prezentacja z przykładem - Uniwersytet Warmińsko

Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa
Instytut Budownictwa
Zakład Geotechniki i Budownictwa Drogowego
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
„Projektowanie geotechniczne na podstawie obliczeń”
Temat ćwiczenia:
Stateczność skarp i zboczy
dr inż. Ireneusz Dyka – pok. 3.34 [ul. Heweliusza 4]
http://pracownicy.uwm.edu.pl/i.dyka
e-mail: [email protected]
Wytrzymałość na ścinanie w gruntach
Wytrzymałość gruntu na ścinanie
- opór
opór,, jaki stawia grunt
naprężeniom stycznym w
rozpatrywanym punkcie ośrodka;
ośrodka;
• po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg pewnej części
gruntu w stosunku do pozostałej.
pozostałej.
Osuwisko – przemieszczenie się mas gruntowych, mas
skalnych i powierzchniowej zwietrzeliny wzdłuż powierzchni
poślizgu spowodowane siłami natury lub działalnością człowieka
w wyniku przekroczenia nośności ośrodka na ścinanie
Zniszczenie wskutek przekroczenia
wytrzymałości na płaszczyźnie
ścięcia
Kłodne (gm. Limanowa) - czerwiec 2010
Przekrój morfologiczny osuwiska
Droga z Muszyny do Leluchowa
Przyczyny osuwisk:
- podmycie bądź podkopanie zbocza
- dodatkowe obciążenie zbocza
- wzrost wilgotności gruntu na skutek opadów atmosferycznych i
roztopów
- wypełnienie spękań i szczelin wodą
- rozluźnienie i wietrzenie skał i gruntów
- wstrząsy dynamiczne spowodowane ruchem drogowym, wybuchami
- zmiana struktury gruntu na skutek przemarzania i rozmarzania
- istnienie powierzchni poślizgu na terenach dawnych osuwisk
- sufozja czyli wynoszenie drobinek z gruntu przez infiltrującą wodę
- eksploatacja kruszyw
- błędy w projektowaniu nachylenia skarpy nasypu lub wykopu
- trzęsienie ziemi
Przyczyny utraty stateczności nasypów drogowych:
• nieprawidłowe użytkowanie,
• brak remontów,
• zmiana warunków hydrologicznych poprzez budowę obiektów
hydrotechnicznych,
• obciążenie terenu,
• nieszczelności systemów kanalizacyjnych
Najczęstszą przyczyną powstawania procesów osuwiskowych jest
szkodliwe działanie wody:
• zwiększenie sił zsuwających przez zwiększenie ciężaru gruntu,
• działanie ciśnienia spływowego,
• zmniejszenie sił utrzymujących stateczność masywu gruntowego przez wzrost
ciśnienia porowego i parcia hydrostatycznego,
• chemiczne i fizyczne oddziaływanie wody na grunt, w następstwie czego
zmniejsza się jego wytrzymałość na ścinanie,
• działanie erozyjne.
Osuwiska w infrastrukturze drogowej
• Osuwiska stanowią jeden z najtrudniejszych problemów,
a rozpoznanie ich powstawania i przeciwdziałanie im
wymaga dużej wiedzy i doświadczenia.
doświadczenia.
• Mimo
bardzo
zaawansowanych
technologii
budowlanych, wykorzystujących najnowsze zdobycze
techniki, wciąż powstają osuwiska, w wyniku których
wyrządzane
są
znaczne
straty
materialne
w
infrastrukturze drogowej.
drogowej.
Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego
Według:
„Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie”
§ 29. Obliczanie stateczności i nośności budowli hydrotechnicznych wykonuje
się według metod określonych w Polskich Normach dotyczących tych
obliczeń.
§ 32. Ziemne budowle piętrzące sprawdza się w zakresie:
1) stateczności skarp wraz z podłożem;
2) gradientów ciśnień filtracyjnych i możliwości przebicia lub sufozji;
3) chłonności, wydajności drenaży;
4) wartości osiadań korpusu i odkształceń podłoża budowli
hydrotechnicznej;
5) niebezpieczeństwa wystąpienia poślizgu po podłożu i w podłożu;
6) niebezpieczeństwa wyparcia słabego gruntu spod budowli
hydrotechnicznej.
