Politechnika Gdańska Rok akademicki 2007/2008

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego

PROJEKT ŚCIANKI SZCZELNEJ JEDNOKROTNIE ZAKOTWIONEJ.

Temat: Nr 17

Wykonał: Dariusz Podjacki

WILiŚ, KBI grupa 3, sem. V

Sprawdził: dr inż. Rafał Michalak

SPIS TREŚCI

1.0. Opis techniczny. str.3

1.1 Podstawa opracowania. str.3

1.2. Przedmiot i zakres opracowania. str.3

1.3. Wykorzystane materiały. str.3

1.4. Lokalizacja obiektu. str.3

1.5. Warunki gruntowe. str.3

1.6. Stan istniejący. str.4

1.7. Opis konstrukcji. str.4

1.8. Uwagi końcowe. str.4

2.0. Obliczenia statyczne.. str.5

2.1. Określenie parametrów geotechnicznych wg PN-81/B-03020. str.5

2.1.1. Wartości charakterystyczne, określone na podstawie tablicy nr 1, tablicy nr 2 oraz nomogramów wg PN-81/B-03020. str.5

2.1.2. Wartości charakterystyczne ciężarów objętościowych gruntu dla poszczególnych warstw (γ) oraz wartości charakterystyczne ciężarów objętościowych gruntu z uwzględnieniem wyporu wody (γ'). str.6

2.2. Zebranie obciążeń wg PN-83/B-03010. str.7

2.2.1.Parcie. str.7

2.2.2.Odpór. str.8

2.2.3.Parcie wody. str.9

3.0. Obliczanie statyczne ścianki jednokrotnie zakotwionej metodą graficzną Bluma. str.9

4.0. Obliczenia wytrzymałościowe. str.18

4.1. Dobór profilu. str.19

4.2. Dobór kleszczy. str.19

4.3. Dobór ściągu. str.19

4.4. Dobór śruby rzymskiej. str.19

4.5. Dobór śrub. str.20

5.0. Dobór zakotwienia - zakotwienie iniekcyjne. str.20

6.0 Sprawdzenie stateczności ogólnej uskoku ze ścianką szczelną metodą Kranza. str.22

6.1. Określenie sił parcia (wykorzystano wykresy z metody Bluma). str.22

6.2. Wyznaczenie wartości sił G₁, G₂ i G₃. str.22

6.3. Konstrukcja wieloboku sił. str.23

7.0. Rysunki konstrukcyjne.

Oświadczam, że niniejszy projekt w całości: część tekstową, obliczenia i rysunki wykonałem samodzielnie.

........................................................... data podpis

1.0. Opis techniczny.

1.1. Podstawa opracowania.

Podstawa opracowania jest temat projektu nr 17, wydany przez Katedrę Geotechniki Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej, dnia 14.12.2007r.

Przewidziane jest zaprojektowanie ścianki szczelnej jednokrotnie zakotwionej podtrzymującą naziom o wysokości H = 9.70 m.

1.2. Przedmiot i zakres opracowania.

Celem opracowania jest poznanie i nauczenie się zasad obowiązujących przy projektowaniu ściany szczelnej. Jest to projekt geotechniczny, którego zakres obejmuje obliczenia statyczne metodą graficzną Bluma, obliczenia statyczno - wytrzymałościowe wraz z zwymiarowaniem elementów ścianki oraz część rysunkową.

1.3. Wykorzystane materiały.

• Wytyczne do projektu zadane przez Katedrę Geotechniki PG.

• Materiały pomocnicze znajdujące się na stronie domowej dr. inż. T. Brzozowskiego

• Normy:

• PN-81/B-03020 „Grunty budowlane - Posadowienie bezpośrednie budowli - Obliczenia statyczne i projektowanie.”

• PN-83/B-03010 „Ściany oporowe - Obliczenia statyczne i projektowanie.”

1.4. Lokalizacja obiektu.

Teren Budowy znajduje się w Grudziądzu na terenie niezabudowanym przy ul. Łęgi. Obiekt zaprojektowany jest tak, by utrzymać uskok naziomu w przyszłości obciążony jezdnią asfaltową.

