Устойчивость подпорных стен: Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства – Подпорная стена — расчет и строительство

Содержание

Подпорные стены | ПроСопромат.ру

Подпорная стена — это инженерное сооружение, служащее для предохранения грунта от обрушения, а также для восприятия напора воды в гидротехнических сооружениях. Подпорные стены — это стены подвалов зданий, набережные рек, плотины, береговые устои мостов, ограждения горных дорог и стенок котлованов. По конструкции подпорные стены бывают:

Подпорные стены рассчитываются на устойчивость против опрокидывания; на устойчивость против сдвига; на прочность и трещиностойкость материала кладки; на прочность грунта под подошвой фундамента.

На подпорную стену действуют силы: активного бокового давления грунта Е

а, собственный вес стены Р_ст и вес грунта на ступенях фундамента Р_гр.

Активное боковое давление грунта определяется по теории Кулона (1776г). При этом грунт рассматривают как идеально сыпучее тело, между частицами которого отсутствуют силы сцепления. Состояние равновесия стены в момент перехода ее от покоя к бесконечно медленному движению называется предельным равновесием. Под действием бокового давления грунта стена смещается и грунт начинает сползать по плоскости ВС. Часть грунта, заключенная в объеме ABC, называется призмой обрушения. Если на поверхности земли в пределах призмы обрушения приложена равномерно распределенная нагрузка интенсивностью Р, то ее действие

условно заменяют эквивалентным слоем грунта

Состояние предельного равновесия и эпюры интенсивности бокового давления грунта.

Прочность грунта под подошвой фундамента по максимальному и минимальному краевому давлению проверяют по формуле:

, где

W — момент сопротивления сечения подошвы фундамента.

Устойчивость стены на опрокидывание проверяют по формуле:

здесь у — плечо силы Е_а ;

Р — собственный вес подпорной стены;

а -плечо силы Р относительно точки опрокидывания.

Устойчивость стены на сдвиг проверяют по формуле:

где F_сдв = F_a;

F_уд= f∙Р,

f – коэффициент трения кладки по грунту.

Если устойчивость стены на опрокидывание или сдвиг не выполняется, следует:

— увеличить собственный вес подпорной стенки ;

— выбрать рациональный профиль подпорной стены с наклоном в сторону насыпи;

— принять подошву фундамента с наклоном в сторону насыпи.

10 Особенности проектирования подпорных стен

10.1 Подпорные стены, в том числе служащие ограждениями котлованов, в зависимости от их конструкции классифицируют на:

— гравитационные, устойчивость которых обеспечивается собственным весом конструкций и грунта засыпки. К гравитационным относятся массивные, уголковые и ячеистые подпорные стены;

— гибкие, устойчивость которых обеспечивается заделкой в грунтовом массиве, анкерными и распорными конструкциями. К гибким относятся «стены в грунте», шпунтовые ограждения котлованов и ограждения из свай и профильных прокатных элементов;

— комбинированные, представляющие собой сочетание первого и второго видов.

10.2 Конструктивные схемы подпорных стен должны обеспечивать необходимую прочность, устойчивость и пространственную неизменяемость сооружения в целом, а также отдельных его элементов на всех стадиях возведения и эксплуатации.

10.3 При проектировании подпорных стен следует использовать указания раздела 9, а также учитывать:

— технологические особенности возведения и последовательность строительных операций;

— возможность использования анкерных или распорных конструкций;

— изменения физико-механических характеристик грунтов, связанные с процессами бурения, забивки и другими технологическими воздействиями;

— необходимость обеспечения требуемой водонепроницаемости конструкции;

— необходимость передачи на конструкцию вертикальных нагрузок;

— возможность применения конструктивных решений и мероприятий по снижению давлений на подпорные стены (разгружающих элементов, геотекстиля, армогрунта и пр.).

10.4 Расчеты подпорных стен и их оснований по первой группе предельных состояний должны включать проверку:

— устойчивости положения стены против сдвига, опрокидывания и поворота;

— устойчивости, несущей способности и прочности основания;

— прочности элементов конструкций и узлов соединения;

— несущей способности анкерных элементов по материалу и грунту;

— прочности и устойчивости распорных элементов;

— фильтрационной устойчивости основания.

Расчеты по второй группе предельных состояний должны предусматривать:

— расчеты системы «основание-подпорная конструкция» по деформациям;

— расчеты железобетонных элементов подпорной конструкции по трещиностойкости.

