книги из ГПНТБ / Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах

ле затвердевания бетона произвести натяжение каната при помо­ щи механического или гидравлического домкрата.

§ 3. Ж Е Л Е З О Б Е Т О Н Н Ы Е С В А И И Ш П О Н Ы

Р а с ч е т с в а й и шпон . Расчет параметров укрепления усту­ пов сваями и шпонами сводится к выбору их конструкции, опреде­ лению несущей способности с учетом соответствующего вида де­ формации, расстояния между отдельными элементами в ряду, чис­ ла рядов, глубины заделки замка ниже поверхности скольжения.

Эффективность укрепления неустойчивых участков уступов сваями определяется правильным выбором расчетной схемы в кон­ кретных инженерно-геологических условиях. Инженерно-геологиче­

няются при укреплении откосов на карьерах, имеют сопро­ тивление изгибу, в 10—12 раз меньшее, чем срезу. При срезе в работе участвует полное сечение конструкции, причем касательные напряжения т равномерно распределены по всему сечению (рис. IV. 8). При изгибе максимальные нормальные напряжения а возникают в верхних слоях материала, постепенно уменьшаясь до нуля к центру сечения (касательные напряжения в данном случае по величине будут меньше), т. е. в работе активно участвует только часть сечения.

Конструкция сваи должна обеспечить максимальный эффект при минимальном расходе материала за счет рационального его размещения по сечению сваи.

Расчет свайной крепи производится с учетом условий работы сваи. Срез свай в ослабленной зоне возможен в том случае, когда породы основания и сползающего блока достаточно крепки, а на­

112

рушение, по которому может произойти сдвиг, имеет незначитель­ ную мощность (рис. IV. 9, а). Если нарушение представлено зоной перемятых разупрочненных пород, склонных к пластическим де­ формациям, или породы призмы обрушения склонны к осыпанию, свая может быть разрушена под действием изгибающего момента

(рис. IV. 9, б, в).

В практике открытых горных работ большое распространение получили железобетонные сваи набивного типа с жесткой арма­ турой. Эти сваи просты в изготовлении и достаточно надежны в работе. Однако они могут рекомендоваться к применению (без до­ полнительных мероприятий, обес­ печивающих их жесткость) толь­ ко при условии, что деформация уступа не вызовет возникновения изгибающих моментов. В против­ ном случае предпочтительнее при­ менение свай-оболочек большого'

диаметра.

По конструкции железобетонные сваи набивного типа разделя­ ются на сваи с продольной гибкой арматурой и хомутами (от­ дельными или спиральными) и сваи с жесткой арматурой (рис. IV. 10). Выбор типа свай зависит от величины и характера нагрузки, которую должна нести свая. При одном и том же попе­ речном сечении сваи с жесткой арматурой способны воспринимать значительно большую нагрузку и более просты в изготовлении, но для них требуется больше металла.

В сваях с гибкой арматурой каркас изготовляется из круглых стержней периодического профиля диаметром 12 мм и более, уста­ навливаемых симметрично относительно оси сваи, причем диаметр

113

и число стержней выбираются в зависимости от размеров попе­ речного сечения. Расстояние между продольными стержнями со­ ставляет обычно не менее 5 см, чтобы обеспечить возможность сво­ бодного прохождения бетона между ними. Чтобы увеличить сопро­ тивление изгибу сваи, стержни располагают возможно ближе к ее наружной поверхности, но для предотвращения коррозии армату­ ры — не ближе 2,5 см от этой поверхности.

Хомуты служат главным образом для увеличения несущей спо­ собности сваи при действии поперечных нагрузок. Они должны плотно прилегать к продольной арматуре и скрепляться с нею вя­ зальной проволокой или привариваться. Диаметр прутьев для изго­ товления хомутов Принимается не менее 25% диаметра стержней продольной арматуры, но не менее 6 мм. Расстояние между хому­ тами не должно превышать 15 диаметров продольных стержней.

Для изготовления свай с жесткой арматурой используют рель­ сы, двутавры, швеллеры и другой прокат. Арматуру можно распо­ лагать как по всей длине сваи, так и в отдельных ее частях, в за­ висимости от конкретных условий, в которых производится укреп­ ление.

Коэффициент армирования свай с жесткой арматурой рекомен­ дуется принимать в пределах 10—12%, при содержании арматуры более 15% возможно отслаивание бетона. Такую сваю следует рас­ сматривать как стальную конструкцию, бетон же в ней или рабо­ тает отдельно, или служит изолирующим материалом. Толщина защитного слоя в сваях с жесткой арматурой принимается не ме­ нее 5 см.

В соответствии с нормами проектирования строительных кон­ струкций (СНиП) расчет сварной крепи на изгиб производят по методу предельных состояний. Несущая способность сечения опре­ деляется исходя из разрушающего усилия, а безопасность работы конструкции обеспечивается тем, что допустимая величина усилия, действующего на сваю в условиях эксплуатации, принимается ни­

где N — усилие в сечении (например, изгибающий момент), зави­ сящее от нормативных нагрузок, расчетной схемы и коэффициента перегрузки; Ф — расчетная несущая способность сечения, являю- * щаяся функцией геометрических размеров и упруго-пластической характеристики сечения S, нормативных сопротивлений материалов R’6 и R"a, коэффициентов однородности k§ и ka, коэффициентов ус­

ловий работы те, т и та.

Если неравенство (IV. 15) соблюдается, то прочность конструк­ ции обеспечена.