1.5. Warunki gruntowe.

Na podstawie otrzymanych danych geotechnicznych stwierdzono, że budowa podłoża jest zróżnicowana. Pierwszy poziom wody gruntowej znajduje się w warstwie II piasku średniego o I_D = 0,51 na głębokości 7,40 mppt, drugi zaś w warstwie IV piasku średniego o I_D = 0,61 na głębokości 12,0 mppt.

W podłożu wydzielono następujące warstwy geotechniczne:

Warstwa I

Zgrupowano w niej zalegające od powierzchni grunty rodzime, reprezentowane przez piaski średnie. Miąższość gruntu oscyluje do głębokości 3,80 mppt. Jest to grunt występujący w stanie średnio zagęszczonym - charakterystyczną wartość stopnia zagęszczenia określono w wysokości I_D = 0,38.

Warstwa II

Znalazły się w niej piaski średnie. Miąższość gruntów oscyluje w przedziale 3,80÷9,70 mppt. Są to grunty wilgotne powyżej zwierciadła wody gruntowej i mokre poniżej zwierciadła wody gruntowej, występujące w stanie średnio zagęszczonym. Charakterystyczną wartość stopnia zagęszczenia ustalono dla nich w wysokości I_D = 0,51.

Warstwa III

Reprezentowana jest głównie przez rodzime gliny pylaste, usytuowane na głębokości od 9,70 ÷11,50 mppt. Są to grunty twardoplastyczne charakteryzujące się stopniem plastyczności w wysokości I_L = 0,07.

Warstwa IV

Włączono do niej występujące poniżej gliny pylastej grunty rodzime, wykształcone głównie w postaci piasku średniego. Pomiar występowania gruntu został wykonany do głębokości 20,0 mppt. Ustalono charakterystyczne wartości: stopienia zagęszczenia I_D = 0,61 oraz określono stan gruntu głównie jako mokry.

1.6. Stan istniejący.

Na w/w terenie nie występuje teren zabudowany.

1.7. Opis konstrukcji.

Zaprojektowano ściankę szczelną, podtrzymującą naziom o wysokości 9,70 m. Zaprojektowano zagłębienie ścianki na głębokość 5,30 m, a jej całkowita wysokość wynosi 15,0 m. Obciążenie od naziomu to siła o wartości 19,0 kPa.

Wbijanie ścianki zaczyna się od narożnika. Narożny brus wbija się bardzo starannie na taką głębokość, aby należycie był umocowany w gruncie. Następnie tuż przy nim na ziemi układa się prowadnice drewniane długości 3 - 5 m o takim rozstawie, aby między nimi można było wstawić brusy ścianki. Brusy ścianki wbija się parami, przy czym łączenie na zamki należy wykonać wcześniej na placu budowy. Parę złączonych brusów przewozi się pod kafar i podnosi jako całość. Kafar wbija brusy zawsze za pośrednictwem specjalnego kołpaka nałożonego na głowicach złączonych brusów. Kołpak zakłada się na zamek brusa narożnikowego i wbija w grunt na głębokość 2 - 4 m Kolejno wbija się następne pary na odcinku objętym prowadnicami. Najlepiej wykorzystać do tego celu dwa kafary, jeden wbijający brusy na 2 - 4 m, drugi w odstępie 4 - 5 m za pierwszym wbija brusy już na właściwą głębokość. Po wbiciu ostatniego brusa należy wykonać buławy i wyprowadzić ściągi do zamocowania - zastosowano kleszcze z ceowników C260 na głębokości 1,5m. Do zamocowania stosuje się śruby M36 w odstępach 1,0 m., natomiast w odstępach 2.0 m mocuje się ściągi śrubami M56.

Należy wykazać szczególną ostrożność przy wbijaniu brusów. Po wbiciu brusów na projektowaną głębokość wskazane jest zespawać zamki u góry na dostępnej, odsłoniętej długości, w celu zapewnienia współpracy brusów przy zginaniu.

1.8. Uwagi końcowe.

Wszelkie prace należy wykonywać zgodnie z ogólnie rozumianą sztuką budowlaną. Jakiekolwiek zmiany w projekcie są dopuszczalne tylko i wyłącznie po konsultacji z projektantem i inspektorem oraz po sporządzeniu odpowiedniego protokółu.

