Ścianki szczelne
W prezentacji tej obszernie korzystałem z
materiałów dokumentacyjnych zebranych przez mgra inż. Sebastiana Olesiaka, za co mu
jeszcze raz tą drogą składam podziękowanie.
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Ścianki szczelne to lekkie konstrukcje oporowe złożone z podłużnych elementów drewnianych, stalowych, żelbetowych lub PVC zagłębianych w grunt ściśle jeden obok drugiego, tak by całość stanowiła szczelną płytę obciążoną siłami
poziomymi niekiedy również siłami pionowymi
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Ścianki szczelne stanowią zasadniczy element konstrukcyjny w następujących rodzajach budowli:
¾ w budowlach oporowych (nabrzeża portowe, umocnienia brzegowe, przyczółki mostowe, ściany oporowe itp.),
¾ w budowlach piętrzących, w których ścianka szczelna stanowi przeponę uniemożliwiającą lub zapobiegającą przenikaniu wody z górnego poziomu do dolnego przez podłoże budowli,
¾ w fundamentach niższych budowli, w których ścianka szczelna stanowi bardzo często istotny element zapobiegający wypłukiwaniu gruntu spod podstawy fundamentu.
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Podział i rodzaje ścianek szczelnych
1. Drewniane
Stosowane bardzo rzadko i tylko jako konstrukcje tymczasowe, dla podrzędnych budowli w przypadkach gdy agresywność środowiska wyklucza stosowanie innych materiałów.
2. Stalowe
Ścianki o najszerszym zastosowaniu, zarówno jako konstrukcje tymczasowe i stałe. Brusy stalowe mogą być wykorzystywane
wielokrotnie. Stosowane we wszelkich rodzajach gruntów. Szczelność zależna od konstrukcji zamka.
3. Żelbetowe
Wykonywane jako pale prefabrykowane żelbetowe lub sprężone o przekroju prostokątnym wprowadzane w grunt za pomocą kafarów,
szczelność uzyskana poprzez odpowiednią konstrukcję połączenia pala z palem lub wykonywane jako grupy pali wierconych z zachowaniem
odpowiedniej szczelności na styku pali sąsiadujących ze sobą
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
4. Z tworzyw sztucznych
Ścianki te posiadają dużą odporność na
czynniki korozyjne i atmosferyczne, są lekkie, bezpieczne dla środowiska, elastyczne (co zwiększa ich odporność na uderzenia udarowe np. podczas cumowania statków) i estetyczne dzięki dowolnej, trwałej kolorystyce
Podział i rodzaje ścianek szczelnych
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zastosowanie ścianek szczelnych
1. W budowlach oporowych, gdy ścianka utrzymuje grunt naziomu
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zastosowanie ścianek szczelnych
2. W budowlach piętrzących, w których ścianka szczelna stanowi przeponę zapobiegającą przenikaniu wody
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
3. W budowlach miejskich, w
których ścianka szczelna stanowi istotny element oporowy
zapobiegający wypłukiwaniu gruntu spod fundamentu
przeciwstawiając się utracie przez niego stateczności
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zastosowanie ścianek szczelnych
Zastosowanie ścianek szczelnych
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki 4. W konstrukcjach spełniających
funkcje ochronne (np. falochrony)
5. W konstrukcjach przyczółków mostowych
Wykonywanie ścianek szczelnych
¾
Wprowadzanie grodzi w grunt¾
Zakładanie bloku kotwiącego¾
Kotwienie¾
Niwelowanie terenu zaścianą oraz wybranie gruntu sprzed ściany
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Elementy ścianek szczelnych
brusy (grodzie) stalowe
przekładki usztywniające
kleszcze
śruby spinające
Elementy ścianek szczelnych
Stalowe ścianki szczelne wykonywane są z szerokiej gamy profili stalowych:
płaskich, korytkowych, skrzydełkowych i zetowych zakończonych zamkami gwarantującymi odpowiednią szczelność oraz łatwość montażu i demontażu
zamek
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki brus Kruppa
brus Larssena
Sposoby wprowadzania ścianek w grunt
Dynamiczne - poprzez użycie wibratorów hydraulicznych
wibrator
pompa
brus stalowy
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki 250 kg
30 t
Sposoby wprowadzania ścianek w grunt
Dynamiczne - z wykorzystaniem młotów hydraulicznych i spalinowych o dużej energii
udaru
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Statyczne - poprzez wciskanie brusów w grunt ograniczając powstawanie szkodliwych drgań i hałasów
Sposoby wprowadzania ścianek w grunt
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Sposoby wprowadzania ścianek w grunt
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Konstrukcje stałe wykonywane ze ścianek
szczelnych wymagają bardzo starannego, osiowego prowadzenia w gruncie, dlatego niezbędne jest korzystanie z prowadnic
Kotwienie ścianek szczelnych
Ścianki szczelne kotwione są na ogół na jednym poziomie, przy konstrukcjach wyższych można stosować kilka poziomów kotwienia. Kotwienie odbywa się na poziomie wody gruntowej lub na poziomie wody w basenie.
