Sveuilite u Splitu

Graevinsko arhitektonski fakultet

Katedra za geotehnniku

Geotehniko inenjerstvo

Prirunik uz predavanja

samo za internu upotrebu

Split, 2008.

Dio III

Sloene geotehnike graevine

POVIJEST

Sloene geotehnike graevine su stare koliko i graditeljstvo. Graene po iskustvu, neke su trajale due, a neke su nestale u povijesti. Krenulo se od jednostavnih ali uinkovitih kao to je na pr. suhozid. Graeni bez veziva, potpuno propusni za vodu, odolijevaju stoljeima i vre zadanu ulogu. Obrambeni zidovi oko gradova i naselja drugi su vid spomenika ovim graevinama, koje se jo i danas moe nai svugdje po svijetu od Dubrovnika i Stona u Hrvatskoj do Velikog Zida u Kini.

Suhozid

Industrijska revolucija krajem 18. i poetkom 19. stoljea stavlja sve vee zahtjeve pred graditelje. U takvom okruenju pojavljuju se, s jedne strane umjesto svestranih vienamjenskih genija, usmjereni tehniki obrazovani pojedinci (inenjeri) koji su sposobni zadovoljiti narasle graditeljske potrebe ranog industrijskog drutva. Istovremeno se razvijaju novi materijali i

1

nove tehnologije koje e omoguiti graditeljske zahvate prema zahtjevima vremena. Kamen i opeku postepeno zamjenjuju proizvodi i smjese na bazi cementa, a drvo kao klasini graevinski materijal preputa mjesto lijevanom eljezu, eliku i aluminiju.

Pojava parnog stroja omoguuje razvoj kompresora, crpki, nabijaa, ostalih graevinskih i drugih strojeva, dekovilskih vlakova i slino. Dolazi do naglog razvoja eljeznice kao glavnog prijevoznog sredstva na kopnu. Duboki temelji izvode se pomou kesona, a graevne jame se izvode metodom zamrzavanja tla. Reprezentativne graevine prestaju biti umjetnika djela te postaju konfekcija koja zadovoljava potrebe sve veeg broja raznih drutvenih slojeva, ne samo vladara i aristokracije.

Parni je stroj naglo izmijenio veliinu teretnih i putnikih brodova. Dubine pristana u lukama morale su biti znatno poveane. Pristani u lukama, koji su u osnovi potporne graevine, doivjeli su nagli preobraaj i razvoj. Na slici 1.2 prikazan je pristan u Rotterdamu. Stari pristan (19. st. ili ranije) zidan je u opeci na drvenim pilotima i podlozi od faina. Pristan je povien i pomaknut u vodu za 4,5 m poetak 20. soljea. Time je povean gaz ispred njega. Na nove drvene pilote poloeni su betonski blokovi i izvedena kolosjena konstrukcija. (Pristan se danas nalazi u stambenoj etvrti Rotterdama).

Novi, tehnoloki razvijeni i sve moniji strojevi omoguili su brzi razvoj novih tehnologija i novih vrsta sloenih geotehnikih graevina kakve danas poznajemo. Tehnologija s kraja 20. stoljea potpuno je izmijenila dio graevina koje se odnose naroito na izvedbu graevnih jama. Nove tehnologije izvedbu su nevjerojatno ubrzale i olakale ljudski rad, ali je filozofija optereenja i stabilnosti graevine ostala ista.

2

Obalni zid u Rotterdamu

Poveana nosivost brodova i pojava eljeznice postavljaju potpuno nove zahtjeve na luke. eljezniki kolosijeci i staze dizalica esto neposredno lee na zidovima pristana. Optereenja naglo rastu. Otvoreni skladini prostori za rasute terete zahtijevaju velike povrine i znatno optereuju obalne zidove. Filozofija luke se mijenja.

U 20. stoljeu promjene idu jo bre. Sredina i kraj 20. stoljea i armirani beton, visokovrijedni elik, injektiranje i druge nove tehnologije, dalje proiruju mogunosti u razvoju mate graevinskog inenjera, kada su u pitanju potporne graevine. Kraj 20. stoljea i poetak novog tisuljea zapoinju s potpuno novim tehnologijama i materijalima kao to su prskani beton, armiran vlaknima, mlazno injektiranje sa i bez, armiranja, tkani i netkani geotekstili, karbonska vlakna i niz drugih proizvoda od plastinih masa. Zahtjevi glede veliine brodova, a time i pristana kao i skladinih prostora, prostora za kontejnere, koji su hit kraja 20. stoljea, rastu.

3

U velikim gradovima, u nedostatku prostora, gradi se u dubinu. Veliki gradovi niz svojih komunalnih i infrastrukturnih potreba rjeavaju u podzemlju. Za takvo graenje, graevne jame vie nisu improvizirani prostori ve ozbiljne geotehnike graevine.

Prorauni sloenih geotehnikih graevina (na pr. obalnih zidova, pristana u lukama) samo su djelomino mogli biti provedeni. Naglo se razvijaju metode grafostatike kao najbre i relativno precizno rjeenje za proraune. Uz sav trud inenjera nije bilo mogunosti precizno runo provesti u potpunosti proraune takvih sloenih graevina. Poznavanje gradiva bilo je skromno, vie iskustveno nego provjereno. este su bile havarije. U podruju prorauna i dimenzioniranja sloenih geotehnikih graevina, raunalna tehnika je dozvolila upotrebu potpuno novih metoda prorauna, omoguila istraivanja varijantnih rjeenja, ubrzala proraune i oslikala rezultate. Ispitivanje materijala i sofisticirane metode za dokazivanje kakvoe gradiva, kako prije ugradnje tako i nakon ugradnje u graevinu, donijeli su potpuno novu dimenziju u moderno graenje.

Ono to se uope nije promijenilo od trenutka prvog prorauna sloenih geotehnikih graevina je potreba poznavanja svojstava, kako gradiva od kojeg se graevina izvodi, tako i tvari (preteito tla, ali i vode ili neke druge) koja na nju vri optereenje ili joj se odupire. I najsloeniji numeriki modeli poivaju na ispravnom odabiru parametara tla, a to ostaje i dalje najsloeniji dio posla za geotehnikog inenjera.

Naglim razvojem industrije, naroito industrije elika, betonskog eljeza i elinih profila, sloene geotehnike graevine su dobile mogunost brzog i naglog razvoja.

Na slici 1.3 prikazan je potporni zid sloene geometrije i sloene strukture, kakvu je mogue izvesti s dananjim gradivima i strojevima.

4

Potporni zid visine H = 7.0m + 5.0m

Juna ograda brodogradilita SPLIT

5

PRIKAZ NEKIH SLOENIH GRAEVINA I NJIHOVA NAMJENA

Sloene geotehnike graevine generalno se mogu podijeliti u tri grupe.

1 Potporne graevine s podgrupom zahvata za sanacije klizita;

2 Sloena temeljenja; Potporne graevine slue za osiguranje stabilnost pri naglim

promjenama visine u tlu. Prirodna promjena visine terena proizlazi iz mogueg stabilnog nagiba odreene padine. Ukoliko je potrebno promjenu visine izvesti na kratkom potezu, koji bi zahtijevao nagib povrine terena strmiji od onoga koji moe stabilno, trajno stajati bez podgrade, potrebno je predvidjeti POTPORNU (zatitnu) graevinu. Takve graevine mogu biti trajne ili privremene. Ako su privremene, za trajno rjeenje mora postojati neka druga graevina koja e preuzeti pritiske onog dijela tla koji nije stabilan. Privremene potporne graevine sastavni su dio velikih graevnih jama.

Potporne graevine su sastavni dio i mnogih gospodarskih graevina koje slue u razliite svrhe. Na primjer, to su potporni (pridravaju nasip) i uporni (pridravaju zasjek) zidovi na cestama, pristani u lukama, zidovi brodskih prevodnica, zidovi suhih dokova, upornjaci mostova, bazeni crpnih stanica, osiguranja predusjeka tunela, dijelovi skladita za rasute terete i sl. Na slici 1.1 prikazana je potporna graevina usjeka za graevnu jamu pri izvedbi brodske prevodnice uz branu Tri Klanca na rijeci Yangtze u Kini (1993.-2003.).

6

Graevna jama sa sidrenim pokosom, brana Tri Klanca

SidraSidra

DrenaaDrenaa

Povrina terena

Apsolutne kote (m n.m.)

Osiguranje usjeka za brodsku prevodnicu na brani Tri Klanca

7

Kod izgradnje prometnica, potporne graevine pridravaju strme zasjeke u prirodnim padinama i nasipe. Konstruktivno i raunski to su sline graevine, ali se razlikuju bitno po tome to je kod prirodne padine tlo zadano, a kod nasipa se kakvoa tla moe propisati. Na slici 1.3 prikazan je izlaz iz tunela na autocesti gdje se vide potporni zidovi predusjeka i potporni zid koji pridrava nasip.

Potporni zidovi na autocesti

Razlika u koncepciji ovih dviju vrsta potpornih graevina prilino je oita usporede li se slike 2.3 i 2.4. Na slici 2.3 vidljivo je konano estetsko oblikovanje koje je vrlo vano kod izgradnje cesta. Na slici 2.4 vidi se potporni zid predusjeka tunela u izgradnji. Radi se o lijevoj tunelskoj cijevi kojoj je predusjek

8

sidren. U gornjem desnom uglu vidi se portalni zid desne tunelske cijevi.

Zatita predusjeka tunela u izgradnji Slino je i s potpornim graevinama u skladitima rasutih tereta.

Tamo je potrebno, s geotehnikog stajalita, utvrditi svojstva materijala kojeg graevina pridrava da bi se mogli izraunati boni pritisci na potpornu graevinu.

Potporne graevine se primjenjuju prilikom izgradnje infrastrukturnih graevina u velikim gradovima. To se naroito odnosi na prostor za podzemnu eljeznicu, ali sve vie i za podzemna parkiralita, trgovake centre, razna skladita i slino. U gusto izgraenim gradskim jezgrama potporne graevine dolaze do punog izraaja. Na nekoliko slijedeih slika daju se primjeri potpornih graevina izvedenih u sklopu graevnih jama u gusto naseljenim gradskim jezgrama. Uoljiva je raznolikost tehnologija, naina podupiranja odnosno ideja pojedinog graditelja, ali i izvoaa koji primjenjuje svoju tehnologiju.

Prilikom izvedbe graevnih jama uvijek se javlja potreba izvedbe izvjesne vrste potpornih graevina. Potporne graevine

9

koje tvore graevnu jamu mogu biti privremene ili se mogu konstruktivno uklopiti u buduu graevinu. Manje zahtjevni zasjeci kratkog trajanja tite se raznim vrstama OPLATA koje se podupiru kosnicima ili pridravaju drvenim i/ili elinim razuporama. Za sloenije, dublje graevne jame u ogranienom prostoru, izvode se razne vrste ZAGATNIH STIJENKI: MURJE, DIJAFRAGME BERLINSKO ZIE (sl. 2.7), nizovi PILOTA, MLAZNO INJEKTIRANI STUPNJACI i td. Zasjeeni i/ili nezasjeeni piloti velikog promjera, uvreni sidrima, primjenjuju se esto za osiguranja dubokih zasjeka.

10

Graevna jama podzemne eljeznice u Hong-Kongu

11

Graevna jama stanice podzemne eljeznice u Parizu

Graevna jama stanice podzemne eljeznice u Parizu

12

Sjeverni portal tunela Strahov

Najsloenije graevne jame su one kojima dno iskopa see duboko ispod razine podzemne vode. Potporne graevine, koje tite ovakve graevne jame, optereene su hidrostatikim tlakom. Za zatitu ovih graevnih jama koriste se murja, zagatne stijenke i armirano betonske dijafragme. One mogu biti dijelovi graevnih jama a ujedno i dijelovi buduih graevina. To su neprekinute graevine, izvedene u tlu ili zabijene u tlo.

13

U potporne graevine mogu se ubrojiti i razne vrste ZAGATA, koji su optereeni preteito hidrostatikim tlakom odnosno vodom od koje tite graevnu jamu. To mogu biti nasipi s nepropusnom jezgrom, nasipi s nepropusnim ekranima (glina, asfalt, beton), elino murje u obliku sanduka ispunjeno tlom ili neka slina graevina. Glavna im je zadaa zatita gradilita od povrinske (mirne ili tekue) vode. S obzirom na neke posebnosti ovih geotehnikih graevina biti e im posveeno posebno poglavlje. Na slici 1.9 prikazana je graevna jama zatiena zagatom.

Graevna jama na morskoj obali zatiena zagatom

POTPORNE GRAEVINE preuzimaju optereenja od tla, vode ili nekog drugog materijala koji se nalazi u njenom zaleu i na nju se oslanja. Najee je to tlo, prirodno ili nasuto, voda ili neka druga tvar koju graevina pridrava. Kad god je to mogue nastoji

14

15

se potpornu graevinu ne opteretiti hidrostatikim tlakom, jer on uzrokuje veliko vodoravno optereenje.

Da bi se moglo projektirati i izvoditi sloene geotehnike graevine, kao to su potporne graevine, potrebno je prethodno upoznati njihove pojedinane sastavne dijelove. Stoga e u nastavku biti opisani naini projektiranja i prorauna svake pojedine vrste potpornih graevina u osnovnim oblicima. Raznolikost oblikovanja potpornih graevina preputena je inenjerima na slobodnu volju.

Kako su potporne graevine neizostavni, ali ne i jedini dio graevnih jama, u poglavlju o graevnim jamama bit e govora i o ostalim graevinskim zahvatima nunim da bi ove, istina privremene, ali esto veoma zahtjevne graevine mogle biti uinkovite i zadovoljiti u potpunosti svoju namjenu.

Na slici 1.10 prikazan je primjer sloene potporne graevine (prva polovina 20. stoljea), sastavljene od masivnog betonskog potpornog zida.

MJ 1:150

0

-5

-10

-15

-6,0

p=10,00,00

1,50

0,00

RPV (5,00)

RPV

geotehnikosidro1

3

2

1,37

(1), zagatne stijenke od elinih platica tipa Hoesch (1937.), (2), zatega na meusobnoj udaljenosti od 3,00 m (3), sidrene graevine na elinim pilotima (4), i niza dubokih temelja u obliku pilota (5). Slika prikazuje crte (popreni presjek) iz projekta raenog rukom.

Primjena suvremene tehnologije: 1 mlazno-injektirani stupnjaci =150 cm s preklopom od 20 cm zagatna stijenka; 2 mlazno-injektirane lamele d=40 - vododrivi dio graevine; 3 sidro duine 8 m, injektirano posljednjih 3 m

16

Graevina sa gornje slike, u dijelu koji se odnosi na potporni dio, tipian je primjer sloene geotehnike potporne graevine iz doba kada je elik bio vrlo est graevinski materijal, a masivni beton tek na poetku upotrebe. Dananja tehnoloka dostignua omoguila bi ostvarenje mnogo jednostavnije, elegantnije i lake graevine.

Na desnoj slici prikazan je popreni presjek potporne graevine iz projekta s poetka ovog stoljea. Crte je raen raunalom. U izvornom projektu on je sastavni dio crtea na kojem je prikazan geotehniki proraun. Razlika u grafikom prikazu je oita, ali i u pojednostavljenju same graevine. Ono to se sa crtea ne vidi je jednostavnost i brzina izvoenja potporne graevine pomou novih tehnologija. Gornje slike pokazuju, da je filozofija sloenih potpornih graevina ostala vrlo slina, ali su se materijali i tehnologije izvoenja u, povijesno gledano, vrlo kratkom vremenskom razmaku bitno izmijenile. Razlika u vremenu potrebnom da se graevine izvedu, u organizaciji gradilita, u dopremi materijala potrebnih za graenje, ljudskom radu i mnogim drugim imbenicima, koji ulaze u cijenu graevine, nije a usporedbu. z

17

VRSTE POTPORNIH GRAEVINA

Dvije su osnovne vrste potpornih graevina: 1) one koje pridravaju zasjeke u prirodnom tlu i 2) one koje pridravaju nasipe. Ovisno o tome pridravaju li prirodno tlo ili nasip, ovise vrste istranih radova koje je potrebno izvesti da bi se dobili podaci potrebni za projektiranje. Autohtono se tlo iza i ispod budueg zida mora detaljno ispitati. Za svaku potpornu graevinu potrebno je izraditi projekt.

Prema nainu oblikovanja i prijenosu sila u tlo razlikuje se nekoliko vrsta potpornih graevina: MASIVNI POTPORNI ZID, ZID OD ARMIRAMOG TLA, ZAGATNA STIJENKA, SIDRENA GRAEVINA, ZAGAT i njihove kombinacije.

Prema Eurokodu 7 potporne su graevine podijeljene na tri osnovne skupine: GRAVITACIJSKI ZIDOVI, ZAGATNE STIJENE i SLOENE POTPORNE GRAEVINE, koje ukljuuju graevine nastale kombinacijom gornjih dviju vrsta i sve ostale potporne graevine koje ne spadaju u gornje dvije skupine.

Zajedniko im je svojstvo da su optereene jednostrano bonim pritiscima od tla i/ili vode (mogue i nekih drugih tvari). Za potporne graevine optereene bonim pritiskom tla, ovisno o dozvoljenoj veliini i smjeru pomaka klina tla iza graevine, bono optereenje moe biti u rasponu od najveeg - PASIVNOG do najmanjeg - AKTIVNOG.

