Принципы проектирования подпорных стен

Существуют различные части подпорной стены, и обсуждаются принципы проектирования этих компонентов подпорной стены, основанные на различных факторах, материалах и методах строительства.
Любая стена, которая выдерживает значительное боковое давление грунта, является подпорной стеной. Однако этот термин обычно используется применительно к консольной подпорной стене, которая представляет собой отдельно стоящую стену без боковой опоры в верхней части.
Для такой стены основное внимание при проектировании уделяется фактическим размерам перепада уровня грунта, для обеспечения которого служит стена.

Размеры компонентов подпорной стены

Диапазон размеров подпорной конструкции устанавливает несколько различных категорий, как показано ниже:

(a) Бордюры

Бордюры являются самыми короткими отдельно стоящими подпорными конструкциями. Две наиболее распространенные формы показаны на рис. 1(a), выбор делается на основе того, необходимо ли иметь водосток с той стороны бордюра. Использование этих конструкций обычно ограничивается перепадами уровня не более 0,6 м.

(b) Короткие подпорные стенки

Вертикальные стенки высотой до 3 м обычно строятся, как показано на рисунке 1(b). Они состоят из бетонной или каменной стены равномерной толщины, вертикального армирования стены и поперечного армирования основания, рассчитанного на боковой сдвиг и консольный изгиб плюс вертикальный вес стены, основания и грунта.
Если подошва фундамента находится на значительном расстоянии ниже уровня земли с низкой стороны стены и/или боковое пассивное сопротивление грунта низкое, может потребоваться использовать расширение под фундаментом – так называемую шпонку сдвига – для увеличения сопротивления скольжению. Форма такой шпонки показана на рисунке 1(c).

– Подпорная конструкция

(c)Высокие подпорные стены

По мере увеличения высоты стены становится все менее целесообразным использовать простую конструкцию, показанную на рисунке 1(b) или (c). Опрокидывающий момент резко возрастает с увеличением высоты стены.
Для очень высоких стен используется одно изменение – уменьшение толщины стены. Это позволяет создать разумное поперечное сечение для высокого напряжения изгиба у основания без чрезмерного количества бетона.
Однако, когда стена становится действительно высокой, часто необходимо рассмотреть возможность использования различных методов крепления, как показано на рисунке 2.

– Высокие подпорные стены

Проектирование подпорных стен

При проектировании отдельно стоящих подпорных стен необходимо изучить следующие аспекты:
(a) стабильность грунта вокруг стены;
(b) устойчивость самой подпорной стены;
(c) прочность конструкции стены;
(d) повреждение соседних сооружений в результате возведения стены.
Величина давления грунта, которое будет оказываться на стену, зависит от величины перемещения, которому подвергается стена.
Обычно для отдельно стоящих подпорных стен предполагается, что происходит достаточное движение наружу, чтобы обеспечить активное (минимальное) давление на грунт. Проектировщик должен убедиться, что достаточное перемещение может произойти без ущерба для работоспособности или внешнего вида стены.
Там, где невозможно обеспечить требуемое движение наружу, например, из-за жесткости стены или фундамента, будет возникать более высокое давление, и стена должна быть рассчитана на него.

Основная нагрузка

Основная нагрузка, которую необходимо учитывать при проектировании, следующая:
Нормальная нагрузка = статическое давление грунта + давление воды + давление, вызванное живой нагрузкой или надбавкой.
В целом, расчетное давление для грунтовых подпорных сооружений не должно быть меньше, чем давление жидкости с удельным весом 5 кН/м3.

Другие соображения

Следует также учитывать возможное возникновение других расчетных случаев или вариаций вышеприведенного, вызванных последовательностью строительства или будущим развитием окружающих территорий.
В некоторых случаях может потребоваться рассмотреть дополнительные надбавки и предусмотреть возможное будущее удаление грунта перед стеной в связи с прокладкой коммуникаций, особенно если пассивное сопротивление этого материала включено в расчеты устойчивости. Также может потребоваться рассмотреть влияние земляных работ на несущую способность стены.
Для определения давления на грунт обычно рассматривается единичная длина поперечного сечения стены и удерживаемого грунта. Единичная длина также используется в конструктивном проектировании консольных стен и других стен с равномерным поперечным сечением.

Поддержка существующих откосов насыпи

Насыпные склоны, построенные в Гонконге до 1977 года, скорее всего, были засыпаны или недостаточно уплотнены. Такие склоны могут быть подвержены разжижению в условиях сильных осадков, вибрации или утечки из коммуникаций, а возникающие грязевые потоки могут иметь серьезные последствия. Подрезание вершины склона при строительстве подпорной стены увеличивает риск разрушения.

