Arkiston asiantuntijasisältö: teksti ja skannatut kaavat säilyttävät historiallisen teoreettisen selvityksen, mutta eivät ole geoteknistä tutkimusta, tukiseinäprojektia, vakavuuslaskelmaa, olemassa olevan seinän arviointia, louhintasuunnitelmaa tai toteutusohjeita. Maan ja veden paineet riippuvat maaperästä, kerroksesta, tiivistymisestä, salaojituksesta, pohjavedestä, geometriasta, seinän liikkeestä, lisäkuormista, routasta ja seismisestä vaikutuksesta. Jokaisessa todellisessa tapauksessa vaaditaan tutkimustyö, laboratoriotiedot, voimassa olevat standardit ja valtuutetun geoteknisen ja rakennesuunnittelijan yhteinen tarkastus.
Nykyään Savo Kusić keskittyy puisiin ikkunoihin, puu-alumiini-ikkunat, muokatut ikkunat, ovi ja tarjouspyynnöt. Tämä artikkeli on historiallinen arkisto, eikä se edusta geoteknistä suunnittelua, laskentaa tai tukiseinien rakentamista.
Maapaine tukiseinissä
Maamassa, jota tukiseinä tukee, kohdistaa siihen painetta ja pyrkii työntämään sitä translaationaalisesti eteenpäin (kuva 1a) tai työntämään sitä (kuva 1b). Maanpaineen suuruus E riippuu useista tekijöistä, joita ovat muun muassa maaperän tärkeimmät fysikaaliset ominaisuudet, seinän muodonmuutos, maaperän kosteus ja pohjaveden tila, seinän korkeus, ulkoinen kuormitus ja seinän sisäpinnan karheus.
_Kuva1— tukiseinän translaatioliike ja pyöriminen.
Maan paine levossa
Jos tukiseinä on jäykkä ja liikkumaton, siihen vaikuttavaa painetta kutsutaan maanpaineeksi levossa ja sitä merkitään E0. Juuri tämä paine vallitsee häiriöttömässä maaperässä havaitussa syvyydessä, maaperän oman painon ja mahdollisesti aiemmin kuluneiden kerrosten esikuormituksen vaikutuksesta. Maanpaine levossa on harvinainen ja sitä esiintyy vain tietyissä tapauksissa, kuten kiinteään kallioon perustuvissa tukiseinissä, sitten suljetuilla tunneleiden ja putkien profiileilla sekä massiivisilla telakoilla, jotka ovat täysin liikkumattomia (kuva 1).2).
Kuva2- lepää maanpaine massiivisella laiturilla.
Aktiivinen maapaine
Jos tukiseinä paineen E vaikutuksesta liikkuu eteenpäin tai pyörii jalkapisteen A tai jonkin alemman pisteen ympäri, jotka ovat säännöllisiä kokoonpuristuvassa maassa, lukuun ottamatta edellä mainittuja suljettuja ja massiivisia rakenteita, seinän takana oleva maamassa laajenee. Jos seinän liike on riittävän suuri, osa seinän takana olevasta maaperästä, prisma ABCA, katkeaa ja liukuu alas liukupintaa AC (kuva 1).2). Liukuvan prisman tukiseinään kohdistamaa painetta kutsutaan aktiiviseksi maanpaineeksi ja sitä merkitään Ea. Tämä paine on huomattavasti alhaisempi kuin lepopaine, n0,5to0,7_E0_. Maaprisman ABCA liukumisesta johtuen muodostuvalle liukupinnalle AC aktivoituvat leikkausjännitykset τ, jotka vastustavat liukumista ja vähentävät maanpainetta. Sillä hetkellä, kun prisma ABCA alkaa liukua, leikkausjännitykset τ saavuttavat suurimman arvonsa, mikä tarkoittaa, että sillä hetkellä aktiivisen maanpaineen E arvo on pienin. Siksi Ea on maanpaineen alempi raja-arvo.
Terzaghin kokeet maanpaineesta hiekkamateriaalilla seinällä, jonka korkeus on h=1,50 mosoitti, että aktiivisen maanpaineen Ea alaraja-arvon saavuttamiseksi seinän keskimääräinen vaakasuora siirtymä Δl_5/10.000seinän korkeus tai seinän yläosan kierto Δl of1/5.000_h jalan ympärillä A.
