Geoteknik

Bostons Big Dig presenterade geotekniska utmaningar i en urban miljö.

Prefabricerad betongstödmur

Ett typiskt tvärsnitt av en sluttning som används i tvådimensionella analyser.

Geoteknisk ingenjörskonst är den gren av anläggningsteknik som berör jordmaterials tekniska beteende . Den använder principerna för jordmekanik och bergmekanik för att lösa sina respektive tekniska problem. Den förlitar sig också på kunskap om geologi , hydrologi , geofysik och andra relaterade vetenskaper. Geoteknisk (berg)teknik är en underdisciplin av geologisk teknik .

Förutom anläggningsteknik har geoteknik även tillämpningar inom militär , gruvdrift , petroleum , kustteknik och offshorebyggnation . Områdena geoteknik och ingenjörsgeologi har kunskapsområden som överlappar varandra. Men medan geoteknisk ingenjörskonst är en specialitet inom civilingenjör , är ingenjörsgeologi en specialitet inom geologi . De delar samma principer för jordmekanik och bergmekanik, men skiljer sig åt i tillämpningen.

Historia

Människor har historiskt sett använt jord som material för översvämningskontroll, bevattning, gravplatser, bygggrunder och byggmaterial för byggnader. Tidiga aktiviteter kopplades till bevattning och översvämningskontroll , vilket visas av spår av vallar, dammar och kanaler som går tillbaka till åtminstone 2000 f.Kr. som hittades i det antika Egypten , det forntida Mesopotamien och den bördiga halvmånen , såväl som runt de tidiga bosättningarna. av Mohenjo Daro och Harappa i Indusdalen . När städerna expanderade byggdes strukturer upp och stöddes av formaliserade stiftelser. De gamla grekerna konstruerade framför allt padsfot och remsor och flottar. Fram till 1700-talet hade dock ingen teoretisk grund för markdesign utvecklats, och disciplinen var mer av en konst än en vetenskap som förlitade sig på erfarenhet.

Flera grundrelaterade tekniska problem, som det lutande tornet i Pisa , fick forskare att börja ta en mer vetenskapligt baserad strategi för att undersöka underytan. De tidigaste framstegen inträffade i utvecklingen av jordtrycksteorier för konstruktion av stödmurar . Henri Gautier, en fransk kunglig ingenjör, erkände den "naturliga lutningen" av olika jordar 1717, en idé som senare kallas jordens vilovinkel . Ett rudimentärt jordklassificeringssystem utvecklades också baserat på ett materials enhetsvikt, vilket inte längre anses vara en bra indikation på jordart.

Tillämpningen av mekanikens principer på jordar dokumenterades så tidigt som 1773 när Charles Coulomb (en fysiker, ingenjör och armékapten) utvecklade förbättrade metoder för att bestämma jordens tryck mot militära vallar. Coulomb observerade att vid haveri skulle ett distinkt glidplan bildas bakom en glidande stödmur och han föreslog att den maximala skjuvspänningen på glidplanet, för designändamål, var summan av jordkohesionen, c {\displaystyle $}$ , och friktion $\sigma \,\!$$\tan(\phi \,\!)$ , där $\sigma \,\!$ är den normala spänningen på glidplanet och $\phi \,\!$ är jordens friktionsvinkel. Genom att kombinera Coulombs teori med Christian Otto Mohrs 2D- spänningstillstånd , blev teorin känd som Mohr-Coulomb-teorin . Även om det nu är erkänt att exakt bestämning av kohesion är omöjligt eftersom $c$ inte är en grundläggande markegenskap, används Mohr-Coulomb-teorin fortfarande i praktiken idag.

På 1800-talet utvecklade Henry Darcy vad som nu är känt som Darcys lag , som beskriver flödet av vätskor i ett poröst medium . Joseph Boussinesq (en matematiker och fysiker) utvecklade teorier om spänningsfördelning i elastiska fasta ämnen som visade sig vara användbara för att uppskatta spänningar på djupet i marken. William Rankine , ingenjör och fysiker, utvecklade ett alternativ till Coulombs jordtrycksteori. Albert Atterberg utvecklade de lerkonsistensindex som än idag används för jordklassificering. År 1885 Osborne Reynolds att klippning orsakar volymetrisk utvidgning av täta material och sammandragning av lösa granulära material .

Modern geoteknik sägs ha börjat 1925 med publiceringen av Erdbaumechanik av Karl Terzaghi (en maskiningenjör och geolog). Ansett av många vara fadern till modern jordmekanik och geoteknisk ingenjörskonst, utvecklade Terzaghi principen om effektiv stress och visade att jordens skjuvhållfasthet styrs av effektiv stress. Terzaghi utvecklade också ramverket för teorier om bärförmåga hos fundament, och teorin för förutsägelse av sättningshastigheten för lerlager på grund av konsolidering . Efteråt Maurice Biot den tredimensionella jordkonsolideringsteorin till fullo, och utökade den endimensionella modellen som tidigare utvecklats av Terzaghi till mer allmänna hypoteser och introducerade uppsättningen av grundläggande ekvationer för Poroelasticitet . År 1960 Alec Skempton en omfattande genomgång av tillgängliga formuleringar och experimentella data i litteraturen om den effektiva spänningsvaliditeten i jord, betong och berg för att förkasta några av dessa uttryck, samt klargöra vilket uttryck som var lämpligt enligt till flera arbetshypoteser, såsom stress-töjnings- eller hållfasthetsbeteende, mättade eller icke-mättade medier och berg/betong eller jordbeteende. I sin bok från 1948 insåg Donald Taylor att sammanlåsning och utvidgning av tätt packade partiklar bidrog till markens toppstyrka. Sambandet mellan volymförändringsbeteendet (utvidgning, sammandragning och konsolidering) och skjuvningsbeteende var alla kopplade via teorin om plasticitet med användning av kritiska tillståndsjordmekanik av Roscoe, Schofield och Wroth med publiceringen av "On the Yielding of Soils" i 1958. Kritisk markmekanik är grunden för många samtida avancerade konstitutiva modeller som beskriver markens beteende.

