Geotechnické inženýrství - Geotechnical engineering

Boston 's Big Dig představil geotechnické výzvy v městském prostředí.
Betonová opěrná zeď
Typický průřez svahem používaný v dvojrozměrných analýzách.

Geotechnické inženýrství , také známé jako geotechnika , je odvětví stavebnictví zabývající se inženýrským chováním zemských materiálů . K řešení příslušných technických problémů využívá principy mechaniky půdy a mechaniky hornin . Opírá se také o znalosti geologie , hydrologie , geofyziky a dalších souvisejících věd. Geotechnické (skalní) inženýrství je subdisciplínou geologického inženýrství .

Kromě inženýrského stavitelství má geotechnické inženýrství uplatnění také ve vojenské , těžební , ropné , pobřežní technice a ve stavebnictví na moři . Obory geotechnického inženýrství a inženýrské geologie mají znalostní oblasti, které se překrývají, zatímco geotechnické inženýrství je specializací stavebního inženýrství , inženýrská geologie je specializací geologie : Sdílejí stejné principy mechaniky půdy a mechaniky hornin, ale liší se v aplikace.

Dějiny

Lidé historicky používali půdu jako materiál pro ochranu před povodněmi, pro účely zavlažování, pohřebiště, základy budov a jako stavební materiál pro budovy. První činnosti byly spojeny se zavlažováním a protipovodňovou ochranou, což dokazují stopy hrází, přehrad a kanálů pocházejících nejméně z roku 2000 před naším letopočtem, které byly nalezeny ve starověkém Egyptě , starověké Mezopotámii a úrodném půlměsíci a také kolem raných osad Mohenjo Daro a Harappa v údolí Indu . Jak se města rozšiřovala, vznikaly stavby podporované formalizovanými základy; Starověcí Řekové zejména konstruovali podložky a základy pásů a raftů . Až do 18. století však nebyl vypracován žádný teoretický základ pro návrh půdy a disciplína byla spíše uměním než vědou, spoléhala se na zkušenosti z minulosti.

Několik technických problémů souvisejících s nadacemi, jako je Šikmá věž v Pise , přimělo vědce, aby ke zkoumání podpovrchové plochy přistoupili vědečtěji. Nejčasnější pokroky nastaly ve vývoji teorií zemského tlaku pro stavbu opěrných zdí . Henri Gautier, francouzský královský inženýr, rozpoznal „přirozený sklon“ různých půd v roce 1717, což je myšlenka později známá jako úhel klidu půdy . Byl také vyvinut základní systém klasifikace půdy na základě jednotkové hmotnosti materiálu, který již není považován za dobrou indikaci typu půdy.

Aplikace principů mechaniky na půdy byla dokumentována již v roce 1773, kdy Charles Coulomb (fyzik, inženýr a kapitán armády) vyvinul vylepšené metody pro určování tlaků Země na vojenské valy. Coulomb poznamenal, že při selhání se za kluznou opěrnou stěnou vytvoří zřetelná rovina skluzu a navrhl, aby maximální smykové napětí v rovině skluzu bylo pro účely návrhu součtem soudržnosti půdy a tření , kde je normální napětí v rovině skluzu a je to úhel tření půdy. Tím, že kombinuje Coulombova teorie s Christian Otto Mohr ‚s 2D napjatosti , teorie stala se známá jako teorie Mohr-Coulomb . Ačkoli se nyní uznává, že přesné určení soudržnosti je nemožné, protože není základní vlastností půdy, Mohr-Coulombova teorie se v praxi používá dodnes.

V 19. století Henry Darcy vyvinul to, co je nyní známé jako Darcyho zákon popisující tok tekutin v porézních médiích. Joseph Boussinesq (matematik a fyzik) vytvořil teorie rozložení napětí v elastických tělesech, které se ukázaly jako užitečné pro odhad napětí v hloubce v zemi; William Rankine , inženýr a fyzik, vyvinul alternativu k Coulombově teorii zemského tlaku. Albert Atterberg vytvořil indexy konzistence jílu, které se dodnes používají pro klasifikaci půdy. Osborne Reynolds v roce 1885 uznal, že stříhání způsobuje objemovou dilataci hustých a smršťování sypkých zrnitých materiálů.

