ВВЕДЕНИЕ
Холмистый или горный ландшафт застроенных территорий непременно связан с наличием подпорных стен. Они удерживают террасы, на которых располагаются здания, защищают дороги от камнепада и берега морей от размыва.
До XVIII века подпорные стены возводились по образу и подобию с существующими и большим запасом прочности. Большое внимание уделялось внешней стороне, архитектуре стен. Широко применялись пиленые блоки мрамора, известняка и песчаника.
В последующие столетия для стен стали применять бетон, железобетон, металл и синтетические материалы.
В XVIII веке известный французский ученый Ш.О. Кулон при проектировании стен применил расчетные методы. Этому способствовали научные достижения в физике.
В настоящее время расширилось функциональное назначение стен. Они не только ограждают откосы насыпей, выемок, котлованов и карьеров, но имеют также специальное назначение. Как подпорные стены работают устои моста, бункерные эстакады, рампы и порталы тоннелей и т.д.
В теоретическом и практическом отношении большую ценность имеют работы А.Я. Будина (1), Г.К. Клейна (3), и А.И. Тетиора (22).
1. ПОНЯТИЕ О СЫПУЧЕМ ТЕЛЕ
С понятием о сыпучем теле связана разработка теоретических методов расчета подпорных стен.
Теоретические методы разрабатывают исследователи, работающие в области теоретической и строительной механики.
Но заметим, что прикладные методы расчета подпорных стен базируются на теоретических методах и в них учитываются требования СНиП.
Как теоретические, так и практические методы расчета подпорных стен требуют своего совершенствования, на что мы обращали внимание (19). Поэтому необходимо дать краткое понятие о сыпучем теле и теоретическом методе Кулона, выводы из которого часто используются в практических методах.
Под сыпучим телом подразумевают совокупность мелких твердых однородных частиц, лишенных или имеющих бесконечно малое сцепление между собой и бесконечно-малых по сравнению со всем объемом тела.
Сыпучие тела в отличие от твердых тел не могут воспринимать растягивающих усилий. Но между частицами сыпучего тела имеет место трение и поэтому частицы сыпучего тела могут сохранять равновесие в некоторых пределах, пока не будет нарушено трение между частицами.
Если представить сыпучее тело, ограниченное поверхностью ABC
(рис. 1.1), и рассечь мысленно это тело какой-либо плоскостью аа, наклоненной
под углом к горизонту, то при отсутствии внешних сил взаимодействие
отсеченной и оставшейся частей тела будет характеризоваться вертикальной
силой Р — веса отсеченной части.
Рис. 1.1. Сыпучее тело
а — неустойчивое и б — устойчивое состояние
Эта вертикальная сила может быть разложена на силу N , нормальную к плоскости сечения и равную , и на силу Т, параллельную плоскости сечения и равную .
Сила Т будет стремиться сдвинуть отсеченную часть на плоскости сечения; этому сдвигу в сыпучем теле будет противодействовать сила трения, имеющая место между частицами сыпучего тела, величина которой представляется некоторой частью, равной от нормальной силы. Ясно, что пока сила Т будет меньше величины , отсеченная часть тела будет находиться в покое. При одном и том же весе отсекаемой части сыпучего тела величины слагающих N и T будут зависеть от угла наклона секущей плоскости и может оказаться, что, при некотором наклоне величина Т будет > , что вызовет движение отсеченной части.
Это условие можно записать так:
или (1.1)
где угол внутреннего трения между частицами сыпучего тела.
Следовательно, отсеченная часть будет находиться в равновесии при условии: .
Это условие, выведенное для некоторой части сыпучего тела, остается справедливым по отношению к отдельным частицам его, но только в этом случае секущая плоскость превращается в касательную. Если угол наклона касательной будет больше угла трения, то частицы сыпучего тела будут
скатываться одна за другой, пока не придут в равновесие под влиянием внутреннего трения. Это движение будет происходить, естественно, без вмешательства внешних сил, и то предельное очертание, при котором прекращается движение частиц, носит название угла естественного откоса, который в сыпучем теле является углом внутреннего трения (рис. 1.1).
