Ścianki szczelne

W prezentacji tej obszernie korzystałem z materiałów dokumentacyjnych zebranych przez mgra inż. Sebastiana Olesiaka, za co mu jeszcze raz tą drogą składam podziękowanie.

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelneŚcianki szczelne to lekkie konstrukcje oporowe złożone z podłużnych elementów drewnianych, stalowych, żelbetowych lub PVC zagłębianych w grunt ściśle jeden obok drugiego, tak by całość stanowiła szczelną płytę obciążoną siłami poziomymi niekiedy również siłami pionowymi

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Ścianki szczelne stanowią zasadniczy element konstrukcyjny w następujących rodzajach budowli:

w budowlach oporowych (nabrzeża portowe, umocnienia brzegowe, przyczółki mostowe, ściany oporowe itp.),

w budowlach piętrzących, w których ścianka szczelna stanowi przeponęuniemożliwiającą lub zapobiegającą przenikaniu wody z górnego poziomu do dolnego przez podłoże budowli,

w fundamentach niższych budowli, w których ścianka szczelna stanowi bardzo często istotny element zapobiegający wypłukiwaniu gruntu spod podstawy fundamentu.

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Podział i rodzaje ścianek szczelnych1. Drewniane

Stosowane bardzo rzadko i tylko jako konstrukcje tymczasowe, dlapodrzędnych budowli w przypadkach gdy agresywność środowiska wyklucza stosowanie innych materiałów.

2. Stalowe

Ścianki o najszerszym zastosowaniu, zarówno jako konstrukcje tymczasowe i stałe. Brusy stalowe mogą być wykorzystywane wielokrotnie. Stosowane we wszelkich rodzajach gruntów. Szczelność zależna od konstrukcji zamka.

3. Żelbetowe

Wykonywane jako pale prefabrykowane żelbetowe lub sprężone o przekroju prostokątnym wprowadzane w grunt za pomocą kafarów, szczelność uzyskana poprzez odpowiednią konstrukcję połączenia pala z palem lub wykonywane jako grupy pali wierconych z zachowaniem odpowiedniej szczelności na styku pali sąsiadujących ze sobą

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

4. Z tworzyw sztucznych

Ścianki te posiadają dużą odporność na czynniki korozyjne i atmosferyczne, są lekkie, bezpieczne dla środowiska, elastyczne (co zwiększa ich odporność na uderzenia udarowe np. podczas cumowania statków) i estetyczne dzięki dowolnej, trwałej kolorystyce

Podział i rodzaje ścianek szczelnych

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zastosowanie ścianek szczelnych1. W budowlach oporowych, gdy ścianka utrzymuje grunt naziomu

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zastosowanie ścianek szczelnych2. W budowlach piętrzących, w których ścianka szczelna stanowi przeponę

zapobiegającą przenikaniu wody

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

3. W budowlach miejskich, w których ścianka szczelna stanowi istotny element oporowy zapobiegający wypłukiwaniu gruntu spod fundamentu przeciwstawiając się utracie przez niego stateczności

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zastosowanie ścianek szczelnych

Zastosowanie ścianek szczelnych

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

4. W konstrukcjach spełniających funkcje ochronne (np. falochrony)

5. W konstrukcjach przyczółków mostowych

Wykonywanie ścianek szczelnych

Wprowadzanie grodzi w grunt Zakładanie bloku kotwiącegoKotwienie Niwelowanie terenu za ścianą oraz wybranie gruntu sprzed ściany

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Elementy ścianek szczelnych

brusy (grodzie) stalowe

przekładki usztywniające

kleszcze

śruby spinające

Elementy ścianek szczelnychStalowe ścianki szczelne wykonywane są z szerokiej gamy profili stalowych: płaskich, korytkowych, skrzydełkowych i zetowych zakończonych zamkami gwarantującymi odpowiednią szczelność oraz łatwość montażu i demontażu

zamek

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

brus Kruppa

brus Larssena

Sposoby wprowadzania ścianek w gruntDynamiczne - poprzez użycie wibratorów hydraulicznych

wibrator

pompa

brus stalowy

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

250 kg30 t

Sposoby wprowadzania ścianek w gruntDynamiczne - z wykorzystaniem młotów

hydraulicznych i spalinowych o dużej energii udaru

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Statyczne - poprzez wciskanie brusów w grunt ograniczając powstawanie szkodliwych drgań i hałasów

Sposoby wprowadzania ścianek w grunt

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Sposoby wprowadzania ścianek w grunt

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Konstrukcje stałe wykonywane ze ścianek szczelnych wymagają bardzo starannego, osiowego prowadzenia w gruncie, dlatego niezbędne jest korzystanie z prowadnic

Kotwienie ścianek szczelnych

Ścianki szczelne kotwione są na ogół na jednym poziomie, przy konstrukcjach wyższych można stosować kilka poziomów kotwienia. Kotwienie odbywa się na poziomie wody gruntowej lub na poziomie wody w basenie.

Zakotwienie ścianki może odbywać się przy pomocy: bloków i cięgien, płyt, pali kozłowych, ścianek szczelnych, kotwi, kotwi iniekcyjnych i kotwi gruntowych.

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zalety ścianek szczelnychłatwe w montażu i demontażu i sprawdzające się w każdych warunkach gruntowych

lekkie

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zalety ścianek szczelnychszczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Zalety ścianek szczelnychestetyczne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianki szczelne

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Przy obliczaniu płyty kotwiącej w obliczeniach przyjąć współczynnik bezpieczeństwa FSa=1.2 dla parcia gruntu i FSp=0.85 dla odporu gruntu

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionymRozpatrzmy siły działające na ściankę szczelną umiejscowioną w jednorodnym, idealnie sypkim,niezawodnionym gruncie. Załóżmy, że dla utrzymania stateczności wykopu o głębokości h została ona zabita w grunt na głębokość d. W odległości a od naziomu wykopu ścianka została zakotwiona kotwią oddziałującą z siłą T.

