ZEMNÍ KONSTRUKCE. LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY

ZEMNÍ KONSTRUKCE LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY

1

Podloží násypu Zlepšování zemin (Soil improvement): Dynamické zhutňování (Dynamic compaction) Vibrační zhutňování (Vibro – Compaction) Kompenzační injektáž (Compaction Grouting) Prefabrikované vertikální drény (Prefabricated Vertical Drains) Zhutňování odstřelem (Blast-Densification) Vyztužování zemin (Soil reinforcement): Vibrované štěrkové pilíře (Vibro-Stone Columns) Vibrované betonové pilíře (Vibro Concrete Columns) Vápenné-cementové pilíře (Lime-Cement Columns) Trysková injektáž (Jet Grouting) Hloubková stabilizace (Deep Mixing) Mikropiloty (Micropiles) Zemní kotvy (Ground Anchors) Hřebíkování (Soil Nailed Retaining Sructures) Vyztužování geosyntetiky (Geosynthetics) Vyztužování vlákny (Fiber Reinforced Soils) Biologická stabilizace (Boitechnical/Soil Bioengineering Stabilization) Úprava zemin (Soil treatment): Míšení (Admixture) Odvodňování (Dewatering) Lámání (Fracturing) Zmrazování (Freezing) Atd.

2 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Použitelnost technologií dle charakteru zeminy


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

fáze sedání okamžité sedání – si : Neodvodněné podmínky proběhne během výstavby objektu primární sedání – scf: velikost a rychlost závisí na: propustnosti zeminy podmínkách odvodnění sekundární sedání – ss: σ′ = konst.


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

zatížení

Předkonsolidace:

qs qp

deformace

ts

tp

čas

scf od qp

scf od qs+qp

∆σ/ ∆u≤0 Schéma předtížení ∆u>0

2H σv0 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

∆σ(qp)∆σ(qs)

5

Lumír Miča

napětí

hloubka

Vakuování:

Podloží násypu

drenážní vrstva pumpa

písek

H ≈ 0.6m

fólie

z

nárůst

σef γ

jíl, rašelina

PVD

písek

Schéma vakuování

-

+

σef

σtot

σtot = γ x z + Pa + 0 u = γw x z + Pa - nPa = (1-n)Pa σef = γ/ x z + nPa 6 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu Drény (PVD, Pískové): • • • • •

předkonsolidace a omezení sedání po dokončení stavby urychlení procesu konsolidace zkrácením dráhy pro disipaci pórových tlaků zvýšení stability zvýšením efektivních napětí v zemině snížení hladiny podzemní vody omezení efektů ztekucení. drenážní vrstva

Svislé drény

Princip drénů

CENT/TC 288 N 293 E – Návrh EN Vertikální odvodnění VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

7 Lumír Miča

Drény:

Podloží násypu

rozdělení 8 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Pískové drény:

Typy pískových drénů

provádění 9

VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD – Požadované vlastnosti pásových drénů: -

běžně by měly vyhovovat pro použití v prostředí s pH 4-9 teplota obklopující zeminy menší než 25 oC Předpokládaná životnost 5 let.

Doporučené pevnostní a deformační charakteristiky -

qw=

q . b.RT

b – šířka drénu θ- transmisivita (m2/rok) RT = 1,763/(1+0.0377.T+0,00022.T2) T – teplota ve oC

protažení při přetržení nejslabšího prvku > 2% protažení při tahové síle 0,5 kN< 10% (20% při expozici mrazem) minimální tahová pevnost nejslabšího prvku při přetržení >1,5 kN.


fcr

10 Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD – Požadované vlastnosti pásových drénů:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD – Geotechnický průzkum: • • • • • • • • • • • • • •

penetrační odpor, údaje o povrchové vrstvě (tloušťka, přítomnost kořenů atd.), přítomnost balvanů nebo zpevněných vrstev, které mohou zapříčinit problémy při instalaci vertikálních drénů, popis zeminy (typ zeminy, stratifikace a údaje o existenci resp. frekvenci písčitých a prachových vrstev, údaje o tvrdých vrstvách), piezometrické úrovně hladiny vody, jejich režim popř. odchylky od podmínek hydrostatického tlaku, stav napětí in situ, včetně údajů o míře překonsolidace, deformační parametry zemin, konsolidační parametry (koeficienty konsolidace a propustnosti, přirozenou vlhkost zeminy, hustotu, neodvodněnou smykovou pevnost, obsah organických látek, konzistenční meze, senzitivitu. 12


