6.8.5 Використання та розрахунок утримуючих протизсувних споруд

Утримуючі протизсувні споруди в системі протизсувного захисту у багатьох випадках (гориста місцевість, міська забудова та інше) є єдиними спорудами, використання яких дозволяє закріпити зсувну ділянку або збільшити стійкість схилу на зсувонебезпечній території. Методи розрахунку таких споруд засновані на гіпотезі Терцаги про епюру розподілу зсувного тиску ґрунту на споруди. Проте, як показали дослідження, епюра зсувного тиску залежить від динаміки зсуву, зміни міцнісних характеристик зсувних ґрунтів перед утримуючою спорудою, конструкції та жорсткості споруди.

Види утримуючих протизсувних споруд. Утримуючі протизсувні споруди використовуються у тому випадку, коли не представляється можливим або є економічно доцільним збільшення стійкості схилу шляхом збільшення його нахилу або іншими економічними методами закріплення. Ці споруди призначені для закріплення зсувів ковзання, зрізання або витискування, що розвиваються в схилах, де нижче за поверхню зсуву або зони деформації залягають міцні й стійкі породи, в які можуть бути введені утримуючі елементи.

Їх використовують для закріплення зсувних мас, що повільно зміщуються, або на зсувонебезпечних схилах, на яких в період будівництва поверхневі зсуви відсутні, але стійкість яких необхідно збільшити. Ці споруди використовують в тому випадку, якщо в межах можливого обвалення відкосу необхідно встановити споруди великої ваги, підрізати схил та інше.

Утримуючі протизсувні споруди відносять до основних споруд протизсувного комплексу, будівництво яких проводиться на основі обґрунтованих інженерних розрахунків, техніко-економічного зіставлення варіантів різних конструкцій із іншими протизсувними спорудами. Доцільність їхнього використання пояснюється наступним:

• стійкість схилу після зведення споруди поступово збільшується;

• виключаються великі об'єми земляних робіт, що особливо важливо для складних гірських умов;

• технологія використання паль великих діаметрів дозволяє майже повністю механізувати будівництво;

• вертикальні елементи утримуючих протизсувних споруд, що працюють на згин, після стабілізації схилу можуть використовуватися як фундаменти під будівлі різного призначення.

Метою інженерно-геологічних досліджень, що проводяться на ділянці влаштування утримуючих протизсувних споруд, є точне визначення розміщення поверхні ковзання (для зсувів із ковзання), визначення потужності та розміщення зони горизонту, що деформується (для зсувів витискування). Якщо межі порід, які не зміщуються, їх міцнісні характеристики, глибина до крівлі міцних та стійких порід невідомі, утримуючі протизсувні споруди використовувати не допускається. Це пов'язано із тим, що величини зусиль, що діють в протизсувній споруді, і, отже, його вартість в основному залежать від потужності зсуваючої товщі. В даний час успішно проведені роботи із закріплення зсувів ковзання, потужність товщі, що зсувається в межах (15–17) м. При більшій потужності зсувних накопичень вартість утримуючих споруд, що працюють на згин, різко зростає. В цьому випадку доцільно використовувати гнучкі утримуючі конструкції, що працюють на розтяг.

За характером роботи та жорсткості утримуючі протизсувні споруди поділяють на наступні види (рис. 6.24, 6.25 стрілка вказує напрям руху зсуву):

• жорсткі, такі, що не сприймають під впливом зсувного тиску інших деформацій, окрім зсуву та повороту (підпірні стіни на основі, що не зміщується, контрфорси, залізобетонні стовпи, палі-шпони, палі великого діаметру при малій довжині);

• кінцевої жорсткості, що сприймають деформацію згину (палі та залізобетонні стовпи великої довжини);

• гнучкі споруди, що не володіють стійкістю на згин, а працюють тільки на розтяг (канатні анкерні конструкції);

• споруди комбінованого типу, що складаються із елементів різної гнучкості.

При проектуванні утримуючих протизсувних споруд розраховують:

• коефіцієнт стійкості схилу разом із спорудою на поверхнях ковзання, розташованих нижче за глибину закладання утримуючих елементів та вздовж низьконесучих прошарків ґрунту, розломів та інше;

• напруження в ґрунтах, розташованих нижче існуючій поверхні ковзання;

• глибину закладання утримуючих елементів нижче за поверхню ковзання, відстань між утримуючими елементами, глибину закладання нижнього анкера та його розміри (для гнучких утримуючих споруд), а також розміщення на схилі.

а – підпірна стінка; б – залізобетонна підпірна стінка на основі палі; в –залізобетонний стовп; г – буронабивні палі, об'єднані ростверком; д – буронабивні палі із нахиленим рядом; е – палі-шпони; 1 – підпірна стінка; 2 – ґрунтове відсипання; 3 – напрям руху зсуву; 4 – горизонтальний дренаж; 5 – поверхня ковзання; 6 –залізобетонна підпірна стінка; 7 – буронабивні палі; 8 – залізобетонний стовп; 9 – дренаж між палями; 10 – ростверк; 11 – паля-шпона.

Рисунок 6.24 – Утримуючі протизсувні споруди, що працюють на згин

а, б – відповідно однорядна та дворядна гнучка анкерна споруда; в – комбінована споруда; 1 – поверхня ковзання; 2 – вантаж; 3 – верхній анкер; 4 – міцні породи; 5 – нижній анкер; 6 – зсувні ґрунти, зміцнені методами технічної меліорації; 7 – дренаж; 8 – буронабивні палі

Рисунок 6.25 – Утримуючі протизсувні споруди, що працюють на розтягування

Розрахункова схема утримуючих протизсувних споруд. Експериментальні дослідження показали, що ордината поверхневого зсувного тиску на нерухому утримуючу споруду в широкому діапазоні зсувів зростає пропорційно величині переміщення зсувних ґрунтів розташованих безпосередньо перед утримуючою спорудою (рис. 6.26).

