ŚCIANKI SZCZELNE.

PROJEKTOWANIE ŚCIANEK SZCZELNYCH W

SCHEMATACH BELEK WSPORNIKOWYCH I

ZAKOTWIONYCH.

Mechanika gruntów i fundamentowanie

Ćwiczenia audytoryjne

mgr inż. Natalia Bejga
A – 2 p. 235 c
E – mail:

[e-mail]

[e-mail]

www.marbej.user.icpnet.pl

10 kwietnia 2021

Ścianki szczelne

Ścianki szczelne są to konstrukcje składające się z podłużnych elementów

zagłębionych (najczęściej wbitych) w grunt, ściśle do siebie przylegających.

Ścianki szczelne mogą spełniać następujące funkcje:



podtrzymywać ściany wykopów lub uskoków terenu,



zabezpieczać przed zjawiskami sufozji, kurzawki,



umacniać nabrzeża w budownictwie hydrotechnicznym,



w posadowieniach bezpośrednich na gruntach nawodnionych, szczególnie w

przypadku piasków drobnych i ruchomych wodach gruntowych, mogą wygrodzić

podłoże fundamentów budowli i chronić je przed wypłukiwaniem najdrobniejszych

cząstek gruntu.

Ścianki szczelne

Ścianki szczelne można klasyfikować z uwagi na:

a) przeznaczenie



ścianki szczelne stałe,



ścianki szczelne tymczasowe (prowizoryczne).

b) materiał



ścianki szczelne drewniane (rys. 1a),



ścianki szczelne żelbetowe (rys. 1b)



ścianki szczelne stalowe (rys. 1c).

Ścianki szczelne

Rys. 1. Ścianki szczelne

a) drewniane

b) żelbetowe

c) stalowe

Ścianki szczelne

Ścianki szczelne stalowe

zamek

Schematy statyczne ścianek szczelnych:



ścianki szczelne wspornikowe, utwierdzone w gruncie (rys. 2a),



ścianki szczelne górą i dołem wolnopodparte (rys. 2b),



ścianki szczelne górą wolnopodparte dołem utwierdzone (rys. 2c).

a)

b)

c)

Rys. 2. Schematy statyczne ścianek szczelnych

Projektowanie ścianek szczelnych

Wzory na jednostkowe parcie:



parcie czynne



parcie bierne

q – obciążenie naziomu [kPa],

z – głębokość poniżej naziomu [m],

 – ciężar objętościowy gruntu [kN/m

3

] (dla gruntu poniżej zwierciadła wody gruntowej

’),

c – spójność gruntu [kPa],

 – kąt tarcia wewnętrznego [

o

],

K

a

, K

p

– współczynniki parcia według wzorów:

Projektowanie ścianek szczelnych

a

a

a

a

K

c

K

z

K

q

z

e

















2

)

(



p

p

p

p

K

c

K

z

K

q

z

e

















2

)

(



































2

45

2

45

2

2





tg

K

tg

K

p

a

Tok postępowania przy projektowaniu ścianki szczelnej:

1.

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

2.

Wyznaczenie głębokości wbicia ścianki przy założonym schemacie statycznym.

3.

Wyznaczenie momentów zginających i sił w elementach kotwiących.

4.

Wymiarowanie elementów ścianki szczelnej i zakotwienia.

Wszystkie obliczenia wykonuje się na 1 m długości ścianki szczelnej, przy założeniu że

ścianka szczelna jest pionowa, naziom jest poziomy, obciążenie na naziomie jest

pionowe, a powierzchnia kontaktu ścianki z gruntem jest gładka.

Projektowanie ścianek szczelnych

Zasady prowadzenia obliczeń:

1.

Dla podłoża uwarstwionego parcia i odpory gruntu w kolejnych warstwach oblicza się

zastępując wszystkie wyżej leżące warstwy gruntu i obciążenie naziomu zastępczym

obciążeniem q

z

.

2.

W obrębie warstwy głębokość z wyznacza się od stropu danej warstwy.

