Inżynieria geotechniczna

Big Dig w Bostonie przedstawił wyzwania geotechniczne w środowisku miejskim.
Ściana oporowa z prefabrykatów betonowych
Typowy przekrój skarpy używany w analizach dwuwymiarowych.

Inżynieria geotechniczna to dziedzina inżynierii lądowej zajmująca się inżynieryjnym zachowaniem materiałów ziemnych . Wykorzystuje zasady mechaniki gruntów i mechaniki skał do rozwiązywania odpowiednich problemów inżynierskich . Opiera się również na znajomości geologii , hydrologii , geofizyki i innych nauk pokrewnych. Inżynieria geotechniczna (skałowa) jest subdyscypliną inżynierii geologicznej .

Oprócz inżynierii lądowej , inżynieria geotechniczna ma również zastosowanie w wojsku , górnictwie , przemyśle naftowym , inżynierii przybrzeżnej i budownictwie morskim . Dziedziny inżynierii geotechnicznej i geologii inżynierskiej mają obszary wiedzy, które się pokrywają. Jednakże, podczas gdy inżynieria geotechniczna jest specjalnością inżynierii lądowej , geologia inżynierska jest specjalnością geologii . Dzielą te same zasady mechaniki gleby i mechaniki skał, ale różnią się zastosowaniem.

Historia

W przeszłości ludzie używali gleby jako materiału do ochrony przeciwpowodziowej, celów irygacyjnych, miejsc pochówku, fundamentów budynków i materiałów konstrukcyjnych do budynków. Wczesne działania były związane z nawadnianiem i ochroną przeciwpowodziową , o czym świadczą ślady grobli, tam i kanałów datowane na co najmniej 2000 pne, które znaleziono w starożytnym Egipcie , starożytnej Mezopotamii i Żyznym Półksiężycu , a także wokół wczesnych osad Mohendżo Daro i Harappa w dolinie Indusu . Wraz z rozwojem miast wznoszono struktury, które były wspierane przez sformalizowane fundacje. Starożytni Grecy w szczególności budowali stopy fundamentowe i fundamenty z pasów i tratw. Jednak aż do XVIII wieku nie opracowano żadnych teoretycznych podstaw projektowania gleby, a dyscyplina ta była bardziej sztuką niż nauką, opartą na doświadczeniu.

Kilka problemów inżynierskich związanych z fundamentami, takich jak Krzywa Wieża w Pizie , skłoniło naukowców do przyjęcia bardziej naukowego podejścia do badania podłoża. Najwcześniejsze postępy nastąpiły w rozwoju parcia gruntu do budowy murów oporowych . Henri Gautier, francuski inżynier królewski, rozpoznał „naturalne nachylenie” różnych gleb w 1717 r., Pomysł znany później jako kąt usypu gleby . Opracowano również podstawowy system klasyfikacji gleby na podstawie masy jednostkowej materiału, która nie jest już uważana za dobry wskaźnik rodzaju gleby.

Zastosowanie zasad mechaniki do gleb zostało udokumentowane już w 1773 r., kiedy Charles Coulomb (fizyk, inżynier i kapitan armii) opracował udoskonalone metody określania parcia ziemi na wały obronne. Coulomb zauważył, że w przypadku awarii za przesuwną ścianą oporową utworzyłaby się wyraźna płaszczyzna poślizgu i zasugerował, że maksymalne naprężenie ścinające na płaszczyźnie poślizgu, do celów projektowych, było sumą spójności gruntu, do {\ displaystyle i tarcie , gdzie jest naprężeniem normalnym na płaszczyźnie poślizgu i kąt tarcia gruntu. Dzięki połączeniu teorii Coulomba z dwuwymiarowym stanem naprężenia Christiana Otto Mohra , teoria ta stała się znana jako teoria Mohra-Coulomba . Chociaż obecnie uznaje się, że precyzyjne określenie spójności jest niemożliwe, ponieważ do nie jest podstawową właściwością gleby, teoria Mohra-Coulomba jest nadal stosowana w praktyce.

W XIX wieku Henry Darcy opracował tak zwane prawo Darcy'ego , opisujące przepływ płynów w ośrodkach porowatych . Joseph Boussinesq (matematyk i fizyk) opracował teorie rozkładu naprężeń w sprężystych ciałach stałych, które okazały się przydatne do szacowania naprężeń w głębi gruntu. William Rankine , inżynier i fizyk, opracował alternatywę dla teorii ciśnienia Coulomba. Konsystencję gliny opracował Albert Atterberg wskaźniki, które są nadal używane do klasyfikacji gleb. W 1885 roku Osborne Reynolds uznał, że ścinanie powoduje rozszerzanie objętościowe gęstych materiałów i kurczenie się luźnych materiałów ziarnistych .

