Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Σερρών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών Τµήµα Πολιτικών οµικών Έργων Ε ΑΦΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Τοίχοι Αντιστήριξης ιδάσκων: Κίρτας Εµµανουήλ Σέρρες, Σεπτέµβριος 010 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7. Το ίδιο βάρος του εδάφους έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη κατακόρυφωνγεωστατικώντάσεωνσ v οιοποίεςαυξάνονταιµετοβάθος. Αν αφαιρεθεί η επιρροή της πίεσης του νερού των πόρων u w, η ενεργός κατακόρυφητάσησυµβολίζεταικατάταγνωστάωςσ v Η οριζόντιαγεωστατική ενεργόςτάσηµπορεί να υπολογιστεί από τηνσ v καιένανσυνεντελεστήκκαισυµβολίζεταιωςσ h Η συνισταµένη των οριζόντιων εδαφικών τάσεων ονοµάζεται εδαφική ώθηση και έχει µεγάλο ενδιαφέρον στην µελέτη έργων αντιστήριξης (συγκράτησης εδαφικών πρανών ή µαζών). Η τιµή των πλευρικών ωθήσεων δεν είναι σταθερή αλλά µεταβάλλεται µεταξύ µιας µέγιστης και µιας ελάχιστης τιµής, ανάλογα µε την σχετική µετακίνηση του έργου αντιστήριξης

2 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.3 ιακρίνονται τρεις περιπτώσεις ανάπτυξης ωθήσεων Ενεργητική κατάσταση Κατάσταση ηρεµίας =0 Παθητική κατάσταση P o ολίσθηση µηδενική µετακίνηση h,ο ολίσθηση Ωθήσειςηρεµίας P o Ενεργητικέςωθήσεις (ελάχιστη τιµή πλευρικών τάσεων εδάφους) ανατροπή Παθητικέςωθήσεις (µέγιστη τιµή πλευρικών τάσεων εδάφους) στροφή Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.4 Υπολογισµός ωθήσεων σε κατάσταση ηρεµίας Ο προσδιορισµός των εδαφικών ωθήσεων σε κατάσταση ηρεµίας (µηδενική µετακίνηση εδάφους-τοίχου) γίνεται ως εξής: Κατάσταση ηρεµίας 1) Υπολογίζονται οι κατακόρυφες ενεργές =0 τάσειςστοέδαφοςσ v ) Προσδιορίζεται ο συντελεστής ωθήσεωνσεηρεµία o 3) Υπολογίζονται οι οριζόντιες εδαφικές τάσειςστοέδαφοςσ hαπότησχέση: o v = 1 v = h o v P o µηδενική µετακίνηση για ισότροπο γραµµικά ελαστικό έδαφος (συνήθως δεν ισχύει) h,ο o = 1 sinφ για κανονικά στερεοποιηµένες άµµους-αργίλους (Jaky, 1944) o ( ) 0.5 = 1 sinφ OCR για υπερστερεοποιηµένα εδάφη (EC7, έδαφος δίχως κλίση) 4)Ησυνισταµένητωνοριζόντιωνεδαφικώντάσεωνδίνειτηνώθησηηρεµίας P o

3 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.5 Υπολογισµός ωθήσεων σε κατάσταση ηρεµίας Σε περίπτωση που υπάρχει υπόγειος υδάτινος ορίζοντας, πέραν της ώθησης του εδάφους στον τοίχο ασκείται και η υδροστατική πίεση, σύµφωνα µε το σχήµα: =0 Κατάσταση ηρεµίας (µηδενική µετακίνηση τοίχου-εδάφους) P o,1 z z w P o, P o,3 P w = h,ο o v,o = σ u u = γ z w w w w σ = γ z Οι ωθήσεις από τριγωνική κατανοµή τάσεων ασκούνται στο 1/3 του ύψους του τριγώνου Συνολικήώθηση P = P o,1 + P o, + P o,3 + P w Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.6 Υπολογισµός ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων Ο προσδιορισµός των εδαφικών ωθήσεων σε κατάσταση αστοχίας (ενεργητικών ή παθητικών) δεν είναι εύκολη διαδικασία καθώς εµπλέκεται σηµαντικός αριθµός παραµέτρων όπως: - Η ύπαρξη τριβής µεταξύ τοίχου-εδάφους - Η ύπαρξη κλίσης στην επιφάνειας του εδαφικού πρανούς - Η πολυπλοκότητα της κατανοµής των τάσεωνστοέδαφοςπίσωαπότοντοίχο - Η πραγµατική επιφάνεια αστοχίας στο έδαφος δεν είναι ευθεία αλλά καµπύλη, και δεν είναι πάντα απλός ο προσδιορισµός της επιφάνεια αστοχίας Στη συνέχεια του Κεφαλαίου θα παρουσιαστεί ο προσδιορισµός των εδαφικών ωθήσεων µε τη µέθοδο του Rankine (1857) που θεωρεί λεία επιφάνεια τοίχου και µηδενική κλίση του εδαφικού πρανούς που αντιστηρίζεται.

