Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения»

Рис 8. К определению формы предельных равноустойчивых откосов

Горизонтальную поверхность равноустойчивого откоса может нести равномерно распределенную нагрузку, определяемую по фор-

муле: Р0 =2 с соs φ (1 – sin φ).

Если рассматривать эту нагрузку как давление слоя грунта, полагая Р0 = γ h, то получим выражение:

Для откосов сложенных разнородными грунтами, обладающих внутренним трением и сцеплением, широко применяют метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

21

Рис. 9. Определение устойчивости откоса методом круглоцилиндрических поверхностей

Из всех возможных центров вращения определяется один, при котором устойчивость откоса минимальна. Принимают центр круглоцилиндрической поверхности вращения сползающей призмы грунта на откосе в произвольной точке С (рис. 9).

Проводят окружность радиусом R, например через нижнюю бровку откоса в точке А. Разбивают призму вращения АВС вертикальными сечениями на ряд секций длиной 1 м и принимают вес каждого отсека в середине дуги секции. Считают, что давление соседних отсеков уравновешиваются. Раскладывают силы веса отсеков на направление радиуса вращения, проведенного через середину дуги отсека, и ему перпендикулярное, т.е. касательное к окружности. Тогда уравнение равновесия выражается: Σ Мо = 0,

ΣТi R – ΣNi tgφ R + сLR = 0.

Сокращая это выражение на R, получим:

ΣТi – ΣNi tgφ + сL = 0,

где Тi и R – составляющие силы от веса отсека, определяемые по

где φ, с – угол внутреннего трения и сцепления грунта; L – длина дуги скольжения АС.

Тогда коэффициент устойчивости откоса (k) определяется по формуле:

k = Nitgϕ L .

Ti

22

Затем принимают новый центр вращения, и расчет повторяют, определяя величину k. Для уменьшения числа попыток существуют некоторые правила, например, рекомендации по выбору центра вращения, приведенные на рисунке 3.

На практике часто определяют необходимое по условию устойчивости сцепление, соответствующее предельному равновесию по условию сцепления заданного откоса:

с = Тi − Nitgϕ . L

Из всех рассчитанных центров вращения выбирают тот, для которого требуется максимальная величина сил сцепления. Этот центр принимается за наиболее опасный и для него по вышележащей формуле вычисляют коэффициент устойчивости k, который должен быть не менее 1,1 – 1,5.

Метод круглоцилиндрических поверхностей является несколько приближенный и дает несколько завышенные результаты.

Некоторые усовершенствования и упрощения дает метод проф. Г.И. Тер-Степаньяном и проф. М.Н. Гольдштейном, которые рекомендуют определять k по формуле:

k = А tgφ + γcBh ;

А и В – коэффициенты, зависящие от геометрических размеров сползающей призмы, выраженные в долях от высоты откоса h (таблица 1). По этой формуле определяем предельную высоту откоса h при принятом коэффициенте устойчивости:

cB

h = γ (κ − Atgϕ ) .

23

Если принятый откос неустойчив, согласно выполненным расчетам, то следует уменьшить градиент нагрузок (уменьшить крутизну откоса, уменьшить внешние нагрузки на откос), выполнить регулирование водного режима грунтового массива (устроить поверхностный водоотвод и спрямить водотоки, применить дренаж для осушения склона). Если эти меры окажутся недостаточными следует рассмотреть вопрос об ограждении котлованов, например, шпунтовой стенкой.

3.4 Простые и комбинированные способы крепления вертикальных стенок котлована и траншей

Облицовка котлованов и траншей может быть выполнена следующим образом:

1)вертикальные несущие стойки, пространство между которыми облицовывается горизонтальными элементами. Крепление устанавливается после выемки грунта из котлованов и траншей без предварительного закрепления стенок;

2)вертикальные подпорные конструкции. Крепление состоит из вертикально располагаемого шпунта, который устанавливается до отрывки котлована или параллельно с выемкой грунта и раскрепления горизонтальными распорками или специальными свайными насадками;

3)несущие шпунтовые стенки. Сооружается из вертикального несущего шпунта, который вбивается в грунт до его выемки, а затем раскрепляется горизонтальными распорками. Возможно анкерное крепление шпунта;

4)крепление специальными плитами. Облицовка стенок котлована осуществляется специально изготовленными большеразмерными

24

плитами, установленными сразу после выемки грунта. Их крепление осуществляется вертикальными или горизонтальными несущими элементами, которые дополнительно раскрепляются распорками.