Mówi się, że współczesna inżynieria geotechniczna rozpoczęła się w 1925 r. Wraz z publikacją Erdbaumechanik autorstwa Karla Terzaghiego (inżyniera mechanika i geologa). Uważany przez wielu za ojca współczesnej mechaniki gruntów i inżynierii geotechnicznej, Terzaghi opracował zasadę efektywnego naprężenia i wykazał, że wytrzymałość gruntu na ścinanie jest kontrolowana przez efektywne naprężenie. Terzaghi opracował również ramy teorii nośności fundamentów oraz teorię przewidywania tempa osiadania warstw gliny w wyniku konsolidacji . Następnie Maurice Biot w pełni rozwinął trójwymiarową teorię konsolidacji gleby, rozszerzając jednowymiarowy model opracowany wcześniej przez Terzaghiego na bardziej ogólne hipotezy i wprowadzając zestaw podstawowych równań porowatości . W 1960 roku Alec Skempton dokonał obszernego przeglądu dostępnych w literaturze sformułowań i danych eksperymentalnych na temat efektywnej trafności naprężeń w glebie, betonie i skale w celu odrzucenia niektórych z tych wyrażeń, a także wyjaśnienia, które wyrażenie było właściwe zgodnie z kilkoma hipotezami roboczymi, takie jak zachowanie naprężenie-odkształcenie lub wytrzymałość, media nasycone lub nienasycone oraz zachowanie skały/betonu lub gleby. W swojej książce z 1948 roku Donald Taylor uznał, że zazębianie się i rozszerzanie gęsto upakowanych cząstek przyczyniło się do szczytowej wytrzymałości gleby. Wzajemne zależności między zachowaniem przy zmianie objętości (rozszerzanie, kurczenie i konsolidacja) a zachowaniem przy ścinaniu zostały połączone za pośrednictwem teorii plastyczność przy użyciu mechaniki gleby w stanie krytycznym autorstwa Roscoe, Schofielda i Wrotha wraz z publikacją „On the Yielding of Soils” w 1958 r. Mechanika gleby w stanie krytycznym jest podstawą wielu współczesnych zaawansowanych modeli konstytutywnych opisujących zachowanie gleby.

Geotechniczne modelowanie wirówkowe to metoda testowania fizycznych modeli problemów geotechnicznych w skali. Zastosowanie wirówki zwiększa podobieństwo badań modelowych z udziałem gleby, ponieważ wytrzymałość i sztywność gleby jest bardzo wrażliwa na ciśnienie ograniczające . Przyspieszenie odśrodkowe pozwala badaczowi uzyskać duże (w skali prototypu) naprężenia w małych modelach fizycznych.

Mechanika gruntów

Diagram fazowy gleby wskazujący masy i objętości powietrza, gleby, wody i pustek.
Główne artykuły: Mechanika gruntów i Mechanika skał

W inżynierii geotechnicznej gleby są uważane za materiał trójfazowy składający się z cząstek skał lub minerałów , wody i powietrza. Pustki w glebie, przestrzenie pomiędzy cząstkami mineralnymi, zawierają wodę i powietrze.

Na właściwości inżynieryjne gleb wpływają cztery główne czynniki: przeważająca wielkość cząstek mineralnych, rodzaj cząstek mineralnych, rozkład wielkości ziaren oraz względne ilości minerałów, wody i powietrza obecnych w matrycy gleby. Cząsteczki drobne (drobne) definiuje się jako cząstki o średnicy mniejszej niż 0,075 mm.

Właściwości gleby

Główny artykuł: Mechanika gleby

Niektóre z ważnych właściwości gruntów, które są wykorzystywane przez inżynierów geotechników do analizy warunków terenowych i projektowania robót ziemnych, konstrukcji oporowych i fundamentów, to:

Ciężar właściwy lub ciężar jednostkowy
Skumulowany ciężar cząstek stałych, wody i powietrza w jednostce objętości gleby. Należy zauważyć, że często zakłada się, że faza powietrza jest nieważka.
Porowatość
Stosunek objętości pustych przestrzeni (zawierających powietrze, wodę lub inne płyny) w glebie do całkowitej objętości gleby. Porowatość jest matematycznie związana ze stosunkiem pustych przestrzeni, jak pokazano poniżej

tutaj e to stosunek pustych przestrzeni, a n to porowatość.
Współczynnik
pustych przestrzeni Stosunek objętości pustych przestrzeni do objętości cząstek stałych w masie gleby. Współczynnik pustych przestrzeni jest matematycznie powiązany z porowatością przez

Przepuszczalność
Miara zdolności wody do przepływu przez glebę. Wyraża się ją w jednostkach darcie (d). Przepuszczalność 1 d umożliwia przepływ 1 cm 3 na sekundę płynu o lepkości 1 cP (centypuazów) przez pole przekroju 1 cm 2 przy zastosowaniu gradientu ciśnienia 1 atm/cm.
Ściśliwość
Szybkość zmiany objętości przy efektywnym naprężeniu. Jeżeli pory są wypełnione wodą, to woda musi zostać wyciśnięta z porów, aby umożliwić objętościowe zagęszczenie gleby; proces ten nazywa się konsolidacją.
Wytrzymałość na ścinanie
Maksymalna naprężenie ścinające , które można zastosować w masie gruntu bez powodowania zniszczenia ścinającego.
Granice Atterberga
Granice płynności , Granice plastyczności i Granice skurczu . Wskaźniki te służą do oceny innych właściwości inżynierskich oraz do klasyfikacji gruntów .

Badania geotechniczne

Główny artykuł: Badania geotechniczne

Do zadań inżyniera geotechnika należy badanie warunków i materiałów podpowierzchniowych; określenie odpowiednich właściwości fizycznych, mechanicznych i chemicznych tych materiałów; projektowanie ziemnych i oporowych (w tym tam , nasypów , składowisk odpadów sanitarnych, składowisk odpadów niebezpiecznych ), tuneli , fundamentów budowli ; monitorowanie warunków terenowych, robót ziemnych i budowy fundamentów; ocena stateczności naturalnych zboczy i stworzone przez człowieka osady glebowe; ocena ryzyka stwarzanego przez warunki na miejscu; oraz przewidywanie, zapobieganie i łagodzenie szkód spowodowanych przez zagrożenia naturalne (takie jak lawiny , lawiny błotne , osunięcia ziemi , skały , zapadliska i erupcje wulkanów ).

