3
Spis treści:
1.Wstęp.
4.
1.1. Podstawa formalna opracowania.
4.
1.2. Przedmiot opracowania.
4.
1.3. Cel i zakres.
4.
1.4. Wykorzystane materiały.
4.
2. Analiza warunków gruntowo‐wodnych.
4.
3. Ustalenie kategorii geotechnicznej.
5.
4. Przyjęcie wartości parametrów geotechnicznych.
5.
5.Rozkład naprężeń pierwotnych.
8.
6. Podział podłoża na warstwy obliczeniowe.
10.
7. Odciążenie podłoża wykopem.
10.
8. Rozkład naprężeń od obciążenia zewnętrznego.
13.
9. Wyznaczenie wartości naprężeń dodatkowych i wtórnych.
16.
10. Określenie głębokości strefy aktywnej.
17.
11. Rysunek zbiorczy naprężeń.
17.
12. Obliczenie osiadań.
19.
13. Sprawdzenie warunku drugiego stanu granicznego.
20
14.Wnioski.
20
4
1. Wstęp.
1.1 Podstawa formalna opracowania:
Niniejsze opracowanie projektowe zostało wykonane w ramach ćwiczeń
projektowych z mechaniki gruntów I w toku studiów na Wydziale Budownictwa Lądowego i
Wodnego Politechniki Wrocławskiej.
1.2 Przedmiot opracowania:
Przedmiotem opracowania jest wykop szerokoprzestrzenny zabezpieczony
deskowaniem oraz grunty znajdujące się pod nim, na których ma być wzniesiony budynek do
11 kondygnacji.
Dokładną sytuację projektową pokazano na rys. 1
1.3 Cel i zakres:
Celem opracowania projektowego jest obliczenie osiadania punktu A (rys. 1)
znajdującego się u podstawy fundamentu. Zadany fundament jest częścią konstrukcji
budynku którego wysokość nie przekracza 11 kondygnacji.
W zakres wykonywanych obliczeń wliczono:
‐ oznaczenie rozkładu naprężeń pierwotnych
‐ obliczenie odciążenia podłoża wykopem
‐ oznaczenie rozkładu naprężeń od obciążeń zewnętrznych
‐ wyznaczenie wartości naprężeń dodatkowych i wtórnych
‐ obliczenie osiadań
1.4 Wykorzystane materiały
‐ PN‐EN ISO 14688
‐ PN‐81/B‐03020 –„Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia
statyczne i projektowe”
‐ PN‐86/B‐02480 – „Grunty budowlane. Podział, nazwy, symbole i określenia”
2. Analiza warunków gruntowo – wodnych.
Na podstawie zadanych warunków gruntowych określono stan zawilgocenia
poszczególnych warstw gruntu.
Zwierciadło wody gruntowej znajduje się na głębokości 6,8m, t.j. w 1/3 miąższości drugiej
warstwy gruntu – piasku średniego i jest jedynym zwierciadłem wody gruntowej na badanej
głębokości.
W związku z powyższym stan zawilgocenia piasku średniego określono jako wilgotny
(S
r
= 0,8). Z kolei dla warstwy poniżej, czyli gliny piaszczystej , z uwagi ,że znajduje się poniżej
zwierciadła wody gruntowej przyjęto stan zawilgocenia – mokry (S
r
= 1). Warstwa górna –
warstwa gliny zwięzłej ma stan wilgotności mało wilgotny (S
r
= 0,4).
Podciąganie kapilarne dla piasku średniego wynosi około 1 m ,więc nie wpłynie na
zawilgocenie gliny zwięzłej, zalegającej 2,3 m ponad zwierciadłem wody gruntowej.
5
Stan zawilgocenia gruntów wpływa na ich właściwości i możliwości wykorzystania w
budownictwie. Warstwa gliny zwięzłej i pisaku średniego mają stany wilgotności optymalne
do posadowienia na nich budowli. Warstwa gliny piaszczystej jest w stanie mokrym, co
utrudnia posadowienie konstrukcji na takim podłożu.
3. Ustalenie kategorii geotechnicznej.
Na podstawie normy PN‐B‐02479: 1998 – „Geotechnika. Dokumentowanie
geotechniczne. Zasady ogólne” ustalono kategorię geotechniczną dla zadanej w ćwiczeniu
projektowym sytuacji gruntowej.
