POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA
KATEDRA GEOTECHNIKI, GEOLOGII I BUDOWNICTWA MORSKIEGO

OBLICZENIA STATYCZNE

PROJEKT ŚCIANKI SZCZELNEJ
REALIZOWANY DLA ŚCIANKI JEDNOKROTNIE ZAKOTWIONEJ

Zawartość:

• obliczeń: 21 stron

• załączników: 2 strony

Razem: 23 strony

Funkcja	Tytuł zawodowy	Imię i nazwisko	Podpis
Projektant	student
Sprawdzający	dr inż.	Rafał Ossowski

TERMIN	OBRONA	OPIS TECHNICZNY	OBLICZENIA	RYSUNKI	Σ
/ 10	/ 20	/ 10	/ 30	/ 30	/ 100

Uwagi:

Gdańsk, 16.06.2014 r.

1. Opis techniczny

   1. Podstawa formalna projektu

Projekt wykonano na zlecenie Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej, jako zadanie projektowe z przedmiotu Fundamentowanie, w oparciu o temat numer 16 zawierający szczegółowe informacje dotyczące wysokości naziomu, wody gruntowej i rodzaju zakotwienia.

1. Przedmiot i zakres opracowania

Przedmiotem opracowania jest ściana szczelna kotwiona dołem utwierdzona w gruncie stanowiąca obudowę wykopu.

Zakres opracowania obejmuje przyjęcie wymiarów i konstrukcji ścianki szczelnej określenie wartości parcia i odporu gruntu oraz wartość parcia wody po obu stronach ścianki; przyjęcie schematu statycznego z uwzględnieniem sprężystości gruntu; określenie maksymalnego momentu zginającego w elemencie ścianki oraz maksymalnej siły w ściągu; zwymiarowanie elementów konstrukcyjnych układu ścianka – ściąg; określenie nośności elementu rozporowego; sprawdzenie stateczności globalnej.

1. Lokalizacja

Obiekt znajdować się będzie w Gdyni, przy ul. Puckiej, działka nr 147, jako zabezpieczenie wykopu tunelu pod wiadukt.

1. Stan istniejący

Obecnie teren ten jest płaski ze zwierciadłem wody gruntowej na głębokości 3,4 m. Przewiduje się wykonanie wykopu o głębokości 5,4m. W bliskim sąsiedztwie wykopu przewiduje się utworzenie parkingu. Teren nie jest uzbrojony w kanalizacje deszczową i ściekową. W pobliżu miejsca budowy nie ma ujęć wodnych i gazociągów.

1. Charakterystyka warunków gruntowo-wodnych

• siCl (γ=20,2 kN/m³), 0,0-2,5m p.p.t.

• siSa (γ=18,5 kN/m³, γ’=8,5 kN/m³), 2,5-4,7m p.p.t.

• MSa (γ=18,4 kN/m³, γ’=8,4 kN/m³), od 4,7m p.p.t.

• Rz-wg – poziom wody gruntowej: 3,4m p.p.t.

• Rz-d – głębokość dna 5,4m p.p.t.

  1. Charakterystyka projektowanej konstrukcji

Zaprojektowano ściankę szczelną o wysokości 10 m, zagłębioną w gruncie na 4,6 m. Ścianka została zaprojektowana jako konstrukcja poddana działaniu sil parcia, odporu gruntu i obciążeń naziomu. Ścianka jest dołem utwierdzona w gruncie, jednokrotnie zakotwiona. Do konstrukcji ścianki zostaną wykorzystane grodzice stalowe PU 18 – 1d.

Ściąg zakończony płytą kotwiącą znajduje się w pierwszej warstwie gruntu w połowie jej miąższości (na głębokości 1,25 m p.p.t.). Ich rozstaw zaprojektowano na 2,4 m (dwa moduły grodzic). Przyjęta średnica pręta ściągającego to Φ = 32 mm. Długość ściągu wynosi 10 m. Wymiary żelbetowej płyty kotwiącej wynoszą odpowiednio: 1,6x1,4x0,2 m (wys x szer x gr). Jako kleszcze przyjęto dwa ceowniki C₂₀₀ wykonane ze stali konstrukcyjnej wg PN-88/H-84020→StVI, które mają na celu zapobiec wyginaniu się ścianki. Ustalono że kleszcze z profilami zostaną połączone za pomocą śrub M(22) klasy 6,8.

