Mikropilotová opěrná stěna

Popis problému

V praxi se setkáváme s případy, kdy zjednodušení problému na 2D úlohu nedokáže postihnout reálné působení konstrukce. V tomto případě jde o stěnu z mikropilot s vloženými mezilehlými základy na pilotách, které působí jako vodorovné podpěry pro stěnu. Zjednodušený 2D model nedokáže věrohodně určit chování opěrné stěny mezi základy. Řešením je 3D model a analýza pomocí programu MIDAS GTS NX. 

Vstupní údaje

V případě této konstrukce nebylo možno použít zemních kotev pro zajištění stability opěrné stěny. Proto jsou zde aplikovány 4 mezilehlé základy na pilotách, které ztuží opěrnou stěnou ve vodorovné rovině.

Základní údaje:

  • mikropiloty Ø240 mm, použita je ocelová trubka (S355) Ø 168.3/8 mm délky 10m po vzdálenosti 0.5m;
  • hloubka výkopu 6 m;
  • základové pasy na 3 pilotách;
  • Hodnota proměnného zatížení na terénu u hrany výkopu 15 KN/m2;
  • Spojení mikropilot ŽB základový pasem o rozměru 0.5 x 0.5 m.

Vlastnosti podloží:

Vlastnosti zemin
Vlastnosti zemin

3D FEM model

Opěrná stěna byla vymodelována jako deskostěna tloušťky t=0.096m s modulem pružnosti E=200000MPa, piloty mezilehlých podpor byly modelovány elementem typu "pile" pro simulaci spolupůsobení s podložím. 

Základový pas v hlavě mikropilot je modelován s nosníkovým elementem. Jedná se o štěrkové podloží s hodnotami c=0kPa a úhlem vnitřního tření j'=24°. Bylo použit Mohr-Coulomb materiálový model. Hodnota plošného zatíženi u okraje výkopu je 15KN/m2.

3D pohled - opěrná stěna se ztužijícími základy na pilotách
3D pohled - opěrná stěna se ztužijícími základy na pilotách

Doporučení pro modelování a výpočet

Pro věrohodné výsledky deformace je potřeba si uvědomit několik důležitých věcí:Během odtěžování zeminy dochází k nárůstu napětí v podloží a vzniku nerealistických pružných deformací. Hardening soil model umožňuje tento vliv redukovat, ale toto řešení je náročné z pohledu správného nastavení parametrů podloží a jejich kalibrace.

Řešením problému je využití numerický přístupu (Bellavita et al.,20015), kdy se na elementy opěrné stěny aplikují vazby, které omezují deformace ve směru x a y během odtěžování, smažou se napočítané deformace a na konci fází výstavby se se tyto vazby uvolní. Tímto numerickým přístupem je řešení úlohy rozděleno do 2 samostatných výpočtů, kdy nejdříve dojde k "vyčistění" nerealistických svislých posunů způsobených rozvojem napětí, které v konstrukci reálně nevznikají.

Dočasné podpory stěny ve směru x a y.jpg
Dočasné podpory stěny ve směru x a y.jpg

Okrajové podmínky na okrajích opěrné stěny velmi výrazně ovlivňují výsledky. Aby tento vliv byl co nejmenší, je dobré aplikovat okrajové podmínky jako zatížení. Na to je možno použít lithostatické zatížení, které zajistí rovnováhu v elementech opěrné stěny.

Silové okrajové podmínky
Silové okrajové podmínky

Použitím deskostěnového rozhraní (shell interface) mezi jednotlivými kolmými stěnami zajistíme rozdílné posuny a realistické chování celé konstrukce. 

Interface mezi mikropilotovými stěnami
Interface mezi mikropilotovými stěnami

Výsledky

Cílem tohoto článku bylo ukázat jeden z přístupů modelování opěrné stěny v programu GTS NX. Proto jsou zde dále uvedeny výsledky ve formě posunů a deformovaného tvaru konstrukce.

Ověření chování konstrukčních částí na dílčích modelech

Pro ověření chování konstrukčních částí bylo provedeno několik samostatných modelů a byly porovnány jejich výsledky.

Řešené modely:

  • Opěrná zeď byla modelována jako deskostěnový prvek bez nosníkového prvku v horní části stěny;
  • Opěrná zeď byla modelována jako deskostěnový prvek s nosníkovým prvkem v horní části stěny;
  • Opěrná zeď byla modelována s pilotovými elementy v místě podpor a tlak od zeminy byl aplikován na deskostěny. Deskostěnové elementy mají skoro nulovou tuhost v modelu, bez nosníkového prvku v horní části stěny
  • Stejně jako model 3, ale s nosníkovým prvkem v horní části stěny.

Každý model obsahuje také pružný deskostěnový interface element s nulovou tuhostí 0 mezi jednotlivými stěnami. Bylo uvažováno se hodnotou vodorovného 35 KN/m2, které nahrazuje zemní tlak.