Stan graniczny wypiętrzenia dna wykopu według Eurokodu 7 1 Limit state of heave in excavation bottom according to Eurocode 7

Transkrypt

1 Przeglą Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Śroowiska nr 60, 2013: (Prz. Nauk. Inż. Kszt. Śro. 60, 2013) Scientific Review Engineering an Environmental Sciences No 60, 2013: (Sci. Rev. Eng. Env. Sci. 60, 2013) Marzena LENDO-SIWICKA, Kazimierz GARBULEWSKI Katera Geoinżynierii SGGW w Warszawie Department of Geotechnical Engineering WULS SGGW Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7 1 Limit state of heave in excavation bottom accoring to Eurocoe 7 Słowa kluczowe: projektowanie, Euroko 7, stany graniczne, zniszczenie hyrauliczne Key wors: esign calculations, Eurocoe 7, limit states, hyraulic failure Wprowazenie Stany graniczne, nazwane w normie Euroko 7 (PN-EN : 2008) zniszczeniem hyraulicznym, obejmują cztery rozaje zniszczenia: wyparcie, wypiętrzenie, wewnętrzną erozję i przebicie hyrauliczne. W projektowaniu geotechnicznym sprawzenie warunków wystąpienia zniszczenia hyraulicznego wymaga rozpoznania oziaływań wynikających z obecności lub przepływu woy poziemnej i powierzchniowej, zwłaszcza siły filtracji, graientów hyraulicznych i ciśnień woy w porach. Wymienione parametry należy określić, biorąc po uwagę: zmienność w czasie i w profilu położa przepuszczalności hyraulicznej, wahania w czasie poziomu woy gruntowej, wartości ciśnień woy w porach oraz zmiany w geometrii przepływu. Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu, analizowany w niniejszym artykule, powinien być sprawzany w przypaku, kiey położe zbuowane jest z gruntów przepuszczalnych, a przepływ woy gruntowej obywa się w kierunku o wykopu. W takich warunkach istnieje niebezpieczeństwo utraty stateczności wykopu i wystąpienia awarii buowlanej. Sprawzenie stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu jest zaliczane o jenego z truniejszych zaań inżynierskich w projektowaniu geotechnicznym. W artykule przestawiono zasay sprawzania stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7, 1 Praca naukowa finansowana ze śroków na naukę w latach jako projekt baawczy nr N N M. Leno-Siwicka, K. Garbulewski

2 z uwzglęnieniem oziaływań wynikających z obecności lub przepływu w położu woy poziemnej. Stan graniczny sprawzono zalecanymi w normie Euroko 7 wiema metoami, przyjmując warunki naprężeń całkowitych (wzór 2.9a, PN-EN : 2008) i warunki naprężeń efektywnych (wzór 2.9b, PN-EN : 2008). Obliczenia przeprowazono la wykopu zabezpieczonego ścianką szczelną, zakłaając zmienne wartości głębokości ścianki szczelnej i położenia zwierciała woy. Zasay sprawzania stanu granicznego Wypiętrzenie na wykopu, określane również jako hyrauliczne unoszenie cząstek gruntu, ma miejsce wtey, gy skierowana o góry siła ciśnienia spływowego, przeciwziałając ciężarowi gruntu, zmniejsza efektywne naprężenie pionowe o stanu granicznego (upłynnienia gruntu). Cząstki gruntu są wtey unoszone przez pionowy przepływ woy i następuje zniszczenie położa wykopu (rys. 1). Weług Eurokou 7 stan graniczny wypiętrzenia na wykopu (HYD) należy sprawzić, porównując wartość naprężenia całkowitego jako siły stabilizującej i ciśnienia woy w porach jako siły estabilizującej (wzór 1) lub wartość siły ciśnienia spływowego jako siły estabilizującej i ciężar gruntu z uwzglęnieniem wyporu jako siły stabilizującej (wzór 2): u S (1) st, stb, G' (2) st, stb, gzie: u st, wartość obliczeniowa całkowitego estabilizującego ciśnienia woy w porach, σ stb, wartość obliczeniowa całkowitego stabilizującego naprężenia pionowego, RYSUNEK 1. Schematy stanu granicznego hyraulicznego wypiętrzenia na wykopu FIGURE 1. Scheme of hyraulic failure heave of excavation bottom Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7 169