Свойства грунта для проектирования подпорных стен

Для всех стен высотой более 5 метров, особенно с наклонной засыпкой, свойства грунта естественного основания и засыпки должны быть оценены до начала проектирования на основе испытаний образцов соответствующего материала. Кроме того, особое внимание следует уделить определению уровня грунтовых вод, особенно в отношении максимально вероятных значений.
Для менее важных стен оценка свойств грунта может быть сделана на основе предыдущих испытаний аналогичных материалов. Необходимо провести тщательный визуальный осмотр материалов, особенно на уровне предполагаемого фундамента, и провести индексные испытания, чтобы убедиться в правильности предполагаемого типа материала.

Выбор и использование обратной засыпки

Идеальной засыпкой для стены минимального сечения является свободно дренирующий гранулированный материал с высокой прочностью на срез. Однако окончательный выбор материала должен основываться на стоимости и доступности таких материалов в сравнении со стоимостью более дорогих стен.
В целом, не рекомендуется использовать мелкозернистые глинистые засыпки. Глины подвержены сезонным изменениям содержания влаги и, как следствие, набуханию и усадке. Этот эффект может привести к увеличению давления на стену при использовании этих грунтов в качестве засыпки. Из-за консолидации проблемы долгосрочного оседания значительно выше, чем при использовании материалов с меньшей связностью.
Для связных засыпок особое внимание должно быть уделено обеспечению дренажа для предотвращения нарастающего давления воды. Свободно дренирующие бессвязные материалы могут не требовать такого же внимания в этом отношении. Тем не менее, они могут потребовать защиты с помощью правильно спроектированных фильтрующих слоев.
В Гонконге засыпка для подпорных стен обычно состоит из отобранного разложившегося зернита или разложившейся вулканической породы. Этот материал в целом подходит для засыпки при условии, что он надлежащим образом уплотнен, а дренажные меры тщательно разработаны и правильно установлены для предотвращения повышения давления воды.
Фактически, каменная засыпка является очень подходящим материалом для использования в качестве засыпки подпорных стен, и при наличии возможности следует рассмотреть возможность ее использования. В целом, каменная засыпка должна быть хорошо отсеяна и иметь номинальный максимальный размер 200 мм. В хорошо отсеянной плотно уплотненной каменной засыпке не должно быть более 2% мелкой фракции. если он должен оставаться свободно дренируемым.

Давление на грунт

Давление грунта, действующее на грунтоудерживающую конструкцию, сильно зависит от боковых деформаций, возникающих в грунте. Следовательно, если состояние деформации не может быть оценено с разумной точностью, рациональное прогнозирование величины и распределения каждого давления в конструкции невозможно.
Минимальное активное давление, которое может быть оказано на стену, возникает, когда стена перемещается достаточно наружу, чтобы грунт за стеной расширился в боковом направлении и достиг состояния пластического равновесия.
Аналогично, максимальное пассивное давление возникает, когда стена движется в сторону почвы. Величина перемещения, необходимая для достижения этих условий разрушения, зависит в первую очередь от типа материала засыпки. Некоторые рекомендации по перемещениям приведены в таблице 1.
Таблица 1:- Перемещения стены, необходимые для развития активного и пассивного давления на грунт
Грунт
Напряженное состояние
Тип перемещения
Необходимое перемещение
Песок
Активный
Параллельно стене
0.001H
Вращение вокруг основания
–
Пассивный
0.05H
>0.1H
Глина
0.004H

Влияние надбавок

Нагрузка, действующая на грунт за стеной, должна быть учтена при проектировании.
Равномерную нагрузку можно преобразовать в эквивалентную высоту заполнения и рассчитать давление на грунт для соответственно большей высоты. Например, для зданий с мелкозаглубленным фундаментом равномерную нагрузку можно принять равной 10 кПа на этаж. (Рисунок 1.3)
Например, стандартная нагрузка для конструкций автомобильных дорог в Гонконге выражается в терминах нагрузки HA и HB, как определено в BS5400: часть 2: 1978. При отсутствии более точных расчетов, номинальная нагрузка от нагрузок под напряжением может быть взята из таблицы 2.
Таблица 2:- Предлагаемые нагрузки от нагрузок, используемые при проектировании подпорных сооружений
Класс дороги
Виды живой нагрузки
Эквивалентная надбавка
Городская магистраль Сельская магистраль (дорога, которая может регулярно использоваться тяжелым промышленным транспортом)
HA +45 единиц HB
20 кПа
Основная распределительная сельская магистраль
НА + 37,5 единиц НВ
15 кПа
Тропинка, изолированная от дорог, игровые площадки
5 кПа