Bitna je razlika u nainu preuzimanja vodoravnih sila po pojedinim vrstama potpornih graevina slijedea:

POTPORNI ZIDOVI, bez obzira na oblik i vrstu gradiva, sile preuzimaju preteito svojom masom (gravitacione graevine). To su krute graevine Za savladavanje veih visina dodaju im se sidra, zatege, razupore i kontrafori. Ako su sastavni dio graevine, mogu kasnije zatege biti zamijenjene dijelovima graevine u koje je zid uklopljen. Graevine sloene na taj nain mogu u cijelosti preuzeti i ulogu potpornog zida. Raznim tehnikim zahvatima, drenaama i sl. spreava se utjecaj hidrostatskog pritiska na potporne zidove. POTPORNI ZIDOVI

18

imaju TEMELJ i svi prorauni koji vrijede za proraun temelja, vrijede i za proraun temelja potpornih zidova.

s

na sip

na sip

u h o z id

z id s k o n z o lo m

a r m ira n i sk o n tra f o r im a

m a s iv n im a siv n i

z id sa z a teg o mkrila u p o rn ja k aa rm iran i

Nekoliko tipova potpornih zidova

19

Potporni zid od ARMIRANOG TLA je graevina uklopljena u nasip i s njime ini jednu cjelinu. Kao cjelina djeluje kao gravitacijski savitljivi potporni zid. Nasip u podruju armiranja izvodi se od nekoherentnih materijala da se izbjegne utjecaj hidrostatskog pritiska. Vlane sile preuzima, kako mu i ime kae, "armaturom" koja se u tlo ugrauje tijekom izvedbe. Lice graevine zatieno je posebnim komadima ili gradivom koje ujedno moe biti i armatura. Nema posebno oblikovanog temelja, ali podlijee provjeri dodirnih pritisaka.

geosintetik

nasip

nasip

podloga

gotovikomadi

lica

podloga

armatura (metalne trake,geosintetik,geomree)

Dva primjera armiranog tla

20

21

ZAGATNE STIJENKE su savitljive graevine koje prenose optereenje u tlo pomakom (zbijanjem ili razrahljenjem tla) koji izazove deformacija savitljive stijenke. Deformacija aktivira otpor tla u podruju u kojem je zagatna stijenka ugraena ili zabijena u tlo. Zagatne stijenke su upete u tlo i njihov je proraun i dimenzioniranje slian proraunu savitljivog temelja na elastinoj podlozi. Pri tom treba voditi rauna da dio tla djeluje kao optereenje, s AKTIVNIM TLAKOM ILI TLAKOM MIROVANJA, to ovisi o ostvarenim pomacima, dok dio optereenja preuzima AKTIVIRANJEM PASIVNOG OTPORA. Puno aktiviranje pasivnog otpora zahtjeva veliku deformaciju tla i konstruktivnog elementa koji se na tlo oslanja to moe dovesti do nedopustivo velikog pomaka graevine. Stoga pri proraunu ovih graevina treba uskladiti dozvoljene vrijednosti deformacije i veliinu aktiviranog pasivnog otpora.

Razlikuju se dvije vrste ovakvih graevina: VODONEPROPUSNA ZAGATNA STIJENKA, koja

preuzima optereenje HIDROSTATSKIM TLAKOM. Zabijena je u tlo po cijelom tlocrtu kojeg titi do potrebne dubine. Izvodi se od najrazliitijih vrsta materijala od drvenih platica (talpi), predgotovljenih AB elemenata preko elinih platica do armiranobetonskih elemenata izvedenih u tlu. Mora biti vododriva.

BERLINSKI ZID zabijen u tlo na odreenim mjestima, optereenje od tla preuzima samo do dubine iskopa i nije optereen hidrostatskim tlakom. Osnovni dijelovi su piloti - vodilice (elini I profili, AB piloti zabijeni ili izvedeni u tlu i slino) i platice koje se sputaju izmeu pilota tijekom iskopa. Platice mogu biti drvene, eline ili tvorniki izraene AB.

Armiranobetonske zagatne stijenke najee su sastavni dio budue graevine dok su sve druge vrste uglavnom privremene graevine.

ja

m

a

g

r

a

e

v

n

a

j

a

m

a

g

r

a

e

v

n

a

j

a

m

a

g

r

a

e

v

n

a

j

a

m

a

R PVRPV - azina

odzemneode

Rpv

R P V

R PV

geotehn ik osidro

vo doravna

r

r

a

a

z

z

u

u

p

p

o

o

r

r

a

ako sa

slobodnostojea

viestrukousidrena

sa zategom razuprta

g

r

a

e

v

n

a

zatega sidreni blok ili zid

Nekoliko primjera zagatnih stijenki

22

SIDRENE GRAEVINE optereenja preuzimaju sustavom sidara uvrenih iza potencijalnog kliznog klina. Sidra su nosivi elementi ugraeni u unaprijed izvedene buotine u tlu. Ima ih raznih vrsta, ovisno o namjeni. Razliita su sidra koja se ugrauju u stijensku masu od onih koja se ugrauju u tlo. Funkcija im je slina. Povezuju vanjsko lice tla sa stabilnom masom u zaleu. Uz sidra moe na povrini tla postojati nosiva graevina. Povrinsku nosivu graevinu mogu tvoriti pojedinani blokovi, grede, ploe i ljuske. Optereenje je uvijek od tla dok je vodi omogueno slobodno istjecanje na povrinu. Na taj nain nema mogunosti pojave hidrostatskog pritiska. U ovu grupu mogu se svrstati i tzv. iglane ili avlane graevine. One se sastoje od veeg broja sidara i povrinske graevine. Neki autori iglane graevine svrstavaju u ojaana tla, zajedno s armiranim tlom.

Sidrene graevine NEMAJU TEMELJA, odnosno mogu imati pojedine stope koje preuzimaju dio vlastite teine graevine. Oblik im je uvijek prilagoen obliku pokosa kojeg pridravaju. Najee se izvode za osiguranje zasjeka u stijenskim masama.

sidreni rotilj

uzdunegrede

geotehnikadugasidra

jakoraspucalastijena

dio sidra

sidrene grede

tapnakratkasidra

uzdunearmiranegrede

raspucalastijena

Sidrene grede i sidreni rotilj

Osnovni nosivi dio sidrenih graevina su SIDRA. Na slici 2.16 prikazano je geotehniko sidro.

23

glava sidra

nosiva greda

stijena ili tlo slobodna duina sidra sidrena dionica

valjkastotijelo nastaloinjektiranjem

Primjer geotehnikog sidra od eline uadi Sidara ima raznih tipova i vrsta te zahtijevaju poseban osvrt, pa

e im biti posveeno posebno poglavlje. Sidra su odavno poznati graevni elementi, koji optereenja prenose na zatezanje. Tehnolokim razvojem, nain ugradnje i privrenje u tlo proirili su mogunosti primjene sidara.

