Predav Zagatne Stijene i Dijafragme 0409

GEOTEHNICKO INŽENJERSTVO VII 2008-2009

ZAGATNE STIJENE I DIJAFRAGME

ZAGATNE STIJENE I DIJAFRAGME

- PRIMJERI RADOVA - IZVEDBA STIJENA - PRORACUN SILA NA STIJENU - STABILNOST DNA ISKOPA

[Year]

2 -

ZAGATNE STIJENE I DIJAFRAGME – KADA I ZAŠTO ?

Kada se želi sniziti teren radi izvedbe nove gradevine uz postojece, ili kada se radi novi nasip radi izvedbe pristanišnih dokova na vodi, ili kada se želi osigurati iskop u vecoj dubini radi polaganja instalacija - cijevi- ili radi slobodnijeg rada, koriste se potporne konstrukcije koje privremeno ili trajno pridržavaju tlo (sl. 1.).

nasip sidro

slika 1. Korištenje potpornih konstrukcija tipa zagatna stijena ili dijafragma Ove geotehnicke konstrukcije treba isprojektirati tako da se odredi potrebna dubina zabijanja i nacin pridržanja vitke potporne stijene uzimajuci u obzir sva djelovanja i zadane uvjete u okolišu (voda, prisustvo susjednih objekata, opasnost od slijeganja susjednih temelja i sl.). Potrebno je odrediti dubinu zabijanja stijene, odabrati njene dimenzije s obzirom na potrebnu krutost, te ocijeniti deformacije u okolini za sve faze izvedbe i za konacno stanje (privremeno ili trajno).

3

4

SLIKA 3.1. Plici iskopi mogu se raditi bez zaštite, ali svaki dublji od 1,25 m mora imati prilagodbu, te za dubine vece od 1,75 m i pridržanja

Slika 3.2. Nacin rotacije znacajno utjece na velicinu i raspored tlakova na stijenu (Ohde); novija istraživanja pokazuju da stvarna raspodjela tlakova na stijenu ovisi o nizu faktora (krutost stijene, raspored krutosti tla po dubini, naponsko-deformacijska svojstva tla, nacin pridržanja, dubina zabija nja); prikazano tlo ima trenje; najbliža raspodjela onoj po Coulombu je slucaj a)

5

SLIKA 3.4. Za stijenu (a) opterecenu tlakom tla i djelovanjem opterecenja na površini, kada rotira kao kruti disk (b) razvijaju se tlakovi – aktivni i pasivni – ovisno o deformaciji u tlu (c); pasivni tlakovi (d), te pojednostavljenje po Blumu (e) – sa silom C za ravnotežu

6

Slika 3.6. Voda se može procjedivati s jedne na drugu stranu (na iskop); pri tome se tlakovi od strujanja smanjuju iza stijene a povecavaju ispred stijene (c) ;

7 ZAGATNE STIJENE – TANKE I FLEKSIBILNE STIJENE – PRIVREMENE KONSTR. DIJAFRAGME – KRUTE TRAJNE KONSTRUKCIJE – BETONSKE

drvene platice raznih formi i spajanja

betonske platice - armirane (15 - 25 cm debele)

8

Slika 3.7. Sustav razupora treba biti dobro osmišljen i izveden

9

slika 4. Razliciti materijali za izradu elemanata što se zabijaju u tlo

slika 5. Zagati se mogu zabijati kroz temeljno tlo prije njegova poravnanja do potrebne konacne kote (tzv. linija iskopa ili uredenja dna), ili se taj dio može izvesti nakon što se poravna dno pa se onda iza instalirane stijene zasipa nasip od nekog tla (ovdje je to nekoherentno tlo, jer se radi o vodi), te kada se stigne do nivoa sidra ono se postavi i tada se nastavlja zasipavanje do kraja)

10 Slika tlakova u stavrnosti (b) je nešto drugacija od raspodjele koju mi usvajamo radi lakšeg racunanja (c), ali takvo modeliranje ne izaziva vece netocnosti i sasvim zadovoljava potrebe prakse. Za svaku zonu racuna se iznos i raspodjela horizontalnih tlakova preko vertikalnog naprezanja i koeficijenata aktivnog tlaka i pasivnog otpora.