Passiivinen maanpaine
Jos paineistamme seinää ulkopuolelta maan sisäpuolelle (kuva 3), seinä liikkuu taaksepäin ja maaperä tiivistyy. Kun seinän liike saavuttaa tietyn arvon Δl, maaprisma ABCA irtoaa maasta, jota liukupinta AC työntää ylöspäin ulkoisen voiman vaikutuksesta. Maaperän vastus ulkoisen voiman vaikutusta vastaan prisman erotushetkellä ABCA on passiivinen maapaine Ep. Se on korkein yläraja, jonka maanpaine voi saavuttaa.
Maanpaine levossa määritetään kokeellisesti, kun taas aktiivinen ja passiivinen maanpaine voidaan määrittää laskennallisesti käyttämällä analyyttisiä tai graafisia menetelmiä ja perustuen maaperän fysikaalisten ominaisuuksien tuntemiseen, yleensä laboratoriomenetelmin.
Kuva 3 — passiivinen maapaine ja liukuva prisma.
Tärkeää sovelluksen kannalta: aktiivista, passiivista ja lepotilaa ei valita vain rakenteen nimen perusteella. Seinien sallittu siirtymä, tehokkaat jännitykset, tyhjennetyt tai tyhjentämättömät olosuhteet, pohjaveden taso ja muutos, lisäkuormitukset ja maaperän menetyksen mahdollisuus seinän edessä on osoitettava. Väärä painetilan valinta voi vaarantaa luistamisen, kaatumisen, maaperän kantokyvyn ja seinän lujuuden.
Lepopainekertoimen määritys K0
Jos tukiseinä on alttiina staattisen paineen vaikutukselle, tukiseinän mitoituksessa tulee käyttää staattista painetta E0, joka on suurempi kuin aktiivinen maapaine. Sen koko on aktiivisen ja passiivisen maanpaineen välissä, riippuen maaperän tyypistä ja sen tiivistymisestä.
Syvyydellä t maanpinnan alapuolella maaperän omasta painosta johtuva pystypaine on σt = γ·t. Jos maaperän sivuttaislaajeneminen ei ole mahdollista, vaakasuora paine σh = γ·t·K0, missä K0 = σh/σt.
K0 on lepopaine. Lepopainekerroin voidaan määrittää kolmiakselisella testillä seuraavalla tavalla.
Näyte häiriöttömästä maaperästä, joka on otettu lepopaineen syvyydestä, asetetaan kolmiakseliseen laitteeseen, jossa sivuttaispaine σ3 pystysuoralla kuormituksella σ1 säädetään siten, että sivusuuntaista muodonmuutosta ei tapahdu, eli näytteen lateraalinen muodonmuutos on sama kuin zer. Tehollisten jännitteiden σ’1 ja σ’3 arvoja sovelletaan kaavioon σ’1 – σ’3 (kuva 4), joka on saadun tangentin aloitusviivan osa, ja määrittää arvon K0 = σ’3/σ’1.
Kuva 4 — lepopaineen kertoimen K__0 määrittäminen kolmiakselisella testillä.
Petermannin mukaan lepopainekertoimen likimääräiset arvot ovat
tiivistetylle hiekalle K0 = 0,40 – 0,45
irtohiekalle K0 = 0,45 – 0,50
savelle K0 = 0,60 – 0,75
Laboratorioarvot: Alla olevat likimääräiset vaihteluvälit ovat osa alkuperäistä tekstiä, mutta ne eivät korvaa edustavien näytteiden, geologisten mallien ja suunnitteluarvojen testausta. Kaavojen, alaindeksien ja heittomerkkien OCR-merkintä on tarkistettava luotettavasta lähteestä ennen laskemista.