3 S st, wartość obliczeniowa siły ciśnienia spływowego, G stb, wartość obliczeniowa ciężaru gruntu z uwzglęnieniem wyporu. Parametry obliczeniowe występujące w wzorach (1) i (2) należy określać, stosując współczynniki częściowe w sytuacji oziaływań stałych i zmiennych (tab. 1). Analiza parametryczna Sprawzenie stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu przeprowazono, wykorzystując wzory (1) i (2) oraz przyjmując wartości głębokości zwierciała woy (ΔH) w zakresie o 2 o 6 m i zagłębienia ścianki szczelnej () w zakresie o 2 o 12 m. W obliczeniach przyjęto schemat wykopu szerokoprzestrzennego, przestawiony na rysunku 2. TABELA 1. Współczynniki częściowe o sprawzenia stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu (HYD) TABLE 1. Partial factors to check the limit state of hyraulic heave (HYD) Oziaływanie / Effect Symbol / Symbol Wartość / Value Stałe / Constant permanently Niekorzystne a / Averse γ G,st 1,35 Korzystne b / Beneficial γ G,stb 0,90 Zmienne / Variables Niekorzystne a / Averse γ Q,st 1,50 a Destabilizujące / Destabilize. b Stabilizujące / Stabilize. RYSUNEK 2. Schemat obliczeniowy FIGURE 2. Scheme of calculation 170 M. Leno-Siwicka, K. Garbulewski

4 Sprawzając stan graniczny weług wzoru (2), założono, zgonie z propozycją Terzaghiego i Pecka (1996), strefę gruntu z uwzglęnieniem wyporu szerokości równej połowie ługości ścianki szczelnej (1/2). Obliczenia, których wyniki przestawiono w tabeli 2, przeprowazono zgonie z zasaami poanymi w Eurokozie 7, jak również z zaleceniami Bona i Harrisa (2008), którzy zaproponowali sprawzać stany graniczne, obliczając tzw. stopień wykorzystania, weług wzorów: TABELA 2. Zestawienie wartości obliczonych stopni wykorzystania w stanie granicznym wypiętrzenia na wykopu (HYD) TABLE 2. Summary of the values of the egree of utilization for hyraulic heave (HYD) Dane / Details Obliczenia / Calculation Numer obliczenia Number of calculations Głębokość zwierciała woy Height of the water table Zagłębienie ścianki szczelnej w gruncie Depth of sheet piling in the groun Ciężar objętościowy gruntu Bulk soil unit weight E, st = γ G,st u st, E, stb = γ G,stb σ stb, Stopień wykorzystania The egree of utilization E, st = γ G,st S st, E, stb = γ G,stb G stb, Stopień wykorzystania The egree of utilization Wzór 1 / Formula 1 Wzór 2 / Formula 2 ΔH [m] [m] γ[kn m 3 ] [kn m 1 ] [kn m 1 ] [%] [kn m 1 ] [kn m 1 ] [%] I ,95 119,7 88,51 46,35 202,64 22,87 II ,57 119,7 94,04 69,53 202,64 34,31 III ,19 119,7 99,58 92,7 202,64 45,75 IV ,81 119,7 105,11 115,88 202,64 57,19 V ,44 119,7 110,64 139,06 202,64 68,62 VI ,19 136,8 87,13 52,97 264,67 20,01 VII ,44 153,9 86,05 59,6 334,98 17,79 VIII , ,19 66,22 413,55 16,01 IX ,92 188,1 84,49 72,84 500,4 14,56 X ,17 205,2 83,9 79,46 595,51 13,34 XI ,7 102,6 90,36 39,73 148,88 26,96 XII ,46 85,5 92,94 33,11 103,39 32,02 XIII ,22 68,4 96,81 26,49 66,17 40,03 XIV ,97 51,3 103,26 19,87 37,22 53,37 XV ,73 34,2 116,17 13,34 16,54 80,06 Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7 171

5 ust, HYD 100% (3) stb, Sst, HYD 100% (4) G' stb, Wyniki przeprowazonych obliczeń przestawiono na rysunkach 3 i 4 jako zależności pomięzy wartościami stopnia wykorzystania i zagłębieniem ścianki szczelnej oraz głębokością zwierciała woy. Wnioski Analiza parametryczna, której wyniki przestawione są w niniejszym artykule, pozwala ustalić następujące wnioski: 1. Zalecane o sprawzenia stanu granicznego wypiętrzenia na głębokiego wykopu (HYD) wzory (1) i (2) nie są równorzęne. Stopień wykorzystania obliczony ze wzoru (1) jest o 1,4 6,2 razy większy o stopnia wykorzystania obliczonego ze wzoru (2), zależnie o wartości zagłębienia ścianki szczelnej i głębokości zwierciała woy. 2. Biorąc po uwagę niepewność założeń projektowych, zaleca się o sprawzania stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu (HYD) stosować wzór (1); aje on większy zapas bezpieczeństwa. 3. Przyjmując stałą wartość zagłębienia ścianki szczelnej, wynoszącą 7 m, uzyskuje się weług wzoru (1) stan graniczny wyrażony stopniem wykorzystania równym 100%, przy głębokości woy 14 Zag bienie cianki szczelnej w gruncie, [m] lub zag bienie zw wiercia a woy, H [m] Depth of sheet piling in the groun, [m] or the water table epth, H [m] sta a warto zag bienia cianki szczelnej = 7 m / constant value sheet piling= 7 m sta a warto zag bienia zwiercia a woy = 2 m / constant value eptht of the water table = 2 m wp yw zag bienia cianki szczelnej effect of sheet piling epth wp yw g boko ci zw. woy effect of epth water table Stopie wykorzystania (wzór 1) / The egree of utylization (formula 1) RYSUNEK 3. Zależność mięzy stopniem wykorzystania obliczonym ze wzoru (1) a głębokością ścianki szczelnej i położeniem zwierciała woy FIGURE 3. The relationship between the egree of utilization calculate by formula (1) an the epth of the sheet pile an the position of the water table 172 M. Leno-Siwicka, K. Garbulewski

