Poslovni objekt “Zagreb Tower” – Poboljšanje tla

Business centre “Zagreb Tower” – Soil improvement

R. Gotić Geotechnik d.o.o. Varaždin

M.S. Kovačević, D. Jurić-Kaćunić Građevinski fakultet Zagreb

SAŽETAK: U radu je prikazano poboljšanje tla dubinskim vibracijskim zbijanjem izvedeno za potrebe temeljenja poslovnog objekta “Zagreb Tower” u Zagrebu. Građevina sadrži dvije podzemne etaže i 7 nadzemnih, te 20 etaža visok toranj elipsastog oblika u tlocrtu. Temeljenje građevine je predviđeno na temeljnoj ploči debljine 2 m na dubini 6 m od površine terena. Dubine izvođenja poboljšanja temeljnog tla određene su na temelju geotehničkog izvještaja, iz-vedbe geotehničkih rovova, dodatnih dinamičkih penetracijskih ispitivanja te kriterija dozvol-jenog ukupnog i diferencijalnog slijeganja objekta. Kontrola postignutog stupnja poboljšanja tla provedena je nerazornim postupkom Spektralne analize površinskih valova (SASW).

Ključne riječi: Poboljšanje tla, dubinsko vibracijsko zbijanje, temeljenje

ABSTRACT: This paper shows the ground improvement method by deep vibro compaction car-ried out in the foundation project of the “Zagreb Tower” office building in Zagreb. The building has two underground floors, 7 above ground, and a 20-floor oval tower in the ground plan. The foundation of the building was desinged to be on a 2 metre-thick concrete plate foundation placed 6 m from the ground surface. Depths for main ground improvement were defined based on geotechnical reports, the construction of geotechnical pits, additional dynamic penetration measures and criteria for the allowed total and differential displacement of the construction. Control of the achieved ground improvement level was conducted with the non-destructive SASW (Spectral Analysis of Surface Waves) method.

Key words: Soil improvement, deep vibro compaction, foundation

1 UVOD

Poslovni objekt “Zagreb Tower” sastoji se od dva nivoa podzemnih etaža koje tlocrtno zauzi-maju cijelu parcelu. U nadzemnom dijelu predviđena je zgrada tlocrtnih dimenzija 88,3 x 16,5 m, etažnosti P+7 i toranj elipsastog tlocrta dijagonala 46,5 x 21,5 m, etažnosti P+20, visine 79 m. Temeljenje građevine je predviđeno na temeljnoj ploči debljine 2 m na dubini 6 m od površine terena. Geostatičkim analizama izvedeni su proračuni slijeganja temeljne elipsaste ploče. Dobivena ukupna slijeganja nisu bila prihvatljiva za ovakav tip građevine, a poglavito je postojala velika opasnost od diferencijalnog slijeganja elipse i jezgre. Kako krutost i čvrstoća tla na lokaciji budućeg objekta nisu mogli osigurati zadovoljenje projektnog kriterija ukupnih i diferencijalnih slijeganja bilo je nužno poboljšanje fizikalno-mehaničkih karakteristika tla. Kao metoda poboljšanja odabrano je dubinsko vibracijsko zbijanje sa punjenjem šljunčanim odnosno kamenim materijalom.

375Priopćenja 4. Savjetovanja HGD-a, Ojačanje tla i stijena, Opatija, 5.-7. listopada 2006.

2 STANJE PRIJE POBOLJŠANJA TLA

Na temelju geotehničkog izvještaja, izvedbe geotehničkih rovova (slika 1) te dodatnih di-namičkih penetracijskih ispitivanja definiran je reprezentativni profil tla za projektiranje pobol-jšanja tla.

Površinski dio terena djelomično je nasipan, debljina humusnog sloja i nasipa kreće se od 0,3 do cca 1 m debljine. Temeljno tlo je horizontalno uslojeno i sastoji se od tri sloja različitih općih i mehaničkih svojstava.

U površinskom sloju registrirana je glina niske do srednje plastičnosti, prašinasto pjeskovita, krute konzistencije s proslojcima prašinastog pijeska, rastresito zbijenog do dubine između 2,5 i 4,9 m od površine okolnog terena (CL/CI/SFs).

Šljunak je loše do dobro graduiran, mjestimično više prašinast, u povšinskom dijelu do dubine cca 8 m iznad nivoa podzemne vode, srednje zbijen, dublje je rastresit do srednje zbijen. Registriran je do dubine 15,8-16,0 m od površine okolnog terena.

Ispod šljunka nalazi se glina srednje plastičnosti, prašinasta, krute do polučvrste konzisten-cije, sivo plave boje s pjeskovitim proslojcima (CI).

