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

Transkript

1 ZEMNÍ KONSTRUKCE LUMÍR MIČA, ING., Ph.D. ÚSTAV GEOTECHNIKY 1

2 METODY: - použitím vzorového řešení - odborným odhadem -výpočtem - experimentální modely -observační metoda 2

3 - výpočet Geotechnické kategorie: Složitost stavby nenáročná náročná Geotechnické poměry Geotechnická kategorie Stanovení geotechnických parametrů ednoduché složité ednoduché složité Podle zkušeností ze staveb v okolí. Pro návrh se dovolue použít směrné normové charakteristiky dle ČSN s případným sledováním stavby Geotechnickými zkouškami 3

4 - výpočet Geotechnické poměry staveniště: ednoduché nečlenité; zeminy se neliší; vrstvy ; HPV mimo aspoň 2 I. ednoduch II. složit ité neplatí I Složitost stavby: 1. nenáro ročná H < 3.00 m; terén do 10% 2. náročná neplatí 1 4

5 - výpočet PŘÍSTUP: 1. Stupeň bezpečnosti (stability) 2. Mezní stavy: Návrhové vlastnosti pevnostních charakteristik se stanoví ze vztahu: X d návrhová hodnota X k charakteristická hodnota X d = X k γ m dílčí součinitel spolehlivosti vlastností zemin X d = X γ k m 5

6 - výpočet 1. Dle mezního stavu: Vlastnost zeminy tan ϕ / c / c u q u γ m tan ϕ / tangens úhlu efek. smykové pevnosti c / efektivní soudržnost c u totální soudržnost q u pevnost horniny v prostém tlaku Pozn: hodnoty kritické a reziduální se neupravuí Neupravuí se ani hodnoty dle stupně stability 6

7 - výpočet dle stupně bezpečnosti Zářez Zemina Soudržná Nesoudržná Skalní hornina Smykové parametry (efektivní) Vrcholové Kritické reziduální Vrcholové Kritické Vrcholové Kritické Stupeň bezpečnosti

8 - výpočet dle stupně bezpečnosti Násyp Podloží násypu Zemina Smykové parametry Stupeň bezpečnosti Únosné Soudržná Vrcholové ef. 1.3 Kritické ef Nesoudržná Vrcholové ef. 1.2 Kritické ef kamenitá Vrcholové ef. 1.2 Málo únosné Soudržná Totální 1.5 Kritické ef. 1.2 Nesoudržná Totální 1.5 Kritické ef

9 Co e nutné posoudit: - ztráta celkové únosnosti nebo celkové stability -porušenívnitřní erozí, povrchovou erozí nebo vymíláním -porušenívztlakem -nepřiměřené deformace 9

10 - stabilita 10

11 - stabilita I.MS ztráta celkové stability (únosnosti) analýza za: -odvodněných podmínek γ; φ ; c ; u -neodvodněných podmínek γ; φ u ; c u analýza: - krátkodobá - dlouhodobá 11

12 - stabilita PŘÍČINA: 1. Podmínka přitp itížení/odtížení 2. Progresivní porušov ování 3. Zvětr trávání 12

13 - stabilita Pórový tlak vlivem zatížení: Veškeré úvahy o stabilitě v nasycených emnozrnných zeminách záviseí na vlivu času. Je tomu tak proto, že průměrná velikost spouících pórů e tak malá, že přemístění pórové vody e zpožděno viskózními silami. Chování emnozrnných zemin závislé na čase, vyadřuící závislost změny pórového tlaku na změnách totálních napětí, mohou být uvažovány za podmínek odlehčení a zatížení podle Bishopa a Berruma. 13

14 Návrh a posouzení - stabilita Výpoč et Podmínka přitížení: 14 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča

15 Podmínka přitížení: Přírůstek pórového tlaku má za následek snížení smykové pevnosti a tím i stupně stability. Časem se tento pórový tlak rozptýlí do oblasti neovlivněné konstrukcí, t. do oblasti s nižším pórovým tlakem. Postupnou konsolidací se zemina zpevňue, zvyšue se pevnost a tím i stabilita. Minimální stupeň bezpečnosti e tedy za podmínek krátkodobých, kdy e pevnost nenižší. 15

