirelt. Konstantse kestusega koormusastmete kasutamisel lüheneb oluliselt katse läbiviimiseks vajalik aeg ja seega katse maksumus. GOST nõuetest lähtuvalt kestab ühe vaia katsetamine sageli nädala, teisel juhul maksimaalselt ööpäev. Muidugi annab GOST metoodika täielikuma pildi vaia vajumisest. Kui vaiale lubatav koormus määratakse lähtudes kandevõimest, ei ole vajumise hindamine eriti oluline. Vaia arvutuskandevõime (vaiale lubatud koormus) leitakse katsel määratud kandevõimest selle jagamise teel EVS EN 1997.1 esitatud osavaruteguritega, mis sõltuvad vaia tüübist ja katsetatud vaiade arvust. Oluline on hoida koormus vaiale püsivana kogu koormusastme vältel. Hüdraulilise Joonis 3 P t tungraua kasutamisel seoses vaia 0 50 100 150 00 50 300 350 400 vajumisega õli rõhk langeb ja seega 0,0 koormus väheneb. Selle vältimiseks 0, võib kasutada elektroonilisi või 0,4 0,6 0,8 1,0 hüdraulilisi abiseadmeid. Katse tulemuste alusel koostatakse graafikud vajumise sõltuvuse kohta koormusest (joonis 5.51) ja vajumise 1, sõltuvuse kohta ajast igal Joonis 5.51Koormuskatse tulemused koormusastmel. Enamikel juhtudel ei õnnestu vaia katsetamisel saavutada kandevõimele vastavat koormust. Seepärast on TTÜ poolt läbiviidud katsetel kasutatud järgnevalt kirjeldatud andmetöötluse metoodikat kandevõime suuruse ekstrapoleerimiseks katseandmetest. 1. Igal koormusastmel leitakse ajamomentidel t mõõdetud vaia vajumite s järgi vähimruutude meetodil seose s = a t b tegurid a ja b. Pärast nende tegurite määramist saab sama seose abil leida vaia vajumi teatud pikema perioodi kohta näiteks 10 aasta kohta. Nende andmete abil koostatakse parandatud katsekõver. Suure hulga vaiakatsete tulemused näitavad, et kasutatav seos kirjeldab hästi vaia vajumise ajalist kulgu.. Järgnevalt määratakse, kasutades parandatud katsekõvera andmeid, Chin i poolt soovitatud võttega vaia kandevõime. s cm 500 1000 1500 000 500 Koormus vaiale t 0 50 100 150 00 50 0 Kiire koormamine Aeglane koormamine Väga aeglane koormamine Joonis 5.50 Vaia piirkandevõime olenevus koormuse kasu kiirusest 300
Chin i võte rajaneb eeldusel, et vaia vajumise sõltuvust koormusest P kirjeldab ap Joonis hüperpoolne funktsioon s, R P 400 kus R on vaia piirkandevõime ja a katseandmetest leitav parameeter. 300 Eeltoodud seose saab kirjutada kujul s 00 s R a. Siit järeldub, et s ja s/p P 100 vahel on lineaarne sõltuvus. Kui katseandmed kanda graafikule 0 1 telgedega s ja s/p, siis peaksid need 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, 1,4 1,6 asuma sirgel ja graafiku kaldenurk s/p mm/t s/p s annabki kandevõime suuruse Joonis 5.5 Vaia piirkandevõime s P Chin I võttega määramise selgitus (joonis 5.5). Tegelike vaiakatsete analüüs näitab, et lineaarne sõltuvus s ja s/p vahel on alati täheldatav, kuid alates teatud koormusest. Sageli on tegemist kahe sirgega. Ühe vaia staatilise koormuskatse andmetöötlus on toodud joonisel 5.53. Kahe erineva sirge esinemine on seletatav järgmiselt. Väikestel koormustel võetakse kogu jõud vastu vaia küljega. Külje vastupanu mobiliseeritakse täielikult vaia liikumisel -5 mm ja jääb edasisel vaia vajumisel konstantseks. Edasine koormuse juurdekasv võetakse vastu vaia otsaga. Vaia küljel ja vaia otsa all on tegemist täiesti erineva koormuste vastuvõtmise mehhanismiga ja seepärast ka erineva sõltuvusega paigutise ja jõu vahel. Ligikaudu saab esimeselt sirgelt vaia külje poolt vastuvõetava jõu ja teiselt vaia Joonis 4 kandevõime (ots ja külg kokku). Toodud näites on külje poolt vastuvõetav jõud 0,0 s = 36 s/p 0,188 järelikult 36 tonni ja vaia kandevõime 67 0, tonni. 0,4 0,6 Vaia normkandevõime leitakse katsetega 0,8 määratud piirkandevõimest nii, et oleks 1,0 s = 67 s/p 1,05 täidetud tingimus 1, Rc, m Rc, m mean min 0,0005 0,0010 0,0015 0,000 0,005 0,0030 0,0035 R c, k min ; s/p 1 Joonis 5.53 Vaia koormuskatse 1 ja on tegurid, mis sõltuvad katsetatud andmetöötlus Chin I meetodiga vaiade arvust ja peavad olema rakendatud vastavalt piirkandevõime keskmisele (Rc,m)mean ja väikseimale (Rc,m)min väärtusele. Parandustegurid on tabelis 5.1 Tabel 5.1 Parandustegurid normväärtuste tuletamiseks staatiliste koormuskatsete tulemustest (n katsetatud vaiade arv) kui n = 1 3 4 5 1 1,40 1,30 1,0 1,10 1,00 1,40 1,0 1,05 1,00 1,00 Jäikade ehitiste puhul, kus võib eeldada jõudude ümberjaotust juhuslikult väiksema kandevõimega vaiadelt suurema kandevõimega vaiadele, võib parandustegurite väärtust vähendada 10%. Kuid 1 ei tohi olla väiksem kui 1,0. Vaia arvutuskandevõime leitakse seosega s mm s R = 300 t
