На подпорную стену действуют различные виды нагрузок и сил, и их расчет необходим для ее проектирования. Эти силы, действующие на подпорную стену, зависят от множества факторов, которые мы рассмотрим.
Нагрузки и силы, действующие на подпорную стену
Существуют различные типы нагрузок и сил, действующих на подпорную стену, а именно:
Конструкция подпорной стены может включать любую или все нагрузки и силы, которые описаны в следующих разделах:
1. Боковое давление земли, действующее на подпорную стену
Основной целью строительства подпорных стен является удержание грунта, поэтому боковое давление грунта на грунт является основной задачей при проектировании. Теория скользящего грунтового клина является основой для большинства теорий, по которым рассчитывается боковое давление грунта.
Теория клина предполагает, что треугольный клин грунта будет сползать вниз, если подпорная стена будет внезапно удалена, и стена должна поддерживать этот клин грунта. На рисунке 1 показано свободное тело боковых сил, действующих на подпорные стены.
Свободное тело боковых сил, действующих на подпорную стену
Уравнения Кулона и Ранкина – это две основные формулы, которые используются для расчета бокового давления грунта:
Метод Кулона для расчета бокового давления на грунт
В этом уравнении учитывается уклон засыпки, угол трения на поверхности стены, угол в плане разрыва и угол внутреннего трения:
Где
Ka: Коэффициент активного давления
: Угол внутреннего трения
: Угол наклона засыпки
: Угол трения между грунтом и стеной (2/3
до 1/2
предполагается)
: Угол наклона стены, измеряемый от горизонтали (равен 90 градусам для вертикальной стены).
Кроме того, в случае плоского ровного грунта засыпки, учитывая нулевое трение на границе раздела грунт-стена, и грунт-стена вертикальны, уравнение Кулона имеет вид уравнение Кулона сводится к следующему:
Метод Ренкина для расчета бокового давления на грунт
Это уравнение, выведенное Уильямом Ранкином, является развитием формулы Кулона. Метод Ранкина не учитывает трение между стеной и грунтом.
Это делает его консервативным способом проектирования подпорных стен. Уравнение бокового давления грунта по методу Ранкина одинаково как для нулевого трения стены, так и для ровного грунта обратной засыпки:
Где:
: угол наклона засыпки
: Угол внутреннего трения грунта
Уравнение Ранкина перестраивается, если засыпка ровная:
2. Нагрузки, действующие на подпорную стену
Нагрузки, действующие на подпорные стены, – это дополнительные вертикальные нагрузки, действующие на грунт засыпки выше верха стены. Это могут быть либо мертвые нагрузки, например, наклон засыпки выше высоты стены, либо живые нагрузки, которые могут возникать от шоссе или автостоянки, мощения или соседнего основания.
Нагрузка от живой нагрузки рассматривается, когда транспортные средства воздействуют на поверхность грунта засыпки на расстоянии, которое равно или меньше высоты стены от задней поверхности стены. Активное давление от равномерной пригрузки поясняется на рисунке 2.
Активное давление от равномерной пригрузки на подпорную стену
Где:
: – плотность грунта
W: – равномерная нагрузка на подпорную стену
H: высота стены
P1=Ka WH –> Уравнение 7
P2=0.5KaH2 –> Уравнение 8
Существуют различные типы нагрузок, такие как:
3. Осевые силы, действующие на подпорную стену
Сопротивление опрокидыванию подпорной стены обеспечивается осевыми нагрузками. Различные типы осевых нагрузок будут рассмотрены в следующих разделах:
a) Вертикальные нагрузки на стержень
Эти нагрузки могут возникать от реакций балки, моста или фиксатора и прикладываться непосредственно к стержню.
Для большинства критических условий нет необходимости рассматривать живую и мертвую нагрузку отдельно, поскольку осевая живая нагрузка на стержень увеличивается за счет моментов сопротивления и опорного давления грунта.
Считается, что точечные вертикальные нагрузки на стены распространяются вниз с уклоном два вертикальных к одному горизонтальному. Следовательно, у основания стены будут довольно низкие сжимающие напряжения; реакция балок на стены является примером вертикальной точечной нагрузки.
Кроме того, необходимо проверить напряжения в опорах, возникающие непосредственно под реакциями балок или ригелей, а также учесть эксцентриситет относительно центральной линии стержня, поскольку он влияет на устойчивость и конструкцию стержня.
