3. Расчет и проектирование подпорных стен.
Типы подпорных стен.
Подпорные стены по конструктивному решению подразделяются на массивные и тонкостенные. Устойчивость массивных подпорных стен на сдвиг и опрокидывание обеспечивается их собственным весом. Устойчивость тонкостенных подпорных стен обеспечивается собственным весом стены и грунта, вовлекаемого конструкцией стены в работу, либо защемлением стен в основание (гибкие подпорные стены и шпунтовые ограждения).
Формы поперечных сечений массивных стен представлены на рис. 1.1, тонкостенные подпорные стены уголкового профиля – на рис. 1.2 и 1.3.
Массивные и тонкостенные стены можно устраивать с наклонной подошвой или с дополнительной анкерной плитой (рис. 1.4). Гибкие подпорные стены и шпунтовые ограждения можно выполнять из деревянного, железобетонного и металлического шпунта специального профиля. При небольшой высоте используются консольные стены; высокие стены заанкеривают, устанавливая анкеры в несколько рядов (рис. 1.5).
Рис.1.1.
Массивные подпорные стены.
а – с двумя вертикальными гранями; б – с вертикальной лицевой и наклонной тыльной гранью; в – с наклонной лицевой и вертикальной тыльной гранью; г – с двумя наклонными в сторону засыпки гранями; д – со ступенчатой тыльной гранью; е – с ломаной тыльной гранью.
Рис. 1.2. Тонкостенные подпорные стены уголкового типа.
а - консольные; б – с анкерными тягами; в – контрфорсные.
Рис.1.3. Сопряжение лицевых и фундаментных плит.
а – с помощью щелевого паза; б – с помощью петлевого стыка.
Рис.1.4. Сборные подпорные стены.
а – с анкерной плитой; б – с наклонной подошвой.
Рис.1.5. Схемы гибких подпорных стен.
а – консольная; б – с анкерами.
Определение активного и пассивного давления грунта на стены.
Общие положения.
Давление грунта на стены зависит от их конструктивных особенностей (наклона и жесткости стены, наличия разгружающих элементов и т.д.), от свойств грунта, взаимодействующего со стеной, от величины и направления перемещений, поворота и прогиба стены.
Активное давление
грунта
реализуется при смещении стены от грунта
и соответствует минимальному значению
давления. Пассивное давление грунта
реализуется при смещении стены на грунт
и соответствует максимальному значению
давления. При отсутствии перемещений
стены реализуется давление покоя
.
Изменение давления грунта в зависимости
от перемещения стены
представлено на рис. 2.1.
Рис.2.1. Изменение давления грунта на подпорную стенку в зависимости от ее перемещения.
Характеристики грунта, используемые при определении давления грунта.
На стенки действует боковое давление грунта нарушенного сложения. Характеристики этого грунта выражаются через соответствующие характеристики грунта ненарушенного сложения следующими соотношениями:
;
;
(но не более 7 кПа);
;
;
(но не более 10 кПа).
- соответственно
удельный вес, угол внутреннего трения
и удельное сцепление грунтов ненарушенного
сложения для расчетов по первой и второй
группе предельных состояний, определяемые
в соответствии со СНиП 2.02.01-83.
Активное давление грунта.
А. НЕСВЯЗНЫЙ ГРУНТ.
В случае
свободной от нагрузки наклонной
поверхности засыпки и наклонной тыловой
грани стены горизонтальная
и вертикальная
составляющие активного давления грунта
на глубине
(рис.
2.2) определяются по формулам:
;
(2.1)
,
(2.2)
где
- расчетное значение удельного веса
грунта;
- угол наклона тыловой грани стены к
вертикали, принимаемый со знаком плюс
при отклонении от вертикали в сторону
стены;
- угол трения грунта на контакте со
стенкой, принимаемый для стен с повышенной
шероховатостью равным
,
для мелкозернистых водонасыщенных
песков и при наличии на поверхности
вибрационных нагрузок равным 0, в
остальных случаях равным
(здесь
- расчетное значение угла внутреннего
трения грунта);
- коэффициент активного давления грунта:
(2.3)
здесь
- угол наклона поверхности грунта к
горизонту, принимаемый со знаком плюс
при отклонении этой поверхности от
горизонтали вверх:
.