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD - navrhování:

De/2

De/2

dw/2

dw/2

kh H

kv

+

VERTIKÁLNÍ PROUDĚNÍ NEPROPUSTNÝ OKRAJ

Ūv=f(Tv)

=

RADIÁLNÍ PROUDĚNÍ VERTIKÁLNÍ DRÉN

Ūh=f(Th,D/dw)

kv kh

RADIÁLNÍ A VERTIKÁLNÍ PROUDĚNÍ

Ū=1-(1-Ūv)(1-Ūh)

Odvodnění vzorku 13 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu PVD - navrhování:

⎛ ∂ 2 u w ∂ 2u w ∂ 2 u w ⎞ ∂u w = cv ⎜⎜ 2 + + 2 ⎟⎟ 2 ∂t ∂ ∂ ∂z ⎠ x y ⎝

⎛ ∂ 2 u w 1 ∂ 2u w ∂ 2u w ⎞ ∂u w = cc ⎜⎜ 2 + + 2 ⎟⎟ ∂t ∂z ⎠ r ∂r 2 ⎝ ∂r

⎛ ∂ 2u w ⎞ ∂u w = cv ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ∂t ⎝ ∂z ⎠

⎛ ∂ 2u 1 ∂ 2u w ⎞ ∂ur ⎟ = cr ⎜⎜ 2w + 2 ⎟ r r r ∂t ∂ ∂ ⎠ ⎝

⎛ ∂ 2U ∂U z = cv ⎜⎜ 2 z ∂t ⎝ ∂z

⎛ ∂ 2U r 1 ∂ 2U r ∂U r = cr ⎜⎜ 2 + r ∂r 2 ∂t ⎝ ∂r

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ ∂ 2U r 1 ∂ 2U r ∂U ∂U r ∂U z = + = cr ⎜⎜ 2 + ∂t ∂t ∂t r ∂r 2 ⎝ ∂r

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎞ ∂U ⎟⎟ + cv 2z ∂z ⎠

U = 1 − (1 − U h )(1 − U v ) Terzaghi Barron

14

Podloží násypu

PVD - navrhování:

−8Th

Uh = 1 − e

F (n)

cht Th = 2 D

Předpoklady: (Barron)

konsolidující vrstva (jíl) je plně nasycena a homogenní k přetvoření zeminy dochází pouze ve vertikálním směru voda neproudí ve vertikálním směru platí Darcyho zákon pórová voda a minerální částice jsou nestlačitelné v porovnání se skeletem jílu přírůstek zatížení je nejprve přenášený zvýšeným pórovým tlakem v drénu nedochází ke zvýšenému pórového tlaku zóna vlivu drénu je válcová nekonečně propustný drén instalace drénu nemá vliv na změnu vlastností


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD - navrhování: D

dw

z

kh

kh

Barron – vliv geometrie: zjednodušený tvar

⎛D⎞ 3 F (n) = ln⎜⎜ ⎟⎟ − ⎝ dw ⎠ 4

L

RADIÁLNÍ PROUDĚNÍ NEPORUŠENÁ OBLAST PÍSKOVÝ DRÉN


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu PVD - navrhování: Hansbo - PVD

1 2

Ekvivalentní průměr 17 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD - navrhování:

vliv geometrie:

Hansbo - PVD

n2 3 1 F ( n) = 2 ln(n) − − 2 n −1 4 4n

D ds

vliv propustnosti filtru:

dw

z

kh

obecně:

Fr = πz ( L − z )

kh

Fr′ =

L

průměrná: qw

πL2 k h 6 qw

2πL2 k h Fr′ = 3 qw

ks NEPORUŠENÁ OBLAST

kh qw

OBLAST PORUŠENÍ

VERTIKÁLNÍ DRÉN

Případ 1 Případ 2

vliv porušení okolní zeminy: ⎞ ⎛d ⎞ ⎛k Fs = ⎜⎜ h − 1⎟⎟ ln⎜⎜ s ⎟⎟ ⎠ ⎝ dw ⎠ ⎝ ks


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD - navrhování: Hansbo - PVD

• 1,5 – 2 násobné snížení horizontální propustnosti (Shokagi) • Rozsah prohnětené zóny se uvažuje 2 –3 průměru drénu (Jamiolkowski, Lancellotta 1981, Hansbo 1987). • Mizí filtrační anizotropie

dm =

Oblast porušení - ekvivalent

4

π

wL 19


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu PVD - navrhování:

S D

S

S

D

S

De = 1.13S

De = 1.05S 20

Podloží násypu

PVD - navrhování: Vstupy:

ch – součinitel konsolidace ve vodorovném směru /m2.s-1/ (resp. kh – koef. propustnosti v hor. Směru /m.s-1/) H – délka odvodňovací dráhy /m/ kf – propustnost filtru drenáže /m.s-1/ Aw – plocha průřezu drénu /m2/ …


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

PVD - navrhování: Specifika matematického modelování vertikálních drénu pro úlohu rovinné deformace

khp 2B2 =_____________________________ kh 3R2[ln(R/rs) + kh/kh‘ . ln(rs/rw) – 0,75] Jednotlivé propustnosti znamenají: khp ekvivalentní horizontální propustnost pro 2D model kh původní horizontální propustnost pro axisymetrický model kh’ původní horizontální propustnost pro axisymetrický model v tzv. „smear“ zóně


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková dynamické zhutňování:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková dynamické zhutňování: Menard (1973):

h = n. W .H

h = c.s. W .H h c s W

hloubka ovlivněná dynamickým zhutněním n empirický koeficient (n < 1) součinitel útlumu rychlosti součinitel útlumu zeminy (0.3-1.0) Doporučené hodnoty parametru „n“ (FHWA) hmotnost závaží

H

výška pádu závaží

Míra nasycení

Typ zeminy

Propustné - hrubozrnné zeminy

Vysoká

0.5

Nízká

0.5 – 0.6

Částečně propustné - zejména hlíny s IP < 8

Vysoká

0.35 – 0.40

Nízká

0.4 – 0.5

Nepropustné - zejména jílovité zeminy s IP > 8

Vysoká

Nedoporučuje se

Nízká

0.35 – 0.40*

Typ zemního prostředí

* vlhkost zeminy by měla být menší než mez plasticity

24


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


Zóna 1 – propustné zeminy, IP = 0, k ≥ 1.10-5 m.s-1 Zeminy spadající do této oblasti se velmi dobře zlepšují pomocí DDC. Nad hladinou podzemní vody dochází k okamžitému přenosu sil mezi částicemi a tím k ulehlému stavu. Pod hladinou podzemní vody dojde v důsledku vyvozeného dynamického účinku k nárůstu pórových tlaků. Je to však jen velmi krátký časový úsek, poněvadž díky jejich vysoké propustnosti dojde k jeho rychlému snížení a následnému zhutnění zeminy. Zóna 2 – částečně propustné zeminy, 0 < IP < 8, 1.10-5 < k < 1.10-8 m.s-1 Do této kategorie patří hlíny, hlíny jílovité a písek hlinitý. Tato kategorie je svojí odezvou na DDC mezi zónami 1 a 3. Míra zhutnění je odvislá od počtu úderů a fází. Díky jejich nižší propustnosti je nutné zajistit dostatečný čas pro rozptýlení pórových tlaků. Jedná se přibližně o období několika dnů až týdnů

Zóna 3 – velmi málo propustné zeminy, IP > 8, k > 1.10-8 m.s-1 Patří sem jílovité zeminy. Jsou-li plně nasycené, pak se vlivem dynamických účinků zvýší tlak pórové vody a vzhledem k jejich velmi nízké propustnosti bude jejich rozptýlení probíhat velmi dlouho. Z tohoto důvodu je DDC nepraktická pro zlepšování těchto zemin. Příznivější podmínky jsou u částečně nasycených jílovitých zemin, kde lze dosáhnout vyšší míry zhutnění než u plně nasycených


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


Vytvoření pracovní vrstvy

Vytvoření pracovní vrstvy VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zhutňování hlubších vrstev

Zhutňování hlubších vrstev Zemní konstrukce

26 Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace:

Vápenno-cementové pilíře (Lime-cement columns): - průměr 50-60cm - hloubka cca 20m Hloubkové mísení zeminy – Deep Soil Mixing: -až průměr 3.5m - hloubka 10-40m (i 70m)


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace: Provádění - princip: VRTÁNÍ: - rozrušení - homogenizace promícháním - stabilizace injekční směsí

Přítok injekční směsi

VYTAHOVÁNÍ: - zhutňování

< Směr otáčení spirál > < Směr pohybu materiálu >

Soletanche ®


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace: Technické parametry: Poměr voda/cement v pojivu

0,2 - 0,5

Poměr objemu směs/zemina

0,2 (jíly) - 0,7 (materiál skládek odpadů)

Počet otáček břitu spirálu

20 - 60 ot/min

Rychlost zavrtávání/vytahování

0,2 - 2,0 m/min

Vtrné zařízení

jednoduchá, dvojitá, čtyřnásobná spirála

Typická hloubka úpravy

10 - max. 40 m

Přísady do pojiva

bentonit, popílek, sádra, plastifikátory

trojitá

nebo


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace: Zemina

Vápno

Vápno-cement

Cement

Hlína jílovitá

•

+

++

Jíl hlinitý

+

++

++

Jíl

•

+

+

Quick jíl

+

+

++

Jíl (zasolený)

+

+

+

Jíl (siřičitany)

-

+

+

Kaly

-

•

+

Rašelina

-

•

+

„-“ …bez efektu

„•“…přijatelný efekt

„+“…vhodné

„++“…velmi vhodné


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


Smyková pevnost narůstá již během jedné až dvou hodin po dokončení pilíře Smyková pevnost se zvýší 10 až 50 ti násobně Smyková pevnost narůstá v čase (měsíce). Třetina konečné smykové pevnosti se přibližně dosáhne po jednom měsíci a ¾ finální pevnosti po třech měsících Se zvyšujícím indexem plasticity zeminy se vyžaduje větší množství přísady Stlačitelnost se redukuje: Modul pružnosti (E) úměrný pevnosti v tlaku (qu) a to v poměru 350 až 1000 (např. u jemnozrnných zemin s obsahem písčitých částic méně než 10 až 15 % je poměr E a qu mezi 400 až 600). Citlivost zeminy je nízká (1-3) Mez plasticity se zvyšuje Index plasticity se snižuje 31 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


Propustnost se zvýší o 100 až 1000 násobek u vápenných pilířů, u vápeno-cementových je zvýšení propustnosti o něco menší. Propustnost zemního prostředí zlepšného cementem se pohybuje v rozmezí 10e-7 až 10e-9 m/s. Pro dosažení nižší propustnosti se doporučuje přidat bentonit či bentonit-jílovitou suspenzi. Tím dojde ke snížení propustnosti na hodnoty nižší než 10e-9 m/s Poissonovo číslo je přibližně 0,5 pokud je vzorek zatěžován za neodvodněných podmínek a při jiných zatěžovacích podmínkách se pohybuje mezi 0,3 až 0,45


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace – obvodové smykové napětí: q

Působení jako celý blok

τ obv

H

τobv

fb

cu q.B.L = ≤ 2(B + L )H fb

součinitel bezpečnosti (= 1.5)

B

L


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace - sedání:

qH ∆h1 = aE P + (1 − a )E Z

nAP a= BL


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Hloubková stabilizace - sedání:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


• Princip: Vibroflotací rozumíme metodu zhutňování základové

půdy účinkem vibrací bez jakéhokoliv přidávání dalšího materiálu. Zhutňování je dosahováno pomocí vibrační jehly, jež penetruje základovou půdu vlastní tíhou, nebo za pomoci přítlaku, popřípadě vzduchového či vodního paprsku (vplachování).

• Historie: vibroflotace souvisí s vynálezem ponorného

vibrátoru z r.1928 (firma PTC, Francie), – první kontrakt na zhutňování písků vibroflotací obdržela firma Johan Keller v r.1930 v Berlíně, – značný rozvoj vibroflotace souvisí s obnovou válkou zničených měst v Evropě v 50. letech 20.století, – vibroflotace je rozšířena hlavně v Belgii, Holandsku, severním Německu, Polsku a na Ukrajině, tedy v oblastech, kde jsou pro tyto metody vhodné geotechnické podmínky 37


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Provádění:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


FRANKI VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

VIBRO-WING Zemní konstrukce

39 Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování: – Know – how firmy


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: Červeně – před; zeleně - po


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Štěrkové pilíře:


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


• Princip: Štěrkové pilíře jsou prvky hlubinného zakládání staveb typu „displacement“, při jejichž provádění se v základové půdě vibrací, beraněním, nebo předrážením vytvoří otvor, který je vzápětí zaplněn vhodným hutněným materiálem (převážně štěrkem, popř. recyklátem).

• Historie: – první použití štěrkových pilířů pochází z Francie z konce 18. století, kdy do měkké základové půdy byl zatloukán štěrk pro zlepšení základové půdy pro zakládání vojenských objektů, – Evropa v 50. letech a USA ve 70. letech 20.století, – v Evropě položil teoretické základy Priebe (70. léta)


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Historie:

• 1830 - Francie • 1935 - vibroflotace • 50 léta min. století – Evropa (začalo rozsáhlé používání SC technologie) • 1972 – USA (SC technologie) • Replacement (nahrazení) – vibrace – vrtání

Metody:

• Displacement (roztlačení) – vibrace – předrážení

44

Replacement metody: mokrá metoda

A

B

C

D

A - FÁZE SESTUPNÁ - spolupůsobením vibrací, vodního paprsku a vlastní tíhy vibrátoru je rychle dosažena požadovaná hloubka, zemina odstraněna výplachem B - PLNĚNÍ ŠTĚRKEM - vibrátor je povytažen a díra částečně horem zaplněna vhodným štěrkem C - FÁZE KONSOLIDAČNÍ - štěrk je vibracemi bočně roztlačován do zeminy a hutněn až na požadovanou míru zhutnění. Poté je opět štěrk doplněn a postup se opakuje

45

Replacement metody: metody

46

Displacement metody: Vibrace:

47

Displacement metody: Předrážení:

48

Displacement metody: Předrážení:

49

Přínos: Kompozit pilíř/zemina: ¾ nárůst smykové pevnosti – zvýšení únosnosti podloží či stability svahu ¾

¾

vyšší tuhost podloží (vertikální napětí v pilíře je 2-5 vyšší než v okolní zemině) – snížení celkového a diferenciálního sedání /∆s ≈ (15 ÷ 20)scelk, zlepš./; snížení je cca scelk, zlepš = (50 ÷ 30) scelk, nezlepš Zvýšení propustnosti – urychlení konsolidace 50

Podloží násypu



Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu



Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu



Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu


systémem FRANKI


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování:

– Základové prvky přenášející osové (tlakové) zatížení, navrhují se výjimečně jako osamělé, většinou však ve skupině pod základovými patkami, pasy a deskami – Plošné (prostorové) zlepšení vlastností základové půdy, tj. zvýšení průměrné velikosti Edef a event. urychlení primární konzolidace (štěrkové pilíře působí jako svislé drény a umožňují urychlenou disipaci pórových tlaků)


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování – rozsah použití:

– Soudržné zeminy s 7 kPa < cu < 60 – 80 kPa – V případě, že cu < 7 kPa, jsou štěrkové pilíře nevhodné (zlepšení vlastností není reálné) – V případě, že cu > 60 – 80 kPa, je použití štěrkových pilířů nehospodárné, neboť míra zlepšení základové půdy není adekvátní rozsahu a množství štěrkových pilířů – Pod násypy se doporučuje při hodnotě neodvodněné smykové pevnosti cu < 19 kPa použít místo kameniva či štěrku písek. V Japonsku se pískové pilíře používají i zemin s cu ≈ 5 kPa. ⇓ Optimum cu 15 - 50 kPa 56 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování: Způsoby porušení – homogenní zemina


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování: Způsoby porušení – nehomogenní zemina


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování: – koncept elementární buňky


Zemní konstrukce

Lumír Miča

Podloží násypu

Zhutňování hloubkovou vibrací: • Navrhování: – koncept elementární buňky

faktor koncentrace napětí

σP nn = σZ faktor plochy nahrazení

AP aP = A

⎛ D⎞ aP = C ⎜ ⎟ ⎝s⎠

2

trojúhelníková síť: C = π/(2√3) čtvercová síť: C = π/4 60 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky

Zemní konstrukce

Lumír Miča

De

De

D

s

s

D náhradní buòka

Ac štìrkový pilíø

A

As

L

a) Trojúhelníková síť ekvivalentní průměr náhradní buňky: De = 1,05.s b) Čtvercová síť ekvivalentní průměr náhradní buňky: De = 1,13.s c) Poměr ploch pilíře As a náhradní buňky A as = As/A = C1.(D/s)2 C1=π/(2.31/2) – trojúhelníková síť C1= π/4 – čtvercová síť ac = (A-As)/A = 1 – as d) Koncentrace napětí n = σs/σc (n = 3 až 5) σ = σs.as + σc.(1 – as) σs = n.σ/(1 + (n - 1).as) = µs.σ σc = σ/(1 + (n - 1).as) = µc.σ

D

Návrh štěrkových pilířů

De

(Masopust)

61

s

c

L

a) Vztah mezi svislým σ1 a vodorovným σ3 napětím: σ1/σ3 = tg2(45 + φs/2) = Kp (φs – úhel vn. tření pilíře 40-430) b) Vodorovné napětí: - soudržné zeminy (φu = 0, cu) σ3 = 9.cu - soudržné zeminy (φef, cef) σ3 = σp+cef.(1+ln(Edef/2.cef.(1-ν))) σp – původní vodorovné napětí Edef – modul deformace zeminy ν – Poisson. koef. zeminy c) Celkové svislé napětí qc qc = σ3 .Kp d) Maximální napětí v okolí pilíře σc = 5.cu

D

De

(Masopust)

62

Příklad – stanovení mocnosti H násypu na podloží zlepšeném štěrkovými pilíři a) Vstupní údaje – geometrie: rozteč pilířů s = 2,3 m, průměr pilířů D = 0,8 m délka pilířů L = 5,0 m (vetknutí do podložních štěrků t = 0,5 m)

s=

b) Materiálové vlastnosti: štěrkové pilíře φs = 400 zákl. půda – měkký jíl φu= 0°, c = 20 kPa

0 2,3

80 0, Ø

H

s = 2,30

násyp

jíl mìkký

0,50

4,50

Cu = 20 kPa

štìrk

(Masopust)

c) Výpočet: náhradní plochy: ap = 0,907.(0,8/2,3)2 = 0,11 De = 1,05.2,3 = 2,415 m Ap = π.0,82/4 = 0,502 m2 A = π.2,4152/4 = 4,578 m2 boulení (při povrchu): qult = cuNc = 20.22 = 440 kPa = σp 63

Příklad – stanovení mocnosti H násypu na podloží zlepšeném štěrkovými pilíři c) Výpočet: únosnost okolní zeminy: max. napětí přenášené jílem (cu = 20 kPa) σz = 5cu = 5.20 = 100 kPa faktor koncentrace n = 3 (zvoleno) µp = 3/(1 + (3-1).0,11) = 2,459 µz = 1/(1 + (3-1).0,11) = 0,819 σz ≤ µz.σ = µz.(σp/ µp) = 0,819.440/2,459 = 146.54 kPa …max. napětí koncetrované napětí v jílu je vyšší, než pevnost 5.cu = 100 kPa, tedy platí menší z obou hodnot maximální síla přenášená fiktivní buňkou Pc = σp.Ap + σz.(A – Ap) = 440.0,502 + 100.(4,578 – 0,502) = 628,5 kN volíme stupeň bezpečnosti roven 2,0, tedy P = 628,5/2,0 = 314,2 kN přípustná výška násypu H (jehož objemová tíha bude γ = 18,0 kN/m3) γ.H.A = P 64 H = P/(γ.A) = 314,2/(18,0.4,578) = 3,80 m

