Som ingenjörsstudent eller ingenjör, har du någonsin undrat hur broar, stödmurar och bryggor kan stå emot de enorma horisontella krafterna från vind, vatten eller marktryck? Svaret ligger i det smarta sättet som smethögar görs på.
När dessa speciella grundstycken drivs i vinkel mot vertikalen, ger de strukturerna de stödjer det motstånd och stabilitet de behöver för att vara säkra och hålla länge.
Oavsett om du är intresserad av anläggnings-, byggnads- eller geoteknik, är det viktigt för din karriär att veta hur smethögar fungerar och vad de kan användas till.
I den här artikeln kommer jag att lära mig mer om smethögar, inklusive deras syfte, deras fördelar och de viktigaste sakerna att tänka på när du designar en.
Gör dig redo att lära dig om en intressant del av teknik som har förändrat mitt sätt att leva i hundratals år.
Introduktion till Batter Pile
Formell definition:
En påle som drivs i en lutning mot vertikalen för att ge motstånd mot horisontella krafter.
En smethög är en typ av hög som sätts upp i en vinkel mot vertikalen så att den kan stå emot krafter från sidan.
Inom tekniken används denna typ av påle ofta för att hålla upp offshore-strukturer, torn och broar.
Den kan också användas för att flytta laster i vinkel och krafter i en rak linje.
I den här artikeln kommer vi att prata om vad en smethög är och hur den används inom teknik.
Grundläggande begrepp för smethög
Smetvinkel:
Smetvinkeln är vinkeln mellan högens vertikala axel och axeln.
Smetvinkeln kan vara olika för varje struktur, beroende på typ av byggnad, markförhållanden och andra designfaktorer.
Den maximala utdragningskapaciteten för en smethög går upp när smetvinkeln går upp, upp till ett maximalt värde som uppnås när smetvinkeln är ca 20°.
Den maximala utdragningskapaciteten sjunker efter denna vinkel.
Böjningsmoment:
Smethögar kan böjas på grund av sin egen vikt eller på grund av krafter från utsidan av högen.
Hur stort böjmomentet är beror på högens längd, bredd och vinkel på smeten.
När man designar en smetpåle bör man ta hänsyn till böjmomentet för att säkerställa att pålen klarar de förväntade belastningarna.
Den chockerande sanningen om tiltade fundament: Hur smethögar kan rädda dina strukturer
Fortfarande svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:
Är du trött på att se byggnaderna och broarna du arbetat hårt för att bygga falla ner vid minsta horisontella kraft? Tja, oroa dig inte! Vi har svaret på dina byggproblem: kör bara dina pålar i vinkel.
Ja, det stämmer, glöm bort att vara lång och omfamna smethögarnas underbara värld! Vem behöver en stark bas när man kan ha en som är lutad? Okej, okej, innan du börjar undra om jag är galen, låt oss titta på vetenskapen och tekniken bakom detta tillvägagångssätt som verkar strida mot sunt förnuft.
Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.
Syfte och fördelar med Batter Pile
Målet med smethögar är att överföra det vältande momentet till en kombination av vertikala och smethögar som kan hantera både tryck- och dragkrafter.
Lastfördelning och motstånd mot horisontella krafter
I den preliminära utformningen anses belastningen på smethögen vanligtvis vara i axiell riktning.
Laster kan fördelas mellan smethögar och vertikala högar i en grupp med hjälp av en graf eller genom att använda analytiska metoder.
Smethögar klarar mycket kraft från sida till sida, och de överför den kraften från sida till sida delvis i form av axiell kraft istället för att bara böja och klippa.
Horisontella krafter stoppas av smethögens passiva motstånd, som baseras på den horisontella delen av den axiella belastningen.
Utdragningskapacitet för smethögar
Hur mycket vikt en smethög kan hålla beror på hur den är formad och hur brant den är.
Fyrkantiga eller rektangulära pålar kan dras ut lättare än runda pålar.
När sandens densitet går upp, minskar förhållandet mellan grov och jämn utdragningskapacitet.
Slankhetsförhållandet (L/d) hos en lutande påle påverkar dess slutliga utdragningskapacitet.
När slankhetsförhållandet ökar, minskar den ultimata utdragningskapaciteten.
Böjmoment och sättning av omgivande jord
Smethögar som står för sig själva kan böjas på grund av sin egen vikt eller på grund av krafter utifrån.
På grund av jordens rörelse runt dem kan smethögar i lös fyllning eller avlagringar som blir tätare bli sidobelastade.
Till exempel måste ett permanent hölje sättas på plats när lera ska härdas.