4 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.7 Υπολογισµός ενεργητικών ωθήσεων Ο προσδιορισµός των ενεργητικών εδαφικών ωθήσεων κατά Rankine συµβαίνει τη στιγµήπουοτοίχοςκινείταιπροςτηνεκσκαφήκαιτοέδαφοςπίσωαπότοντοίχο αστοχεί, άρα αναπτύσσεται η ελάχιστη οριζόντια τάση. Αµµώδη εδάφη (c=0): φ Συντελεστής α = tan 45 ενεργητικών ωθήσεων = P α α v,o 1 = H Υπολογίζεται ανάλογα µε τη µορφήτωνσ hκάθεφορά Η Άµµος Αργιλικά εδάφη (c 0): c α φ = α tan 45 = c P α v,o α 1 = H z ( ) α o Συντελεστής ενεργητικών ωθήσεων Υπολογίζεται ανάλογα µε τη µορφήτωνσ hκάθεφορά z o Η Άργιλος Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.8 Υπολογισµός παθητικών ωθήσεων Ο προσδιορισµός των παθητικών εδαφικών ωθήσεων κατά Rankine συµβαίνει τη στιγµήπουοτοίχοςκινείταιπροςτοέδαφος, τοοποίοεξαντλείτηναντοχήτουκαι αστοχεί, άρα αναπτύσσεται η µέγιστη οριζόντια τάση. Αµµώδη εδάφη (c=0): φ Συντελεστής p = tan 45 + παθητικών ωθήσεων = p v,o Η Άµµος P p 1 = H Υπολογίζεται ανάλογα µε τη µορφήτωνσ hκάθεφορά Αργιλικά εδάφη (c 0): c p φ = + p tan 45 = + c p v,o p Συντελεστής παθητικών ωθήσεων Η Άργιλος P p + c p = H Υπολογίζεται ανάλογα µε τη µορφήτωνσ hκάθεφορά

5 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.9 Υπολογισµός ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων Για την πλήρη ανάπτυξη της ενεργητικής ή της παθητικής ώθησης απαιτείται µετακίνηση του τοίχου, σαφώς σηµαντικότερη στην περίπτωση της παθητικής κατάστασης. Προκύπτουνµεγάλητιµήτου p καιµεγάλεςτιµέςπαθητικώνωθήσεων. (Σχήµα: Τσότσος 1991) Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων Στον πίνακα δίνονται υπολογισµένες οι τιµές του συντελεστή ενεργητικών ωθήσεων Κ α καιτουσυντελεστήπαθητικών ωθήσεωνκ p κατά Rankine, για διάφορεςγωνίεςτριβήςεδάφους. φ ( ) α p φ ( ) α p

6 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων Ενδεικτικά η ανάπτυξη ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων σε διάφραγµα για διαφορετική θέση του σηµείου στροφής κατά την οριακή κατάσταση δίνεται στα παρακάτω σχήµατα (Μαραγκός, 009) Το σηµείο στροφής Κ βρίσκεται στη βάση του διαφράγµατος Το σηµείο στροφής Κ βρίσκεται ψηλότερα από τη βάση του διαφράγµατος z h h 1 σ = γ h σ = γ h α α 1 p p Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.1 Ωθήσεις λόγω επιφόρτισης Παρακάτω δίνονται οι πρόσθετες εδαφικές ωθήσεις λόγω επιφόρτισης είτε κατανεµηµένης µε άπειρο µήκος και πλάτος είτε λόγω σηµειακού φορτίου. Περισσότερες περιπτώσεις δίνονται από τους Γραµµατικόπουλο κ.α. (1994). Κατανεµηµένο φορτίο q q Σηµειακό φορτίο Q s Q Σταθερή τιµή οριζόντιας τάσης µετοβάθος σ q s Σταθερή τιµή οριζόντιας τάσης µετοβάθοςκάτω απόβάθος s σ Q Ενεργητική τάση σ = q α,q α Παθητική τάση σ = q p,q p Ενεργητική τάση Παθητική τάση σ Q Q = α,q α 4 s p,q p σ = 4 s

