14.2. Основные размеры котлованов. Обеспечение устойчивости стенок котлованов.

К основным размерам котлованов относятся размеры дна кот­лована в плане, размеры котлована поверху и его глубина.

Размеры дна котлована в плане назначаются в соответствии с проектными размерами фундамента и с учетом способа производ­ства работ, необходимого пространства для их выполнения, с уче­том пространства для устройства креплений стенок котлована и установки опалубки, а так­же размещения при необхо­димости установок для осу­ществления водопонижения.

Размеры котлована повер­ху складываются из размеров дна котлована и ширина от­косов или конструкций креп­ления его стенок.

Глубина котлована опре­деляется в зависимости от глубины заложения фундаме­нта и наличия дополнительных устройств (песчаной подушки, пла­стового дренажа и т. п.).

В зависимости от свойств грунта, глубины выработки и наличия подземных вод стенки котлованов либо крепят, либо придают им естественный откос.

Котлованы с естественными откосами устраивают в сухих и мало­влажных устойчивых грунтах. При глубине котлована до 5 м крутизну откоса можно не рассчитывать, а в зависимости от грунтовых условий назначать по табл. 14.1 (за крутизну откоса принимается отношение высоты откоса h к его заложению b, как показано на рис. 14.1).

Рис. 14.1. Котлован с естественными откосами:

1 — дно котлована; 2 — очертание будущего фундамента; 3 — вынутый грунт

Таблица 14.1. Наибольшая крутизна грунтовых откосов

Грунты	Наибольшая крутизна откосов при глубине котлована, м до
	1,5	3	5
Насыпные	1:0,67	1:1	1:1,25
Песчаные и гравийные влажные (ненасыщенные)	1:0,5	1:1	1:1
Глинистые:
супесь	1:0,25	1:0,67	1:0,85
суглинок	1:0	1:0,5	1:0,75
глина	1:0	1:0,25	1:0,5
Лессы и лессовидные сухие	1:0	1:0,5	1:0,5
Моренные:
песчаные, супесчаные	1:0,25	1:0,57	1:0,75
суглинистые	1:0,2	1:0,5	1:0,65

При глубине котлованов более 5 м крутизна откосов принимает­ся по расчету.

Котлованы с естественными откосами наиболее просты, однако при этом резко увеличивается объем земляных работ, особенно при глубоких котлованах небольшой ширины. Кроме того, отрывка котлованов с естественными откосами не всегда возможна из-за стесненности условий строительной площадки, например при близ­ко расположенных зданиях и сооружениях.

По указанным причинам в строительной практике часто прибе­гают к устройству котлованов с вертикальными откосами, которые,

как вправило, требуют крепления боковых стенок. Устройство кот­лованов и траншей с вертикальными стенками без креплений до­пускается только в маловлажных грунтах природного сложения, если они оставляются открытыми на непродолжительный срок. Глубина таких котлованов не должна превышать величин, указан­ных в табл. 14.2.

Таблица 14.2. Наибольшая глубина выемок с вертикальными стенками

Грунты	Наибольшая глубина выемки, м
Дресвяные, гравийные, песчаные и пластичные супеси	1,0
Супеси твердые, суглинки и глины мягкопластичные	1,25
Суглинки и глины:
тугопластичные	1,5
полутвердые	2,0
твердые	3,0

При большей глубине котлованов, а также при наличии подзем­ных вод их стенки выполняются с различными креплениями. Конст­рукции креплений котлованов выбирают в зависимости от их глуби­ны, свойств грунтов, уровня подземных вод и сроков эксплуатации конструкции.

В сухих и маловлажных грунтах при глубине котлована до 2...4 м используют закладное крепление (рис. 14.2, а, 6), которое состоит из стоек, распорок и горизонтальных досок (забирки). Доски заводят за стойки снизу по мере углубления котлована или траншеи, а стойки постепенно заменяют на более длинные, тщательно рас­крепляя их распорками. Стойки устанавливают по длине выемки на расстоянии 1,5...2 м одна от другой, распорки — через 0,6...0,7 м по высоте. Иногда вместо деревянных применяют инвентарные те­лескопические распорки из металла.