3.

Wykres parć dzieli się na „paski” i każdy z nich zastępuje siłą skupioną. Wykreśla się

wielobok sił i wielobok sznurowy.

4.

Wykreśla się zamykającą wielobok sznurowy, przy czym ze względu na różne warunki

brzegowe na końcach ścianki szczelnej, w zależności od sposobu jej podparcia, tok

postępowania jest następujący:



w przypadku ścianki utwierdzonej: zamykającą stanowi pierwszy promień wieloboku

sznurowego, poprowadzony pionowo do punktu przecięcia z promieniem wieloboku

sznurowego w dolnej jego części.

Projektowanie ścianek szczelnych

Zasady prowadzenia obliczeń:



w przypadku ścianki wolnopodpartej jednokrotnie kotwionej: z punktu przecięcia

pierwszego promienia wieloboku sznurowego z poziomem podpory (kotwy) prowadzi

się zamykającą stycznie do wieloboku sznurowego w dolnej jego części,



w przypadku ścianki utwierdzonej jednokrotnie kotwionej: z punktu przecięcia

pierwszego promienia wieloboku sznurowego z poziomem podpory (kotwy) prowadzi

się zamykającą w taki sposób, aby maksymalne momenty dodatnie i ujemne nie

różniły się od siebie więcej niż o 5 – 10 %.

Następnie wykreśla się linię ugięcia ścianki szczelnej (metodą Mohra). Jeśli odkształcona

nie spełnia warunku brzegowego (przemieszczenie ścianki w miejscu zakotwienia jest

różne od 0), należy skorygować położenie zamykającej, przesuwając zamykającą o

wielkość m (na poziomie przecięcia wieloboku sznurowego z zamykającą
pierwszego przybliżenia). Należy zwrócić uwagę na reguły znakowania.

Projektowanie ścianek szczelnych

Zasady prowadzenia obliczeń:

Wartość poprawki m wyznacza się ze wzoru:

s – przemieszczenie na poziomie podpory [m],

H

1

– wysokość wieloboku sił fikcyjnych [m

2

],

r – odległość od poziomu zakotwienia do miejsca przecięcia zamykającej z wielobokiem

sznurowym [m].

Projektowanie ścianek szczelnych

2

1

3

r

H

s

m









Wyznaczenie głębokości wbicia ścianki szczelnej:

Głębokość wbicia ścianki szczelnej oblicza się ze wzoru:

u – odległość od dna wykopu do miejsca, w którym parcie wypadkowe równe jest 0 [m],

x – odległość od punktu, w którym wypadkowe parcie równe jest 0 do spodu „paska”, w

obrębie którego jest punkt styczności/ punkt przecięcia zamykającej z wielobokiem

sznurowym [m].

Dla ścianki wspornikowej przyjmuje się najczęściej współczynnik 1,1, a dla ścianki

wolnopodpartej i utwierdzonej, jednokrotnie kotwionych najczęściej 1,2.

Projektowanie ścianek szczelnych





x

u

t









25

,

1

0

,

1

Projektowanie przekroju ścianki szczelnej i elementów zakotwienia:

Wartość obliczeniową maksymalnego momentu zginającego M

max

wyznacza się ze

wzoru:

m

max

– maksymalny moment zginający odczytany z wieloboku sznurowego [m],

H – wysokość wieloboku sił [kN],



f

– współczynnik obciążenia (1,25).

Potrzebny przekrój ścianki szczelnej stalowej wyznacza się na podstawie wskaźnika

wytrzymałości ze wzoru:

f

d

– obliczeniowa wytrzymałość stali [MPa].

Projektowanie ścianek szczelnych

f

H

m

M









max

max

d

x

f

M

W

max



Podparcie i zakotwienie ścianek szczelnych realizuje się poprzez:



rozpory (rozparcie ścian wykopów),



zakotwienia płytowe,



zakotwienia blokowe,



zakotwienia do kozłowych układów palowych,



zakotwienia iniektowane.

