Politechnika Wrocławska Wrocław 29.05.2009

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki

Zakład Mechaniki Gruntów

Ćwiczenie projektowe nr 2

Stateczność skarpy gruntowej o nachyleniu 1:1,5 przy zadanym obciążeniu 80 kPa.

Marcin Leśniewski

Nr indeksu 162318

Rok studiów 2, semestr 4

Grupa: środa/ N 15¹⁵-17

Strona tytułowa......................................................................................................................... 1

Spis treści.................................................................................................................................. 2

Temat......................................................................................................................................... 3

1. Wstęp................................................................................................................................... 4

1. Podstawa formalna opracowania................................................................................ 4

2. Cel i zakres................................................................................................................... 4

3. Przedmiot opracowania................................................................................................. 4

4. Literatura...................................................................................................................... 5

2. Analiza warunków wodno gruntowych.............................................................................. 5

1. Opis warunków wodno gruntowych............................................................................ 5

2. Określenie stopnia złożoności warunków geotechnicznych........................................ 5

3. Wpływ wody na parametry geotechniczne.................................................................. 5

3. Ustalenie kategorii geotechnicznej..................................................................................... 5

4. Dobór wartości parametrów geotechnicznych.................................................................... 5

5. Analiza stateczności skarpy wykopu bez wypełnienia wodą. ......................................... 7

1. Metoda obliczeniowa................................................................................................... 7

2. Założenia .................................................................................................................... 7

3. Dobór położenia najniebezpieczniejszego środa obrotu ............................................ 7

4. Podział na bloki obliczeniowe..................................................................................... 7

5. Układ sił działający na pojedyncze blok.................................................................... 8

6. Wskaźnik stateczności............................................................................................... 9

7. Sprawdzenie warunku stateczności............................................................................ 9

6. Analiza stateczności skarpy wykopu po jego wypełnieniu wodą.................................... 9

1. Układ sił działających na klin odłamu i pojedynczy blok. ....................................... 9

2. Wskaźnik stateczności............................................................................................... 10

3. Sprawdzenie warunku stateczności........................................................................... 10

7. Analiza wyników i wnioski.

1. Ocena wyników ......................................................................................................... 10

2. Metody zapewnienia stateczności skarpy................................................................. 10

1. Wstęp

1.1. Podstawa formalna opracowania.

Ćwiczenie zostało wykonane w ramach ćwiczeń projektowych z mechaniki gruntów.

1.2. Cel i zakres opracowania.

Celem ćwiczenia projektowego jest wyznaczenie stateczności skarpy gruntowej dla dwóch warunków wodnych :

- skarpa zbiornika wodnego przed wypełnieniem wodą

- skarpa zbiornika wodnego po jego wypełnieniu wodą

Zakres opracowania obejmuje :

- opis obiektu

- określenie stopnia złożoności warunków geotechnicznych

- ustalenie kategorii geotechnicznej

- dobranie wartości parametrów geotechnicznych

- analizę stateczności skarpy metodą Felleniusa

- ocenę wyników obliczeń wraz z oceną stateczności obiektu

- propozycje metod zapewnienia wymaganego zapasu stateczności

1.3. Przedmiot opracowania.

Przedmiotem opracowania jest skarpa zbiornika wodnego o głębokości 20metrów. Na naziomie skarpy w odległości 2 metrów od skłonu występuje obciążenie
na długości 40 metrów. Skarpa ma stałe nachylenie 1:1,5.

1.4. Literatura

- norma PN-B-02480-1986

- norma PN-B-03020-1981

- norma PN-B-02479-1998

- „Gruntoznawstwo” - Pisarczyk

2. Analiza warunków wodno-gruntowych.

2.1. Opis warunków wodno-gruntowych.

Podłożę składa się z trzech warstw. Gruntem występującym przy powierzchni jest piasek średni o miąższości 5,7m o stopień zagęszczenia 0,45 i stanie wilgotnym.
W niej na głębokości 4metrów znajduje się zwierciadło wody gruntowej. Poniżej znajduje się żwir ilasty (wskaźnik konsystencji 0,4) grupa konsolidacyjna C, który sięga do głębokości 10 m. Ostatnią z warstw jest drobny piasku zapylony, stopień zagęszczenia 0,6, w stanie wilgotnym.

2.2. Określenie stopień złożoności warunków geotechnicznych

Ze względu na występowanie słabych gruntów niespoistych piasku średniego i drobnego zapylonego, warunki określono jako złożone.

2.3. Analiza wpływu wody na parametry geotechniczne

Zwierciadło wody gruntowej znajduje się w warstwie piasku średniego jest to warstwa w której występuje zjawisko podciągania kapilarnego. Wysokość podciągania kapilarnego dla piasku średniego:
.