R c; d R c; k t. arvutusvariandi puhul on osavaruteguri t väärtus rammvaiadel 1,1, puurvaiadel 1,3 ja CFA vaiadel 1,. Teiste arvutusvariantide kasutamise korral peab osavaruteguri väärtused võtma standardi EVS-EN 1997-1.006 tabelitest NA A.6, NA A.7 või NA S u s R Joonis 5.54 Vaia kandevõime määramine lähtudes ehitise piirvajumist P A.8. Ülaltoodud metoodika kõrval kasutatakse ka teisi staatilise koormuskatse alusel kandevõime määramise viise. Kandevõime määramine lähtudes ehitise lubatavast vajumist. Vaia normkandevõimeks loetakse koormus, mis põhjustab ehitise piirvajumi. Vaia katsetamine on lühiajaline võrreldes koormuse mõjumise ajaga ehitise vundamendis. Isegi kui vaia katsetamisel koormusastmeid hoiti vajumise tingliku stabiliseerumiseni, suureneb püsiva koormuse all vajumine jätkuvalt. Teiseks, võrreldes üksikvaiaga on vaiagrupi vajum suurem, kuna pinged vaiade all liituvad. Nende kahe teguri mõjul on ehitise vajum suurem, kui üksikvaia vajum katsel. Seepärast võetakse vaia kandevõimeks koormus, millele vastab vaia vajum katsel vähendatud teguriga (joonis 5.54). suuruseks soovitatakse võtta 0,. Kui su > 40 mm, siis võetakse selle suuruseks 40 mm. Seni puuduvad kogemused, kuivõrd see suurus on sobiv Eesti tüüpilistes geotehnilistes tingimustes. Kandevõime hindamine s-p graafiku iseloomu järgi. Vaia kandevõimeks loetakse üks koormusaste väiksem sellest koormusest, mille puhul vajum suureneb võrreldes eelneva koormusega 5 korda või korda, kui vajumine ei stabiliseeru ööpäeva vältel. Kandevõime hindamine vajumi ja vaia läbimõõdu suhte alusel Kandevõimeks loetakse sellisele vajumile vastav koormus, mis moodustab 10% vaia läbimõõdust. 5.3. Vaia kandevõime arvutamine lähtudes pinnase omadustest Vaia kandevõime Qu leitakse otsa Qb ja külje Qs vastupanu summana Qu = Qb + Qs 5.3..1 Kandevõime hindamine pinnase tugevusomaduste alusel Vaia otsa vastupanu leidmisel on kirjanduse andmetel enamlevinud Meyerhofi soovitused. Nende järgi Qb = A (qnq + cnc), kus A on vaia otsa pindala, q efektiivpinge vaia otsa sügavusel z (q = zγ), c vaia otsa alla jääva pinnase nidusus ja Nq ning Nc vaia otsa aluse pinnase sisehõõrdenurgast sõltuvad kandevõimetegurid. Viimased on esitatud graafikuna joonisel 5.55.
Liivpinnases Qb = AqNq. Otsa vastupanu piiratakse suurusega 50Nqtan. Savipinnasel, mille = 0, on Nc ligikaudu 9 (jämedatel vaiadel, d > 0,8 m, soovitatakse võtta Nc = 6) ja Nq = 1. Otsa vastupanu Qb = NccuA. Vaia küljega vastuvõetav jõud on Qs = uσlf, kus u on vaia ümbermõõt, L vastavas pinnasekihis oleva vaiaosa pikkus ja f ühikulise vaia külgpinna poolt vastuvõetav hõõrde või adhesioonijõud. Liivpinnases f = Kσ`tanδ, kus K on pinnase külgsurvetegur, σ`vertikaalne normaalpinge vaadeldava vaiaosa sügavuses ja δ Joonis 5.55 Meyerhofi kandevõimetegurid pinnase ja vaia vaheline hõõrdenurk. f suureneb ligikaudu sügavuseni 15-0 vaia läbimõõtu ja jääb sügavamal konstantseks. K soovitatakse võtta veidi suuremana paigalseisu külgsurvetegurist K0 - väikese läbimõõduga rammitavatel vaiadel 1,4 K0 ja toruvaiadel 1,8 K0. Savipinnaste puhul on kasutusel erinevaid soovitusi küljevastupanu arvutamiseks. 1) f = αcu, kus α on pinnase tugevusest ja vaia materjalist sõltuv empiiriline tegur, mille suurused on toodud järgnevas tabelis. cu kpa Betoonvai Terasvai <30 0,9 0,7 100 0,5 0,4 00 0,4 0,3 Pinnase tugevusomaduste alusel määratud piirkandevõimest normkandevõime leidmiseks peab kasutama tabelis 5. toodud parandustegureid 3 (keskväärtusele) ja 4 (väikseimale väärtusele). Tabel 5. Parandustegurid normväärtuste tuletamiseks pinnase katsetulemuste alusel (n katseprofiilide arv) kui n= 1 3 4 5 7 10 3 1,50 1,45 1,4 1,40 1,39 1,36 1,34 4 1,50 1,40 1,34 1,30 1,6 1,1 1,16 Pinnase tugevusparameetritest lähtuvaid kandevõime määramise meetodeid kasutatakse praktikas suhteliselt harva. Tavaliselt on suuri raskusi sügavatest kihtidest rikkumata struktuuriga monoliitproovide võtmisega tugevusparameetrite eksperimentaalseks määramiseks. Vaiade süvistamine mõjutab pinnase omadusi. Kohevad
liivad tihenevad oluliselt ja nende tugevus kasvab. Tihedad liivad võivad muutuda kohevamaks ja seega nõrgemaks. Savides toimub oluline struktuuri rikkumine ja sellega seotud tugevuse vähenemine. Tavaliselt ei ole võimalik vaia süvistamisega seotud tugevusparameetrite muutusi piisava täpsusega hinnata. Eeltoodu põhjal jääb enamasti selgusetuks, milliseid tugevusparameetrite väärtusi arvutustes kasutada. See ongi teoreetiliste valemite vähese kasutamise peamine põhjus. 5.3.. Kandevõime hindamine pinnase liigi ja oleku alusel Vaia normkandevõime arvutatakse valemiga i n p i1 R q A O q h, ck b kus A vaia ristlõike pindala, si Joonis 5.56 Rammvaiad Tartus Poe tn, mida ei õnnestunud projektikohasele sügavusele rammida i Op vaia ümbermõõt, hi pinnasekihi paksus, n vaia poolt läbitavate pinnasekihtide arv, qb pinnase erivastupanu vaia otsa all, qs vaia külje erivastupanu. qb ja qs väärtused on toodud tabelites 5. ja 5.3. Savipinnaste voolavusarvu ja plastsusarvu puhul on eeldatud Vassiljevi koonusega määratud voolavuspiiri. Kui voolavusarv on määratud Casagrande aparaadi või rootsi koonusega, tuleb seda korrigeerida. Kandevõime arvutusväärtus leitakse seosega R R 1, 4. c ck Tabelite 5. ja 5.3 väärtustega arvutatud kandevõime on enamasti alahinnatud (keskmiselt 65 %) (Mariupolski 1989). Sageli ei ole vaiade süvistamine sellisele sügavusele, mis saadakse tabelväärtuste kasutamisel, võimalik (joonis 5.56). Seepärast võib tabelväärtusi kasutada esialgseks kandevõime ja vajaliku vaia pikkuse hindamiseks. Tabel 5.. Vaia otsa erivastupanu q b kpa Vaia otsa Liivpinnased sügavus maapinnast Kruusliiv Jämeliiv - Keskliiv Peenliiv Möll I p<4 % - m Savipinnased voolavusarvuga I L 0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 3 7500 6600 3000 3100 000 1100 600 (4000) (000) (100) 4 8300 6800 3800 300 100 150 700 (5100) (500) (1600) 5 8800 7000 4000 3400 00 1300 800 (600) (800) (000) 7 9700 7300 4300 3700 400 1400 850 (6900) (3300) (00) 10 10500 7700 5000 4000 600 1500 900 (7300) (3500) (400) 15 11700 800 5600 4400 900 1650 1000 (7500) (4000) 0 1600 8500 600 4800 300 1800 1100
