NOŚNOŚĆ NA WYCIĄGANIE FUNDAMENTÓW POD SŁUPY ELEKTROENERGETYCZNE

Posadowienie konstrukcji wsporczych napowietrznych linii elektroenergetycznych kształtowanych w postaci stalowych wież kratowych realizowane jest, w zależności od warunków gruntowych, dostępności miejsca i względów wykonawczych na różne sposoby. Może to być posadowienie bezpośrednie, z wykorzystaniem płyt lub bloków fundamentowych, jako jednolita konstrukcja pod całą wieżą, jako ruszt fundamentowy lub jako dzielone fundamenty w postaci niezależnych stóp dla każdego krawężnika wieży. Może to być także posadowienie pośrednie, z wykorzystaniem pali wzmacniających wspomniane wcześniej fundamenty bezpośrednie, lub grup pali ze specjalnie ukształtowaną dla nich głowicą, nazywaną najczęściej oczepem. Zdarzają się jednak także posadowienia poszczególnych krawężników na indywidualnych palach, tzw. mono-palach lub studniach fundamentowych. W szczególnych sytuacjach możliwe są specjalne sposoby posadowienia, np. w postaci fundamentów bezpośrednich ukształtowanych w formie krzyża łączącego poszczególne podpory krawężników. Najpopularniejszym, tj. najliczniej reprezentowanym w praktyce są jednak dzielone fundamenty w postaci stóp złożonych z płyty i trzonu, tzw. stóp grzybkowych. Cechą znamienną tego typu fundamentów jest dominujące znaczenie wśród ich obciążeń oddziaływań osiowych, tj. sił wciskających lub wyciągających. W przypadku klasycznych konstrukcji wsporczych napowietrznych linii elektroenergetycznych i innych wież wolnostojących, fundamenty te projektowane są przy założeniu przegubowego oparcia na nich konstrukcji i uwzględnieniu w obliczeniach wyłącznie składowych wektorów sił, bez momentów zginających czy skręcających. Ponadto, najczęściej dominującym oddziaływaniem są składowe pionowe sił, a udział składowych poziomych z reguły nie przekracza 10% wartości sił pionowych. Przy takich założeniach fundamenty te obliczane są w praktyce głównie wyłącznie na wciskanie i wyciąganie. W przypadku wciskania stóp fundamentowych w podłoże, rozwiązania zagadnienia oceny nośności, zarówno na drodze analitycznej, jak i numerycznej są bardzo dobrze rozpoznane i udokumentowane niezwykle licznymi badaniami. W przypadku wyciągania natomiast, liczba opracowań i proponowanych metod obliczeniowych jest zdecydowanie mniej liczna. Nie bez znaczenia jest tu oczywista właściwość ośrodków rozdrobionych, wyrażająca się ich anizotropią fizyczną i znacząco różnym zachowaniem się w polu naprężeń ścinających. Dużo mniejsza jest również liczba testów wśród badań w przedmiotowym zakresie. Oczywiście częściowo uzasadnione jest to zdecydowanie węższym zakresem zainteresowań badaczy i samych projektantów fundamentów, stykających się z tymi problemami zdecydowanie rzadziej niż w przypadku powszechnych zagadnień wciskania fundamentów w podłoże. Tymczasem problem oceny nośności fundamentów stopowych wyrywanych z podłoża jest jednym z kluczowych zagadnień związanych z posadowieniem konstrukcji typu wieżowego. Ponadto, nośność stóp fundamentowych wież na wciskanie charakteryzuje się z reguły wartością znacznie wyższą niż na wyciąganie, stąd właśnie nośność na wyciąganie jest najczęściej krytyczna dla doboru tych fundamentów. W szczególności problem nośności fundamentów wyciąganych dotyczy konstrukcji wsporczych w energetyce, gdzie bardzo duża liczba powtarzalnych ustrojów wymaga optymalnego projektowania konstrukcji i ich fundamentów. Zapewnienie balastowej, grawitacyjnej nośności stóp wyciąganych z uwzględnieniem ciężaru fundamentu i nadległego gruntu, z pominięciem wpływu oddziaływań