(Masopust)

Příklad – sedání podloží zlepšeného štěrkovými pilíři

Násyp; γ = 18 kN.m-3 Platforma; γ

= 16 kN.m-3

H1 = 3,8 m H2 = 0,5 m Jíl: e0=2,0 Cc=0,7 γsat=20kN.m-3 cu = 20 kPa

(Masopust)

a) Vstupní údaje – geometrie: rozteč pilířů s = 2,3 m, průměr pilířů D = 0,8 m délka pilířů L = 5,0 m (vetknutí do podložních štěrků t = 0,5 m) b) Materiálové vlastnosti: štěrkové pilíře φs = 400 zákl. půda – měkký jíl φu= 0°, c = 20 kPa c) Výpočet: náhradní plochy: ap = 0,907.(0,8/2,3)2 = 0,11 přerozdělení napětí: µz = 1/(1 + (3-1).0,11) = 0,819 σ = 3,8.18 + 0,5.16 = 76,4 kPa σz = 0,819.76,4 = 62,6 kPa 65

Příklad – sedání podloží zlepšeného štěrkovými pilíři Primární efektivní napětí v polovině vrstvy jílu: σ0 = 2,25.(20-10) = 22,5 kPa Konsolidační sedání vrstvy jílu: st = (0,7/(1+2,0))x4,5xlog ((22.5 + 62,6)/22,5)) = 600 mm

66 (Masopust)

konzolidační sedání podloží násypu

a) Doplněné zadání: - v podloží násypu je H2 = 0,6 m mocná drenážní štěrková vrstva (γšt=17,5 kN/m3), nad ním násyp mocnosti H1=4,4 m (γn=18,0 kN/m3), - jíl zcela zvodnělý: měrná hmotnost ρs=2,75g/cm3, číslo pórovitosti v pův. stavu e0=1,3, koeficient stlačitelnosti Cc= 0,5 b) Původní geostatické napětí v polovině mocnosti stlačitelné vrstvy jílu: - pórovitost n=e0/(1+e0) = 0,565 = 56,5 % - obj. tíha jílu pod vodou (plně sat.) : γj = (1-0,565).(27,5-10) = 7,61 kN/m3 - geostatické napětí v hl. 4,5/2 = 2,25 m: σ0 = 2,25.7,61 = 17,12 kPa c) Konzolidační sedání st stlačitelné vrstvy zeminy o mocnosti H = 4,5 m: - zatížení na povrchu zlepšené zeminy σ = 4,4.18,0+0,6.17,5 = 89,7 kPa - st = Cc/(1+e0).log ((σ0 + σ)/σ0) = 0,5/2,3.log 6,239 = 0,173 m

67 (Masopust)

pokračování – stanovení časového průběhu primární konzolidace a) Doplnění zadání: - koeficient konzolidace jílu: Cv = 4.10-3 m2/den (= 0,463 cm2/s) - předpokládáme dále, že horizontální propustnost bude 3x větší, než vertikální propustnost, tedy kh/kv = 3, - voda může drénovat oběma směry (v hlavě i v patě) …N = 2 - koeficient konzolidace pro horizontální směr: Cvr = Cv.(kh/kv) = 12.10-3 m2/den - průměr náhradního pilíře De = 2,415 m, mocnost stlač. vrstvy L = 4,5 m - redukovaný průměr drenáže D´= D/5 = 0,8/5 = 0,16 m b) Stanovení stupně konzolidace za dobu t = 60 dní: - poměr n´= De/D´= 2,415/0,16 = 15,09 - bezrozm. faktor Tz = Cv.t/(L/N)2 = 4.10-3.60/(4,5/2)2 = 0,047 - bezrozm. faktor Tr = Cvr.t/De2 = 12.10-3.60/2,4152 = 0,123 - z grafů pro Tz = 0,047…Uz = 0,18, pro Tr=0,123 a n´=15….Ur = 0,78 - stupeň konzolidace U = 1 – (1-Uz).(1-Ur) = 0,807 = 81 % - za dobu 2 měsíce bude sednutí podloží násypu činit s60 = 0,81.0,173 = 0,14 m 68 (Masopust)