Moderní geotechnické inženýrství údajně začalo v roce 1925 vydáním knihy Erdbaumechanik od Karla Terzaghiho (strojního inženýra a geologa). Mnoho lidí je považováno za otce moderní mechaniky půdy a geotechnického inženýrství. Terzaghi také vyvinul rámec pro teorie únosnosti základů a teorii pro predikci rychlosti osídlení vrstev jílu v důsledku konsolidace . Poté Maurice Biot plně rozvinul teorii trojrozměrné konsolidace půdy, rozšířil jednorozměrný model dříve vyvinutý Terzaghi na obecnější hypotézy a zavedl soubor základních rovnic poroelasticity . Alec Skempton ve své práci v roce 1960 provedl rozsáhlý přehled dostupných formulací a experimentálních dat v literatuře o účinném stresu platném v půdě, betonu a hornině, aby odmítl některé z těchto výrazů a objasnil, jaký výraz byl vhodný podle několika pracovních hypotéz, jako je chování mezi napětím nebo pevností, chování nasycených nebo nenasycených médií, chování horniny/betonu nebo půdy atd. Ve své knize z roku 1948 Donald Taylor uznal, že vzájemné propojení a dilatace hustě zabalených částic přispívá k maximální síle půdy. Vzájemné vztahy mezi chováním objemové změny (dilatace, kontrakce a konsolidace) a střihovým chováním byly propojeny teorií plasticity s využitím mechaniky půdy kritického stavu od Roscoe, Schofield a Wroth s vydáním „On the Yielding of Soils“ v roce 1958. . kritický stav půdní mechanika je základem pro mnoho současných pokročilých konstitučních modelů , které popisují chování zeminy.

Geotechnické odstředivkové modelování je metoda testování fyzikálních zmenšených modelů geotechnických problémů. Použití odstředivky zvyšuje podobnost testů zmenšeného modelu zahrnujících půdu, protože pevnost a tuhost půdy je velmi citlivá na omezující tlak. Odstředivé zrychlení umožňuje výzkumníkovi získat velká (prototypová) napětí v malých fyzikálních modelech.

Mechanika půdy

Fázový diagram půdy udávající hmotnosti a objemy vzduchu, půdy, vody a dutin.

V geotechnickém inženýrství jsou půdy považovány za třífázový materiál složený z: horninových nebo minerálních částic, vody a vzduchu. Dutiny půdy, prostory mezi minerálními částicemi, obsahují vodu a vzduch.

Technické vlastnosti půd ovlivňují čtyři hlavní faktory: převládající velikost minerálních částic, typ minerálních částic, distribuce velikosti zrn a relativní množství minerálů, vody a vzduchu přítomných v půdní matrici. Jemné částice (jemné částice) jsou definovány jako částice o průměru menším než 0,075 mm.

Vlastnosti půdy

Některé z důležitých vlastností půd, které geotechničtí inženýři používají k analýze staveniště a navrhování zemních prací, opěrných struktur a základů, jsou:

Specifická hmotnost nebo Jednotková hmotnost
Kumulativní hmotnost pevných částic, vody a vzduchu z jednotkového objemu půdy. Všimněte si, že vzduchová fáze je často považována za beztížnou.
Pórovitost
Poměr objemu dutin (obsahujících vzduch, vodu nebo jiné tekutiny) v půdě k celkovému objemu půdy. Pórovitost je matematicky vztažena na poměr dutin podle

zde e je poměr dutin a n je pórovitost
Poměr dutin
Poměr objemu dutin k objemu pevných částic v půdní hmotě. Poměr dutin matematicky souvisí s pórovitostí o

Propustnost
Míra schopnosti vody protékat půdou. Vyjadřuje se v jednotkách darcy (d). Propustnost 1 d umožňuje průtok 1 cm3 za sekundu tekutiny s viskozitou 1 cP (centipoise) přes plochu průřezu 1 cm2, když je aplikován tlakový gradient 1 atm/cm.
Stlačitelnost
Rychlost změny objemu s účinným napětím. Pokud jsou póry naplněny vodou, pak musí být voda z pórů vytlačena, aby bylo možné objemové stlačení půdy; tomuto procesu se říká konsolidace.
Pevnost ve smyku
Maximální smykové napětí, které lze aplikovat na půdní hmotu, aniž by došlo k porušení smyku.
Atterbergské limity
Tekuté omezení , plastové mez , a mez smrštění . Tyto indexy se používají pro odhad dalších technických vlastností a pro klasifikaci půdy .

Geotechnický průzkum

Úkoly geotechnického inženýra zahrnují zkoumání podpovrchových podmínek a materiálů; stanovení příslušných fyzikálních, mechanických a chemických vlastností těchto materiálů; návrh zemních prací a opěrných struktur (včetně přehrad , hrází , sanitárních skládek, ložisek nebezpečného odpadu ), tunelů a základů konstrukcí ; monitorování podmínek staveniště, zemních prací a výstavby základů; hodnocení stability přírodních svahů a umělých půdních usazenin; posouzení rizik, která představují podmínky staveniště; a predikce, prevence a zmírnění škod způsobených přírodními riziky (jako laviny , bláto toky , sesuvů půdy , rockslides , závrty a vulkanické erupce ).