slika 7. Zagatna stijena u pijesku: od slike tlakova s jedne i s druge strane stijene dobiju se tzv. neto tlakovi na stijenu. Oni izazivaju savijanje stijene i u odnosu na najveci moment savijanja dimenzionira se stijena. U datom slucaju na slici tlakovi od vode se uravnotežuju. Do tocke D (dubina L1+L2) postoje samo aktivni tlakovi. U ravnini tocke D nema pasivnog tlaka ispred stijene (vertikali tlak od tla je nula, jer je to površina terena). Ispod tocke D u zoni iza stijene raste aktivni tlak, ali ispred nje raste i pasivni otpor, pa je konacni bilans (razlika) tlakova takav da se u tocki E tlakovi poništavaju, od E do F' su pasivni tlakovi ispred stijene a ispod F' su pasivni tlakovi iza stijene. Ova raspodjela vrijedi za bilo koji materijal (tlo) uz uvažavanje parametara cvrstoce i položaja podzemne vode. Uz efektivna naprezanja od tla na stijenu djeluju i tlakovi od vode.

11

L5= (p3L4-2P)/(p3+p4), a dubina zabijanja (teoretska) = L3+L4 L4 se odredi iz jednadžbe (postupkom pokušaja i pogreške): L44+A1L43-A2L42-A3L4-A4=0 uz vrijednosti: A1 = p5/(γ' x (Kp-Ka)), A2=8P/(γ' x (Kp-Ka)), A3= 6P(2zγ'(Kp-Ka)+p5)/((γ' x (Kp-Ka))2 A4=P(6zp5+4P)/((γ' x (Kp-Ka))2 , Teoretski izracunata dubina uvecava se za 20-30% (sigurnost). Najveci moment se odredi na mjestu gdje je rezultanta poprecnih sila od tlakova jednaka nuli, a to je na visini

z = ,

−  2P 1 1  , gdje je najveci moment M max = P z + z '  −  γ ' z '2 ( Kp − Ka) ) z ' , (Kp - Ka)γ   2 3  

(z potez je težište gdje djeluje sila P)

Buduci da se stijena deformira, momenti su manji u takvoj deformiranoj stijeni nego u nedeformiranoj (po cemu se racunaju), pa ih treba reducirati (Rowe-ov postupak).

12 slika 8. Redukcija izracunatih momenata prema Rowe, za pijesak, gdje je relativna H '4 fleksibilnost stijene = ρ = 10,91 ⋅ 10 −7 , za slobodnu stijenu EI

slika 9. Zagatna stijena u glini - mijenja se slika pasivnog otpora, kao što bi se mijenjala i za aktivni tlak da je umjesto pijeska glina iza stijene; nedrenirana cvrstoca cu odreduje tlakove jer su koeficijenti Ka=Kp=1.

13

slika 10. Redukcija momenata za slobodnu stijenu u glini

14 Proracun zagatnih stijena može se obaviti na nekoliko nacina: pojednostavljeno, bez uzimanja u obzir deformacija potporne konstrukcije i tla, te uz uzimanje u obzir fleksibilnosti / krutosti potporne konstrukcije (i ovdje to može biti jednostavnije – pomocu koeficijenata reakcije tle, tj. model po Winkleru, ili detaljnije uzimanjem u obzir naponsklo-deformacijskih odnosa u tlu posebnim modelom tla u numerickoj simulaciji metodom konacnih elemenata). POJEDNOSTAVLJENI PRORACUN ZAGATNIH STIJENA -

Samo pojednostavljena provjera sloma kroz jednadžbe ravnoteže Zahtijeva se dodatni precizniji proracun Dubina zabijanja stijene cesto se predlaže u povecanju od cak 50% u odnosu na izracunatu Nevjerodostojni momenti savijanja stijene

PRORACUN KORIŠTENJEM WINKLEROVOG MODELA -

Jednostavan model, sustav opruga zamjenjuje tlo Koeficijent reakcije tla se prognozira (problem – horizontalni smjer, promjena po dubini, nelinearnost tla) Iskusni korisnici uspješno modeliraju tlo , relativno upotrebljivo Nepouzdane deformacije