Z rozkładu naprężeń wynika, że równanie równowagi momentów wokół punktu zakotwienia ma postać:

( ) 032

21

32

32

21 22 =

−+−

−++ adhdKadhdhK pa γγ

( )

−+−=

−++ adhd

KK

adhdha

p

32

32

32 22

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Równanie to można zapisać w następującej postaci:

−

+

−

+

+=

ha

hd

ha

hd

hd

KK

hd

p

a

321

231

132 22

Równanie to można rozwiązać iteracyjnie podstawiając kolejne wartości zagłębienia d. Znając wartość d można obliczyć siłę w kotwi z równania równowagi sił na oś poziomą:

( )22

1 21

21 dhKdKTP ap

n

iix +−+=∑

=

γγ

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

( )[ ]22

21 dKdhKT pa −+= γ

Stąd otrzymujemy wartość siły T równą:

Wartości sił tnących w poszczególnych przedziałach są równe:

( )22

2

2

21

21

21

21

0

hzKTzKQ

dhzhprzedziałIII

TzKQ

hzaprzedziałII

zKQ

azprzedziałI

pa

a

a

−++−=

+<≤

+−=

<≤

−=

<≤

γγ

γ

γ

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionymWartości momentów zginających w poszczególnych przedziałach są równe:

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

( )

( ) ( )33

3

32

61

61

61

61

321

0

hzKazTzKM

dhzhprzedziałIII

azTzKM

hzaprzedziałII

zKzzKM

azprzedziałI

pag

ag

aag

−+−+−=

+<≤

−+−=

<≤

−=−=

<≤

γγ

γ

γγ

aa

gg

KTzzKTQ

QMM

γγ 20

21

0

2

max

=⇒=−=

=⇔=

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

( )

−=−=

−+−=

−+−=

−+−=

=

aKTTTa

KTTM

TaKTT

KTTM

aKTT

KT

KTKM

azTzKKTzM

aag

aag

aaaag

aa

g

γγ

γγ

γγγγ

γγ

2322

32

223

22261

612

max

max

max

3max

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Rozpatrzmy konstrukcję ścianki szczelnej dla wykopu o wysokości h = 5 m, wykonanego w gruncie o ciężarze objętościowym γ = 20 kN/m3 i kącie tarcia wewnętrznego równym φ = 30o. Załóżmy, zakotwienie w odległości a = 1 m odnaziomu.

Określić zagłębienie ścianki szczelnej (d) i siłę naciągu kotwi (T). Narysować wykres sił tnących oraz momentów zginających wzdłuż ścianki. Znaleźć maksymalny moment zginający.

Zagłębienie ścianki określamy stosując procedurę iteracyjną podstawiając kolejno wartości stosunku d/h aż do uzyskania wymaganej zbieżności obu stron równania. Otrzymujemy:

mdhd 9025.13805.0 =⇒= Przyjęto: md 0.2=

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

( )[ ] kNdKdhKT pa 17.4321 22 =−+= γ

Dla takiej wartości zagłębienie siła w kotwi jest równa

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

-60 -40 -20 0 20 40Sila tnąca, kN

7

6

5

4

3

2

1

0

Głę

bokość

, m

Wykres sił tnących wzdłuż ścianki.

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

-50 -25 0 25 50 75Moment zginający, kNm

7

6

5

4

3

2

1

0

Głę

bokość

, m

Wykres momentów zginających wzdłuż ścianki.

kNmM

aKTTM

g

ag

4.60

232

max

max

=

−=

γ

Wskaźnik wytrzymałości przekroju:

3

max

67.402150

4.60 cmMPa

kNW

kM

W

gx

d

ggx

==

=

kd –naprężenie dopuszczalne dla stali

Maksymalny moment zginający jest równy:

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.922

Entry + exit

1

2

2

3

78

9

101112

1.922

2

3

78

9

101112

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.866

Entry + exit

1

2

2

3

78

9

10

1.866

2

3

78

9

10

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=1.401

Autolocate...!?

1

2

2

3

78

9

10

1.401

2

3

78

9

10

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Wartość wskaźnika stateczności wg Bishopa – FS=?

Autolocate

Marek Cała – Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Ścianka szczelna w jednorodnym gruncie niezawodnionym

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

20-Oct-05 20:02 step 210657 -1.509E+00 <x< 1.378E+01 -1.340E+01 <y< 1.890E+00

Factor of Safety 1.00Max. shear strain-rate 0.00E+00 2.50E-08 5.00E-08 7.50E-08 1.00E-07 1.25E-07 1.50E-07

Contour interval= 2.50E-08Boundary plot

0 2E 0

Velocity vectorsmax vector = 4.302E-07

0 1E -6 -1.200

-1.000

-0.800

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

(*10^1)

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200(*10^1)

JOB TITLE : .

Marek Cala Katedra Geomechaniki

• Szymański A. – Wykłady z mechaniki gruntów i budownictwa ziemnego

• Wiłun Z. – Zarys geotechniki• Lambe T. W. Whitman R.V (1976, 1977) Mechanika

gruntów,Tom I i II, Arkady, Warszawa• Verruijt A. 2001. Soil Mechanics• Coduto D.P. 1999. Geotechnical Engineering.• Coduto D.P. 2001. Foundation design.• Jarominiak A. 1999. Lekkie konstrukcje oporowe.• Myślińska E. 2001. Laboratoryjne badania gruntów.• Cios I., Garwacka-Piórkowska S. 1990. Projektowanie fundamentów.• Puła O., Rybak Cz., Sarniak W. 1997. Fundamentowanie.• Obrycki