16 Návrh a posouzení - stabilita Výpoč et Podmínka odlehčení: 16 VUT FAST Brno, Ústav geotechniky Zemní konstrukce Lumír Miča

17 Podmínka odlehčení: V emnozrnné zemině, ako e íl, viskózní odpor k toku pórové vody zabraňue struktuře půdy, částečně zbavené vněšího zatížení, aby se rychle rozpínala a nasávala pórovou vodu z okolní zeminy. Časem se toto sání rozptýlí odvodněním do oblasti sníženého pórového tlaku z okolní oblasti vyššího pórového tlaku neovlivněného odlehčením (např. výkopem). Tato migrace pórové vody způsobí zvětšení obemu zeminy v pásmu vlivu, bobtnání a změkčení struktury zeminy a tím snížení smykové pevnosti. Minimální stupeň stability dostaneme při dlouhodobých podmínkách rovnováhy, kdy pórové tlaky iž nesou ovlivněny změnou napatosti. 17

18 Progresivní porušování: 18

19 - stabilita Metoda: MMSR MMR MNaD. Vstupy: Dle metody. Další: Okra. podmínky Tvar smyk. pl. 19

20 Metoda mezní rovnováhy: předpokládá, že se poruší stabilita svahu podél určité smykové plochy cíl: řeší rovnováhu podél zvolené smykové plochy a hledá plochu s nenižší stabilitou stanovueme: stupeň stability: F (poměr maximální smykové pevnosti k mobilizované smykové pevnosti) mezní stavy: τ působící <τ max 20

21 Metoda mezní rovnováhy: Tento způsob výpočtu předpokládá tuhý ideálně plastický materiálový model, tzn. že nedode k žádným deformací před dosažením meze kluzu a že mez kluzu e shodná s mezí porušení. Dále se předpokládá, že k porušení dode po úzkých plochách. Tyto předpoklady vedou k několika zevným omezením: Úhel vnitřního tření se v souladu s předpoklady mobilizue rovnoměrně po celé délce smykové plochy, což e často v rozporu se skutečností a při návrhu založeném na vrcholovém úhlu vnitřního tření dochází k nebezpečí vzniku progresivní poruchy Nelze určit míru deformace konstrukce. Vzniku nadměrných deformací lze při použití této metody zabránit redukcí úhlu vnitřního tření při výpočtu na takzvaný mobilizovaný úhel vnitřního tření, čímž se ve skutečném pracovním diagramu zeminy udržíme v rámci přibližně pružné části, ale stále nezískáme kvantitativní informaci o deformaci konstrukce. Tato situace vedla ke svým způsobem nepřirozenému rozdělení mechanických úloh geotechniky na problémy stability a problémy přetvoření či sedání. Nelze určit rozložení napětí, přetvoření a obemových změn v rámci konstrukce 21

22 Metoda mezní rovnováhy: Metoda Předpoklady Smyková plocha Splněné podmínky Švédská konvenční metoda (Petterson, Fellenius) 1927 Zednodušená Bishopova metoda 1955 Nezohledňue sousední proužky; J s = 0 kruhová momentová E a E +1 sou kolineární; X X -1 = 0; J s = 0 kruhová momentová Bishopova metoda 1955 E a E +1 sou kolineární; J s = 0 kruhová momentová Morgenstern, Price 1965 Závislost mezi E a X (X = λ. f(x). E; f(x) 1; λ poměrový faktor; J S = 0 Janbu 1973 Sarma 1976 X X +1 sou nahrazeny opravným součinitelem f 0 ; J s = 0 Předpoklad rozdělení vertikální meziproužkové síly; J S = 0 akýkoliv tvar polygonální akýkoliv tvar všechny Vodorovná všechny 22