Geoteknisk centrifugmodellering är en metod för att testa fysiska skalmodeller av geotekniska problem. Användningen av en centrifug förstärker likheten mellan testerna i skalmodeller som involverar jord eftersom styrkan och styvheten hos jorden är mycket känslig för det begränsande trycket . Centrifugalaccelerationen gör att en forskare kan få stora (prototypskaliga) spänningar i små fysiska modeller .

Jordmekanik

Ett fasdiagram över jord som anger vikter och volymer av luft, jord, vatten och tomrum.

Huvudartiklar: Jordmekanik och Bergmekanik

Inom geoteknik betraktas jordar som ett trefasmaterial som består av sten- eller mineralpartiklar , vatten och luft. Tomrummen i jorden, utrymmena mellan mineralpartiklar, innehåller vatten och luft.

Jordens tekniska egenskaper påverkas av fyra huvudfaktorer: den dominerande storleken på mineralpartiklarna, typen av mineralpartiklar, kornstorleksfördelningen och de relativa mängderna mineraler, vatten och luft som finns i jordmatrisen. Fina partiklar (fina partiklar) definieras som partiklar mindre än 0,075 mm i diameter.

Markegenskaper

Huvudartikel: Jordmekanik

Några av de viktiga egenskaperna hos jordar som används av geotekniska ingenjörer för att analysera platsförhållanden och designa markarbeten, kvarhållande strukturer och fundament är:

Specifik vikt eller enhetsvikt

Den ackumulerade vikten av de fasta partiklarna, vattnet och luften av enhetsvolymen av jord. Observera att luftfasen ofta antas vara viktlös.

Porositet

Förhållandet mellan volymen av hålrum (innehållande luft, vatten eller andra vätskor) i jorden och den totala volymen av jorden. Porositeten är matematiskt relaterad till tomrumsförhållandet som visas nedan

$n={\frac {e}{1+e}}$

här är e tomrumsförhållandet och n är porositet

Voidförhållande

Förhållandet mellan volymen av tomrum och volymen av fasta partiklar i en jordmassa. Void ratio är matematiskt relaterad till porositeten genom

$e={\frac {n}{1-n}}$

Permeabilitet

Ett mått på vattnets förmåga att rinna genom jorden. Det uttrycks i enheter av darcies (d). Permeabilitet på 1 d tillåter flöde av 1 cm ³ per sekund av vätska med 1 cP (centipoise) viskositet genom en tvärsnittsarea på 1 cm ² när en tryckgradient på 1 atm/cm appliceras.

Kompressibilitet

Hastigheten för förändring av volymen med effektiv stress. Om porerna är fyllda med vatten, måste vattnet pressas ut ur porerna för att möjliggöra volymetrisk komprimering av jorden; denna process kallas konsolidering.

Skjuvhållfasthet

Den maximala skjuvspänning som kan appliceras i en jordmassa utan att orsaka skjuvbrott.

Atterberg Limits

Vätskegräns , Plastgräns och Krympgräns . Dessa index används för uppskattning av andra tekniska egenskaper och för jordklassificering .

Geoteknisk undersökning

Huvudartikel: Geoteknisk undersökning

En geoteknisk ingenjörs uppgifter omfattar undersökning av underjordiska förhållanden och material; bestämning av de relevanta fysikaliska, mekaniska och kemiska egenskaperna hos dessa material; utformningen av markarbeten och kvarhållande strukturer (inklusive dammar , vallar , sanitära deponier, insättningar av farligt avfall ), tunnlar och strukturgrunder ; övervakning av platsförhållanden, markarbeten och grundkonstruktion; utvärdering av stabiliteten hos naturliga sluttningar och konstgjorda jordavlagringar; bedömning av de risker som förhållandena på plats innebär; och förutsägelsen, förebyggandet och begränsningen av skador orsakade av naturliga faror (såsom laviner , lerflöden , jordskred , stenskred , sinkholes och vulkanutbrott ).

