Метод определения давления на грунт для подпорных стен - Строительство и ремонт

Метод давления на грунт для подпорных стен

Консольные стены

При проектировании листовых подпорных стен обычно предполагается, что эффективные боковые напряжения, действующие на стену, задаются простыми активными и пассивными зонами RANKINE. Трение в стене обычно игнорируется, так как это приводит к консервативным (безопасным) конструкциям.

Активные и пассивные давления Ранкина

Давление грунта, действующее на стену, сильно зависит от деформаций в окружающем грунте. Когда стена удаляется от грунта, напряжение на стене падает, достигая минимума – АКТИВНОГО давления, при этом грунт деформируется пластически. Когда стена уходит в почву, напряжение увеличивается, достигая максимума, ПАССИВНОГО давления, когда почва снова пластически деформируется.

Для большинства подпорных стен долгосрочная ситуация с полным дренированием обычно определяет устойчивость стены. Для анализа полностью осушенных условий критерий Мора-Кулона должен быть выражен в терминах эффективного напряжения с использованием параметров эффективной прочности c´ и ?´. Для проектирования также консервативно использовать параметры прочности критического состояния, то есть c´ = 0 и ?’ = ?’v. Тогда эффективные боковые напряжения на стене будут следующими

Ka и Kp известны как коэффициенты активного и пассивного давления на грунт. Для грунта при разрушении коэффициенты давления на грунт связаны между собой простым соотношением

Для любой вертикальной стены можно связать горизонтальное эффективное напряжение с вертикальным эффективным напряжением, определенным по вертикальной вскрыше, с помощью коэффициента давления грунта. Коэффициент зависит от наклона поверхности грунта и шероховатости стены. Для многих ситуаций имеются опубликованные значения.

Устойчивость – предельное равновесие

При оценке устойчивости обычно предполагается треугольное распределение давления, и на самом деле это вполне реалистично, если стена жесткая. Для консольной стены напряжения, действующие при разрушении, будут такими, как показано ниже, при этом стена будет вращаться вокруг точки, расположенной чуть выше носка стены. Устойчивость стены зависит в основном от пассивной силы, развиваемой под котлованом.

Для проектирования нам необходимо определить глубину проходки, необходимую для обеспечения устойчивости, а затем рассчитать размеры стены для сопротивления максимальному моменту. Чтобы определить глубину проходки, необходимую для данной высоты H, мы должны рассмотреть равновесие моментов и сил:

? F = 0

? M = 0

Если почва сухая, то давление и силы будут такими, как показано ниже.

У нас есть 2 уравнения с 2 неизвестными, x и d, и, следовательно, мы можем определить необходимую глубину проникновения для стены. Уравнения могут быть решены графически или с помощью компьютера. В качестве альтернативы можно сделать упрощающие предположения о силах под шарниром, чтобы получить аналитические решения, как описано во многих учебниках.

Работоспособность – требования к конструкции

Рассматривая устойчивость, мы можем получить предельные нагрузки на стену, но с точки зрения эксплуатационной пригодности стена должна была бы разрушиться задолго до этого, из-за больших оседаний грунта на опоре. Проектный подход заключается в учете давления грунта.

Существует два основных подхода к проектированию, оба основаны на знании того, что давление грунта, действующее на стену, сильно зависит от деформаций в окружающем грунте. Перемещения, необходимые для достижения активного и пассивного состояния, зависят от типа грунта и могут быть совершенно разными. Например, для подпорных стен высотой H необходимые перемещения приблизительно равны:

Песок

Активный

0.001H

Пассивный

0,05H – 0,1H

Глина

Нормально консолидированный

0.004H

Большой

Сверхконсолидированный

0.025H

Метод 1 – Пески и нормально консолидированная глина

Предположим, что происходит достаточное движение для развития активного (минимального) давления, а затем увеличим эффективное пассивное давление на 2. Обратите внимание, что при недостаточном движении стены активное давление не достигнет минимального, и на стену будет действовать более высокое давление. Их необходимо учитывать при проектировании, так как они могут повлиять на требуемую прочность конструкции.

Рассмотрим ту же стену, что и выше, с H = 1,8, ?d = 19 кН/м3, ?´ = 30o

Диаграмма давления выглядит идентично, но пассивное давление уменьшено за счет использования уменьшенного значения коэффициента пассивного давления грунта, K*p.

Где K*p = Kp/2 = 1,5 и K*a = Ka = 0,3333, как и раньше.

Следовательно, d = 2,94 м.

Общая требуемая глубина шпунта = 1,8 + 2,94 = 4,74 м.

В некоторых текстах рекомендуется увеличить глубину проникновения еще на 10-20%, чтобы учесть неопределенности в анализе. В качестве альтернативы некоторые расчетные нормы рекомендуют считать, что верхние 0,5 м грунта под котлованом не оказывают сдерживающего воздействия.

Метод 2 – Переуплотненные глины

Здесь для одинаковых перемещений рассчитываются как активное, так и пассивное давление, и оба факторизуются. Это достигается путем деления tan?’ на коэффициент F? и использования уменьшенного угла трения при расчете коэффициентов давления на грунт K*a, K*p. Коэффициент F? может быть в диапазоне от 1,2 до 1,5, в зависимости от допустимой осадки и типа грунта, но обычно принимается равным 1,3.

В соответствии с методом 1 предполагается, что форма диаграммы давления аналогична диаграмме при предельном равновесии, но в этом случае пассивные давления уменьшаются, а активные увеличиваются.

Структурная прочность

После определения требуемой глубины проникновения следующим этапом проектирования является расчет максимального момента в стенке, чтобы можно было выбрать соответствующую толщину и прочность стенки. Положение в стене максимального момента можно найти, определив, где напряжение сдвига в стене равно нулю. ()

Рассмотрим схему свободного тела участка стены.

Квадратичное уравнение, которое можно решить для z, используя соответствующие (факторизованные) значения для Kp, Ka.

Затем возьмем моменты

Обратите внимание, что с увеличением коэффициента безопасности максимальный момент также увеличивается.

Коэффициент безопасности может быть значительно снижен за счет дополнительной нагрузки на грунт рядом со стеной. При равномерной нагрузке эффективное активное давление может быть увеличено на величину Ka ss, а при сосредоточенной нагрузке от фундамента для определения активного усилия на стену можно использовать метод пробных клиньев Кулона. В последней ситуации необходимо учитывать тот факт, что точка приложения нагрузки также изменится.

Необходимо также учитывать давление воды, действующее на стену.

По экономическим соображениям консольные стены обычно ограничиваются котлованами глубиной менее 6 метров.

Они часто используются для поддержки низких берегов на свободно дренирующих песчаных и гравийных грунтах.

Они не подходят для долгосрочной поддержки мягких глинистых почв (глина или ил).

Коррозия также может быть проблемой для стальных шпунтовых свай.

Читайте далее: