6.5. Расчет шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений (без водозащитной подушки)

Расчет шпунтового ограждения с распорными креплениями без тампонажной подушки заключается в определении глубины погружения шпунта ниже дна котлована, назначении типа шпунта по требуемому моменту сопротивления шпунтовой стенки и в назначении, и расчете крепления шпунта (обвязки и распорок).

В несвязных водопроницаемых грунтах (пески и супеси) шпунтовую стенку рассчитывают по схеме однопролетной балки, верхней опорой которой является ярус креплений, а нижней – грунт в предположении свободного на него опирания (рис. 6.5). Нижний конец балки несколько смещается относительно начального положения на величину, необходимую для реализации отпора. В результате такого расчета глубина погружения шпунта получается минимальной, но с большим значением изгибающего момента в стенке. Уменьшение изгибающего момента достигается путем погружения шпунта на большую глубину для защемления нижней его части в грунте.

а б

Рис. 6.5. Схемы расчета шпунтовых ограждений с одним ярусом распорных креплений: а – для определения минимальной глубины забивки шпунта; б – для определения изгибающих моментов в его поперечных сечениях

• Минимальную глубину t погружения стенки ниже дна котлована определяют из условия обеспечения ее устойчивости против поворота вокруг оси опирания стенки на крепление (точки «О» на рис. 6.5). В соответствии с этим равенство (3.1) принимает вид уравнения моментов относительно яруса крепления:

k_н М_оп – т М_уд = 0, (6.12)

где М_оп и М_уд – соответственно суммы моментов опрокидывающих и удерживающих сил относительно яруса крепления; k_н и т – коэффициенты надежности и условий работы (см. табл. 3.1).

В курсовых проектах допускается принимать k_н = 1,0; т = 0,85. Для связных грунтов т = 0,95.

(для более точных расчетов и при реальном проектировании k_н принимают по табл. 3.1, а т – от 0,5 до 1,1 по справочной литературе [1] в зависимости от глубины котлована, глубины воды в водотоке и котловане, в зависимости от вида, коэффициента пористости и угла внутреннего трения песчаных грунтов).

Действующие на стенку силы (рис. 6.5, а).

а) опрокидывающие:

1) давление воды е_в = _в Н; = 0,5 _в H²; = _в Ht;

2) активное давление грунта е_а = п_а _взв (h_гр + t) _а; Е_а = п_а 0,5 _взв (h_гр + t)² _а.

б) удерживающие:

пассивное давление грунта е_п = п_п _взв t _п; Е_п = п_п 0,5 _взв t² _п..

_в – объемный вес воды;

_взв – объемный вес грунта во взвешенном в воде состоянии;

п_а = 1,2; п_п = 0,8 – коэффициенты перегрузки (надежности по нагрузке) (табл. 4.13) активного и пассивного давления грунта;

_а = tq²(45 – 0,5 ) – коэффициент горизонтального (активного) давления грунта;

_п = tq²(45 + 0,5 ) – коэффициент горизонтального (пассивного) давления грунта.

Уравнение опрокидывающих и удерживающего моментов (6.12) относительно точки «о» запишется так:

k_н { Н + (Н + 0,5 t) + Е_а [ (h_гр + t) + h_в]} – т Е_п ( t + Н) = 0.

Из этого уравнения методом последовательных попыток, задаваясь глубиной t , уточняют ее.

Кроме того, дополнительную глубину Δt определяют по формуле (6.9) и общую глубину забивки шпунта уточняют согласно подразд. 6.2.

• Для подбора сечения шпунта изгибающие моменты, действующие в поперечных сечениях шпунтовой стенки, определяют по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах, одну из которой принимают на уровне оси опирания стенки на распорное крепление (точка «О» на рис. 6.5, б), а другую на глубине 0,5 t от дна котлована. Расчетный пролет l = H = 0,5 t. При этом активное и пассивное давления грунта, а также гидростатическое давление, действующие на стенку ниже глубины 0,5 t , не учитывают.

Величины нагрузок:

1) гидростатическое давление воды е_в = _в Н;

2) активное давление грунта е_а = п_а _взв (h_гр + 0,5 t) _а.

Расчетный изгибающий момент в шпунтовой стенке (балка на двух опорах шириной 1,0 м) допускается принимать равным

М = М_в + 0,75 М_гр, (6.13)

где М_в – изгибающий момент в шпунтовой стенке от гидростатического давления воды, определенный по указанной выше схеме (рис. 6.5, б); М_гр – то же от давления грунта; 0,75 – коэффициент, учитывающий перераспределение давления грунта.

В общем случае (при реальном проектировании) максимальный изгибающий момент в балке на двух опорах от неравномерно распределенной нагрузки определяют методами строительной механики.

Для упрощения определения М_тах в шпунтовой стенке неравномерно распределенную нагрузку, действующую на эту стенку, заменяют соответствующей нагрузкой в виде отдельных сосредоточенных сил N (рис. 6.6, в).

а б в г

Рис. 6.6. Схема определения изгибающих моментов в шпунтовой стенке: а – суммарная эпюра нагрузок; б – расчетная схема шпунтовой стенки; в – эпюра нагрузок в виде сосредоточенных сил; г – эпюра моментов

Для этого площадь суммарной эпюры нагрузок (рис. 6.6, б) разбивают на прямоугольники, суммарная площадь которых равна суммарной площади ранее образующим эпюру фигурам с шагом, одинаковым по высоте шпунтовой стенки (рис. 6.6, в). Равнодействующая каждой из элементарных площадей, на которые разбита площадь эпюры нагрузки, будет проходить через центр тяжести каждого элементарного прямоугольника. Зная ординаты эпюры нагрузки, определяют величины каждой равнодействующей, по которым определяют и строят эпюру моментов (рис. 6.6, г), находят величину М_тах, а также определяют реакцию шпунтовой стенки g₁ в точке постановки верхнего распорного крепления стенки.

Прочность материала шпунта проверяют в соответствии с рекомендациями подразд. 6.3 по условию (6.11).

• В случае недостаточной прочности шпунтовой стенки по материалу применяют более мощный шпунт или конструктивными мероприятиями снижают величины изгибающих моментов в поперечных сечениях стенки. Для этого изменяют положение распорного крепления по высоте, предусматривают второй ярус креплений или увеличивают глубину погружения шпунта в грунт с тем, чтобы за счет повышенной жесткости заделки нижней части стенки перераспределить и снизить изгибающие моменты в шпунтовой стенке. Снижение изгибающих моментов может быть достигнуто также устройством тампонажной бетонной подушки, укладываемой подводным способом.

• В случае устройства водозащитной подушки расчет шпунтовой стенки выполняют в два этапа. Расчет, отражающий стадию работы шпунтовой стенки до бетонирования подушки, выполняют согласно подразд. 6.5 без учета откачки воды из котлована. На стадии работы стенки после бетонирования подушки и полной откачки воды из котлована проверяют прочность стенки и распорного крепления. При этом стенку по-прежнему рассчитывают по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах, но расположение нижней опоры принимают на 0,5 м ниже верха бетонной подушки.