Fundamentowanie Budowli Hydrotechnicznych
Semestr VII
Zagadnienia.
1. Projektowanie geotechniczne
- model deterministyczny i probabilistyczny
- model deterministyczny – oparty o wartości średnie
Fs=Qp/Qa=nośnośc/obc char. (param. 1,8-2,5)
-probabilist.-
Obliczane jest prawdopodobieństwo zniszczenia oraz wskaźnik niezawodności – β
Wartość p (z<0) z matematycznego punktu widzenia nie mogą być dokładnie obliczone bez zdefiniowania typu rozkładu zmiennych losowych X. dokładne rozwiązanie , w sensie matematycznym uzyskuje się za pomocą wielowymiarowego całkowania lub metod symulacyjnych Monte Carlo.
- kategorie geotechniczne
Kategoria I
Obejmuje proste konstrukcje w niewielkich obiektach budowlanych i prostych warunkach gruntowych, dla których wystarcza
jakościowe określenie właściwości gruntów.
Badania kategorii I można stosować jedynie przy wstępnie rozpoznanych warunkach gruntowych, niewielkich obiektach i gdy
zagrożenie życia i mienia jest małe.
Stosowanie kategorii I jest możliwe tylko w przypadkach zwykłych konstrukcji, gdy występują proste warunki gruntowe, przy
czym uwzględniać należy doświadczenia uzyskane z obserwacji sąsiednich budowli.
Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii I:
- jedno- lub dwukondygnacyjne budynki o prostej konstrukcji i budynki rolnicze przy maksymalnym obciążeniu obliczeniowym
na słup równym 250 kN, a na ściany 100 kN/m, na fundamentach bezpośrednich, palowych lub na studniach,
- ściany oporowe i zabezpieczenia wykopów, gdy różnica poziomów nie przekracza 2 m,
- płytkie wykopy powyżej zwierciadła wody i niewielkie nasypy do wysokości 3 m.
Kategoria II
Obejmuje konstrukcje i fundamenty nie podlegające szczególnemu zagrożeniu, w prostych lub złożonych warunkach gruntowych
przy mało skomplikowanych przypadkach obciążenia. Konstrukcje te są przeważnie projektowane i wykonywane z zastosowaniem
powszechnie stosowanych metod.
Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii II:
- powszechnie spotykane konstrukcje posadowione bezpośrednio, a także na fundamentach płytowych lub palowych,
- ściany oporowe wyższe niż w kategorii I lub inne konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę,
- przyczółki i filary mostowe oraz nabrzeża,
- nasypy i budowle ziemne, poza kategorią I,
- nawierzchnie lotnisk o sztywnej i podatnej konstrukcji,
- kotwy gruntowe i inne konstrukcje kotwiące,
- tunele w twardych niespękanych skałach, nie wymagające pełnej szczelności lub spełnienia innych specjalnych warunków.
Kategoria III
Obejmuje obiekty bardzo duże czy rzadko występujące, wrażliwe na osiadania, konstrukcje w skomplikowanych warunkach
gruntowych lub konstrukcje obarczone nadzwyczajnym ryzykiem nawet w prostych lub złożonych warunkach, obiekty na
obszarach działania czynnych procesów geologicznych, czynnych szkód górniczych, konstrukcje zagra żające środowisku.
Konstrukcje, które mogą być zaliczone do kategorii III, nawet w przypadku prostych warunków gruntowych, to:
- budowle o szczególnie dużych obciążeniach, budynki wysokie,
- budynki z wielokondygnacjowymi podziemiami,
- zapory i inne konstrukcje działające w warunkach dużych różnic ciśnienia wody,
- przejścia komunikacyjne pod drogami o dużym natężeniu ruchu,
- duże mosty, wiadukty, estakady,
- fundamenty maszyn o znacznym obciążeniu dynamicznym,
- skomplikowane konstrukcje nabrzeżne,
- obiekty zakładów stosujących niebezpieczne substancje chemiczne,
- głębokie wykopy wykonywane w pobliżu budowli,
- konstrukcje osłonowe reaktorów jądrowych itp.,
- tunele w skałach miękkich i spękanych obciążone wodami naporowymi lub wymagające szczelności
- projektowanie geotechniczne
- oddziaływania w budownictwie hydrotechnicznym
§ 107. Obciążenia stałe budowli morskich obejmują:
1) ciężar własny stałych elementów konstrukcji,
2) ciężar własny gruntu w konstrukcjach narzutowych albo ciężar własny gruntu stałych zasypów na elementach konstrukcji,
3) parcie gruntu w stanie rodzimym i zasypów działających stale na konstrukcję,
4) obciążenia stałe od budowli użytkowych, przekazywane bezpośrednio na konstrukcje budowli morskich albo mające wpływ na ich stateczność,
5) siłę wstępnego sprężenia elementów konstrukcyjnych, przyjmowaną zgodnie z Polskimi Normami.