7 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός ωθήσεων σε τοίχο αντιστήριξης Ο υπολογισµός της ενεργητικής και της παθητικής ώθησης κατά Rankine είναι περισσότερο πολύπλοκος από τις απλές περιπτώσεις των προηγούµενων διαφανειών λόγω της ενδεχόµενης ταυτόχρονης: (α) ύπαρξης υπόγειου υδάτινου ορίζοντα (β) ύπαρξης διαφορετικών εδαφικών στρώσεων στο ύψος του τοίχου αντιστήριξης (γ) ύπαρξης επιφόρτισης στην επιφάνεια του εδάφους Η διαδικασία προσδιορισµού των ωθήσεων κατά Rankine µπορεί να περιγραφεί ως: 1) Υπολογισµός των κατακόρυφων ενεργών τάσεων λόγω ιδίου βάρους του εδάφους µετοβάθος ) Υπολογισµός των οριζόντιων τάσεων λόγω ιδίου βάρους του εδάφους µε το βάθος 3) Υπολογισµός των οριζόντιων υδροστατικών τάσεων µε το βάθος 4) Υπολογισµός των οριζόντιων τάσεων λόγω επιφόρτισης µε το βάθος 5) Προσδιορισµός της τιµής και θέσης εφαρµογής της οριζόντιας ώθησης για κάθε ένααπότα () (3) (4) ωςσυνισταµένητωναντίστοιχωνοριζόντιωντάσεων Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Εφαρµογή : Να σχεδιαστεί το διάγραµµα οριζόντιων ενεργητικών τάσεων κατά Rankine και η συνισταµένη ώθηση στον τοίχο αντιστήριξης του σχήµατος. Στη συνέχεια να υπολογιστεί ο συντελεστής ασφαλείας σε ανατροπή και ολίσθηση του τοίχου (απλοποιητικάγ=γ κορ, γ w =10kN/m³, γ σκυροδ =5kN/m³ ). Στηβάσηαδιαπέρατουλικό. Επίλυση : Η ενδεχόµενη ανατροπή του τοίχου θα ελεγχθεί ως προς το σηµείο Κ, όπου θα πρέπει η ροπή ευστάθειας να είναι µεγαλύτερηαπότηροπήανατροπής. Η δύναµη και η ροπή ευστάθειας οφείλονται στο ίδιο βάρος του τοίχου που δρα σταθεροποιητικά. Η δύναµη ολίσθησης και η ροπή ανατροπής οφείλονται στις ενεργητικές ωθήσεις του εδάφους (λόγω ιδίου βάρους, επιφόρτισης και υδροστατικών τάσεων). 5m 0.5m.5m 0kN/m² Χαλαρή άµµος γ=16kn/m², φ=30 Πυκνή άµµος γ=18kn/m², φ=40 0.0m -1.5m Το αδιαπέρατο υλικό στη βάση εµποδίζει την ανάπτυξη υποπιέσεων του νερού

8 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος (1) Υπολογίζονται οι κατακόρυφες ενεργές τάσεις λόγω του ιδίου βάρους εδάφους z = 1.5m σ = m = 4 3 uw = 0 = σ uw = 4kPa z = 5.0m σ = 16 kn 3 1.5m m = 87 m kn uw = m = 35kPa 3 m = σ uw = 5kPa () Υπολογίζονται οι οριζόντιες τάσεις του εδάφους λόγω ιδίου βάρους Χαλαρήάµµος (φ=30 ) Κ α = z = 0.0m σ = Κ α = = 0kPa z = 1.5m σ = Κ α = = 8.00kPa Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος () Υπολογίζονται οι οριζόντιες τάσεις του εδάφους λόγω ιδίου βάρους Πυκνήάµµος (φ=40 ) Κ α =0.174 z = 1.5m = Κ α = = 5.kPa (3) Υπολογίζονται οι οριζόντιες υδροστατικές τάσεις z = 5.0m σ = Κ α = = 11.30kPa Η τιµή και η κατανοµή των οριζόντιων υδροστατικών τάσεων µε το βάθος είναι όµοιες µε τις κατακόρυφες υδροαστατικές τάσεις (4) Υπολογίζονται οι οριζόντιες τάσεις λόγω επιφόρτισης Για επιφόρτιση οµοιόµορφο κατανεµηµένο φορτίο q=0kn/m² προκύπτουν οριζόντιες ενεργητικές τάσεις: Χαλαρή άµµος: Πυκνή άµµος: = Κ q = kPa = 6.67kPa α,q α,q α = Κ q = kPa= 4.35kPa α