1. Technologia wykonywania prac

W pobliżu miejsca instalowania ścianek szczelnych nie ma konstrukcji wrażliwych na wstrząsy i wibracje, zostanie zastosowana technologia wbijania ścianek. Do wbijania stalowych ścianek szczelnych używa się ciężkich kafarów z młotami szybko bijącymi. Podpłukiwanie strumieniem wody pod ciśnieniem może ułatwić i przyspieszyć wbijanie ścianki. Przed wbiciem należy zacisnąć zamek łączący dwa elementy, aby uniemożliwić ich rozłączenie w czasie wbijania. Szczelność zamków można powiększyć poprzez zamulenie ich iłami bądź popiołami.

Wbijanie ścianki rozpoczyna się od narożnika. Narożny brus wbija się na taką głębokość, aby był on właściwie umocowany w gruncie. Następnie przy nim układa się na ziemi drewniane prowadnice o długości 3-5 m, w takim rozstawie, aby można było zmieścić pomiędzy nimi brus ścianki. Parę brusów łączy się z zamkiem brusa narożnikowego i wbija się na głębokość 2-4 m. Kolejno wbija się następne pary brusów na odcinku, gdzie mamy ułożone prowadnice.

Należy zabezpieczyć ściągi przed korozją oraz wykonać zagęszczony zasyp od strony zakotwienia ścianki. Docelowo przewidziano zastosowanie zewnętrznej powłoki malarskiej ścianki szczelnej o barwie zbliżonej do betonu. Jeżeli brusy wykazują nieregularne odchylenia od ścianki, to należy przymocować kleszcze górne i razem z nimi opuszczać ściankę. Następnie młotem wbijamy brusy na odpowiednią głębokość wyznaczoną w projekcie. Po wbiciu brusów należy zespawać ich zamki na odsłoniętej części min. 50-80 cm w celu zapewnienia współpracy brusów przy zginaniu. Zespawane zamki gwarantują też brak przesunięć wzajemnych między brusami.

Do wbitych brusów należy przymocować za pomocą śrub kleszcze, które zapewnią sztywność ściance i wzajemną współpracę profili. Następnie przykręcamy ściągi do brusów i kotwimy je w gruncie za pomocą żelbetowej płyty kotwiącej. Ściągi naciągamy za pomocą maszyny hydraulicznej. Należy zabezpieczyć ściągi przed korozją oraz wykonać zagęszczony zasyp od strony zakotwienia ścianki. W projekcie przewidziano pokrycie powierzchnią malarską ścianki szczelnej.

1. Wykorzystane materiały

Normy:

- PN-81/B-03020

- PN-86/H-93403

- PN-74/M-82101

- PN-88/H-84020

Skrypt do ćwiczeń:

- „Obliczanie i projektowanie ścianek szczelnych”, dr inż. Adam Krasiński

1. Wnioski i zalecenia końcowe

Całość robót wykonać zgodnie z dokumentacją, „Warunkami technicznymi wykonania i odbioru robót budowlano-montażowych” (Tom I - Budownictwo ogólne), zgodnie z normami oraz przy zachowaniu przepisów BHP i p.poż.

Przyjęcie wstępnych wymiarów i konstrukcji ścianki szczelnej

Wstępnie przyjęto długość ścianki równą 9,4m. Zagłębienie w gruncie wynosi 4m.