24

ZAGATI slue za izvedbu graevnih jama u vodi. Zadatak im je omoguiti rad u suhoj graevnoj jami. Preuzimaju pritisak vode. Spadaju u posebno sloenu vrstu potpornih graevina. Nasip je esto sastavni dio zagata. Zagati se bitno razlikuju od ostalih potpornih graevina. Zato se spominju posebno. Mogu se oblikovati kao potporni zidovi, armirano tlo, zagatne stijenke i kao kombinacija dijelova zagatnih stijenki i nasipa. To su vrlo zahtjevne i sloene geotehnike graevine, koje inenjeru dozvoljavaju veliku slobodu u izboru oblika i materijala za izvedbu. Kod velikih graevnih jama pojedini zagati su zasebne geotehnike graevine i kao takve ih treba i projektirati u svakom smislu.

Dva shematska primjera zagata

Raznolikost oblika i materijala je tolika da je vrlo teko nabrojiti sve mogunosti. Daljnjim razvojem tehnologije, kako strojeva tako i graevinskih materijala, potporne graevine eka razvoj nesluenih mogunosti.

25

26

SLOENE POTPORNE GRAEVINE OPTEREENJA

Proraun sloenih potpornih graevina provodi se u tri koraka: 1. odredi se optereenja na cjelovitu graevinu. - geotehniki

proraun. 2. dimenzionira se pojedine nosive dijelove graevine. -

podruje drvenih, metalnih, zidanih, betonskih, armiranobetonskih graevina,

3. provjeri se stabilnost graevine zajedno s okolnim tlom kao cjelinom. -geotehnike proraun, analiza stabilnosti.

Sloene potporne graevine uvijek kao glavno optereenje, preuzimaju bone pritiske od tla, vode i/ili neke druge tvari koju podupiru.

. Za proraune u mehanici tla, koristi se teorija graninih stanja plastine ravnotee (teorija plastinosti), teorija elastnosti i teorija elastoplastinosti.

Na slici su prikazani modeli tla kojima se koristi teorija graninog stanja plastinog loma

0

0

0

osnovni model model sovravanjem

model somekavanjem

Model odnosa naprezanje-deformacija, temelj teorije graninih stanja plastine ravnotee

Odnos uspravnog i vodoravnog naprezanja u tlu je promjenjiv, u zavisnosti od veliine i smjera deformacije. Objanjenje je dao Rankine (1857.) u teoriji plastinog sloma. Na slici 3.2 prikazan

27

je potrebni smjer pomaka i plohe sloma, za odgovarajue Rankinovo granino (lomno) stanje naprezanja.

h(aktivno) h (mirovanja) aktivniklin tla

pasivniklin tla

Hvisina zida

H H

h (pasivno)

visina zida visina zida

tlo u mirovanju rastezanje tla zbijanje tla

Smjer ploha sloma za odgovarajue pomake u tlu prema Rankinovoj teoriji graninog stanja plastine ravnotee

Suvremena rjeenja sve vie ukljuuju Rankinovu teoriju preko modela tla u rjeavanja zadataka vezanih uz proraune potpornih graevina. Ta rjeenja su blia teoriji elastinosti i prihvaaju deformacijska svojstva tla ne kao konstante, ve kao promjenjive veliine koje slijede prirodno ponaanje tla pod optereenjima (nelinearni modeli).

Deformacijska svojstava i teoriju graninih stanja mogue je putem konstitutivnih jednadbi uklopiti u sloene geotehnike proraune koji koriste numerike analize. Granina stanja plastine ravnotee osnivaju se na poznavanju Mohr-Coulombovog zakona, odnosno poznavanju parametara vrstoe na smicanje, (kohezija, c, i kut unutranjeg trenja, ). Bez poznavanja ovih parametara, rjeenja pomou ove teorije nisu mogua.

Dananje raunarske mogunosti omoguuju koritenje i drugih modela kao na primjer modela s ovrivanjem ili omekavanjem, a najee linearnoelastinih-idealno plastinih modela bez ili s omekavanjem odnosno ovrivanjem.

28

POTPORNA GRAEVINA biti e optereena AKTIVNIM TLAKOM onda i samo onda ako se tlu iza podupore omogui makar i mali pomak. Na slici 3.3 prikazano je opadanje vrijednosti sile pritiska na poduporu, u sluaju vodoravnog pomaka podupore, za aktivno granino stanje.

Masa tla se moe pokrenuti i kad se na nju graevinom vri pritisak. Takvo stanje, pri kojem se tlo se tlo dovede u stanje sloma zbijanjem, naziva se pasivno stanje otpora

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 1

Vodoravni pomak zida od tla [mm]

R

Bo

na si

la n

a m

etar

du

nipo

dupo

re [k

N]

ezultati is

2

pitivanja zida visine 2 m.Jednoliko optereenje iznad krune zida od 27 kPa (prema Caredr i sur., 1977.)

Ovisnost veliine bone sile o vodoravnom pomaku zida od tla AKO NEMA POMAKA NEMA NI GRANINOG STANJA LOMA.

29

Aktivni tlak i pasivni otpor dva su krajnja sluaja bonih pritisaka u tlu.

65

2

1K00,50,40,30,20,1

aktivni pritisak

pasivni otpor

KP

KA

rastezanje zbijanje10 105 54 43 32 21 1 876 9

[ ] [ %]ll+ H H Odnos koeficijenata bonog tlaka za granina stanja ravnotee i

stanje mirovanja

30

TLAK MIROVANJA

Mehanika tla daje teoretsko rjeenje za odnose naprezanja u tlu, na dubini z, uslijed vlastite teine tla. Glavna naprezanja, uspravno i vodoravno, meusobno su zavisna. Ova su dva naprezanja, za tlo vodoravne povrine, meusobno povezana koeficijentom bonog tlaka mirovanja, K0 na nain iskazan jednadbom:

v0h K =Potporna graevina esto mora preuzeti boni pritisak a da pri

tome ne doe do nikakvog pomaka. To se odnosi na one graevine koje tite postojee temelje i/ili podrumske zidove i slino. Kod ovakvih potpornih graevina ne smije se pojaviti pomak, jer dolazi do oteenja upravo onoga to se eli zatititi ili izgraditi. Tada se proraun provodi uzimajui u obzir stanje mirovanja, a odnos vodoravnog i uspravnog naprezanja vezan je koeficijentom tlaka mirovanja, K0.