PRORACUN METODOM KONACNIH ELEMENATA -

Modelira se tlo putem naponsko-deformacijskih odnosa (nelinearni odnosi) Može se simulirati izvedba u fazama Uzima se u obzir krutost konstrukcije, ponekad i popuštanje i/ili puzanje Pocetno stanje naprezanja U glinama, prijelaz sa ndreniranog na drenirano stanje Krutost podupora/sidara i bilo kakvo prednapinjanje Rasterecenja momenata Trodimenzionalni efekti koji mogu voditi smanjenju deformacija i efekata djelovanja u kutevima iskopa

15 UTJECAJ VODE -

Procjedivanje – uzgon - zaštita

a) Sniženi nivo vode, djelovanje bunara; b) arteški tlak vode, c) pojava vode u više slojeva – nepovezani tlakovi

Razliciti uvjeti tecenja: a) homogeno tlo, b) iskop pod vodom, c) gornji sloj propusniji od donjega, d) donji sloj propusniji od gornjega

16

Kod mekih glina je problem izdizanja dna iskopa (tzv. bujanje dna) a kod pijesaka procjedivanje vode kroz dno u jamu i izazivanje gradijenata koji vrše eroziju i destabiliziraju dno.

slika 12. Strujanje vode u jamu kroz pijesak može proizvesti hidraulucki slom. Potrebno je preko strujne mreže provjeriti stvarne gradijente u izlazu vode u jamu i osigurati se od hidraulickog sloma.

Problem u iskopu predstavlja prisustvo vode. Ta se može odstraniti crpljenjem, pomocu sustava bunara u široj zoni iskopa, ili brojnim pumpama manjeg kapaciteta uz samu zonu iskopa. Poseban proracun potreban je za taj dio projektnog rješenja, a i ispitivanja (vidi bunare i njihov proracun- probno crpljenje).

(

)

πk H 2 − h 2 0 Q= 2,3 log 10 (R / r0 ) Q = ukupna kolicina vode, H = visina vode na razmaku R od ruba zamjenjujuceg

17

kanal bunari rw

zamjenjujuci bunar

R

k

r ho

h

H

ro

skica položaja bunara za crpljene vode s ciljem da se gradevna jama oslobodi dotoka vode oznad njenog dna. Betonske dijafragme rade se obicno kao stalne konstrukcije koje postaju i nosivi dio u objektu. Imaju debljinu od 40-80 cm, kopaju se u segmentima, sidre se redovima sidara i proracunavaju se po iskazanim principima.

18 IZVEDBA BETONSKIH DIJAFRAGMI

19

Redoslijed izvedbe : a) , b) iskop u kampadama (tri širine kopaca), c) upuštanje aramture i betoniranje u dugom primarnom panelu, d) upuštanje aramture i betoniranje u uskom sekundarnom panelu

20

21

ODREDBE EUROCODE-a Eutocode zahtijeva da se provjere sva granicna stanja: a) opci lom (izvan zone stijene) - gubitak opce stabilnosti b) lom strukturnog elementa - zida, sidra, stijene, spoja c) kombinirani slom tla i elementa konstrukcije d) hidraulicki slom e) pretjerana defleksija stijene (pokreti stijene) f) nedopustivo curenje kroz ili iza zida g) nedopustiva erozija i transport- odnošenje tla h) nedopustiva promjena strujanja vode

slika opceg problema nestabilnosti

22 ISKOP UZ RAZUPORE

Razuporama se može osigurati stabilnost iskopa gradevne jame, ali se njima smanjuje manevarski prostor u zoni jame. Razupore mogu biti horizontalne (izmedu dvije ravnine iskopa) ili kose (od dna iskopa prema stijeni).

Stijene koje se postavljaju do tla su fleksibilne, i obicno od drveta ili najcešce od profiliranog lima. Podmetaci (grede) koje primaju opterecenje od stijene (odnosno od razupora) su drvene ili metalne grede. Poseban problem predstavlja voda, koja se mora evakuirati iz radnog prostora, odnosno mora se ukljuciti u tlakove na stijene (razupore), te se mora provjeriti stanje gradijenata toka vode radi sprijecavanja Dimenzioniranje zagatnih stijena provodi se na temelju opterecenja koje na stijene prenosi tlo, a prema dijagramu sa slike. Nedrenirana cvrstoca je prosjecna cvrstoca duž stijene, osim za stabilnost dna jame, kada se uzima iz zone d na jame.

