Mechanika gruntów i fundamentowanie

ŚCIANKI SZCZELNE

Ćwiczenie projektowe nr 4.

Projektowanie ścianki szczelnej.
(wykop umocniony metalową ścianka szczelną; rozkład parcia i odporu od gruntu, obliczenie ścianki metodą analityczno – graficzną BLUMA,
wymiarowanie ścianki dla różnych schematów statycznych)

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

2

1. Ścianki szczelne

- lekkie konstrukcje oporowe złożone z podłużnych elementów (drewnianych, żelbetowych,
stalowych lub PCV) zagłębianych w grunt ściśle jeden obok drugiego. Całość stanowi
szczelną płytę obciążoną siłami poziomymi, a niekiedy również pionowymi.

Zastosowanie:

• jako podtrzymywanie ścian wykopów lub uskoków terenu

• budowle oporowe w budownictwie hydrotechnicznym (wzmacnianie nabrzeży
portowych, umocnienia brzegowe, przyczółki mostowe, ściany oporowe)

• jako zabezpieczenie od przenikania wody z górnego poziomu do dolnego przez
podłoże, zabezpieczenie przed zjawiskami sufozji, kurzawki – rozmycia dna
wykopu

(zastosowanie ścianki szczelnej powoduje przecięcie drogi filtracji lub jej wydłużenie i
zmniejszenie średniej wartości spadku hydraulicznego, a tym samym prędkości filtracji i
ciśnienia spływowego)

• w posadowieniach bezpośrednich budowli na gruntach nawodnionych, jako
wygrodzenie podłoża fundamentów budowli i ochrona przed wypłukiwaniem
najdrobniejszych cząstek gruntu

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

3

Głębokość wbicia:

Zależy od:

• głębokości wykopu lub uskoku terenu

• rodzaju podłoża poniżej dna wykopu

(w gruntach kamienistych lub zawierających duże kamienie lub inne przeszkody stosuje się
mniejsze głębokości wbicia)

• warunków gruntowo – wodnych

(głębokość wbicia może wynikać z konieczności zagłębienia ścianki w gruntach
nieprzepuszczalnych, aby uniemożliwić przepływ wody gruntowej pod ścianką)

• wielkości obciążeń przekazywanych na ściankę szczelną

(parcie gruntu i wody, obciążenie naziomu, obciążenie podłoża w sąsiedztwie ścianki
fundamentami istniejących budowli)

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

4

Rodzaje ścianek szczelnych ze względu na elementy z których są
wykonane (brusy, grodzie):

• drewniane

• stalowe

• żelbetowe

• z tworzyw sztucznych

Wykonywanie ścianek
szczelnych:

- wprowadzenie grodzi w grunt

- zakładanie bloku kotwiącego

- kotwienie

- niwelowanie terenu za ściana oraz
wybieranie gruntu przed ścianą

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

5

Rys. Profile brusów stalowych.

Stalowe elementy ścianek szczelnych:

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

6

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

7

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

8

Brus Klöckner.

zamek

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

9

Ś

cianki szczelne niepodparte, utwierdzone w gruncie, ich stateczność zapewnia

odpowiednio duża głębokość wbicia poniżej dna wykopu.

Rys: A) wspornikowy

Ś

cianki szczelne podparte, jedno – lub wielokrotnie. Podparcie realizuje się poprzez:

rozpory (możliwe w wykopach wąskich), kotwy gruntowe, ściągi (cięgna) przenoszące
obciążenia ze ścianki na elementy kotwiące (płyty, bloki kotwiące, ścianki kotwiące,
palowe układy kozłowe). Głębokość wbicia ścianek podpartych może być zróżnicowana:

- przegubowe podparcie w gruncie, minimalna głębokość wbicia wynikająca z warunku stateczności

- utwierdzenie w gruncie.

Rys: B) ścianka zakotwiona

Rys: C) z zastosowaniem rozpór

Schematy pracy ścianek szczelnych:

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

10

Rys. Zależność parcia gruntu od przemieszczeń ściany, zapuszczonej pionowo poniżej naziomu gruntu.

