Διερεύνηση μεθοδολογιών προσδιορισμού των ωθήσεων γαιών και εφαρμογή τους στην επίλυση τοίχων τύπου προβόλου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδρασης των διαφορετικών μεθοδολογιών υπολογισμού ωθήσεων γαιών στον υπολογισμό της ευστάθειας τοίχων αντιστήριξης τύπου προβόλου.

Αρχικά παρουσιάζεται η θεωρία των κυριότερων μεθοδολογιών υπολογισμού ωθήσεων γαιών και διεξάγονται παραμετρικοί υπολογισμοί ως προς τους συντελεστές ωθήσεων γαιών (Ka, Kp, Kac, Kpc) με σκοπό τη σύγκριση των αποτελεσμάτων. Χρησιμοποιήθηκαν τόσο απλούστερες και πιο διαδεδομένες μέθοδοι όπως αυτές των Rankine (1857) και Coulomb (1776) όσο και πιο ακριβείς μεθοδολογίες οι οποίες λαμβάνουν υπόψη καμπύλη επιφάνεια αστοχίας όπως αυτές των Rosenfarb & Chen (1972) και Caquot & Kerisel (1948).

Κατόπιν γίνεται παρουσίαση των αρχών και των μεθοδολογιών υπολογισμού τοίχων αντιστήριξης τύπου προβόλου με βάση τον Ευρωκώδικα (EC7) και το CIRIA report 104. Η παραπάνω θεωρία χρησιμοποιείται σε παραμετρικές επιλύσεις που διεξήχθησαν με σκοπό τη διερεύνηση της ευστάθειας τοίχων τύπου προβόλου. Τα αποτελέσματα των παραπάνω επιλύσεων παρουσιάζονται υπό τη μορφή κανονικοποιημένων διαγραμμάτων του απαιτούμενου βάθους έμπηξης D ως προς το βάθος εκσκαφής H σε συνάρτηση με τα λόγο δ/φ. Για την περαιτέρω διερεύνηση του θέματος διεξήχθησαν αριθμητικές αναλύσεις με πεπερασμένα στοιχεία για κάποιες χαρακτηριστικές περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν για την ανάπτυξη των ωθήσεων στον τοίχο καθώς και για το προβλεπόμενο βάθος έμπηξης D παρουσιάζονται υπό τη μορφή διαγραμμάτων και πινάκων αντίστοιχα.

Με βάση την ανωτέρω διερεύνηση προέκυψε ότι οι μεθοδολογίες οι οποίες λαμβάνουν υπόψη καμπύλη επιφάνεια αστοχίας προβλέπουν ρεαλιστικότερες τιμές για τους συντελεστές ωθήσεων γαιών και κυρίως στην περίπτωση των παθητικών ωθήσεων σε αντίθεση με λιγότερο ακριβείς αλλά ευρέως διαδεδομένες μεθοδολογίες όπως των Rankine και Coulomb. Ειδικά για τη μεθοδολογία του Coulomb επισημαίνεται ότι από τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρατηρήθηκε ότι οδηγεί σε σημαντική υπερεκτίμηση του συντελεστή παθητικών ωθήσεων για τιμές του λόγου δ/φ>0.5 και ειδικά όσο μεγαλώνει η γωνία τριβής του εδάφους κάτι που αν δεν προσεχθεί μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική υποδιαστασιολόγηση κατασκευών αντιστήριξης. Γι’ αυτόν τον λόγο γίνεται σύσταση περιορισμού του λόγου δ/φ σε τιμές μικρότερες του 0.5 κατά τον υπολογισμό των ωθήσεων γαιών με τη μεθοδολογία του Coulomb.

The purpose of this diploma thesis is to investigate the effect of the different methods of estimation of earth pressure, on the design of sheet pile walls.

Initially, the main methods for the estimation of earth pressure are presented. Parametrical calculations are carried out in order to evaluate the coefficients of earth pressure and comparisons between the results obtained by the various methods are conducted. Simple and widely used methods such as those of Coulomb (1857) and Rankine (1776) as well as more accurate methods that take into account curved failure surface such as those of Rosenfarb & Chen (1972) and Caquot & Kerisel (1948) have been employed.

Then, the principles and the methodologies for designing sheet pile walls according to Eurocode 7 (EC7) and CIRIA report 104 are presented. The above theory is used in parametric analyses that were conducted to investigate the stability of sheet pile walls. The obtained results of the above analyses are presented in the form of normalized graphs of the required depth of embedment D as a function of the ratio δ/φ. Additionally, in order to further investigate the accuracy of the previously examined methods, numerical analyses were conducted for some typical cases using the Finite Element Method (FEM). The obtained results, concerning the development of earth pressure on sheet pile walls as well as the estimated depth of embedment, are presented in form of graphs and tables respectively.

On the base of the above investigation it has been observed that the methods that take into account curved failure surface provide realistic values for the earth pressure coefficients, especially for the passive pressure case, as opposed to the less accurate but widely used methods of Rankine and Coulomb. Especially for the Coulomb method it is noted that, as observed from the obtained results, it leads to significant overestimation of the passive pressure coefficient (Kp) for values of the ratio δ/φ>0.5 and especially as the soil friction angle increases. This aspect may lead to significant underestimation of the required embedment depth during design of retaining walls. For this reason it is recommended that the ratio δ/φ in the calculation of earth pressure with the Coulomb method is limited to values less than 0.5.