В частном случае для гладкой вертикальной тыловой грани и горизонтальной поверхности грунта коэффициент активного давления вычисляется по формуле:
.
(2.4)
Равнодействующие
горизонтального
и вертикального
давлений грунта для стен высотой
определяются как площади соответствующих
треугольных эпюр давлений (рис. 2.2) по
формулам:
;
(2.5)
.
(2.6)
Б. СВЯЗНЫЙ ГРУНТ.
Горизонтальная
и вертикальная
составляющие активного давления связного
грунта на глубине
(рис.2.2) определяются по формулам:
;
(2.7)
,
(2.8)
где
- давление связности:
,
(2.9)
здесь
-удельное
сцепление грунта;
.
(2.10)
Рис.2.2. К определению активного давления грунта на стенку.
а – несвязного; б – связного.
Если значение К, вычисленное по формуле (2.10), меньше нуля, в расчетах принимается К=0.
В частном случае
при горизонтальной поверхности засыпки
(
)
и вертикальной задней грани (
)
(или расчетной плоскости) горизонтальная
составляющая активного давления грунта
на глубине
определяется по формуле:
.
Равнодействующая
горизонтального
и вертикального
давлений грунта для стен высотой
(см.
рис 2.2) определяется по формулам:
;
(2.11)
;
(2.12)
где
(2.13)
Рис.2.8. К определению давления грунта от нагрузки на поверхности засыпки.
В. ДАВЛЕНИЕ НА СТЕНЫ ОТ НАГРУЗКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗАСЫПКИ.
Сплошная
равномерно распределенная нагрузка
(рис. 2.14,а).
Горизонтальная
и вертикальная
составляющие активного давления грунта
от этой нагрузки на глубине
для связных грунтов определяются по
формулам:
;
(2.14)
.
(2.15)
Сплошная (на
всей призме обрушения) равномерно
распределенная нагрузка
,
приложенная на расстоянии
от стены (рис.2.2,б).
Горизонтальная
и вертикальная
составляющие активного давления грунта
от этой нагрузки определяются при
по формулам (2.14) и (2.15), а при
(где
)
.
Полосовая
(ширина полосы
)
нагрузка
,
приложенная в пределах призмы обрушения
на расстоянии
от
стены (рис. 2.2,в).
Горизонтальная
и вертикальная
составляющие активного давления грунта
от этой нагрузки определяется при
по формулам (2.14) и (2.15), а при
и
.
При расчете подпорных стен давления от нагрузок на поверхности засыпки, вычисленные по формулам (2.14) и (2.15), добавляются к давлениям от грунта, вычисленным от грунта, вычисленным по формулам (2.1), (2.2), (2.7), (2.8).
Г. ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА НА УЛГОЛКОВЫЕ ПОДПОРНЫЕ СТЕНЫ.
Для уголковых подпорных стен активное давление грунта на условную поверхность определяется по двум возможным вариантам:
Для длинной опорной плиты в предположении образования симметричной призмы обрушения (рис.2.3, а, условная поверхность
);
Рис. 2.3. К определению активного давления грунта на угловые подпорные стены.
Для короткой опорной плиты – несимметричной призмы обрушения (рис. 2.3, б, условная поверхность
).
Пассивное давление грунта.
При горизонтальной
поверхности грунта и равномерно
распределенной нагрузке на поверхности
горизонтальная
и вертикальная
составляющие пассивного давления на
глубине
от поверхности определяются по формулам:
(2.16)
,
(2.17)
где
- нагрузка, равномерно распределенная
на поверхности;
- коэффициент горизонтальной составляющей
пассивного давления, определяемый при
горизонтальной поверхности грунта по
формуле
(2.18)
В
частном случае при
.
(2.19)