Geotechničtí inženýři a inženýrští geologové provádějí geotechnická šetření, aby získali informace o fyzikálních vlastnostech půdy a horniny pod (a někdy sousedí) s lokalitou za účelem navrhování zemních prací a základů pro navrhované stavby a pro opravu nouze zemních prací a struktur způsobených podpovrchovou podmínky. Geotechnický průzkum bude zahrnovat průzkum povrchu a podpovrchový průzkum místa. Někdy se k získávání údajů o lokalitách používají geofyzikální metody . Průzkum podpovrchu obvykle zahrnuje testování na místě (dva běžné příklady testů na místě jsou standardní penetrační test a kuželový penetrační test ). Průzkum na místě bude navíc často zahrnovat odběr vzorků pod povrchem a laboratorní testování získaných vzorků půdy. Kopání testovacích jam a hloubení rýh (zejména pro lokalizaci poruch a kluzných rovin ) lze také použít ke zjištění hloubky půdních podmínek. Vrtání s velkým průměrem se používá jen zřídka kvůli obavám o bezpečnost a nákladům, ale někdy se používá k tomu, aby geolog nebo inženýr mohl být spuštěn do vrtu pro přímé vizuální a ruční vyšetření stratigrafie půdy a hornin.

Existuje řada vzorkovačů půdy , které splňují potřeby různých inženýrských projektů. Standardní zkouška penetrace (SPT), který používá silnostěnné dělenou lžíce sampler, je nejběžnější způsob shromažďování narušené vzorků. Ke sběru méně narušených vzorků se nejčastěji používají pístové vzorkovače využívající tenkostěnnou trubici. Pokročilejší metody, jako je blokový vzorkovač Sherbrooke, jsou lepší, ale ještě dražší. Žhnoucí zmrzlá půda poskytuje nerušené vzorky vysoké kvality z jakýchkoli půdních podmínek, jako jsou zóny výplně, písku, morény a lomu hornin.

Atterbergovy limitní testy, měření obsahu vody a analýzu velikosti zrna lze například provést na narušených vzorcích získaných ze silnostěnných vzorkovačů půdy . Vlastnosti, jako je pevnost ve smyku, tuhost, hydraulická vodivost a koeficient konsolidace, mohou být významně změněny narušením vzorku. K měření těchto vlastností v laboratoři je zapotřebí vysoce kvalitní odběr vzorků. Běžné testy pro měření pevnosti a tuhosti zahrnují tříosý střih a neomezený kompresní test.

Průzkum povrchu může zahrnovat geologické mapování , geofyzikální metody a fotogrammetrii ; nebo to může být tak jednoduché, jako když kolem chodí inženýr a sleduje fyzické podmínky v místě. Geologické mapování a interpretace geomorfologie se obvykle dokončují po konzultaci s geologem nebo inženýrským geologem .

Někdy se také používá geofyzikální průzkum . Geofyzikální techniky používané pro průzkum podpovrchových povrchů zahrnují měření seismických vln (tlakové, smykové a Rayleighovy vlny ), metody povrchových vln a/nebo metody vrtných vrtů a elektromagnetické průzkumy (magnetometr, odpor a radar pronikající do země ).

Infrastruktura

  1. Středně těžké / těžké příklepové vrtací navijáky.
  2. Výkonný rotační diamantový jádrový vrtací stroj.
  3. Lehký geomobil.
  4. Ruční navijáky se stativem.
  5. Dynamický kuželový penetrační testovací stroj.
  6. Statický kuželový penetrační stroj.
  7. Testovací stroj s měřičem tlaku.
  8. Stroj na zkoušku střihu lopatky.
  9. Field CBR (California Bearing Ratio) testovací stroj.
  10. Blokový vibrační testovací stroj.
  11. Rychlý vlhkoměr.
  12. Stroj na řezání jádra In situ.
  13. Standardní stroj pro penetrační test.
  14. Pole propustnost jeden a dvojitý balicí stroj.

aplikace

  1. NÁVRH MOSTŮ: Typ základu a doporučení hloubky
  2. NÁVRH TUNELU: Výpočet hodnoty RMR a Q
  3. STRUKTURÁLNÍ NÁVRH STAVEB: Vyneste bezpečné zatížení ložiska
  4. NÁVRH ZACHOVÁNÍ STRUKTUR: Doporučení techniky zlepšování terénu

Struktury

Nadace

Základ budovy přenáší zatížení z budov a jiných struktur na Zemi. Geotechničtí inženýři navrhují základy na základě zatěžovacích charakteristik konstrukce a vlastností zemin a/nebo podloží v lokalitě. Geotechničtí inženýři obecně:

  1. Odhadněte velikost a umístění zatížení, která mají být podporována.
  2. Vypracujte plán vyšetřování, abyste prozkoumali podpovrch .
  3. Potřebné parametry půdy určete terénním a laboratorním testováním (např. Konsolidační test , triaxiální smykový test , lopatkový smykový test, standardní penetrační test ).
  4. Navrhněte základnu tím nejbezpečnějším a nejhospodárnějším způsobem.