Fördelar med Pile Batter
Högsmet är viktigt eftersom det kan ge extra stöd till byggnader som drabbas av saker som jordbävningar, vind och vågor.
Högsmet kan också göra det svårare att dra upp pålar ur marken i sand, och det kan bidra till att göra sluttningarna mer stabila.
Pålsmet kan också minska rörelsen av pålhatten och överbyggnaden samtidigt som den tillåter stora rotationer.
Sammantaget kan smethögar göra strukturer mer stabila och motståndskraftiga, vilket gör dem mer motståndskraftiga mot sidokrafter och ser till att de kommer att hålla länge.
Användning av smethög inom konstruktion och teknik
Inom konstruktion och teknik används smethögar ofta för att ge strukturer stöd och motstånd mot sidokrafter.
Dessa pålar drivs i en vinkel mot vertikalplanet.
Detta gör dem starka nog att motstå vältande moment orsakade av vind- eller jordbävningsbelastningar.
I det här avsnittet kommer vi att prata om de olika sätt som smethögar kan användas i konstruktion och teknik.
Stödja offshore-strukturer
Smethögar används ofta för att bygga strukturer som oljeplattformar, vindturbiner och flytande strukturer som är ute till havs.
Starka våg- och vindkrafter trycker på dessa strukturer, vilket kan orsaka stora sidobelastningar som måste stoppas.
Smethögar används för att ge dessa strukturer det erforderliga sidomotståndet och se till att de är stabila.
Stödande torn
Torn, som överföringstorn och kommunikationstorn, är också byggda med hjälp av smethögar.
För det mesta är dessa torn höga och tunna, vilket gör dem sårbara för vind- och jordbävningsbelastningar.
Smethögar används för att hålla strukturen stabil under dessa belastningar och för att se till att den är säker och håller länge.
Stödjande broar
När man bygger broar används ofta smethögar för att stödja distanser, pirer och andra delar av strukturen som är utsatta för sidobelastningar.
Att använda smethögar ser till att bron är stabil och säker, särskilt på platser där det är mycket jordbävningar eller hårda vindar.
Stödja marina strukturer
Smethögar används också för att bygga saker som bryggor, kajer och vågbrytare som finns på vattnet.
Starka vågkrafter sätts ofta på dessa strukturer, vilket kan orsaka stora sidobelastningar.
Smethögar används för att ge dessa strukturer det nödvändiga sidomotståndet och se till att de är stabila.
Motstå lateral spridning
Inom geoteknisk konstruktion kan smethögar också användas för att stoppa jord från att spridas i sidled.
På platser med svag jord eller mycket jordbävningar kan spridning i sidled göra stor skada på byggnader.
Smethögar används för att ge strukturen det nödvändiga sidomotståndet och hålla den stabil.
Jämförelse av smethögar och vertikala högar
Beteende under laterala belastningar
Jämfört med vertikala och positiva smethögar har man sett att negativa smethögar klarar sidobelastningar bäst.
Med samma belastning har en positiv smethög 19 % större sannolikhet att böjas än en vertikal hög.
Högen kan inte hålla lika mycket vikt som ett enhetligt lager av grov sand eftersom den har ett tunt lager fin sand ovanpå, vilket gör den mindre motståndskraftig.
Friktion och passivt jordtryck
För både vertikala och smetpålar påverkas det passiva jordtrycket av hur mycket pålens yta skaver mot jorden.
Den typiska smeten (horisontellt till vertikalt) av lutande pålar varierar från 1:5 till 1:3, beroende på markförhållandena och strukturens behov.
Motstånd mot laterala belastningar
Pålgrupper med både smet och vertikala pålar är mer motståndskraftiga mot sidobelastningar i smetens riktning eller mot smeten än pålgrupper med enbart vertikala pålar.
En grupp med negativa smethögar är mer motståndskraftiga än en liknande grupp med positiva smethögar.
Faktorer som påverkar den optimala vinkeln på smeten
Faktorer som påverkar Optimal Smet-högvinkel inom teknik
Den bästa smetvinkeln för ett projekt beror på ett antal faktorer som är unika för det projektet.
I det här avsnittet kommer vi att prata om de saker som påverkar den bästa vinkeln för en smethög för ett givet projekt.
Högens slankhetsförhållande
Slankhetsförhållandet (L/d) för en lutande påle avgör hur mycket den kan dras ut.
Den ultimata utdragningskapaciteten minskar när slankhetsförhållandet ökar.
Sanddensitet
Upp till 20 graders smetvinkel, utdragningskapaciteten för en smethög i sand går upp.