Ocena stateczności wału przeciwpowodziowego
• Stateczność wału przeciwpowodziowego należy sprawdzać w
następujących schematach obliczeniowych:
budowlanym, gdy obwałowanie nie jest obciążone spiętrzoną wodą
eksploatacyjnym, przy wysokości piętrzenia dla miarodajnego
przepływu wezbraniowego, przyjmując położenie krzywej depresji z
obliczeń filtracji.
• W przypadku występowania w korpusie lub bezpośrednio pod nim
gruntów spoistych warunki stateczności budowli hydrotechnicznej należy
sprawdzać zarówno w efektywnych jak i w całkowitych parametrach
geotechnicznych.
http://www.cetco.pl/www/pl/strona/43-modernizacja-walow-przeciwpowodziowych
Metody analizy stateczności skarp i zboczy
Obliczanie stateczności w gruntach niespoistych
ϕ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu,
β – kąt nachylenia zbocza do poziomu,
W – ciężar gruntu,
S – siła styczna, powodująca zsuwanie gruntu zbocza,
T – siła tarcia, która zgodnie ze wzorem Coulomba wynosi T = N x tgϕ
Obliczanie stateczności w gruntach spoistych
Metoda Felleniusa
Podział bryły osuwiskowej na bloki
i schemat sił działających na blok w
metodzie Felleniusa
Metoda uproszczona
Bishopa
Analiza stateczności skarpy
metodą Bishopa
Stateczność wału
φ'1 [deg] c'1 [kPa] γ1 [kN/m3] γ1sr [kN/m3] φ'2 [deg] c'2 [kPa] γ2sr [kN/m3] q [kPa]
18
10
19.5
21.5
29
0
20.5
15
bwału= 2,5 m
1
2
3
hwału= 2,35 m
amin=0,5 m
R=2,433m
α3
b3
4
15o
5
6
grunt 1
7
h= 4,308 m
8
9
10
grunt 2
Stateczność wału – stan budowlany
φ'1 [deg] c'1 [kPa] γ1 [kN/m3] γ1sr [kN/m3] φ'2 [deg] c'2 [kPa] γ2sr [kN/m3] q [kPa]
18
10
19.5
21.5
29
0
20.5
15
Nr
q
b [m]
paska
[kPa]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.19
0.25
0.25
0.37
0.38
0.38
0.30
0.30
0.30
0.32
15
15
15
0
0
0
0
0
0
0
A1
γ1
A2
0.0961
0.2949
0.407
0.6311
0.5958
0.5116
0.321
0.231
0.141
0.0512
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
0
0
0
0
0
0
0.011
0.023
0.023
0.012
Ciężar
γsr2 paska W kąt α
[kN/m]
φ'
c' [kPa]
l [m]
c*l
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
18
18
18
18
18
18
29
29
29
29
10
10
10
10
10
10
0
0
0
0
0.914
0.516
0.374
0.476
0.434
0.404
0.306
0.301
0.301
0.326
9.138
5.157
3.736
4.761
4.345
4.044
0.000
0.000
0.000
0.000
4.72
9.50
11.69
12.31
11.62
9.98
6.50
4.98
3.22
1.25
78
61
48
39
29
20
11
4
-4
-11
B
N
R
[kN/m] [kN/m] [kN/m]
4.621
8.309
8.685
7.745
5.633
3.412
1.239
0.347
-0.225
-0.238
39.528
4.493
9.035
11.114
11.705
11.050
9.488
5.681
4.354
2.819
1.093
10.598
8.092
7.348
8.564
7.935
7.127
3.149
2.414
1.563
0.606
57.395
F=
1.45
Fmin = 1,3
Stateczność wału – filtracja ustalona
φ'1 [deg] c'1 [kPa] γ1 [kN/m3] γ1sr [kN/m3] φ'2 [deg] c'2 [kPa] γ2sr [kN/m3] q [kPa]
18
10
19.5
21.5
29
0
20.5
15
bwału= 2,5 m
1
2
3
b3
hwału= 2,35 m
amin=0,5 m
R=2,433m
α3
4
15o
hw3
5
6
grunt 1
7
h= 4,308 m
8
9
10
grunt 2
Stateczność wału – stan ustalonej filtracji przez wał
1
2
3
4
5
[(W cos α − u l ) tan φ '+c' l ]
∑
F=
≥F
∑W sin α
i
i
i i
R
6
7
i i
8
min
i
Nr
q
A1
b [m]
paska