1. Określenie oddziaływań gruntu na ściankę szczelną

   1. Parcie gruntu

Współczynniki parcia dla poszczególnych warstw:

dla siCl:

dla saSi:

dla MSa:

Wartości jednostkowe parcia gruntu:

1. Odpór gruntu

Współczynnik odporu granicznego:

Dla ścianki pionowej i poziomego naziomu obciążonego równomiernie:

gdzie:

- współczynnik zmniejszający odpór

(bo grunt niespoisty)

Jednostkowy odpór graniczny:

Składowa pozioma odporu:

Miejsce zerowania się wykresów parcia i odporu:

e_a5 = 32,026kPa

e_p^* = e_ph6 − e_a6 = 173, 384 − 42, 778 = 130, 606kPa

$$a_{n} = \frac{e_{a5}}{e_{p}^{*} + e_{a5}} \bullet t = \frac{32,026}{130,606 + 32,026} \bullet 4 = 0,788m$$

1. Sumaryczny wykres parcia i odporu

1. Obliczenia statyczne ścianki szczelnej metodą analityczną

   1. Obliczenie siły w ściągu

Siły wypadkowe po stronie parcia:

$E_{a1} = \frac{(10,128 + 18,226) \bullet 2,5}{2} = 35,443kN$

$E_{a2} = \frac{\left( 24,007 + 30,018 \right) \bullet 0,9}{2} = 24,311kN$

$E_{a3} = \frac{\left( 30,018 + 34,007 \right) \bullet 1,3}{2} = 41,616kN$

$E_{a4} = \frac{\left( 30,144 + 32,026 \right) \bullet 0,7}{2} = 21,76kN$

$E_{a5} = \frac{32,026 \bullet 0,788}{2} = 12,618kN$

$r_{A1} = \frac{10,128 + 2 \bullet 18,226}{10,128 + 18,226} \bullet \frac{2,5}{3} - 1,25 = 0,119m$

$r_{A2} = \frac{24,007 + 2 \bullet 30,018}{24,007 + 30,018} \bullet \frac{0,9}{3} + 1,25 = 1,717m$

$r_{A3} = \frac{30,018 + 2 \bullet 34,007}{30,018 + 34,007} \bullet \frac{1,3}{3} + 2,15 = 2,813m$

$r_{A4} = \frac{30,144 + 2 \bullet 32,026}{30,144 + 32,026} \bullet \frac{0,7}{3} + 3,45 = 3,804m$

$r_{A5} = \frac{1}{3} \bullet 0,788 + 4,15 = 4,413m$

Odpór efektywny (pomniejszony o parcie):

$${e*}_{p}\left( t* \right) = \frac{130,606}{4,0 - 0,788} \bullet t' = 40,662 \bullet t'$$

Wypadkowa odporu:

E′_p(t′) = 0, 5 • 40, 662 • t′•t′=20, 331 • t′²

Zgodnie z przyjętą metodą obliczeniową ścianka została myślowo podzielona na dwie belki połączone wzajemnie przegubem w punkcie B (założenie przybliżone).

Wartość siły S w ściągu wyznaczona zostanie z równowagi momentów względem punktu B, a wartość reakcji R_B z równowagi momentów względem punktu A dla górnej belki.

ΣM_B = 0

S • 4, 938 − 35, 443 • 4, 819 − 24, 311 • 3, 221 − 41, 646 • 2, 125 − 21, 76 • 1, 134 − 12, 618 • 0, 525 = 0

S • 4, 938 = 368, 904

$\mathbf{S}\mathbf{= 74,707}\frac{\mathbf{\text{kN}}}{\mathbf{m}}$ (siła w ściągu na 1m)

Obliczeniowa wartość siły w ściągu:

$\mathbf{S}^{\mathbf{'}} = 1,2 \bullet S = 1,2 \bullet 74,707 = \mathbf{89,648}\frac{\mathbf{\text{kN}}}{\mathbf{m}}$

1. Wyznaczenie potrzebnego zagłębienia ścianki w gruncie

ΣM_A = 0

R_B • 4, 938 − 35, 443 • 0, 119 − 24, 311 • 1, 717 − 41, 646 • 2, 813 − 21, 76 • 3, 804 − 12, 618 • 4, 413 = 0

R_B • 4, 938 = 301, 568

$R_{B} = 61,071\frac{\text{kN}}{m}$

Potrzebne zagłębienie t’_c ścianki zostanie wyznaczone z równowagi momentów względem punktu C dla dolnej belki:

ΣM_C = 0

$61,071 \bullet {t'}_{c} - 20,331 \bullet {{t'}_{c}}^{2} \bullet \frac{{t'}_{c}}{3} = 0$

t′_c = 3, 002m

Zagłębienie całkowite ścianki w gruncie poniżej dna:

t_c = a_n + t′_c = 0, 788 + 3, 002 = 3, 79m

Zagłębienie ścianki przyjęte do wykonania:

t^′ = 1, 2 • t_c = 1, 2 • 3, 79 = 4, 548m

Przyjęto zagłębienie ścianki szczelnej: t^′ = 4, 6m.

1. Obliczenie maksymalnego momentu zginającego w brusach

W celu określenia wartości maksymalnego momentu zginającego w górnej belce M₁max należy znaleźć miejsce zerowania się sił tnących w tej belce: T(y1m) = 0.

T_2 − 3 = 74, 707 − 35, 443 − 34, 331 = 4, 933   > 0

T_3 − 4 = 4, 933 − 41, 616 = (−36,683)  < 0

Z powyższych nierówności można wywnioskować, że siła tnąca zeruje się w miejscu przyłożenia siły E_a3.

$$y_{1m} = \frac{\left( 30,018 + 34,007*2 \right)*1,3}{\left( 30,018 + 34,007 \right)*3} = 0,663m$$

Odległość siły E_a3 od podpory B wynosi (z wcześniejszych obliczeń):

r_B3=2,778m

Wartość maksymalnego momentu zginającego w górnej belce:

M_1max = 61, 071 • 2, 778 − 12, 618 • (2, 778 − 0, 515)−21, 76 • (2,778−1,124) = 105, 11kNm

W celu określenia wartości maksymalnego momentu zginającego w dolnej belce M₂max należy znaleźć miejsce zerowania się sił tnących w tej belce - T(y2m) = 0.

−61, 071 + 20, 331 • (y_2m)² = 0

y_2m = 1, 733m

Wartość maksymalnego momentu zginającego w dolnej belce:

$M_{2\max} = - 61,071 \bullet 1,733 + 61,071 \bullet \frac{1,733}{3} = \left( - 70,557 \right)\text{kNm}$

Spośród maksymalnych momentów M₁ i M₂ większą bezwzględną wartość uzyskał moment M_1max:

M_max = {M_1max|M_2max} = {105,11|−70,557}=105, 11kNm

Obliczeniowa wartość maksymalnego momentu:

M′_1max = 1, 2 × M_1max = 1, 2 × 105, 11=126, 132kNm

1. Zwymiarowanie elementów konstrukcyjnych ścianki szczelnej

   1. Wymiarowanie brusów

Przyjęto:

• stal StVI (f_yd = 305000kPa)

• profil PU 18-1d (W_x = 0, 00167m³)

Moment dopuszczalny:

M_r = W_x • f_yd = 0, 00167 • 305000 = 509, 35kNm

Moment maksymalny w brusach:

M_max = 126, 132kNm

Warunek:

M_max = 126, 132 < M_r = 509, 35

• Warunek spełniony

  1. Dobranie kleszczy

Przyjęto:

• stal StVI (f_yd = 305000kPa)

• kleszcze wykonane z pary ceowników walcowanych

• profile C200 (W_x = 0, 000191m³)

• rozstaw ściągów co dwa progile PU 18-1d (r_s = 2 • 1, 2 = 2, 4m)

Obliczeniowa siła w ściągu z 1mb ścianki

$S^{'} = 89,648\frac{\text{kN}}{m}$

Dopuszczalny moment zginający w kleszczach:

M_r = W_x • f_yd = 0, 000191 • 305000 = 58.255kNm

Dopuszczalny moment zginający w dwóch ceownikach:

M′_r = 2 • M_r = 2 • 58, 255 = 116, 51kNm

Maksymalny moment zginający w kleszczach:

M_max = 0, 1 • S^′ • r_s² = 0, 1 • 89, 648 • 2, 4² = 51, 637kNm

Warunek:

M_max = 51, 637 < M′_r = 116, 51

• Warunek spełniony

  1. Dobranie ściągów

Przyjęto:

• stal StVI (f_yd = 305000kPa)

• ściągi wykonane z prętów okrągłych gwintowanych na końcach

Dopuszczalna siła w ściągu na rozciąganie:

N_r = A • f_yd

$A = \frac{\pi \bullet \varnothing^{2}}{4}$

$N_{r} = \frac{\pi \bullet \varnothing^{2}}{4} \bullet f_{\text{yd}} = \frac{\pi \bullet \varnothing^{2}}{4} \bullet 305000 = 239425 \bullet \varnothing^{2}$

Obliczeniowa siła na pojedynczy ściąg:

S^′ = 2, 4 • 89, 648 = 215, 155kN

Warunek:

N_r > S^′

239425 • ⌀² > 215, 155

⌀ > 0, 03m

Przyjęto pręt o średnicy ⌀=32mm z gwintem M32.

1. Dobranie śrub

Przyjęto:

• śruby klasy 6.8 (R_m = 600MPa ;  R_e = 480MPa)

Obliczeniowa siła na pojedynczą śrubę:

S_s1^( r) = 2, 4 • 89, 648 = 215, 155kN

Potrzebny przekrój netto śruby:

$$A_{s} > \max\left\{ \frac{\frac{S_{s1}^{(\ r)}}{0,65 \bullet R_{m}} = \frac{215,155}{0,65 \bullet 600000} = 0,0005517m^{2}}{\frac{S_{s1}^{(\ r)}}{0,85 \bullet R_{e}} = \frac{215,155}{0,85 \bullet 480000} = 0,0005227m^{2}} \right.\ $$

A_smax = 0, 0005517m²

Przyjmujemy dwie śruby o mniejszym przekroju:

$$A_{s1} > \frac{A_{s}\max}{2}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\frac{0,0005517}{2} = 0,0002759m^{2} = \mathbf{2,76}\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{2}}$$

Przyjęto dwie śruby M22 o A_s1 = 2,96cm².

1. Zaprojektowanie i obliczenie nośności zakotwienia ściągów ścianki szczelnej

Przyjęte wymiary płyty kotwiącej:

• h = 1, 6m

• H = 2, 0m

• h₁ = 2, 0 − 1, 6 = 0, 4m

• B = 1, 4m (szerokość)

• a = 2, 4m (rozstaw ściągów)

Wartości jednostkowe parcia gruntu na płytę:

Współczynnik odporu granicznego:

Wartości odporu gruntu:

Wypadkowe parcia i odporu gruntu:

$E_{a} = \frac{(13,42 + 26,586) \bullet 1,6}{2} = 32,005kN$

$E_{p} = \frac{(9,448 + 47,242) \bullet 1,6}{2} = 45,352\text{kN}$

Wyznaczenie stref oddziaływania odporu:

$\frac{H}{h} = \frac{2,0}{1,6} = 1,25$

$\beta = f\left( \frac{H}{h} \right) = f\left( 1,25 \right) = 2,15$ (odczytane z tabeli)

b_z = β • b = 2, 15 • 1, 4 = 3, 01m

a = 2,4m (rozstaw ściągów)

Jeżeli b_z > a, to przyjmujemy b_z = a = 2,4m.

Wartości wypadkowych parcia i odporu w przeliczeniu na szerokość płyty:

E′_a = B • E_a = 1, 4 • 32, 005 = 44, 807kN

E′_p = a • E_p = 2, 4 • 45, 352 = 108, 845kN

Wartość dopuszczalnej siły w ściągu:

S_max = 0, 8 • E′_p − 1, 2 • E^′_a = 0, 8 • 108, 845 − 1, 2 • 44, 807 = 33, 308kN

Siła w ściągu obliczona na rozstaw 2,4m:

S^′ = 2, 4 • 89, 648 = 215, 155kN

Warunek:

S^′ = 215, 155 < S_max = 33, 308

Warunek nie został spełniony.