(4500) 5 13400 9000 6800 500 3500 1950 100 30 1400 9500 7400 5600 3800 100 1300 35 15000 10000 8000 6000 4100 50 1400 Märkused: 1. Kahe arvu korral lahtris on sulgudes olev savipinnase jaoks.. Tiheda liiva puhul võib olenevalt tiheduse määramise usaldusväärsusest tabelväärtusi suurendada 1,6 kuni korda. Tabel 5.3. Vaia külje erivastupanu qs, kpa Kihi keskmine sügavus m Jäme- ja keskliiv Peenliiv Möll I p < 4% Liivpinnased - - - - - - Savipinnased voolavusarvuga I L 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1 35 3 15 1 8 4 4 3 4 30 1 17 1 7 5 4 4 3 48 35 5 0 14 8 7 6 5 4 53 38 7 16 9 8 7 5 5 56 40 9 4 17 10 8 7 6 6 58 4 31 5 18 10 8 7 6 8 6 44 33 6 19 10 8 7 6 10 65 46 34 7 19 10 8 7 6 15 7 51 38 8 0 11 8 7 6 0 79 56 41 30 0 1 8 7 6 5 86 61 44 3 0 1 8 7 6 30 93 66 47 34 1 1 9 8 7 35 100 70 50 36 13 9 8 7 Märkused: 1. Pinnasekihid paksusega üle,5 m tuleks jaotada alakihtideks paksusega m.. Tiheda liiva puhul tuleks tabelväärtusi suurendada 30 %. 3. Mölli, savimölli ja möllsavi puhul poorsusteguriga alla 0,5 ja savil poorsusteguriga alla 0,6 tuleks tabelväärtusi suurendada 15 %. 5.3.3 Vaia kandevõime määramine dünaamiliste katsetega. On loogiline oletada, et mida raskem on vaia süvistada, seda suurem on selle kandevõime. Vaia süvistamise takistust on väga lihtne mõõta. Mõõduks võib olla näiteks vaia vajumine ühest löögist. Probleemiks on, kuidas siduda dünaamilise löögi mõjul tekkivat vaia paigutust vaia kandevõimega staatilise koormuse mõjumisel. On kasutatud lihtsustatud mudelitel baseeruvaid teoreetilisi lahendusi, poolempiirilisi või empiirilisi nn rammimisvalemeid vaia kandevõime määramiseks. 5.3.3.1 Rammimisvalemite kasutamine Üks vanemaid Ameerikas kaua kasutatud on nn Engineering News (ajakirja järgi, kus ta avaldati) valem eh GH F u = e +0,5 kus G on vasara kaal kn, H on vasara langemiskõrgus sm, eh on vasara efektiivsustegur (mehaanilisel vasaral 1,0, teistel väiksem),
e on vaste sm (vaia vajum ühest löögist) 0,5 ( 0,1 tolli) on tegur, mis arvestab energiakadu vaia elastsele deformatsioonile. Valemi kasutamisel võetakse varuteguriks 6. Täiuslikum on Hiley valem, mis arvestab paremini energia balanssi. Vasara löögienergia kulutatakse vaia ja vasara liikumisele vahetult pärast lööki 1 W = ( mr v1r+ m v v 1v ) kus mr on vasara mass, mv on vaia mass, v1r on vasara kiirus hetk pärast lööki v1v on vaia kiirus hetk pärast lööki Kasutades löögi taastumisteguri mõistet v1v - v1r = vr kus vr on vasara kiirus vahetult enne lööki ja liikumishulga jäävuse seadust mr vr = mr v1r+mv v1v saame avaldised kiiruste v1r ja v1v jaoks. mr vr = mr v1r+m v( v1r+ vr ) millest mr - mv v1r = vr mr + mv ja mr v1v = vr (1+ ) mr + mv Asetades need suurused energia avaldisse saame pärast teisendusi mr vr mr + W = mv mr + mv Kuna vasara vabalangemise korral vr = gh siis mr + W = g h mv mr mr + mv See on energia mis on kantud vaia liikumisse. Eeldades, et vaia elastne paigutus on eel ja ülejäänud osa plastne paigutus ehk vaia jääv paigutus löögist, vaste e, saame vastavalt joonisele 5.57 energia avaldada kui pindala W = Fu (e+eel /) Avaldades siit vaia piirkoormuse, saame Hiley valemi F e f Gh mr + = mv F u e + eel / mr + mv F u Rootsi vaianormides kasutatakse Hiley valemi modifitseeritud kuju kus ef on vasara efektiivsustegur. e el e e Joonis 5.57 Hiley valemi tuletus
e f Gh 0,8(1-0,1 mr F u = ) e + eel / mv mr l f eel = F u( + ) v Av Ev Af E f Täiuslikumad valemid võtavad arvesse ka energiakulu vaia plastsetest deformatsioonidest. SNiP kasutab Gersevanovi valemit. Selle tuletamisel on aluseks energia jäävuse seadus. Loetakse, et energia kulub vaia süvistamiseks, elastseks deformatsiooniks ja plastseteks deformatsioonideks vaia peas, kaitsepeas jne. Gh = Fu e+g hr + Gh kus G on vasara kaal ja h langemiskõrgus hr on vasara põrkekõrgus. Rd/Rs e mm Joonis 5.58 Gersevanovi valemiga arvutatud ja staatilise koormuskatsega määratud kandevõime suhte sõltuvus vastest α on koguenergia osa, mis kulub lõppkokkuvõttes soojuseks. α määramine ongi põhiline probleem valemi tuletamisel. Kasutades selleks katseandmeid (staatiliste ning dünaamiliste katsete võrdlust) sai Gersevanov valemi, mille SNiP annab kujul AM 4Gh m 1+ ( m+m3 ) F u = [ 1+ -1] Ae m 1+m+m3 kus - tegur on määratud katseliselt ja on r/b vaial 1500 kpa ja puitvaial 1000 kpa - A vaia ristlõikepindala - M tegur löökidega vaia süvistamine M=1 vibreerides süvistamisel M=0,7 kuni 1,3 - Gh löögienergia kj, süvistamisel üksikute löökidega G(H-h), h = 0,6 või 0,4 m viimane 0,4m torudiislite puhul, - = 0, (või 0 vibreerides süvistamine) - m1 vasara mass, m vaia ja vaiapea mass, m3 vaia pikenduse mass (tavaliselt 0) Eestis tehtud rohkearvulised paralleelsed staatilised ja dünaamilised koormuskatsed näitavad Gersevanovi valemi järgi arvutatud kandevõime head kooskõla staatilise koormuskatse tulemustega juhul, kui vaste suurus on vahemikus kuni 15 mm. Joonisel 5.58 on esitatud Gersevanovi valemiga arvutatud ja staatilise koormuskatsega määratud kandevõime suhte sõltuvus vastest. Väga väikese vaste puhul Gersevanovi valem ülehindab kandevõimet ja suure vaste korral alahindab.
