Awarie i uszkodzenia konstrukcji z geosyntetykami - błędy projektowe i wykonawcze
Cz. 3. Mechanizmy zniszczenia konstrukcji oraz metody obliczeń
Mechanizmy zniszczenia konstrukcji oraz metody obliczeń
Arch. autora
Trwałość konstrukcji wykonywanych z zastosowaniem materiałów geosyntetycznych zależy w dużym stopniu od wyboru konkretnego rodzaju i gatunku geosyntetyków, a także od jakości wykonania. Etapem często pomijanym przez projektantów jest wykonanie szczegółowych obliczeń, które umożliwią prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji.
Zobacz także
Baumit Ekologiczne i zdrowe materiały budowlane – klucz do zrównoważonego budownictwa
Współczesne budownictwo coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na estetykę i funkcjonalność, ale także na wpływ używanych materiałów na zdrowie ludzi oraz środowisko. Ekologiczne materiały budowlane to...
Współczesne budownictwo coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na estetykę i funkcjonalność, ale także na wpływ używanych materiałów na zdrowie ludzi oraz środowisko. Ekologiczne materiały budowlane to kluczowe elementy idei zrównoważonego budownictwa, które minimalizuje negatywny wpływ na planetę i zapewnia komfort życia użytkownikom budynków. W artykule przyjrzymy się, czym są zdrowe materiały budowlane, dlaczego klimat wewnętrzny budynków jest tak istotny oraz, jakie innowacyjne rozwiązania oferuje...
Sika Poland news Gresmax w Lublinie – nowe Centrum Hydroizolacji Sika
Od 21 marca br. na mapie lokalizacji Centrum Hydroizolacji Sika działa nowy punkt – zapraszamy do Gresmax przy ul. Energetyków 19 w Lublinie.
Od 21 marca br. na mapie lokalizacji Centrum Hydroizolacji Sika działa nowy punkt – zapraszamy do Gresmax przy ul. Energetyków 19 w Lublinie.
Czytaj całość »
Albaterm Maty izolacyjne Iglo floor – niezawodne systemy ogrzewania podłogowego
Szukasz energooszczędnych materiałów do budowy lub termomodernizacji? Oczekujesz rozwiązań o wysokiej efektywności energetycznej? Poznaj nowoczesne maty izolacyjne Iglo floor do systemów ogrzewania podłogowego.
Szukasz energooszczędnych materiałów do budowy lub termomodernizacji? Oczekujesz rozwiązań o wysokiej efektywności energetycznej? Poznaj nowoczesne maty izolacyjne Iglo floor do systemów ogrzewania podłogowego.
Czytaj całość »W poprzedniej części artykułu omówiono najczęściej występujące awarie i uszkodzenia nasypów drogowych, skarp i wykopów oraz zboczy naturalnych z wbudowanymi geosyntetykami.
Zwrócono uwagę na najczęstszą przyczynę błędów, jaką jest bezkrytyczne przyjmowanie przez projektanta rozwiązań na podstawie dostępnej literatury, bez wykonywania obliczeń. W tej części artykułu zaprezentowane zostaną przykładowe metody obliczeń.
Mechanizmy zniszczenia konstrukcji z gruntu zbrojonego
Typowe mechanizmy zniszczenia konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykami przedstawiono na rys. 1–4.
Każdorazowe projektowanie tego typu posadowień powinno być poparte rzetelnymi badaniami podłoża.
W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na:
- budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego,
- niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek słabych gruntów,
- rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw wymagających wzmocnienia lub ulepszenia,
- prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia,
- warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych, kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód,
- właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność,
- przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty.