Случаи дополнительной нагрузки

Влияние воды

Наличие воды за стеной оказывает заметное влияние на давление, оказываемое на стену. Когда вода пересекает стены, на стену действует гидростатическое давление, а также давление подъема вдоль основания стены.
Даже когда вода не находится в непосредственном контакте со стеной, например, при наличии адекватного дренажа, давление на стену увеличивается из-за повышенного давления грунта. Влияние воды за стеной значительно; общая сила может быть более чем в два раза выше, чем при сухой засыпке. Многие зарегистрированные случаи разрушения стен можно объяснить присутствием воды.
Высота, на которую вода может подняться в засыпке, и объем потока являются первостепенными вопросами. Для их определения необходимо определить состояние грунтовых вод. Они могут быть лучше всего получены в результате наблюдения за состоянием грунтовых вод до начала строительства с помощью пьезометров. Независимо от результатов мониторинга грунтовых вод, уровень грунтовых вод, принятый для проектирования, должен быть не ниже одной трети от сохраняемой высоты.
Влияние утечек из коммуникаций может быть значительным. По результатам полевых измерений и неудач в Гонконге есть доказательства того, что эта утечка вносит существенный вклад в уровень грунтовых вод.
Если за подпорной конструкцией предусмотрен недостаточный дренаж, может возникнуть эффект запруды, который приведет к повышению уровня грунтовых вод на местном и общем уровне. Такой подъем может негативно повлиять на устойчивость склонов и подпорных стен. В таких случаях всегда следует предусматривать эффективные дренажные меры.

Устойчивость подпорных стен

Устойчивость свободно стоящей подпорной конструкции и содержащейся в ней стены определяется путем вычисления коэффициентов безопасности (или коэффициентов устойчивости), которые в общем виде можно определить следующим образом:
Fs = Моменты или силы, способствующие устойчивости / моменты или силы, вызывающие неустойчивость.
Коэффициенты безопасности должны быть рассчитаны для следующих отдельных режимов разрушения и должны применяться к состоянию грунтовых вод 1 к 10 годам:
(a) скольжение стены наружу от подпорного грунта,
(b) опрокидывание подпорной стены относительно ее носка,
(c) разрушение опоры фундамента, и
(d) более масштабный откос или другие разрушения в окружающем грунте.
Силы, вызывающие опрокидывание и скольжение, также вызывают давление на фундаментную опору, поэтому в большинстве грунтов (a) и (b) взаимосвязаны с (c).
В случаях, когда материалом фундамента является грунт, устойчивость при опрокидывании обычно обеспечивается, если соблюдаются критерии несущей способности. Однако устойчивость к опрокидыванию может быть критической для прочных материалов фундамента, таких как скальные породы и т.д.
В целом, для ограничения оседания и опрокидывания стен на грунтовых материалах, результирующая нагрузка на основание должна находиться в пределах средней трети. Для скального материала фундамента, результирующая должна быть в пределах средней половины основания.
При расчете общей устойчивости стены боковое давление рассчитывается до подошвы ослепляющего слоя, а в случае основания со шпонкой – до подошвы шпонки, до которой простирается фактический механизм разрушения.

Система железобетонного каркаса для подпорных стен

Существует множество различных систем железобетонных перекрытий, как залитых на месте, так и сборных. Залитые на месте системы обычно относятся к одному из следующих типов:
(a) односторонняя сплошная плита и балка
(b) Двусторонняя сплошная плита и балка
(c) Односторонняя бетонная балочная конструкция
(d) Двусторонняя плоская плита или плоская плита без балок
(e) Двухсторонняя балочная конструкция, называемая вафельной конструкцией.
Каждая система имеет свои преимущества и ограничения, в зависимости от расстояния между опорами, величины нагрузок, требуемой степени огнестойкости и стоимости конструкции. План этажа здания и назначение, для которого здание будет использоваться, определяют условия нагрузки и расположение опор. По возможности колонны должны быть выровнены в ряды и расположены через равные промежутки времени, чтобы упростить и удешевить строительство здания.