Jako że nie został spełniony warunek nośności zakotwienia ściągów, wymieniony zostaje grunt w warstwie I na pospółkę. Przyjęte wymiary płyty kotwiącej nie zmieniają się.

Pospółka:

• ⌀ = 37

• γ = 20, 1kN/m³

• c = 0

Wartości jednostkowe parcia gruntu na płytę:

Wartości odporu gruntu:

Wypadkowe parcia i odporu gruntu:

$E_{a} = \frac{(5,987 + 13,999) \bullet 1,6}{2} = 15,989kN$

$E_{p} = \frac{(56,914 + 284,573) \bullet 1,6}{2} = 273,19\text{kN}$

Wartości wypadkowych parcia i odporu w przeliczeniu na szerokość płyty:

E′_a = B • E_a = 1, 4 • 15, 989 = 22, 384kN

E′_p = a • E_p = 2, 4 • 273, 19 = 655, 655kN

Wartość dopuszczalnej siły w ściągu:

S_max = 0, 8 • E′_p − 1, 2 × E^′_a = 0, 8 • 655, 655 − 1, 2 • 22, 384 = 497, 663kN

Warunek:

S^′ = 215, 155 < S_max = 497, 663

• Warunek spełniony.

Do zakotwienia ścianki szczelnej należy wykorzystać płytę żelbetową o wymiarach 1,6x1,4x0,2m.

1. Obliczenia stateczności ścianki metodą Kranza

Wartości sił od obciążenia naziomu i ciężar gruntu:

Dane:

• p = 16kN/m²

• c = 15kPa

• ν = 68 ̊

• K_a1 = 0,633

$G_{1} = 16 \bullet 1,09 + \frac{(2,0 + 2,5) \bullet 1,09}{2} \bullet 20,2 = 66,981\frac{\text{kN}}{m}$

$G_{2} = 16 \bullet 5,33 + 2,5 \bullet 5,33 \bullet 20,2 + \frac{(3,15 + 5,33) \bullet 0,9}{2} \bullet 18,5 + 0,5 \bullet 3,15 \bullet 1,3 \bullet 8,5 = 442,445\frac{\text{kN}}{m}$

$G_{3} = 16 \bullet 3,58 + 2,5 \bullet 3,58 \bullet 20,2 + 0,9 \bullet 3,58 \bullet 18,5 + 1,3 \bullet 3,58 \bullet 8,5 + 0,5 \bullet 1,478 \bullet 3,58 \bullet 8,4 = 359,459\frac{\text{kN}}{m}$

$C_{1} = \frac{1,09}{\sin(68)} \bullet 15 = 17,634\frac{\text{kN}}{m}$

Wartości jednostkowe parcia gruntu na płytę:

e_a1 = 16 • 0, 633 = 10, 128kPa

e_a2 = 10, 128 + (2,0•20,2•0,633) = 35, 701kPa

Wypadkowa parcia gruntu:

$$E_{a1} = \frac{(10,128 + 35,701) \bullet 2,0}{2} = 45,829kN$$

$$\sum_{}^{}{E_{a} = 35,443 + 24,311 + 41,616 + 21,76 + 12,618 = 135,748kN}$$

E_a – zebrane parcie od gruntu od góry do punktu F (bez uwzględnienia odporu)

Warunek

S^′ < 0, 8 • S_dop

89, 648 < 0, 8 • 117, 136

89, 648 < 93, 709

• Warunek jest spełniony, stateczność ogólna jest zachowana.

Wartość siły S_dop została wyznaczona w programie AutoCad 2014.

Przyjęto, że płyta kotwiąca zostanie umieszczona w odległości 10m od wewnętrznej krawędzi ścianki.

Oświadczenie projektanta

Oświadczam, że Projekt ścianki szczelnej zlecony przez Katedrę Geotechniki Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej w ramach przedmiotu Fundamentowanie został wykonany samodzielnie przeze mnie i jestem jego jedynym autorem.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

podpis projektanta