Primárními aspekty podpory základů jsou únosnost , sedání a pohyb země pod základy. Únosnost je schopnost půdních lokalit snášet zatížení budov nebo staveb. K osídlení dochází na všech základech ve všech půdních podmínkách, i když u lehce zatížených struktur nebo skalních lokalit může dojít k zanedbatelnému osídlení. U těžších struktur nebo měkčích lokalit může být problémem jak celkové osídlení vzhledem k nezastavěným oblastem nebo sousedním budovám, tak rozdílné osídlení v rámci jedné struktury. Zvláště znepokojující je vypořádání, ke kterému dochází v průběhu času, protože okamžité vypořádání lze obvykle kompenzovat během stavby. K pohybu půdy pod základy konstrukce může dojít v důsledku smršťování nebo bobtnání expanzivních půd v důsledku klimatických změn, mrazové expanze půdy, tání permafrostu, nestability svahu nebo z jiných příčin. Všechny tyto faktory je třeba vzít v úvahu při navrhování základů.

V oblastech mělkého podloží může většina základů nést přímo na podloží; v jiných oblastech může půda poskytnout dostatečnou pevnost pro podporu struktur. V oblastech hlubšího podloží s měkkými nadložními půdami se používají hluboké základy k podepření struktur přímo na podloží; v oblastech, kde podloží není ekonomicky dostupné, se místo toho používají k podepření hlubokých základů tuhé „nosné vrstvy“.

Mělký

Příklad základové desky na desce.

Mělké základy jsou typem základu, který přenáší zatížení budovy na velmi blízko povrchu, než na podpovrchovou vrstvu. Mělké základy mají obvykle poměr hloubky k šířce menší než 1.

Patky

Patky (často nazývané „rozprostřené patky“, protože rozkládají zatížení) jsou konstrukční prvky, které přenášejí zatížení konstrukce na zem přímým plošným kontaktem. Patky mohou být izolované základny pro bodová nebo sloupová zatížení nebo pásové základny pro stěnové nebo jiné dlouhé (liniové) zatížení. Patky jsou obvykle konstruovány ze železobetonu odlitého přímo do půdy a jsou obvykle zapuštěny do země, aby pronikly zónou pohybu mrazu a/nebo aby získaly další únosnost.

Deska

Variantou u rozetřených základů je nechat celou konstrukci nést na jedné betonové desce, která je podkladem celé oblasti konstrukce. Desky musí být dostatečně silné, aby poskytovaly dostatečnou tuhost, aby rovnoměrně rozložily zatížení ložisek a minimalizovaly rozdílné sedání napříč základem. V některých případech je povolen ohyb a budova je konstruována tak, aby místo toho tolerovala malé pohyby nadace. U malých staveb, jako jsou rodinné domy, může mít deska tloušťku menší než 300 mm; u větších staveb může mít základová deska tloušťku několik metrů.

Základové desky mohou být buď základové desky na desce, nebo zapuštěné, typicky v budovách se sklepy. Základové desky musí být navrženy tak, aby umožňovaly potenciální pohyb půdy v důsledku měnících se půdních podmínek.

Hluboký

Hluboké základy se používají u konstrukcí nebo těžkých břemen, když mělké základy nemohou poskytnout adekvátní kapacitu, kvůli velikosti a strukturálním omezením. Mohou být také použity k přenosu zatížení budov za slabé nebo stlačitelné vrstvy půdy. Zatímco mělké základy se spoléhají pouze na únosnost půdy pod nimi, hluboké základy se mohou při vývoji požadované kapacity spolehnout na únosnost koncového ložiska, třecí odpor po celé délce nebo obojí. Geotechničtí inženýři používají specializované nástroje, jako je například test penetrace kužele , k odhadu množství odporu kůže a koncového ložiska dostupného v podpovrchovém povrchu.

Existuje mnoho typů hlubokých základů včetně hromádek , vrtaných šachet, kesonů , pilířů a zemních stabilizovaných sloupů. Velké budovy, jako jsou mrakodrapy, obvykle vyžadují hluboké základy. Například věž Jin Mao v Číně využívá k podpoře své hmotnosti trubkové ocelové piloty asi 1 m (3,3 stopy) vedené do hloubky 83,5 m (274 stop).

V budovách, které jsou postaveny a bylo zjištěno, že procházejí osídlením, lze podpůrné piloty použít ke stabilizaci stávající budovy.