Geotekniska ingenjörer och ingenjörsgeologer utför geotekniska undersökningar för att få information om de fysiska egenskaperna hos jord och berg som ligger under (och ibland i anslutning till) en plats för att designa markarbeten och fundament för föreslagna strukturer, och för reparation av nöd till markarbeten och strukturer orsakade av underjordiska betingelser. En geoteknisk undersökning kommer att omfatta ytprospektering och underjordisk prospektering av en plats. Ibland används geofysiska metoder för att få data om platser. Utforskning under ytan involverar vanligtvis in-situ-testning (två vanliga exempel på in-situ-tester är standardpenetrationstestet och konpenetrationstestet ) . Dessutom kommer platsundersökningar ofta att omfatta provtagning under ytan och laboratorietester av de markprover som tas ut. Grävning av provgropar och grävning (särskilt för att lokalisera förkastningar och glidplan ) kan också användas för att lära sig om markförhållandena på djupet. Borrningar med stor diameter används sällan på grund av säkerhetsproblem och kostnader, men används ibland för att tillåta en geolog eller ingenjör att sänkas ner i borrhålet för direkt visuell och manuell undersökning av jord- och bergstratigrafin .

En mängd olika jordprovtagare finns för att möta behoven hos olika ingenjörsprojekt. Standardpenetrationstestet (SPT), som använder en tjockväggig delad skedprovtagare, är det vanligaste sättet att samla in störda prover . Kolvprovtagare, som använder ett tunnväggigt rör, används oftast för insamling av mindre störda prover. Mer avancerade metoder, som Sherbrooke block sampler, är överlägsna, men ännu dyrare. Kärnning av frusen mark ger högkvalitativa ostörda prover från alla markförhållanden, såsom fyllnings-, sand-, morän- och bergsprickzoner.

Atterbergs gränstester, vattenhaltsmätningar och kornstorleksanalyser kan till exempel utföras på störda prover från tjockväggiga jordprovtagare . Egenskaper som skjuvhållfasthet, styvhet, hydraulisk konduktivitet och konsolideringskoefficient kan förändras avsevärt av provstörningar. För att mäta dessa egenskaper i laboratoriet krävs provtagning av hög kvalitet. Vanliga tester för att mäta styrka och styvhet inkluderar triaxiell skjuvning och obegränsad kompressionstest. Dessa kan alla göras genom ett tredjepartstestföretag som Intertek .

Ytutforskning kan inkludera geologisk kartläggning , geofysiska metoder och fotogrammetri ; eller så kan det vara så enkelt som att en ingenjör går runt för att observera de fysiska förhållandena på platsen. Geologisk kartläggning och tolkning av geomorfologi genomförs vanligtvis i samråd med en geolog eller ingenjörsgeolog .

Geofysisk utforskning används också ibland. Geofysiska tekniker som används för underjordiska utforskningar inkluderar mätning av seismiska vågor (tryck, skjuvning och Rayleigh-vågor ), ytvågsmetoder och/eller metoder i hålet och elektromagnetiska undersökningar (magnetometer, resistivitet och markpenetrerande radar ).

Infrastruktur

1. Medium / Heavy-duty slagborrvinschar .
2. Kraftig roterande diamantkärnborrmaskin.
3. Lätta geomaskin.
4. Manuella vinschar med stativ.
5. Dynamisk konpenetrationstestmaskin.
6. Statisk konpenetreringsmaskin.
7. Tryckmätare testmaskin.
8. Fältskovelskärningstestmaskin.
9. Fält CBR (California Bearing Ratio) testmaskin.
10. Block vibrationstestmaskin.
11. Snabb fuktmätare.
12. In situ densitet kärnskärmaskin.
13. Standard penetrationstestmaskin.
14. Fältpermeabilitet enkel- och dubbelpackningsmaskin.

Ansökan

1. DESIGN AV BROAR: Fundamenttyp och djuprekommendation.
2. UTFORMNING AV TUNNEL: RMR- och Q-värdesberäkning.
3. STRUKTURELL DESIGN AV BYGGNADER: Tar fram den säkra lagerbelastningen.
4. DESIGN AV FÅRHÅLLANDE STRUKTURER: Rekommendation av markförbättringsteknik.

Strukturer

Grunder

Huvudartikel: Foundation (teknik)

Grunden till en byggnads eller transportinfrastruktur överför laster från strukturerna till jorden. Geotekniska ingenjörer konstruerar fundament baserat på belastningsegenskaperna hos strukturen och egenskaperna hos marken och/eller berggrunden på platsen. Generellt sett, geotekniska ingenjörer:

1. Uppskatta storleken och placeringen av de laster som ska stödjas.
2. Utveckla en undersökningsplan för att utforska underytan .
3. Bestäm de nödvändiga jordparametrarna genom fält- och laboratorietester (t.ex. konsolideringstest , triaxiellt skjuvtest , skovelskjuvningstest, standardpenetrationstest) .
4. Designa grunden på det säkraste och mest ekonomiska sättet.

De primära övervägandena för fundamentstöd är bärighet , sättning och markrörelse under fundamenten. Bärförmåga är platsens jordars förmåga att stödja de belastningar som byggnader eller strukturer utsätter. Bosättning sker under alla fundament i alla markförhållanden, även om lätt belastade strukturer eller stenplatser kan uppleva försumbara sättningar. För tyngre strukturer och/eller mjukare jordar kan både övergripande bebyggelse i förhållande till obebyggda områden eller angränsande byggnader och differentiell sättning under en enskild struktur vara av bekymmer. Särskilt oroande är en avveckling som sker över tid, eftersom omedelbar avveckling vanligtvis kan kompenseras under byggtiden. Markrörelser under en strukturs fundament kan uppstå på grund av låg bärighetsjord (mjuk lera, silt , organisk, lös sand), volymetrisk förändring av expansiva jordar på grund av fukt eller frys-tinningscykler eller smältning av permafrost , eller på grund av olämpligt fyllnadsmaterial med låg hållfasthet, mycket komprimerbar och hög vattenhalt. Alla dessa faktorer måste beaktas vid utformningen av fundament.