pijesak

glina Hγ/cu≤4 0.25 H

H

glina Hγ/cu>4 0.25 H

0.5H 0.5 H

23

qB = γ H = N c cub (Nc = koeficijent nosivosti prema Skemptonu, izmedu 5-6, ovisno o odnosu dubine iskopa prema širini iskopa; cub=nedrenirana cvrstoca ispod dna iskopa) Prema iskustvu vrijede slijedeci odnosi : γ H / cub < 6 - nema vecih deformacija stijene i izdizanja dna iskopa γ H / cub ≈ 8

- doci ce do vecih deformacija stijene i izdizanja dna iskopa, cak i kod dobro projektiranog sustava razupora

γ H / cub > 8

- doci ce do sloma razupora usljed kretanja vanjskog tla prema jami i izdizanja tla

Uvijek se mora provjeriti stabilnost dna iskopa prije odredivanja velicine sila u razuporama. Prednapinjanje razupora u iznosu od 40% do 70% ocekivane sile. Potreban je faktor sigurnosti veci od jedan za usvajanje sile u razuporama. Preporuka za razmak horizontalnih razupora u plasticnim glinama (radi ocuvanja dovoljno malih deformacija) je h = 2cu / γ , a cu se uzima kao prosjek u zoni ispod naredne razupore a cija je visina B/2 (B = širina iskopa). Za kose razupore oslonjene na tlo može se koristiti izraz za nosivost kosog temelja kao mjera zaštite od moguceg sloma tla i deformacija sustava. Faktor sigur nosti na tako izracunatu nosivost treba biti veci od 3. Cesto se koriste i sidra za stabilnost i nedeformabilnost iskopa uz zagatne stijene. Ona se moraju izvesti sa sidrenom dionicom izvan zone loma tla (klin tla). H/5

traka tla izmedu sidra i klina koja se

24 SIDRA U TLU I STIJENAMA Iskopi gradevnih jama i velike denivelacije cesto zahtijevaju uporabu potpornih konstrukcija koje zbog uvjeta iskopa, svoje vitkosti, karaktera zahvata (privremeni ili stalni) zahtijevaju pridržanja po visini. Ta pridržanja preuzimaju sile koje rasterecuju potpornu konstrukciju i omogucuju joj vitkost i manju deformabilnost. Takvi se zahvati izvode kod zagata i kod betonskih dijafragmi (npr. kod iskopa dubokih jama za interpolacijske zgrade-garaže i podrumi). Najstariji, ali još uvijek korišteni postupak pridržanja, su razupore (slika 1.) koje se postavljaju tako da se oslanjaju na obje strane iskopa (npr. kanali ili šahtovi) ili su kose podupore. Sile u takvim razuporama dobiju se iz dijagrama opterecenja na stijenke, koji se odreduju prema materijalu u kojem se izvodi zahvat temeljem iskustvenih pokazatelja. Ukupni iznos sile na potpornu konstrukciju može se umanjiti uporabom pridržanja na potpornoj konstrukciji. Ako se u jednoj ili više tocaka sprijece ili smanje deformacije u potpornoj konstrukciji (zagatnoj stijeni) momenti savijanja na stijenu se smanjuju i time omogucuju izvedbu jeftinije konstrukcije uz ogranicenje deformacija stijene. Sidra mogu biti iskorištena umjesto razupora, kao trajno ili privremeno rješenje. Za razliku od razupora, uporaba sidara omogucuje slobodan radni prostor i prednapinjanje stijene što pozitivno djeluje na umanjenje deformacija stijene.

25 U slucaju jednostranih stijena za preuzimanje sila mogu se koristiti sidra, koja silu predaju u tlo preko pilota, sidrene ploce ili sidrene dionice. (sl.2).

slika 2. Mogucnosti predaje sile u tlo za sidrene konstrukcije Piloti preuzimaju horizontalnu silu iz sidra preko sidrenog bloka gdje se sile uravnotežuju. Pri tome jedan pilot ima tlacnu a drugi vlacnu silu.