Inżynierowie geotechnicy i geolodzy inżynierscy wykonują badania geotechniczne w celu uzyskania informacji na temat fizycznych właściwości gleby i skał znajdujących się pod terenem (a czasem w sąsiedztwie) w celu zaprojektowania robót ziemnych i fundamentów pod proponowane konstrukcje oraz w celu naprawy uszkodzeń robót ziemnych i konstrukcji spowodowanych przez podłoże warunki. Badanie geotechniczne obejmie eksplorację powierzchniową i podpowierzchniową terenu. Czasami metody geofizyczne są wykorzystywane do pozyskiwania danych o miejscach. Eksploracja podpowierzchniowa zwykle obejmuje testy in-situ (dwa typowe przykłady testów in-situ to standardowy test penetracji i test penetracji stożka ). Ponadto badanie terenu często obejmuje pobieranie próbek podpowierzchniowych i badania laboratoryjne pobranych próbek gleby. Kopanie dołów testowych i wykopów (szczególnie w celu zlokalizowania uskoków i płaszczyzn osuwiskowych ) może być również wykorzystane do poznania warunków glebowych na głębokości. Odwierty o dużej średnicy są rzadko używane ze względów bezpieczeństwa i kosztów, ale czasami są używane, aby umożliwić geologowi lub inżynierowi opuszczenie do odwiertu w celu bezpośredniego wizualnego i ręcznego zbadania stratygrafii gleby i skał .

wiele różnych próbników gleby , aby sprostać potrzebom różnych projektów inżynieryjnych. Standardowy test penetracyjny (SPT), w którym wykorzystuje się grubościenny próbnik z dzieloną łyżką, jest najczęstszym sposobem pobierania zaburzonych próbek. Próbniki tłokowe, wykorzystujące cienkościenną rurkę, są najczęściej stosowane do pobierania próbek mniej zaburzonych. Bardziej zaawansowane metody, takie jak próbnik blokowy Sherbrooke, są lepsze, ale nawet droższe. Wykonywanie rdzeni zamarzniętego gruntu zapewnia wysokiej jakości niezakłócone próbki z dowolnych warunków gruntowych, takich jak nasyp, piasek, morena i strefy spękań skał.

graniczne Atterberga , pomiary zawartości wody i analizę wielkości ziarna można przeprowadzić na próbkach wzburzonych uzyskanych z grubościennych próbników gleby . Właściwości, takie jak wytrzymałość na ścinanie, sztywność, przewodność hydrauliczna i współczynnik konsolidacji , mogą zostać znacząco zmienione przez wzburzenie próbki. Aby zmierzyć te właściwości w laboratorium, wymagane jest pobieranie próbek wysokiej jakości. Typowe testy do pomiaru wytrzymałości i sztywności obejmują ścinanie trójosiowe i nieograniczony test kompresji. Wszystko to można wykonać za pośrednictwem zewnętrznej firmy testującej, takiej jak Intertek .

Eksploracja powierzchni może obejmować mapowanie geologiczne , metody geofizyczne i fotogrametrię ; lub może to być tak proste, jak spacer inżyniera w celu obserwacji warunków fizycznych na miejscu. Mapowanie geologiczne i interpretacja geomorfologii są zazwyczaj wykonywane w porozumieniu z geologiem lub geologiem inżynierskim .

Czasami stosuje się również eksplorację geofizyczną . Techniki geofizyczne stosowane do eksploracji podpowierzchniowej obejmują pomiary fal sejsmicznych (ciśnienie, ścinanie i fale Rayleigha ), metody fal powierzchniowych i/lub metody wgłębne oraz badania elektromagnetyczne (magnetometr, rezystywność i radar penetrujący ziemię ).

Infrastruktura

  1. Średnie / ciężkie wiertarki udarowe .
  2. Obrotowa wiertnica diamentowa do dużych obciążeń.
  3. Lekka geomaszyna.
  4. Wciągarki ręczne ze statywem.
  5. Dynamiczna maszyna do badania penetracji stożka.
  6. Statyczna maszyna do penetracji stożka.
  7. Maszyna do testowania miernika ciśnienia.
  8. Maszyna do badania ścinania łopatki polowej.
  9. Terenowa maszyna testowa CBR (California Bearing Ratio).
  10. Blokowa maszyna do testowania wibracji.
  11. Szybka maszyna do pomiaru wilgotności.
  12. Maszyna do cięcia rdzeni w gęstości in situ.
  13. Standardowa maszyna do testów penetracyjnych.
  14. Przepuszczalność pola pojedyncza i podwójna maszyna pakująca.

Aplikacja

  1. PROJEKTOWANIE MOSTÓW: Typ fundamentu i zalecenia dotyczące głębokości.
  2. PROJEKT TUNELU: obliczenie wartości RMR i Q.
  3. PROJEKTOWANIE KONSTRUKCYJNE BUDYNKÓW: Wydobywa bezpieczne obciążenie nośne.
  4. PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI OBROTOWYCH: Zalecenie techniki wzmacniania gruntu.

Struktury

Podwaliny

Główny artykuł: Fundacja (inżynieria)

Fundament budynku lub infrastruktury transportowej przenosi obciążenia z konstrukcji na ziemię. Inżynierowie geotechniczni projektują fundamenty w oparciu o charakterystykę obciążenia konstrukcji oraz właściwości gruntu i/lub podłoża skalnego na miejscu. Ogólnie rzecz biorąc, inżynierowie geotechnicy:

  1. Oszacuj wielkość i lokalizację obciążeń, które mają być podparte.
  2. Opracuj plan badań w celu zbadania podpowierzchni .
  3. Określ niezbędne parametry gleby poprzez testy terenowe i laboratoryjne (np. test konsolidacji , trójosiowy test ścinania , test ścinania łopatki, standardowy test penetracji ).
  4. Zaprojektuj fundament w najbezpieczniejszy i najbardziej ekonomiczny sposób.