na powierzchniach ograniczających wyciąganą bryłę, jest zbyt asekuracyjne dla tych zastosowań. Efektywna ocena nośności fundamentów na wyrywanie ma duże znaczenie ekonomiczne z uwagi na liczną grupę zastosowań, gdzie względnie nawet nieduże oszczędności jednostkowe przekładają się na znaczne efekty w skali globalnej. Celem niniejszej monografii jest rozwiązanie problemu obliczania nośności fundamentów grzybkowych, wyciąganych z gruntu z wykorzystaniem teorii plastyczności, z weryfikacją za pomocą terenowych badań nośności fundamentów skali 1:1. W szczególności dotyczy to nowych, innowacyjnych monolityczno-prefabrykowanych fundamentów stopowych, o krzyżowym rzucie podstawy. Prace badawcze własne, opisane w niniejszej monografii były realizowane między innymi w ramach kierowanego przez autora projektu badawczego, p.t. „Opracowanie nowego typoszeregu słupów energetycznych 400kV oraz odpowiednich dla nich fundamentów, w tym fundamentów do zastosowania na gruntach o szczególnie niekorzystnych parametrach geotechnicznych”, finansowanego przez NCBR (nr POIR.01.01.01-00-0789/17). W projekcie poza samymi badaniami fundamentów stopowych zrealizowano także testy fundamentów ankrujących dla odciągów oraz bardzo szerokie badania elementów i konstrukcji stalowych słupów kratowych dla linii 400kV, w tym liczne unikatowe badania konstrukcji całych słupów elektroenergetycznych w skali 1:1. Badania fundamentów prowadzono we współpracy z Instytutem Dróg i Mostów, Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej, który między innymi realizował polowe i laboratoryjne badania własności gruntów zasypowych. Wybrane elementy badań fundamentów i wstępne spostrzeżenia opisano już między innymi w pracach Labocha, Czyż i Biernacka (2020), Paluszyński, Labocha i Biernacka (2020) oraz Labocha i Paluszyński (2022). Podstawy koncepcji nowej metodyki obliczeń wyrywanych fundamentów, ograniczonych do posadowień w gruntach niespoistych opisano wcześniej w pracy Labocha (2022). Z szerokiej problematyki badań słupów elektroenergetycznych przeprowadzonych w ramach wspomnianego projektu przeglądowe aspekty i wstępne spostrzeżenia można znaleźć między innymi w pracach Labocha, Barcewicz, Wierzbicki, Giżejowski (2021), Labocha (2021), Barcewicz, Labocha, Wierzbicki, Giżejowski (2022) oraz Labocha, Tibolt, Ochojski, Chrzanowski (2024). Projekt badawczy obejmujący fundamenty stopowe wyrywane z gruntu, przeznaczone dla słupów kratowych został uzupełniony kolejnym projektem badawczym, dedykowanym fundamentom przeznaczonym dla słupów pełnościennych. Projekt zrealizowany z puli NCBR POIR.01.01.01- 00-0825/20, p.t. „Innowacyjne fundamenty słupów powłokowych”, obejmował problematykę nośności fundamentów rurowych, pogrążanych wibracyjnie i obciążonych siłami poziomymi oraz momentami zginającymi. Wszystkie wymienione projekty stanowią próbę kompleksowej analizy i uporządkowania zagadnień projektowania specyficznych dla fundamentów konstrukcji wsporczych napowietrznych linii elektroenergetycznych, przy czym głównie w zakresie wysokich i najwyższych napięć, tj. dla linii od 110 kV do 750 kV. Autor składa podziękowania Zarządowi Enprom Sp. z o.o. oraz całemu Zespołowi współuczestniczącemu w realizacji prac badawczych za nieocenioną pomoc w realizacji niezwykle trudnych zadań związanych z przeprowadzeniem projektu o tak dużej skali. Podziękowania autor kieruje również do Zespołu Politechniki Warszawskiej, kierowanego przez prof. dr hab. inż. Annę Siemińską-Lewandowską, który współuczestniczył przy realizacji badań poligonowych przedmiotowych fundamentów.