10.5 Для подпорных стен, устраиваемых способом «стена в грунте», следует выполнять расчет устойчивости стенок траншеи, заполненной тиксотропным раствором.

10.6 Для подпорных стен, устраиваемых из отдельно стоящих элементов, следует выполнять расчет прочности основания на продавливание грунта между элементами.

10.7 При выполнении расчетов гравитационных стен и консольных гибких подпорных стен, т.е. устраиваемых без использования анкерных и распорных элементов, допускается использовать методы теории предельного равновесия, в которых давление грунтов на конструкцию рассматривается как сумма заданной активной нагрузки и реактивного отпора основания.

Для расчетов гибких подпорных стен с анкерным или распорным креплением, а также комбинированных подпорных стен следует применять численные методы, использующие нелинейные модели сплошных сред или нелинейные контактные модели. При этом выбор модели взаимодействия подпорной стены с основанием и параметров модели должен зависеть от типа грунтов и конструктивных особенностей сооружения.

10.8 Глубину заложения подпорных стен определяют статическими расчетами.

При проектировании подпорных стен котлованов в водонасыщенных грунтах глубину заложения стены следует назначать с учетом возможности ее заделки в водоупорный слой с целью обеспечения производства работ по экскавации грунта без применения мероприятий по водоотливу или водопонижению.

10.9 При проектировании подпорных стен, устраиваемых с обратной засыпкой грунта, расчетные значения характеристик грунтов обратной засыпки (, ,), уплотненных не менее чем доК_сот = 0,95 их плотности в природном сложении, допускается устанавливать по расчетным характеристикам тех же грунтов в природном сложении (_I, _I, с_I), принимая

= 0,95_I;

= 0,9_I;

= 0,5с_I, при этом следует принимать

не более 7 кПа.

10.10 При определении бокового давления грунта на подпорные стены и ограждения котлованов следует учитывать:

— внешние нагрузки и воздействия на грунтовый массив (нагрузки от складируемых материалов, от строительных механизмов, транспортные нагрузки на проезжей части, нагрузки, передаваемые фундаментами близрасположенных сооружений) и пр.;

— наклон граней подпорной стены к вертикали;

— наклон поверхности грунта, неровности рельефа и отклонение границ инженерно-геологических элементов от горизонтали;

— возможность устройства берм и откосов в котловане в процессе производства работ;

— прочностные характеристики на контакте «стена-грунтовый массив»;

— деформационные характеристики подпорной стены, анкерных и распорных элементов;

— последовательность производства работ;

— возможность перебора грунта в процессе экскавации;

— дополнительные давления на подпорные стены, вызванные морозным пучением и набуханием грунтов, а также проведением работ по нагнетанию в грунт растворов, тампонажу и пр.;

— температурные воздействия;

— динамические и вибрационные воздействия и их влияние на статическое давление грунта.

10.11 Силы трения и сцепления на контакте «стена-грунтовый массив» должны определяться в зависимости от значений прочностных характеристик грунта, гидрогеологических условий площадки, материала подпорной конструкции, технологии устройства стены.

Допускается принимать следующие расчетные значения прочностных характеристик на контакте «стена-грунтовый массив»:

— удельное сцепление с_к = 0;

— угол трения грунта по материалу стены _к = _к, где  — угол внутреннего трения грунта, _к — коэффициент условий работы, принимаемый по таблице 10.1.

Таблица 10.1

Материал стены	Технология устройства и особые условия	_к
Бетон, железобетон	Монолитные гравитационные стены и гибкие стены, бетонируемые насухо	0,67
Бетон, железобетон	Монолитные гибкие стены, бетонируемые под глинистым раствором в грунтах естественной влажности. Сборные гравитационные стены	0,50
	Монолитные гибкие стены, бетонируемые под глинистым раствором в водонасыщенных грунтах. Сборные гибкие стены, устраиваемые под глинистым раствором в любых грунтах	0,33
Металл, дерево	В мелких и пылеватых водонасыщенных песках	0
	В прочих грунтах	0,33
Любой	При наличии вибрационных нагрузок на основание	0

10.12 Конструкции подпорных стен должны обеспечивать возможность устройства гидроизоляции в случае ее необходимости.

10.13 При проектировании подпорных стен с анкерными конструкциями расчетную несущую способность основания анкеров следует назначать после проведения не менее трех натурных испытаний анкеров (подраздел 13.10).