Podstawowymi kwestiami dotyczącymi podparcia fundamentów są nośność , osiadanie i ruch gruntu pod fundamentami. Nośność to zdolność gleb na terenie budowy do przenoszenia obciążeń nałożonych przez budynki lub konstrukcje. Osiadanie występuje pod wszystkimi fundamentami we wszystkich warunkach glebowych, chociaż lekko obciążone konstrukcje lub stanowiska skalne mogą doświadczać osiadań nieistotnych. W przypadku cięższych konstrukcji i/lub bardziej miękkich gruntów obawy mogą dotyczyć zarówno ogólnego osiadania w stosunku do obszarów niezabudowanych lub sąsiednich budynków, jak i zróżnicowanego osiadania w ramach jednej konstrukcji. Szczególnie niepokojące jest osiadanie, które pojawia się w czasie, ponieważ natychmiastowe osiadanie można zwykle zrekompensować podczas budowy. Ruch gruntu pod fundamentami konstrukcji może wystąpić z powodu gruntów o niskiej nośności (miękka glina, muł , organiczny, luźny piasek), zmiany objętości gruntów ekspansywnych spowodowane wilgocią, cyklami zamrażania i rozmrażania lub topnieniem wiecznej zmarzliny lub nieodpowiednim materiałem wypełniającym o niskiej wytrzymałości, dużej ściśliwości i dużej zawartości wody. Wszystkie te czynniki należy wziąć pod uwagę podczas projektowania fundamentów.

Na obszarach o płytkim podłożu skalnym większość fundamentów może opierać się bezpośrednio na podłożu skalnym; na innych obszarach gleba może zapewnić wystarczającą wytrzymałość do podparcia konstrukcji. Na obszarach o głębszym podłożu skalnym z miękkimi gruntami leżącymi nad podłożem stosuje się głębokie fundamenty do podparcia konstrukcji bezpośrednio na podłożu skalnym; na obszarach, na których podłoże skalne nie jest dostępne ekonomicznie, zamiast tego do podparcia głębokich fundamentów stosuje się sztywne „warstwy nośne”.

Płytki

Główny artykuł: Płytka podstawa
Przykład fundamentu typu płyta na poziomie.

Płytkie fundamenty to rodzaj fundamentów, który przenosi obciążenie budynku na bardzo blisko powierzchni, a nie na warstwę podpowierzchniową. Płytkie fundamenty zazwyczaj mają stosunek głębokości do szerokości mniejszy niż 1.

Stopy fundamentowe

Stopy fundamentowe (często nazywane „stopami fundamentowymi”, ponieważ rozkładają obciążenie) to elementy konstrukcyjne, które przenoszą obciążenia konstrukcji na grunt poprzez bezpośredni kontakt powierzchniowy. Stopy fundamentowe mogą być izolowane dla obciążeń punktowych lub słupowych lub ławy fundamentowe dla obciążeń ściennych lub innych długich (liniowych). Stopy fundamentowe są zwykle budowane ze zbrojonego betonu wylewanego bezpośrednio na grunt i są zwykle osadzane w gruncie w celu penetracji strefy ruchu mrozu i/lub uzyskania dodatkowej nośności.

Płyta

Wariant na stopach fundamentowych polega na tym, że cała konstrukcja opiera się na pojedynczej płycie betonowej leżącej pod całym obszarem konstrukcji. Płyty muszą być wystarczająco grube, aby zapewnić wystarczającą sztywność , aby równomiernie rozłożyć obciążenia łożyska i zminimalizować różnice w osiadaniu na fundamencie. W niektórych przypadkach dopuszcza się ugięcie, a zamiast tego budynek jest skonstruowany tak, aby tolerował niewielkie ruchy fundamentu. W przypadku małych konstrukcji, takich jak domy jednorodzinne, grubość stropu może być mniejsza niż 300 mm; w przypadku większych konstrukcji płyta fundamentowa może mieć kilka metrów grubości.

Fundamenty płytowe mogą być fundamentami płytowymi lub fundamentami osadzonymi, zwykle w budynkach z piwnicami . Fundamenty typu płyta na poziomie muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby uwzględniały potencjalne ruchy gruntu spowodowane zmieniającymi się warunkami glebowymi.

Głęboko

Wbijanie pali pod most w Napa w Kalifornii .
Główny artykuł: Głębokie fundamenty

Głębokie fundamenty są używane do konstrukcji lub dużych obciążeń, gdy płytkie fundamenty nie mogą zapewnić odpowiedniej nośności ze względu na rozmiar i ograniczenia konstrukcyjne. Mogą być również wykorzystywane do przenoszenia obciążeń budowlanych przez słabe lub ściśliwe warstwy gruntu. Podczas gdy płytkie fundamenty opierają się wyłącznie na nośności gruntu pod nimi, głębokie fundamenty mogą polegać na oporze łożyska końcowego, oporze tarcia na swojej długości lub obu tych elementach w celu uzyskania wymaganej nośności. Inżynierowie geotechniczni używają specjalistycznych narzędzi, takich jak test penetracji stożka , aby oszacować wielkość oporu powierzchniowego i czołowego dostępnego w podłożu.

Istnieje wiele rodzajów głębokich fundamentów, w tym pale , wiercone szyby, kesony , filary i kolumny stabilizowane gruntem. Duże budynki, takie jak drapacze chmur , zazwyczaj wymagają głębokich fundamentów. Na przykład wieża Jin Mao w Chinach wykorzystuje stalowe pale rurowe o długości około 1 m (3,3 stopy) wbite na głębokość 83,5 m (274 stóp), aby utrzymać jej ciężar .

W budynkach, które zostały wzniesione i które uległy osiadaniu, do ustabilizowania istniejącego budynku można użyć pali fundamentowych .