§ 108. 1. Obciążenia zmienne budowli morskich obejmują:
1) w całości długotrwałe, do których należą:
a) ciężar własny tych części konstrukcji budowli morskich, których położenie nie może ulec zmianie podczas użytkowania,
b) ciężar własny urządzeń zainstalowanych na stałe na konstrukcji budowli morskiej,
c) ciężar własny i parcie ciał stałych, cieczy i gazów wypełniających stałe urządzenia zainstalowane na konstrukcji,
d) parcie hydrostatyczne wody działające stale na konstrukcję budowli morskiej;
2) w części długotrwałe, do których należą:
a) ciężar wody o zmiennym poziomie zwierciadła,
b) siły wywołane nierównym osiadaniem podłoża, któremu nie towarzyszą zmiany struktury gruntu,
c) siły wynikające ze skurczu, pełzania lub relaksacji elementów konstrukcyjnych budowli morskiej,
d) obciążenia od dźwignic samojezdnych oraz stacjonarnych,
e) obciążenia od składowania ładunków i materiałów na naziomie terenu w pobliżu budowli morskich,
f) parcie gruntu, wynikające z działania innych obciążeń zmiennych w części długotrwałych,
g) obciążenia od dźwignic szynowych, o których mowa w § 101 pkt 1;
3) w całości krótkotrwałe, do których należą:
a) oddziaływanie falowania morskiego,
b) oddziaływanie prądów morskich,
c) oddziaływanie lodu,
d) oddziaływanie jednostek pływających dobijających, odchodzących oraz przycumowanych do budowli,
e) oddziaływanie jednostek pływających podczas ich budowy, wodowania i prób,
f) obciążenie śniegiem,
g) obciążenie wiatrem,
h) obciążenie termiczne pochodzenia klimatycznego,
i) obciążenie parciem gruntu, wynikające z działania innych obciążeń zmiennych w całości krótkotrwałych,
j) obciążenia próbne,
k) obciążenia tłumem ludzi,
l) obciążenia od dźwignic szynowych, o których mowa w § 101 pkt 2.
§ 109. 1. Obciążenia wyjątkowe budowli morskich obejmują:
1) uderzenie budowli przez jednostki pływające, podczas ich żeglugi,
2) uderzenie pojazdami,
3) obciążenie sejsmiczne,
4) obciążenie spowodowane wybuchem,
5) działanie pożaru,
6) obciążenie spowodowane awarią urządzeń technologicznych,
7) obciążenie od urządzeń transportowych, stosowanych do przemieszczania elementów konstrukcyjnych lub urządzeń technologicznych rozpatrywanej konstrukcji budowli morskiej,
8) obciążenie sztormowych zakotwień urządzeń dźwignicowych,
9) uderzenie dźwignic oraz innych urządzeń technicznych w odboje lub inne urządzenia ograniczające,
10) obciążenie spowodowane wezbraniami sztormowymi wywołującymi powódź,
11) obciążenie wiatrem przekraczającym wartości ustalone dla danego rejonu kraju, określone w Polskiej Normie,
12) obciążenia od dźwignic szynowych, o których mowa w § 101 pkt 3.
- wpływ wody na budowle hydrotechniczne
Wyparcie hydrostatyczne:
Zjawisko może wystąpić, gdy grunt znajdujący się powyżej warstwy wodonośnej jest utworem
nieprzepuszczalnym
Równanie równowagi elementu objętości gruntu w dnie wykopu: G>Pw
gdzie: G – ciężar bryły gruntu o jednostkowej powierzchni oraz miąższości m [kN], Pw – parcie wody
na dolną powierzchnię bryły gruntu o jednostkowej powierzchni [kN]
Upłynnienie gruntu:
Zjawisko może wystąpić, gdy grunt leżący powyżej warstwy wodonośnej stanowią utwory słabo
przepuszczalne (szczególnie drobne piaski i piaski pylaste). Ponieważ do wykopu, przez jego dno
napływa woda, musi być ona odpompowywana, co wywołuje pionowy przepływ wody (w kierunku ku
górze) w warstwie gruntu poniżej dna wykopu.