Ülesanne Vaia ristlõige on 300 300 mm Vaia pikkus on 6 m Vaia mass on 150 kg Vaia pea mass on 300 kg Vasara energia on 15 kj Vasara mass on 700 kg Milline on vaia kandevõime, kui saavutatav vaste on mm. 1500*0,09*1 4*15 700+ 0,*1550 F u = [ 1+ -1] 780kN 1500*0,09*0,00 700 1550 Rakendame tegurit 1,5 ja saame vaia normatiivseks kandevõimeks 64 kn Rakendades tegurit 1,4 (keskmise väärtuse põhjal) on kandevõime 0,7x780=546 kn Arvutuslik kandevõime DA põhjal on 64/1,1 = 567 kn. (546/1,1=~500 kn)
Vaiade rammimise vasarad Masin Vasara mass, löögi energia Foto Hüdrauliline МГ3К Löögi energia, max 36 kj Löögiosa mass 3, tonni Kogu mass 6,1 tonni Hüdrauliline СП7Г Löögi energia > 36 kj Löögiosa mass 3,0 tonni Vasara mass 5,8 tonni Maksimaalne käik 1000mm (3,8 tonni vaia kaal, pikkus 1 m) Diiselvasar СП-79 Toruvasar Maksimaalne energia 118 kj Vai 10 tonni Löögiosa kaal 5 tonni Vasara mass 10 tonni Diiselvasar СП-77 Toruvasar Diiselvasar СП-75 Juhttorud Diiselvasar СП-7 Juhttorud (штанговый) Maksimaalne energia 59 kj Löögiosa mass,5 tonni Vasara mass 5,5 tonni Vaia mass,6 6,5 tonni Maksimaalne energia 9 kj Löögiosa mass 1,5 tonni Vasara mass,7 tonni Vaia mass 1, 3,0 tonni Löögiosa mass 3,0 tonni Vasara mass 4,7 tonni Maksimaalne energia 4,4 kj, vaia mass kuni 4,0 tonni
5.3.3. Kandevõime määramine lainelevi mõõtmise baasil Tänu mõõtmistehnika arengule saab vasara löögist vaia tüves tekkivate pingelainete mõõtmise andmeid kasutada vaia kandevõime määramiseks. Vasara löök põhjustab vaias survepinge, mis levib survelainena vaia põhjani (joonis 5.59) ja peegeldub sealt tagasi. Juhul kui vaia ots toetub tugevale pinnasele, on peegelduv laine samuti survelaine. Allapoole liikuv ja peegelduv laine liituvad sellisel juhul vaia põhja lähedal ja seetõttu jõud seal kahekordistub. Kui vaia otsa all on nõrk pinnas, tekib peegeldunud tõmbelaine (joonis 5.60). survelaine survelaine survelaine a) b) survelaine tõmbelaine tõmbelaine Joonis 5.59 Lööklaine levik vaias Joonis 5.60 Pingelaine moodused vaias a) vaia otsa all tugev pinnas b) otsa all nõrk pinnas Vaia kandevõime määramine põhineb selle dünaamilise käitumise analüüsil (PDA pile dynamic analysis). Vaia kandevõime sõltub vasara löögil tekkivast ja peegeldunud laine mõjul tekkivast jõust ning vaia osakeste kiirusest aga ka laineleviku kiirusest, vaia materjali elastsusmoodulist ja tihedusest, vaia ristlõike pindalast ja vaia ümbritsevast pinnasest olenevast sumbuvustegurist. Eelneva alusel on välja töötatud rida meetodeid koos vajaliku seadmestikuga vaia kandevõime määramiseks CASE (CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY), CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program), selle uus versioon CAPWAPC, TNO- WAVE, SVIDYN, PiD jne. Need põhinevad laineleviku mõõtmisel vaias ja sobivate parameetrite leidmisel. Kõigi nende meetodite puhul on põhiliseks otsene jõu ja osakeste kiiruse mõõtmine vaia peas. Selleks kinnitatakse vaia ülemise otsa lähedale andurid, mis ühendatakse Salvesti Analüsaator rvuti Ostsillograaf Plotter Printer Arvuti registreerimist ja analüüsi võimaldava aparatuuriga (joonis 5.61). Andurid Joonis 5.61 Seadmestik vaia dünaamilise käitumise mõõtmiseks ja analüüsiks
CASE meetod võimaldab mõõtmistulemustest arvutada kandevõime otseselt. Staatiline piirkoormus Rs leitakse seostest R R J F R R s d kus, d F t1 Ft t1 d AE v c t1 vt Rd piirkoormuse koguväärtus; Ft1 ja Ft jõud vaias vastavalt hetkel t1 ja t; vt1 ja vt kiirus vastalt hetkel t1 ja t; t1 maksimaalsele jõule ja kiirusele vastav ajahetk; t peegeldunud laine maksimaalsele jõule vastav ajahetk; L anduri kinnituskoha kaugus vaia põhjast; c hääle levimiskiirus; c1 lööklaine kiirus vaias; A vaia ristlõike pindala; E vaia materjali elastsusmoodul; J pinnasest sõltuv sumbuvustegur. CASE meetodi jaoks vajalike suuruste selgitus on joonisel 5.6 Sumbuvusteguri eeldatavad piirid on toodud tabelis 5.4 Tabel 5.4 Sumbuvustegurid Pinnas J Liiv 0,05-0,0 Mölline liiv 0,15-0,0 Liivane möll 0,0-0,30 Möll 0,0-0,45 Möllsavi 0,40-0,70 Savi 0,60-1,10 Peegelduslaine algab Aeg Joonis 5.6 CASE meetodi kohased mõõdetud jõu (F) ja kiiruse (v) graafikud Plastne element Elastne element Viskoosne element Sumbuvustegur omab olulist mõju vaiadel, mis võtavad enamiku jõudu vastu hõõrdega vaia küljel. Tugivaiade puhul, mis toetuvad tugevale pinnasele, on selle mõju tühine. CAPWAP meetodi arvutusskeem on esitatud joonisel 5.63. Vai, vahetükk ja vasar modelleeritakse elementidena, mis on Joonis 5.63 CAPWAP meetodi arvutusmudel