Наконец, следует отметить, что при действии живой нагрузки с отрицательным эксцентриситетом по отношению к засыпке могут быть получены неконсервативные результаты.
b) Вес грунта
Это вес грунта над носком и пяткой подпорной стены.
c) Вес конструкции
Включает в себя вес подножия и основания, которые увеличивают опорное давление грунта и способствуют устойчивости против скольжения и опрокидывания.
d) Вертикальная составляющая активного давления
Это еще одна вертикальная нагрузка; линия действия результирующего давления грунта находится под углом к горизонтали при условии, что грунт засыпки имеет наклон.
Угол равен углу наклона засыпки по формуле Ранкина и равен углу трения грунта о стебель по формуле Кулона. Наклонное активное давление имеет две составляющие: горизонтальную и вертикальную.
Последняя используется для дополнительного сопротивления скольжению, уменьшения давления грунта и повышения устойчивости к опрокидыванию.
4. Силы ветра на выступающий стержень
Давление ветра создает опрокидывающую силу, когда подпорная стена находится в открытом состоянии и выступает над уровнем земли. Общая формула, используемая для расчета ветрового давления, выглядит следующим образом:
F=0.0026V2 –> Уравнение 9
Где:
F: давление ветра
V: скорость ветра
Согласно ASCE 7 расчетное ветровое давление (F) рассчитывается по следующей упрощенной формуле:
F=qz GGf –> Уравнение 10
Где:
G: коэффициент порыва (можно использовать 0,85).
Gf: обычно принимается равным 1,2
qz: является скоростным давлением на средней высоте и может быть рассчитано по следующей формуле:
qz=0.613Kz Kzt Kd V2 –> Уравнение 11
Где:
Kz: коэффициент направленности ветра, может быть определен в разделе 26.6 ASCE 7-10
Kzt: коэффициент воздействия скоростного давления, может быть определен в разделе 26.6 ASCE 7-10
Kd: Топографический коэффициент см. раздел, может быть определен 26.6 ASCE 7-10
V: Базовая скорость ветра в м/с
5. Ударные нагрузки, действующие на подпорную стену
Проектирование подпорной стены для бампера автомобиля может потребоваться, когда стена выступает над уровнем земли, а парковочная зона находится рядом с ней. При проектировании подпорной стенки на ударные нагрузки следует проверить прочность стержня в равноудаленных точках по длине стержня сверху вниз, так как ударная нагрузка распространяется на большей длине стержня. Кроме того, для распределения ударной нагрузки следует использовать уклон два вертикальных к одному горизонтальному.
Силы, связанные с землетрясением, рассматриваются в разделе “Сейсмическое проектирование подпорных стен”.
Часто задаваемые вопросы
1. Какие различные типы нагрузок и сил действуют на подпорную стену?
Различные типы нагрузок и сил, действующих на подпорную стену, следующие.
1. Боковое давление грунта
2. Нагрузки от просадок
3. Осевые нагрузки
4. Ветер на выступающий стержень
5. Ударные силы
6. Сейсмическое давление грунта
7. Силы собственного веса сейсмической стены
2. Каковы различные типы дополнительных нагрузок действующие на подпорную стену?
Различные типы нагрузок, действующих на подпорную стену, следующие.
1. Дорожные нагрузки
2. Нагрузка при уплотнении засыпки
3. Надбавка за смежное основание
3. Каково уравнение для кулоновского метода определения бокового давления на грунт?
Уравнение кулоновского метода определения бокового давления на грунт имеет вид
Где:
Ka: Коэффициент активного давления: Угол внутреннего трения: Угол наклона засыпки: Угол трения между грунтом и стеной (2/3 до 1/2 предполагается): Угол наклона стены, который измеряется от горизонтали (равен 90 градусам для вертикальной стены).
4. Каково уравнение метода Ранкина для бокового давления земли?
Уравнение для метода Ренкина для определения бокового давления на грунт имеет следующий вид
Где:: угол наклона засыпки: Угол внутреннего трения грунта
- Проектирование сегментной подпорной стены из георешетки с расчетами.
- Сегментная подпорная стена – типы, конструкция и преимущества.
- Принципы проектирования подпорных стен.
- Сейсмическое проектирование подпорных стен.
- Типы подпорных стен, материалы, экономика и применение.
- Теория анализа нагрузок Марстона-Спенглера для канализационной санитарной системы.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.