Рассмотрим работу свай в откосах, деформации которых вызы­ вают действие изгибающих моментов. Несущая способность типо-

114

вых железобетонных свай обычно указана в паспорте, выдаваемом заводом-изготовителем на каждое изделие. Зная несущую способ­ ность сваи и величину изгибающего момента, определяем числа свай, необходимое для укрепления. В зависимости от характера деформации уступа величина изгибающего момента приобретает различные значения. Если сдвиг образуется по слабому прослокг небольшой мощности, а сама призма обрушения монолитна, то максимальный изгибающий момент определяется по формуле (см.

рис. IV. 9, б).

где F — давление призмы обрушения, тс; т — мощность слабого прослоя, м.

В слоистых и трещиноватых породах в результате взаимного перемещения отдельных блоков пород внутри призмы возможного обрушения возникает изгибающий момент, величина которого за­ висит от вертикальной мощности призмы возможного обрушения и определяется из выражения

М = Fhlt тс-м, (IV.17)

а в однородном уступе при расчетной поверхности скольжения, за­ канчивающейся вертикальной трещиной отрыва,

шпунтовой стенке. Такой характер разрушения пород верхней бров­ ки уступа прослеживается на моделях слоистых откосов. Наиболее неблагоприятные условия для работы свай возникают при ополза­ нии пород перед свайным рядом и обнажении их на всю глубину до поверхности скольжения (рис. IV. 11, а). Сваи рассчитываются на максимальный изгибающий момент, их свободные концы анкеруются. Анкеры устанавливаются вне зоны сдвига и соединяются со сваями тяжами.

Если заглубление замка сваи в ненарушенный массив обеспе­ чивает ее устойчивость, то схему работы сваи можно представить как работу балки с заделанным концом, загруженной сплошной не­ равномерной нагрузкой. Свая с анкером в верхней части рассмат­ ривается как балка на двух опорах, загруженная также сплошной неравномерной нагрузкой. Торца величина изгибающего момента определится по формуле

2

Р и с . I V .И . С х е м а р а бот ы св аи в о п о л зн ев о м

уст у п е :

а— план и профиль уступа с расположением свай; б —

поперечное сечение сваи-оболочки; / — трещина отрыва; 2 — сжатая зона

Расчет нетиповых железобетонных свай-оболочек с арматурой, равномерно распределенной по окружности (рис. IV, 11,6) произ­ водится исходя из условия прочности сваи при изгибе [59]:

(см. табл. IV. 6); Ra — расчетное сопротивление сжатию бетона при

Если aSsO,75, то прочность сечения проверяется по условию

(IV. 22) при ЛОК= 0,645.

116

Требуемая площадь сечения продольной арматуры при задан­ ных размерах кольцевого сечения сваи определяется по формуле

где а — табличный коэффициент (см. табл. IV. 4), зависящий от величины

При этом должно удовлетворяться условие а^0,75. Если оно не удовлетворяется, то необходимо увеличить размеры сечения или повысить марку бетона.

Рассчитав требуемую площадь поперечного сечения (суммар­ ную) и задавшись числом продольных стержней, определяют но­ минальный диаметр одного стержня (табл. IV.5).

Под действием поперечной (к оси сваи) нагрузки в определен­ ных условиях свая может быть разрушена путем среза. В этом слу­ чае используется метод расчета сечений по допускаемым напряже­ ниям. Работа железобетонных конструкций под нагрузкой прини­ мается упругой, а зависимость между напряжениями и деформа­ циями— линейной (по закону Гука). Допуская равенство дефор­ маций арматуры и бетона, железобетон рассматривается как одно­ родный упругий материал, для которого справедлива зависимость

Отсюда

== поа>

где Еа и Еб — модуль упругости соответственно арматуры и бе­ тона.

Каждую единицу площади сечения бетона можно условно при­ равнивать к п единицам площади арматуры и привести материал бетона к материалу арматуры, взяв вместо площади бетона Ss

117

площадь арматуры nS§. Приведенное сечение определяется из фор­ мулы

С*Пр ___ О

£а

Такое приведенное сечение рассматривается как однородное, со­ стоящее из упругих материалов с одним и тем же модулем упру­ гости. Дальнейший расчет производится по обычным формулам

туры.

В практике коэффициент армирования сваи иногда (чаще при жесткой арматуре) превышает 15%• При этом основную нагрузку несет арматура, а сваи рассчитываются как стальные конструкции.

Расчет изгибаемых свай производится по формулам:

М < oW;

распределения их на укрепляемом участке, при монолитной приз­ ме возможного обрушения определяется по формуле

т

где В — длина укрепляемого участка, м; т — общее число свай, шт. Давление горных пород будет восприниматься сваями только в том случае, если сползающий массив сохранит свою монолитность, Это условие находится в прямой зависимости от расстояния между

сваями.

При оползнях откосов, сложенных глинистыми породами, сваи

клин породы, который будет оказывать сопротивление проталки­ ванию оползневых масс между двумя сваями (рис. IV. 12).

119

Обтеканию свай породой препятствует сила сопротивления

Е — 2lhjj0, тс,

где 1=1,5 d — ширина боковой грани уплотненного клина породы перед сваей, м; hx— высота уплотненного клина, равная длине сваи в пределах призмы оползания, м; d — диаметр сваи, м; то—■ предел ползучести, величина которого для различных глинистых

пород составляет 45—60% от максимального сопротивления сдви­ гу [74].

Из двух значений а принимается меньшее.

При отсутствии сцепления между частицами или при малых его значениях возможно образование осыпей между сваями. В этом случае эффективность свайной крепи можно повысить, увеличив сцепление в породах верхнего слоя откоса путем цементации или битумизации.

Некоторые разновидности пород (аргиллиты, алевролиты, гли­ ны) под воздействием внешних факторов интенсивно выветрива­ ются. Укрепление таких пород сваями производится в сочетании с дополнительными мероприятиями, торкретированием, битумиза­ цией, смолизацией, предназначенными для изоляции поверхности

120