2.0. Obliczenia statyczne.

Wysokość ścianki powyżej poziomu niższego naziomu: H = 9,70 [m]

Obciążenia naziomu: q = 19,00 [kN/m²]

Odległość wody gruntowej powyżej poziomu niższego naziomu: a = 0,23 [m]

Odległość wody gruntowej poniżej poziomu niższego naziomu: d = 0,23 [m]

Miąższość warstwy I - piasek średni : h₁ = 3,80 [m]

Miąższość warstwy II - piasek średni : h₂ = 5,90 [m]

Miąższość warstwy III - glina pylasta : h₃ = 1,80 [m]

Wstępne zagłębienie: t = 0,6
H = 0,6
9,70 = 5,82
przyjęto: t = 5,80 [m]

Położenie ściągu od poziomu wyższego naziomu, przyjęto: h_s = 1,50 [m]

2.1. Określenie parametrów geotechnicznych wg PN-81/B-03020.

Jako ciężar właściwy wody przyjęto γ_w=10,0 [kN/m³].

Dla gliny pylastej przyjęto genezę C.

2.1.1. Wartości charakterystyczne, określone na podstawie tablicy nr 1, tablicy nr 2 oraz nomogramów wg PN-81/B-03020.

Warstwy	Gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρs [g/cm^3]	Gęstość objętościowa gruntu ρ [g/cm^3]	Wilgotność naturalna wn [%]	Spójność gruntu Cu^(n) [kPa]	Kąt tarcia wew. gruntu Фu^(n) [˚]
Piasek średni PS (mało wilgotny)	2,65	1,70	5	-	32,20
Piasek średni PS (wilgotny)	2,65	1,85	14	-	33,10
Piasek średni PS (mokry))	2,65	2,00	22	-	33,10
Glina pylasta GΠ (twardo plastyczna)	2,68	2,10	20	23	22,00
Piasek średni PS (wilgotny)	2,65	1,85	14	-	33,90
Piasek średni PS (mokry)	2,65	2,00	22	-	33,90

2.1.2. Wartości charakterystyczne ciężarów objętościowych gruntu dla poszczególnych warstw (γ) oraz wartości charakterystyczne ciężarów objętościowych gruntu z uwzględnieniem wyporu wody (γ').

Piasek średni (mało wilgotny)

γ = ρ
g=1,70
9,81= 16,677 [kN/m³]

Piasek średni (wilgotny)

γ = ρ
g=1,85
9,81= 18,149 [kN/m³]

Piasek średni (mokry)

γ = ρ
g=2,00
9,81= 19,620 [kN/m³]

γ_s = ρ_s
g=2,65
9,81=25,997 [kN/m³]

γ_d = γ/(1+w)= 19,62/(1+0,22)= 16,082 [kN/m³]

n=( γ_s- γ_d)/ γ_s =(25,997-16,082)/25,997= 0,381[-]

γ'=(1-n)
( γ_s- γ_w)=(1-0,381)
(25,997-10,00)=9,896 [kN/m³]

Glina pylasta (twardo plastyczna)

γ = ρ
g=2,10
9,81= 20,601 [kN/m³]

γ'= γ - γ_w = 20,601 -10,00 =10,601 [kN/m³]

Piasek średni (wilgotny)

γ = ρ
g=1,85
9,81= 18,149 [kN/m³]

Piasek średni (mokry)

γ = ρ
g=2,00
9,81= 19,620 [kN/m³]

γ_s = ρ_s
g=2,65
9,81=25,997 [kN/m³]

γ_d = γ/(1+w)= 19,62/(1+0,22)= 16,082 [kN/m³]

n=( γ_s- γ_d)/ γ_s =(25,997-16,082)/25,997= 0,381[-]

γ'=(1-n)
( γ_s- γ_w)=(1-0,381)
(25,997-10,00)=9,896 [kN/m³]

Zestawienie parametrów geotechnicznych dla poszczególnych warstw podłoża

Warstwa Gruntu	Wartości charakterystyczne
		IL^(n) [-]	ID^(n^) [-]	Wn^(n) [%]	γ^(n) [kN/m^3]	γ'^(n) [kN/m^3]	Фu^(n) [˚]	cu^(n) [kPa]
PS (mało wilgotny)	-	0,380	5,000	16,677	-	32,200	-
PS (wilgotny)	-	0,510	14,000	18,149	-	33,100	-
PS (mokry)	-	0,510	22,000	19,620	9,896	33,100	-
GΠ (twardo plastyczna)	0,070	-	20,000	20,601	10,601	22,000	23,000
PS (wilgotny)	-	0,610	14,000	18,149	-	33,900	-
PS (mokry)	-	0,610	22,000	19,620	9,896	33,900	-

2.2. Zebranie obciążeń wg PN-83/B-03010.

2.2.1.Parcie.