Ustalono, że obowiązuje II kategoria geotechniczna. Przy wyborze wzięto pod uwagę rodzaj
budowli – budynek do 11 kondygnacji , z mało skomplikowanymi przypadkami obciążeń oraz
występowanie warstw gruntów słabych i niebezpiecznych. W zadanej sytuacji gruntowej
mamy do czynienia z warstwą gliny piaszczystej w stanie mokrym co znacznie zmienia jej
cechy wytrzymałościowe.
4. Przyjęcie wartości parametrów geotechnicznych.
Na podstawie zadanych warunków gruntowych określono parametry geotechniczne,
korzystając z wartości charakterystycznych danych gruntów zamieszczonych w normie PN‐
81/B‐03020 oraz podstawowych zależności korelacyjnych miedzy cechami gruntu.
Przyjęto metodę B do wyznaczania parametrów geotechnicznych.
Aby uwzględnić wpływ historii geologicznej na własności inżynierskie gruntów, przyjęto, że
wszystkie grunty należą do grupy C.
Wszystkie parametry zamieszczono w tabeli 1.
Do obliczeń przyjęto:
g = 10 m/s
2
ρ
w
= 1 t/m
3
γ
w
= 10 kN/m
3
Objaśnienie stosowanych symboli:
I
L
– stopień plastyczności gruntu spoistego
I
D
– stopień zagęszczenia gruntu sypkiego
S
R
– stopień wilgotności gruntu
ρ
s
– gęstość właściwa szkieletu gruntowego
ρ
– gęstość objętościowa gruntu
ρ
d
– gęstość nasypowa szkieletu gruntowego
ρ
sat
– gęstość objętościowa gruntu przy całkowitym nasyceniu wodą
n – porowatość
γ
s
–ciężar właściwy szkieletu gruntowego
γ
– ciężar objętościowy gruntu
γ
sat
– ciężar objętościowy gruntu przy całkowitym nasyceniu wodą
6
w
n
– wilgotność naturalna
β – wskaźnik skonsolidowania gruntu
M
0
– edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej
M – edometryczny moduł ściśliwości wtórnej
φ
n
– kąt tarcia wewnętrznego
C
u
– spójność gruntu
Parametr β odczytano z Tablicy 3. Na stronie 15, zaś M
0
z monogramów 6b dla gruntów
sypkich i 7b dla gruntów spoistych ze strony 16 i 17 normy PN‐81/B‐03020.
Podstawowe cechy fizyczne gruntów odczytano z tablicy 1 ze strony 11 normy PN‐81/B‐
03020.
Korzystałem ze wzorów:
γ
sat
= (1 ‐ n) ∙ γ
s
+ n ∙ γ
w
I
L
= 1 – I
C
7
Tablica 1. Parametry geotechniczne.
Symbol
gruntu wg
PN‐EN ISO
14688
Nazwa
gruntu wg
PN‐EN ISO
14688
Nazwa
gruntu wg
PN‐81‐B‐
03020
I
L
I
D
ρ
s
ρ
n
γ
s
γ
γ
sat
w
n
β
M
0
M
φ
u
C
u
[t/m
3
]
[t/m
3
]
[kN/m
3
] [kN/m
3
] [kN/m
3
]
[%]
[kPa]
[kPa]
[ ° ]
[kPa]
saCl
Glina
piaszczysta
Glina
zwięzła
0,4
‐‐
2,69
2,00
0,26
26,9
19,62
22,51
24
0,75
24000
32000
14,8
25
MSa
Piasek
średni
Piasek
średni
‐‐
0,42
2,65
1,85
0,30
26,5
18,15
21,55
14
0,9
100000 111111
32,2
‐‐
clgrSa
Piasek
żwirowy z
gliną
Glina
piaszczysta
0,7
‐‐
2,67
2,00
0,25
26,7
19,62
22,53
24
0,75
14000
18667
8,4
16
8
5. Rozkład naprężeń pierwotnych.
Naprężenia pierwotne spowodowane są pionowym naciskiem kolejnych warstw
gruntu zalegających w podłożu ponad poziomem z.