|
Badania powinny wyjaśnić, czy wzmocnienie rzeczywiście jest potrzebne. Jeśli tak, to należy możliwie dokładnie ustalić zakres występowania słabych gruntów, by uniknąć zbędnych robót wzmacniających. Należy pamiętać, że wiercenia i sondowania są zawsze tańsze od samego wzmacniania. Dokładnego rozpoznania wymagają szczególnie warstwy określane zwykle jako nienośne, gdyż ich właściwości fizykomechaniczne decydują o wyborze zabiegów oraz o ich efektach. Podstawowe awarie, uszkodzenia konstrukcji i błędy realizacyjneCzynniki wpływające na powstawanie awarii i uszkodzeń to:
|
ABSTRAKT |
W artykule przedstawiono typowe mechanizmy zniszczenia konstrukcji oporowych z gruntu zbrojonego oraz wymieniono czynniki wpływające na powstawanie awarii i uszkodzeń. Omówiono również metody obliczeń. |
|
Failures and damage concerning structures with built-in geosyntheticsThe article presents typical mechanisms that can be observed during destruction of a retaining structure made of reinforced soil and specifies the factors that influence the occurrence of failures and damage. The article also discusses calculation methods related to the issue. |
- brak zgodności przemieszczeń materiału geosyntetycznego z gruntem w konstrukcjach zbrojonych,
- przerwanie ciągłości pokrycia przy zbyt cienkiej warstwie nasypowej lub manewrowaniu sprzętu budowlanego,
- zniszczenie warstwy przez dopuszczenie ruchu pojazdów bezpośrednio po niej,
- przerwanie warstwy poprzez niewyrównane podłoże, wystające ostre krawędzie gruzu, korzeni, karpin itp.,
- ułożenie zakładów pasm geosyntetyków niezgodnie z kierunkiem robót ziemnych lub kierunkiem spadku skarpy,
- nieuwzględnienie w opracowaniach projektowych abrazji,
- dobieranie materiałów geotekstylnych na podstawie tylko gramatury,
- projektowanie wzmocnienia nasypów z zastosowaniem geowłóknin,
- nieprzestrzeganie zasad i kryteriów doboru z uwzględnieniem chemizmu ośrodków współdziałających,
- bezkrytyczne przyjmowanie sugestii lub gotowych rozwiązań od dystrybutorów geosyntetyków,
- brak systemowej kontroli jakości geosyntetyków.
Metody obliczeń murów oporowych i skarp
Grunt zbrojony geosyntetykami charakteryzuje się specyficznym układem konstrukcji gruntowej, w której naprężenia rozciągające przejmowane są przez odpowiednio zaprojektowane i rozmieszczone wkładki polimerowe.
Oblicowanie przeważnie pełni funkcję estetyczną.
W związku z brakiem jakichkolwiek polskich wytycznych i norm pozwalających na swobodne i proste projektowanie tego typu konstrukcji przedstawiam parę przykładów obliczeniowych opartych na normie BS8006 [1] i literaturze tematu, szczególnie [2] i [3].
Najbardziej rozpowszechniona norma PN-83/B-03010 "Ściany oporowe..." [4] nie uwzględnia możliwości zastosowań geosyntetyków. Wprowadzone w zał. 5 tej normy pojęcie ściany z gruntu zbrojonego w praktyce odnosi się do zastosowania zbrojenia wkładkami stalowymi.
Podobnie jak w przypadku nośności podłoży wzmocnionych pod nasypami, tak i w tym przypadku projektanci nie znajdują kompletu wartości ani wzorów będących podstawą ich obliczeń.
Taka sytuacja trwa od 25 lat, to jest od pierwszych zastosowań geosyntetyków w Polsce. Cały czas tłumaczona jest gwałtownym rozwojem rynku geosyntetycznego. Brak krajowych wytycznych projektowania lub norm zmusza projektantów do wykorzystywania już istniejących metod:
- brytyjską według BS 8006 [1],
- metodę niemiecką według DIN 1054 i DIN 4017,
- US Forest Service.
Dla ustalenia rozstawu geosyntetyków przyjmuje się, że parcie gruntu rozchodzi się liniowo i mają zastosowanie warunki parcia czynnego według Rankina.
W trakcie wielu konferencji tematycznych wykazano, że tego typu podejście do problemu jest dość zachowawcze. Dlatego też zaproponowano i przyjęto stosować warunki parcia czynnego Ka.
Wiele programów komputerowych opiera się na zastosowaniu analizy Coulomba do wartości parcia czynnego.
W przygotowanym przykładzie obliczeniowym wykorzystana została teoria sprężystości Boussinesqa dla obciążeń ruchomych na naziomie.W przypadku ścian oporowych pionowych lub zbliżonych do pionowych zbrojonych poziomymi warstwami geosyntetyków projekt powinien obejmować następujące etapy:
- obliczenia stateczności wewnętrznej dla ustalenia rozmieszczenia geosyntetyków ich długości i szczelności zakładek,
- obliczenia stateczności zewnętrznej,
- sprawdzenie równowagi klinów odłamu,
- licowanie ściany i drenaż zewnętrzny.
1. przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7)
![przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7)](https://www.izolacje.com.pl/media/cache/full/data/202211/przyklad-obliczeniowy-wedlug-2-rys-7.jpeg "przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7)")
σhs = Ka · γ · z
σhs = Ka · q
L = LE + LR
![przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7) ciąg dalszy](https://www.izolacje.com.pl/media/cache/full/data/202211/przyklad-obliczeniowy-wedlug-2-rys-7-ciag-dalszy.jpeg "przykład obliczeniowy według [2], (rys. 7) ciąg dalszy")
FK = σh · Sv · FS
σh = Ka · γ · z + Ka · q
gdzie:
Ka - współczynnik parcia czynnego,
σh - całkowite parcie gruntu na ścianę,
ca - adhezja gruntu (dla gruntu niespoistego = 0).
Współczynniki redukcyjne = 4,0
Fo = FK · 4
Obliczanie σhs i σhq jest stosunkowo proste, natomiast σhL stwarza problemy, szczególnie w przypadku wielokołowych pojazdów mechanicznych, dla których należy zastosować metodę superpozycji każdego koła. Dla ułatwienia obliczeń wiele publikacji przedstawia nomogramy dla doboru odpowiedniej wartości.
W trakcie określania stateczności konstrukcji pionowych zbrojonych geosyntetykami zaleca się, aby dla wywrócenia i utraty nośności podłoża przyjmować współczynnik bezpieczeństwa fs ≥ 2,0, a dla warunku poślizgu fs ≥ 1,5.
2. przykład obliczeniowy według [1], [2]
Przykład obejmuje zaprojektowanie pionowej ściany muru oporowego o H = 6 m zbrojonej geosyntetykami, która podtrzymuje plac składowy o obciążeniu równomiernie rozłożonym q = 10 kPa.
Zasypkę ściany należy zrealizować z gruntów gruboziarnistych (Ż/Po) o parametrach: γ = 18 kN/m³, Ø = 36° i c = 0.
W konstrukcji powinna być zastosowana geotkanina z włókien taśmowych o wytrzymałości F = 50 kN/m.
Kąt tarcia pomiędzy geotkaniną i gruntem wynosi δ = 24°.
Układ pasm geotkaniny jest prostopadły do lica. Dopuszcza się luźne zakłady lub zszycie.
Współczynnik bezpieczeństwa fs = 1,4 oraz odpowiednie do warunków współczynniki redukcyjne.
Rozwiązanie:
1. Ustalenie wartości składowej poziomej parcia w funkcji zagłębienia z dla obliczenia odstępów Sv pomiędzy poszczególnymi warstwami zbrojenia geosyntetycznego:
σh = σhs + σhq = Ka · γ · z + Ka · q = 0,26 · 18 · z + 0,26 · 10 = 4,68 · z + 2,60
2. Określenie dopuszczalnej wytrzymałości geosyntetyku:
3. Obliczanie rozstawu pionowego warstw geosyntetyków na głębokości z = 6 m:
4. Metodą prób i błędów zwiększamy rozstaw do 0,5 m i sprawdzamy, np. z = 3,3 m:
5. Metodą prób i błędów zwiększamy rozstaw do 0,65 m i sprawdzamy, np. z = 1,3 m:
Warstwy i ich rozstaw przedstawiono na rys. 8.
6. Obliczenie długości pasm geosyntetyków w zależności od głębokości z:
W praktyce Le jest wartością małą i zaokrągla się ją do 1 m.
Po zsumowaniu Le + LR wynik również zaokrąglamy do pełnych metrów.
Warstwy i ich długości przedstawiono na rys. 9.
7. Poprzez wykonanie powyższych obliczeń otrzymujemy potwierdzenie zapewnienia stateczności wewnętrznej.
8. Wykorzystując standardowe procedury obliczeniowe, określamy stateczność zewnętrzną ze względu na:
- wywrócenie
- poślizg
- nośność.
8.1. Sprawdzenie warunku na wywrócenie:
Pa = 0,5 · γ · H2 · Ka = 90,7 kN/m
Pa · cos34 = 75,2 kN/m
Pa · sin34 = 50,7 kN/m
Warunek spełniony.
Wysoka wartość obliczonego współczynnika bezpieczeństwa wynika z faktu, że w rzeczywistości jest to bardzo elastyczna konstrukcja ustabilizowana mechanicznie. Trudno tu o naprężenia zginające.
8.2. Sprawdzenie warunku na poślizg:
Warunek spełniony.
8.3. Sprawdzenie warunku nośności podłoża:
Warunek spełniony.
W przypadku oblicowania ściany czołowej bloczkami betonowymi obliczeniu podlegają wkładki geosyntetyczne jako cięgna utrzymujące pionową konstrukcję ściany.