I områden med grund berggrund kan de flesta fundament bära direkt på berggrunden; i andra områden kan jorden ge tillräcklig styrka för att stödja strukturer. I områden med djupare berggrund med mjuk överliggande jord, används djupa fundament för att stödja strukturer direkt på berggrunden; i områden där berggrunden inte är ekonomiskt tillgänglig används istället styva "bärande lager" för att stödja djupa fundament.

Grund

Huvudartikel: Shallow foundation

Exempel på en platta på grund.

Grunda fundament är en typ av grund som överför byggnadsbelastningen till mycket nära ytan, snarare än till ett underjordiskt lager. Grunda fundament har vanligtvis ett förhållande mellan djup och bredd på mindre än 1.

Footings

Footings (ofta kallade "spridda footings" eftersom de sprider belastningen) är strukturella element som överför strukturbelastningar till marken genom direkt ytkontakt. Fotunderlag kan vara isolerade underlag för punkt- eller pelarlaster eller remsfot för vägg eller annan lång (linje)last. Fotplattor är normalt konstruerade av armerad betong som gjuts direkt på marken och är vanligtvis inbäddade i marken för att penetrera genom froströrelsen och /eller för att erhålla ytterligare bärighet.

Platta

En variant på spridda underlag är att ha hela konstruktionen att bära på en enda betongplatta som ligger under hela konstruktionens yta. Plattor måste vara tillräckligt tjocka för att ge tillräcklig styvhet för att fördela lagerbelastningarna något jämnt och för att minimera differentialsättningar över fundamentet. I vissa fall tillåts böjning och byggnaden är konstruerad för att i stället tåla små rörelser av grunden. För små konstruktioner, som enfamiljshus, kan plattan vara mindre än 300 mm tjock; för större konstruktioner kan grundplattan vara flera meter tjock.

Plattfundament kan vara antingen platt-på-grade fundament eller inbäddade fundament, vanligtvis i byggnader med källare . Platta-on-grade fundament måste utformas för att möjliggöra potentiell markrörelse på grund av förändrade markförhållanden.

Djup

Pålning för en bro i Napa, Kalifornien .

Huvudartikel: Deep foundations

Djupa fundament används för strukturer eller tunga belastningar när grunda fundament inte kan ge tillräcklig kapacitet, på grund av storlek och strukturella begränsningar. De kan också användas för att överföra byggnadsbelastningar förbi svaga eller komprimerbara jordlager. Medan grunda fundament enbart förlitar sig på bärigheten hos jorden under dem, kan djupa fundament förlita sig på ändlagermotstånd, friktionsmotstånd längs deras längd eller båda för att utveckla den erforderliga kapaciteten. Geotekniska ingenjörer använder specialiserade verktyg, såsom konpenetrationstestet, för att uppskatta mängden hud- och ändlagermotstånd som finns tillgängligt i underytan.

Det finns många typer av djupa fundament inklusive pålar , borrade schakt, kassuner , pirer och jordstabiliserade pelare. Stora byggnader som skyskrapor kräver vanligtvis djupa fundament. Till exempel Jin Mao-tornet i Kina rörformade stålpålar som är cirka 1 m (3,3 fot) drivna till ett djup av 83,5 m (274 fot) för att bära upp sin vikt .

I byggnader som är uppförda och befinns genomgå sättning kan underliggande pålar användas för att stabilisera den befintliga byggnaden.

Det finns tre sätt att placera pålar för en djup grund. De kan drivas, borras eller installeras med hjälp av en skruv. Drivna pålar förlängs till sina nödvändiga djup med applicering av extern energi på samma sätt som en spik hamras. Det finns fyra typiska hammare som används för att driva sådana pålar: fallhammare, dieselhammare, hydrauliska hammare och lufthammare. Släpphammare tappar helt enkelt en tung vikt på pålen för att driva den, medan dieselhammare använder en encylindrig dieselmotor för att tvinga pålar genom jorden. På liknande sätt levererar hydrauliska hammare och lufthammare energi till pålar genom hydrauliska krafter och luftkrafter. Energin som tillförs från en hammare varierar med vilken typ av hammare som väljs och kan vara så hög som en miljon fot pounds för storskaliga dieselhammare, en mycket vanlig hammare som används i praktiken. Pålar är gjorda av en mängd olika material inklusive stål, timmer och betong. Borrade pålar skapas genom att först borra ett hål till lämpligt djup och fylla det med betong. Borrade pålar kan vanligtvis bära mer belastning än neddrivna pålar, helt enkelt på grund av en påle med större diameter. Skruvens metod för pålinstallation liknar borrad pålinstallation, men betong pumpas in i hålet när skruven tas bort.