Za vrijeme istražnih radova razina PPV je izmjerena na dubini između 7,1 i 9,7 m, a NPV na kraju terenskih istražnih radova registriran je na dubini između 7,6 i 8,6 m.

Slika 1. Izvedba geotehničkog rova Za potrebe projektiranja poboljšanja tla i izrade geostatičkih proračuna usvojen je slijedeći

model tla, koristeći kotu 8 m od kote okolnog tla kao kotu 0,00 kod poboljšanja tla (Tablica 1). Tablica 1: Model tla ________________________________________________________________________________________________________ Dubina Oznaka tla Opis tla φ c γ' Mv [m] [ ] [ kN/m ] [kN/m ] [MN/m ] ________________________________________________________________________________________________________

0 2 3 2

0,0-0,7 GW tampon Tamponski sloj šljunka 35 0 10 60 0,7-3,0 CH Glina, srednje plastičnosti 22 10 10 5 3,0-9,0 GW/GP/GFs Šljunak slabo do srednje zbijen 32 0 10 25 9,0-14,0 Cl Glina krute do polučvrste konz. 22 15 10 20 14,0- GP Šljunak dobro zbijen 35 0 10 100 ________________________________________________________________________________________________________

Projektni zadatak bio je izvršiti zbijanje prirodnog šljunčanog sloja od kote temeljenja Tornja do dubine cca 9 m i reducirati za cca 2/3 ukupno slijeganje u tom sloju, a diferencijalno sli-jeganje svesti na najmanju moguću mjeru u zadanim uvjetima temeljenja.

Za poboljšanje temeljnog tla odabrana je metoda dubinskog vibracijskog zbijanja sa pun-jenjem šljunčanim, odnosno kamenim materijalom.

376

3 TEHNOLOGIJA DUBINSKOG VIBRACIJSKOG ZBIJANJA

U koherentna i mješovita tla sa udjelom praha ili gline većim od 20%, utiskivanjem i vibriran-jem se ugrađuju stupovi od šljunka ili kamena drobljenca koji onda preuzimaju dodatna optere-ćenja (slika 2). Zajedno s okolnim tlom ovakav zrnast materijal ugrađen pomoću vibratora ima veću krutost i pruža veći otpor smicanju. Povećana je nosivost temeljnog tla, a smanjena sli-jeganja. Zbog velike vodopropusnosti šljunčanih stupova znatno je ubrzano vrijeme konsoli-dacije, a time i brže sukcesivno povećanje posmične čvrstoće prirodnog tla. Smanjena je i opas-nost od pojave likvefakcije (Watts, 2000).

Slika 2. Princip dubinskog vibracijskog zbijanja s punjenjem šljunčanim materijalom

Uspješnost ovog postupka poboljšanja tla također ovisi o granulometrijskom sastavu tla. Na

slici 3 prikazane su zone na granulometrijskom dijagramu unutar kojih se može primijeniti dubinsko vibracijsko zbijanje sa punjenjem šljunčanim odnosno kamenim materijalom. Iz dija-grama je vidljivo da se ova tehnologija može primijeniti u vrlo širokom rasponu.

Slika 3. Zone tla unutar granulometrijskog dijagrama pogodne za dubinsko vibracijsko punjenje

Način izvođenja postupka prikazan je na slici 4. Vibrator s uređajem za doziranje i prisilnim

vođenjem postavlja se iznad obilježene točke. Hidrauličkim putem fiksira se na oslonce. Posebni utovarivač puni posudu postrojenja materijalom. Posuda s materijalom diže se uz konstrukciju stupa i prazni svoj sadržaj u uređaj za doziranje. Nakon zatvaranja uređaja posebnom zaklopkom komprimirani zrak potiskuje materijal prema izlaznom otvoru na šiljku vibratora. Vibrator istiskuje okolno tlo i spušta se do projektirane dubine, potpomognut tlakom vode ili zraka i prema dolje usmjerenoj vertikalnoj sili sa stupne konstrukcije. Kad je konačna

377

dubina dosegnuta, vibrator se podiže za 30 do 50 cm, stvara šupljinu ispod sebe, u koju ulazi materijal pod pritiskom. Ponovnim spuštanjem vibratora materijal se zbija i bočno utiskuje u okolno tlo. Na taj način se sukcesivno od dolje prema gore izvodi šljunčani stup, do površine terena ili do predviđene visine.

Slika 4. Dubinsko vibracijsko zbijanje - redoslijed izvođenja

Nedostatak ovog postupka prvenstveno se ogleda u gubitku bočnog otpora kod vrlo mekih

glina, prahova ili prašinastih pijesaka, te u nepostizanju željenog oblika i volumena stupa zbog šupljina u tlu, korijenja drveća i slično. Detaljnije o tehnologiji dubinskog vibracijskog zbijanja može se naći u radovima: Balaam i Poulos, 1977.; Priebe, 1995. te Gotić, Schwab i Zinsenhofer, 1998.