Односторонняя балочная конструкция подпорной стенки

На рисунке 2.1 показан частичный план каркаса и некоторые детали для типа конструкции, в которой используется ряд очень близко расположенных балок и относительно тонкая сплошная плита.
Эта система, как правило, самая легкая (по собственному весу) среди всех типов плоскопролетных бетонных конструкций, заливаемых на месте, и конструктивно хорошо подходит для легких нагрузок и средних пролетов офисных зданий и коммерческих торговых зданий.

– Типичная бетонная односторонняя балочная конструкция

Вафельная конструкция подпорной стенки

Вафельная конструкция состоит из двухсторонних балок, которые формируются таким же образом, как и односторонние балки. Наиболее широко используемым типом вафельной конструкции является вафельная плоская плита, в которой сплошные части вокруг опор колонн получаются путем отказа от пустотных форм.
Пример части такой системы показан на Рисунок 2.2. Однако в местах разрывов в плане, например, у больших проемов или по краям здания, обычно необходимо формировать балки. Эти балки могут быть изготовлены на выступах под вафлей, как показано на Рисунок 2.2.

– Типичная конструкция бетонной вафли

С другой стороны, если балки предусмотрены на всех линиях колонн, как показано на Рисунок 2.3то конструкция аналогична двухсторонней сплошной плите с краевыми опорами.

При такой системе сплошные участки вокруг колонны не требуются, так как сама вафля не обеспечивает передачу большого сдвига или развитие большого отрицательного момента на колонне.

Как и в случае с односторонней балочной конструкцией, пожарная безопасность для обычной вафельной конструкции низкая. Эта система лучше всего подходит для ситуаций с относительно небольшими нагрузками, средними и длинными пролетами, примерно квадратными пролетами колонн и разумным количеством нескольких пролетов в каждом направлении.

– Вафельная конструкция с колонными балками в глубине вафли

Двусторонние сплошные перекрытия

Если железобетонная плита армирована в обоих направлениях, то она может быть как двухсторонней, так и односторонней. Наиболее широко такое перекрытие используется в конструкции плоского перекрытия или плоской плиты. В конструкции плоского перекрытия балки используются только в местах разрывов, а типичная система состоит только из перекрытия и усиливающих элементов, используемых на опорах колонн.
Типичные детали системы плоского перекрытия показаны на Рисунок 2.4.
Панели, состоящие из утолщенных частей, квадратных в плане, используются для придания дополнительного сопротивления высокому сдвигу и отрицательному моменту, возникающему у опор колонн. Увеличенные части также иногда предусматриваются на вершинах колонн для дальнейшего снижения напряжений в плите.

– Конструкция бетонной плоской плиты с опускными панелями и колпаками колонн

Двухсторонняя конструкция перекрытия состоит из нескольких пролетов сплошных двухсторонних перекрытий с краевыми опорами, состоящими из несущей бетонной стены. Типичные детали для такой системы показаны на Рисунок 2.5.

– Двусторонняя пролетная конструкция бетонной плиты с краевыми опорами

Двусторонние сплошные конструкции перекрытий обычно предпочтительнее вафельных конструкций, когда требуется более высокая степень огнестойкости для незащищенной конструкции или когда пролеты короткие, а нагрузки высокие. Как и все типы двухсторонних пролетных систем, они работают наиболее эффективно, когда пролеты в каждом направлении примерно одинаковы.

Cомпозитная конструкция: бетон плюс конструкционная сталь

На рисунке 2.6 показана деталь сечения конструкции, которую принято называть композитной. Она состоит из залитого бетонного пролета, опирающегося на балки из конструкционной стали, которые взаимодействуют между собой с помощью сдвигающих устройств, приваренных к верхней части балок и встроенных в залитую плиту.
Бетонная плита может быть сформирована с помощью фанерных листов, в результате чего получаются детали, показанные на рисунке 2.6. Рисунок 2.6Однако более популярной является конструкция, в которой стальной настил используется обычным способом, приваренный к верхней части балок.
При этом разработчики сдвига привариваются через настил к верхней части балки. Стальной настил может служить только для формирования бетона, или может сам по себе развивать композитное действие с залитой плитой.

– Стальная рама с залитой бетонной плитой

• Процедура строительства вафельной или ребристой плиты и ее преимущества.
• Виды железобетонных плит – конструкция, стоимость и применение.
• Система железобетонного каркаса.
• Типы подпорных стен, материалы, экономика и применение.
• Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
• Как спроектировать одностороннее перекрытие в соответствии с ACI 318-19? | Прилагается пример.
• Все, что нужно знать о бетонных плитах в строительстве.