Koeficijent bonog tlaka, K, koji povezuje veliine glavnih naprezanja nije jednoznaan. Razni autori predloili su pribline vrijednosti ili izraze za koeficijent tlaka mirovanja, K0. Izrazi i vrijednosti dani su u tabeli koja slijedi.

K>1

K

Koeficijent bonog tlaka mirovanja prema nekim autorima

Tlo Te

orija

Autor K0

Jky (1944.) (za rahli pijesak))'sin1(

'sin321

)'sin1( +

+

Jky (1944.) pojednostavnjena 1-sin' Danski geotehniki institut (nagnuta povrina tla iza podupore za kut )

(1-sin')(1+sin)

Brooker i Ireland (1965.) (daje rezultate slinije teoretskoj Jkyevoj jednadbi)

0,95-sin'

norm

alno

kon

solid

iran

o

uklje (1979.) nekoherentno tlo; 0,5

prek

onso

lid

irano

plas

tino

sti

Mayne i Kulhway (1982.) (OCR=p'/v0, (1-sin')OCR

sin

Terzaghi (1920.) 0,4 0,5

zbije

ni

pile

sak Sherif i sur. (1982.)

komp zbijena gustoa; min minimalna gustoa.

( )

15,5'sin1

min

komp

Moroto i Muramatsu (1987.): Eh i Ev moduli elastinosti tla u vodoravnom (h) i uspravnom (v) smjeru

v

h

EE

elas

tino

sti

Tschebotarioff (1973.) (, Poissonov koeficijent)

1 (max=0,5)

32

Tipine vrijednosti koeficijenta tlaka mirovanja, K0

Vrsta tla K0

zbijeni pijesak 0,35

rahli pijesak 0,60

normalno konsolidirana glina 0,5-0,6

prekonsolidirana glina (OCR=3,5) 1,0

jako prekonsolidirana glina (OCR=20) 3,0

33

GRANINA STANJA PLASTINE RAVNOTEE

Bit metode graninih stanja plastine ravnotee sastoji se u tome, da se pronae ploha po kojoj e se pod odreenim uvjetima dogoditi plastifikacija do loma u tlu. Pri tom u raun ulaze tri poznate jednadbe ravnotee:

X = 0

Y= 0

M = 0 i zakon loma, koji je u tlu odreen Mohr-Coulombovim zakonom vrstoe na smicanje:

+= tgc 'n

RANKINEOVA TEORIJA GRANINIH STANJA PLASTINE RAVNOTEE

13

Z

= 45+ 2

ZID

aktivno stanje

aktivno

stanjepasivno stanje

pasivnostanjepomak

Skica vodoravne ravnine i pomaka uspravnog zida za Rankineovu teoriju graninih stanja plastine ravnotee

34

Pretpostavke pod kojima vrijedi ova teorija su slijedee: 1. Povrina tla je vodoravna; 2. Podupora je uspravna; 3. Pomak u tlu je vodoravan (rastezanje ili zbijanje); 4. Nema trenja izmeu tla i podupore.

AKTIVNO STANJE GRANINE RAVNOTEE

)245( += o

)(5,0 min31

)(5,0 min31 +

f

2

fc

c ctg

1

1

3 3

3min 3 1

)245( += o

)(5,0 min31

)(5,0 min31

Lom uslijed rastezanja tla i smanjenja 3 na minimum Izraz za, KA, u takvim uvjetima glasi: KA=tg2 (45-/2) PASIVNO STANJE GRANINE RAVNOTEE

)245( += o

f

2

fc

c ctg

1

1

3 3

3 maks3 1

)245( += o

0,5( - ) 3maks 1

0,5( ) 3maks 1+

Lom uslijed zbijanja tla i poveanja 3 na maksimum 35

Izraz za, KP, u takvim uvjetima glasi: KP=tg2 (45+/2) Iz geometrijskih uvjeta na slikama za aktivno i pasivno stanje

slima, mogue je povezati vodoravna naprezanja h i uspravna naprezanja v.

AvAA Kc2K = PvPP Kc2K += Ako se odabere za, A = 0, iz gornje jednadbe dobiva se da je: A0A Kc2zgK =

iz ega proizlazi da je:

A

0 Kgc2z

= Proizlazi da u koherentnim tlima postoji odreena visina do koje

je mogue uspravno zasjei, a da pri tome ne doe do uruavanja. Proraun aktivnog tlaka u takvim tlima dat e i visinu zasjeka do koje je ukupna sila aktivnog tlaka jednaka nuli tj.:

0dzEH

0AA ==

Uz pretpostavku linearne raspodjele aktivnog pritiska po dubini, ukupna visina zasjeka do koje je teoretski vrijednost ukupne sile aktivnog tlaka jednaka nuli, (EA=0), iznosi:

A

00Kg

c4z2H ==

36

H EA

EP

g h KP g h KA

z0

1 3

z )0 (H-

KAc2

H

H/3

KPc2

H/3

a) aktivni pritisak b) pasivni otpor

Raspodjela aktivnog pritiska i pasivnog otpora u koherentnom materijalu

A

Az

z

z

z

z

z

PP

p

pp

p

Aktivno stanje

Pasivno stanje

smjerpomaka

smjerpomaka

A

A

B

B

F

G

D

CE0

Granino stanje ravnotee u tlu s nagnutom gornjom povrinom

Za aktivni pritisak izraz za koeficijent bonog tlaka glasi :

+=

22

22

Acoscoscos

coscoscosK

37

Za pasivni otpor izraz za koeficijent bonog tlaka iznosi:

+=

22

22

Pcoscoscos

coscoscosK

Nakon nekog vremena e se na povrini tla pojaviti vlane pukotine. Njihova se dubina vremenom poveava i dolazi do promjene uvjeta ravnotenog stanja te do otkidanja kritinog kliznog klina. Stoga za trajne potporne graevine nije preporuljivo ukupnu silu aktivnog tlaka u koherentnim materijalima raunati kao:

=H

0AA dzE =

H

zAA

0

dzE

U tom sluaju aktivni pritisak predstavlja ukupnu povrinu pozitivnog dijela dijagrama prema izrazu 3.15

Utjecaj trenja izmeu podupore i tla iza nje

Utjecaj trenja na oblik plohe sloma za aktivno stanje naprezanja

38

Laboratorijski model s rekonstruiranom kliznom plohom pri zaokretu podupore oko toke B, aktivno stanje

Na slici je prikazan oblik plohe sloma za sluaj pasivnog stanja granine ravnotee, kada se podupora podie prema gore u odnosu na prvobitni poloaj. Krivulja postaje konkavna. Ovakav sluaj javlja se kod zoniranih nasutih graevina, kada je jezgra na nizvodnoj strani u padu u smjeru nizvodnog pokosa. Hidrostatski tlak tada nastoji podignuti lice jezgre.