ε = 0º, δ_a = 0º, β=0º

ε - kąt nachylenia naziomu do poziomu

δ_a - kąt tarcia gruntu o ścianę (dla parcia)

β - kąt nachylenia ściany do pionu

Współczynniki parcia granicznego:

Dla warstwy I - piasku średniego (I_D = 0,38):

K_a1
0,305

Dla warstwy II - piasku średniego (I_D = 0,51):

K_a2
0,294

Dla warstwy III - gliny pylastej:

K_a3
0,455

Dla warstwy IV - piasku średniego (I_D = 0,61):

K_a4
0,284

Wartości jednostkowe parcia gruntu: e_ai=

Dla warstwy I - piasku średniego (I_D = 0,38):

e_a1=
5,790 [kPa]

e_a2=
13,413 [kPa]

e_a3^g=
25,102 [kPa]

Dla warstwy II - piasku średniego (I_D = 0,51):

e_a3^d=
24,183 [kPa]

e_a4=
43,363 [kPa]

e_a5^g=
50,045 [kPa]

Dla warstwy III - gliny pylastej:

e_a5^d=
46,529 [kPa]

e_a6^g=

e_a6^g=55,210 [kPa]

Dla warstwy IV - piasku średniego (I_D = 0,61):

e_a6^d=
53,814 [kPa]

e_a7=

e_a7=55,219 [kPa]

e_a8=

e_a8=65,052 [kPa]

2.2.2.Odpór.

ε = 0º, δ_p ≠ 0º, β=0º, q=0 kPa

ε - kąt nachylenia naziomu do poziomu

δ_p - kąt tarcia gruntu o ścianę (dla odporu)

β - kąt nachylenia ściany do pionu

Współczynniki odporu gruntu:

Dla warstwy III - gliny pylastej (grunt spoisty
δ_p = -Ф; η =0,70):

K_p3
4,193

K_p3' = η
K_p3 = 0,70
4,193 = 2,935

Dla warstwy IV - piasku średniego (grunty mokre
δ_p = -Ф/2; η =0,85):

K_p4
6,712

K_p4' = η
K_p4 = 0,85
6,712 = 5,705

Wartości jednostkowe oporu:

e_pi=

gdzie

Dla warstwy III - gliny pylastej:

e_p5=
36,536 [kPa]

e_p6^g=
137,456 [kPa]

Dla warstwy IV - piasku średniego (I_D = 0,61):

e_p6^d=
202,376 [kPa]

e_p7=
251,899 [kPa]

e_p8=
440,923 [kPa]

2.2.3.Parcie wody.

Maksymalna wartość parcia wody (przyjęto dla uproszczenia brak przepływu wody pod ścianką):

e_w=
, gdzie
-odległość pomiędzy zwierciadłami wód gruntowych

e_w=
46,00 [kPa]

Wartości parcia wody (przyjęto dla uproszczenia brak przepływu wody pod ścianką):

e_wi=

e_w4=
0 [kPa]

e_w5=
23,00 [kPa]

e_w6=
41,00 [kPa]

e_w7=
46,00 [kPa]

e_w8=e_w7=46,00 [kPa]

3.0. Obliczanie statyczne ścianki jednokrotnie zakotwionej metodą graficzną Bluma.

Wykresy parcia i odporu podzielono na warstwy o module 0.50 [m].

Pomiarów pól powierzchni dokonano za pomocą programu AutoCad.