9 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος 0kN/m² 0.0m P P q,1 α, kpa 6.67 kpa z 4kPa 4kPa -1.5m 5. kpa z w, P q,,3 G kpa 1 G = α v,o α,q 4.35 kpa 5kPa = σ u w u = γ z w P w 35kPa w w σ -5.0m 87kPa (5) Υπολογίζονται οι τιµές και οι θέσεις εφαρµογής των ενεργητικών ωθήσεων Ο υπολογισµός της τιµής και της θέσης εφαρµογής της κάθε ώθησης συχνά απαιτεί τη διάσπαση του διαγράµµατος τάσεων σε απλά σχήµατα (τρίγωνα και ορθογώνια) µε γνωστό κέντρο βάρους Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος (5) Υπολογίζονται οι τιµές και οι θέσεις εφαρµογής των ενεργητικών ωθήσεων Ενεργητική ώθηση εδάφους: 1 Pα,1 = m = 6.00 Θέσηεφαρµογήςτης,1 απότηβάσητουτοίχου: 1 1.5m 3.5m 4.00m 3 + = Pα, = m = 18.7 Θέσηεφαρµογήςτης, απότηβάσητουτοίχου: 1 3.5m 1.75m = 1 Pα,3 = ( ) 3.5 m = Θέσηεφαρµογήςτης,3 απότηβάσητουτοίχου: 1 3.5m 1.167m 3 =

10 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος (5) Υπολογίζονται οι τιµές και οι θέσεις εφαρµογής των ενεργητικών ωθήσεων Ώθηση λόγω υδροστατικών πιέσεων: 1 Pw = m = 61.5 Σηµείωση: οι µονάδες kn/m αναφέρονται σε δύναµη (kn) ανά µέτρο µήκους του τοίχου αντιστήριξης Θέσηεφαρµογήςτης P w απότηβάσητουτοίχου: Ώθηση λόγω επιφόρτισης q=0kn/m²: Pq,1 = m = Θέσηεφαρµογήςτης P q,1 απότηβάσητουτοίχου: Pq, = m = 15.3 Θέσηεφαρµογήςτης P q, απότηβάσητουτοίχου: 1 3.5m 1.167m 3 = 1 1.5m 3.5m 4.5m + = 1 3.5m 1.75m = Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.0 Υπολογισµός των δυνάµεων ευστάθειας Οι δυνάµεις ευστάθειας είναι το βάρος του τοίχου αντιστήριξης 1 G1 = A1 γσκυροδ = (.5 0.5m ) 5.0m 5 = Απόστασηεφαρµογήςτης G 1 απότοσηµείοκ: (.5 0.5m ) 1.333m 3 = G = A γσκυροδ = 0.5m 5.0m 5 = m Απόστασηεφαρµογήςτης G απότοσηµείοκ: (.5 0.5) m+ =.5 m