Jordstödskonstruktioner i sidled

Huvudartikel: Stödmur

En stödmur är en struktur som håller tillbaka jorden. Stödmurar stabiliserar jord och sten från rörelse i nedförsbackar eller erosion och ger stöd för vertikala eller nästan vertikala gradförändringar. Kofferdammar och skott , strukturer för att hålla tillbaka vatten, anses ibland också vara stödmurar.

Det primära geotekniska problemet vid design och installation av stödmurar är att vikten av det kvarhållna materialet skapar ett lateralt jordtryck bakom väggen, vilket kan göra att väggen deformeras eller går sönder. Det laterala jordtrycket beror på väggens höjd, jordens densitet, jordens styrka och mängden tillåten rörelse av väggen. Detta tryck är minst upptill och ökar mot botten på ett sätt som liknar hydrauliskt tryck, och tenderar att trycka bort väggen från återfyllningen. Grundvatten bakom väggen som inte avleds av ett dräneringssystem orsakar ett ytterligare horisontellt hydrauliskt tryck på väggen.

Tyngdkraftsväggar

Tyngdkraftsväggar beror på väggmassans storlek och vikt för att motstå tryck bakifrån. Tyngdkraftsväggar har ofta ett litet bakslag, eller smet, för att förbättra väggstabiliteten. För korta, anlagda väggar används ofta gravitationsväggar gjorda av geoceller , torrstaplade (mortelfria) sten eller segmentella betongenheter (murverk).

Tidigare på 1900-talet var högre stödmurar ofta gravitationsmurar gjorda av stora massor av betong eller sten. Idag byggs högre stödmurar alltmer som sammansatta gravitationsväggar som geocellstödmurar, stålförstärkt återfyllningsjord med prefabricerad fasad; gabioner (staplade ståltrådskorgar fyllda med stenar), spjälsängväggar (celler byggda upp timmerstugor av prefabricerad betong eller timmer och fyllda med jord eller fritt dränerande grus) eller jordspikade väggar (jord armerad på plats med stål- och betongstänger ).

För gravitationsväggar med armerad jord placeras jordarmeringen i horisontella skikt över hela väggens höjd. Vanligtvis är jordförstärkningen geonät , ett höghållfast polymernät, som ger draghållfasthet för att hålla ihop jorden. Väggytan är ofta av en geocell eller prefabricerade, segmenterade betongenheter som kan tolerera vissa olika rörelser. Den förstärkta jordens massa blir tillsammans med beklädnaden gravitationsväggen. Den förstärkta massan måste byggas tillräckligt stor för att hålla kvar trycken från marken bakom den. Tyngdkraftsväggar måste vanligtvis vara minst 30 till 40 procent lika djupa (tjocka) som väggens höjd och kan behöva vara större om det finns en lutning eller påslag på väggen.

Fribärande väggar

Före introduktionen av moderna gravitationsmurar av armerad jord var fribärande väggar den vanligaste typen av högre stödmur. Cantilever ed väggar är gjorda av en relativt tunn stam av stålarmerad, platsgjuten betong eller murbruk (ofta i form av ett omvänt T). Dessa väggar fribärande laster (som en balk) till en stor strukturell fot; omvandling av horisontella tryck från bakom väggen till vertikala tryck på marken under. Ibland är fribärande väggar stöttade på framsidan, eller inkluderar ett motfäste på baksidan, för att förbättra deras stabilitet mot höga belastningar. Strävpelare är korta vingväggar i rät vinkel mot väggens huvudtrend. Dessa väggar kräver styva betongfot under säsongens frostdjup. Denna typ av vägg använder mycket mindre material än en traditionell gravitationsvägg.

Fribärande väggar motstår sidotryck genom friktion vid basen av väggen och/eller passivt jordtryck , jordens tendens att motstå sidorörelser.

Källare är en form av fribärande väggar, men krafterna på källarväggarna är större än på konventionella väggar eftersom källarväggen inte är fri att röra sig.

Utgrävning stöttning

Stytning av tillfälliga utgrävningar kräver ofta en väggutformning som inte sträcker sig i sidled utanför väggen, så stöttning sträcker sig under den planerade basen för schaktningen. Vanliga metoder för stöttning är användning av spont eller soldatbalkar och eftersläpning . Spont är en form av driven pålning med tunna sammanlåsande stålplåtar för att erhålla en kontinuerlig barriär i marken och slås innan schaktning. Soldatbalkar är konstruerade av breda flänsstål H-sektioner med cirka 2–3 m mellanrum, drivna före schaktning. Allt eftersom grävningen fortskrider sätts horisontell timmer eller stålplåt (släpning) in bakom H-pålens flänsar .

Användningen av underjordisk yta kräver schaktning, vilket kan orsaka stor och farlig förskjutning av jordmassa runt schaktningen. Eftersom utrymmet för släntgrävning är begränsat i tätorter sker kapning vertikalt. Stödmurar är gjorda för att förhindra osäkra jordförskjutningar runt utgrävningar. Membranväggar är en typ av stödmurar som är mycket styva och generellt vattentäta. De horisontella rörelserna av membranväggar förhindras vanligtvis av sidostöd. Membranväggar är dyra väggar, men de sparar tid och utrymme och är också säkra, så de används ofta i urbana djupa utgrävningar.