• Stan spoczynkowy, nie ma
przemieszczenia poziomego ściany

K

o

– współczynnik rozporu bocznego;

• Odsuwanie ściany od gruntu

• Dociskanie ściany do gruntu

o

y

γ

x

γ

z

γ

K

z

γ

σ

σ

;

z

γ

σ

;

0

x

∆

⋅

⋅

=

=

⋅

=

=

a

a

a

a

K

c

2

K

z

γ

σ

;

x

x

∆

−

⋅

⋅

=

−

=

p

p

p

p

K

c

2

K

z

γ

σ

;

x

x

∆

+

⋅

⋅

=

+

=

Parcie i odpór w gruncie:

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

11

Stany graniczne Rankine’a

Stany graniczne naprężeń, odnoszące się do parć gruntu na idealnie gładką pionową ścianę
przy nieobciążonym naziomie poziomym.

Rozkład parcia i odporu granicznego wg Rankine’a:

Podłoże jednorodne:

a

a

a

K

c

2

-

K

z

γ

)

z

(

e

⋅

⋅

⋅

⋅

=

p

p

p

K

c

2

K

z

γ

)

z

(

e

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

a

a

K

z

γ

)

z

(

e

⋅

⋅

=

p

p

K

z

γ

)

z

(

e

⋅

⋅

=

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

12

Podłoże

uwarstwione:

1

a

1

1

a

1

1

1

a

K

c

2

-

K

z

γ

e

⋅

⋅

⋅

⋅

=

2

a

2

2

a

1

1

2

a

K

c

2

-

K

z

γ

'

e

⋅

⋅

⋅

⋅

=

(

)

2

a

2

2

a

2

2

1

1

2

a

K

c

2

-

K

z

γ

z

γ

''

e

⋅

⋅

⋅

⋅

+

⋅

=

1

p

1

1

p

K

c

2

'

e

⋅

⋅

=

1

p

1

1

p

1

1

1

p

K

c

2

K

z

γ

''

e

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

(

)

2

p

2

2

p

2

2

1

1

2

p

K

c

2

K

z

γ

z

γ

''

e

⋅

⋅

+

⋅

⋅

+

⋅

=

2

p

2

2

p

1

1

2

p

K

c

2

K

z

γ

'

e

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

Obciążenie naziomen q:

ai

K

q

⋅

+

pi

K

q

⋅

+

w każdej warstwie

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

13

Rys. Schematy obliczeniowe:

a), b) dla parć czynnych

c) dla parć biernych

d) oznaczenia i znakowanie kątów

a

a

K

c

2

K

q

⋅

⋅

>

⋅

a

a

K

c

2

K

q

⋅

⋅

<

⋅

Parcie i odpór w gruncie:

Przykład:

• ścianka szczelna pionowa

• poziomy naziom

• obciążenie na naziomie
działające pionowo

• gładka powierzchnia
kontaktu ścianki z gruntem,
kąt tarcia

δδδδ

= 0

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

14

• metody analityczne (najczęściej stosowana metoda Bluma i
Jenne)

• metody analityczno – wykreślne (metoda Bluma)

Parcie i odpór gruntu w tych metodach przyjmuje się wg klasycznej
metody Coulomba, pomija się na korzyść bezpieczeństwa, tarcie gruntu
o ściankę szczelną.

Projektowanie ścianek szczelnych:

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

15

1. Zestawienie parametrów geotechnicznych.

(charakterystyczne obciążenia i charakterystyczne wartości parametrów
geotechnicznych gruntu)

2. Obliczenie czynnego oraz biernego parcia gruntu na ściankę oraz parcia

wody.