1 – верхній шар; 2 – середній шар; 3 – нижній шар

Рисунок 6.26 – Залежність величини питомого тиску на утримуючий елемент (е) від величини зсуву ґрунтів ( )

При максимальному тиску перед протизсувною спорудою формується зона випирання, а зсувні ґрунти переміщуються через неї або обтікають утримуючі елементи, після чого тиск на споруду зменшується. Ступінь зменшення зсувного тиску залежить від величини структурної міцності ґрунту.

При зміні зсувного тиску від нуля до максимального значення (рис. 6.26), коли залежність тиску від величини переміщення зсувних ґрунтів близька до лінійної, можна припустити, що грунт працює як пружне середовище Вінклера. Коефіцієнт постелі при цьому, в загальному випадку, залежить не тільки від виду ґрунту, але і від потужності стисненої товщі та величини навантаженої площі (рис. 6.27). Точніші результати розрахунку, згідно гіпотези Вінклера, можна отримати за допомогою коефіцієнта жорсткості ґрунту, що враховує зміну осідання вздовж споруди та інші чинники.

1,2,3 – величини осідань основи при Н/а відповідно рівна 0,1; 1; 10, де H – потужність товщі, що стискається ; а –напівширина навантаженої ділянки, Е –модуль деформації грунту

Рисунок 6.27 – Зміна осідання залежно від потужності стиснено товщі

Для зсувів ковзання та витискування при невеликій потужності зони деформації, розрахункову схему однорядної утримуючої протизсувної споруди (рис. 6.28) можна представити таким чином. Якщо споруда жорстка, під тиском зсувних ґрунтів вона повертається.

1 – поверхня ковзання; 2 – епюра зміни горизонтального коефіцієнта жорсткості ґрунту по глибині; 3 – вертикальний елемент утримуючої споруди, що працює на згин

Рисунок 6.28 – Розрахункова схема однорядної утримуючої споруди, що працює на згин

Враховуючи прийняті вище припущення величину таких зсувів визначають за рівнянням

, (6.84)

де а, b – коефіцієнти, як визначаються шляхом рішення системи рівнянь, що описують рівновагу утримуючого елементу, а саме

(6.85)

Величини зсувів споруд кінцевої жорсткості включають прогин елементів під впливом зсувного тиску. Зсув однорядної споруди в цьому випадку визначають рішенням наступних диференціальних рівнянь

(6.86)

Граничні умови наступні:

(6.87)

Величину зсувів однорядної гнучкої утримуючої споруди при нерухомому нижньому анкері (рис. 6.29) визначають, рішаючи наступне диференціальне рівняння

. (6.88)

1 – нижній анкер; 2 – тяга; 3 – підготовка із крупнозернистих ґрунтів; 4 – верхній анкер (привантаження); 5 – напрям руху зсуву; 6 – поверхня ковзання

Рисунок 6.29 – Розрахункова схема гнучкої анкерної утримуючої протизсувної споруди

Рішення рівняння (6.88) дозволяє розраховувати зсув однорядної гнучкої утримуючої споруди в тому випадку, якщо попередній натяг канатів великий, а значення . При незначному попередньому натягу необхідно враховувати нахилене положення елементів канату, тоді рівняння (6.88) прийме наступний вигляд

. (6.89)

Для даного рівняння граничні умови такі:

У рівняннях (6.85–6.89) прийняті наступні позначення:

– величина поверхневого зсуву ґрунтів, що залежить від глибини перетину (х);

та – функції, що характеризують жорсткість ґрунтів в залежності від глибини х в межах зсувного блоку і нижче за поверхню ковзання в горизонтальному напрямі;

– те ж у вертикальному напрямі;

h – глибина до поверхні зсуву на ділянці влаштованої утримуючої протизсувної споруди;

та – відповідно глибина занурення вертикальних елементів утримуючих протизсувних споруд та їх поперечний розмір;

– коефіцієнт, що враховує ступінь стійкості зсувних ґрунтів, які безпосередньо примикають до утримуючої споруди із низового боку ( =2, якщо коефіцієнт стійкості зсувних ґрунтів схилу більше або рівний 1,5. Якщо стійкість зсувних блоків, що примикають до споруди, не гарантується тоді =1. У всіх інших випадках значення m береться згідно лінійної екстраполяції залежно від коефіцієнта стійкості для вказаних ґрунтів);

– жорсткість перетину вертикального утримуючого елементу (стовпа або палі);

– попередня величина натягу вантажу анкера;

– площа перетину верхнього анкера (плити) на один вантаж;

– довжина ділянки вантажу від поверхні ковзання, де є епюра опору гнучкої утримуючої споруди зсувному тиску;

– величина вертикального коефіцієнта жорсткості ґрунту на рівні підошви верхнього анкера;

– коефіцієнт тертя зсувних ґрунтів вздовж утримуючих елементів споруди.

Для розрахунку дворядних утримуючих протизсувних споруд потрібне рішення складніших систем рівнянь. Так, для розрахунку протизсувних споруд, показаних на рис. 6.24, г, використовують наступну систему диференціальних рівнянь

. (6.90)

Граничні умови для системи рівнянь (6.90) наступні:

. (6.91)

Рішення рівнянь, що описують роботу утримуючих протизсувних споруд. Для ґрунтів, горизонтальний коефіцієнт жорсткості яких із глибиною змінюється за лінійним законом (див. рис. 6.28), функції та можуть бути представлені у вигляді

, (6.92)

де та – горизонтальні коефіцієнти жорсткості ґрунту відповідно рівні на денній поверхні та поблизу поверхні ковзання в межах зсувних ґрунтів;

і – те же саме на денній поверхні ковзання та на глибині занурення вертикальних утримуючих елементів в межах стійких порід нижче за поверхню ковзання.

