тирования и монтажа могут образоваться трещины.

Погружение шпунтов в грунт производится различными методами: вибропогружение, ударный метод, метод вдавливания или завинчивания.

Шпунтовые ограждения следует проектировать на основании:

–имеющихся данных и результатов инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, выполненных на момент нового строительства;

–данных, полученных в результате обследования и характеризующих конструктивные особенности и состояние существующих зданий и сооружений, а также стабилизацию деформаций грунтов оснований сооружений за период ихэксплуатации по результатам наблюдений или расчету;

–данных о параметрах колебаний грунта, зданий и сооружений, вызываемых забивкой или вибропогружением свай и шпунта;

–технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений.

2.3.Методы расчета ограждений котлованов и защиты от подтопления

Определение активного и пассивного давлений грунта на ограждение котлованов аналогично определению активного и пассивного давлений грунта на подпорные стены. Данные вопросы были уже подробно рассмотрены в курсе «Геотехника».

17

Приближенный метод расчета устойчивости ограждения

Данный метод заключается в том, что длина ограждения должна быть такова, чтобы соблюдалось условие

Расчет производится в следующем порядке. Строятся эпюры активного и пассивного давлений грунта (рис. 2.6). В выражения для определения активного и пассивного давлений подставляются средневзвешенные значения удельного веса γср, угла внутреннего трения φср и удельного сцепления грунтов сср, залегающих в пределе толщи (H + t):

Сила активного давления равна площади эпюры активного давления грунта и вычисляется

как:

– площадь прямоугольного треугольника при отсутствии полезной нагрузки по бровке котлована:

– площадь прямоугольной трапеции при наличии полезной нагрузки по бровке котлована:

а б

Рис. 2.6. Расчетная схема: а — случай с нагрузкой по бровке котлована; б — без нее

Момент опрокидывающей силы и плечо ее приложения (сила в уровне центра тяжести участка эпюры) для случая консольной стенки, представленного на рис. 2.7, а:

18

Момент удерживающей силы и плечо ее приложения для случая консольной стенки, представленного на рис. 2.7, а:

Плечо приложения опрокидывающей силы для случая раскрепленной стенки, представленного на рис. 2.7, б:

Плечо приложения удерживающей силы для случая раскрепленной стенки, представленного на рис. 2.7, б:

Рис. 2.7. Расчетная схема к определению ra и rр для консольной (а) и раскрепленной (б) стенок

В случае наличия равномерно распределенной нагрузки (см. рис. 2.6, а) центр тяжести эпюры (прямоугольной трапеции) вычисляется по формуле

Процесс расчета заключается в последовательном подборе величины t. После выполнения условия (2.7) следует определить итоговую длину стенки и ее материал.

Полная длина шпунта, м:

где величина 0,7 м — возвышение стенки над бровкой котлована.

Следует отметить, что данный способ иногда дает неточные результаты, это связано с усреднением характеристик грунта, которое плохо работает в условиях грунтов, сильно отличающихся по прочностным свойствам.

Аналитический расчет ограждающей конструкции по методу «упругой линии»

Существуют две основные схемы работы ограждающих конструкций: схема Якоби и схема Блюма — Ломейера. Основным отличием этих расчетных схем является работа конструкции в грунте. Схема Якоби (рис. 2.8) строится на предположении о том, что вся конструкция перемещается в одном направлении, испытывая пассивное давление со стороны грунта, препятствующего смещению стенки. Схема Блюма – Ломейера (рис. 2.9) исходит из предположения о наличии некой точки О между низом ограждения и дном котлована, относительно которой происходит вращение заглубленной части ограждения. Вследствиечего заглубленные в основание участки стенки выше и ниже этой точки испытывают реактивное (пассивное) давление грунта σp, направленное в сторону, противоположную перемещению.

19

Строятся эпюры активного и пассивного давлений грунта для каждого инженерногеологического слоя. Так как требуемая величина заглубления стенки изначально неизвестна, эпюры строятся до уровня, заведомо превосходящего ее.

Далее ординаты эпюр σа и σр взаимно вычитаются и строится результирующая эпюра

(рис. 2.10, а).

Расчетная эпюра делится на 10–15 участков, примерно равных по высоте, которые заменяются сосредоточенными силами, численно равными площадям этих участков. Ординаты приложения сил соответствуют центрам тяжести участков эпюры (рис. 2.10, б).

По этим силам строится силовой многоугольник (рис. 2.10, г), в котором длина и направление отрезка соответствуют величине и направлению силыPi (так длина отрезка 0–1 равна P1, 0–2 — P2 и т.д.). Полюс О силового многоугольника выбирается произвольно, но его удобнее поместить:

–на одной вертикали с первой силой в случае консольной стенки;

–над серединой суммы сил активного давления в случае раскрепленной стенки. Проводятся и нумеруются лучи.

Назначается местоположение распорки или анкера в случае их наличия. Строится вере-

вочный многоугольник (рис. 2.10, в). Для этого из точки А, расположенной выше поверхности земли, проводится отрезок, параллельный лучу О–0, до пересечения с линией действия первой силы, далее из полученной точки проводится отрезок, параллельный лучу О–1, до линии действия второй силы и т.д.