39

Slino bi se moglo pokazati i za stanje aktivnog pritiska u sluaju da potporni zid tone, tj. pomie se prema dolje. Ploha sloma je i u takvom sluaju konkavna

Ploha sloma za pasivno stanje, kada se zid pomie k tlu i prema gore

40

Modelsko ispitivanje

Konkavna ploha sloma na modelu brane

Klizne plohe za sluaj kada podupora zaokree oko toke B za aktivno i pasivno stanje

H H

pomak pom ak

EA

EP+ -

B B

AA A AC C

DD

90-90+

45+ /2 45- /2

Plohe sloma za isto zakretanja podupore oko toke B

41

Kritine klizna plohe kada podupora zaokree i tone u odnosu na klizni klin

H H

p pomakom a kpo

mak

EA

EP

+

B B

AA A AC C

DD

90- 90 +

45- /24 5+ /2

pom

ak

Plohe sloma pri zakretanju i tonjenju podupore

Na slijedeoj slici prikazane su kritine klizne plohe koje se najee koriste u praksi za proraun bonih pritisaka na potporne graevine.

B B B

A A A

CC

C

O

ravna kliznaploha

kruna kliznaploha

klizna ploha uobliku logaritamske spirale

QQ Q

GG

G

Najei oblici ploha sloma u proraunima

42

a) b)

Ploha sloma a) uslijed okretanja podupore oko toke O oznaene strelicom i b) ploha sloma pri savijanju uspravne podupore zbog

male krutosti

43

Coulombova teorija bonog zemljanog pritiska

EA

EP

+-

BB B

A AC

pomak zida

aktivnostanje

pasivnostanje

Pomak i oblik kliznog klina za Coulombova stanja granine ravnotee

Aktivno stanje

A

G

GEA

E

H

A

Q

Q

()

180(+)

C

B Grafiki prikaz za Coulombovo rjeenje aktivnog pritiska na

poduporu A-B za nekoherentno tlo

90

H1

H

H/3

eA

EA

A

BeA1

2H*eE 11AA = , odnosno

2H*eE AA =

Raspodjela aktivnog pritiska na poduporu (A-B)

44

Iz grafike konstrukcije se vidi da je veliina sile, EA, ovisna o slijedeim veliinama:

EA=EA(H, , , ,,,) Kako se za zadane veliine trai kritini klizni klin, (na slici

odreen kutom ), koji daje najveu silu pritiska na zid, tako se iz uvjeta:

0E =

dobiva izraz za koeficijent aktivnog pritiska KA prema oznakama na slici:

( )( ) ( ) ( )( ) ( )

22

2

A

sin*sinsin*sin1*sin*sin

sinK

+++

+=

Temeljem ove jednadbe nainjene su tablice vrijednosti za KA koje omoguavaju brzo i jednostavno proraunavanje vrijednosti iz gornje jednadbe.

EAEA

Q1,2,3,4,5

90+

+

C3

C (ravna klizna ploha) kritino

C4 C5C1C2

A

B G 1G 2

G 3G 4

G

G1G2G3G4G5

5

b b b b b

H

G =b g)(

a) b)

Culmannova konstrukcije najvee sile aktivnog pritiska za sluaj c=0

45

AB

WG

EA Q

LK

G

EA

Q

KK=L c

Prizma tla i poligon sila za koherentno tlo (c>0)

A

B

H

G 1G 2

G 3G 4

G 5G 6EA

+

90poligon bez kohezije

poligon s kohezijomK1 K2

K3 K4K5 K6

Culmannova linija za koherentno tlo iza potpornog zida

H

EEAKulman

AKulman

eAKulman eAteor. dole

eAteor. gore

z0

1 3

z )0 (H-

KAc2 KAc2

H

H

(H-H )/30

(H-H )/30

0

Raspodjela naprezanja za koherentno tlo koritenjem Culmannove grafike metode i stvarna teoretska raspodjela

46

z0

G

EA Q

KL

T=c Zz 0K =c*L

K

G

Q

EApodupora

T

H

x

B

A

(Z =z +H)0 o

Aktivni klin u koherentnom materijalu s vlanom pukotinom na izlazu kritinog kliznog klina iz tla i poligonom sila (prema

Coulombovom rjeenju)

Pasivno stanje

Pasivno stanje nastaje kada iz nekog razloga doe do zbijanja tla. Pojednostavljeni proraunski model prikazan je na slici 3.28.

A

EP

G

Q

Q

G

EP

+

+

B

C

Pasivni klin i poligon sila za sluaj pasivnog otpora u tlu Iz geometrijskih odnosa sa slike moe se dobiti izraz za

koeficijent pasivnog otpora KP:

( )( ) ( ) ( )( ) ( )

22

2

P

sin*sinsin*sin1*sin*sin

sinK

+++++

=

47

Zakrivljeni oblici kritinih kliznih ploha

Na slici 2.29 prikazana je klizna ploha oblika logaritamske spirale. Ovakva se ploha oblikuje pri zaokretu podupore oko toke A.

O

r1

r2

CA e

E

Q

G

B

E=(G g)/eiz ravnotee momenata

H

H=

0,55

H

g

Odreivanje aktivnog pritiska na poduporu za kliznu plohu nastalu zakretanjem podupore oko toke A

Na slici u nastavku prikazan je sluaj klizne plohe nastale zakretanjem podupore oko toke A na modelu od sitnog ljunka.