Aktiivisen maanpaineen määritysmenetelmät — Coulombin teoria
Coulomb julkaisi ensimmäisenä maanpaineteorian (1770. vuosi) kenttäkokemuksen perusteella. Hän katsoi tukiseinää, joka tuki löysää maata. Yhdessä vaiheessa hän poisti seinän, jolloin maamassa liukui liukupintaa AC pitkin, joka oli kallistettu kulmassa a vaakatasoon nähden (kuva 5). Maastopinnan BC, liukupinnan AC ja tukiseinän AB rajoittaman liukuvan maaprisman ABC paino W vaikuttaa samanaikaisesti tukiseinään ja liukupintaan. Coulomb määritti aktiivisen maanpaineen Ea suuruuden seuraavilla kahdella oletuksella:
-
että liukupinta on todellinen pinta;
-
että kolme vaikuttavaa voimaa: liukuvan prisman paino W, tukiseinän vastus Ea ja kitkavastus Q liukupintaa pitkin AC leikkaavat yhdessä pisteessä, mikä tarkoittaa, että voimien taso on suljettu. Tämän oletuksen mukaan rajatasapainotilassa painon W kumoavat samanaikaisesti tukiseinän vastus Ea ja liukupintaa pitkin kulkeva kitkavastus Q.
Kuva 5 — aktiivisen maanpaineen määritys Coulombin teorian mukaan.
Aiemmat oletukset eivät vastaa todellisuutta. Liukupinta ei ole suora vaan kaareva pinta. Kolmen vaikuttavan voiman leikkaus on olemassa vain yhdessä tapauksessa, kun seinän takana olevan maaston pinta on vaakasuora, seinän sisäpinta on pystysuora ja voiman suunta Ea on vaakasuora, kun taas muissa tapauksissa sitä ei ole. Näistä poikkeamista huolimatta aktiivisen maanpaineen määritys perustuu kuitenkin edelleen Coulombin teoriaan, koska se on osoittautunut monissa tapauksissa käytännössä käyttökelpoiseksi.
Aktiivisen maanpaineen määrittämiseksi Ea Coulomb oletti, että maamassan painon vaikutuksesta W tapahtui tukiseinämän liike ja aktiivisen maanpaineen prisman ABC muodostuminen. Olettaen, että maaperän sisäinen vastus koostuu vain kitkasta. Coulomb jakaa painon W kahdeksi komponentiksi, joista toinen on aktiivisen maanpainevoiman Ea suunnassa, toinen liukupintaa pitkin aiheutuvan kitkavastuksen Q suunnassa (kuva 1).5b). Näin tehdessään Coulomb lisäksi olettaa, että komponentti toimii sisäisen kitkan kulmassa normaalin liukupinnan AC kanssa ja että komponentti Ea toimii poikkeamakulmassa δ seinän sisäpinnan AB normaaliin nähden. Voima W määräytyy suunnan, suuruuden ja suunnan mukaan.
Tietylle liukupinnalle kulmassa α vaakatason kanssa voima W saadaan maaprisman ABC pinnasta pituudelle.1,0 mkohtisuorassa suunnitelmaan ja maan tilavuuspainoon nähden γ, W=AΔABC x1,00x γ. Voimat Ea ja Q tunnetaan suunnan mukaan. Perustuu voimasuunnitelmaan (kuva.5b) ja meillä oleva sinilause:
_Kuva6— vaikuttavien voimien leikkaustapaus yhdessä pisteessä.
Tämä kuvio on oikea vain siinä tapauksessa, että maasto on vaakasuora (v=0), seinän sisäpinta on pystysuora (θ=0) ja voiman suunta Ea vaakasuora (δ=0) eli kun seinä on täysin sileä (kuva.6).
Tätä erityistä niin kutsuttua Rankinen tapausta varten meillä on:
Paino W on tässä tapauksessa W =0.5·γ·h_2/tg_α, jossa γ on maaperän tilavuuspaino.
Jos lisäämme etuarvon yhtälöön Ea, saamme:
Edellinen yhtälö viittaa mielivaltaiseen liukuvaan pintaan AC. On kuitenkin tarpeen määrittää voima Ea kriittiselle liukupinnalle, eli sille, jolla liukumista todennäköisimmin tapahtuu. Se on pinta, joka antaa suurimman aktiivisen maanpaineen arvon max Ea.