Zakotwienie ścianki może odbywać się przy pomocy: bloków i cięgien, płyt, pali kozłowych, ścianek szczelnych, kotwi, kotwi iniekcyjnych i kotwi gruntowych.
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zalety ścianek szczelnych
¾ łatwe w montażu i demontażu i sprawdzające się w każdych warunkach gruntowych
lekkie
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zalety ścianek szczelnych
¾ szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Zalety ścianek szczelnych
¾ estetyczne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianki szczelne
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Przy obliczaniu płyty kotwiącej w obliczeniach przyjąć współczynnik
bezpieczeństwa FSa=1.2 dla parcia gruntu i FSp=0.85 dla odporu gruntu
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Rozpatrzmy siły działające na
ściankę szczelną umiejscowioną w jednorodnym, idealnie sypkim,
niezawodnionym gruncie. Załóżmy, że dla utrzymania stateczności
wykopu o głębokości h została ona zabita w grunt na głębokość d.
W odległości a od naziomu wykopu ścianka została zakotwiona kotwią oddziałującą z siłą T.
Z rozkładu naprężeń wynika, że równanie równowagi momentów wokół punktu zakotwienia ma postać:
( ) 0
3 2 2
1 3
2 3
2 2
1
2 2 =
+ −
−
+ −
+ d h d a K d h d a
h
K
aγ
pγ
( )
+ −
−
=
+ −
+ d h d a
K a K
d h
d h
a p
3 2 3
2 3
2
22
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Równanie to można zapisać w następującej postaci:
−
+
−
+
+
=
h a h
d
h a h
d h
d K
K h
d
p a
3 1 2
2 1 3
3 1
2
22
Równanie to można rozwiązać iteracyjnie podstawiając kolejne wartości
zagłębienia d. Znając wartość d można obliczyć siłę w kotwi z równania równowagi sił na oś poziomą:
( )
22
1
2
1 2
1 K d K h d
T
P
p an i
ix
= + − +
∑
=γ γ
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
( )
[
2 2]
2
1 K h d K d
T = γ
a+ −
pStąd otrzymujemy wartość siły T równą:
Wartości sił tnących w poszczególnych przedziałach są równe:
( )
22 2 2
2 1 2
1 2 1 2 1
0
h z
K T
z K Q
d h
z h
przedział III
T z
K Q
h z
a przedział II
z K Q
a z
przedział I
p a
a a
− +
+
−
=
+
<
≤ +
−
=
<
≤
−
=
<
≤
γ γ
γ γ
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Wartości momentów zginających w poszczególnych przedziałach są równe:
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
( )
( ) ( )
33 3
3 2
6 1 6
1 6 1
6 1 3
2 1
0
h z
K a
z T z
K M
d h
z h
przedział III
a z
T z
K M
h z
a przedział II
z z K
z K M
a z
przedział I
p a
g
a g
a a
g
− +
− +
−
=
+
<
≤
− +
−
=
<
≤
−
=
−
=
<
≤
γ γ
γ
γ γ
a a
g g
K z T
z K T
Q
Q M
M
γ 0 γ 2
2 1
0
2 max
=
⇒
=
−
=
=
⇔
=
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
( )
−
=
−
=
− +
−
=
−
+
−
=
− +
−
=
=
K a T T
K Ta T T
M
K Ta T T
K T M T
K a T T
K T K
K T M
a z
T z
K K z T
M
a a
g
a a
g
a a
a a
g
a a
g
γ γ
γ γ
γ γ
γ γ γ γ
2 3
2 2
3 2
2 2
3
2 2
2 6
1
6 1 2
max max max
3 max
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Rozpatrzmy konstrukcję ścianki szczelnej dla wykopu o wysokości h = 5 m, wykonanego w gruncie o ciężarze objętościowym γ = 20 kN/m3 i kącie tarcia wewnętrznego równym φ = 30o. Załóżmy, zakotwienie w odległości a = 1 m od naziomu.