Równanie równowagi elementu objętości gruntu w dnie wykopu: G>Ps
gdzie: G’ – ciężar bryły gruntu o jednostkowej powierzchni oraz miąższości m z uwzględnieniem
wyporu wody [kN], Ps – siła ciśnienia spływowego działająca na tę bryłę gruntu [kN]
2. Posadowienie fundamentów na podłożu sprężystym
- modele podłoża
Analogowe
a. Model Winklera (klasyczny i uogólniony)
b. Modele 2-parametrowe
c. Inne modele analogowe
Masywu gruntowego
d. Modele klasyczne (analityczne)
- Uproszczone
- Półprzestrzeń i warstwa sprężysta (Zagadnienie Bousinesqa i Minglina)
- Modele klasyczne (analityczne)
e. Modele MES/MEB
- Moduł ścieżek naprężenia
- Modele: hiposprężysty, sprężysto-plastyczny, nieliniowo sprężysto-plastyczny
- Półprzestrzeń i warstwa sprężysta
- uogólniony model Winklera
Rzeczywisty układ zastępuje się dyskretnym w którym każdy element czyli fundament cząstkowy opiera się na zastępczej podporze której miarą podatności jest zmodyfikowany wsp sztywności cj=qj/sj
Qj- obciążenie jednostkowe z wzgl. sztywnosci fund
Sj- osiadanie fund dla konkr profilu geotech. Z wzgl.. wpływu fund sąsiednich
- sztywność podłoża- opór materiału przeciw odkształceniu Przy ocenie sztywności gruntów zwraca się uwagę na :
-warunki odwodnienia
- poziom średniego naprężenia efektywnego
-naturalną i sztuczną prekonsolidację
-poziom wymuszonego odkształcenia ścinającego albo powstałego naprężenia ścinającego , które często jest rozpatrywane w odniesieniu do wytrzymałości na ścinanie przy zniszczeniu.
Wiarygodne pomierzenie sztywności podłoża jest często bardzo trudne w badaniach polowych lub
laboratoryjnych. W szczególności, na skutek naruszenia próbki i innych efektów, pomiary otrzymane z
próbek laboratoryjnych często zaniżają wartości sztywności gruntu in situ. Dlatego zalecana jest analiza
- sztywność podłoża
- obliczanie osiadań dla fundamentów wielkowymiarowych
- założenia dla modeli dwuparametrowych
Zakłada się model dyskretny niejednorodnego podłoża gruntowego w postaci rusztu, którego pręty są pozbawione w węzłach swobody obrotu i przemieszczeń poziomych wyrażając w ten sposób sztywność ścinania gruntu. Podpory sprężyste wyrażają sztywność ośrodka gruntowego na ściskanie. Dopuszcza się możliwość uplastycznienia gruntu pod narożnikami budowli, wstawiając w tym miejscu siły graniczne podpór
http://karnet.up.wroc.pl/~kajewski/dydaktyka/mechgrun/napr_fun.pdf
3. Zastosowanie pali w budownictwie hydrotechnicznym
-pale prefabrykowane wbijane-posadowienia podpór mostów, fundamentowanie nabrzeży , pirsów , torów poddźwigowych żurawi, fundamenty pod obiekty hydrotechniczne ( śluzy, tamy zapory , jazy)
- pale stalowe - nabrzeża, pirsy , jako elementy przystani, falochrony, jako kierownice śluz
- rozwiązania konstrukcyjne pali stalowych-
- pale żelbetowe prefabrykowane
- pale stalowe
- rozwiązania konstrukcyjne pali stalowych
4. Nośność pali w gruntach uwarstwionych
- założenia dla obliczeń nośności wg PN
W PN stosuje się wzór statyczny do oceny nośności pali. Do Np i Ns stosuje się parametry geotechniczne z badań podłoża.
Nośnośc pala wciskanego:
Qr<=mNt-mnTn
Qr – obciążenie obliczeniowe działające wzdłuż długości pala wg PN
m=0,9 dla grupy pali
m=0,7 dla jednego pala
m=0,8 dla 2 pali
Nt wg normy
Tn wg normy
Dla Do=0,4 m => hc=10,0m
Dla mniejszych hc => interpolacja
Dla niespoistych sredniozagęszczonych i zagęszczonych powyżej hc opor pod podstawa zależy od średnicy pala.
Hc wg normy =hc*pierwiastek(Di/Do)
Dla pali wierconych hci*=1,3hci
Opór na pobocznicy pozostaje niezależny po przekroczeniu h=5m
- interpretacja poziomu odniesienia do interpolacji q oraz t w gruntach uwarstwionych
Schematy obliczeniowe na powyższym rysunku wymagają analizy i współpracy geologa, geotechnika i konstruktora budowlanego, aby na podstawie wszystkich informacji zdecydowali o poziomie odniesienia 0,0, do interpolacji oporów q i t oraz zakresie obszaru wystąpienia tarcia negatywnego Tn.