Rozmieszczenie pionowe wkładek zbrojących powinno uwzględnić moduł wysokości bloczka oraz możliwości zagęszczenia grubości warstw gruntu. Ilość wkładek w przekroju poprzecznym wynika z przyjętej wytrzymałości na zerwanie poszczególnych geosyntetyków.
W ramach I stanu granicznego należy sprawdzić stateczność dla wielu potencjalnych mechanizmów zniszczenia:
- stateczność zewnętrzną,
- stateczność wewnętrzną,
- oraz utratę stateczności.
W ramach II stanu granicznego obliczeniu powinny podlegać następujące przypadki:
- osiadanie podstawy,
- przemieszczenia z tytułu pełzania zbrojenia,
- przemieszczenia z tytułu nawodnionych drobnoziarnistych zasypek.
Konstruowanie stromych skarp - przykłady obliczeń
Stabilizacja stromych skarp (β ≤ 70°) odbywa się bardzo często z udziałem geotkanin i geokrat dwukierunkowych lub jednokierunkowych. Wybór materiału geosyntetycznego na etapie projektu powinien uwzględniać optymalizację kosztową inwestycji.
Zadaniem projektanta powinno być określenie:
- współczynnika bezpieczeństwa stateczności,
- określenie potrzebnej długości pasma geosyntetyku poza potencjalną powierzchnią poślizgu,
- maksymalnej wytrzymałości pasma ze względu na zerwanie.
Przykład liczbowy (rys. 11):
c = 0 - grunt niespoisty
u = 0 - ciśnienie wody porowej
Współczynnik oporu gruntu (rys. 12):
K → f(Ø = 23° i β = 45°)
K = 0,17
Całkowita siła reakcji T0 w geosyntetyku:
T0 = 0,5 · γ · (H')2 = 208 kN/m
Rozstaw zbrojenia w pionie można przyjmować min. 0,5÷1,0 m.
Długość pasm geosyntetyków można obliczyć lub określić, korzystając z nomogramów (rys. 13–14).
Podsumowanie
Przedstawione opisy awarii i uszkodzeń konstrukcji z oczywistych względów nie wyczerpują tematu. Wprowadzone normy oraz opracowywane i aktualizowane szczegółowe specyfikacje techniczne dotyczące geosyntetyków pozwolą na kolejne eliminowanie błędów projektowych i wykonawczych, w tym najpopularniejszą metodę projektową: "uda się lub się nie uda".
Cieszy fakt, że zapotrzebowanie na specjalistyczne programy komputerowe, normy oraz wszelkiego rodzaju instrukcje i poradniki stale rośnie. Stosowanie materiałów geosyntetycznych wymaga przecież bardzo dobrego przygotowania merytorycznego projektantów i wykonawców robót.
Literatura
1. BS 8006:1995, „Code of practise for strengthned/reinforced soil and other fills”.
2. R.M. Koerner, „Designing with geosynthetics”, (Fifth edition) Prentice Hall 2005.
3. Podręczniki do projektowania dla programów Sigma W, ReSSa, Plaxis v. 7,0, Slope W, MSEW, Slide v. 5.0.
4. PN-83/B-03010, „Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie”.
5. S. Pisarczyk, „Geoinżynieria. Metody modyfikacji podłoża gruntowego”, P.W. 2005.
6. ITB. Instrukcje, wytyczne, poradniki Nr 429/2007.
7. Wesolowski A. [i in.]: „Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich”, Wyd. SGGW, Warszawa 2000.
![RYS. 5. Schemat do obliczania długości zbrojenia [5];
1 – wykres sił rozciągających, 2 – linia podziału strefy czynnej i biernej, 3 – wkładka zbrojąca](/media/data/202101/awarie-uszkodzenia-rys5.jpg)
![RYS. 6. Metoda równowagi klina odłamu [6]](/media/data/202101/awarie-uszkodzenia-rys6.jpg)
![RYS. 10. Konstrukcja segmentowego muru oporowego [3]](/media/data/202101/awarie-uszkodzenia-rys10.jpg)
![RYS. 12. Wartość współczynnika oporu gruntu K [7]](/media/data/202101/awarie-uszkodzenia-rys12.jpg)
![RYS. 13–14. Nomogramy do wyznaczania długości pasm zbrojenia geosyntetycznego w stromych skarpach [7]: LB/H' (13) lub LT/H' (14)](/media/data/202101/awarie-uszkodzenia-rys13.jpg)