Tietyllä seinän korkeudella H ja valitulla sisäisen kitkakulman vakiokulmalla ϕ aktiivisen maanpaineen arvo vaihtelee liukupinnan kaltevuuskulman α mukaan vaakatasoon nähden. Arvo max Ea saadaan, jos erotamme Ea arvolla α ja asetamme erotuksen nollaksi:
Kaava ei ole laskin: skannatuissa yhtälöissä voi olla lukukelvottomia eksponenteja, indeksejä, kulmia ja etumerkkejä. Niitä ei kopioida projektiin ilman vertailua luotettavaan asiantuntijalähteeseen, yksiköiden tarkistusta, mallioletuksia ja tulosten riippumatonta valvontaa. Laskelmaan tulee sisältyä vesi, viemäröinti, seinän latvassa olevat kuormat, seisminen vaikutus ja kaikki asiaankuuluvat rajatapaukset.
Kulmien ϕ ja δ
Sisäinen kitkakulma ϕ määritetään laboratoriossa. Sen koko riippuu maaperän tyypistä, kosteudesta ja tiivistymisestä. Tietyillä maaperätyypeillä kulman ϕ arvo on yleensä taulukossa 1.
Taulukko 1 — sisäisen kitkakulman ϕ likimääräiset arvot tietyntyyppisille maaperälle.
Voiman Ea poikkeamakulma δ normaalista seinän sisäpinnalle riippuu seinän ja sen takana olevan maan muodonmuutoksesta sekä seinän sisäpinnan karheudesta. Jos maan painuma on suurempi kuin seinän painuma, mikä on yleisin tapaus, niin kulma δ on positiivinen, seinän ja maan välinen kitka vaikuttaa ylöspäin. Jos seinän painuma on suurempi kuin maan painuma, mikä on poikkeustapaus, niin kulma δ on negatiivinen, seinän ja maan välinen kitka vaikuttaa alaspäin. Kulman δ raja-arvot ovat täysin sileälle seinäpinnalle δ=0, täysin karkealle seinäpinnalle δ=ϕ. Yleensä δ=2/3_ϕ_ otetaan käyttöön sillä tosiasialla, että seinän maaperä on pysyvästi suojattu voimakkaalta kostutukselta. Jos seinän takana oleva maaperä on alttiina voimakkaille maanjäristyksille, δ=ϕ/2 otetaan käyttöön ja jos se on erittäin märkää δ=0.
Kulmien suunnitteluarvot: taulukko- ja kuvailevat arvot ϕ ja δ eivät sovellu suoraan tiettyyn paikkaan. Parametrien valinnan tulee vastata maaperän tyyppiä ja kuntoa, asennus- ja tiivistystapaa, salaojitusta, seinän odotettua liikettä, kosketuksen karheutta ja asiaankuuluvaa projektilähestymistapaa.
Maanpaineen jakautuminen seinän takana ja voiman hyökkäyspiste Ea
_Kuva7— maanpaineen jakautuminen tukiseinän pyöriessä jalkapisteen A ympäri.
Maanpaineen jakautuminen seinän sisäpintaa pitkin riippuu tukiseinän muodonmuutoksesta, seinän takana olevan maapinnan muodosta ja seinän sisäpinnan muodosta.
Aktiivisen maanpaineen Ea kohtauspiste riippuu paineen jakautumisesta seinän sisäpinnalla ja sen muodosta. Se on aina painekaavion pinnan painopisteen korkeudella.
Coulomb hyväksyi, että maanpaine seinän takana kasvaa lineaarisesti syvyyden myötä, kuten vedenkin kanssa, ns. maanpaineen hydrostaattinen jakautuminen (kuva7). Hydrostaattinen painejakauma on kuitenkin olemassa vain siinä tapauksessa, että seinä pyörii jalan A tai jonkin alemman pisteen ympäri, kun taas kaikissa muissa tapauksissa se poikkeaa siitä.