Existují tři způsoby, jak umístit hromady pro hluboký základ. Mohou být poháněny, vrtány nebo instalovány pomocí šneku. Poháněné hromádky se pomocí aplikace vnější energie vysunou do potřebné hloubky stejným způsobem, jakým se zatlouká hřebík. K pohonu těchto hromádek se používají čtyři typická kladiva: kladiva, naftová, hydraulická a vzduchová. Sklápěcí kladiva jednoduše odhodí těžkou váhu na hromadu, aby ji poháněla, zatímco naftová kladiva používají jednoválcový vznětový motor k protlačení hromádek po Zemi. Podobně hydraulická a vzduchová kladiva dodávají energii hromadám prostřednictvím hydraulických a vzdušných sil. Energie předávaná z hlavy kladiva se liší podle zvoleného typu kladiva a může být až milion stop pro velké dieselové kladiva, což je v praxi velmi běžná kladiva. Piloty jsou vyrobeny z různých materiálů, včetně oceli, dřeva a betonu. Vrtané piloty se vytvoří tak, že se nejprve vyvrtá otvor do příslušné hloubky a vyplní se betonem. Vrtané piloty mohou obvykle přenášet větší zatížení než poháněné piloty, jednoduše kvůli hromadě s větším průměrem. Šnekový způsob instalace piloty je podobný instalaci vrtané piloty, ale při odstraňování šneku se do otvoru čerpá beton.

Postranní zemní podpůrné struktury

Opěrná zeď je struktura, která zadržuje Zemi. Opěrné zdi stabilizují půdu a skálu před pohybem dolů nebo erozí a poskytují podporu pro vertikální nebo téměř vertikální změny sklonu. Kofferdam a přepážky, konstrukce zadržující vodu, jsou někdy také považovány za opěrné zdi.

Primárním geotechnickým problémem při navrhování a instalaci opěrných zdí je to, že hmotnost zadrženého materiálu vytváří příčný zemní tlak za zdí, což může způsobit deformaci nebo selhání zdi. Boční zemní tlak závisí na výšce stěny, hustotě půdy, síle půdy a množství přípustného pohybu stěny. Tento tlak je nahoře nejmenší a směrem dolů se zvyšuje podobným způsobem jako hydraulický tlak a má tendenci tlačit zeď od zásypu. Podzemní voda za zdí, která není odváděna drenážním systémem, způsobuje další horizontální hydraulický tlak na zeď.

Gravitační stěny

Gravitační stěny závisí na velikosti a hmotnosti stěny, aby odolávaly tlakům zezadu. Gravitační stěny budou často mít mírný útlum nebo těsto, aby se zlepšila stabilita stěn. Pro krátké, terénní úpravy se běžně používají gravitační stěny vyrobené ze suchého skládaného kamene (bez malty) nebo segmentové betonové jednotky (zdicí prvky).

Dříve ve 20. století byly vyšší opěrné zdi často gravitačními zdmi z velkých hmot betonu nebo kamene. Dnes jsou vyšší opěrné zdi stále více stavěny jako kompozitní gravitační stěny, jako je geosyntetická nebo ocelí vyztužená zásypová zemina s prefabrikovaným obkladem; gabiony (skládané koše z ocelového drátu naplněné horninami), stěny postýlky (buňky postavené ve stylu srubu z prefabrikovaného betonu nebo dřeva a vyplněné zeminou nebo volně odvodněným štěrkem) nebo stěny přibité na zem (půda vyztužená na místě ocelovými a betonovými tyčemi ).

U gravitačních stěn vyztužené půdy je výztuž půdy umístěna ve vodorovných vrstvách po celé výšce stěny. Obvykle je vyztužením půdy geomřížka , vysoce pevná polymerová síťovina, která poskytuje pevnost v tahu a drží půdu pohromadě. Čelo stěny je často z prefabrikovaných, segmentových betonových jednotek, které mohou tolerovat určitý diferenciální pohyb. Hmota vyztužené půdy se spolu s obkladem stává gravitační zdí. Zesílená hmota musí být postavena dostatečně velká, aby udržela tlaky z půdy za ní. Gravitační stěny obvykle musí být minimálně 30 až 40 procent tak hluboké (silné), jako je výška stěny, a může být větší, pokud je na zdi sklon nebo příplatek.

Konzolové zdi

Před zavedením moderních zesílených zemských gravitačních stěn byly konzolové stěny nejběžnějším typem vyšších opěrných zdí. Konzolové stěny jsou vyrobeny z relativně tenkého dříku z ocelí vyztuženého, ​​litého betonového nebo maltového zdiva (často ve tvaru obráceného T). Tyto stěny konzolové zatížení (jako paprsek) na velké, konstrukční základny; převod horizontálních tlaků zpoza zdi na vertikální tlaky na zemi níže. Někdy jsou konzolové stěny vyztuženy na přední straně nebo obsahují protitah na zadní straně, aby se zlepšila jejich stabilita vůči vysokému zatížení. Podpěry jsou krátké křídlové stěny v pravém úhlu k hlavnímu trendu zdi. Tyto stěny vyžadují tuhé betonové patky pod sezónní hloubkou mrazu. Tento typ stěny používá mnohem méně materiálu než tradiční gravitační zeď.