JEDNOSTKOWE PARCIE CZYNNE:

JEDNOSTKOWE PARCIE BIERNE:

gdzie:

z – głębokość poniżej naziomu [m],

γ

– ciężar objętościowy gruntu [kN/m

3

], dla gruntu poniżej zwg -

γ

’,

c – spójność gruntu,

K

a

, K

p

– współczynnik parcia,

φ

- kąt tarcia wewnętrznego gruntu [º].

a

a

a

a

K

c

2

-

K

z

γ

K

q

)

z

(

e

⋅

⋅

⋅

⋅

+

⋅

=

p

p

p

p

K

c

2

K

z

γ

K

q

)

z

(

e

⋅

⋅

+

⋅

⋅

+

⋅

=

Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej:

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

16

WSPÓŁCZYNNIK PARCIA K

a

:

WSPÓŁCZYNNIK PARCIA K

p

:

gdzie:

φ

- kąt tarcia wewnętrznego gruntu [º].

3. Sporządzenie wykresów parcia czynnego, biernego oraz wypadkowego.

•

Wyznaczenie z wykresu parć wypadkowych położenia punktu gdzie
wypadkowe parcie równe jest zero – u.

•

Zastąpienie pola powierzchni wykresów parcia wypadkowego siłami
skupionymi w środku obliczeniowym paska.

4. Wykreślenie wieloboku sił.

5. Sporządzenie wieloboku sznurowego.

Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej cd.:

)

2

φ

-

45

(

tg

K

o

2

a

=

)

2

φ

45

(

tg

K

o

2

p

+

=

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

17

6. Wyznaczenie momentów zginających i sił w elementach podpierających

(rozporach, kotwach, ściągach).

•

Wykreślenie zamykającej w zależności od sposobu podparcia ścianki szczelnej w
gruncie:

Ś

CIANKA JEDNOKROTNIE KOTWIONA WOLNO PODPARTA W GRUNCIE

(Rys. 4a.):

Maksymalny moment zginający:

m

max

, H – odczytane z rysunku,

R

A

– odczytane z wieloboku sił.

Głębokość wbicia ścianki szczelnej:

x – odległość od punktu „zerowych parć wypadkowych” do spodu paska, w obrębie
którego jest punkt styczności zamykającej z wielobokiem sznurowym.

Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej cd.:

o

max

max

H

m

M

⋅

=

x

2

,

1

u

t

⋅

+

=

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

18

Ś

CIANKA JEDNOKROTNIE KOTWIONA UTWIERDZONA W GRUNCIE

(Rys. 4b.):

Maksymalny moment zginający:

m

max

, H – odczytane z rysunku,

R

A

– odczytane z wieloboku sił.

Głębokość wbicia ścianki szczelnej:

x – odległość od punktu „zerowych parć wypadkowych” do poziomu spodu paska, w
obrębie którego poprawiona zamykająca przecina wielobok sznurowy.

7. Wymiarowanie elementów ścianki szczelnej i kotew na podstawie R

A

, M

max

, t.

8. Obliczenia zakotwienia.

Tok postępowania podczas projektowania ścianki szczelnej cd.:

o

max

max

H

m

M

⋅

=

x

2

,

1

u

t

⋅

+

=

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

19

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

20

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

21

PROJEKT 4 / Ścianki szczelne

PP/2010 Barbara Filipowicz

22

Literatura:

1.

Zarys geotechniki – Zenon Wiłun, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987

2.

Fundamentowanie – Zbigniew Grabowski, Stanisław Pisarczyk, Marek Obrycki, Oficyna
wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999

3.

Wybrane zagadnienia z fundamentowania – Przykłady obliczeń - Marek Obrycki, Stanisław
Pisarczyk, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000

4.

Fundamentowanie – Projektowanie posadowień – pod redakcją Czesława Rybaka, Olgierd
Puła, Czesław Rybak, Włodzimierz Sarniak, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2009

5.

Zbiór zadań z mechaniki gruntów - Marek Obrycki, Stanisław Pisarczyk, Oficyna wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1995.

6.

PN – 81/B – 03020 - Posadowienie bezpośrednie budowli, Obliczenia statyczne i projektowanie.

7.

PN – 83/B – 03010 – Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie.

8.

PN – 68/B – 03010 – Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie p.4.2.4.