Інтегруючи рівняння (6.85) (для умови , коли рівняння зсувів (6.84) можна представити у вигляді ), отримаємо наступну систему рівнянь для обчислення коефіцієнтів а і b

(6.93)

Для визначення коефіцієнтів а і b в табл. 6.3 та 6.4 приведені рішення системи (6.93), отримані за умови та при та для трьох значень .

Величину моментів, що згинають, визначають згідно наступних залежностей

при ;

; (6.94)

при ; . (6.95)

При лінійній зміні горизонтального коефіцієнта жорсткості ґрунтів рівняння (6.86) в аналітичному вигляді не рішається тому потрібно використати чисельні методи. Тоді зміна коефіцієнта жорсткості ґрунтів із глибиною апроксимується наступними функціями

(6.96)

Деq₁, q₂ та a_h – для скорочення запису позначили

; (6.97)

; (6.98)

. (6.99)

Враховуючи це система рівнянь (6.86) матиме вигляд

(6.100)

Рішення рівнянь (6.100) наступне

при ;

; (6.101)

при ;

; (6.102)

де і для скорочення запису позначили наступні вирази

; (6.103)

. (6.104)

Таблиця 6.3 – Значення коефіцієнтів а та b при m=1

k2h/kh	0,8L/h	a	bh	L/h	a	bh	1,2L/h	a	bh
0,2 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,0 10,0 15,0 20,0 30,0 50,0 75,0 100,0 150,0 200,0	2,00 1,75 1,65 1,60 1,52 1,47 1,41 1,33 1,29 1,25 1,21 1,18 1,14	1,465 1,534 1,567 1,581 1,606 1,624 1,648 1,679 1,701 1,727 1,761 1,787 1,827 1,772 1,679 1,626 1,499 1,390	-0,380 -0,992 -1,075 -1,113 -1,182 -1,230 -1,296 -1,377 -1,431 -1,488 -1,555 -1,604 -1,674 -1,635 -1,571 -1,507 -1,392 -1,291	2,50 2,19 2,06 2,00 1,90 1,84 1,76 1,67 1,61 1,56 1,51 1,47 1,43 1,38 1,34 1,33 1,29 1,27	1,343 1,346 1,334 1,324 1,300 1,277 1,238 1,176 1,130 1,076 1,011 0,963 0,894 0,807 0,740 0,694 0,632 0,590	-0,669 -0,760 -0,796 -0,811 -0,831 -0,840 -0,845 -0,839 -0,827 -0,808 -0,779 -0,755 -0,718 -0,665 -0,621 -0,590 -0,545 -0,515	2,99 2,63 2,47 2,40 2,28 2,21 2,11 2,00 1,94 1,87 1,81 1,77 1,71 1,63 1,61 1,58 1,54 1,52	1,228 1,176 1,128 1,100 1,039 0,988 0.839 0,798 0,722 0,641 0,551 0,490 0,410 0,322 0,261 0,224 0,179 0,151	-0,534 -0,578 -0,586 -0,581 -0,578 -0,566 -0,541 -0,496 -0,461 -0,421 -0,372 -0,377 -0,289 -0,233 -0,193 -0,168 -0,136 -0,116
Закінчення табл. 6.3
k2h/kh	0,8L/h	a	bh	L/h	a	bh	1,2L/h	a	bh
300,0 500,0 750 1000,0 1500,0 2000,0	1,14	1,213 0,966 0,770 0,640 0,478 0,382	-1,127 -0,898 -0,716 -0,595 -0,445 -0,355	1,24 1,21 1,19 1,18 1,16 1,15	0.535 0,470 0,424 0,394 0,355 0,329	-0,462 -0,422 -0,385 -0,360 -0,327 -0,305	1,49 1,45 1,43 1,41 1,39 1,38	0,119 0,086 0,066 0,055 0,042 0,034	-0,093 -0,069 -0,053 -0,044 -0,034 -0,028

Таблиця 6.4 – Значення коефіцієнтів а та b при m=2

k2h/kh	0,8L/h	a	bh	L/h	a	bh	1,2L/h	a	bh
0,2 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,0	2,00 1,75 1,65 1,60 1,52 1,47 1,41 1,33 1,29	0,714 0,759 0,782 0,792 0,810 0,823 0,840 0,860 0,873	-0,370 -0,460 -0, 508 -0,530 -0,571 -0,600 -0,639 -0,687 -0,717	2,50 2,19 2,06 2,00 1,90 1,84 1,76 1,67 1,61	0,684 0,706 0,712 0,714 0,715 0,713 0,708 0,695 0,683	-0,327 -0,387 -0,416 -0,429 -0,450 -0,463 -0,478 -0,491 -0,496	2,99 2,63 2,47 2,40 2,28 2,21 2,11 2,00 1,94	0,644 0,644 0,636 0,630 0,615 0,600 0,574 0,532 0,499	-0,274 -0,312 -0,327 -0,332 -0,339 -0,341 -0,340 -0,329 -0,318
Закінчення табл. 6.4
k2h/kh	0,8L/h	a	bh	L/h	a	bh	1,2L/h	a	bh
10,0 15,0 20,0 30,0 50,0 75,0 100,0 150,0 200,0 300,0 500,0 750 1000,0 1500,0 2000,0	1,25 1,21 1,18 1,14 1,14	0,887 0,903 0,914 0,924 0,922 0,905 0,886 0,849 0,813 0,750 0,648 0,553 0,483 0,385 0,320	-0,749 -0,783 -0,807 -0,839 -0,843 -0,832 -0817 -0,785 -0,754 -0,696 -0,602 -0,515 -0,449 -0,385 -0,298	1,56 1,51 1,47 1,43 1,37 1,37	0,667 0,645 0,627 0,600 0,575 0,483 0,416 0,326 0,268 0,197 0,129 0,090 0,070 0,048 0,036	-0,497 -0,495 -0,490 -0,480 -0,474 -0,389 -0,344 -0,270 -0,222 -0,164 -0,107 -0,075 -0,058 -0,039 -0,030	1,87 1,81 1,77 1,71 1,60 1,60	0,461 0,414 0,380 0,331 0,311 0,235 0,189 0,136 0,106 0,074 0,046 0,031 0,023 0,016 0,012	-0,302 -0,279 -0,261 -0,233 -0,231 -0,175 -0,140 -0,101 -0,079 -0,055 -0,034 -0,023 -0,017 -0,012 -0,009