Zastępczy poziom interpolacji odniesiono do naprężenia pionowego w stropie warstwy nośnej.
Praktycznie obliczeniową wysokość zastępczą Hz wyznacza się:
hz=0,65(Sɣi’hi)/ɣ’
- zasady obliczeń wg EC 7
Obciążenie graniczne jest to obciążenie w głowicy pala odpowiadające osiadaniu 10% średnicy pala z krzywej osiadania rys 2,2 i 5,1 z jego książki(nie mam skanera).
Przyęto koncepcję obliczeniowego wykazania niezawodności konstrukcji metodą stanów granicznych ULS(ultimate limit state)=SGN i SLS(serviceability limit state)=SGU.
Zgodnie z EC7 wyróżnia się 4 metody projektowania:
1)Na podstawie obliczeń analitycznych, półempirycznych i modeli numerycznyc
2)ustalenie wymagań wg przepisów ustanowionych przez poszczególne kraje
3)z wykorzystaniem wyników modeli doświadczalnych i próbnych obciążeń
4)postępowanie metodą obserwacyjną z ciągłą weryfikacją obiektu podczas budowy
- współczesne metody obliczeń oporów pobocznicy pala
Dla pali pogrążonych w gruntach spoistych(w metodzie beta SA współczynniki dla piasków i żwirów wie nie wiem o co kaman z tymi spoistymi ale tak jest napisane):
1) Metoda α – w naprężeniach całkowitych
2) Metoda β z zastosowaniem parametrów i naprężeń efektywnych
3) Metoda λ , metoda półempiryczna – przyjmuje się uśrednioną, jedną warstwę grutu spoistego wzdłuż pobocznicy pala
- nośność podstawy pala, grunty niespoiste i spoiste
Opór jednostkowy pod podstawą pala jest obliczany na podstawie klasycznego wzoru na nośność fundamentu z uwzględnieniem cech geometrycznych pala, technologii wykonania i wpływów efektu jego zagłębiania na znaczną głębokość.
Opór jednostkowy pod podstawą pala jest liczony dla dwóch przypadków:
1)warunki bez odpływu w naprężeniach całkowitych z uwzględnieniem charakteru oraz szybkości obciążania
2)warunki z odpływem, z zastosowaniem parametrów efektywnych gruntu i z uwzględnieniem charakteru oraz szybkości obciążenia
Warunki bez odpływu, grunty spoiste:
Zdjecie/xero
Opory jednostkowe pod podstawą pala zwiększają się nieliniowo do pewnej głębokości krytycznej hc. Przyjmuje się, że po przekroczeniu hc opory pod podstawą nie zależa od dalszego zagłębiania pala. hc zależy od efektywnego naprężenia pionowego s’v oraz średnicy pala. Wobliczeniach nośności podstawy należy stosować ekwiwalentny poziome obliczeniowy.
- różnice obliczeń nośności, parametry bez odpływu i z odpływem
5. Osiadanie pala pojedynczego i grupy pali
- metody obliczeń, charakterystyka
- metoda funkcji transformacyjnych t-z oraz q-z
- ograniczenia w obliczaniu osiadań pala pojedynczego wg PN
- metody obliczeń grupy pali
- charakterystyka wybranej metody obliczeń
za pomocą metody można wyznaczyć srednie osiadanie fund palowego o rozstawach osiowych pali nie przekraczających wartości 3-5D. W takich przypadkach całą grupę pali zastępuje się ekwiwalentnym fund zast. Wymiar fund, kształt oraz głębokość posadowienia przyjmuje się w różny sposób, w zależności od stos. metody. Met fund zast w wydaniu klasycznym można stosować w sytuacjach w których nie wymaga się określenia osiadań poszczególnych pali w grupie. W wyniku obliczeń uzyskujemy wartość średnią osiadania dla całego fund zastępczego. Stosujac metody osiadania dla fund zast należy pamiętać o duzym zagłębieniu tego fund. W takim przypadku wartości otrzymanego osiadania uwzglednia się współczynnikiem korekcyjnym µd. można tez wykorzystac krzywe korekcyjne Foxa.
µ=skorygowane osiadanie fund zast/osiadanie fund zast.
- metoda fundamentu zastępczego
- zależność modułu ścinania G od odkształceń postaciowych
Wartosc modulow odkształcenia gruntu można wyznaczyc na podstawie empirycznych korelacji z innymi parametrami wyznaczonymi w badaniach labor. Lub badaniach terenowych. (sondowania CPT , CPTU SCPTU, DMT,DLT) lub w wyniku analizy wstecznej probnych obciążeń pali.
...
KaC2009