Konzolové stěny odolávají bočním tlakům třením v základně stěny a/nebo pasivním zemním tlakem , sklonem půdy odolávat bočnímu pohybu.

Suterény jsou formou konzolových stěn, ale síly na stěny suterénu jsou větší než na konvenčních zdech, protože stěna suterénu se nemůže volně pohybovat.

Výkopové podepření

Podepření dočasných výkopů často vyžaduje konstrukci stěny, která nepřesahuje bočně za zeď, takže podepření sahá pod plánovanou základnu výkopu. Běžnými způsoby podepření je použití hromádek nebo paprsků vojáků a zpoždění . Piloty jsou formou poháněné piloty využívající tenké do sebe zapadající ocelové plechy k získání souvislé bariéry v zemi a jsou poháněny před hloubením. Vojenské nosníky jsou konstruovány ze širokých přírubových ocelových profilů H rozmístěných asi 2–3 m od sebe, poháněných před hloubením. Jak výkop pokračuje, za příruby hromádky H se vloží vodorovné dřevo nebo ocelové plechy (zaostávání).

Použití podzemního prostoru vyžaduje hloubení, což může způsobit velké a nebezpečné přemístění zemské hmoty kolem výkopu. Vzhledem k tomu, že prostor pro hloubení svahů je v městských oblastech omezený, provádí se řez svisle. Opěrné zdi jsou vyrobeny tak, aby se zabránilo nebezpečnému posunutí půdy kolem výkopů. Membránové stěny jsou typem opěrných zdí, které jsou velmi tuhé a obecně vodotěsné. Horizontálním pohybům stěn membrány obvykle brání boční podpěry. Membránové stěny jsou drahé zdi, ale šetří čas a prostor a jsou také bezpečné, takže jsou široce používány v městských hlubokých vykopávkách.

V některých případech postranní opora, kterou může poskytovat pouze podpěrná zeď, není dostatečná k tomu, aby odolala plánovanému bočnímu zatížení; v tomto případě je dodatečná podpora poskytována pomocí podvazků nebo stahovacích pásků. Walers jsou konstrukční prvky, které se spojují napříč výkopu tak, aby se zatížení z půdy na obou stranách výkopu používala k vzájemnému odporu, nebo která přenášejí vodorovná zatížení z podpěrné zdi na základnu výkopu. Úchyty jsou ocelové šlachy vyvrtané do líce stěny, která sahá za půdu, která vyvíjí tlak na zeď, aby poskytla zdi dodatečný boční odpor.

Zemní práce

Válec / válec provozován US Navy Seabees
  • Výkop je proces nácviku zeminy podle požadavku odstraněním zeminy z místa.
  • Výplň je proces nácviku zeminy podle požadavku umístěním půdy na místo.
  • Zhutnění je proces, při kterém se zvyšuje hustota půdy a snižuje se její propustnost. Umístění výplně má často specifikace vyžadující specifický stupeň zhutnění nebo alternativně specifické vlastnosti zhutněné zeminy. Půdy in-situ lze zhutňovat válcováním, hlubokým dynamickým hutněním , vibracemi, tryskáním, vířením, hnětením, hutňovací injektáží atd.

Vylepšení terénu

Ground Improvement je technika, která zlepšuje technické vlastnosti upravené půdy. Obvykle jsou upravenými vlastnostmi pevnost ve smyku, tuhost a propustnost. Zlepšení terénu se vyvinulo v důmyslný nástroj na podporu základů pro širokou škálu struktur. Správně aplikované, tj. Po náležitém zvážení povahy zlepšovaného terénu a typu a citlivosti stavěných staveb, zlepšování terénu často snižuje přímé náklady a šetří čas.

Stabilizace svahu

Jednoduchý svahový skluz.

Stabilita svahu je potenciál svahů pokrytých půdou odolávat a procházet pohybem . Stabilita je dána rovnováhou smykového napětí a smykové pevnosti . Dříve stabilní sklon může být zpočátku ovlivněn přípravnými faktory, čímž je svah podmíněně nestabilní. Spouštěcími faktory selhání svahu mohou být klimatické události, které pak mohou způsobit, že svah bude aktivně nestabilní, což povede k hromadným pohybům. Hromadné pohyby mohou být způsobeny zvýšením smykového napětí, jako je zatížení, příčný tlak a přechodové síly. Alternativně může být pevnost ve smyku snížena zvětráváním, změnami tlaku vody v pórech a organickým materiálem.