Рис. 14.2. Крепление вертикальных стенок выемок:

а, б — закладное; в — анкерное; г — подкосное; 1 — стойка; 2 — доски; 3 — рас­порка; 4 — свайка; 5 — стяжка; 6 — подкос

Более удобное и простое закладное крепление, не требующее замены стоек по мере заглубления выемки, состоит из предварите­льно забитых в грунт двутавровых стальных балок, за полки кото­рых постепенно закладываются доски (рис. 14.2, б).

В тех случаях, когда исключается возможность установки рас­порок (при разработке котлованов шириной более 4 м, а также если распорки мешают возведению фундаментов), применяют анкерные и подкосные крепления.

Для устройства анкерных креплений (рис. 14.2, в) вдоль стенки котлована забивают наклонные свайки, которые соединяют анкерны­ми тягами из проволоки или двух досок со стойками крепления. В подкосном креплении (рис. 14.2, г) стенки удерживаются подкосами, передающими сдвигающее усилие на упор, забиваемый у их основания.

Для глубоких котлованов с вертикальными стенками, а также при наличии подземных вод, имеющих уровень выше дна кот­лована, применяют шпунтовые ограждения, поскольку они не толь­ко обеспечивают устойчивость стенок котлована, но и защищают его от затопления водой со стороны стенок. Шпунтовые ограждения состоят из отдельных элементов (шпунтин), которые погружаются в грунт еще до разработки котлована и образуют прочную водонеп­роницаемую стену. Шпунтовые стенки могут быть деревянными, стальными и железобетонными.

Деревянные шпунтовые ограждения (дощатые и брусчатые) при­меняют для крепления неглубоких котлованов (3...5 м). Дощатый шпунт изготовляют из досок толщиной до 8 см, брусчатый — из брусьев толщиной от 10 до 24 см (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Деревянное шунтовое ограждение: а—из досок; б—из брусьев; в — нижний конец деревянной шпунтины

Длина шпунтин определяется глубиной их погружения, но, как правило, не превы­шает 8 м, поскольку более длинный лес дорогой и дефицитный. Для плотного смыкания шпунтин, обеспечивающего водонеп­роницаемость ограждения, их снабжают гребнем и пазом, а нижний конец делают с од­носторонним заострением. При такой форме конца гори­зонтальная составляющая ре­активного давления грунта прижимает погружаемую шпунтину к уже погруженной, что делает стенку более плотной. Дополнительному уплотнению стенки способствует и постепенное разбухание древеси­ны в воде.

Деревянный шпунт забивают в грунт облегченными молотами или вибропог­ружателями. Деревянное шпунтовое ограждение отличает простота изготов­ления, однако невозможность забивки шпунтин в плотные грунты, небольшая длина шпунтин (6...8 м) и относительно малая прочность ограничивают область его применения неглубокими котлована­ми в слабых грунтах.

Вертикальные стенки котлованов глу­биной более 5...6 м крепят, как правило, металлическим шпунтом, обладающим большой прочностью и жесткостью. Металлический шпунт представляет собой прокатную конструкцию плоского, корытного или Z-образного профиля дли­ной от 8 до 22 м (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Профили прокатного стального шпунта:

а — плоский; б — корытный; в — Z-образный

При необходимости шпунтины можно наращивать, доводя их длину до 35...40 м. Для этого стыки между шпунтинами перекрывают накладками на сварке или заклепках. Связь между шпунтинами по вертикали осуществляется при помо­щи замков сложной формы. Конструкция замков обеспечивает плотное и прочное соединение шпунтин между собой. Небольшие зазоры, имеющиеся в замках, быстро заиливаются, и металлическая шпунтовая стенка становится практически водонепроницаемой.

Погружается металлический шпунт паровоздушными или ди­зельными молотами и вибропогружателями. После окончания зем­ляных работ металлический шпунт извлекается из грунта для даль­нейшего использования.

Железобетонный шпунт часто применяют при постройке набе­режных, причалов и в других случаях, когда он может исполь­зоваться в качестве несущего элемента фундамента.