Если бы между частицами сыпучего тела кроме внутреннего трения имело место еще и сцепление, величина которого определяется некоторым коэффициентом с на единицу площади, то сдвиг, отсеченной части стал бы возможным только в том случае, если сдвигающая сила Т превзошла бы и сопротивление, от трения и сопротивление от сцепления:
, (1.2)
где - площадь сдвига.
Таким образом, движение отсеченной части или отдельных частиц не будет происходить при условии:
(1.3)
В твердых телах, где сцепление между частицами велико, возможны любые формы очертания тела.
В сыпучих, телах, в которых принимают с = 0, возможны только те формы очертания, для которых угол касательной к поверхности будет отвечать условию:
(1.4)
В них возможны только сжимающие нормальные напряжения (-n) и касательные .
Характерная для равновесия сыпучих тел величина внутреннего трения не есть величина постоянная для одного и того же сыпучего тела. Величина внутреннего трения зависит и от формы зерен, т. е. от того, имеют ли зерна округленную или граненую поверхность, от того, ограничивается ли сдвиг толщиной в несколько зерен или он распространен в толстом слое массива, от степени влажности и т. д.
Зависимость величины трения от толщины сдвигаемого слоя особенно заметна в сыпучих телах, состоящих из жестких зерен, как например песок, гравий и др. Если сдвиг происходит в пределах определенной зоны, то этот сдвиг сопровождается полной перегруппировкой частиц и коэффициент внутреннего трения в зоне сдвига по величине близок или равен тангенсу угла естественного откоса. Если же сдвиг частиц того же сыпучего тела происходит под действием давления, распространенного на всю массу сыпучего тела, то вызываемый этим давлением сдвиг частиц происходит во всех точках массы, и величина трения в этом случае характеризуется отношением величин главных напряжений и имеет величину значительно большую величины, определяемой углом естественного откоса.
В сыпучих телах, состоящих из упругих гибких частиц (например, глина), эта разница в пределах изменения величины внутреннего трения не так заметна и по величине близка к величине тангенса угла естественного откоса.
Еще большее влияние на величину внутреннего трения в сыпучих телах оказывает степень насыщения их водой. При небольшом насыщении водой частицы сыпучего тела находятся под капиллярным действием воды и между ними развивается как бы сцепление, сопровождающееся увеличением угла естественного откоса, при большем насыщении водой величина трения между частицами сыпучего тела уменьшается и оно начинает сползать при угле, меньшем угла естественного откоса сухого сыпучего тела.
Вместе с тем, в теоретической механике не сбрасывается со счета то, что в грунтовом теле (следует обратить внимание на то, что используется иная терминология - «грунтовое тело») имеет место, хотя и небольшое, сцепление. Причем в глинистых грунтах коэффициент Пуассона = 0,366 - 3,90, т.е. близок к металлу, и, значит, грунты обладают упругими свойствами.
Но, несмотря на вышесказанное, предполагают все же, что грунтовые тела можно приравнивать к сыпучим телам. Конечно, это очень грубое допущение.
Следовательно, основными количественными показателями сыпучего тела служат угол внутреннего трения и удельный вес .
В сыпучем теле имеет место напряженное состояние, вызванное взаимным давлением части друг на друга и весом какого-то объема тела на частицу.
Если уподобить частицу призме, то можно найти главные напряжения. Они находятся графически и с помощью кругов Мора. В прикладных методах они фигурируют в виде коэффициентов активного и пассивного давления грунта.
Было бы очень интересно подробнее остановиться на напряженном состоянии сыпучего тела, но тогда бы мы вышли за рамки данного пособия.
Что касается метода Кулона, то он предназначен для определения давления сыпучего тела на подпорную стену.
Сыпучее тело делится плоской вертикальной стенкой, и выводится формула для определения равнодействующей давления.