Několik způsobů selhání zemských svahů zahrnuje pády, převržení, skluzavky a toky. Na svazích s hrubozrnnou půdou nebo skalami k pádům obvykle dochází jako rychlý sestup hornin a jiného volného svahového materiálu. Svah se převrhne, když se velký sloup zeminy při poruše nakloní nad svislou osu. Typická analýza stability svahu uvažuje klouzavé poruchy, kategorizované hlavně jako rotační nebo translační skluzavky. Jak naznačuje název, rotační skluzavky selhávají po obecně zakřivené ploše, zatímco translační snímky selhávají po rovinnějším povrchu. Svah selhávající jako tok by připomínal tekutinu tekoucí z kopce.

Analýza stability svahu

Analýza stability je nutná pro návrh upravených svahů a pro odhad rizika selhání svahu v přirozených nebo navržených svazích. Běžným předpokladem je, že svah se skládá z vrstvy zeminy sedící na tuhé základně. Předpokládá se, že hmota a základna interagují prostřednictvím tření. Rozhraní mezi hmotou a základnou může být rovinné, zakřivené nebo může mít jinou složitou geometrii. Cílem analýzy stability svahu je určit podmínky, za kterých bude hmota sklouzávat vzhledem k základně a vést k selhání svahu.

Pokud má rozhraní mezi hmotou a základnou svahu složitou geometrii, je analýza stability svahu obtížná a jsou vyžadovány metody numerického řešení. Přesná geometrie rozhraní obvykle není známa a předpokládá se zjednodušená geometrie rozhraní. Konečné svahy vyžadují analýzu trojrozměrných modelů. Aby byl problém jednoduchý, většina svahů je analyzována za předpokladu, že svahy jsou nekonečně široké, a proto je lze reprezentovat dvourozměrnými modely. Svah může být odvodněný nebo neodvodněný. Nevyčerpaná podmínka se používá ve výpočtech k vytvoření konzervativních odhadů rizika.

Populární přístup k analýze stability je založen na principech týkajících se konceptu mezní rovnováhy. Tato metoda analyzuje konečný nebo nekonečný sklon, jako by se chystal selhat podél kluzného povrchu selhání. Rovnovážná napětí se vypočítají podél roviny porušení a porovnají se smykovou pevností zemin, jak stanoví Terzaghiho rovnice smykové pevnosti . O stabilitě v konečném důsledku rozhoduje bezpečnostní faktor rovný poměru smykové pevnosti k rovnovážným napětím podél povrchu porušení. Faktor bezpečnosti vyšší než jeden obecně znamená stabilní sklon, k jehož selhání by nemělo dojít za předpokladu, že sklon není narušen. V praxi se běžně používá faktor bezpečnosti 1,5 pro statické podmínky.

Geosyntetika

Koláž geosyntetických produktů.

Geosyntetika je druh plastových polymerních produktů používaných v geotechnickém inženýrství, které zlepšují výkonnost při současném snižování nákladů. Patří sem geotextilie , geomříže , geomembrány , geobuňky a geokompozity . Syntetická povaha produktů je činí vhodnými pro použití v půdě, kde jsou požadovány vysoké úrovně trvanlivosti; mezi jejich hlavní funkce patří drenáž, filtrace, výztuž, separace a zadržování. Geosyntetika je k dispozici v široké škále forem a materiálů, z nichž každá vyhovuje mírně odlišnému konečnému použití, i když se často používají společně. Tyto výrobky mají širokou škálu aplikací a v současné době se používají v mnoha aplikacích civilního a geotechnického inženýrství, včetně silnic, letišť, železnic, náspů, hromadných hrází, opěrných konstrukcí, nádrží, kanálů, přehrad, skládek, ochrany bank a pobřežního inženýrství.

Offshore

Platformy na moři v Mexiku.

Offshore (nebo námořní ) geotechnické inženýrství se zabývá návrhem základů pro lidské stavby v moři , daleko od pobřeží (v opozici k onshore nebo nearshore ). Ropné plošiny , umělé ostrovy a podmořská potrubí jsou příklady takových struktur. Mezi geotechnickým inženýrstvím na souši a na moři existuje řada významných rozdílů. Zejména pozemní úpravy (na mořském dně) a průzkum lokality jsou dražší, pobřežní stavby jsou vystaveny širšímu spektru geohazardů a environmentální a finanční důsledky jsou v případě selhání vyšší. Offshore struktury jsou vystaveny různým environmentálním zátěžím, zejména větru , vlnám a proudům . Tyto jevy mohou ovlivnit celistvost nebo použitelnost struktury a jejího základu během její provozní životnosti - je třeba je vzít v úvahu při projektování na moři.