Oblicza się je ze wzoru:
∑
·
gdzie:
h
i
– miąższość i‐tej warstwy
γ
i
– ciężar objętościowy gruntu i‐tej warstwy
Obliczeń dokonano wykorzystując zasadę naprężeń efektywnych:
σ = σ’ + u
gdzie:
σ – naprężenia całkowite
σ’ – naprężenia efektywne
u – ciśnienie porowe wody
u = h
w
∙ γ
w
gdzie:
h
w
– wysokość słupa wody
γ
w
– ciężar objętościowy
Tabela 2. Wartości naprężeń pierwotnych:
Warstwa
γ
i
h
i
z
cal
σ
zγ
u
σ
zγ’
[kN/m
3
]
[m]
[m]
[kPa]
[kPa]
[kPa]
saCl
19,62
0,9
0,9
17,66
0
17,66
0,9
1,8
35,32
0
35,32
0,9
2,7
52,97
0
52,97
0,5
3,2
62,78
0
62,78
0,65
3,85
75,54
0
75,54
0,65
4,5
88,29
0
88,29
MSa
18,15
0,8
5,3
102,81
0
102,81
0,8
6,1
117,33
0
117,33
0,7
6,8
130,04
0
130,04
Tu
γ
sat
powinno
być
wstawione
0,9
7,7
146,37
9
137,37
0,9
8,6
162,71
18
144,71
1
9,6
180,86
28
152,86
1
10,6
199,01
38
161,01
0,9
11,5
215,34
47
168,34
clgrSa
19,62
0,9
12,4
233,00
56
177,00
0,9
13,3
250,66
65
185,66
0,9
14,2
268,31
74
194,31
0,8
15
284,01
82
202,01
9
10
6. Podział podłoża na warstwy obliczeniowe.
B = 15m
z
max
= 15m
z ≤ B , więc h
i
≤ B/4 i h
i
≤ 1m,
stąd przyjęto, że h
i
≤ 1m
Zwierciadło wody jest granicą warstewek.
7. Odciążenie podłoża wykopem.
Do obliczeń wykorzystano metodę punktów narożnych. Obszar wykopu dzielimy na
cztery prostokąty.
‐ prostokąt EFAM:
B = 11m
L= 15m
L/B = 1,36
‐ prostokąt FGHA:
B = 4m
L= 15m
L/B = 3,75
‐ prostokąt AHIJ:
B = 4m
L= 15m
L/B = 3,75
‐ prostokąt AJKM:
B = 11m
L= 15m
L/B = 1,36
Odciążenie podłoża obliczono ze wzoru:
·
gdzie:
q
D
= D ∙ γ
D
11
Tabela 3. Wartości naprężeń wywołanych odciążeniem:
q
D
= 19,62kN/m
3
∙ 3,2m = 62,784 kN/m
3
Prostokąt I
Prostokąt II
Prostokąt III
Prostokąt IV
B = 11,00m L = 15,00m
B = 4,00m L = 15,00m
B = 11,00m L = 15,00m
B = 4,00m L = 15,00m
Z/B
L/B
η
n
Z/B
L/B
η
n
Z/B
L/B
η
n
Z/B
L/B
η
n
‐
‐
‐
[kPa]
‐
‐
‐
[kPa]
‐
‐
‐
[kPa]
‐
‐
‐
[kPa]
‐
[kPa]
[kPa]
0,00
1,36
0,250
15,70
0,00
3,75
0,250
15,70
0,00
1,36
0,250
15,70
0,00
3,75
0,250
15,70
1,000
62,78
0
0,06
1,36
0,250
15,70
0,16
3,75
0,250
15,67
0,06
1,36
0,250
15,70
0,16
3,75
0,250
15,67
0,999
62,73
12,80
0,12
1,36
0,250
15,68
0,33
3,75
0,247
15,50
0,12
1,36
0,250
15,68
0,33
3,75
0,247
15,50
0,993
62,36
25,93
0,19
1,36
0,249
15,64
0,53
3,75
0,239
14,97
0,19
1,36
0,249
15,64
0,53
3,75
0,239
14,97
0,975
61,23
41,58
0,26
1,36
0,248
15,55
0,73
3,75
0,226
14,16
0,26
1,36
0,248
15,55
0,73
3,75
0,226
14,16
0,947
59,43
57,90
0,33
1,36
0,246
15,43
0,90
3,75
0,212
13,32
0,33
1,36
0,246
15,43
0,90
3,75
0,212
13,32
0,916
57,50
72,54
0,41
1,36
0,242
15,21
1,13
3,75
0,194
12,18
0,41
1,36
0,242
15,21
1,13
3,75
0,194
12,18
0,873
54,79
82,58
0,49
1,36
0,238
14,92
1,35
3,75
0,176
11,08
0,49
1,36
0,238
14,92
1,35
3,75
0,176
11,08
0,828
51,99
92,72
0,58
1,36
0,231
14,51
1,60
3,75
0,159
9,96
0,58
1,36
0,231
14,51
1,60
3,75
0,159
9,96
0,779
48,93 103,92
0,67
1,36
0,224
14,03
1,85
3,75
0,143
8,97
0,67
1,36
0,224
14,03
1,85
3,75
0,143
8,97
0,733
46,01 115,00
0,75
1,36
0,216
13,55
2,08
3,75
0,130
8,19
0,75
1,36
0,216
13,55
2,08
3,75
0,130
8,19
0,692
43,47 124,87
0,84
1,36
0,208
13,03
2,30
3,75
0,119
7,49
0,84
1,36
0,208
13,03
2,30
3,75
0,119
7,49
0,654
41,05 135,95
0,92
1,36
0,199
12,50
2,53
3,75
0,110
6,87
0,92
1,36
0,199
12,50
2,53
3,75
0,110
6,87
0,617
38,75 146,91
1,00
1,36
0,190
11,95
2,75
3,75
0,101
6,32
1,00
1,36
0,190
11,95
2,75
3,75
0,101
6,32
0,582
36,55 157,76
1,07
1,36
0,183
11,47
2,95
3,75
0,094
5,88
1,07
1,36
0,183
11,47
2,95
3,75
0,094
5,88
0,553
34,71 167,30
12
Wykres ilustrujący odciążenie podłoża wykopem [kPa]:
13
8. Rozkład naprężeń od obciążenia zewnętrznego.
Zgodnie z normą PN‐81/B‐03020 jeśli mamy do czynienia z płaskim stanem
naprężenia, tj. L ≥ 10B i punkt A leży w przekroju przechodzącym w odległości nie większej
niż 3B od krótszego boku to stosujemy rozkład naprężeń od obciążeń pasmowych.
W przypadki zadanego obciążenia mamy do czynienia z płaskim stanem naprężenia:
L
I
= 26 > 20 = 10 ∙ B
I
L
II
= 26 > 20 = 10 ∙ B
II
Dla obciążenia I :
14
Korzystamy ze wzoru:
2
Po uwzględnieniu warunków zadania wzór przyjmuje postać:
Dla obciążenia II:
Korzystamy ze wzoru:
2
Wyniki zestawiono w tabelach: 4a, 4b i 4c.
15
Tabela 4a. Wartości naprężeń od obciążenia zewnętrznego I.
z
w
q
β
β'
[m]
[kPa]
[rad]
[rad]
[kPa]
0
400
0
3,141593
400
0,65
0
1,989675
369,65
1,3
0
1,310742
289,93
2,1
0
0,92677
219,82
2,9
0
0,66497
163,23
3,6
0
0,541052
134,47
4,5
0
0,438078
109,79
5,4
0
0,364774
91,87
6,4
0
0,310669
78,48
7,4
0
0,268781
68,03
8,3
0
0,23911
60,60
9,2
0
0,216421
54,90
10,1
0
0,197222
50,06
11
0
0,181514
46,10
11,8
0
0,169297
43,01
Tabela 4b. Wartości naprężeń od obciążenia zewnętrznego II.
z
w
q
β
2β
β'
[m]
[kPa]
[rad]
[rad]
[rad]
[kPa]
0
300
1,570796 3,141593
0
0
0,65
1,480039 2,960078
0,02618
0,04
1,3
1,389282 2,778564 0,050615
0,32
2,1
1,29678
2,593559 0,075049
1,06
2,9
1,183333 2,366666 0,099484
2,72
3,6
1,101303 2,202606 0,115192
4,52
4,5
1,00531
2,010619 0,129154
7,10
5,4
0,919789 1,839577 0,136136
9,56
6,4
0,837758 1,675516 0,141372
12,09
7,4
0,764454 1,528908 0,141372
14,06
8,3
0,706858 1,413717 0,139626
15,41
9,2
0,656244 1,312488 0,136136
16,31
10,1
0,612611 1,225221 0,132645
16,94
11
0,572468 1,144936 0,129154
17,41
11,8
0,541052 1,082104 0,123918
17,37
16
Tabela 4c. Wartości naprężeń od całkowitego obciążenia zewnętrznego.
z
w
[m]
[kPa]
0
400,00
0,65
369,69
1,3
290,25
2,1
220,87
2,9
165,95
3,6
138,98
4,5
116,89
5,4
101,42
6,4
90,57
7,4
82,10
8,3
76,01
9,2
71,21
10,1
67,00
11
63,51
11,8
60,38
Korzystamy ze wzoru:
9. Wyznaczenie wartości naprężeń dodatkowych i wtórnych.
σ
zd
– naprężenia dodatkowe
σ
zs
– naprężenia wtórne
‐ gdy σ
zq
>
, wtedy:
σ
zs
=
σ
zd
= σ
zq
‐
‐ gdy σ
zq
≤
, wtedy:
σ
zs
= σ
zq
σ
zd
= 0 (nie występują)
17
Tabela 5. Zestawienie naprężeń dodatkowych i wtórnych.