Graf pro stanovení stupně konzolidace ve vertikálním směru

69 (Masopust)

Graf pro stanovení stupně konzolidace v radiálním směru

70 (Masopust)

Teorie:

Postup při výpočtu stability – násyp (s nn):

Fiktivní pás (75 – 100 mm), který vyjadřuje vliv koncentrace napětí. Materiál v této oblasti je definován: γ ≠ 0 kN.m-3; c = 0 kPa; φ = 0° Fiktivní pás, který vyjadřuje vliv koncentrace napětí. Materiál v této Oblasti je definován: 71 γ = 0 kN.m-3; c = 0 kPa; φ = 0°

Teorie:

Postup při výpočtu stability- příklad: 9.1

φ′ = 28° c = 2.4 kPa γ = 18 kN.m-3

cu = 16.7kPa φu = 0 ° γsat = 20 kN.m-3

4.5

φ′ = 42° c = 0 kPa γ = 19.7 kN.m-3

4.8

Únosné podloží s = 2m

D=1.07m

1.7 72

Teorie: Postup při výpočtu stability- příklad:

Postup při výpočtu stability- příklad: Plocha nahrazení:

a p = 0.907 (1.07 / 2 ) = 0.26 2

Přepočet na pás:

πD 2

2

⎛ 1.07 ⎞ 2 Ap = =π⎜ ⎟ = 0 .9 m 4 ⎝ 2 ⎠

⇒

w=

Ap s

=

0 .9 = 0.45m 2

Charakteristiky fiktivního pásu: (výška pásu zvolena T = 90 mm)

µp =

(µ − 1)γ 1H1 = 547 kNm −3 2 n = = 1.59 ⇒ γ p = p 1 + (n − 1)a p 1 + 0.26 T

µz =

1 1 = = 0.80 ⇒ 1 + (n − 1)a p 1 + 0.26

γz =

(µ z − 1)γ 1 H 1 = −196 kNm −3 T

výšky Ti: T1 = 90mm; T2 = 85mm; T3 = 81mm; T4 = 68mm; T5 = 63mm; T6 = 51mm; T7 = 46mm; T8 = 34mm; T9 = 29mm; T10 = 16mm; T11 = 12mm; 73

Teorie:

Postup při výpočtu stability- příklad: 1

T11 T10

13

12

24

T9 T8

11 10

22 23

9

8

20 21

T5

T7 T6

7

6

18 19

T3

T4

5

T2

4

2

14

16 17

3

T1

15

74

Teorie:

Postup při výpočtu stability- příklad: Parametry jednotlivých zón:

zóna1 : γ = 18 kNm −3

c = 2.4kPa φ = 28 °

zóna 2 : γ = 0 kNm −3

c = 0 kPa φ = 0 °

zóna 3,5,7,9,11,13 : γ = −196 kNm −3 zóna 4,6,8,10,12 : γ = 547 Nm −3

c = 0 kPa φ = 0 °

c = 0 kPa φ = 0 °

zóna14,16,18,20,22,24 : γ = 20 kNm −3 zóna15,17 ,19,21,23 : γ = 19 .7 kNm −3

c = 16 .7 kPa φ = 0 ° c = 0 kPa φ = 42 °

75

Teorie:

Postup při výpočtu stability – sanace (bez nn): Neuvažuje se faktorem koncentrace nn: ⇓ Průměrné hodnoty

γ průr = γ p a p + γ z a z c průr = c × a z tan φ průr

γ p a p tan φ p + γ z a z tan φ z = γ průr

je − li φ z = 0° tan φ průr = a p tan φ p 76

ZEMNÍ KONSTRUKCE. LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY

Recommend Documents