Zakotwienie ścianek szczelnych składa się ze ściągów (cięgien) i z konstrukcji kotwiącej,

na którą ściągi przenoszą siły poziome. Ściąg mocowany jest do ścianki szczelnej

oraz z drugiej strony do płyty, ściany lub bloku kotwiącego.

Przy jednokrotnym podparciu, poziom podpory przyjmuje się na głębokości nie większej

niż 1/3 wysokości ściany.

Projektowanie ścianek szczelnych

Rys. 3. Zakotwienia ścianek szczelnych

a) płyta kotwiąca

b) blok kotwiący

Projektowanie ścianek szczelnych

Rys. 3. Zakotwienia ścianek szczelnych

c) układ pali

b) zakotwienie iniekcyjne

Projektowanie ścianek szczelnych

Projektowanie przekroju ścianki szczelnej i elementów zakotwienia:

Płytę kotwiącą należy sytuować pionowo, powyżej zwierciadła wody gruntowej, powyżej

płaszczyzny odłamu parcia biernego, w określonej odległości od ścianki, zgodnie z

rysunkiem 4.

Rys. 4. Usytuowanie płyty kotwiącej

Projektowanie ścianek szczelnych

Projektowanie przekroju ścianki szczelnej i elementów zakotwienia:

1.

Wykresy parć i odporów wykonuje się tak, jak gdyby płyta była ciągła i sięgała do

powierzchni terenu. W obliczeniach parć uwzględnia się obciążenie naziomu, w

obliczeniach odporów pomija się je.

2.

Wypadkowy wykres parć oblicza się jako różnicę zredukowanych odporów

(podzielonych przez 1,6 – 2,0 w zależności od wymaganego poziomu

bezpieczeństwa) i parć czynnych działających na płytę.

Rys. 5. Schemat parć dla

płyty kotwiącej

Projektowanie ścianek szczelnych

Projektowanie przekroju ścianki szczelnej i elementów zakotwienia:

Przekrój ściągu A

s

wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

R

A

– wartość siły działającej w zakotwieniu [kN],



f

– współczynnik obciążenia (1,25),

a – rozstaw ściągów [m],

f

d

– obliczeniowa wytrzymałość stali [MPa].

Projektowanie ścianek szczelnych

d

f

A

s

f

a

R

A









Zadanie:

Zaprojektować ściankę szczelną w schemacie

belki utwierdzonej oraz belek zakotwionych,

dla zadanych warunków gruntowo-wodnych

oraz obciążenia naziomu.

Przykład obliczeniowy

Zestawienie parametrów geotechnicznych gruntów:

Przykład obliczeniowy

Rodz

aj

grunt

u

Stan

gruntu

I

D

/I

L

Klasa

genetycz

na



s

(n)

[kN/m

3

]



(n)

[kN/m

3

]

'

(n)

[kN/m

3

]



(n)

[

o

]

c

(n)

[kPa]

Ka [-] Kp [-]

pierw.

Ka [-]

pierw.

Kp [-]

Ps

0,60

-

26,50 17,00 10,07 33,60

-

0,2875 3,4782 0,5362 1,8650

p

0,50

C

26,60 20,50 10,62 10,00

9,00 0,7041 1,4203 0,8391 1,1918

Gpz

0,10

B

26,80 21,50

-

20,20 36,00 0,4867 2,0548 0,6976 1,4335

Przykład obliczeniowy

Obliczenia naprężeń pierwotnych pionowych:

z = 0,0



z

= 13,0 kPa

z = 1,4 m



z

= 13,0 kPa + 1,4 m  17,0 kN/m

3

= 36,8 kPa

z = 2,7 m



z

= 36,8 kPa + 1,3 m  10,07 kN/m

3

= 49,9 kPa

z = 4,7 m



z

= 49,9 kPa + 2,0 m  10,62 kN/m

3

= 71,1 kPa

z = 4,7 m



z

= 49,9 kPa + 2,0 m  10,62 kN/m

3

+3,3 m × 10,00 kN/m

3

=

104,1 kPa

z = 6,4 m



z

= 104,1 kPa + 1,7 m  21,5 kN/m

3

= 140,7 kPa

z = 6,4 m



z

= 0 kPa

z = 10,4 m



z

= 140,7 kPa + 4,0 m  21,5 kN/m

3

= 226,7 kPa

z = 10,4 m



z

= 4,0 m  21,5 kN/m

3

= 86,0 kPa

Przykład obliczeniowy

Wykres naprężeń pierwotnych pionowych:

Przykład obliczeniowy

Obliczenia wartości parcia czynnego e

a

i biernego e

p

:

z = 0,0

e

a

= 13,0 kPa  0,2875 = 3,74 kPa

z = 1,4 m

e

a

= 13,0 kPa  0,2875 +17,0 kN/m

3

 1,4 m  0,2875 = 10,58 kPa

z = 2,7 m

e

a

= 13,0 kPa  0,2875 +(17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3

m)  0,2875 + 10,0 kN/m

3

 1,3 m= 27,34 kPa

z = 2,7 m

e

a

= (13,0 kPa + 17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3 m) 

0,7041 - 2  9,0 kPa  0,8391 + 10,0 kN/m

3

 1,3 m= 33,02 kPa

z = 4,7 m

e

a

= (13,0 kPa + 17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3 m) 

0,7041 + 10,62 kN/m

3

 2,0 m × 0,7041 - 2  9,0 kPa  0,8391 +

10,0 kN/m

3

 3,3 m= 67,98 kPa

Przykład obliczeniowy

Obliczenia wartości parcia czynnego e

a

i biernego e

p

:

z = 4,7 m

e

a

= (13,0 kPa + 17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3 m + 10,62

kN/m

3

 2,0 m + 10,0 kN/m

3

 3,3 m)  0,4867 - 2  36,0 kPa  0,6976

= 0,45 kPa

z = 6,4 m

e

a

= (13,0 kPa + 17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3 m + 10,62

kN/m

3

 2,0 m + 10,0 kN/m

3

 3,3 m)  0,4867 + 21,5 kN/m

3

 1,7 m 

0,4867 - 2  36,0 kPa  0,6976 = 18,24 kPa

z = 6,4 m e

p

= 0 kPa

z = 10,4
m

e

a

= (13,0 kPa + 17,0 kN/m

3

 1,4 m + 10,07 kN/m

3

 1,3 m + 10,62

kN/m

3

 2,0 m + 10,0 kN/m

3

 3,3 m)  0,4867 + 21,5 kN/m

3

 5,7 m 

0,4867 - 2  36,0 kPa  0,6976 = 60,09 kPa

z = 10,4
m

e

p

= 21,5 kN/m

3

 4,0 m  2,0548 + 2  36,0 kPa  1,4335 = 279,92

kPa

Obliczenia sił skupionych parcia wypadkowego:

Przykład obliczeniowy

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

H [m]

e górne

[kPa]

e dolne

[kPa]

Nr

0,70

3,74

7,16

E1

3,82

0,70

7,16

10,58

E2

6,21

0,70

10,58

19,61

E3

10,57

0,60

19,61

27,34

E4

14,09

0,70

33,02

45,26

E5

27,40

0,70

45,26

57,49

E6

35,96

0,60

57,49

67,98

E7

37,64

1,00

0,45

10,91

E8

5,68

0,70

10,91

18,24

E9

10,20

1,00

0,00

118,69

E10

59,35

1,00

118,69

152,40

E11

135,55

1,00

152,40

186,12

E12

169,26

1,00

186,12

219,84

E13

202,98

Wyznaczenie momentów zginających dla ścianek szczelnych, głębokości ich

wbicia i długości:

Ścianka utwierdzona:

Ścianka swobodnie podparta jednokrotnie kotwiona:

Przykład obliczeniowy

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

kNm

M

5

,

697

25

,

1

100

58

,

5

max









m

L

m

t

0

,

12

4

,

6

49

,

5

49

,

5

87

,

4

1

,

1

13

,

0















kNm

M

0

,

170

25

,

1

100

36

,

1

max









m

L

m

t

9

4

,

6

37

,

2

37

,

2

87

,

1

2

,

1

13

,

0















Wyznaczenie momentów zginających dla ścianek szczelnych i głębokości ich

wbicia:

Ścianka utwierdzona jednokrotnie kotwiona:

Przykład obliczeniowy

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

kNm

M

0

,

125

25

,

1

100

0

,

1

max









m

L

m

t

10

4

,

6

57

,

3

57

,

3

87

,

2

2

,

1

13

,

0















Przykład doboru przekroju ścianki szczelnej i ściagu dla ścianki utwierdzonej

jednokrotnie kotwionej:

Przekrój ścianki:

Dobrano przekrój GU 6N o Wx = 625 cm

3

Arcelor Mittal

Przekrój ściągu:

Dobrano przekrój kwadratowy o boku 35 mm As = 12,25 cm

2

Przykład obliczeniowy

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

3

3

4

595

10

95

,

5

210000

0

,

125

cm

m

W

x











2

2

3

43

,

10

10

04

,

1

210000

4

,

2

25

,

1

73

cm

m

A

s















Przykład obliczeniowy

Obliczenia wartości parcia biernego e

p

dla ściany kotwiącej:

z = 0,0

e

p

= 0 kPa

z = 1,4 m

e

p

= 17,0 kN/m

3

1,4 m 3,4782 = 82,78 kPa

z = 2,7 m

e

p

= (17,0 kN/m

3

1,4 m10,07 kN/m

3

1,3 m) 3,4782 + 10,0 kN/m

3

 1,3

m = 141,31 kPa

z = 2,7 m

e

p

= (17,0 kN/m

3

1,4 m10,07 kN/m

3

1,3 m)  1,4203 + 2  9,0 kPa 

1,1918 +10,0 kN/m

3

 1,3 m = 86,85 kPa

z = 4,7 m

e

p

= (17,0 kN/m

3

1,4 m10,07 kN/m

3

1,3 m)  1,4203 + 10,62 kN/m

3

 2,0

m  1,4203+ 2  9,0 kPa  1,1918 +10,0 kN/m

3

 3,3 m = 137,01 kPa

z = 4,7 m

e

p

= (17,0 kN/m

3

1,4 m10,07 kN/m

3

 1,3 m+ 10,62 kN/m

3

 2,0 m + 10,0

kN/m

3

 3,3 m)  2,0548 + 2 36,0 kPa  1,4335 = 290,46 kPa

z = 8,4 m

e

p

= (17,0 kN/m

3

1,4 m10,07 kN/m

3

 1,3 m + 10,62 kN/m

3

 2,0 m + 10,0

kN/m

3

 3,3 m) × 2,0548 + 21,5 kN/m

3

 3,7 m  2,0548 + 2  36,0 kPa  1,4335

= 453,93 kPa

Wyznaczenie momentów zginających dla ścianki kotwiącej i głębokości wbicia:

Przykład obliczeniowy

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

82

,

3

7

,

0

2

16

,

7

74

,

3

1









E

kNm

M

25

,

336

25

,

1

100

69

,

2

max









m

t

7

,

7

3

,

6

2

,

1

1

,

0









Źródło

1.

Rybak Cz., Puła O., Sarniak W., Fundamentowanie. Projektowanie posadowień,

Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2009.

2.

Grabowski Z., Pisarczyk S., Obrycki M., Fundamentowanie, Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999.

3.

Dembicki E., Fundamentowanie. Projektowanie i wykonawstwo. Tom 2 Posadowienie

budowli, Arkady, Warszawa 1988.

4.

Glinicki S. P., Geotechnika budowlana cz. 2, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej,

Białystok, 1992.