Графически и с помощью тригонометрических вычислений Кулон также находит плоскость скольжения. При этом сыпучую массу между стеной, поверхностью засыпки и плоскостью скольжения Кулон уподобляет затвердевшему клину.
Кулон вводит понятие о предельном равновесном состоянии, когда грунт еще не - двигается, но может двинуться. Это понятие имеет фундаментальное значение в механике грунтов.
2. РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Подпорные стены относятся к категории инженерных сооружений, а при железнодорожном строительстве - к искусственным сооружениям.
При проектировании сооружений, для которых разработаны типовые конструкции, рекомендуется применять типовые решения.
Так, типовые конструкции (серии) разработаны для уголковых стен Киевским Промстройпроектом и ЦНИИпромзданий (6).
Рис. 2.1. Разрезы массивных подпорных стен
Рис.2.2. Разрезы тонкостенных подпорных стен:
1-фундаментная плита; 2- лицевая плита; 3- анкерная тяга
Индивидуальное проектирование допускается в случае, если технологическим заданием предусматривается сооружение с параметрами, отличающимися от типовых. Основанием для индивидуального проектирования служат характеристики фунтовых условий, отличающиеся от типовых.
Для разработки проекта сооружения должны быть получены следующие исходные данные: генеральный план с нанесением расположенных вблизи зданий, сооружений и коммуникаций; отчет об инженерно-геологических изысканиях; сведения о подрядных организациях и базе стройиндустрии.
Для ответственных сооружений скважины и шурфы выполняют т площадке сооружения.
Технологическое задание на разработку проекта подпорных стен содержит следующие данные: назначение подпорной стены; высота подпора; наклон поверхности засыпки; нагрузки на горизонтальной поверхности засыпки, с верховой стороны стены и на грунт с низовой стороны стены (транспортные нагрузки, складируемые материалы и т. д.).
По конструктивному решению подпорные стены разделяют на гравитационные (жесткие) и гибкие. Гравитационные подразделяются на массивные и тонкостенные. К тонкостенным относятся уголковые, а к гибких: шпунтовые подпорные стены (рис. 2.1, 2.2).
Массивные подпорные стены возводят из кирпича, бута, бутобетона; монолитного бетона, сборных бетонных блоков. Для кирпичной кладки используют красный кирпич марки не ниже 100 на цементном растворе марки не ниже 25, при влажных грунтах - не ниже 50, для бутовой - камень не ниже марки 150 на цементном растворе марки не ниже 50, для бутобетона аналогичный камень на бетоне класса В 7,5. Бетонные конструкции выполняют из бетона классов В10 .В15; монолитные железобетонные тонкостенные конструкции-В10 .В15; сборные-В15 .В30.
Для подпорных стен, подвергаемых попеременному замораживанию и оттаиванию, класс бетона должен быть оговорен по морозостойкости .При температуре от -5 до -20°С минимальный класс по морозостойкости F 50 ; ниже -20 до -40°С - F 75; ниже -40°С - F 150.
Массивная стена с двумя вертикальными гранями наиболее проста в строительстве, но наименее экономична. Наклон передней или тыльной граней стены позволяет уменьшить ее сечение в верхней части, что соответствует характеру изменения эпюр активных давлений и моментов. Стена с двумя наклонными в сторону склона гранями способствует уменьшению активного давления грунта, но она сложна в производстве.
Наиболее целесообразна конструкция массивной стены с ступенчатой тыльной гранью, которая не усложняет производство работ.
Устойчивость стены обеспечивается также весом грунта на ее уступах она может быть выполнена из сборных бетонных фундаментных блоков. Блоки укладывают перпендикулярно или параллельно лицевой грани стены,
Номенклатура блоков и других элементов сборных стен приводится в приложении. Грань со стороны фунта устраивают с обрезом (уступом) так.
чтобы стенка вверху имела минимальную толщину - в пределах 50 - 60 см. При высоте бутовых стенок более 2,5 м передней грани может быть придан большой уклон - до 20%, а на грани со стороны фунта устроены один, два и больше уступов. Кладка стенок малой высоты может вестись из рваного камня. Для стенок большей высоты камень должен быть более постелистым.
