Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επικεντρώθηκε στα κύρια σημεία τα οποία χρίζουν ιδιαίτερης προσοχής κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος αντιστήριξης μιας βαθιάς εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, ασχοληθήκαμε με την ανάλυση και την αριθμητική προσομοίωση ενός πασσαλότοιχου με αγκύρια.

Αρχικά, βασικό είναι να επιλεγεί το βέλτιστο σύστημα αντιστήριξης με βάση τα χαρακτηριστικά, τις ανάγκες και τους περιορισμούς που έχει το υπό μελέτη έργο. Επιλέγοντας ως βέλτιστη λύση την κατασκευή τοίχου αντιστήριξης με αγκύρια αναλύθηκε η λειτουργία και ο τρόπος σχεδιασμού κάθε επιμέρους τμήματος της κατασκευής.

Το βασικότερο στοιχείο του έργου είναι τα αγκύρια γιατί είναι αυτά τα οποία ουσιαστικά παραλαμβάνουν τις ωθήσεις των γαιών. Για να επιλεγούν οι θέσεις και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κρίσιμη επιφάνεια αστοχίας κατά μήκος της οποίας το πρανές ολισθαίνει.

Τα προεντεταμένα ενετούμενα αγκύρια είναι ένα κατασκευαστικό στοιχείο το οποίο τοποθετείται στο έδαφος ή σε βράχο και το οποίο μεταφέρει εφελκυστικό φορτίο. Τα βασικά στοιχεία των ενετούμενων αγκυρίων είναι η θέση αγκύρωσης, το ελεύθερο μήκος και το μήκος δεσμού.

Η αγκύρωση περιλαμβάνει το κεφάλι του αγκυρίου, τη φέρουσα πλάκα και τη χοάνη η οποία μεταφέρει την προένταση από την χαλύβδινη ράβδο(εικόνα 2)  ή το συρματόσκοινο (εικόνα 3) στην επιφάνεια του εδάφους ή τον τοίχο αντιστήριξης.

Το ελεύθερο μήκος είναι το ποσοστό του προεντεταμένου χάλυβα το οποίο είναι ελεύθερο να επιμηκυνθεί ελαστικά και να μεταφέρει την δύναμη αντίστασης από την πάκτωση στην κατασκευή. Περιβάλλεται από ένα πλαστικό αμελητέας τριβής κάλυμμα το οποίο προστατεύει τον τένοντα από το περιβάλλον ένεμα και τη διάβρωση. Το μήκος δεσμού του αγκυρίου πρέπει να εκτείνεται πέρα από την κρίσιμη επιφάνεια αστοχίας. Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται τα τμήματα και τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα ενετούμενο αγκύριο.

 

Εικόνα 1

    

  Εικόνα 2&3

 

Αυτό που διαχωρίζει τους κύριους τύπους των αγκυρίων είναι το σχήμα που δίνεται στο πακτωμένο τμήμα του αγκυρίου ως αποτέλεσμα συγκεκριμένου τύπου κατασκευής.

Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται σχηματικά τα διάφορα είδη αγκυρίων.

 Εικόνα 4

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, είναι σημαντικό για την γεωμετρία του ενετούμενου αγκυρίου να προσδιοριστεί η κρίσιμη επιφάνεια ολίσθησης. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι προσεγγιστικού αριθμητικού υπολογισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης, κάποιες από τις οποίες αναλύονται στην παρούσα εργασία. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι η εκείνη της οριακής ισορροπίας. Ο λόγος για τον οποίο η μέθοδος των τομών έχει γίνει η πιο συνηθισμένη είναι η ικανότητα της να συνδυάζει γεωμετρία και ποικιλία τύπων εδάφους και συνθηκών υδροφόρου ορίζοντα. Κάποιες από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους είναι η (1) η μέθοδος Fellenius, (2) η απλοποιημένη μέθοδος Bishop, (3) η μέθοδος Spencer, (4) η μέθοδος Janbu.

Επίσης, σημαντικό ρόλο στην κατασκευή έχει ο πάσσαλος. Για να επιλεγεί η κατάλληλη διατομή του πασσάλου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η μέγιστη ροπή η οποία αναπτύσσεται σε αυτόν. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν 2 μέθοδοι, η μέθοδος των αρθρώσεων και της ζώνης επιρροής (εικόνα 5).

Για να επιλεγεί η κατάλληλη διατομή τοίχου θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τη μέγιστη ροπή η οποία αναπτύσσεται.