omavahel seotud elastse vedruga ja pinnasega reoloogilise elemendiga. Reoloogiline element koosneb paralleelselt ühendatud viskoossest elemendist (Newtoni element, amortisaator) ja elastsest (Hook i element) ning plastsest elemendist (Sen-Venant i element). Sarnane element on asetatud ka vaia põhja alla. Andes kogemuslikult algandmetena ette pinnase käitumist kirjeldavate elementide parameetrid (vedru jäikus, amortisaatori viskoossus ja plastse elemendi poolt Jõud kn Mõõdetud Arvutatud Joonis 5.64 CAPWAP analüüsi tulemused. Aeg ms vastuvõetav maksimaalne jõud) arvutatakse andurite kohas tekkiva jõu suuruse muutus ajas ja võrreldakse seda mõõdetuga. Kui need omavahel piisava täpsusega ei sobi, muudetakse parameetrite suurusi ja korratakse arvutust. Iteratsiooni jätkatakse kuni saavutatakse mõõdetud ja arvutatud kõvera vajalikult täpne kokkulangevus (joonis 5.64). Kui elementide parameetrid on iteratsiooni abil määratud, on võimalik leida vaia kandevõime ja koostada vajumise sõltuvust koormusest kirjeldav graafik nagu staatilise koormuskatse puhul. Teised vaia dünaamilise analüüsi meetodid TNO-WAVE, SVIDYN jt on põhimõtteliselt sarnased CAPWAP meetodiga. Erinevused puudutavad reoloogiliste elementide iseloomu või nende arvuliste väärtuste esialgset hindamist. Näiteks SVIDYN meetodi puhul saab algparameetrid määrata sõltuvana tavapärastest pinnase labori- ja välikatse tulemustest. Reeglina on CAPWAP meetodiga, samuti teiste samalaadsete meetoditega, määratud kandevõime usaldusväärsem CASE meetodiga või rammimisvalemitega määratud kandevõimest. Dünaamiliste katsetega määratud piirkandevõimest normkandevõime leidmiseks kasutatakse sarnaselt staatilise koorrmuskatsega parandustegureid 5 (keskväärtusele) ja 6 (väikseimale väärtusele). Parandustegurid on esitatud tabelis 5.5. Tabel 5.5 Parandustegurid normväärtuste tuletamiseks löökkatsete a,b,c,d,e alusel ( n - katsetatud vaiade arv) kui n = 5 10 15 0 5 1,60 1,50 1,45 1,4 1,40 6 1,50 1,35 1,30 1,5 1,5 l p/c
a Tabeli väärtused kehtivad löökkatse kohta b Lainelevi mõõtmisega löökkatsete puhul võib tabeliväärtusi vähendada modelleerimisteguriga 0,85. c Juhul kui kasutatakse rammimisvalemit arvestades löögil tekkivat vaiapea kvaasielastset paigutist, peaks väärtusi suurendama modelleerimisteguriga 1,10. d Juhul kui kasutatakse rammimisvalemit ilma löögil tekkiva vaiapea kvaasielastset paigutist arvestamata, peaks väärtusi suurendama modelleerimisteguriga 1,0. e Juhul kui vundamendis on erinevaid vaiu, peaks katsetatud vaiade arvu valikul vaatlema sarnastest vaiadest koosnevaid gruppe eraldi. Lainelevi mõõtmisel põhinevad kandevõime määramise meetodid sobivad paremini liivpinnaste puhul. Savipinnastes erineb vaia käitumine lühiajalise löökkoormuse ja staatiliselt mõjuva pikajalise koormuse korral tunduvalt ning ei tarvitse anda usaldusväärseid tulemusi. Vaia otsesel dünaamilisel ja staatilisel katsetamisel peab arvestama, et vaia kandevõime võib ajas muutuda. Vaia süvistamisel toimuvad protsessid muudavad pinnase omadusi. Savipinnastes viivad need muutused vaia kandevõime vähenemisele. Aja jooksul pinnase tugevus konsolideerumisprotsessi ja tiksotroopse tugevnemise tõttu suureneb ja vaia kandevõime kasvab. Joonistel 5.65 ja 5.66 on esitatud näited vaia kandevõime Kandevõime, kn Aeg, päeva Joonis 5.65 Vaia kandevõime muutus plastses savis Vaia vaste, mm Vaia puhkus, päeva Joonis 5.66 Vaia vaste sõltuvus suurenemisest ja vaste vähenemisest ajas. Liivpinnastes võib toimuda vastupidine nähtus vaia kandevõime väheneb võrreldes kandevõimega vaia rammimisel. Seepärast peab vaia katsetama teatud aja möödudes pärast selle süvistamist. Aeg, mille vältel vaia kandevõime kasvab, sõltub peamiselt pinnase liigist. Orienteeruvalt on see aeg liivpinnastel -3 päeva, möllpinnastel 5 päeva, möllsavidel 15 päeva ja savidel üle 5 päeva. 5.3.4 Vaia kandevõime staatilise pentreerimise andmetest Vaia kandevõime määramiseks kasutatakse käesoleval ajal sageli staatilist penetreerimist. Võib isegi öelda, et see on üks eelistatumaid meetodeid. Põhjuseks on penetratsioonikatse suhteliselt väike maksumus ja kandevõime prognoosimise suur usaldusväärsus. Tegemist on sisuliselt vaia väikesemõõdulise mudeliga. Nii vaia kandevõime ammendumisel, kui ka penetromeetri varda pinnasesse tungimisel on tegemist pinnase purunemisega otsa all ja hõõrde mobiliseerimisega vaia küljel. Penetromeetri süvistamiseks vajalik mõõdetav.vaia kandevõime määratakse penetromeetriga saadavatest andmetest SNiP.0.03-85 järgi valemiga