I vissa fall är det sidostöd som enbart kan tillhandahållas av stödväggen otillräckligt för att motstå de planerade sidobelastningarna ; i det här fallet tillhandahålls ytterligare stöd av valsar eller tie-backs. Walers är konstruktionselement som ansluter tvärs över utgrävningen så att lasterna från jorden på vardera sidan av utgrävningen används för att motstå varandra, eller som överför horisontella laster från stödväggen till utgrävningens bas. Tie-backs är stålsenor som borras in i väggens yta som sträcker sig bortom jorden som utövar tryck på väggen för att ge väggen ytterligare sidomotstånd.

Markarbeten

En komprimator / vält som drivs av US Navy Seabees

Se även: Markarbeten (teknik)

• Utgrävning är en process där man tränar upp jorden efter behov genom att avlägsna jord från platsen, antingen för att jämna ut marken eller för att ersätta sämre underlag med en jord med högre bärighet.
• Fyllning är processen att träna jord enligt kraven genom att placera jorden på platsen och utjämna eller att lägga till naturliga eller bearbetade geomaterial (t.ex. krossad stenaggregat) för att öka markstyrkan och strukturstödskikten.
• Komprimering är den process genom vilken jordens densitet ökas och jordens permeabilitet minskar. Fyllningsarbeten har ofta specifikationer som kräver en specifik packningsgrad, alternativt specifika egenskaper hos den packade jorden. Jordar på plats kan komprimeras genom valsning, djupdynamisk komprimering , vibration, sprängning, rotation , knådning, komprimeringsinjektering etc.

Markförbättring

Markförbättring eller modifiering definieras som förändring av markgrunden eller projektjordstrukturer för att ge bättre prestanda under konstruktions- och/eller driftsbelastningsförhållanden. Vanligtvis är de modifierade egenskaperna skjuvhållfasthet, styvhet och permeabilitet. Markförbättring har utvecklat sofistikerade metoder för att stödja grunden för en mängd olika byggnader och transportinfrastruktur , eftersom urbanisering och infrastruktur sprider sig till områden med utmanande geotekniska förhållanden. Jordförstärkning är en av de mest populära markförbättringsteknikerna som används för att förbättra jordens styvhet och styrka. Detta kan uppnås genom olika material och tekniker, t.ex. förstärkningsgeosyntetik som geoceller och geonät, som sprider belastningar över ett större område och därmed ökar markens bärförmåga. Korrekt tillämpad, dvs. efter att ha tagit vederbörlig hänsyn till markens beskaffenhet och typen och belastningen av de konstruktioner som byggs, reducerar hydrauliska, mekaniska, kemiska och/eller biologiska markförbättringsmetoder direkta och långsiktiga kostnader.

Lutningsstabilisering

Enkel släntsektion.

Huvudartikel: Lutningsstabilitet

Lutningsstabilitet är potentialen hos jordtäckta sluttningar att motstå och genomgå rörelser . Stabiliteten bestäms av balansen mellan skjuvspänning och skjuvhållfasthet . En tidigare stabil lutning kan initialt påverkas av förberedande faktorer, vilket gör lutningen betingat instabil. Utlösande faktorer för ett sluttningsfel kan vara klimathändelser som sedan kan göra en sluttning aktivt instabil, vilket leder till massrörelser. Massrörelser kan orsakas av ökad skjuvspänning, såsom belastning, sidotryck och transienta krafter. Alternativt kan skjuvhållfastheten minskas av väderpåverkan, förändringar i porvattentrycket och organiskt material.

Flera sätt att misslyckas för jordsluttningar inkluderar fall, välter, rutschbanor och flöden. I sluttningar med grovkornig jord eller stenar inträffar fall normalt som snabb nedstigning av stenar och annat löst sluttningsmaterial. En sluttning välter när en stor jordpelare lutar över sin vertikala axel vid fel. Typisk lutningsstabilitetsanalys tar hänsyn till glidfel, kategoriserade huvudsakligen som rotationsslider eller translationella slider. Som antyds av namnet misslyckas rotationsslider längs en generellt krökt yta, medan translationsslider misslyckas längs en mer plan yta. En sluttning som misslyckas som flöde skulle likna en vätska som strömmar nedför.

Lutningsstabilitetsanalys

Huvudartikel: Lutningsstabilitetsanalys

Stabilitetsanalys behövs för design av tekniska sluttningar och för att uppskatta risken för sluttningsbrott i naturliga eller designade sluttningar. Ett vanligt antagande är att en sluttning består av ett jordlager som sitter ovanpå en stel bas. Massan och basen antas samverka via friktion. Gränssnittet mellan massan och basen kan vara plan, krökt eller ha någon annan komplex geometri . Målet med en lutningsstabilitetsanalys är att bestämma de förhållanden under vilka massan kommer att glida i förhållande till basen och leda till lutningsbrott.

Om gränssnittet mellan massan och basen av en sluttning har en komplex geometri, är lutningsstabilitetsanalys svår och numeriska lösningsmetoder krävs. Typiskt är den exakta geometrin för gränssnittet inte känd och en förenklad gränssnittsgeometri antas. Finita sluttningar kräver att tredimensionella modeller analyseras. För att hålla problemet enkelt analyseras de flesta backar med antagandet att backarna är oändligt breda och därför kan representeras av tvådimensionella modeller. En sluttning kan vara dränerad eller odränerad. Det odränerade tillståndet används i beräkningarna för att ta fram konservativa uppskattningar av risk.