Строится замыкающая веревочного многоугольника, по которой определяется глубина погружения стенки t0:

–для консольных стенок — направление замыкающей веревочного многоугольника определяется первым лучомО–0, продленным до пересечения с веревочным многоугольником; ордината полученной точки В определяет глубину погружения стенки t0;

–для раскрепленных стенок — замыкающая проводится из точки С пересечения соответствующего луча веревочного многоугольника с линией действия распорного усилия с таким

расчетом, чтобы максимальное значение ymax в верхней части было на 5–10 % больше, чем максимальная величина ymax в нижней части.

Определение величины заделки в грунт ограждения котлована

Определяется длина шпунта. По принятым расчетным схемам точка приложения силы E' и, следовательно, нижняя граница действия эпюры пассивного давления грунта справа от шпунта находятся в месте пересечения веревочного многоугольника на расстоянии t0 от дневной поверхности грунта. Полная минимально необходимая длина шпунтового ограждения определяется по формуле

где ∆t — длина участка стенки, необходимая для реализации отпора грунта, суммарная величина которого равна E′p. Величина E′p измеряется на силовом многоугольнике, при этом

не учитывается часть эпюры σp, расположенная ниже точки В. Величина ∆t определяется по формуле (Я.И. Будин, 1974):

– для консольных стен:

21

– для раскрепленных стен:

k' — коэффициент, учитывающий снижение интенсивности обратного отпора за счет действия сил трения грунта о стенку, направленных вверх, принимаемый по табл. 2.1.

С достаточной точностью полную глубинуt при практических расчетах можно принимать равной:

– для консольных стен:

Определение силы E′p и величины анкерной реакции R производится путем переноса

замыкающей на силовой многоугольник.

Величины изгибающих моментов равны произведению полюсного расстояния силового многоугольника на соответствующие ординаты замкнутого веревочного многоугольника в масштабе длин:

Для раскрепленных стенок вводятся корректирующие коэффициенты, учитывающие перераспределение давления грунта:

где ξ = 1,35; ξ* = 1,4.

Учет подземных вод при устройстве открытых котлованов

Наличие подземных вод в грунте оказывает существенное воздействие на ограждение котлована, дно котлована, а также стены и днище подземного сооружения.

Выделим следующие эффекты, которые может вызвать подземная вода при открытой разработке котлована с устройством ограждения и возведением подземного сооружения:

–гидростатическое давление на дно разработанного котлована, на выполненное ограждение котлована, а после возведения конструкций — на днище и стены подземного сооружения;

–механическая суффозия грунтов под действием фильтрационного потока при гидродинамическом воздействии;

–эффект гидравлического выпора грунтов дна котлована;

–эффект взвешивания частиц водопроницаемого грунта;

–снижение сцепления для большинства водопроницаемых грунтов.

22

где γw — удельный вес воды, равный 10 кН/м3; hw — высота напорного столба воды, м.

В случае, если грунт дна котлована представлен водонасыщенными песчаными грунтами или глинистыми грунтами текучей консистенции, а заделка ограждения не доведена до водоупорного слоя, возможен эффект выпора грунтов под действием гидростатического давления.

На рис. 2.11 представленасхема выпирания грунтов дна котлована при гидростатическом давлении.

Рис. 2.11. Схема выпирания грунтов дна котлована при гидростатическом давлении

В зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки давление воды на ограждение котлована можно свести к тремслучаям. На рис. 2.12 приведены эпюры давления воды в зависимости от возможных случаев расположения водопроницаемых и водоупорных грунтов.

Рис. 2.12. Различные варианты гидрогеологических условий:

а — граница водоупора выше дна котлована — давление линейно возрастает с глубиной до водоупора; б — водоупор ниже дна котлована — давление линейно возрастает с глубиной до дна котлована, затем пассивное давление воды компенсирует рост активного давления, общее давление остается постоянным; в — уровень грунтовых вод расположен ниже дна котлована— пассивное давление воды компенсирует активное давление, общее давление равно нулю

23

При возведении фундамента подземного сооружения ниже уровня подземных вод сооружение рассчитывается на всплытие по условию

где ∑P — сумма всех постоянных и длительно действующих временных вертикальных расчетных нагрузок с соответствующими коэффициентами надежности, кН;

S — площадь подошвы сооружения, м2;

Hw — расстояние от уровня подземных вод до подошвы фундамента сооружения, м; γw — удельный вес воды, 10 кН/м3;

γf — коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,2.

Вслучае, если низ ограждения котлована не доведен до водоупорных грунтов (Kф ≥

≥0,00001 м/сут, или IL ≤ 0,25), необходимо проверить грунты дна котлована на гидродинамическое воздействие восходящего фильтрационного потока (механическую суффозию) по условию

где γf — коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,2;

I — градиент гидравлического напора в восходящем фильтрационном потоке на выходе

вкотлован.

Вслучае, если вышележащий водоупорный грунт дна котлована подстилается водопроницаемым слоем грунта с напорными водами, необходимо выполнить проверку на гидравлический прорыв грунтов дна котлована:

где H0 — расчетная высота напора воды от подошвы водоупорного слоя грунта до максимального уровня подземных вод, м;

γ1 — средневзвешенное значение удельного веса грунтов проверяемого и вышележащих слоев, кН/м3;

h0 — расстояние от дна котлована до подошвы водоупорного слоя грунта, м.

24