Laboratorijski model oblikovanja klizne plohe pri zaokretu podupore oko toke

48

1

E max

1 2 3 4

G

H=

0,55

H

H

1G2G3G4

e1

r01

r11 E1 E4

Odreivanje najvee sile aktivnog pritiska na zid za kliznu plohu oblika logaritamske spirale

49

OSTALA OPTEREENJA

Optereenje vodom

Voda na potporne graevine djeluje hidrostatikim i hidrodinamikim tlakom. Oni se javljaju u nekoliko sluajeva:

1) kada je razina podzemne vode u tlu iznad dna temelja potpornog zida;

2) kada kod naglog pljuska procjedna voda zaostane iza potporne graevine jer ne moe dovoljno brzo otei;

3) kada potporna graevina titi graevnu jamu koja se nalazi ispod razine podzemne vode;

4) kada potporna graevina titi graevnu jamu koja se nalazi u dubokoj vodi.

U svim gore navedenim sluajevima na podupore djeluje hidrostatski tlak. Utjecaj hidrostatikog tlaka se odstranjuje ugradnjom raznih tipova drenaa.

Kod svih potpornih graevina koje tite graevne jame od prodora podzemne ili otvorene vode, podupore moraju preuzeti optereenja hidrostatikim tlakom.

RPV

hH

h1

h2

dija

gram

uku

pnog

hidr

osta

tsko

g pr

itisk

a

g h1

g h g h

2

RPV

hHa) b)

h1

h2

dija

gram

uku

pnog

hidr

osta

tsko

g pr

itisk

a

w

g hnepropusnapodloga

Utjecaj hidrostatikog pritiska na zagatnu stijenku a) zabijenu u nepropusnu podlogu, b) zabijenu u propusno tlo

50

Na poduporu na prethodnoj slici desno djeluju hidrodinamike sile. Voda uslijed razlike potencijala tee kroz tlo. Pri tom dolazi do promjene efektivnih naprezanja. Mijenja se veliina pornih pritisaka. Da bi se raun mogao provesti, potrebno je poznavati strujno polje koje je prikazano na slijedeoj slici. Rezultati se koriste da bi se izraunali efektivni pritisci u okolini podupore.

'= -u

Al

Strujna cijev

Razupora

Strujnice

Nepropusna podloga

lhi

=

)(

)(izl l

hi

01

01

=

Strujna mrea iza zagatne stijenke

RPV

H

h statPh stat

h din

Ph din

RPV

H

u

ustatudin

2 uu =u1 2

1

w 2

g h w 1

g h

h2h

1

a) b)

z zh h

Dijagram hidrodinamikog tlaka u usporedbi s hidrostatikim a) i njegov utjecaj na promjenu bonih efektivnih naprezanja b)

51

Kod naglih pljuskova se javlja teenje u tlu iza podupora. Ovo teenje utjee na efektivna naprezanja u klinu tla koji se oslanja o poduporu.

U - uzgon na klizni klin

u

1

2

3

4

5

6

dijagram raspodjele pornih pritisakana kritinu kliznu plohu

strujna mrearazina vodeu drenai

drenaa

glineni ep

procjednica hp2

G

GN

UT

T1Q1 EA Gw

EA1

Q

poligon sila za stanje efektivnih naprezanja i pri djelovanju uzgona

Utjecaj hidrodinamikog pritiska na kritini klizni klin pri naglom pljusku

Uzgon s prethodne slike potpuno mijenja raspored sila koje djeluju na potporni zid.

52

Uspravne sile

Uspravne sile mogu djelovati na samu potpornu graevinu (stupovi graevine koja se na poduporu oslanja, rasvjetni stupovi i sl.). U tom sluaju se u ukupnom raunu zbrajaju s teinom podupore. Treba provjeriti mogu li izazvati slijeganje podupore i time izmijeniti raspored bonih pritisaka.

Uspravne sile mogu djelovati unutar kritinog kliznog klina i poveati ukupni pritisak na poduporu. Ako je uspravna sila izvan kritinog kliznog klina a dovoljno blizu njemu, takoer moe dodatno opteretiti poduporu.

H

x

h max

h vmax

=Kmax

v max

z

P

Proraun utjecaja uspravnih sila na poduporu

Isti se postupak moe provoditi za utjecaj temelja susjednih graevina koje se nalaze u blizini potpornih graevina. Za plona optereenja koja djeluju odmah iza podupore ili na udaljenosti dovoljnoj da na nju imaju utjecaj, moe se provesti slian postupak.

53

HH

p p

p K p K

p K

x

h(z=H)

h(z=H)

zz

Utjecaj plonog uspravnog optereena na poduporu

Vodoravne sile

Vodoravne sile se javljaju kod pristana za brodove uslijed priveza broda, te prislanjanja broda pri pristajanju.

Vodoravne sile javljaju se na lukobranima uslijed udara valova.

Pristan u Rotterdamu, posebni sustav za prihvaanje vodoravne sile od priveza broda

54

Pridranja

Pridranja mogu biti vodoravna, kada je rije o zategama i nekim vrstama sidara ili kosa. Koso pridranje najee se izvodi sidrenjem u dublje slojeve tla u zaleu potporne graevine. Veliine sila u pridranjima ovise o dozvoljenim pomacima, prednaprezanju, samonaprezanju i slino. Bez obzira na smjer ovih sila za njih je potrebno osigurati ispravan leaj i ispravan prijenos tih sila na poduporu. Najizraeniji su sluajevi sidrenih graevina, kod kojih su sidra glavni prenosnici sila, a vanjski dijelovi podupore slue samo za raspodjelu sila na pridranu plohu.

55

POVIJESTPRIKAZ NEKIH SLOENIH GRAEVINA I NJIHOVA NAMJENAVRSTE POTPORNIH GRAEVINA

SLOENE POTPORNE GRAEVINEOPTEREENJATLAK MIROVANJAGRANINA STANJA PLASTINE RAVNOTEEUtjecaj trenja izmeu podupore i tla iza njeCoulombova teorija bonog zemljanog pritiskaAktivno stanjePasivno stanjeZakrivljeni oblici kritinih kliznih ploha

OSTALA OPTEREENJAOptereenje vodomUspravne sileVodoravne silePridranja