Ett populärt tillvägagångssätt för stabilitetsanalys bygger på principer som hänför sig till gränsjämviktskonceptet. Denna metod analyserar en ändlig eller oändlig lutning som om den skulle misslyckas längs sin glidande brottyta. Jämviktsspänningar beräknas längs brottplanet och jämförs med markens skjuvhållfasthet som bestäms av Terzaghis skjuvhållfasthetsekvation . Stabiliteten avgörs slutligen av en säkerhetsfaktor som är lika med förhållandet mellan skjuvhållfasthet och jämviktsspänningarna längs brottytan. En säkerhetsfaktor som är större än en innebär i allmänhet en stabil lutning, vars fel inte bör inträffa under förutsättning att lutningen är ostörd. En säkerhetsfaktor på 1,5 för statiska förhållanden används vanligtvis i praktiken.

Geosyntetik

Huvudartikel: Geosynthetics

Ett kollage av geosyntetiska produkter.

Geosyntetik är en typ av plastpolymerprodukter som används inom geoteknik som förbättrar ingenjörsprestanda samtidigt som kostnaderna minskar. Detta inkluderar geotextiler , geonät , geomembran , geoceller och geokompositer . Produkternas syntetiska natur gör dem lämpliga för användning i marken där höga nivåer av hållbarhet krävs; deras huvudsakliga funktioner inkluderar dränering , filtrering , förstärkning, separation och inneslutning. Geosyntetik finns i ett brett utbud av former och material, var och en för att passa en lite olika slutanvändning, även om de ofta används tillsammans. Vissa förstärkningsgeosyntetiska material, såsom geonät och på senare tid, cellulära inneslutningssystem , har visat sig förbättra bärighet, modulfaktorer och markens styvhet och styrka. Dessa produkter har ett brett spektrum av applikationer och används för närvarande i många anläggnings- och geotekniska applikationer inklusive vägar, flygfält, järnvägar, vallar, staplade vallar , kvarhållande strukturer, reservoarer , kanaler, dammar, deponier , bankskydd och kustteknik.

Offshore

Huvudartikel: Offshore geoteknik

Plattformar utanför Mexiko.

Offshore (eller marin ) geoteknisk ingenjörskonst handlar om fundamentdesign för mänskligt skapade strukturer i havet , bort från kustlinjen (i motsats till onshore eller nearshore ). Oljeplattformar , konstgjorda öar och undervattensrörledningar är exempel på sådana strukturer. Det finns ett antal betydande skillnader mellan geoteknik på land och till havs. Noterbart är att markförbättringar (på havsbotten) och platsundersökningar är dyrare, offshorestrukturerna är utsatta för ett bredare spektrum av georisker , och de miljömässiga och ekonomiska konsekvenserna är högre vid fel. Offshorekonstruktioner utsätts för olika miljöbelastningar, särskilt vind , vågor och strömmar . Dessa fenomen kan påverka integriteten eller användbarheten av strukturen och dess fundament under dess operativa livslängd – de måste beaktas vid offshoredesign.

Inom undervattens geoteknik betraktas havsbottenmaterial som ett tvåfasmaterial som består av 1) sten- eller mineralpartiklar och 2) vatten. Strukturer kan fixeras på plats i havsbottnen – som är fallet för pirer , bryggor och vindkraftverk med fast botten – eller kanske en flytande struktur som förblir ungefär fixerad i förhållande till sin geotekniska ankarpunkt. Undervattensförtöjning av människokonstruerade flytande strukturer inkluderar ett stort antal olje- och gasplattformar till havs och sedan 2008 ett fåtal flytande vindkraftverk . Två vanliga typer av konstruerad design för förankring av flytande strukturer inkluderar spännbens- och kontaktledningssystem för lösa förtöjningssystem . "Spännbensförtöjningssystem har vertikala tjuder under spänning och ger stora återställningsmoment i stigning och rullning. Kontaktledningsförtöjningssystem ger stationshållning för en offshore-struktur, men ger ändå liten styvhet vid låga spänningar."

Observationsmetod

Inom geoteknisk ingenjörskonst, under konstruktionen av jordkonstruktioner (t.ex. dammar och tunnlar), är observationsmetoden en kontinuerlig, hanterad och integrerad process för design, konstruktionskontroll, övervakning och granskning som möjliggör att lämpliga, tidigare definierade modifieringar kan införlivas under ( eller efter) konstruktion. Alla dessa aspekter måste vara bevisligen robusta. Målet är att uppnå större totalekonomi, utan att kompromissa med säkerheten .

Observationsmetoden föreslogs av Karl Terzaghi och diskuterades i en artikel av Ralph B. Peck (1969). Detta var i ett försök att minska kostnaderna under konstruktionen genom att designa jordstrukturer baserat på de mest ogynnsamma antagandena (med andra ord geologiska förhållanden, marktekniska egenskaper och så vidare). Istället designen baserad på de mest sannolika förhållandena snarare än de mest ogynnsamma. Luckor i tillgänglig information fylls av observationer: geotekniska instrumentmätningar (till exempel inklinometrar och piezometrar ) och geoteknisk platsundersökning (till exempel borrhålsborrning och en CPT ). Dessa observationer hjälper till att bedöma strukturens beteende under konstruktionen , som sedan kan modifieras i enlighet med resultaten. Metoden kan beskrivas som "learn-as-you-go".