Wyznaczenie głębokości an zerowania się wykresów parć i odporu gruntu:

a₀ =
0,8 [m]

Wartości otrzymane z metody Bluma:

Siła charakterystyczna w ściągu: S⁽ⁿ⁾ = 137,245 [kN/mb]

H₀ = 280,00 [kN/mb]

H = 1800,00 [kNm²/mb]

27,89 [kNm]

0,100 [m]

η_max = 1,312 [m]

Zagłębienie ścianki: t = 4,756 [m]

Dla bezpieczenstwa zwiększono zagłębienie o 10%

t' = t
1,10 = 5,232 [m]
przyjęto t = 5,30 [m]

4.0. Obliczenia wytrzymałościowe.

Przyjęto współczynnik bezpieczeństwa γ_f = 1,35

Maksymalny moment zginający (charakterystyczny):

M_max⁽ⁿ⁾ = η_max
H₀ = 1,312
280,00 = 367,36 [kNm/mb]

Maksymalny moment zginajacy (obliczeniowy):

M_max^(r) = γ_f
M_max⁽ⁿ⁾ = 1,35
367,36 = 495,936 [kNm/mb]

Siła obliczeniowa w ściągu:

S^(r) = γ_f
S⁽ⁿ⁾ = 1,35
137,245 = 185,281 [kN/mb]

Odległość między dwoma kolejnymi ściągami, przyjęto: L=4b=4
0,50 = 2,00 [m]

Siła pozioma przypadająca na 1 ściąg:

S'^(r) = S^(r)
L = 185,281
2,00 = 370,562 [kN/mb]

Rzeczywista siła obliczeniowa działająca w ściągu po przyjęciu pochylenia buławy pod kątem 10˚

Sr'^(r)
376,279 [kN/mb]

4.1. Dobór profilu.

Przyjęto profil typu „U”, wykonany ze stali klasy S240 GP, gdzie f_d =240 [MPa]

2066,40 [cm³/mb]

Dla bezpieczeństwa zwiększono W o 10%
W' = 1,1
2066,40 = 2273,04 [cm³/mb]

Zatem przyjęto profil L4S, firmy PROFILARBED S.A.,

gdzie W=2500 [cm³/mb], szerokości 500mm, I=55,010 [cm⁴].

4.2. Dobór kleszczy.

Przyjęto ceownik wykonany ze stali St3S, gdzie f_d =205 [MPa]

M_max = 0,1
S_r'^(r)
L² = 0,1
376,279
2,00² = 150,512 [kNm/mb]

734,205 [cm³/mb]

W_X'
367,103 [cm³/mb]

Zatem przyjęto ceownik normalny C 260 wykonany ze stali klasy St3S,

zgodny z PN-86/H-93403, gdzie W_X=371 [cm³],

4.3. Dobór ściągu.

Przyjęto ściąg wykonany ze stali klasy St3S, gdzie f_d =205 [MPa]

, gdzie F - pole przekroju rdzenia śruby

0,04834[m] = 48,34[mm]

Zatem przyjęto ściąg o średnicy d = 56 [mm] - M56 dla śruby z łbem sześciokątnym wg

PN-74/M-82101 i PN-75/M-82144.

4.4. Dobór śruby rzymskiej.

S_r'^(r) = 376,279 [kN/mb] < 390,0 [kN].

Warunek jest spełniony dla śruby rzymskiej, dla której wartość obliczeniowa wynosi

390,0 [kN]. Ze względu na większą średnice ściągu przyjęto parametry śruby rzymskiej, dla której wartość siły obliczeniowej w ściągu wynosi 475,0 [kN].

W rysunkach konstrukcyjnych pominięto jednak śrubę rzymska, ze względu na technologię wykonania zakotwienia inekcyjnego.

4.5. Dobór śrub.

Rozstaw osiowy między dwoma śrubami: l₁=2
b = 2
0,5=1,00 [m]

Siła rozciągająca w śrubie: S_S^(r) = S_r'^(r)

= 376,279

=188,140 [kN/mb]

Przyjęto śrubę klasy 5.6, dla której wg PN-90/B-03200, (tabela Z2-2):

wytrzymałość na rozciąganie:

granica plastyczności materiału:
.

As - pole przekroju śruby

S_S^(r) ≤ 0,65
R_m
A_S
A_S ≥
5,772 [cm²]

S_S^(r) ≤ 0,85
R_e
A_S
A_S ≥
7,357 [cm²]

Zatem przyjęto śruby M36 klasy 5.6 o przekroju czynnym rdzenia . A_S = 8,17 [cm²].