3. Ustalenie kategorii geotechnicznej.

Przy ustalaniu kategorii geotechnicznej uwzględniono stopień złożoności warunków gruntowych, wielkość budowli, rozkład i sposób przekazywania obciążeń na podłoże.

Przyjęto III kategoria geotechniczna ze względu na złożone warunki gruntowe; i znaczną wysokość skarpy, która wynosi 20metrów; oraz skomplikowany przypadek obciążenia.

4. Dobór wartości i wartości parametrów.

Zgodnie z normą PN-81/B-03020 przyjęto metodę B ustalania parametrów geotechnicznych.

Metoda B - wartości przyjmuje się na podstawie znanych zależności korelacyjnych, laboratoryjnie wyznacza się parametry wiodące. Wartości
,
,
odczytano z normy PN-B-03020:1981.

Wartości zestawiono w tabeli str. 6.

Wzory wykorzystane do obliczeń.

;
;
;
;

;

Wartości wykorzystane we wzorach
;
;

Przykładowe obliczenia dla żwiru ilastego.

Wartości kąta tarcia wewnętrznego -
, spójność - c odczytano z normy PN-B-03020:1981

Wartości
dla gruntów spoistych obliczono wg wzorów :

dla zadanego

Wartości
dla gruntów niespoistych :

odczytano z „Zarys geotechniki” - Zenon Wiłun

dla gruntów niespoistych jest równe 0

5. Analiza stateczności skarpy wykopu bez wypełnienia wodą.

5.1. Metoda obliczeniowa.

Wykorzystano metodę równowagi granicznej - metodę Felleniusa

W metodzie tej analizuje się stateczność bryły klina odłamu ograniczonej od góry konturem skarpy a od dołu potencjalną kołowo-cylindryczną powierzchnią poślizgu. Klin odłamu dzielony jest na bloki o pionowych ścianach bocznych.

5.2. Założenia.

- płaski stan odkształcenia

- niezmienność parametrów wytrzymałościowych w czasie

- jednakowe przemieszczenia wzdłuż całej powierzchni poślizgu

- wystąpienie jednocześnie wzdłuż całej powierzchni poślizgu granicznego stanu naprężenia wg hipotezy wytrzymałościowej Coulomba-Mohra

- wystąpienie w podstawie każdego bloku tylko gruntu jednego rodzaju

- brak sił bocznych między blokami

- powierzchnia poślizgu przechodzi przez dolną krawędź skarpy

5.3. Dobór położenia najniebezpieczniejszego środka obrotu.

Dla nachylenia 1 : 1,5

5.4. Układ sił działających na klin odłamu i pojedynczy blok.

5.4.1. Podział na bloki obliczeniowe.

Dokonano podziału na 12 bloków obliczeniowych.

5.4.2. Układ sił działających na pojedyncze bloki.

1) po lewej stronie środka obrotu 2) po prawej stronie środka obrotu

Zestawienie obciążeń.

nr	A1	A2	A3	Gi	bi	q	Wi	αi	Bi	Ni	φi	Ci	Li	Ti
	[m^2]	[m^2]	[m^2]	[kN]	[m]	[kPa]	[kN]	[˚]	[kN]	[kN]	[˚]	[kPa]	[m]	[kN]
1	2,07	0	0	38,48	1,38	80	148,88	65,19	135,103	62,550	32	0	3,31	39,085
2	6,87	0	0	127,465	1,58	80	253,865	59,63	218,962	128,465	32	0	3,13	80,274
3	18,98	7,16	0	426,5	2,94	80	661,7	52,73	526,388	400,953	8,5	8	4,86	98,803
4	5,85	4,41	0,55	74,24	0,39	0	74,24	48,03	55,176	49,671	31	0	0,59	29,845
5	21,45	17,2	11,17	868,74	4	0	868,74	42,81	590,128	637,541	31	0	5,45	383,073
6	12,12	17,2	23,05	911,265	4	0	911,265	33,93	508,423	756,248	31	0	4,82	454,399
7	2,17	16,5	31,69	874,01	4	0	874,01	25,93	382,000	786,110	31	0	4,45	472,343
8	0	8	37,77	773,205	4	0	773,205	18,44	244,454	733,545	31	0	4,22	440,758
9	0	0,33	38,65	640,51	4	0	640,51	11,27	125,114	628,172	31	0	4,08	377,444
10	0		35,29	538,125	4,48	0	538,125	3,88	36,395	536,893	31	0	4,49	322,598
11	0		14,31	262,85	3,52	0	262,85	-3,05	-13,978	262,478	31	0	3,23	157,713
12	0		6,81	94,5	3,61	0	94,5	-9,25	-15,183	93,272	31	0	3,66	56,044