При креплении стенок котлована горизонтальными элементами рис. 7, конструкция которых состоит из:

1.горизонтальных – деревянных, металлических или ж/б элементов;

2.вертикальных стоек, выполняемых из круглых деревянных стоек или стальных балок;

3.горизонтальных или наклонных распорок из деревянного кругляка или брусьев, стальных балок или из винтовых распорок при узких траншеях;

4.элементов, обеспечивающих местную жесткость конструкции, состоящую из дополнительных стоек и распорок.

Можно назвать следующие преимущества крепления стоек горизонтальными элементами:

возможность устройства котлованов сложной конфигурации; небольшой вес отдельных элементов; возможность многократного использования конструкций крепления.

Имеются также и недостатки:

ограничения в применении машин из-за наличия большого количества поперечных распорок; возможность потери устойчивости стенок при снятии распорок в

процессе выполнения строительных работ; необходимость повторного обеспечения устойчивости при разборке и повторной сборке распорок.

Рис.7. Установка стоек стенки с предварительным изгибом:

а- профилирование стенок грунта; б – установка деревянных шпунтовых элементов или обшивок; 1 – несущая стойка; 2 – грунтовая стенка котлована; 3 – лекала; 4 - обшивка или шпунт; 5 клин

В соответствии с приведенной классификацией области их применения распределяются следующим образом:

1)для небольших и средних котлованов;

2)ограниченная ширина строительной площадки;

3)близкое расположение строительного грунта;

4)в условиях, исключающих возможность сотрясений.

25

Описываемые здесь типы облицовок применяются только в условиях ограниченного притока грунтовых вод, который должен располагаться ниже отметки дна котлована. Необходимое водопонижение должно осуществляться закрытым способом.

4. Шпунтовые ограждения стен котлованов

Эффективное применение способа строительства в открытых котлованах существенно зависит от грунтовых и гидрогеологических условий, глубины и площади подземной части сооружений. При этом необходимо учитывать, что в стесненных условиях строительства в открытых котлованах без ограждения его стен, из-за рядом расположенных зданий, осуществить, как правило, очень сложно. Ограждающие конструкции котлованов позволяют создать вертикальный откос и если это необходимо и технически обоснованно, то их можно использовать как постоянные, входящие в состав подземного сооружения, и временные.

К временным ограждающим конструкциям относятся распорные, подкосные и анкерные крепления. Распорки для крепления ограждений применяют обычно при небольшой ширине котлованов и траншей (не более 15 м) и устанавливаются в один, два и более ряда в зависимости от глубины котлована.

Подкосы применяют для крепления более широких котлованов, когда устройство распорок и анкеров не представляется возможным. Подкосы устанавливаются в один или два ряда по высоте.

Анкерные крепления используются в широких котлованах и не занимают рабочего пространства в котловане, не мешают при разработке грунта и устройству конструкций, имеют значительно меньшую материалоемкость.

Щитовые ограждения используются в грунтах, которые хотя бы непродолжительное время, на период установки, в сочетании с распорками или подкосами держат вертикальный откос. Щиты выполняют из досок, водостойкой фанеры или металла.

Балочные ограждения состоят из двутавров или спаренных швеллеров высотой профиля 40 – 60 см, забитых на расстоянии до 3 м друг от друга.

26

Рис.10. Балочные ограждения с распорными креплениями: 1 – упорные коротыши из швеллеров; 2 – стойки из двутавра; 3 – забирка

Пространство между вертикальными стойками обшивается горизонтальными элементами. Крепление устанавливается после выемки грунта из котлована или траншеи без предварительного закрепления стенок (рис. 10).