4 PROJEKTNO RJEŠENJE POBOLJŠANJA TLA

Dubina, promjer te raster šljunčanih stupova kojima je poboljšano tlo projektirani su posebno za temeljnu AB ploču pravokutnog tlocrta stranica 19,71 x 7,80 m ispod jezgre i temeljnu AB ploču elipsastog tlocrta dijagonala 46,5 x 21,5 m oko jezgre. Radovi su izvedeni u dvije faze.

FAZA 1. Temeljenje ploča izvodi se na poboljšanom tlu, šljunčanim stupovima promjera cca 70 cm (šljunčani materijal granulacije 16-32 mm), sistem Keller, dubine cca 3,0 m od kote dna temeljne ploče do kote –3,0 m, odnosno početka sloja šljunka loše do dobro graduiranog. Od kote –3,0 m do kote –9,0 m izvode se također šljunčani stupovi, no kako je tlo u toj debljini po sastavu nekoherentni materijal izvode se tzv. vertikale dubinskog vibracijskog zbijanja sa pun-jenjem šljunčanog materijala. Ovaj zahvat obavlja se do dubine na kojoj počinje sloj gline Cl krute do polučvrste konzistencije. Tlocrtni kvadratni raster za provokutnu ploču jezgre je 1,5 x 1,5 m a za elipsastu ploču izvan jezgre 1,75 x 1,75 m. Ukupan projektiran broj šljunčanih stu-pova za provokutnu ploču jezgre iznosi 175 komada, a za elipsastu ploču izvan jezgre 234 ko-mada.

FAZA 2. Među ovim točkama zbijanja izvode se međutočke, odnosno šljunčani stupovi dužine 3 m promjera cca 70 cm na kvadratnom rasteru 1,5 x 1,5 m, pomaknutog rastera za 0,75 m u smjeru x i y u odnosu na navedeni raster. Broj međutočaka u zoni jezgre iznosi 195, a izvan jezgre 180 a izvode se iz razloga što boljeg stupnja poboljšanja tla u zoni 0,0 do –3,0 m, od-nosno gline srednje plastičnosti. Pravi raster izvedenih točaka poboljšanja u zoni 0,0 do –3,0 m, gledajući tlocrtno područje jezgre, stvarno iznosi 0,75 x 0,75 m, a izvan jezgre 0,87 x 0,87 m.

Nakon izvedbe poboljšanja temeljnog tla vrši se iskop do dubine 70 cm na području cijele elipse i ugrađuje se u 3 sloja tamponski šljunčani materijal (0-60 mm) i zbija vibro valjcima.

378

5 KONTROLA KVALITETE POBOLJŠANJA TLA SASW METODOM

Velika pozornost prilikom izvođenja radova na poboljšanju tla pridaje se kontroli kvalitete postignutog poboljšanja. Standardno se za kontrolu kvalitete poboljšanja tla postupkom dubin-skog vibracijskog zbijanja koristi tzv. teška udarna sonda. Uređaj se sastoji od utega od 50 kg koji pada slobodnim padom sa visine 1 m. Uteg preko posebnog adaptera prenosi energiju na šipku koja na svom vrhu ima nepovratni šiljak. Ovim pokusom mogu se dobro procijeniti krutost, odnosno nosivost samog šljunčanog stupa ili okolnog tla. Međutim, rezultati ovog po-kusa ne mogu se pouzdano upotrijebiti za određivanje stupnja poboljšanja prosječnih krutosnih karakteristika cjelokupnog novonastalog tla, te se ne mogu rezultati ispitivanja usporediti sa projektnim pretpostavkama. Složeno stanje naprezanja i interakcija šljunčanih stupova i okolnog tla onemogućavaju da se lokalnim ispitivanjem komponenata spozna krutost kompozita. Za određivanje stupnja poboljšanja tla neophodno je provesti ispitivanje kojim će se obuhvatiti veći volumen poboljšanog tla i odrediti njegove prosječne novonastale krutosne karakteristike.

Prosječno povećanje krutosti tla poboljšanog postupkom vibro replacement može se uspješno i pouzdano provesti postupkom Spektralne analize površinskih valova (SASW) (slika 5).

Ovu metodu mjerenja krutosnih karakteristika tla na različitim objektima izvodi u Hrvatskoj Zavod za geotehniku Građevinskog fakulteta u Zagrebu.