Για τον τοίχο που κατασκευάζεται σε καλά εδάφη όπως άμμοι και σκληρές άργιλοι, η μέγιστη ροπή εμφανίζεται στο εκτεθειμένο τμήμα του τοίχου, ενώ για τοίχους που είναι σε ασθενή εδάφη, η μέγιστη ροπή είναι στο τμήμα του τοίχου που είναι εμπηγμένο.

Στη μέθοδο των αρθρώσεων θεωρούμε ότι έχουμε στήριξη στη θέση κάθε αγκυρίου. Η αρνητική ροπή στη θέση του πρώτου αγκυρίου εκτιμάται ως το άθροισμα των ροπών ως προς το πρώτο αγκύριο, ενώ η μέγιστη θετική ροπή μεταξύ των αγκυρίων αντιστοιχεί σε μηδενική τέμνουσα.

Η μέγιστη θετική ροπή μεταξύ των αγκυρίων για τη μέθοδο της ζώνης επιρροής είναι , όπου  είναι η μέγιστη ώθηση των γαιών και  είναι η κάθετη απόσταση μεταξύ των γειτονικών αγκυρίων.

Οι παραπάνω μέθοδοι είναι συντηρητικές όμως είναι ακριβείς στον προσδιορισμό των θέσεων των αγκυρίων.

   

Εικόνα 5 Μέθοδος αρθρώσεων και η μέθοδος ζωνών επιρροής

Ταυτόχρονα μπορεί να προβλεφθεί επίσης προσεγγιστικά η συμπεριφορά του πετάσματος αλλά και η μορφή των μετακινήσεων τόσο του τοίχου όσο και του  αντιστηριζόμενου εδάφους. Στην εικόνα που ακολουθεί δίνονται οι πιθανές μορφές καθιζήσεων της επιφάνειας του εδάφους και η παραμόρφωση του τοίχου.

 

Εικόνα 6

Επίσης, περιγράφονται συνοπτικά κάποιες από τις μεθόδους προσδιορισμού των μετακινήσεων του εδάφους, καθώς και οι κυριότεροι περιορισμοί στις βυθίσεις του λόγω της εκσκαφής, ώστε να εξασφαλιστεί η ακεραιότητα των γειτονικών κατασκευών.

Τέλος, αναπτύχθηκε αριθμητικό προσομοίωμα βασισμένο στα χαρακτηριστικά του εδάφους και της κατασκευής του τοίχου αντιστήριξης στο σταθμό του μετρό «ΚΕΡΑΜΙΚΟΣ». Με τη βοήθεια του αριθμητικού προσομοιώματος, ελέγχθηκε αν έχουμε την αναμενόμενη συμπεριφορά τόσο στο πέτασμα όσο και στις βυθίσεις της επιφάνειας του εδάφους.

Η μορφή των καθιζήσεων της επιφάνειας του εδάφους όπως προέκυψε από το προσομοίωμα διαφέρει καθώς προχωράνε τα βήματα της εκσκαφής και προέντασης των αγκυρίων. Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν την μορφή των εδαφικών μετακινήσεων στην πρώτη εκσκαφή και στο τέλος της ανάλυσης.

Εικόνα 7 μετακινήσεις εδάφους στο πρώτο στάδιο εκσκαφής

Εικόνα 8 Τελικές βυθίσεις

Επιπλέον, εξετάστηκαν σε όλα τα βήματα της ανάλυσης τα εντατικά μεγέθη του πασσάλου, η καμπτική ροπή, η τέμνουσα και η αξόνική τάση του. Κάποια από τα διαγράμματα των εντατικών μεγεθών του πασσάλου για τα τελευταία στάδια δίνονται στις παρακάτω εικόνες.

 Εικόνα 9

 Εικόνα 10

 Εικόνα 11

Επίσης, η μεταβολή της τάσης κατά μήκος των έξι αγκυρίων ήταν ένα επιπλέον αντικείμενο το οποίο εξετάστηκε. Το γενικό διάγραμμα των τάσεων των 6 αγκυρίων στο τελικό στάδιο δίνεται στο παρακάτω διάγραμμα.

 Εικόνα 12

Τέλος, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης του πρανούς με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν οι επιφάνειες που προέκυψαν με εκείνες που υπολογίσθηκαν με βάση τις μεθόδους της οριακής κατάστασης ισορροπίας (Bishop, Janbu, Spencer, Fellenius).

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται η κρίσιμη επιφάνειας εκσκαφής με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και με τις διάφορες συμβατικές μεθόδους(Spencer,Janbu, Bishop, Ordinary).

Εικόνα 13