Наряду со шпунтовым ограждением крепление стен глубоких котлованов может быть решено в виде сплошного ряда из железобе­тонных забивных или буронабивных свай. В связных грунтах и при отсутствии подземных вод более экономично располагать сваи с некоторым расстоянием между ними (разреженный ряд свай). Такой способ крепления вертикальных стен котлованов, методика расчета которого разработана на кафедре механики грунтов, осно­ваний и фундаментов МИСИ, успешно применен при строительстве ряда объектов Карагандинского металлургического комбината.

В зависимости от разме­ров котлована и грунтовых условий шпунтовые стенки устраивают без креплений (консольные шпунтовые стен­ки), с распорным и анкерным креплением (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Схемы шпунтовых ограждений:

а - консольное; б - с распорным креплением; в - с анкерным креплением; 1- шпунтовая стенка; 2 - распорка; 3 - обвязка; 4 - ан­керная свая;

5 - анкерная тяга

Консольные стенки приме­няют при относительно неглу­боких котлованах (до 5 м). Устойчивость такой стенки обеспечивается погружением шпунтин ниже дна котлована на необходимую глубину. До­стоинством консольных сте­нок является отсутствие кон­струкций, загромождающих котлована, что облегчает про­ведение земляных и, других видов работ. Однако, работая как консоль, такие стенки ис­пытывают значительные из­гибающие моменты от давления грунта, поэтому должны иметь достаточно мощное поперечное сечение. Для устройства консоль­ных стенок используется, как правило, стальной шпунт корытного профиля. Распорные крепления применяют при ширине котлована до 15 м. В зависимости от глубины котлована они могут быть с одним ярусом распорок, с. двумя и т. д. Распорки устанавливают по мере углубления котлована, расстояние между распорками по высоте определяется расчетом, но исходя из удобства разработки грунта должно быть не менее 1...1,5 м.

При более широких котлованах или когда крепления распорного типа мешают производству работ, применяют анкерное крепление. Анкерные крепления представляют собой анкерные тяги, пере­дающие усилия от шпунта на анкерные сваи, забитые за пределами котлована, или на заглубленные за пределами возможной призмы обрушения анкерные устройства.

Применение креплений распорного и анкерного типа увеличива­ет устойчивость шпунтовой стенки, уменьшает возникающие изги­бающие моменты и ее горизонтальные смещения, что позволяет делать стенки более легкими.

Расчет шпунтовых ограждении. Шпунтовые стенки рассчитыва­ются по первой группе предельных состояний. Если необходимо, проверяют также и общую устойчивость стенки, т. е. ее устой­чивость вместе с массивом грунта на сдвиг вдоль поверхности (обычно круглоцилиндрической), расположенной вне пределов си­стемы «шпунт — анкерное устройство».

Рис. 14.6. Работа безанкерной шпунтовой стенки:

а — действующие силы; б — фактическая эпюра давления грунта; в — эпюра давления грунта, принятая в расчете; 1 — активное давление; 2 — пассивное давление; 3 — пре­дельное активное давление; 4 — предельное пассивное давление

Большинство применяемых на практике методов расчета шпун­товых стенок базируются на классической теории предельного рав­новесия грунтов (см. гл. 6), их принято называть классическими методами. Классические методы были разработаны для определе­ния размеров безанкерных стенок или же заанкеренных, но име­ющих некоторое горизонтальное перемещение в точке анкеровки. Примененные для расчета сооружений такого типа, они дают в бо­льшинстве случаев удовлетворительные результаты с точки зрения обеспечения безопасности, но иногда завышенные, что касается изгибающих моментов. При расчете шпунтовых стенок, не име­ющих подвижки в точке анкеровки, эти методы могут серьезно недооценивать усилия в анкерах, что необходимо учитывать при проектировании, вводя в расчет анкеров повышенный коэффициент запаса.

Безанкерные шпунтовые стенки. Задача расчета безанкер­ной шпунтовой стенки состоит в определении глубины ее забивки, усилий, действующих в стенке, и размеров поперечного сечения шпунта.