[kPa] [m2]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.19
0.25
0.25
0.37
0.38
0.38
0.30
0.30
0.30
0.32
15
15
15
0
0
0
0
0
0
0
0.0961
0.2949
0.3895
0.5349
0.4438
0.3482
0.2106
0.1515
0.0924
0.0336
γ1
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
19.5
i
A1sr
γsr1
[m2]
0
0
0.018
0.096
0.152
0.163
0.11
0.08
0.049
0.018
9
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
21.5
A2
0
0
0
0
0
0
0.011
0.023
0.023
0.012
Ciężar
γsr2 paska W kąt α
[kN/m]
φ'
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
20.5
18
18
18
18
18
18
29
29
29
29
4.72
9.50
11.72
12.50
11.92
10.30
6.72
5.14
3.32
1.28
78
61
48
39
29
20
11
4
-4
-11
c'
l [m]
[kPa]
10
10
10
10
10
10
0
0
0
0
0.914
0.516
0.374
0.476
0.434
0.404
0.306
0.301
0.301
0.326
c*l
9.138
5.157
3.736
4.761
4.345
4.044
0.000
0.000
0.000
0.000
hw
0.07
0.26
0.40
0.43
0.42
0.35
0.25
0.12
u
[kPa]
u*l
0
0
0
0
0.687 0.2566
2.551 1.2143
3.924 1.7049
4.218 1.7058
4.12 1.2592
3.434 1.0326
2.453 0.7375
1.177 0.3838
B
N
R
[kN/m] [kN/m] [kN/m]
4.621 4.493 10.598
8.309 9.035 8.092
8.711 10.891 7.192
7.866 10.674 7.835
5.780 9.634 6.921
3.524 8.093 6.119
1.281 4.615 1.860
0.358 3.461 1.346
-0.232 2.167 0.792
-0.245 0.740 0.197
39.974
50.953
F=
< Fmin = 1,3
1.27
warunek stateczności przekroczony!
Sprawdzenie gradientów ciśnień filtracyjnych – siatka
hydrodynamiczna
Sprawdzenie gradientów ciśnień filtracyjnych wewnątrz grobli
budowli ziemnej
według:
„Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie”
Przebiciem (wyparciem) hydraulicznym nazywa się zjawisko tworzenia się kanału
(przewodu) w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze (w
końcowej fazie zjawiska – zawiesiną), łączącego miejsca o wyższym i niższym
ciśnieniu wody w porach.
Na powierzchni terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci źródła.
Zjawisko przebicia występuje przeważnie w gruntach mało spoistych podścielonych
gruntami przepuszczalnymi.
2
1
warstwa mało przepuszczalna
warstwa przepuszczalna
Przykład warunków geologicznych, w których może nastąpić przebicie:
1 – miejsce zagrożenia przebiciem.
Sufozja to zjawisko polegające na wynoszeniu przez filtrującą wodę
drobnych cząstek gruntu (przesunięcie ich na inne miejsce lub wyniesione
poza obręb gruntu).
W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość
wody.
Woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować
dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie.
Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego.
Sufozja występuje wtedy, gdy zostanie przekroczony ikr lub prędkość
krytyczna vkr.
gdzie:
k - współczynnik filtracji [m/s].
k
vkr =
15
Sufozja występuje w gruntach sypkich, (przede wszystkim różnoziarnistych). W
zależności od miejsca występowania sufozji w budowli ziemnej rozróżnia się:
sufozję wewnętrzną (występuje wewnątrz danego rodzaju gruntu)
zewnętrzną i kontaktowa (w strefie przypowierzchniowej zapory lub
podłoża a także na styku różnych warstw gruntu, gdy kierunek ruchu wody
jest prostopadły do styku).
Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej wału
Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej:
odpowietrznej:
a) położenie krzywej depresji (brak uszczelnienia i drenażu),
b) układ sił działających na jednostkę objętości gruntu w obszarze pkt. A,
c) wariant zabezpieczenia – obciążenie gruntem gruboziarnistym
1-krzywa depresji, 2-obszar ewentualnego wyparcia, 3-warstwy obciążające
Wyparcie hydrauliczne gruntu na skarpie odpowietrznej wału
Siła filtracji f jest to siła na jednostkę objętości gruntu
wywierana na szkielet gruntowy przez przepływającą wodę:
f = i ⋅γ w
γ w ⋅imax + γ '⋅ sin α ≤ γ '⋅ cos α ⋅ tan φ '
imax = I A = sin α
(
γ w + γ ')
(γ w + γ ') ⋅ sin α ≤ γ '⋅ cos α ⋅ tan φ ' cot α = m ≥
γ '⋅ tan φ '
Zasady zabezpieczania podłoża gruntowego
przed szkodliwym działaniem filtracji
Środki, którymi zabezpiecza się grunty przed
szkodliwym działaniem filtracji można podzielić na dwie
grupy.
1. Sposoby zabezpieczeń zmniejszających spadek
hydrauliczny (wydłużenie drogi filtracji),
2. Konstrukcje gruntowe zwane filtrami
odwrotnymi.
Filtr odwrotny
- jeśli woda przepływa kolejno przez np. trzy warstwy gruntu o coraz
większym współczynniku filtracji, to przy założeniu ciągłości przepływu
można napisać zależność:
v = k1i1 = k 2i2 = k3i3
gdzie:
v
- prędkość [m/s],
k1, k2, k3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s],
i1 , i2 , i3
- spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach
k3
i3
k2
k1
i2
i1
Wały przeciwpowodziowe – drenaż skarpy odpowietrznej
Zasady działania filtru odwrotnego
a) schemat działania, b) układ ziaren (D(II)) w pierwszej warstwie filtru odwrotnego;
1-grunt chroniony o średnicy ziaren (D(I)), 2-warstwy filtru odwrotnego, 3-drenaż, d-średnica
porów w pierwszej warstwie filtru, t - grubość warstwy filtru
1) cząstki gruntu chronionego nie przenikają do porów pierwszej warstwy filtru,
2) ziarna warstwy filtru nie mogą przechodzić przez pory następnej warstwy filtru,
3) ziarna ostatniej warstwy filtru nie powinny dostawać się do drenażu.
W projekcie filtru odwrotnego należy określić ilość warstw, ich grubości i wielkości (średnice)
ziaren w poszczególnych warstwach.
Wały przeciwpowodziowe – drenaż skarpy odpowietrznej
Rodzaje drenaży wału przeciwpowodziowego:
a) płaski (pasmowy), b) połączenie drenażu płaskiego z rurowym, c) drenaż pryzmowy
trójkątny, d) drenaż pryzmowy z ławeczką, e) drenaż skarpowy, f) odmiana drenażu
skarpowego; 1-krzywa drepresji.
Uwaga! Podane wymiary na rys. a) i b) odnoszą się do konkretnych wałów o wys. 6,0 m i 5,5 m.
Filtr odwrotny - zadania
Dany jest blok gruntu o wymiarach 1x1x1 m wycięty z uwarstwionego poziomo
gruntu. Blok składa się z 3 warstw o grubościach h1 = h2 = h3 = 1/3 m posiadających
współczynniki przepuszczalności: k1; k2; k3.
Obliczyć zastępczy współczynnik filtracji dla tego pakietu trzech warstw:
a) dla przepływu pionowego, prostopadle do płaszczyzn kontaktu
b) dla przepływu poziomego równoległego do powierzchni styku
Obliczyć wydatek Q przez blok wielowarstwowy na 1 m2 przekroju poprzecznego do
kierunku przepływu.
Filtr odwrotny - zadania
Filtracja pionowa – prostopadle do warstw
v = k1i1 = k 2i2 = k3i3
gdzie:
v
- prędkość [m/s],
k1, k2, k3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s],
i1 , i2 , i3
- spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach
i ⋅ (h1 + h2 + h3 ) = h1i1 + h2i2 + h3i3
Filtr odwrotny - zadania
Filtracja pozioma – równolegle do warstw
i = i1 = i2 = i3 = const
gdzie:
v
- prędkość [m/s],
k1, k2, k3 - współczynnik filtracji w poszczególnych warstwach [m/s],
i1 , i2 , i3
- spadki hydrauliczne w poszczególnych warstwach
Q = Q1 + Q2 + Q3