Istnieją trzy sposoby umieszczania pali dla głębokiego fundamentu. Można je napędzać, wiercić lub instalować za pomocą świdra. Pale wbijane są przedłużane do wymaganej głębokości za pomocą energii zewnętrznej w taki sam sposób, w jaki wbija się gwóźdź. Istnieją cztery typowe młoty używane do wbijania takich pali: młoty spadowe, młoty wysokoprężne, młoty hydrauliczne i młoty pneumatyczne. Młoty opadowe po prostu zrzucają ciężki ciężar na stos, aby go wbić, podczas gdy młoty wysokoprężne wykorzystują jednocylindrowy silnik wysokoprężny do przepychania stosów przez Ziemię. Podobnie młoty hydrauliczne i pneumatyczne dostarczają energię do pali za pomocą układu hydraulicznego i sił powietrznych. Energia przekazywana przez młotek różni się w zależności od rodzaju wybranego młota i może sięgać nawet miliona stóp funtów w przypadku dużych młotów wysokoprężnych, bardzo często używanych w praktyce. Pale są wykonane z różnych materiałów, w tym stali, drewna i betonu. Pale wiercone powstają poprzez wywiercenie otworu na odpowiednią głębokość i zalanie go betonem. Pale wiercone mogą zwykle przenosić większe obciążenia niż pale wbijane, po prostu ze względu na większą średnicę pala. Metoda instalowania pala za pomocą świdra jest podobna do instalacji pala wierconego, ale beton jest pompowany do otworu podczas wyjmowania świdra.

Boczne konstrukcje wsporcze ziemi

Główny artykuł: mur oporowy

Mur oporowy to konstrukcja, która zatrzymuje ziemię. Mury oporowe stabilizują glebę i skały przed ruchem w dół zbocza lub erozją i zapewniają wsparcie dla pionowych lub prawie pionowych zmian nachylenia. Koferdamy i grodzie , konstrukcje zatrzymujące wodę, są czasami uważane za ściany oporowe.

Głównym problemem geotechnicznym przy projektowaniu i montażu ścian oporowych jest to, że ciężar zatrzymanego materiału powoduje boczne ciśnienie gruntu za ścianą, co może spowodować odkształcenie lub uszkodzenie ściany. Boczne parcie gruntu zależy od wysokości muru, gęstości gruntu, wytrzymałości gruntu i wielkości dopuszczalnego ruchu muru. To ciśnienie jest najmniejsze u góry i wzrasta w kierunku dołu w sposób podobny do ciśnienia hydraulicznego i ma tendencję do odpychania ściany od zasypki. Wody gruntowe za ścianą, która nie jest odprowadzana przez system drenażowy, powoduje dodatkowe poziome ciśnienie hydrauliczne na ścianę.

Ściany grawitacyjne

Ściany grawitacyjne zależą od wielkości i ciężaru masy ściany, aby wytrzymać naciski z tyłu. Ściany grawitacyjne często mają niewielkie odchylenie lub ciasto, aby poprawić stabilność ściany. powszechnie stosuje się ściany grawitacyjne wykonane z geokomórek , kamienia układanego na sucho (bez zaprawy) lub segmentowych elementów betonowych (elementów murowanych).

Wcześniej w XX wieku wyższe mury oporowe były często murami grawitacyjnymi wykonanymi z dużych mas betonu lub kamienia. Obecnie wyższe ściany oporowe są coraz częściej budowane jako kompozytowe ściany grawitacyjne, takie jak ściany oporowe z geokomórek , grunt zasypowy zbrojony stalą z prefabrykowaną okładziną; gabiony (ułożone w stosy kosze z drutu stalowego wypełnione kamieniami), ściany łóżek (komórki zbudowane w stylu chaty z bali z prefabrykowanego betonu lub drewna i wypełnione ziemią lub swobodnie drenującym żwirem) lub ściany z gwoździami gruntowymi (grunt wzmocniony stalowymi i betonowymi prętami ).

W przypadku ścian grawitacyjnych z gruntu zbrojonego zbrojenie gruntowe układa się w poziomych warstwach na całej wysokości ściany. Powszechnie zbrojeniem gruntu jest geosiatka , siatka polimerowa o wysokiej wytrzymałości, która zapewnia wytrzymałość na rozciąganie w celu utrzymania gleby razem. Lico ściany jest często wykonane z geokomórki lub prefabrykowanych, segmentowych elementów betonowych, które mogą tolerować pewien ruch różnicowy. Masa gruntu zbrojonego wraz z okładziną staje się ścianą grawitacyjną. Wzmocniona masa musi być wystarczająco duża, aby wytrzymać naciski gruntu za nią. Ściany grawitacyjne zwykle muszą mieć co najmniej 30 do 40 procent głębokości (grubości) równej wysokości ściany i mogą być większe, jeśli na ścianie występuje nachylenie lub dopłata.

Ściany wspornikowe

Przed wprowadzeniem nowoczesnych ścian grawitacyjnych z gruntu zbrojonego, ściany wspornikowe były najczęstszym typem wyższych ścian oporowych. Ściany wspornikowe są wykonane ze stosunkowo cienkiego pręta ze zbrojonego stalą betonu wylewanego na miejscu lub muru z zaprawy (często w kształcie odwróconej litery T). Te ściany przenoszą obciążenia wspornikowe (jak belka) na dużą podstawę konstrukcyjną; przekształcanie nacisków poziomych zza ściany na naciski pionowe na ziemię poniżej. Czasami ściany wspornikowe są podparte z przodu lub zawierają przeciwwagę z tyłu, aby poprawić ich stabilność przy dużych obciążeniach. Przypory to ściany o krótkich skrzydłach pod kątem prostym do głównego kierunku ściany. Ściany te wymagają sztywnych fundamentów betonowych poniżej sezonowej głębokości przemarzania. Ten typ ściany zużywa znacznie mniej materiału niż tradycyjna ściana grawitacyjna.