Wzory wykorzystane do obliczeń :

- ciężar bloku;
,
,

- wypadkowa obciążeń

- składowa styczna siły

- reakcja podłoża na składową normalną siły

- opory tarcia i spójności

Przykładowe obliczenia dla bloku 1 :

5.5. Wskaźnik stateczności.

5.6. Sprawdzenie warunku stateczności.

warunek stateczności nie spełniony

6. Analiza stateczności skarpy wykopu po jego wypełnieniu wodą.

6.1. Układ sił działających na klin odłamu i pojedynczy blok.

a) powyzej zwierciadła wody b) poniżej zwierciadła wody.

nr	A1	A2	A3	A4	Gi	bi	q	Wi	αi	Ui	Ui'	φi	Ci	Li	D
	[m^2]	[m^2]	[m^2]	[m^2]	[kN]	[m]	[kPa]	[kN]	[˚]	[kN]	[kN]	[˚]	[kPa]	[m]	[m]	[kN]
1	2,08	0	0	0	38,48	1,38	80	148,88	65,19	0	0	32	31	3,31	141,65	135,14
2	4,75	2,14	0	0	130,90	1,58	80	257,30	59,63	21,33	0	35	25,8	3,13	167,06	221,99
3	8,82	7,94	5,68	0	441,04	2,94	80	676,24	52,73	136,122	0	10,5	0	4,86	70,70	538,14
4	1,18	1,06	1,6	0	76,45	0,39	0	76,45	48,03	26,442	0	33	0	0,59	3,76	56,84
5	10,09	10,8	17,2	7,41	905,54	4	0	905,54	42,81	354	0	33	0	5,45	389,25	615,38
6	1,43	1,48	17,2	20,2	806,00	4	0	806,00	33,93	482	0	33	0	4,82	369,37	449,89
7	0	0	16,07	29,48	906,23	4	0	906,23	25,93	574,4	108	33	5	4,45	483,42	443,50
8	0	0	6,96	36,03	843,62	4	0	843,62	18,44	160,1	210,4	33	5	4,22	474,59	333,40
9	0	0	0,12	36,46	709,57	4	0	709,57	11,27	683,2	317,2	33	5	4,08	414,04	200,66
10	0	0		30,75	596,33	4,48	0	596,33	3,88	498,624	481,6	33	5	4,49	364,31	72,94
11	0	0		15,02	291,28	3,52	0	291,28	-3,05	622,336	472,384	33	5	3,23	177,42	-40,63
12	0	0		5,4	104,72	3,61	0	104,72	-9,25	624,53	570,38	33	5	3,66	75,81	-108,52

Wartości
,
wyliczono używając wzorów :

- wysokość od punktu środkowego dna bloku do zwierciadła wody gruntowej

- wysokość od punktu środkowego górnej powierzchni bloku do zwierciadła wody gruntowej

6.2. Wskaźnik stateczności.

6.3. Sprawdzenie warunku stateczności.

warunek stateczności nie spełniony

7. Analiza wyników i wnioski.

7.1. Ocena wyników.

Na podstawie wyników ćwiczenia projektowego można stwierdzić, że skarpa jest w stanie równowagi granicznej, jednak nie spełnia warunków dopuszczalnej stateczności. Z rezultatów wynika, że zarówno wykop bez wypełnienia jak i z wypełnieniem nie jest dość stateczny. Wpływ na to mają grunty zawarte w skarpie. Są to głównie grunty niespoiste, co wpływa na ich słabą wytrzymałość.

Wilgotny piasek, również wpływa negatywnie na stateczność skarpy, w warunkach naturalnych piaszczyste zbocza są wilgotne i mogą mieć większy nachylenie niż kąt tarcia wewnętrznego wskutek działania sił kapilarnych. Po wyschnięciu piasku jednak kat tarcia wewnętrznego maleje i skarpa może się obsuwać.

Położenie obciążenia również ma znaczne znaczenie, przyłożone jest ono bardzo blisko końca skarpy (2m) i przez swoją wartość (80kPa) ma znaczący wpływ na negatywne wyniki analizy. Negatywnie wpływa również znaczna wysokość skarpy (16m).

7.2. Metody zapewnienia stateczności skarpy.

Zapewnić stateczność można poprzez:

- zmniejszenie nachylenia skarpy

- znaczne zagęszczenie gruntów niespoistych.

- zastosowanie ściany oporowej, murowanej, żelbetowej bądź drewnianej.

- umocnienie płytami betonowymi.

- stabilizację można również uzyskać dzięki konstrukcji gabionowej, składającej się z dwóch rzędów gabionów stalowych, wypełnionych kruszywem łamanym oraz koszy siatkowo kamiennych.

10

---