Коефіцієнти і знаходять рішенням системи алгебраїчних рівнянь, складених із врахуванням граничних умов (6.87).

Поперечні сили та згинаючі моменти, визначають шляхом диференціювання рівняння (6.101, 6.102)

. (6.105)

Для однорядної гнучкої утримуючої протизсувної споруди (див. рис. 6.29) рішення рівняння (6.88) вдається отримати, якщо нехтувати величиною тертя ґрунту до привантаження ( =0) та величиною члена , що визначає опір вертикальному переміщенню привантаження, при

, (6.106)

де для скорочення запису позначили

. (6.107)

Враховуючи вище сказане рішенням рівняння (6.89) буде

, (6.108)

де для скорочення запису позначили

; (6.109)

– загальний натяг каната тяги, яке визначається методом послідовних наближень за рівнянням

. (6.110)

Якщо в межах мас, що зсунулися, значення коефіцієнта жорсткості ґрунту може бути прийнято постійним, рішення рівняння (6.89) спрощується до вигляду

, (6.111)

де α для скорочення запису позначили

. (6.112)

Для вказаного випадку можна отримати рішення рівняння (6.89) і складніше

. (6.113)

Підставляючи, що отримаємо

; (6.114)

. (6.115)

Враховуючи дані залежності отримаємо наступне рішення рівняння (37)

. (6.116)

Постійні інтегрування визначають із відповідних граничних умов.

Рішення загальних систем рівнянь (6.90) та інших спрощується, якщо їх рішати чисельними методами із використанням ПЕОМ.

Основи інженерного методу розрахунку утримуючих протизсувних споруд. Конструкції утримуючих протизсувних споруд розраховують із врахуванням несучою здатності утримуючих елементів та ґрунту, в який вони влаштовані, а також стійкості протизсувної споруди.

Розрахунки на тріщиностійкість, або розкриття тріщин потрібні тільки в тому випадку, якщо на місці влаштування протизсувної споруди його утримуючі елементи піддаються дії агресивного середовища, здатного вплинути на міцність конструкцій.

Основним зусиллям, від яких виникає напруження в утримуючих протизсувних спорудах, є зсувний тиск від поверхневого зсуваючого тиску ґрунту.

Якщо утримуюча споруда встановлена на ділянці схилу, де зсув поверхневих ґрунтів не спостерігається, а поверхня схилу перед утримуючою протизсувною спорудою і за нею мають однакову вертикальну відмітку, то напруження в елементах такої споруди рівні нулю.

Істотне значення при розрахунку утримуючих споруд на міцність має епюра розподілу поверхневого зсувного тиску. Виходячи із прийнятих передумов, ординату епюри поверхневого зсувного тиску е(х) на глибині х перед утримуючою протизсувною спорудою визначають із залежності

. (6.117)

Епюру зміни поверхневій деформації по глибині будують на основі замірів переміщень глибинних реперів.

Якщо зсув відбувається вздовж однієї поверхні ковзання, а зсувний блок зміщується як жорстке тіло, тоді величину переміщення даного блоку розраховують за формулою

. (6.118)

При лінійній зміні коефіцієнта жорсткості ґрунту по глибині рівняння (6.118) прийме вигляд

. (6.119)

А якщо зсувні ґрунти складаються із декількох шарів ґрунтів різної жорсткості тоді

; (6.120)

Відповідно епюра розподілу ґрунтового тиску розраховується за формулою

, (6.121)

де i – кількість шарів;

, – відповідно жорсткість та потужність окремих зсувних шарів ґрунтів.

Найбільше значення ордината поверхневого зсувного тиску знаходиться в точці контакту протизсувної споруди із корінними породами.

При дослідженні поверхневого зсуву на моделі відкосу із однорідного глинистого ґрунту М. Н. Гольдштейном було встановлено, що характер епюри поверхневого зсувного тиску вздовж відкосу є трапецеїдальний.

Практикою було доведено, в процесі зсуву споруди та насуву зсувних мас ґрунтів спостерігаються ущільнення і зміцнення ґрунту поблизу поверхні ковзання та в зоні контакту із утримуючою спорудою, що в загальному випадку не описується залежністю (6.117). Тоді, для загального випадку із врахуванням залежності коефіцієнта жорсткості від величини зсуву формула (6.117) прийме вигляд

. (6.122)

Величину зсувного тиску на утримуючу споруду визначають із умови стійкості схилу вздовж поверхні ковзання. Якщо відповідно до проектних рішень нижче протизсувної споруди проводиться виїмка ґрунту до рівня поверхні ковзання або якщо зсувні ґрунти, що розташовані нижче споруди, мають недостатній коефіцієнт стійкості ( < 1,5), величину зсувного тиску розраховують за формулою

.(6.123)