Ściany wspornikowe wytrzymują naciski boczne poprzez tarcie u podstawy ściany i/lub bierny nacisk gruntu , czyli tendencję gruntu do przeciwstawiania się ruchom poprzecznym.

Piwnice są formą ścian wspornikowych, ale siły działające na ściany piwnic są większe niż na ścianach konwencjonalnych, ponieważ ściana piwnicy nie może się swobodnie poruszać.

Obudowa wykopu

Obudowa tymczasowych wykopów często wymaga konstrukcji ściany, która nie wystaje poprzecznie poza ścianę, więc obudowa rozciąga się poniżej planowanej podstawy wykopu. Powszechnymi metodami podparcia są grodzice lub belki żołnierskie i otulina . Grodzice są formą wbijanych pali przy użyciu cienkich zazębiających się arkuszy stali w celu uzyskania ciągłej bariery w gruncie i są wbijane przed wykopem. Belki żołnierskie zbudowane są ze stalowych dwuteowników szerokostopowych rozmieszczonych w odstępach około 2–3 m, wbijanych przed wykonaniem wykopu. W miarę postępu wykopu poziome drewno lub blacha stalowa (otulina) jest wstawiana za pasami pali H.

Wykorzystanie przestrzeni podziemnej wymaga wykonania wykopu, co może spowodować duże i niebezpieczne przemieszczanie się masy gruntowej wokół wykopu. Ponieważ przestrzeń do wykopów na zboczach jest ograniczona na obszarach miejskich, cięcie odbywa się w pionie. Mury oporowe wykonuje się w celu zapobieżenia niebezpiecznym przemieszczeniom gruntu wokół wykopów. Ściany szczelinowe są rodzajem murów oporowych, które są bardzo sztywne i generalnie wodoszczelne. Poziome ruchy ścian szczelinowych są zwykle blokowane przez boczne podpory. Ściany szczelinowe są kosztownymi ścianami, ale oszczędzają czas i miejsce, a także są bezpieczne, dlatego są szeroko stosowane w głębokich wykopach miejskich.

W niektórych przypadkach podparcie boczne, które może zapewnić sama ściana oporowa, jest niewystarczające, aby wytrzymać planowane obciążenia boczne ; w tym przypadku dodatkowe wsparcie zapewniają rygle lub ściągacze. Walery to elementy konstrukcyjne, które łączą się w poprzek wykopu, dzięki czemu obciążenia z gruntu po obu stronach wykopu są wykorzystywane do wzajemnego opierania się lub przenoszą obciążenia poziome ze ściany obudowy na podstawę wykopu. Ściągi to stalowe cięgna wiercone w licu ściany, które wystają poza grunt, który wywiera nacisk na ścianę, aby zapewnić dodatkowy boczny opór ściany.

Roboty ziemne

Zagęszczarka / walec obsługiwany przez US Navy Seabees
Zobacz też: Roboty ziemne (inżynierskie)
  • Wykopy to proces przygotowania ziemi zgodnie z wymaganiami poprzez usunięcie gleby z terenu budowy w celu wyrównania terenu lub zastąpienia gorszego podłoża gruntem o większej nośności.
  • Zasypywanie to proces przygotowania gruntu zgodnie z wymaganiami poprzez umieszczenie gruntu na miejscu i wyrównanie lub dodanie naturalnych lub przetworzonych geomateriałów (np. tłucznia kamiennego) w celu zwiększenia wytrzymałości gruntu i warstw nośnych konstrukcji.
  • Zagęszczanie to proces, w wyniku którego zwiększa się gęstość gruntu i zmniejsza się jego przepuszczalność. Prace związane z układaniem wypełnienia często wymagają określonego stopnia zagęszczenia lub, alternatywnie, określonych właściwości zagęszczonego gruntu. Grunty in-situ można zagęszczać przez walcowanie, głębokie zagęszczanie dynamiczne , wibrowanie, śrutowanie, wirowanie , ugniatanie, zagęszczanie iniekcyjne itp.

Ulepszenie gruntu

Ulepszenie lub modyfikację gruntu definiuje się jako modyfikację podłoża fundamentowego terenu lub projektowanych konstrukcji ziemnych w celu zapewnienia lepszej wydajności w warunkach obciążenia projektowego i/lub eksploatacyjnego. Zwykle modyfikowanymi właściwościami są wytrzymałość na ścinanie, sztywność i przepuszczalność. W ramach ulepszania gruntu opracowano wyrafinowane metody wspierania fundamentów dla szerokiej gamy budynków i infrastruktury transportowej , w miarę jak urbanizacja i infrastruktura rozprzestrzeniają się na obszary o trudnych warunkach geotechnicznych. Zbrojenie gruntu jest jedną z najpopularniejszych technik wzmacniania gruntu stosowaną w celu poprawy sztywności i wytrzymałości gruntu. Można to osiągnąć za pomocą różnych materiałów i technik, np. geosyntetyków wzmacniających , takich jak geokomórki i geosiatki, które rozkładają obciążenia na większym obszarze, zwiększając w ten sposób nośność gruntu. Właściwe zastosowanie, tj. po uwzględnieniu charakteru wzmacnianego gruntu oraz rodzaju i obciążenia budowanych obiektów, hydrauliczne, mechaniczne, chemiczne i/lub biologiczne metody wzmacniania gruntu zmniejszają koszty bezpośrednie i długoterminowe.