Postupak se odvija na površini terena te se metoda može svrstati u grupu nerazornih seiz-mičkih mjerenja. Površinski valovi generiraju se mehaničkim vertikalnim impulsom na površini terena. Vertikalni senzori, geofoni, postavljaju se na unaprijed definiranim razmacima i mjere brzinu prolazećeg vala. Fourierovom analizom primljeni signal se transformira iz vremenske u frekventnu domenu i na transformiranom signalu provodi se daljnja spektralna analiza. Korištenjem spektralnih funkcija faze (cross power spektrum, coherence) određuju se dis-perzivne karakteristike ulaznog vala. Povratnom analizom se, iskorištavajući disperzivne karak-teristike površinskog vala, dobivaju krutosti slojeva uslojenog tla.

Osim za kontrolu kvalitete poboljšanja krutosti tla šljunčanim pilotima i mlaznim injektiran-jem metoda se uspješno primjenjuje za kontrolu kvalitete zbijanja cestovnih nasipa, te nasipa od armiranog tla, kao i za utvrđivanje debljine slojeva kolovozne konstrukcije i utvrđivanje debljine betonske obloge kod cestovnih i hidrotehničkih tunela.

Slika 6. Kontrola kvalitete poboljšanja tla Spektralnom analizom površinskih valova Iskustva na primjeni ovog postupka u Hrvatskoj prikazali su u svojim radovima Szavits-Nossan A., Mavar i Kovačević, 1998.; Kovačević, 1999.; Mulabdić, Szavits-Nossan A. i Kovačević, 1999.; Stanić, Kovačević i Szavits-Nossan V., 2001.; Stanić, Kovačević i Gjetvaj, 2002. te Kovčavić i Skorić, 2003.

379

Kontrola poboljšanja izvršena je na 2 profila prije i 2 profila poslije poboljšanja (slika 7). Stupanj poboljšanja temeljnog tla, odnosno povećanja prosječnog modula elastičnosti sloja gline i sloja šljunčanog materijala relativne dubine do –9,0 m od kote iskopa, nakon izvedenih šljun-čanih stupova iznosio je 3,61.

Slika 7. Pozicije SASW mjernih profila prije i poslije poboljšanja

6 ZAKLJUČAK

Postupkom dubinskog vibracijskog zbijanja sa punjenjem šljunčanim, odnosno kamenim ma-terijalom uspješno je poboljšano tlo za potrebe temeljenja poslovnog objekta “Zagreb Tower”. Nerazornim postupkom Spektralne analize površinskih valova (SASW) pokazano je da je postignut veći stupanj poboljšanja tla, odnosno veći stupanj povećanja prosječnog modula elastičnosti od projektom zahtijevanog. 7 LITERATURA

Balaam, N.P., Poulos, H.G.: Settlement Analysis of Soft Clays Reinforced wihh Granular Piles, The Uni-versity of Sidney, School of Engineers, 1977. Gotić, R., Schwab, E., Zinsenhofer, M.: Wirtschftliche Fundierung durch Bodenverbesserung, Porec – Xl Donau – Europäische Konferenz, pp 892.-897., 1998. Kovačević, M.S. (1999), Numerička simulacija nelinearne interakcije konstrukcije i tla. Disertacija, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu. Kovačević, M.S., Skorić, Ž. (2003), Kontrola kvalitete poboljšanja tla spektralnom analizom površinskih valova, Zbornik savjetovanja Nove tehnologije u hrvatskom graditeljstvu, Brijunski otoci, 26.-28.6.2003., 273-283 Mulabdić, M., Szavits-Nossan, A., Kovačević, M.S. (1999), Model testing of geosintetics in reinforced soil. Proc. XII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, eds.: Barends, Lindenberg, Luger, Quelerij, Verruijt, Balkema, Rotterdam, 2: 817-822. Priebe, H.: Die Bemessung von Rüttelstopfverdichtung Mechanical, Bautechnik 3, pp 183.-191., 1995. Stanić, B., Kovačević, M.S., Szavits-Nossan, V., (2001), Deformation and stiffness measurements in reinforced soil, 15th International conference on soil mechanics and geotechnical engineering, 27.-31. August 2001, Istanbul, Turkey, 1257-1260. Stanić, B., Kovačević, M. S., Gjetvaj, V. (2002), Konstrukcije od armiranog tla na autocesti Zagreb-Rijeka, 3. Savjetovanje HUMTGI, Geotehnika kroz Eurocode 7, 02.-05. listopad 2002., Hvar, Hrvatska, 381-393. Szavits-Nossan, A., Mavar, R., Kovačević, M. S., (1998), Experience gained in testing pavements by spectral analysis of surface waves, First International Conference on Site Characterisation, ISC ’98, 19-22 April 1998, Atlanta, Georgia, USA. Vol. 1, 521-524. Wats, K.S. (2000), Specifyinf vibro stone columns, Piblication BR391, Building Research Establishment, CRC, Watford.

380