V podmořském geotechnickém inženýrství jsou materiály mořského dna považovány za dvoufázový materiál složený z 1) kamenných nebo minerálních částic a 2) vody. Konstrukce mohou být upevněny na místě v mořském dně-jako je tomu v případě mola , mola a větrných turbín s pevným dnem-nebo může jít o plovoucí konstrukci, která zůstává zhruba fixovaná vzhledem ke svému geotechnickému kotevnímu bodu. Podmořské kotvení plovoucích struktur vytvořených člověkem zahrnuje velký počet pobřežních ropných a plynových plošin a od roku 2008 několik plovoucích větrných turbín . Dva běžné typy konstruované konstrukce pro kotvení plovoucích konstrukcí zahrnují volné kotvicí systémy s napínacími nohami a trolejové vedení . "Systémy kotvení napínacích nohou mají svislé popruhy pod napětím, které zajišťují velké obnovovací momenty při stoupání a naklánění . Catenary kotvicí systémy zajišťují udržování stanice pro offshore strukturu, ale poskytují malou tuhost při nízkém napětí."

Pozorovací metoda

V geotechnickém inženýrství je při stavbě pozemních struktur (například přehrad a tunelů) pozorovací metoda kontinuálním, řízeným a integrovaným procesem navrhování, řízení stavby, monitorování a přezkoumávání, který umožňuje začlenění příslušných, předem definovaných úprav během ( nebo po) výstavbě. Všechny tyto aspekty musí být prokazatelně robustní. Cílem je dosáhnout větší celkové hospodárnosti, aniž by byla ohrožena bezpečnost.

Metodu pozorování navrhl Karl Terzaghi a diskutuje ji článek Ralpha B. Pecka (1969) ve snaze snížit náklady při stavbě, které vznikají při navrhování pozemských struktur na základě nejnepříznivějších předpokladů (jinými slovy geologické podmínky, vlastnosti inženýrství půdy a tak dále). Místo toho je návrh založen spíše na nejpravděpodobnějších podmínkách než na těch nejméně příznivých. Mezery v dostupných informacích vyplňují pozorování: geotechnicko-přístrojová měření (například inklinometry a piezometry) a průzkum geotechnického místa (například vrtání vrtů a CPT ). Tato pozorování pomáhají při hodnocení chování konstrukce během stavby, které lze následně upravit podle zjištění. Metodu lze popsat jako „učit se za pochodu“.

Pozorovací metodu lze popsat následovně:

  • Průzkum dostatečný k určení obecné povahy, struktury a vlastností ložisek (nemusí být podrobně)
  • Posouzení nejpravděpodobnějších podmínek a nejnepříznivějších myslitelných odchylek od těchto podmínek. Geologie hraje hlavní roli.
  • Vytvoření návrhu na základě pracovní hypotézy chování očekávaného za nejpravděpodobnějších podmínek
  • Výběr veličin, které je třeba sledovat v průběhu stavby, a výpočet jejich předpokládaných hodnot na základě pracovní hypotézy
  • Výpočet hodnot stejných veličin za nejnepříznivějších podmínek kompatibilní s dostupnými údaji týkajícími se podpovrchových podmínek
  • Výběr (v předstihu) průběhu akce nebo modifikace návrhu pro každou předvídatelnou významnou odchylku pozorovacích nálezů od předpovědí na základě pracovní hypotézy
  • Měření veličin, které je třeba pozorovat, a vyhodnocení skutečných podmínek
  • Úpravy designu v souladu se skutečnými podmínkami

Pozorovací metoda je vhodná pro stavbu, která již začala, když dojde k neočekávanému vývoji, nebo když hrozí nebo již došlo k selhání nebo nehodě. Metoda není vhodná pro projekty, jejichž design nelze během stavby měnit.

Nejzávažnější chybou při aplikaci pozorovací metody je to, že se nepodařilo (předem) vybrat vhodný postup pro všechny předvídatelné odchylky (odhalené pozorováním) od těch, které se předpokládají v návrhu. Inženýr musí navrhnout řešení všech problémů, které by mohly nastat za nejméně příznivých podmínek. Pokud nedokáže tyto hypotetické problémy vyřešit (i když je pravděpodobnost jejich výskytu velmi nízká), musí se vrátit k návrhu založenému na nejméně příznivých podmínkách.

Viz také

Aplikace Nuvola kcmsystem.svg Inženýrský portál

Poznámky

Reference

  • Bates a Jackson, 1980, Glosář geologie: Americký geologický institut.
  • Krynine a Judd, 1957, Principy inženýrské geologie a geotechniky: McGraw-Hill, New York.

externí odkazy