10.14 При наличии агрессивной среды следует учитывать требования СНиП 2.03.11.

10.15 При проектировании подпорных стен в пучинистых грунтах следует предусматривать противопучинные мероприятия:

— теплоизоляцию подпорной стены;

— понижение влагосодержания в пределах сезонно промерзающего слоя;

— обработку пучинистого грунта растворами, понижающими температуру его замерзания;

— повышение податливости конструкций подпорной стены.

10.16 В железобетонных подпорных стенах линейных подземных сооружений следует предусматривать устройство температурно-усадочных деформационных швов. Конструкция деформационных швов должна быть решена с учетом необходимости устройства гидроизоляции.

10.17 Грунтовые анкеры, используемые для крепления подпорных стен и ограждений котлованов, подразделяют на временные (со сроком работы до двух лет) и постоянные.

Проектирование анкеров должно основываться на результатах статических расчетов системы «стена-грунтовый массив», в которых должна быть определена осевая нагрузка на анкеры с учетом требуемого числа ярусов анкеров, их расположения, углов наклона анкеров к горизонту и углов отклонения анкеров в плане от нормали к стене.

При проектировании анкеров определяют: число анкеров в ярусе и их шаг; свободную длину анкерных тяг, обеспечивающую размещение заделки анкеров за пределами границы призмы обрушения; предварительную длину заделки анкеров, требуемую для восприятия проектных усилий; места для устройства опытных анкеров; число контрольных испытаний анкеров и порядок их выполнения. Уточняют усилия, на которые должны быть напряжены анкеры, после проведения контрольных и приемочных испытаний.

ОБЗОР И АНАЛИЗ ВИДОВ ПОДПОРНЫХ СТЕНОК ПО СТЕПЕНИ ВОВЛЕЧЕНИЯ ГРУНТА ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕНЫ

Воронкова Любовь Сергеевна

студент 4 курса, факультет ПГС
СГАСУ,
РФ, г. Самара

Е-mail: l.voronkova19@mail.ru

Подпорные стенки являются одним из важнейших многофункциональных архитектурно-планировочных элементов строительства. Главная функция подпорных стенок – укрепление грунта на склонах и откосах. Участки со сложным рельефом, где есть перепады высот более 50 см, нуждаются в террасировании для оптимального использования земли, создания условий для нормального роста культурных растений.

В настоящее время необходимо уметь качественно проанализировать и оценить, какая конструкция будет наиболее приемлема для данных геологических условий, т. к. каждый из типов подпорных стен возник, чтобы наиболее рационально решить задачу проектирования: добиться наиболее рациональной работы конструкции, оставить материал там, где он нужен для обеспечения эксплуатационных и эстетических качеств и максимально сократить его расход в тех местах конструкции, где он не несет никакой функции.

Несмотря на то, что как сооружения подпорные стенки относятся к категории «вспомогательных», их конструктивные решения развиваются бок о бок с основными строительными объемами: промышленными и гражданскими зданиями и сооружениями.

Подпорные стенки можно классифицировать по ряду признаков: по функциональному назначению, по расположению относительно полотна дороги, по типу используемого материала, по роду основания, по степени экономической эффективности, по виду внешней поверхности и т. д.

Если немного изменить конструкцию подпорной стенки, можно не только снизить негативное действие грунта на стенку, но и вовлечь его в обеспечение устойчивости стенки. Подпорная стена удерживает от обрушения грунт, то есть грунт является для неё нагрузкой, которая стремится опрокинуть и разрушить стену.

Итак, по применению в сложных геологических условиях подпорные стенки можно классифицировать по степени вовлечения грунта для сохранения устойчивости стены:

1. Массивные стенки чаще всего выполняются из сравнительно непрочного материала (бут, бутобетон, габионы). В данном случае конструкция не предусматривает использование грунта в целях сохранения устойчивости стенки, грунт играет только негативную роль, оказывая на стенку давление.

2. Полумассивные подпорные стенки. Чаще всего изготавливаются из железобетона. Здесь в работу стены вовлекается сыпучее тело (грунт). Дополнительные удерживающие силы создаются за счёт грунта, оказывающего давление на специально предусмотренные в конструкции стенки консоли, выступы и горизонтальные фундаментные плиты. Полумассивные подпорные стенки можно разделить на комбинированные, тонкоэлементные и тонкие [3].