А якщо стійкість зсувних мас, що прилягають знизу до утримуючої споруди, є стійкі ( ), розрахункова величина зсувного тиску із врахуванням заданої величини коефіцієнта стійкості схилу ( ) визначають за формулою

, (6.124)

де А для скорочення запису позначили

.(6.125)

У формулах (6.123-6.125) відповідно позначили

– нормативну величину коефіцієнта запасу стійкості схилу;

– сумування величин по окремих блоках, починаючи із верхньої частини схилу;

– кут нахилу поверхні ковзання в кожному розрахунковому блоці;

, – відповідно кут внутрішнього тертя та питоме зчеплення на поверхні ковзання кожного блоку, які у межах блоку приймаються постійними;

– вертикальна сила в межах блоку (вага ґрунту із врахуванням впливу підземних вод та навантаження на поверхні);

– сила фільтраційна сила, що виникає у зсувному масиву ґрунту перед спорудою (направлена горизонтально);

– горизонтальна складова сталого швидкісного тиску вітру (враховується тільки для надземних трубопроводів);

i – загальна кількість розрахункових відсіків;

j – номер розрахункового відсіку, де встановлена утримуюча споруда;

q_c – величина сейсмічного інерційного тиску (направлена горизонтально);

l_n – довжина поверхні ковзання в межах n-го блоку;

F_п – додаткова величина зсуваючої сили на ділянках схилів із повільним переміщенням зсувних мас.

Величину зсуваючої сили (F_п)розраховують за формулою

, (6.126)

де – в'язкість ґрунту в зоні деформації;

– швидкість зсуву жорсткої частини n-го блоку;

1_п – довжина зони деформації в межах n-го блоку;

Н_п – середня потужність зони деформації в межах n-го блоку.

Величина та для ділянок схилу, що знаходиться в граничній рівновазі, уточнюють на основі розрахунків виходячи із умови, що при =0 тиск Е на межі останнього блоку зсувних ґрунтів та підошви схилу рівно нулю, тобто відсутній.

Якщо зсувні ґрунти обтікають утримуючі елементи, ординату епюри максимального тиску на елемент протизсувної споруди розраховують за формулою

. (6.127)

Загальний тиск на один елемент буде рівний площі епюри, яка визначається шляхом інтегрування виразу (6.127) в межах від 0 до h.

Для ділянок схилів, де переміщення ґрунту через протизсувні споруду (або її обтікає зсувними ґрунтами) не допускається. Це означає обов'язкове дотримання умови, щоб величина максимального зсувного тиску, який може створити зсувний грунт на протизсувну споруду повинен бути більшим за тиск поверхневих ґрунтових мас самого схилу тобто повинна виконуватися умова

. (6.128)

Для дотримання цієї умови утримуючі протизсувні споруди влаштовують у декілька ярусів (рис.6. 30).

Дотримання нерівності (6.128) перевіряють при виборі місцеположення протизсувної споруди.

1 – залізобетонна стінка і ростверк; 2 – ростверк; 3 – буронабивна паля; 4 – зсувні ґрунти; 5 – дренаж; 6 – міцні та стійкі породи; 7 – поверхня ковзання

Рисунок 6.30 – Розташування утримуючих споруд вздовж зсуву ґрунтових мас (Стрілка вказує напрям руху зсуву)

Не виконання даної умови вказує, що місце розташування на схилі та дана конструкція є малоефективна (рис. 6. 31).

а — схематичний розріз вздовж схилу; 1– буронабивні палі; 2 — поверхня зсуву ґрунту на схилі; 3— поверхні схилу після планування; 4 — поверхня ковзання

Рисунок 6.31 – Приклад неправильного розміщення утримуючих протизсувних споруд

Інженерний метод розрахунку утримуючих протизсув-них споруд, що працюють на згин. Основою для проектування даних утримуючих протизсувних споруд є:

• дані про інженерно-геологічну будову зсувного схилу на ділянці влаштування протизсувної споруди, характер поверхневого зсуву ґрунтових мас, глибину до поверхні ковзання, епюри зсуву ґрунту за результатами спостережень згідно глибинних реперів, положення депресивної поверхні потоку фільтрації обводненого шару ґрунту, положення та потужність кореневих порід;

• дані про фізико-механічні характеристики ґрунтів зсувних накопичень та кореневих порід, в яких влаштовані утримуючі елементи, міцнісні характеристики та величини коефіцієнта жорсткості ґрунтів, характеристики реологій глинистих ґрунтів, компресійні властивості піщаних та супіщаних ґрунтів;

Необхідні для розрахунку коефіцієнти жорсткості (постелі) ґрунтів значення яких отримані при випробуваннях ґрунту в період проведення інженерно-геологічних вишукуваннях.

При наближених розрахунках допускається використовувати табличні значення коефіцієнта постелі або визначати за формулою

, (6.129)

де k – коефіцієнт пропорційності, приймається згідно табл. 6.5;

х – глибина положення перетину, в якому визначається значення коефіцієнта постелі, м.

Для ґрунтів однорідної геологічної будови (складу), розташованих нижче за поверхню ковзання, допускається приймати постійне значення коефіцієнта постелі, розраховане за формулою

, (6.130)

де – середня глибина шару ґрунту на ділянці влаштування утримуючої протизсувної споруди.

Нижче приведені значення коефіцієнта постелі для деяких видів скальних ґрунтів (кН/м³).