При расчете безанкерных шпунтовых стенок принимается, что под действием активного давления грунта стенка со свободным верхним концом поворачивается относительно неподвижной точки О, расположенной на некоторой глубине t_o ниже дна котлована (рис. 14.6, а). Выше точки О с наружной стороны стенки действует пассивное давление грунта, а с внутренней — активное, ниже точки .0 — наоборот. Устойчивость стенки обеспечивается вследствие уравновешенного активного и пассивного давлений грунта с разных ее сторон.

Поскольку для развития максимального активного давления достаточно очень небольшого перемещения стенки, оно, как прави­ло, равно предельному, за исключением небольшого участка, расположенного в непосредственной близости от точки вращения. Сте­пень развития пассивного давления с одной и с другой стороны стенки зависит от величины ее перемещения в значительно большей мере. В результате получается достаточно сложная криволинейная эпюра давлений грунта на стенку (рис. 14.6, б).

С целью упрощения расчета эта эпюра заменяется на более простую, построенную при следующих допущениях:

давление, действующее на стенку выше точки поворота О, являет­ся предельным активным давлением со стороны насыпи и предель­ным пассивным давлением со стороны выемки;

давление грунта на стенку ниже точки О заменяется сосре­доточенной силой Е'_p, приложенной в точке О, как показано на рис. 14.6, в.

Задача становится статически определимой с двумя неизвест­ными t_o и Е'_p, которые находятся из уравнений равновесия. Равнове­сие моментов относительно точки О приводит к уравнению третьей степени относительно t_o ; t_o, будучи определена, позволяет найти Е'_p из уравнения равновесия горизонтальных сил.

Поскольку t_o определена из условия предельного равновесия, полная глубина забивки стенки t, обеспечивающая запас ее устой­чивости, определяется как

t = t_o +  t , (14.1)

где  t — длина участка стенки, необходимая для реализации обрат­ного отпора грунта Е'_p, определяемая по формуле

 t = Е'_p / [2q_t0 ( _р - _а )], (14.2)

где q_t0 — вертикальное давление грунта на глубине приложения

силы Е'_p;  _р и _а— коэффициенты пассивного и активного давления грунта, соответственно равные  _р = tg² (45° + /2); _а = tg² (45°-  /2) (см. § 6.5).

На практике чаще всего составляется только одно уравнение моментов, не содержащее Е'_p, и определяется t_o, а полная заделка шпунтовой стенки в грунт принимается равной t = 1,1 t_o .

Дальнейший расчет состоит в определении усилий, действующих в стенке, и подборе ее сечения.

Отметим, что при расчете безанкерных шпунтовых стенок актив­ное и пассивное давления грунтов определяются без учета сил трения, возникающих между стенкой и грунтом. В настоящее время это считается общепринятым и обеспечивает необходимый запас устойчивости стенки.

Заанкеренные шпунтовые стенки. Задача расчета состоит в определении необходимой глубины заложения стенки ниже дна котлована, усилий, действующих в стенке и анкерах, а также раз­меров поперечного сечения стенки и анкеров.

В зависимости от жесткости стенки и условий ее заделки используются две расчетные схемы, приведенные ниже. Критери­ем, по которому оценивается жесткость стенки, является от­ношение d_av / t. Здесь d_av — при­веденная высота сечения стен­ки:

d_av =  12 I / D (14.3)

где I — момент инерции сече­ния, м⁴; D — ширина шпунтины, м; t — глубина заложения стенки, м.

При d_av / t  0,06 считается, что стенка имеет повышенную жест­кость и ее следует рассчитывать по схеме «свободного опирания». Как правило, это стенки из железобетонного шпунта, буронабивных свай, свай-оболочек и т. п. Стенки из металлического шпунта обыч­но рассчитывают по схеме «заделанной стенки».

Свободно опертая стенка. Расчет шпунтовой стенки по схеме свободного опирания (схема Э. К. Якоби) исходит из предположе­ния, что в момент потери устойчивости стенка под действием сил активного давления грунта Е_a со стороны, противоположной котло­вану, будет поворачиваться вокруг точки крепления анкера (рис. 14.7, а). При этом смещение заделанной части стенки в сторону котлована приведет к выпору грунта и возникновению соответствующего реак­тивного (пассивного) давления Е_p. Упрощенная расчетная схема, соответствующая вышеизложенному, показана на рис. 14.7, б.