2.1. Комбинированные стенки вовлекают грунт в работу с помощью предусмотренных для этой цели консолей. Ограждающая часть комбинированной стены может быть выполнена по примеру массивных подпорных стен из природного камня, однако за счет использования железобетонных консолей поперечные размеры стенки сокращаются.

Рисунок 1. Комбинированная подпорная стенка

2.2. Тонкоэлементные подпорные стенки. Изготавливаются из железобетона, обычно состоят из связанных друг с другом железобетонных плит. Собственный вес стенки лишь отчасти обеспечивает её устойчивость. Следовательно, в работу на устойчивость должен вовлекаться больший объём грунта. Наиболее широкое применение получили уголковые подпорные стенки, которые состоят из двух основных элементов – вертикальной ограждающей панели и горизонтальной фундаментной плиты.

Рисунок 2. Уголковая подпорная стенка

2.3 Тонкие подпорные стенки. Как правило, тонкие подпорные стенки состоят из тонкой стены ограждения и системы анкеровки в виде анкерных тяг или тонких железобетонных плит. Лицевая стенка чаще всего выполняется из металлического или железобетонного шпунта [1].

Рисунок 3. Тонкая подпорная стенка

3. Подпорные стенки из армированного грунта. В данном случае армированный грунт является основным главным элементом самой конструкции стенки (помимо него существуют еще два основных компонента: облицовка и армирующие элементы). В качестве армирующих элементов используются металлические сетки, прикрепленные к тонким облицовочным плитам или оболочкам, образующим ограждение. Армирование часто выполняется в виде мембран из гибких материалов (пластмасс, геотекстилей, тонкой стали). Лицевая часть стенки возводится постепенно, по мере формирования послойно армированной засыпки. Армогрунтовые стены наиболее полно вовлекают в работу окружающий грунт и возводиться на большую, но они требуют больших пространств, что невозможно в стесненных городских условиях [2].

Рисунок 4. Подпорная стенка из армированного грунта

Для того чтобы возводимые подпорные стены сохраняли свои эксплуатационные и эстетические качества в течение всего срока службы сооружения, необходимо повысить уровень технических требований, создать условия контроля на всех этапах возведения подпорной стены: требования к прочностным свойствам используемых материалов во время заводского изготовления элементов, к качеству строительных работ в процессе монтажа, обеспечив, таким образом, заложенный в проекте уровень прочности; развивать исследования в области совершенствования старых и создания новых типов подпорных стен с поправкой на местные климатические условия и возможности технологической базы, внедрять новые типы стенок в практику строительства.

Исследования показывают, что, изменив очертание задней грани фундаментной плиты, снабдив плиту вырезами или отверстиями, можно добиться большей ее эффективности с точки зрения вовлечения в работу стенки окружающего грунта. Развитие исследований в этой области позволит реконструировать стенки с минимальными затратами [5];

·подпорные стенки с применением буро-инъекционных свай. Грамотная расстановка в основании стенки буро-инъекционных свай позволяет значительно снизить расход материала, повысить технологичность строительных работ. Конструкция позволяет вести работы в крайне стесненных условиях городской застройки;

В последнее время ведутся исследования в области конструирования тонких подпорных стен с использованием буро-инъекционных свай. Сваи в конструкции стены воспринимают только продольные осевые силы и поэтому должны быть расположены из условия обеспечения их центрального нагружения.

·конструкции подпорных стен комбинированного типа (с применением анкеров), озеленение зон подпорных стен. Подпорные стены с применением анкеров и специальных заанкеренных блоков из сборного или монолитного железобетона наиболее распространены в странах Европейского союза. Как правило, лицевая поверхность такого типа стен предполагает возможность размещения зеленых насаждений, что придает стенам привлекательный внешний вид

·подпорные стенки из армированного грунта. Стенки из армогрунта – весьма распространенный за рубежом тип подпорных стен. Применение стенок такого типа позволяет обеспечить необходимые функциональные качества в сочетании с недоступной для других типов конструкций высотой. Кроме того, стенки такого типа прекрасно гармонируют с окружающей средой, подчеркивают красоту рельефа, обеспечивают возможность «наращивания» стенки по мере поступления сыпучего материала (засыпки). Однако применение стен из армогрунта в российских условиях (мерзлота, пучинистые грунты, агрессивные среды) без надлежащей корректировки недопустимо [4].