Крупнообломочні ґрунти.................18 000–100 000

Вапняк, пісковик, алевроліт...............200 000–1 000 000

Тверда скеля.....................................1 000 000–15 000 000

^{Таблиця 6.5 – Значення коефіцієнта пропорціональності k, кН/м}4

Характеристика ґрунту навколо палі	Значення коефіцієнта пропорційності для
	забив- них паль	набивні палі-оболонки та палі-стовпи
Глини і суглинки текучопластичні (0,75≤Іа≤1,0). Глини і суглинки м’якопластичні (0,5≤Іа≤0,75); супіски пластичні (0≤Іа≤1,0); супіски пороховаті (0,6≤Іа≤0,8). Глини і суглинки тугопластичні (0≤Іа≤1,0);супіски тверді (Іа≤0,6); піски дрібні (0,6≤е≤0,75); піски середньої крупності (0,55≤е≤0,7). Глини і суглинки тверді (Іа≤1,0); піски крупні (0,55≤е≤0,7). Піски гравелистні (0,55≤е≤0,7); гравій та галька із пісковим наповненням.	650-2500 2500-5000 5000-8000 8000-13000 —	500-2000 2000-4000 4000-6000 6000-10000 10000-20000

Зауваження: для ґрунтів із проміжними значеннями І_а та е значення коефіцієнта k визначають шляхом інтерполяції. Коефіцієнт k для щільних пісків повинен прийматися на 30% більше найбільших значень вказаних у таблиці.

Розрахунок утримуючих протизсувних споруд, для забезпечення надійної експлуатації магістральних трубопроводів, що піддаються поверхневим зсувним масам ґрунтів проводиться в такій послідовності.

За формулою (6.123) або (6.124), в залежно від стійкості прилеглих ґрунтів до протизсувної споруди, визначають величину тиску зсувного ґрунту.

Визначають максимальні значення цього тиску (приймається його найменше із значень), при яких відбувається зрушення ґрунтових мас, їхнє переміщення через протизсувну споруду, яке може проходити вздовж плоскій або колоциліндричній кривій за вирахуванням сил опору зрушення (рис. 6.32).

Рисунок 6.32 – Розрахункова схема для визначення граничного тиску методом послідовних наближень.

Наступним етапом є перевірка нерівність (6.128), тобто визначення утримуючої здатності споруди сприйняти розрахунковий зсувний тиск ґрунтової маси при заданій міцності ґрунту. Якщо вказана нерівність не виконується, споруду встановлюють в іншому створі, де розраховане максимальне значення тиску зростає або вздовж поверхні зсуву влаштовують декілька ярусів утримуючих споруд, що дозволяє зменшити величину тиску .

Якщо виконується нерівність , утримуюча протизсувна споруда під впливом зсувного тиску практично не прогинається, а повертається в ґрунті як жорстка конструкція в цьому випадку повинна виковуватися така умова

, (6.131)

де – середнє значення коефіцієнта постелі масиву ґрунтів поверхневого зсуву;

– ширина утримуючого елементу по фронту споруди;

– жорсткість перетину утримуючого елементу;

F_п – опорна площа перетину вертикального елементу на глибині h і L;

, – коефіцієнти стійких, корінних порід на глибині ;

– відстань вздовж осі між першим та останнім рядами утримуючих елементів на глибині занурення їх в стійкі породи.

В даному випадку утримуюча споруда повертається як єдине ціле і основним опором такому повороту є опір ґрунту вздовж бічних поверхней. При цих умовах зсув елементів протизсувних споруд під впливом поверхневого тиску можна описати рівнянням

. (6.132)

Якщо нижче за поверхнею ковзання стійкі ґрунти однорідні, а на поверхні зсуву коефіцієнт постелі поверхневих зсувних ґрунтів близький до нуля, значення коефіцієнтів а і b визначають згідно табл. 6.3 та 6.4. А якщо поверхневі зсувні ґрунти розташовані нижче утримуючої споруди знаходяться в стійкому стані тоді вказані коефіцієнти визначають за табл. 6.4, а у випадку нестійкого стану ґрунтів – за табл. 6.3.

Для умов, які прийняті при визначенні коефіцієнтів а і b, величину переміщення зсувного блоку визначають за формулою

(6.133)

де Е – величина зсувного тиску на 1 м протизсувної споруди;

– відстань між осями утримуючих елементів протизсувної споруди;

( =1; 2; 3) – коефіцієнт, що враховує сприйняття частини тиску залежно від місцеположення вертикальних елементів в утримуючій протизсувній споруді. Для елементів першого ряду, що безпосередньо сприймають поверхневий ґрунтовий тиск = 1, 0, для елементів другого ряду, розташованих між елементами першого ряду =0,5–0,95, для елементів третього, а також другого рядів, розташованих безпосередньо за першими рядами елементів =0,15–0,9.

Більші числові значення коефіцієнтів відповідають умовам, коли між рядами вертикальних елементів розташовані породи із значною структурною міцністю для яких виконується нерівність . Коли з метою влаштування дренажу між рядами елементів була проведена виїмка ґрунту, а пізніше дана виїмка була заповнена місцевим ущільненим ґрунтом до природної щільності тоді приймається мінімальне значення коефіцієнта . Якщо щільність ґрунту при заповненні виїмки нижче щільності ґрунтів перед першими рядами утримуючих елементів значення коефіцієнта ( =2, 3) приймають рівним нулю. У всіх інших випадків беруть проміжне значення , яке визначають шляхом інтерполяції.

Епюри тиску, що діє на утримуючі елементи, згинаючі моменти в них та поперечні зусилля розраховують формулами

для однорядної протизсувної споруди

при

; (6.134)

при

; (6.135)

для дворядної протизсувної споруди

при

перший ряд елементів

; (6.136)

другий ряд елементів

; (6.137)

при

перший ряд елементів

при у > 0

; (6.138)

при у < 0

; (6.139)

другий ряд елементів

при у > 0

; (6.140)

при у < 0

. (6.141)

Якщо другий ряд утримуючих елементів розташований за першим, коефіцієнт у формулах (6.138–6.141) замінюється .