Fu = RsA + fhu, kus A - vaia otsa ristlõike pind, u - vaia perimeeter, h - vaia süvis maapinnast, Rs - vaia otsa erivastupanu piirseisundis, f - vaia külje poolt vastuvõetav hõõrdepinge piirväärtus. Vaia otsa erivastupanu määratakse seosest Rs=β1qs. qs on penetromeetri otsa keskmine takistus pikkusel, mis ulatub ühe vaia diameetri võrra vaia otsast ülespoole ja nelja diameetri võrra vaia otsast allapoole (joonis x). β1 on qs suurusest sõltuv tegur ja toodud normides. Suurus on vahemikus 0, (väga tugev pinnas qs>30000kpa) kuni 0,9 (suhteliselt nõrk pinnas qs<1000 kpa). f väärtuse määramine sõltub kasutatava penetromeetri tüübist. Penetromeetrid erinevad oma võimaluste poolest mõõta külje poolt vastuvõetavat jõudu. Mõned võimaldavad mõõta vaid otsa vastupanu, teised ka külghõõret. Viimastest omakorda ühed võimaldavad mõõta külghõõrde suurust kogu süvistatud osa pikkuses tervikuna, teised spetsiaalse muhvi abil teatud piiratud pikkuses. Igal juhul määratakse vaia külghõõre f otseselt penetromeetriga mõõdetud hõõrdest fs viimase korrutamise teel teguriga β, mille suurus sõltub kasutatava penetromeetri tüübist, pinnase liigist (liiv või savi) ja fs suurusest. β suurused on toodud normides. Bustamente ja Gianeselli on esitanud veidi erinevad tegurid otsa ja külje vastupanu määramiseks. Otsa vastupanu määratakse sarnaselt, erineb ainult tegur β (tähistatud kc). See sõltub samuti qs suurusest, mis määratakse keskmisena pikkuse kohta 1,5 D üles ja allapoole vaia otsa ja asub vahemikus 0, kuni 0,5. Suurused on toodud eraldi kohtvaiade ja rammitavate vaiade kohta (tabel x1). Külje vastupanu määratakse samuti penetromeetri otsa takistuse kaudu keskmisena kogu vaia pikkusele qs/α. α väärtused on toodud samuti tabelis 5.6. Tabel 5.6 qs kc α max f kpa Pinnase liik Mpa rammvai kohtvai Möll ja kohev liiv <5 0,4 0,5 60 35 Tihe savi ja möll >5 0,45 0,55 60 35 Kesktihe kruus ja liiv 5-1 0,4 0,5 100 80 Tihe liiv ja kruus >1 0,3 0,4 150 10 EVS-EN 1997. esitatud meetod. Tabelites 5.7 ja 5.8 on esitatud näited korrelatsioonist staatiliste koormuskatsete ja CPT katse tulemuste vahel ilma peenosiseta või selle vähese sisaldusega jämedateraliste pinnaste puhul. Kohtvaiade põhja (pb) ja külje (ps) vastupanu on antud sõltuvana koonustakistusest (qc) (CPT) ja vaiapea suhtelisest vajumist. Tabel 5.7 Kohtvaia põhja ühikvastupanu pb ilma peenosiseta või selle vähese sisaldusega jämedateraliste pinnaste puhul Suhteline vajum s/ds; s/db Põhja ühikvastupanu pb, MPa keskmise koonustakistuse qc (CPT) puhul MPa qc = 10 qc = 15 qc = 0 qc = 5
0,0 0,70 1,05 1,40 1,75 0,03 0,90 1,35 1,80,5 0,10 (= sg),00 3,00 3,50 4,00 Märkus Vahepealsed väärtused võib määrata lineaarse interpoleerimisega. Põhja laiendusega kohtvaiade puhul tuleb väärtused korrutada 0,75-ga s on vaia pea suhteline vajum Ds on vaia tüve läbimõõt Db on vaia põhja läbimõõt sg on vaia pea piirvajum Tabel 5.8 Kohtvaia külje ühikvastupanu ps ilma peenosiseta või selle vähese sisaldusega jämedateraliste pinnaste puhul Keskmine koonustakistus qc Külje ühikvastupanu ps (CPT) MPa MPa 0 0 5 0,040 10 0,080 > 15 0,10 Märkus Vahepealsed väärtused võib leida lineaarselt interpoleerides Märkus 1 Näide tugineb elektrilise surupenetromeetriga tehtud katsete tulemustel. Märkus See näide on avaldatud DIN 1054 (003-01). Üksikvaia survekandevõime määramise näide Järgnev on üksikvaia maksimaalse kandevõime määramise näide elektrilise penetromeetriga CPT mõõdetud qc alusel. Ülekonsolideerunud pinnase või kaevetööde puhul pärast CPT katset peaks qc väärtusi vähendama. Vaia maksimaalne kandevõime määratakse järgnevalt: kus F max = F max;base + F max; shaft Fmax;base = Abase pmax;base ja F max;shaft C p ΔL 0 p max;shaft; z d z kus Abase on vaia põhja ristlõike pindala, m ; Cp on vaia tüve osa ümbermõõt, mis asub kihis kus on vaia põhi, m; Fmax on vaia maksimaalne kandevõime, MN; on vaia põhja maksimaalne vastupanu, MN; Fmax;base
Fmax;shaft on vaia külje maksimaalne vastupanu, MN; Fmax;shaft;z on vaia külje maksimaalne ühikvastupanu sügavuses z, MPa pmax;base on vaia põhja maksimaalne ühikvastupanu, MPa; L on kaugus vaia põhjast esimese pinnasekihi põhjani, mille qc < MPa; peale selle L vaia laiendatud osa pikkus, kui kohane, m; z on sügavus või vertikaasuund (positiivne allapoole). Deq on vaia põhja ekvivalentne läbimõõt, m; b Deq 1, 13 a a kus a on vaia põhja väiksema külje pikkus, m; b on pikem külg in m, koos b 1,5 a; Maksimaalse põhja vastupanu pmax;base võib arvutada valemiga: ja p max ;base = 0,5 α pmax;base 15 MPa p q β s c;i;mean + q c;ii;mean + q c;iii; mean kus p on vaia tüübist sõltuv tegur, antud tabelis 5.9, on tegur, mis võtab arvesse vaia jala kuju joonisel 5.68 näidatud viisil; leitakse interpoleerimisega joonisel 5.68 näidatud piiride vahel. s on vaia põhja kujutegur, mis määratakse järgmiselt: sin ' s 1 / 1 sin ' r kus r on L/B L on ristkülikulise vaiapõhja pikem külg; B on ristkülikulise vaiapõhja lühem külg; on efektiivsisehõõrdenurk. qc;1;mean on qc;i väärtuste keskmine vahemikus vaiapõhjast allapoole vähemalt 0,7 korda ja kõige rohkem 4 korda vaia põhja ekvivalentset läbimõõtu Deq (vt joonis 5.67); koos qcii;mean q dcrit 1 c; I; mean = c; I q d dcrit 0 z 0,8Deq < dcrit < 4Deq on qc;ii väikseimate väärtuste keskmine vahemikus kriitilisest sügavusest ülespoole kuni vaiapõhjani (vt joonis 5.67); q c;ii;mean 0 1 = qc; II d crit d crit dz