11 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.1 Υπολογισµός των ροπών ευστάθειας ως προς το Κ: knm Mευστ = G m+ G.5 m = m m = m Σηµείωση: οι µονάδες knm/m αναφέρονται σε ροπή (knm) ανά µέτρο µήκους του τοίχου αντιστήριξης Υπολογισµός των ροπών ανατροπής ως προς το Κ: Mανατρ = Pα,1 4.00m+ Pα, 1.75m+ Pα, m+ Pw 1.167m+ Pq,1 4.5m+ Pq, 1.75m Mανατρ = m m m m m m m + m knm Mανατρ = m Υπολογισµός συντελεστή ασφαλείας σε ανατροπή: M ευσταθ FSανατρ = = = 1.47 Μανατρ Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7. Υπολογισµός συντελεστή ασφαλείας σε ολίσθηση: υνάµεις ολίσθησης: Fολισθ = Pα,1 + Pα, + Pα,3 + Pw + Pq,1 + Pq, kn Fολισθ = = m υνάµεις ευστάθειας σε ολίσθηση: Ως δύναµη ευστάθειας σε ολίσθηση λειτουργεί η τριβή µεταξύ της βάσης του τοίχου και του εδάφους (πυκνή άµµος) που αναπτύσσεται λόγω του βάρους του τοίχου F ευσταθ kn = Gολ tanφ = ( ) tan40 = kN m Συντελεστής ασφαλείας σε ολίσθηση: F = = = ευσταθ FSολισθ 1.30 Fολισθ 11.40

12 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.3 Εφαρµογή : Να υπολογιστεί το βάθος έµπηξης της πασσαλοσανίδας του σχήµατος ώστε να εξασφαλιστεί η ισορροπία της σε στροφή γύρω από τη βάση (σηµείο Κ) (Μαραγκός, 009). Επίλυση : Το έδαφος τη στιγµή της αστοχίας (στροφή γύρω από το Κ) αναπτύσσει τόσο ενεργητικές όσο και παθητικές ωθήσεις Ενεργητικές ωθήσεις στο έδαφος αναπτύσσονται από την δεξιά πλευρά της πασσαλοσανίδας και τείνουν να την ανατρέψουνωςπροςτοσηµείοκ Παθητικές ωθήσεις στο έδαφος αναπτύσσονται από την αριστερά πλευρά της πασσαλοσανίδας και τείνουν να διατηρήσουν την ισορροπία ως προς το Κ 9.0m d Κ Άµµος γ=0kn/m³ φ=30 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.4 Ανάπτυξη ενεργητικών και παθητικών ωθήσεων Σχεδιάζεται το σκαρίφηµα µε την µετατόπιση της πασσαλοσανίδας και τα διαγράµµατα των αναπτυσσόµενων οριζόντιων τάσεων Υπολογισµός των ενεργητικών ωθήσεων στο έδαφος z = ( 9+ dm ) Άµµοςφ=30 Κ α = kn = α = 6.667( 9+ d) m = 0 3 ( 9+ dm ) = 0 ( 9+ d) Άµµος γ=0kn/m³ φ=30 9.0m d P α = 1 9+ d = d kn ( ) ( ) m Κ Θέσηεφαρµογήςτης απότοκ: ( ) 1 9 d m 3 +

13 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.5 Υπολογισµός των παθητικών ωθήσεων στο έδαφος z = dm = 0 dm = 0 d 3 Άµµοςφ=30 Κ p = kn = p = 60 d m Άµµος γ=0kn/m³ φ=30 9.0m P = 1 d = 1 60 d d = 30 d kn p ( ) m Προς την πλευρά της ασφαλείας θεωρείται πως η παθητική ώθηση (δύναµη ευστάθειας) δεν αναπτύσσεται µε την πλήρη τιµή της αλλά µε τα /3 τηςτιµήςτης. Κ d kn kn Pp = 30 d = 0 d 3 m m Θέσηεφαρµογήςτης απότοκ: 1 dm 3 Μάθηµα: Εδαφοµηχανική (3ο εξάµηνο) σελ. 7.6 Υπολογισµός απαιτούµενου βάθους έµπηξης d: Για να µην ανατραπεί η πασσαλοσανίδα γύρω από το σηµείο Κ θα πρέπει το άθροισµα των ροπών τωνωθήσεωνωςπροςκναείναιίσοµεµηδέν. 1 1 ΣΜΚ = 0 Pp d Pα ( 9+ d) = Άµµος γ=0kn/m³ φ=30 9.0m d d ( 9+ d) ( 9+ d) = ( ) d d = 0 d Από την επίλυση της παραπάνω εξίσωσης προκύπτει ότι d=11.0m Κ Συνεπώς θα πρέπει το µήκος έµπηξης d της πασσαλοσανίδας να είναι τουλάχιστο 11.0m ώστε να µην ανατραπεί λόγω των αναπτυσσόµενων εδαφικών ωθήσεων