Stabilizacja zbocza

Prosta sekcja poślizgu na zboczu.
Główny artykuł: Stabilność zbocza

Stabilność zbocza to zdolność zboczy pokrytych glebą do wytrzymania i poddania się ruchom . Stabilność jest określana przez równowagę naprężenia ścinającego i wytrzymałości na ścinanie . Na poprzednio stabilne zbocze mogą początkowo wpływać czynniki przygotowawcze, powodujące, że zbocze jest warunkowo niestabilne. Czynniki wyzwalające awarię zbocza mogą to być zdarzenia klimatyczne, które mogą następnie spowodować aktywną niestabilność zbocza, prowadząc do ruchów masowych. Ruchy masowe mogą być spowodowane wzrostem naprężeń ścinających, takich jak obciążenie, nacisk boczny i siły przejściowe. Alternatywnie, wytrzymałość na ścinanie może być zmniejszona przez warunki atmosferyczne, zmiany ciśnienia wody w porach i obecność materiału organicznego.

Kilka trybów awarii zboczy ziemi obejmuje upadki, przewrócenia, zsunięcia i spływy. Na zboczach z gruboziarnistą glebą lub skałami spadki zwykle występują w postaci szybkiego opadania skał i innego luźnego materiału zbocza. Zbocze przewraca się, gdy duża kolumna gleby przechyla się nad swoją pionową osią w momencie uszkodzenia. Typowa analiza stateczności zbocza uwzględnia uszkodzenia ślizgowe, sklasyfikowane głównie jako ślizgi obrotowe lub ślizgi translacyjne. Jak sugeruje nazwa, prowadnice obrotowe zawodzą wzdłuż ogólnie zakrzywionej powierzchni, podczas gdy prowadnice translacyjne zawodzą wzdłuż bardziej płaskiej powierzchni. Zbocze zanikające podczas przepływu przypominałoby płyn spływający w dół.

Analiza stateczności zbocza
Główny artykuł: Analiza stateczności zbocza

Analiza stateczności jest potrzebna do projektowania zboczy inżynieryjnych oraz do oszacowania ryzyka zniszczenia zboczy na naturalnych lub projektowanych zboczach. Powszechnym założeniem jest to, że zbocze składa się z warstwy gleby umieszczonej na sztywnej podstawie. Zakłada się, że masa i podstawa oddziałują poprzez tarcie. Interfejs między masą a podstawą może być płaski, zakrzywiony lub mieć inną złożoną geometrię . Celem analizy stateczności zbocza jest określenie warunków, w których masa ześlizgnie się względem podłoża i doprowadzi do zniszczenia zbocza.

Jeśli interfejs między masą a podstawą zbocza ma złożoną geometrię, analiza stateczności zbocza jest trudna i wymagane są metody numeryczne . Zazwyczaj dokładna geometria interfejsu nie jest znana i przyjmuje się uproszczoną geometrię interfejsu. Skończone nachylenia wymagają analizy trójwymiarowych modeli. Aby uprościć problem, większość zboczy jest analizowana przy założeniu, że są one nieskończenie szerokie i dlatego mogą być reprezentowane przez modele dwuwymiarowe. Zbocze może być odwadniane lub nieodwadniane. Stan bez drenażu jest używany w obliczeniach do uzyskania konserwatywnych szacunków ryzyka.

Popularne podejście do analizy stateczności opiera się na zasadach odnoszących się do koncepcji równowagi granicznej. Ta metoda analizuje skończone lub nieskończone nachylenie, tak jakby miało ono ulec uszkodzeniu wzdłuż ślizgowej powierzchni zniszczenia. Naprężenia równowagi są obliczane wzdłuż płaszczyzny zniszczenia i porównywane z wytrzymałością gruntu na ścinanie określoną za pomocą równania wytrzymałości na ścinanie Terzaghiego . O stabilności ostatecznie decyduje współczynnik bezpieczeństwa równy stosunkowi wytrzymałości na ścinanie do naprężeń równowagi wzdłuż powierzchni zniszczenia. Współczynnik bezpieczeństwa większy niż jeden ogólnie implikuje stabilne nachylenie, którego uszkodzenie nie powinno wystąpić przy założeniu, że nachylenie jest niezakłócone. W praktyce powszechnie stosuje się współczynnik bezpieczeństwa 1,5 dla warunków statycznych.

Geosyntetyki

Główny artykuł: Geosyntetyki
Kolaż produktów geosyntetycznych.

Geosyntetyki to rodzaj plastikowych produktów polimerowych stosowanych w inżynierii geotechnicznej, które poprawiają wydajność inżynierii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Obejmuje to geowłókniny , geosiatki , geomembrany , geokomórki i geokompozyty . Syntetyczny charakter produktów sprawia, że ​​nadają się one do stosowania w gruncie, gdzie wymagany jest wysoki poziom trwałości; ich główne funkcje obejmują drenaż , filtrację , wzmocnienie, separację i powstrzymywanie. Geosyntetyki są dostępne w szerokiej gamie form i materiałów, z których każdy nadaje się do nieco innego zastosowania końcowego, chociaż często są one używane razem. Wykazano , że niektóre geosyntetyki wzmacniające, takie jak geosiatki, a ostatnio komórkowe systemy ograniczające, poprawiają nośność, współczynniki modułu oraz sztywność i wytrzymałość gruntu. Produkty te mają szeroki zakres zastosowań i są obecnie wykorzystywane w wielu zastosowaniach inżynierii lądowej i geotechnicznej, w tym w drogach, lotniskach, liniach kolejowych, nasypach , nasypach palowych, konstrukcjach oporowych, zbiornikach , kanałach, tamach, składowiskach odpadów , ochrona brzegów i inżynieria brzegowa.

na morzu

Główny artykuł: Inżynieria geotechniczna na morzu
Platformy na morzu w Meksyku.