Рис. 14.7. Расчет заанкеренной стенки по схе­ме Э.К. Якоби:

а — схема работы стенки; б — расчетная схе­ма

Приняв точку крепления анкера О неподвижной, длину заделки t_o , обеспечивающую статическое равновесие стенки, и усилие в ан­кере R определяют из уравнений равновесия

 M_o= 0; E_p (L + 2t_o/3) - 2E_a (L + t_o) /3 = 0;

 X = 0; E_p + R – E_a = 0

Пассивное давление грунта E_p определяют с учетом сил трения между стенкой и грунтом по формулам § 6.5. За расчетное значение заделки принимают t = (1,15...1,2) t_o.

Заделанная стенка (схема Блюма—Ломейера). Расчет заанкеренного шпунта методом Блюма — Ломейера, называемым также методом упругой линии, ведется в предположении, что нижний участок забитой части стенки полностью защемлен в грунте. Диа­грамма усилий, действующих на стенку, строится на основании упрощающих допущений, аналогичных принятым для расчета бе­занкерных стенок:

• пассивное давление со стороны насыпи заменяется сосредоточен­ной силой Е'_p, приложенной в точке О;

• точка О расположена на расстоянии 0,2t_o от нижнего конца стенки (рис . 14.8);

• давление, действующее на стенку выше точки О, яв­ляется предельным актив­ным давлением со стороны насыпи и предельным пас­сивным давлением со сто­роны выемки.

Рис. 14.8. Расчет заанкеренной стенки по схеме Блюма—Ломейера:

а — схема работы стенки; б — расчетная схема

Таким образом, пробле­ма содержит три неизвест­ные: t, R (усилие в анкере) и Е_p, в связи с этим решение не может быть найдено, как это было сделано в пред­ыдущем случае, только из уравнений равновесия, поэтому нужно найти какое-то добавочное условие. Таким добавочным условием при расчете по методу упругой линии является равенство нулю угла поворота защемленного участка, что означает вертикальность касательной к упругой линии стенки в точке О.

Расчет производится методом последовательных приближений. Сначала принимается какое-то значение t и определяется положение точки О. Из уравнений равновесия находят R и Е'_p , строят эпюру изгибающих моментов выше точки О и путем двойного интег­рирования — упругую линию стенки (две постоянные интегрирова­ния определяются из условия, что точка анкеровки и точка О явля­ются неподвижными, перемещения в этих точках равны нулю). Затем рассчитывают поворот в точке О, который с первой попытки, как правило, не получается равным нулю. Расчет повторяют с дру­гим значением t, и так до тех пор, пока не получат вертикальную касательную. Дальнейший расчет заключается в построении эпюры изгибающих моментов и определении М_max, по которому проверя­ют и при необходимости изменяют сечение шпунта.

Рассмотренные аналитические методы расчета шпунтовых сте­нок требуют большого объема вычислений, особенно в случае неоднородных оснований, когда эпюра давления грунта приобрета­ет сложное очертание. Сократить объем вычислений можно прибег­нув к графоаналитическому методу расчета, подробно изложенному в гл. 20 Справочника проектировщика.

Для расчета шпунтовых стенок используется также метод мест­ных упругих деформаций, называемый методом коэффициента по­стели, основные положения которого приведены в § 5.2. Будучи методом, базирующимся на наиболее простой гипотезе, касающей­ся поведения грунта под нагрузкой, он нашел широкое применение для расчета гибких незаанкеренных консольных подпорных и шпун­товых стенок. Недостатком этого метода является неопределен­ность при назначении основной расчетной характеристики мето­да — коэффициента постели грунта.

Современные расчетные средства позволяют не только опреде­лить параметры шпунтовой стенки, обеспечивающие ее статическое равновесие при полностью отрытом котловане, но и провести ана­лиз напряженно-деформированного состояния стенки по мере ее отрывки. Производится такой анализ методом конечных элемен­тов, основы которого изложены в гл. 8.