Efter det börjar det gå ner.
Förhållandet mellan grov och jämn utdragskapacitet minskar när densiteten av sanden ökar.
Andra faktorer
Förutom förhållandet mellan pålens bredd och djupet och sandens densitet, kan den optimala smethögvinkeln också påverkas av:
- Markförhållanden.
- Strukturella krav.
- Storleken och riktningen för laster på sidan.
- Gränssnittsfriktionsvinkel.
- Fukthalt.
Kornens storlek och form.
Förstå smet vid pålning
Påltyper som smethögar drivs i en vinkel mot den vertikala axeln för att motstå horisontella krafter.
I det här avsnittet kommer vi att prata om de olika delarna av smethögar som används vid pålning.
Mätning av smetvinkel
För det mesta används en mall på planen för att mäta smetens vinkel i en smethög.
Den bästa smetvinkeln för ett givet projekt beror på ett antal projektspecifika faktorer, såsom markförhållandena, strukturens behov och storleken och riktningen av sidobelastningar.
Sidolastning och sättning
Smethögar används för att flytta lutande laster och horisontella krafter, och de kan bli sidobelastade om jorden runt dem skiftar.
När man ska räkna ut den bästa smetvinkeln för ett projekt är det viktigt att noga tänka på markförhållandena och projektets strukturella behov.
Inverkan på utrustning
När smethögar används får kolven och cylindern mer slitage, vilket kan göra att de håller mindre länge.
När man slår ner smethögar kan en cylinderförlängning behövas för att minska slitaget och göra saker säkrare.
Lastfördelning
I preliminär utformning anses smethöglaster vanligtvis vara axiella.
Laster kan fördelas mellan smethögar och vertikala högar i en grupp med hjälp av en graf eller genom att använda analytiska metoder.
Sekundär böjning och pålhattens rörelse bör båda beaktas, särskilt när pålhatten är styv.
Fältmätning av smethög
Fältmätning av smetvinkeln på en hög
En mall kan användas i fält för att mäta vinkeln på smeten på en hög.
För att mäta vinkeln kan du använda en klinometer eller en digital nivå.
Du kan också använda ett måttband och ett lod för att mäta djupet och avståndet mellan två punkter på högen.
Med denna information kan du ta reda på smetvinkeln på högen.
Du kan också använda en totalstation med ett koncentriskt cirkelriktmedel för att noggrant mäta smetvinkeln på en hög utan att stoppa konstruktionen.
Beteendeegenskaper hos smethögar under vertikal belastning
Forskare har undersökt hur enstaka smethögar fungerar när de laddas uppifrån.
När smetvinkeln går upp ökar utdragningskapaciteten för grova smethögar byggda i tät sand och når sitt maximala värde.
Förhållandet mellan den ultimata utdragningskapaciteten mellan grova och släta pålar minskar när densiteten av sanden ökar.
Optimerings- och justeringsmetod för pålorientering
En genetisk algoritm har också använts för att göra en metod för att optimera och justera orienteringen av pålar.
Med denna metod kan smethögarna för en pålstödd kaj vändas så att de inte korsar i rymden.
Genom att se till att smethögarna läggs upp på bästa sätt kan kajens stabilitet och säkerhet förbättras.
Sammantaget finns det olika sätt att mäta smetvinkeln på en hög i fält och forskning har gjorts för att lära sig mer om hur smethögar beter sig under vertikal belastning.
Stabiliteten och säkerheten hos strukturer som hålls uppe av smethögar kan också förbättras genom att komma på ett sätt att optimera och justera riktningen på högarna.
Marin pålningsarbetssekvens
Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det talade språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.
Slutsats
Sammanfattningsvis är smethögar en fascinerande och viktig del av teknik som förtjänar vår uppmärksamhet och uppskattning.
Från antiken till idag har de visat att de är viktiga för att se till att våra byggnader är säkra och stabila.
När vi står inför nya problem som klimatförändringar, växande städer och ny teknik, blir smethögar en ännu viktigare del av vår framtida infrastruktur.
Som ingenjörsstudent eller ingenjör har du kraften och ansvaret att lägga till detta arv av spetskompetens och innovation.
Så nästa gång du går över en bro, kör förbi en stödmur eller tittar upp på en hög byggnad, tänk på smethögarna.
De är de obesjungna hjältarna som gör alla dessa saker möjliga.
En hög i taget, låt oss fortsätta att tänja på teknikens gränser.
Länkar och referenser
Ordbok för arkitektur och konstruktion
Dela på…