Jos tukiseinä pyörii jalkapisteen A tai jonkin alemman pisteen ympärillä, maa liikkuu alaspäin (kuva 1).7a), jossa ei ole työntymistä maan sisäpuolelle. Tässä tapauksessa maaperän liukumista tapahtuu pienimmän vastuksen M pinnoilla1C1, M2C2… yhdensuuntainen liukupinnan AC kanssa, mikä tapahtuu, kun seinän kierto on riittävän suuri muodostamaan liukuvan prisman ABCA.
Siksi tässä tapauksessa paine kasvaa suhteessa syvyyteen, eli maanpainejakauma on Coulombin hydrostaattinen. Aktiivisen maanpainekaavio saadaan voiman Ea ja seinän korkeuden h tuntemisen perusteella, koska voima Ea on yhtä suuri kuin painekaavion abc pinta-ala (kuva 1).7b):
Ea=x·h/2, mistä x=2Ea/h,
eli koska Ea = ½ γh2Ka, x = γhKa.
_Kuva8— maanpaineen jakautuminen, kun seinä pyörii yläosan B tai jonkin korkeamman pisteen L ympärillä.
Jos tukiseinä kääntyy seinän yläosan B tai jonkin korkeamman kohdan L ympäri (kuva.8a) yläosassa tapahtuu työntö kohti maan sisäpuolta, joka työntyy siten ylöspäin vähiten vastustuskykyisiä pintoja pitkin M1C1, M2C2…
Seinän riittävän suurella kierrolla muodostuu liukupinta AC, jota pitkin liukuva prisma liukuu alaspäin suulakepuristuksen aikana. Yläosan maaperän työntämisestä johtuen syntyy passiivinen maanpaine, joka on huomattavasti korkeampi kuin aktiivinen, ja siinä osassa painekaavio bd vastaa passiivista painetta Ep (kuva 8b). Koska maan kokonaispaine Ea riippuu maaprisman ABCA koosta ja on yhtä suuri kuin painekaavion abe kolmion pinta, tämä diagrammi pienenee jatkossa, kunnes sen pinta on yhtä suuri kuin kolmion pinta abe. Todellinen painekaavio on tässä tapauksessa käyräviivainen bc, jota ei voida määrittää matemaattisesti. Kaavion ac pinnan painopiste S on kuitenkin kolmiokaavion pinnan painopisteen yläpuolella, mikä on vähemmän edullista tukiseinän vakauden kannalta, koska voiman Ea kohtauspiste on korkeampi. Terzaghin mukaan se sijaitsee puolessa tukiseinän korkeudesta.
Jos tukiseinää siirretään eteenpäin translaatiossa (kuva 9a), paine, joka ennen liikettä vastasi maanpainetta lepotilassa E0, pienenee, jolloin pienemmän resistanssin pintoja ei esiinny, mutta kun seinä liikkuu riittävän suuriksi_AC_, syntyy liukupinta_AC_C. alaspäin. Koska kokonaispaine on yhtä suuri kuin painekaavion abe kolmion pinta-ala (kuva 9b), painekaavio pienenee jatkossa. Todellinen painekaavio on kaareva viiva ac, jota ei voida määrittää matemaattisesti. Terzaghin mukaan painopiste S on korkeudella 0,40 – 0,45_h_.
Kuva 9 — maanpaineen jakautuminen tukiseinän translaatioliikkeen aikana eteenpäin.
Coulombin teoriaa pidetään äärimmäisenä menetelmänä maanpaineen määrittämisessä, kun otetaan huomioon menetelmä maanpaineen määrittämiseksi ääriarvoina, suurin aktiiviselle ja vähiten passiiviselle.
Lopullinen tekninen huomautus: paineen jakautumis- ja iskupiste riippuu rakenteen todellisesta muodonmuutosta. Maanpaineen, vedenpoiston ja hydrostaattisen paineen lisäksi on tarkastettava globaali ja sisäinen vakaus, liukuminen, siirtymä, maaperän kantavuus ja painuma, seinämien ja perustusten lujuus, eroosio, huuhtoutuminen, louhintavaiheet ja tilapäinen vakaus. Olemassa olevan seinän kunto, jossa näkyy liikettä, halkeamia, pullistumia tai hallitsematonta vesivuotoa, vaatii välitöntä ammattilaisen arviointia.