qciii;mean on qc;iii väärtuste keskmine vahemikus vahemikus vaiapõhjast kuni 8- kordse vaiapõhja läbimõõdu kõrguseni või juhul kui b 1,5 a kuni kõrguseni 8 a vaia põhjast. Seda protseduuri alatakse väikseima qc;ii väärtusega, mida kasutati qc;ii;mean arvutamisel (vt joonis 5.67); q -8Deq 1 c; III; mean = c; III q d 8Deq 0 z Pideva spiraalpuuriga vaia puhul qc;iii;mean ei võeta suuremana kui MPa, välja arvatud juhul, kui CPT katse, mille tulemuste alusel vaia kandevõime arvutatakse, on tehtud pärast vaia valmistamist vähem kui 1 m kaugusel; (4) Maksimaalse külje erivastupanu pmax;shaft;z peaks määrama valemiga: kus p = q max;shaft; z s c; z; a s on tegur, mis võetakse tabelitest 5.9 ja 5.10; on qc lõikeväärtus sügavuses z, MPa. qc;z;a Kui sügavusintervallis paksusega 1 m ja rohkem on qc;z 1 MPa, siis qc;z;a 15 MPa kogu selles intervallis. Kui sügavusintervall, milles qc;z;a > 1 MPa on alla 1 m paks, siis võetakse qc 1 MPa kogu selles intervallis. Tabel 5.9 p ja s maksimumväärtused liival ja kruusaga liival Vaia klass või tüüp p s a Pinnast väljatõrjuv vai diameeter > 150 mm rammitav valmisvai, 1,0 0,010 kinnise otsaga süvistatud terastorusse betoneeritud vai. Terastoru tõmmatakse betoneerimise ajal välja. 1,0 0,014 Pinnast asendav vai, diameeter > 150 mm pideva spiraalpuuriga valmistatav vai, 0,8 0,006 b puurvai (puurimisvedeliku abil valmistatav). 0,6 0,005 a Väärtused kehtivad peen- kuni jämeliiva kohta. Eriti jämeda liiva puhul on vaja kasutada vähendustegurit 0,75 ja kruusa puhul 0,5. b Väärtused kehtivad enne vaia valmistamist tehtud CPT katsete puhul. Kui CPT katse on on tehtud pideva spiraalpuuriga tehtud vaia vahetus lähedusest, siis s väärtust võib suurendada 0,01-ni. Tabel 5.10 s maksimumväärtused savi, mölli ja turba puhul Pinnase liik savi savi qc, MPa > 3 <3 s < 0,030 < 0,00
möll turvas < 0,05 0 Joonis 5.67 qc;i, qc;ii jad qc;iii selgitus Legend 1 piirjoon 1; = 1,0; piirjoon ; = 0,9; 3 piirjoon 3; = 0,8; 4 piirjoon 4; = 0,7; 5 piirjoon 5; = 0,6; H, Deq ja deq jaoks vt joonis 5.67
Joonis 5.68 Vaia jala kujutegur () 5.3.5 Materjali tugevusest sõltuv vaia kandevõime. Enamikel juhtudel määrab vaia kandevõime pinnase vastupanu. Vaia materjali tugevusest tingitud kandevõime peab olema suurem või võrdne pinnase vastupanust põhjustatud kandevõimest. Vaia ristlõike pindala kõrval, mis mõjutab ka pinnasest tingitud kandevõimet, saab vaia materjalist tingitud kandevõimet muuta betoonist vaia puhul betooni ja armatuuri klassi valikuga ning armatuuri kogusega. 5.3.5.1 Valmisvaiade tugevus Valmisvaiad peab alati armeerima kogu pikkuse ulatuses. Armatuuri dimensioneerimisel peab arvestama: vaiale kasutamise ajal mõjuvaid koormusi (vertikaaljõud ja paindemoment); vaia eemaldamisel raketisest, transpordil, ladustamisel ja tõstmisel rammimiseks tekkivaid paindemomente; vaia rammimisel tekkivaid surve ja tõmbepingeid. Ainult vertikaalselt koormatud üleni pinnases asuvat vaia võib arvutada nagu tsentraalselt surutud varrast nõtket arvestamata. Tavaliselt on pinnase tugevus ja jäikus piisav takistamaks põiksuunalist siiret. Erandi moodustavad väga nõrku pinnaseid läbivad väikese põiklõikega vaiad, näiteks mikrovaiad. Vertikaalkoormuse kõrval ka horisontaaljõu ja paindemomendiga koormatud vaiu arvutatakse nagu ekstsentriliselt surutud elementi. Vaia tõstmisel tekkivate paindemomentide minimiseerimiseks peaks tõstekonksud asetama joonisel 5.69 näidatud skeemi kohaselt. Skeemi kohaselt asetsevate tõste või toetuspunktide puhul on toe ja avamomendid võrdsed. Paindemoment leitakse omakaalu koormusest arvestades dünaamikategurit. a) 0,07 L L 0,07 L b) L 0,65 L Joonis 5.69 Tõstekonksude ja tugede asend. a) Transpordil ja ladustamisel. b) Tõstmisel rammimisseadmele
Vaia rammimisel tekivad surve- ja tõmbepinged. Täpsemalt saab neid hinnata otsese mõõtmise kaudu vaia katsetamisel dünaamilise koormusega. Lähtudes Newtoni teisest seadusest saab tuletada seose vasara löögist põhjustatud survepinge leidmiseks αz gh σ z = A 1 α = Ev Avc 1 + E A c E A r v r r v v v Z = impedants ehk dünaamiline jäikus cv c v = E ρ v v Ev vaia elastsusmoodul; Av vaia ristlõike pindala; cv pingelaine kiirus vaias; h vasara langemise kõrgus; g raskuskiirendus; Er vasara materjali elastsusmoodul; Ar vasara ristlõike pindala; cr pingelaine kiirus vasara materjalis. Laine tagasipõrkamisel tugevale pinnasele toetuvale vaia otsast tõusev survelaine võib allapoole liituva lainega. Seepärast eeltoodud valemiga leitud survepinge tuleb korrutada kahega. Võimalik tõmbepinge, mis tekib juhul, kui vaia otsa all on suhteliselt nõrk pinnas, on otseselt leitav eeltoodud