Для трирядної протизсувної споруди

при

перший ряд елементів

; (6.142)

другий ряд елементів

; (6.143)

третій ряд елементів

; (6.144)

при

перший ряд елементів

при у>0

; (66.145)

при у<0

; (6.146)

другий ряд елементів

при у>0

; (6.147)

при у<0

; (6.148)

третій ряд елементів

при у>0

; (6.149)

при у<0

. (6.150)

Якщо елементи другого ряду розташовані безпосередньо за елементами першого або третього ряду, у формулах (6.143), (6.147) та (6.148) коефіцієнт замінюють .

Міцність утримуючих протизсувних елементів розраховують згинаючий момент (перший граничний стан), із наступним підбором перетину та кількість арматури в даних елементах на виконання умови

, (6.151)

де – максимальний згинаючий момент, що виникає, в перетині вертикального утримуючого елементу внаслідок переміщення поверхневих зсувних мас;

– розрахунковий згинаючий момент, який може бути сприйнятий вертикальним елементом. Якщо вертикальні елементи виготовлені із буронабивних паль армовані арматурою класу А-ІІ, значення визначають згідно таблиць, а в інших випадках розраховують.

Розрахункове значення максимального згинаючого моменту в елементах починають визначати із вільних кінців. При цьому утримуюча споруда розглядається як проста рама, навантажена епюрою зусиль, розрахованих за формулами (6.135–6.150).

Епюру згинаючих моментів в однорядній утримуючій споруді визначають за формулою (6.94 або 6.95). В даному випадку відстань до перетину, в якому діє максимальний згинаючий момент визначають за формулою

при ;

; (6.152)

при ;

. (6.153)

При розрахунку міцності елементу однорядних споруд приймають, що перетин, де діє максимальний згинаючий момент розташований нижче за поверхню ковзання.

Для утримуючих протизсувних споруд, в яких не виконується нерівність слід враховувати гнучкість самих утримуючих елементів. При цьому зменшуються напруження в елементах протизсувних шляхом заміни у формулах (6.135–6.150) величини зсуву у на , де – величина прогину утримуючого елементу, що виникає під впливом поверхневого зсувного ґрунту тиску на глибині х. Величину прогину в першому наближенні розраховують за формулою Мора-Максвела або за правилом Верещагіна. В даному випадку утримуюча протизсувна споруда розглядається як рама навантажена епюрою зусиль, визначених за формулами (6.135–6.150).

Для орієнтовних розрахунків допускається користуватися графічною залежністю (рис. 6.33).

1 – при заповненні між палевого простору зсувними ґрунтами; 2 – при заповненні простору між утримуючими елементами ґрунтами, модуль деформації яких в два рази вище за модуль деформації зсувних ґрунтів; М_ж – максимальний згинаючий момент, що виникає у споруді, яка складається із жорстких елементів

Рисунок 6.33 – Зміна величини максимального згинаючого моменту в дворядній споруді із елементів кінцевої жорсткості (М_к._ж)

Точніші результати отримують при рішенні системи диференціальних рівнянь (6.90), що описують роботу протизсувної споруди.

Величину відстані між утримуючими елементами уточнюють з розрахунку на міцність за формулою (6.151). Слід зазначити, що відстань між утримуючими елементами повинна бути не більше за величину, за межами якої між утримуючими елементами виникає та розвивається процес продавлювання ґрунту. Для інженерно-геологічних умов схилу, які лягли в основу отриманих рішень для визначенням коефіцієнтів а і b (табл. 6.3 та 6.4), відстань між утримуючими елементами повинна бути не більше

, (6.154)

де – несуча здатність поверхневих зсувних ґрунтів поблизу поверхні ковзання.

Рівняння (6.154) для визначення відстаней між утримуючими елементами використовують тільки у випадку, якщо за утримуючими спорудами вниз по схилу розміщені блоки стійких поверхневих ґрунтів.

Коли ж під час експлуатації протизсувної споруди можливий зсув ґрунтів, розташованих нижче, а простір між утримуючими елементами до поверхні ковзання повністю перекривають або закріплюють за допомогою методів технічної меліорації до міцності тоді глибину занурення вертикальних елементів визначають виходячи із двох умов:

- зсув утримуючих елементів на рівні поверхні землі повинен бути не більше тобто

; (6.155)

- міцність ґрунту нижче за поверхню ковзання повинна задовольняти нерівність (перший граничний стан)

, (6.156)

де - несуча здатність стійких і міцних ґрунтів, розташованих поблизу поверхні ковзання.

Для орієнтовних розрахунків глибину занурення утримуючих елементів визначають за формулою

. (6.157)

У табл. 6.3 і 6.4 коефіцієнти а і b розраховані для трьох величин занурення вертикальних елементів, що дозволяє методом екстраполяції уточнити глибину занурення із врахуванням умов (6.156), (6.157).

Кінцевим етапом є перевірка стійкості утримуючої протизсувної споруди вздовж поверхней ковзання, розташованих нижче за глибину закладання вертикальних утримуючих елементів, або вздовж ослаблених шарах ґрунтів, по яких може відбутися зсув протизсувної споруди. В даному випадку коефіцієнт стійкості споруди визначають за формулою

.(6.158)

При цьому отримане найменше значення коефіцієнта стійкості поверхонь ковзання повинне бути не менше прийнятої для даної протизсувної споруди величини коефіцієнта запасу .

На рис. 6.34 приведені заміряні величини згинаючих моментів (М), у двох залізобетонних стовпах, встановлених на одній із зсувних ділянок Південного берега Криму, а також розраховані за приведеною вище методикою.