z
w
σ
zs
σ
zd
[m]
[kPa]
[kPa]
0
62,78
337,22
0,65
62,73
306,96
1,3
62,36
227,89
2,1
61,23
159,64
2,9
59,43
106,52
3,6
57,5
81,48
4,5
54,79
62,10
5,4
51,99
49,43
6,4
48,93
41,64
7,4
46,01
36,09
8,3
43,47
32,54
9,2
41,05
30,16
10,1
38,75
28,25
11
36,55
26,96
11,8
34,71
25,67
10. Określenie głębokości strefy aktywnej.
Strefa aktywna jest to głębokość na jakiej zachodzi (liczy się) osiadanie.
Głębokość tej strefy obliczamy wg wzoru:
0,3 σ
zq max
= σ
zqi
Po podstawieniu do wzoru: 0,3 ∙ 400kPa = 120 kPa
Więc osiadanie liczymy do 6 warstewki licząc od dna wykopu, tj. do głębokości 4,5 m od dna
wykopu.
11. Zbiorczy wykres naprężeń
18
19
12. Obliczenie osiadań.
Osiadanie obliczono wykorzystując metodę odkształceń jednoosiowych (opartą na analogu
enometrycznym).
Sumowanie osiadań przeprowadzono do głębokości z
max
= 4,5m
Osiadanie S
i
i‐tej warstewki obliczono ze wzoru:
S
i
= S
i
’’ + S
i
’
gdzie:
S’’ – osiadanie wtórne i‐tej warstwy [m]
·
∆
· [λ=1]
λ – współczynnik zależny od czasu budowy
‐ naprężenia wtórne w środku warstwy i
M
i
– enometryczny moduł ściśliwości wtórnej
∆
·
‐ naprężenia dodatkowe w środku i‐tej warstwy
M
0i
– enometryczny moduł ściśliwości pierwotnej
Osiadanie punktu A wyznaczono ze wzoru:
∑
Założenia do metody odkształceń jedno‐osiowych:
‐ stan odkształcenia:
ε
x
= ε
y
= 0
ε
z
= 0
‐ stan naprężeń (osiowosymetrycznych):
σ
x
= σ
y
0
σ
z
σ
x
σ
z
= const. 0
‐ równanie konstytutywne
∆
gdzie:
ε ‐ odkształcenie
Δσ – średnia wartość naprężeń
M – enometryczny moduł ściśliwości
Obliczenia zamieszczono w tabeli 6.
20
Tabela 6. Obliczenie osiadań.
Grunt zw
σ
zs
σ
zd
σ
zs
*
σ
zd
*
h
i
M
oi
M
i
S
i
’
S
i
’’
‐‐‐
[m]
[kPa]
[kPa]
[kPa]
[kPa] [m]
[kPa]
[kPa]
[m]
[m]
[m]
saCl
0
62,78 337,22
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
‐‐‐
62,75 322,09 0,65
24000
32000
0,008723
0,001275
0,0100
0,65 62,73 306,96
62,55 267,42 0,65
24000
32000
0,007243
0,001271
0,0085
1,3
62,36 227,89
61,80 193,76 0,8
100000
111111
0,001550
0,000445
0,0020
MSa
2,1
61,23 159,64
60,33 133,08 0,8
100000
111111
0,001065
0,000434
0,0015
2,9
59,43 106,52
58,47
94,00 0,7
100000
111111
0,000658
0,000368
0,0010
3,6
57,5
81,48
56,15
71,79 0,9
100000
111111
0,000646
0,000455
0,0011
4,5
54,79
62,10
Suma:
0,0241
Wg obliczeń zestawionych w tabeli 6. Osiadanie całkowite punktu A pod fundamentem dla
zadanych warunków wodno – gruntowych wynosi:
S
A
= 0,0241m = 2,41 cm
13. Sprawdzenie warunku drugiego stanu granicznego.
S ≤ S
dop
S
dop
ustala się dla danej budowli na podstawie analizy stanów granicznych jaj konstrukcji,
wymagań użytkowych i eksploatacyjnych, a także działania połączeń instalacyjnych.
Wg normy PN‐81/B‐03020 dopuszczalne wartości przemieszczeń liniowych i odkształceń
zachodzących w fazie eksploatacji budowli dla budynku do 11 kondygnacji wynoszą 7 cm.
S
A
= 2,41 cm, zatem S
A
< S
dop
Warunek drugiego stanu granicznego został spełniony.
14. Wnioski.