26

slika 4. raspodjela sila na stijenu sa sidrom

Sidro može biti položeno horizontalno ili koso. Položaj i smjer sidra ovisi o uvjetima u tlu, dozvoljenim deformacijama i geometriji i krutosti stijene. Na slici 5. prikazano je koso sidro i uvjeti ravnoteže. Za isti slucaj klizne plohe horizontalno sidro umanjilo bi silu N i T ali bi imalo vecu horizontalnu silu.

27 plohe (da se ne preklapaju klizne plohe od pasivnog loma ispred ploce i klina tla) i dubinu sidrenja (slika 6). Nakon što se odredi dubina d2 i sila koju može preuzeti sidreni blok (razlicito se odreduje za nekoherentno i koherentno tlo) može se odrediti velicina bloka (H i L) koji treba preuzeti silu iz sidra.

slika 6. Djelovanje sila na sidrenu plocu u pijesku, odredivanje tlakova Za slucaj koherentnog tla racuna se s nedreniranom cvrstocom kao da se radi o pilotu koji prenosi silu u tlo na plohi H x L (slika 7).

28

slika 8. Racun sila na sidrenu plocu glini (lijevo) i pijesku (desno) Ponekad se citava platna ili visoke a tanke grede (ravninski elementi) mogu koristiti kao zatege, npr. u obalnim konstrukcijama. Svaka zatega mora imati osiguranu trajnost u pogledu materijala (popuštanje, cvrstoca, korozija) i u pogledu preuzimanja sila koje se pojavljuju za citavog vijeka trajanja konstrukcije. U tlu se cesto izvode sidra u bušotinama u kojima se sila iz sidra prenosi prionjivošcu na tlo, preko injektirane smjese. U bušenu rupu u tlu (do potrebne dubine) instalira se šipka sidra tako da se njen najdublji dio injektira injekcijskom smjesom pod tlakom i tako ostvari veza s tlom. Tlo ce u toj zoni biti zbijeno od injektiranja i omoguciti preuzimanje vece sile. Preostali dio sidra se zaštiti od korozije odgovarajucim oblogama.

SIDRA U STIJENAMA Sidra se vrlo cesto koriste u stijenama, narocito kod tunela (primarna zaštita iskopa) , kod potpornih zidova ili kod osiguranja stijenskog masiva od utjecaja pukotinskog sustava (pokosi, temelji i sl.). Posmicna cvrstoca spoja stijene i injektiranog sidra ocjenjuje se prema iskustvenim

29

[

τ = f ⋅ N SPT , f = 3 − 5, kN / m 2

]

τ = 0.1⋅ qu ,

Slican izraz vrijedi i za tlo, kada sidro prenosi silu u tlo prionjivošcu.

posmicno naprezanje izmedu celika i stijene, N/mm2

Ispitvanja pokazuju da se trenje (sila prionjivosti) ne aktivira u isto vrijeme po citavoj duljini fiksne dionice (slika 9), nego da se s povecanjem sile u sidru maksimalni posmicni napon seli prema kraju sidrene dionice.

udaljenost od pocetka fiksne zone gdje se prenosi prionjivost (m) fpu = maximalni napon prionjivosti

sl.9. Razvoj posmicnih naprezanja uzduž zone nosivosti sidra sa silom

dionica u kojoj se ostvaruje zaštita od korozije

30

Na slici 10. prikazani su razni slucajevi izvedbe sidrene dionice.

Jednostruko sidro zamjenjuju danas višestruka sidra u istoj bušotini, kako bi se bolje iskoristila nosivost sidrene dionice, koja se kod jednog sidra nikada u potpunosti ne aktivira.

a) fiksna zona citavom duljinom prenosi opterecenje, od krajeva prema sredini, tako što se koncentracija opterecenja na krajevima širi prema sredini

b) opterecenje se prenosi od kraja prema naprijed, kako se sila povecava,

c) višestruka sidra u istoj bušotini- osiguravaju jednolicniju raspodjelu naprezanja u bušotini kako sila raste

31

Nosivost sidara je od 10 do nekoliko stotina tona (u boljim stijenama). Faktori sigurnosti su od 1.4-2, ovisno o namjeni i uvjetima. Novije tehnologije postižu velike nosivosti uz jednostavnost izvedbe.

32

a)

b)

33

f) odredivanje izlaznog gradijenta kod brane (homogeno tlo)

34