а – верхня частина схилу; б – нижня частина схилу; 1 – суглинки; 2 – суглинки із щебенем; 3 – поверхня ковзання; 4 – низьконесучі аргіліти; 5 – щільні плитчасті аргіліти; 6 – заміряні в різний час величини згинаючих моментів; 7 – розраховані величини згинаючих моментів

Рисунок 6.34 – Епюри згинаючих моментів в однорядній утримуючій споруді

Гнучкі анкерні утримуючі протизсувні споруди. Анкерні протизсувні споруди (рис. 6.35) не працюють на згин, а чинять опір тільки розривним зусиллям, що дозволяє використовувати їх для закріплення поверхневих зсувних мас ґрунту великої потужності у порівнянні із іншими протизсувними спорудами.

1 – межа порід, що піддаються вивітрюванню; 2 – верхній анкер; 3 – підпірна стіна; 4 – поверхня зсувного ґрунту до виконання робіт; 5 – нижня палева підпірна стінка; 6 – нижній анкер; 7 – межа зони анкетування; 8 – поверхня ковзання

Рисунок 6.35 – Розріз вздовж поверхні зсуву схилу закріпленого гнучкими анкерними утримуючими спорудами

Гнучкі анкерні утримуючі споруди використовують для закріплення поверхневих зсувних ділянок схилів при умові, якщо нижче за поверхнею ковзання або зони горизонту, що деформується, розміщені тверді та міцні породи, в яких можливе надійне закріплення анкерів. Створ для монтажу гнучкої анкерної споруди вибирають із таким розрахунком, щоб розташовані нижче зсувні маси ґрунтів знаходились у стійкому стані і коефіцієнт запасу стійкості повинен бути більше 1,5. Недотримання вказаної умови допускається при використанні дворядних або багаторядних анкерних споруд, якщо в зсувних ґрунтах проведена технічна меліорація, яка забезпечує встановлення відповідний (розрахунковий) натяг анкерного канату. Якщо під час експлуатації гнучкої анкерної споруди можливий зсув розташованих нижче даної споруди поверхневих ґрунтів, використовують комбіновані утримуючі конструкції. Простір між рядами вертикальних утримуючих елементів останнього ряду, влаштований із паль або залізобетонних стовпів, перекривають залізобетонними плитами.

Конструкції таких плит розраховують на активний тиск ґрунту, що знаходиться між рядами утримуючих елементів. Гнучкі анкерні споруди розраховують в такій же послідовності, як споруди, що працюють на згин. Згідно формул (6.129–6.131) визначають величину зсувного тиску. Використовуючи нерівність (6.134,6.135) перевіряють можливість переміщення ґрунту через споруду.

Величину натягу канатів гнучкої споруди визначають за формулою

, (6.159)

де – кут нахилу канату до горизонту;

– кут нахилу поверхні ковзання до горизонту на ділянці встановлення протизсувної споруди;

– кут внутрішнього тертя ґрунту вздовж поверхні ковзання;

– коефіцієнт, що враховує неоднорідність ґрунтів зсувної товщі ( = 0,6–0,8).

Величину натягу канатів перевіряють на розрив за формулою

, (6.160)

де – розрахунковий опір арматури каната розриву;

і – поперечний перетин заздалегідь напруженої і ненапруженої арматури канату.

Перевірку на продавлювання ґрунту між утримуючими елементами гнучких споруд виконують за формулою

, (6.161)

де – діаметр каната із захисною оболонкою;

– несуча здатність поверхневих зсувних ґрунтів поблизу поверхні ковзання, визначається згідно діючих нормативних документів;

Е – величина поверхневого зсувного тиску на 1 м фронту протизсувної споруди;

Несучу арматуру анкерних тяг виготовляють із стрижневої арматури, металевих пластин або канатів. При навантаженнях до 700 кН використовують стержневу арматуру класів А-III – А-У. При великих навантаженнях на тягу використовують плетену або канатну арматуру із високоміцного дроту класів В-II та Вр-III.

Арматура анкерних тяг повинна бути захищена від корозії. Антикорозійне покриття повинне бути міцним і еластичним. Мінімальна товщина покриття повинна бути не менше 1,0 мм.

Нижній анкер гнучкої анкерної утримуючої споруди встановлюють в міцних стійких ґрунтах. Пілотну свердловину під анкер влаштовують за допомогою розширювачів різних конструкцій або енергії вибуху, якщо поверхневі ґрунти на даній ділянці є достатньо стійкі. При наявності низьконесучих, водонасичених, пилуватих ґрунтів та глин текучопластичної консистенції використовувати вибуховий спосіб не можна.

Після встановлення арматури тяг у пілотні свердловини та свердловини під нижні анкера подається цементно-піщаний розчин, який замонолічує арматуру тяги із стійкими породами. Для збільшення опору продавлюванню ґрунту, вище за поверхню ковзання, збільшують діаметр свердловини. Після натягу тяг свердловини паль замонолічують піщано-цементним розчином до рівня поверхні землі.

Розрахунок стійкості гнучкої утримуючої протизсувної споруди проводять аналогічно розрахунку стійкості споруди жорсткої конструкції за формулою (6.158).

Основні параметри споруди, що визначають його несучу здатність (величину заглиблення та діаметр нижнього анкера, відсоток армування, діаметр тяг та інше), уточнюють на основі досвіду та аналізу виконання даних робіт. Надійна робота гнучких утримуючих споруд гарантується правильно організованою експлуатацією. За такими спорудами необхідно контролювати та регулювати величину натягу канатів. Якщо в процесі експлуатації споруди зусилля натягу в тягах є зростають і є близькими до допустимих, то тоді додатково влаштовують утримуючі елементи.

При виконанні робіт на поверхневих зсувних схилах, що повільно зміщуються, слід проектом передбачати додаткові утримуючі протизсувні споруди необхідні для припинення руху даних ґрунтових мас.