Observationsmetoden kan beskrivas på följande sätt:

• avlagringarnas allmänna karaktär, mönster och egenskaper ( inte nödvändigtvis i detalj).
• Bedömning av de mest sannolika förhållanden, och de mest ogynnsamma tänkbara avvikelser från dessa förhållanden. Geologi spelar en stor roll.
• Skapa designen, baserad på en arbetshypotes om beteende som förväntas under de mest sannolika förhållandena.
• Val av kvantiteter som ska observeras allt eftersom konstruktionen fortskrider, och beräkning av deras förväntade värden baserat på arbetshypotesen.
• Beräkning av värden för samma kvantiteter under de mest ogynnsamma förhållanden som är förenliga med tillgängliga data om förhållanden under ytan.
• Val (i förväg) av ett handlingssätt eller designmodifiering för varje förutsebar signifikant avvikelse av observationsfynd från de som förutspåtts baserat på arbetshypotesen .
• Mätning av mängder som ska observeras och utvärdering av faktiska förhållanden.
• Konstruktionsändring i enlighet med aktuella förhållanden

Observationsmetoden lämpar sig för byggnation som redan har påbörjats när en oväntad utveckling inträffar, eller när ett haveri eller olycka hotar eller redan har inträffat. Metoden lämpar sig inte för projekt vars utformning inte kan ändras under byggtiden.

Den allvarligaste misstaget vid tillämpningen av observationsmetoden är att misslyckas med att (i förväg) välja ett lämpligt tillvägagångssätt för alla förutsebara avvikelser (avslöjade genom observation) från de antagna i designen. Ingenjören måste ta fram lösningar på alla problem som kan uppstå under de minst gynnsamma förhållandena. Om han eller hon inte kan lösa dessa hypotetiska problem (även om sannolikheten för att de inträffar är mycket låg) måste han eller hon återgå till en design som bygger på de minst gynnsamma förhållandena.

Se även

 Ingenjörsportal

• Civilingenjör
• Deep Foundations Institute
• Jordbävningsteknik
• Jordens struktur
• Effektiv stress
• Ingenjörsgeologi
• Geologisk teknik
• Geoyrken
• Geoteknik
• Hydrogeologi
• International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering
• Karl von Terzaghi
• Landåtervinning
• Deponi
• Lista över publikationer inom geoteknik
• Mekaniskt stabiliserad jord
• Offshore geoteknik
• Bergmassaklassificeringar
• Sedimentkontroll
• Seismologi
• Jordmekanik
• Markens fysik
• Markvetenskap

Anteckningar

• Bates och Jackson, 1980, Ordlista för geologi: American Geological Institute.
• Krynine och Judd, 1957, Principles of Engineering Geology and Geotechnics: McGraw-Hill, New York.

•   Holtz, R. och Kovacs, W. (1981), An Introduction to Geotechnical Engineering , Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-484394-0
•   Bowles, J. (1988), Foundation Analysis and Design , McGraw-Hill Publishing Company. ISBN 0-07-006776-7
•   Cedergren, Harry R. (1977), Seepage, Drainage, and Flow Nets , Wiley. ISBN 0-471-14179-8
•   Kramer, Steven L. (1996), Geotechnical Earthquake Engineering , Prentice-Hall, Inc. ISBN 0-13-374943-6
•   Freeze, RA & Cherry, JA, (1979), Groundwater , Prentice-Hall. ISBN 0-13-365312-9
• Lunne, T. & Long, M.,(2006), Genomgång av långa havsbottenprovtagare och kriterier för ny design av provtagare , Marine Geology, Vol 226, sid. 145–165
•   Mitchell, James K. & Soga, K. (2005), Fundamentals of Soil Behavior 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-46302-3
•   Rajapakse, Ruwan., (2005), "Pile Design and Construction", 2005. ISBN 0-9728657-1-3

•   Fang, H.-Y. och Daniels, J. (2005) Introductory Geotechnical Engineering: an environment perspective , Taylor & Francis. ISBN 0-415-30402-4
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1986) Design Manual 7.01, Soil Mechanics , US Government Printing Office
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1986) Design Manual 7.02, Foundations and Earth Structures , US Government Printing Office
• NAVFAC (Naval Facilities Engineering Command) (1983) Design Manual 7.03, Soil Dynamics, Deep Stabilization and Special Geotechnical Construction, US Government Printing Office
•   Terzaghi, K., Peck, RB och Mesri, G. (1996), Soil Mechanics in Engineering Practice 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-08658-4
•   Santamarina, JC, Klein, KA och Fam, MA (2001), "Soils and Waves: Particulate Materials Behavior, Characterization and Process Monitoring", Wiley, ISBN 978-0-471-49058-6
• Firuziaan, M. och Estorff, O., (2002), "Simulering av det dynamiska beteendet hos strö-grund-jord i tidsdomänen", Springer Verlag.

externa länkar

• Världsomspännande geoteknisk litteraturdatabas