Inżynieria geotechniczna na morzu (lub morska ) dotyczy projektowania fundamentów konstrukcji wykonanych przez człowieka na morzu , z dala od linii brzegowej (w przeciwieństwie do lądowych lub przybrzeżnych ). Przykładami takich konstrukcji są platformy wiertnicze , sztuczne wyspy i rurociągi podmorskie . Istnieje wiele znaczących różnic między inżynierią geotechniczną na lądzie i na morzu. Warto zauważyć, że ulepszanie gruntu (na dnie morskim) i badanie terenu są droższe, a konstrukcje przybrzeżne są narażone na szerszy zakres geozagrożenia , a konsekwencje środowiskowe i finansowe są większe w przypadku awarii. Konstrukcje morskie są narażone na różne obciążenia środowiskowe, zwłaszcza wiatr , fale i prądy . Zjawiska te mogą mieć wpływ na integralność lub przydatność konstrukcji i jej fundamentów w okresie eksploatacji – należy je uwzględnić w projektach morskich.

W podmorskiej inżynierii geotechnicznej materiały dna morskiego są uważane za materiał dwufazowy składający się z 1) skał lub cząstek mineralnych oraz 2) wody. Konstrukcje mogą być zamocowane na dnie morskim — jak w przypadku pomostów , pomostów i turbin wiatrowych o stałym dnie — lub może być to konstrukcja pływająca, która pozostaje z grubsza nieruchoma względem geotechnicznego punktu kotwiczenia. Podmorskie cumowanie konstrukcji pływających stworzonych przez człowieka obejmuje dużą liczbę morskich platform naftowych i gazowych , a od 2008 r. kilka pływających turbin wiatrowych . Dwa popularne typy projektów inżynierskich do kotwienia konstrukcji pływających obejmują systemy cumownicze z napinanymi nogami i łańcuchami nośnymi. „Systemy cumownicze z nogami napinanymi mają pionowe liny pod napięciem, które zapewniają duże momenty przywracające w pochyleniu i przechyle. Sieciowe systemy cumownicze zapewniają utrzymanie stacji w konstrukcji morskiej, a jednocześnie zapewniają niewielką sztywność przy niskich napięciach”.

Metoda obserwacyjna

W inżynierii geotechnicznej, podczas budowy konstrukcji ziemnych (na przykład zapór i tuneli), metoda obserwacyjna jest ciągłym, zarządzanym i zintegrowanym procesem projektowania, kontroli budowy, monitorowania i przeglądu, umożliwiającym wprowadzenie odpowiednich, wcześniej zdefiniowanych modyfikacji podczas ( lub po) budowie. Wszystkie te aspekty muszą być wyraźnie solidne. Celem jest osiągnięcie większej ogólnej oszczędności, bez uszczerbku dla bezpieczeństwa .

Metoda obserwacyjna została zaproponowana przez Karla Terzaghiego i omówiona w artykule Ralpha B. Pecka (1969). Miało to na celu zmniejszenie kosztów w trakcie budowy ponoszonych poprzez projektowanie konstrukcji ziemnych w oparciu o najbardziej niekorzystne założenia (tj. warunki geologiczne, właściwości inżynierii gruntu itp.). Zamiast tego projekt opiera się na najbardziej prawdopodobnych warunkach, a nie na najbardziej niekorzystnych. Luki w dostępnych informacjach uzupełniają obserwacje: pomiary geotechniczno-instrumentalne ( m.in. ) oraz badania geotechniczne terenu (na przykład wiercenie otworów wiertniczych i CPT ). Obserwacje te pomagają w ocenie zachowania się konstrukcji podczas budowy , które następnie można modyfikować zgodnie z ustaleniami. Metodę można opisać jako „uczenie się na bieżąco”.

Metodę obserwacyjną można opisać następująco:

  • Eksploracja wystarczająca do ustalenia ogólnego charakteru, struktury i właściwości złóż ( niekoniecznie szczegółowo).
  • Ocena najbardziej prawdopodobnych warunków i najbardziej niekorzystnych możliwych odchyleń od tych warunków. Dużą rolę odgrywa geologia.
  • Stworzenie projektu w oparciu o roboczą hipotezę zachowania przewidywanego w najbardziej prawdopodobnych warunkach.
  • Wybór wielkości obserwowanych w trakcie budowy i obliczenie ich przewidywanych wartości w oparciu o hipotezę roboczą.
  • Obliczenie wartości tych samych wielkości w najbardziej niekorzystnych warunkach zgodnych z dostępnymi danymi dotyczącymi warunków podpowierzchniowych.
  • Wybór (wcześniej) kierunku działania lub modyfikacji projektu dla każdego przewidywalnego istotnego odchylenia wyników obserwacji od przewidywanych na podstawie hipotezy roboczej .
  • Pomiar wielkości obserwowanych i ocena rzeczywistych warunków.
  • Modyfikacja projektu zgodnie z rzeczywistymi warunkami

Metoda obserwacyjna jest odpowiednia dla budowy już rozpoczętej, gdy nastąpi nieoczekiwany rozwój sytuacji lub gdy awaria lub wypadek grozi lub już nastąpił. Metoda nie jest odpowiednia dla projektów, których projektu nie można zmienić w trakcie budowy.

Najpoważniejszym błędem w stosowaniu metody obserwacyjnej jest nie wybranie (z góry) odpowiedniego sposobu postępowania dla wszystkich przewidywalnych (ujawnionych przez obserwację) odchyleń od założonych w projekcie. Inżynier musi opracować rozwiązania wszystkich problemów, które mogłyby się pojawić w najmniej sprzyjających warunkach. Jeśli nie może rozwiązać tych hipotetycznych problemów (nawet jeśli prawdopodobieństwo ich wystąpienia jest bardzo niskie), musi wrócić do projektu opartego na najmniej korzystnych warunkach.

Zobacz też

icon Portal inżynierski

Notatki

  • Bates i Jackson, 1980, Glosariusz geologii: Amerykański Instytut Geologiczny.
  • Krynine i Judd, 1957, Zasady geologii inżynierskiej i geotechniki: McGraw-Hill, Nowy Jork.

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Geotechnical_engineering&oldid=1137016080 ”