5.0. Dobór zakotwienia - zakotwienie iniekcyjne.

Przyjęcie długości zakotwienia:

Dla warstwy I - piasku średniego (I_D = 0,38):

61,10°

Dla warstwy II - piasku średniego (I_D = 0,51):

61,55°

Dla warstwy III - gliny pylastej:

56°

Dla warstwy IV - piasku średniego (I_D = 0,61):

61,95°

Zatem przyjęto:

średnicę buławy D=30cm

długość buławy: L_r = 5,00 [m]

długość ściągu odczytana: L₀ = 15,05 [m]
L₀' = 15,10 [m] (od osi profilu do czoła buławy)

całkowita długość ściągu wynosi: L=15,10+0,67=15,77 [m]

Nośność zakotwienia.

gdzie: C_gr - nośność czoła kotwi

T_gr - opór graniczny tarcia wzdłuż pobocznicy

gdzie:

Ciężar objętościowy gruntu w miejscu zakotwienia buławy: γ = 18,149 [kN/m³]

Ф = 33,10°

zagłębienie czoła buławy: z_C = 4,21 [m]

54,326 [kN]

gdzie:

zagłębienie środka buławy z = 4,659 [m]

kąt tarcia gruntu o buławę(przyjęto powierzchnię gładką):

33,10°

18,149 [kN/m³]

620,117 [kN]

674,443 [kN]

Warunek nośności:

S_r'^(r)=375,181 ≤ m
K_gr = 0,9
674,443= 606,999 [kN/mb]

gdzie: m=0.9 - współczynnik bezpieczeństwa

warunek jest spełniony

6.0 Sprawdzenie stateczności ogólnej uskoku ze ścianką szczelną metodą Kranza.

6.1. Określenie sił parcia (wykorzystano wykresy z metody Bluma).

E_a = 327,343 [kN/mb]

Siła charakterystyczna w ściągu: S⁽ⁿ⁾ = 137,245 [kN/mb]

E_a1 = 81,434 [kN/mb]

190,098 [kN/mb]

Zatem po odczytaniu z wykresu parcia - odporu wartości 190,098 [kN/mb] otrzymujemy

x =3,087 [m].

6.2. Wyznaczenie wartości sił G₁, G₂ i G₃.

g₁=2,742
(3,80
16,677+3,60
18,149+2,30
9,896+1,8
10,601+1,287
9,896)

g₁=502,575 [kN/mb]

P₁=2,742
19=52,098 [kN/mb]

G₁ =g₁+P₁= 502,575+52,098=554,673 [kN/mb]

g₂=3,834
(3,80
16,677+3,60
18,149+2,30
9,896+0,5
1,80
10,601)=617,315 [kN/mb]

P₂=3,834
19=72,846 [kN/mb]

G₂ = g₂+P₂=617,315+72,846=690,161 [kN/mb]

g₃=4,90
(3,80
16,677+3,60
18,149+0,5
2,30
9,896)=686,438 [kN/mb]

P₃=4,90
19=93,10 [kN/mb]

G₃ = g₃+P₃=686,438+93,10=779,538 [kN/mb]

g₄=5,839
(3,80
16,677+0,859
18,149+0,5
2,741
18,149)=606,297 [kN/mb]

P₄=5,839
19=110,941 [kN/mb]

G₄ = g₄+P₄=606,297+110,941=717,238 [kN/mb]

6.3. Konstrukcja wieloboku sił.

Obliczenie wartości sił spójności C.

L=4,236 [m]

C=C_u
L=23,00
4,236=97,428 [kN/mb]

Określenie kierunków działania sił:

E_a1 -grunt suchy i niespoisty
21,47°

Z metody graficznego wieloboku sił uzyskujemy wynik:

S_max = 603,190 [kN/mb]

Rzeczywista siła charakterystyczna działająca w ściągu po przyjęciu pochylenia buławy pod kątem 10˚: S₀'⁽ⁿ⁾
278,725 [kN/mb]

Sprawdzenie warunku stateczności:

S₀'⁽ⁿ⁾=278,725 ≤ 0,8
S_max = 0,8
603,190 = 482,552 [kN/mb]

warunek jest spełniony

18

---