Временные шпунтовые ограждения устраивают из деревянного или металлического шпунта, постоянные – из железобетонного шпунта (рис.11).

Рис.11. Постоянное шпунтовое ограждение:

а – железобетонная шпунтовая свая для криволинейных участков в плане; б–железобетонная шпунтовая

свая для прямоугольных участков в плане

Ниже уровня грунтовых вод для исключения проникновения воды через ограждения шпунтовые стенки делают не только прочными, но и водонепроницаемыми. Металлический применяют из шпунта плоского, корытообразного и Z-образного (рис. 12).

27

Рис. 12. Профили металлического шпунта: а – плоский; б – корытный; в – корытный типа «Ларсен»; r – Z- образный

Плотность стенки из стального шпунта обеспечивается достаточно быстрым заилением его пазов и стенка становится практически водонепроницаемой. Если водоупорный слой находится близко от дна котлована, то шпунт заглубляют не менее чем на 1 м в этот слой, что значительно уменьшают приток воды в котлован. Толщина плоской шпунтовой стенки незначительна (порядка 10 мм), поэтому необходимо предусмотреть горизонтальные пояса с распорками. Стенка из корытного шпунта имеет большое сопротивление на изгиб и позволяет делать консольные ограждения без распорок и анкеров. По расчету определяют глубину забивки и подбирают пояса жесткости (рис. 13)для обеспечения шпунтовой стенки прочности и устойчивости. Шпунты забивают с помощью ударных механизмов, используя вибропогружение или вдавливание с устройством наголовников, которые имеют прокладки из твердых сортов дерева.

28

Рис.13. Заанкеренная шпунтовая стенка а- поперечное сечение; б- узел крепления анкера; 1- стойка; 2- обшивка;

3- устройство для крепления анкера; 4- инъекционный анкер; 5- обвязка из двутавров;6- консоль; 7- сварной шов; 8- два стержня; 9- анкер

Пояс и распорка из металлического шпунта

Анкеры представляют собой гладкокатанный профиль круглого сечения предварительно напряженный или стальной трос. Натяжение анкерных устройств осуществляется специальным натяжным устройством. Закрепление анкера за конструкцию стенки производят либо непосредственно за шпунт, либо за продольные балки. Инъекционное

29

крепление анкеров применяют не только при креплении шпунтовых стенок, но и при креплении обычных конструкций.

4.1 Расчет шпунтовых стенок

Шпунтовые стенки неглубоких котлованов рассчитываются по методу Блюма с использованием номограмм или ЭВМ, для многих расчетных случаев существуют готовые программы расчета. Однако точность расчета в значительной степени зависит от качества вводимых данных (геометрических параметров, от геологических характеристик грунта и их изменений в процессе работы шпунтовой конструкции).

Шпунтовые стенки рассчитываются на давление обрушающегося нескального грунта, гидростатическое и гидродинамическое давление грунтовых вод, а также на реактивные усилия, как отпор грунта, усилия от устанавливаемых анкеров и распорок в котлованах.

Рис. 14 Схема статической работы шпунтовых подпорных стенок

При расчетах шпунтовых стенок необходимо различать приведенные на рис. 14 статические расчетные схемы:

консольная шпунтовая стенка без дополнительных опор; консольная шпунтовая стенка с одной опорой по высоте; шпунтовая стенка, свободно расположенная в грунте и имеющая одну опору по высоте;

шпунтовая стенка свободно расположенная в грунте и имеющая несколько опор по высоте.

Первая схема статических систем требует надежного закрепления шпунта в грунте в неглубоких котлованах и устойчивых грунтов ниже отметки дна котлована.

По второй схеме при одной дополнительной точки опирания различают случаи полного, частичного защемления в грунте или свободного расположения в грунте без защемления в зависимости от глубины забивки шпунта в грунт. При защемлении шпунта в грунт глубина

30