23 Metoda mezní rovnováhy: řešení: v totálních napětích za využití totálních parametrů smykové pevnosti ϕ u, c u v efektivních napětích ϕ ef, c ef s použitím pórového tlaku u (nepoužívaněší) v efektivních napětích ϕ ef, c ef s použitím proudového tlaku p v geometrie smykové plochy: kruhové smykové plochy (Pettersonova, Bishopova, Mencl-Kristková metoda) rovinné smykové plochy obecné smykové plochy (Metoda Jambu, Sarma atd.) 23

24 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle stupně stability Kruhová smyková plocha - Bishopova modifikovaná metoda vstupní parametry: normové hodnoty výpočtové schéma: Střed otáčení Rameno otáčení pro -tý proužek Rameno otáčení i-té geomříže y i R b i i-tá geomříž α i Kritická smyková plocha geometrie síly působící na proužek 24

25 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle stupně stability Kruhová smyková plocha - Bishopova modifikovaná metoda výsledný výpočtový vztah: F n 1 = n = 1 G sinα = 1 [ c b + ( G u b ) tgϕ ] 1+ secα tgϕ tgα F a musí platit F > F min 25

26 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle mezních stavů Kruhová smyková plocha - Bishopova modifikovaná metoda vstupní parametry: výpočtové hodnoty výpočtové schéma: Střed otáčení Rameno otáčení pro -tý proužek Rameno otáčení i-té geomříže y i R b i i-tá geomříž α i Kritická smyková plocha geometrie síly působící na proužek 26

27 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle mezních stavů Kruhová smyková plocha - Bishopova modifikovaná metoda výsledný výpočtový vztah: aktivní síly: M D = n [ ( f G f b q ) fs + q sinα ]R = 1 pasivní síly: M RS = n = 1 c γ ef mc b + ( f G + f b q b u ) fs q tgϕ + ef χ 1 γ mϕ tgα tgϕ γ ef mϕ secα R posouzení: M D M RS 27

28 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle stupně stability Obecná (polygonální) smyková plocha - Jambu vstupní parametry: normové hodnoty výpočtové schéma: E RX (A) E LY (B) E LX (B) E LY (B) E RY E RX A E RY (A) E LX (B) smyková plocha B tlaková linie Geometrie, síly působící na proužek 28

29 Metoda mezní rovnováhy - výpočet podle stupně stability Obecná (polygonální) smyková plocha - Jambu vstupní parametry: normové hodnoty výpočtové schéma: F n 1 = n = 1 G tgα = 1 [ c b + ( G u b ) tgϕ ] 2 sec α tgϕ tgα 1+ F a musí platit F > F min 29

30 σ σ Pracovní diagram lineárně pružného modelu ε Pracovní diagram nelineárně pružného modelu ε 30

31 σ f y ε Pracovní diagram pružně-plastického modelu Cam Clay pružnoplastický model sisotropním zpevněním, plocha plasticity ve tvaru rotačního elipsoidu 31

32 Metoda řešení napatosti a deformace: Výhody: postupný přehled p o napatosti v ednotlivých elementech v nehomogenních materiálech lze sledovat redistribuci napětí přehled o celkovém m charakteru přetvp etváření lokalizace kritických míst m Nevýhody nebo spíš íše e přesnostp esnost : ne plně výstižné konstituční vztahy vstupní parametry zemin volba elementů (závis visí na zkušenosti řešitele, např.. zahuštění ) 32

33 Nepřim iměřené deformace: II.MS mezní stav použitelnosti (deformace): Analytický přístup: -lichoběžníkové zatížení na páse b a a b δ 1 α 1 α 2 M(x,z) δ2 σ z q π a + b b ( α + α ) + ( δ + δ ) + ( δ ) = δ 2 x a 33

34 1. Dle mezního stavu: II.MS mezní stav použitelnosti (deformace): násyp H > 6 m a podloží - stlačitelné, S r 1.00, pomalu konsoliduící zemina Časový průběh sedání V době dokončení stavby en 75 % s celkové opatření 34

35 1. Dle mezního stavu: II.MS mezní stav použitelnosti (deformace): násyp H > 3 m a podloží spraš, sprašové hlíny Musí se stanovit sednutí + prosedavost 35