Список литературы:

Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. – Л.: Стройиздат, 1974.
Варианты подпорных стенок из бетонов. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://tolkobeton.ru/stroitelstvo/podpornaya-stenka-iz-betona.html (дата обращения: 01.10.2015).
СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий. Подземные сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
Цимбельман Н.Я. Подпорные стенки как элемент городской застройки: анализ причин аварий и развитие методов расчета и конструирования. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.zimbelmann.ru/lectures/lecture_38.html (дата обращения: 01.10.2015).
Цытович Н.А. Механика грунтов. – М: ВШ, 1894.

1.Подпорные стены. Назначение и основные конструктивные решения.

Подп. стены предназначены для восприятия давление грунта в местах резкого перепада отметок его поверхности. Они также обеспечивают устойчивость откосов насыпей и выемок, удерживая грунт от обрушения. Все подпорные стены в основном бывают: каменные, ж/б и бетонные.

Конструкции ж/б подпорных стен

1.Уголковые 2.С контрфорсами 3.Анкерные

1.Уголковые

1) Из цельных блоков длиной 2-3м

2) Из лобовой стенки и фундаментной плиты

Лобовая стенка l=3 м

Фунд.плита l=1,5 м или l=3 м

Уголковые применяются при высоте подпора грунта не более 4,5м.

а)одноэлементная б)двухэлементная

h=1,2; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6 м

b=2,2; 2,5; 3,1; 3,7 м

2. Контрфорсовые и анкерные

Применяются при высоте подпора грунта более 4,5м

Они состоят из плит,которые вставлены в базы контрфорсов или рам.

Контрфорсы обычно устанавливаются с шагом 2-3м на сборную фунд. плиту. Все стыки сборных эл-тов осущ. путём сварки закладных деталей или выпуска арматуры.

В анкерные рамы устанавливают с шагом 4-5м. Каждая рама опирается на отдельную фунд. плиту.

С другой стороны рамы закрепляется к анкерной балки, основное назначение которой – препятствовать опрокидыванию и смещению опорной стены.

в)контрфорсная г)анкерная

Другие виды стен

а) с обратным уклоном подошвы

б) с анкерным зубом ниже подошвы опорной плиты

2.Подпорные стены. Особенности проектирования полпорных стен:нагрузки и воздействия,основные виды расчётов

(Расчёт на примере уголковой подпорной стены)

Давление грунта на подпорную стену зависит от след. величин:

плотность грунта
угол естественного откоса грунта
угол наклона внутренней поверхности подпорной стенки
угол откоса грунта выше подпорной стенки

=> ,

Горизонтальная составляющая давления грунта берётся с коэффициентом надёжности по нагрузке

Гориз. сост. Давления грунта на единицу длины равняется

b определяется из условия:

— сумма всех вертикальных нагрузок

— сумма всех моментов всех сил относительно ц.т. фундаментной плиты.

А-площадь фунд. плиты;W- момент сопрот. фунд. плиты;R0- расчетное сопротивление грунта

; — в идеале

Для обеспечения устойчивости против опрокидывания должно выполняться условие

Mv – опрокидывающий момент относительно точки А

Mh – удерживающий момент от собственного веса стенки и вертик. Составляющей давления грунта.

Для обеспечения устойчивости подпорной стенки против смещения должно выполняться условие

, µ-коэффициент трения бетона о грунт

Изгибающие моменты в плитной части и стенке уголковой подпорной стены

Внешний вылет фундаментной плиты испытывает давление грунта снизу.

Внутренний вылет – сверху+снизу.

Стенка испытывает горизонтальное давление грунта.

Все элементы рассчитываются как консольные стержни.

3.Подпорные стены. Конструирование элементов подпорных стен

Подпорные стенки армируются сетками, в которых рабочая арматура соединяется между собой при помощи монтажной арматуры.

По мере удаления от зон с максимальным М часть рабочей арматуры обрывается.

Плиты подпорных стен (с контрфорсами и анкерами) рассчитываются на горизонтальное давление грунта как работающие по балочной схеме с пролётом, равным шагу контрфорсов или рам.

Контрфорсы рассчитываются как консольные элементы, жестко сопряженные с фундаментной плитой.

Все стыковые соединения рассчитываются на усилия, которые через них передаются.

Анкерная балка рассчитывается и проектируются из условия недопущения опрокидывания подпорной стены.

Схема армирования уголковой подпорной стены