Określić zagłębienie ścianki szczelnej (d) i siłę naciągu kotwi (T). Narysować wykres sił tnących oraz momentów zginających wzdłuż ścianki. Znaleźć
maksymalny moment zginający.
Zagłębienie ścianki określamy stosując procedurę iteracyjną podstawiając
kolejno wartości stosunku d/h aż do uzyskania wymaganej zbieżności obu stron równania. Otrzymujemy:
m h d
d = 0 . 3805 ⇒ = 1 . 9025
Przyjęto:d = 2 . 0 m
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
( )
[ K h d K d ] kN
T
a p43 . 17
2
1 +
2−
2=
= γ
Dla takiej wartości zagłębienie siła w kotwi jest równa
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
-60 -40 -20 0 20 40
Sila tnąca, kN
7 6 5 4 3 2 1 0
Głębokość, m
Wykres sił tnących wzdłuż ścianki.
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
-50 -25 0 25 50 75
Moment zginający, kNm
7 6 5 4 3 2 1 0
Głębokość, m
Wykres momentów zginających wzdłuż ścianki.
kNm M
K a T T
M
g
a g
4 . 60
2 3
2
max max
=
−
= γ
Wskaźnik wytrzymałości przekroju:
3 max
67 . 150 402
4 .
60 cm
MPa W kN
k W M
gx
d g gx
=
=
=
kd –naprężenie
dopuszczalne dla stali Maksymalny moment zginający jest równy:
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.922
Entry + exit
1
2
2
3 78
9 10 11 12
1.922 2
3 78
9 10 11 12
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.866
Entry + exit
1
2
2
3 78
9 10
1.866 2
3 78
9 10
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.401
Autolocate...!?
1
2
2
3 78
9 10
1.401 2
3 78
9 10
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=?
Autolocate
Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki
Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym
FLAC (Version 5.00)
LEGEND
20-Oct-05 20:02 step 210657
-1.509E+00 <x< 1.378E+01 -1.340E+01 <y< 1.890E+00
Factor of Safety 1.00 Max. shear strain-rate 0.00E+00 2.50E-08 5.00E-08 7.50E-08 1.00E-07 1.25E-07 1.50E-07
Contour interval= 2.50E-08 Boundary plot
0 2E 0 Velocity vectors
max vector = 4.302E-07
0 1E -6
-1.200 -1.000 -0.800 -0.600 -0.400 -0.200 0.000 (*10^1)
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200
(*10^1)
JOB TITLE : .
Marek Cala Katedra Geomechaniki
• Szymański A. – Wykłady z mechaniki gruntów i budownictwa ziemnego
• Wiłun Z. – Zarys geotechniki
• Lambe T. W. Whitman R.V (1976, 1977) Mechanika gruntów,Tom I i II, Arkady, Warszawa
• Verruijt A. 2001. Soil Mechanics
• Coduto D.P. 1999. Geotechnical Engineering.
• Coduto D.P. 2001. Foundation design.
• Jarominiak A. 1999. Lekkie konstrukcje oporowe.
• Myślińska E. 2001. Laboratoryjne badania gruntów.
•
Cios I., Garwacka-Piórkowska S. 1990. Projektowanie fundamentów.• Puła O., Rybak Cz., Sarniak W. 1997. Fundamentowanie.
• Obrycki