valemiga. Tähtsam ongi ülemäärase tõmbepinge tekkimise vältimine, kuna tekkivad praod võivad korduval löökkoormamisel liigselt laieneda ja vaia põlisust vähendada. Eeltoodud valem ei arvesta pinnase vastupanu vaiakülje ja pinnase vahel ning vaia kaitsepea summutavat mõju. Nagu valemist selgub sõltub vaias vasara löögist tekkiv pinge vasara langemise kõrgusest ja ei sõltu vasara kaalust. Sellest järeldub, et ülemäärasepinge vältimiseks peaks vasara langemise kõrgus olema võimalikult väike. Rammimise vajaliku efektiivsuse tagamiseks peab seejuures vasara mass olema võrreldes vaia massiga võimalikult suur. Raudbetoonist vaiade puhul ei tohiks vasara langemise kõrgus olla mingil juhul suurem, kui 1,1 m ja terasvaiadel 1,8 m. Soome toruvaiade rammimise eeskirjades on eeltoodud seos kirjutatud veidi teisel kujul σ max = f w f0 γhe, kus fw pinnasest sõltuv tegur (tabel 5.11) f0 vasara efektiivsusest sõltuv tegur löökvasara korral 0,75, hüdrovasara puhul 0,85; - vaia materjali mahukaal (kn/m 3 ); h vasara langemise kõrgus (m); E vaia materjali elastsusmoodul (kn/m ). Tabel 5.11 Teguri fw väärtused >5 mm löögist <1 mm löögist Külghõõre Väike Keskmine Suur Keskmine Keskmine Suur Otsa vastupanu Väike Keskmine Keskmine Keskmine Suur Väga suur Survepinge 1 1 1 1, 1,5 1,5 1,8 1,8,0 Tõmbepinge 0,8-1 0,4 0,7 0,1 0,3 0 0 0
Väga ligikaudu võib survepinge (MPa) leida valemiga σ = 30 h Nõrgas pinnases asuva suhteliselt väikese läbimõõduga vaia (mikrovaia) kandevõime arvutamisel tuleb arvestada nõtkega. SniP.0.03-85 annab selliste vaiade jaoks, mis asuvad pinnases deformatsioonimooduliga E alla 5 Mpa, nõtkepikkuseks: ls = 5 d, kui E 0,5 kuni Mpa ja ls = 15 d, kui E kuni 5 Mpa. Kui ls osutub suuremaks, kui nõrga kihi paksus hg, siis ls = hg. Kriitilise jõu suurus üleni elastses keskkonnas asuval surutud vardal on Timošenko järgi 4 E viv klslv Q b m lv m 4EvIv kus Ev on vaia materjali elastsusmoodul, Iv on vaia ristlõike inertsmoment, lv on vaia pikkus, kls on pinnase sängitusmoodul (Cd) kn/m d on vaia läbimõõt, m varda nõtkunud kuju poollainete arv. Juhul kui kls = 0 siis m = 1 ja saame tavalise Euleri kriitilise jõu avaldise Tähistades poollaine pikkuse l v m saab eeltoodud seose kirjutada kujul 1 k ls Q b EvIv 4 EvIv Minimaalse kriitilise jõu leidmiseks võtame avaldiset tuletise suhtes ja võrdsustame nulliga. Q b 0 Juhul kui m >1 saame Qb väikseima väärtuse Qb,min Q k E I b, min ls v v Ja vastava suuruse E / 1/ 4 viv kls Tähistame abisuurused m Qb 1 1 t ja v t m Qb, min t Ülesande lahendamisel leitakse kõigepealt Qb,min ja. Seejärel poollainete arv lv m. Poollainete arv peab olema täisarv, mida eeltoodud avaldis tavaliselt ei anna. Seepärast peab kriitilise jõu leidma kahe lähima poollainete arvu jaoks. Lõplikuks kriitiliseks jõuks jääb neist väiksem. Sängitusmooduli suuruseks pinnase elastsete paigutiste arvestamisel lühiajalise koormuse mõjumisel võib ligikaudu hinnata kls = 80cu. Pikaajalise koormuse
mõjumisel, kui arvesse tulevad plastsed ja roomedeformatsioonid on sobivam kls = 0cu. Näide Leida kriitiline jõud 5 m pikkusele toruvaiale välisläbimõõduga 50 mm ja seina paksusega 4 mm. Vai asub tervenisti nõrgas savis mille dreenimata nihketugevus cu on 10 kpa. 4 4 7 I v 0,05 0,04 1,54 10 m 4 64 Ev = 10 Gpa Kls = 010 = 00 kpa 7 6 001,5410 1010 161 kn 1 6 7 10 10 1,54 10 / 00 4 =1,99 m Q b, min 5 m,51 1,99 Kontroll kahe lähima poollainete arvuga ja 3,51,51 t 1 1,5 m ja t 0, 84 m 3 1 1 1 1 v 1 1,5 1,10 v 0,84 1, 06 1,5 0,84 Kriitiline jõud on järelikult Q b 1,06161 171 kn Osaliselt pinnases asuva vaia nõtkepikkus Osaliselt pinnases asuva vaia puhul võib lugeda, et vai on jäigalt kinnitatud sügavusel ( ) 1 / l 1 4 4 s =, EvIv / cz Juhul, kui pinnase jäikus suureneb võrdeliselt sügavusega cz = Kz, siis 1 / 5 l =, 8( E I / K s v v ) Nõtkepikkus sõltub vaia pea kinnitusest rostvärki. Jäigalt rostvärki kinnitatud vaia puhul = 0,5(ls + l0), kus l0 on vaia vabapikkus (vaia maapinnast kõrgemal oleva osa pikkus). Vai peab ulatuma seejuures pinnasesse seejuures vähemalt 3,5ls ulatuses. 5.3.5. Kohtvaiade kandevõime materjali tugevust arvestades Ainult survele töötava kohtvaia puhul puudub vajadus seda armeerida. Ökonoomsem on survejõudu vastu võtta betooniga. Koormuse võimaliku juhusliku ekstsentrilisuse tõttu armeeritakse siiski alati kohtvaiade ülemine osa. Koormuse ekstsentrilisusest põhjustatud moment kustub pinnase reaktsiooni tõttu kiiresti ja seetõttu armatuur on vajalik ainult vaia ülemises osas. Soovitav armeerida pool vaia pikkust, kuid mitte üle 3 m. Pikemat armatuuri tuleb kasutada juhul, kui: vaiale mõjub horisontaaljõud ja/või moment; vai töötab tõmbele; Viimasel juhul on peaks armatuur vaia põhjani. Armatuuri pind peaks olema vähemalt 0,8% vaia ristlõike pindalast.