6 14 elnej w gruncie [m], lub zag ebienie ] / Depth of sheet piling in the groun water table epth H [m] Zag bienie cianki szcze zwiercia awoy H [m] [m], or the sta a warto zag bienia cianki szczelnej= 7 m / constant value style sheet piling= 7 m sta a warto zag bienia zwiercia a woy = 2 m / constant value epth of the water table = 2 m wp yw zag bienia cianki szczelnej /effect of sheet piling epth wp yw g boko ci zw. woy /effect of epth water table Stopie wykorzystania (wzór 2) / The egree of utylization (formula 2) RYSUNEK 4. Zależność mięzy stopniem wykorzystania obliczonym ze wzoru (2) a głębokością ścianki szczelnej i położeniem zwierciała woy FIGURE 4. The relationship between the egree of utilization calculate by formula (2) an the epth of the sheet pile an the position of the water table wynoszącej 4 m; po przekroczeniu tej wartości no wykopu jest niestateczne. 4. Wartości stopni wykorzystania określone za pomocą wzoru są o zaakceptowania przez projektanta, ponieważ wynoszą poniżej 100%. Literatura BOND A., HARRIS A. 2008: Decoing Eurocoe 7. The Cormwell Press, Wiltshire. PN-EN :2008. Euroko 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasay ogólne. TERZAGHI K., PECK R. 1996: Soil mechanics in engineering practice. A Wiley-Interscience Publication, New York. Streszczenie Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7. W artykule przestawiono zasay sprawzania stanu granicznego wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7, z uwzglęnieniem oziaływań wynikających z obecności lub przepływu w położu woy poziemnej. Stan graniczny wypiętrzenia sprawzono za pomocą obliczenia stopnia wykorzystania na postawie obliczonej wartości siły filtracji (S ) i ciężaru gruntu z uwzglęnieniem wyporu (G ) oraz obliczenia stopnia wykorzystania na postawie obliczonej wartości ciśnienia woy w porach (u ) i całkowitego naprężenia pionowego (σ v ), przyjmując schemat zabezpie- Stan graniczny wypiętrzenia na wykopu weług Eurokou 7 173

7 czenia wykopu ścianką szczelną. Z obliczeń la różnych wartości wysokości zwierciała woy (ΔH) i zagłębienia ścianki szczelnej () wynika, że stopień wykorzystania określony ze wzoru (1) jest większy w stosunku o stopnia wykorzystania obliczonego ze wzoru (2). W obliczeniach projektowych należy sprawzać stan graniczy wypiętrzenia na wykopu, stosując wzór (1), który zapewnia oatkowy zapas bezpieczeństwa. Summary Limit state of heave in excavation bottom accoring to Eurocoe 7. This paper presents the approaches use for limit state verification in case of hyraulic failure moe calle in Eurocoe 7 HYD (heave of excavation bottom), taking into account effects ue to the presence or movement of groun water in the groun. Limit state were checke by calculating the egree of utilization base on the seepage force (S ), an the weight of the soil (G ), an base on the pore water pressure (u ) an total vertical stress (σ v ). Calculations for ifferent values of the water level (ΔH) an the piling epth () inicate the egree of utilization obtaine using u an σ v actions significantly greater in comparison to the secon approach (S, G actions). Therefore, the approach with application of u an σ v actions is recommene in geotechnical esign. Authors aress: Marzena Leno-Siwicka, Kazimierz Garbulewski Szkoła Główna Gospoarstwa Wiejskiego Katera Geoinżynierii ul. Nowoursynowska 159, Warszawa Polan marzena_leno_siwicka@sggw.pl 174 M. Leno-Siwicka, K. Garbulewski