Положение блоков в стенке фиксируется с помощью вертикальных бетонных шпонок в вертикальных стыках и горизонтальных четвертей (зубьев) в горизонтальных стыках. Горизонтальные четверти оказывают сопротивление скольжению блоков.
Можно также рекомендовать следующие размеры массивных стен: ширина сечения в нижней части стены принимается равной 0,30 .0,35й; ширина подошвы Ь = 0,5 .0,7й, где Л-высота стены с фундаментом. Рекомендуемые минимальные сечения стен: бутобетонные - 600, бетонные - 400 и железобетонные —100 мм.
Линейные размеры элементов назначаются кратными 300 мм. Минимальную глубину заложения фундаментов принимают при скальном основании - 300, при нескальном - 600 мм.
При высоте подпора фунта А, до 4,8 м рекомендуются уголковые стены типовой серии, состоящие из двух плит - лицевой и фундаментной, жестоко связанных между собой (см. приложение). При этом ориентировочные размеры фундаментов можно принять по графикам.
При высоте подпора фунта более 4,8 м экономичны контрфорсные стены, в которых лицевая плита работает как опертая по трем сторонам — на фундаментную плиту и на контрфорсы или по балочной схеме.
Обычно железобетонные стенки уголковой формы сооружают из горизонтальной плиты и вертикальной или несколько наклонной в сторону фунта плиты, которые монолитно связаны между собой по линии их сопряжения из таких же плит, но усиленных ребрами-контрфорсами.
Железобетонные блоки уголковой формы соединяются стальными деталями, которые привариваются к рабочей арматуре плит и защищаются слоем бетона толщиной 3-4 см.
Габаритные размеры стен уголкового и контрфорсного типов проверяются расчетом на устойчивость против сдвига. Фундаментная плита и контрфорсы могут быть выполнены из монолитного железобетона, лицевая - из горизонтальных сборных элементов.
Стены уголкового типа с наклонными анкерными тягами позволяют сократить расход материалов в виду уменьшения внутренних усилий в элементах стены. Стены с наклонными анкерными тягами проектируются высотой 15 метров и больше.
Подошва фундамента подпорной стены в поперечном направлении может быть с уклоном до 1:8 в сторону склона, что улучшает работу стены на сдвиг, но усложняет производство работ.
Под фундаментом выполняется бетонная или щебенчатая подготовка. Обратную засыпку производят с послойным трамбованием и уплотнением ее
до 95% удельного веса грунта в естественном состоянии.
Не рекомендуется применять для засыпки грунты, содержащие органические включения более 5% по весу. Для засыпки рекомендуются дренирующие грунты - песчаные и крупнообломочные.
При наличии в основании стены слабых грунтов их можно заменить песчаной подушкой высотой не менее 600 мм.
Гибкие стены выполняют в виде стальных или железобетонных шпунтовых рядов, а также из буронабивных свай диаметром 600, 800, 1000 и 1200 мм длиной 30 м, расположенных в один или два ряда с расстоянием между сваями в ряду (в свету) от 0,5 до 1 диаметра сваи, их применяют при высоте подпора г Юм.
Для железобетонных конструкций подпорных стен рекомендуется арматурная сталь: в качестве рабочей - стержневая горячекатанная периодического профиля классов А-П и А-Ш, в качестве распределительной и конструктивной - класса A-I или арматурная проволока гладкая класса B-I.
Для анкерных тяг рекомендуется арматурная сталь класса А-Ш, прокатная полосовая марок ВСтЗкп2-1, ВСтЗпсб и 10Г2С1; толщина полосовой стали не менее 6 мм.
При расположении подпорных стен на прямых участках вдоль железнодорожного пути минимальное расстояние от оси пути нормальной колеи до наружной грани стены принимается с верховой стороны не менее 2500, с низовой - 3100 мм. При расположении подпорных стен на кривых это расстояние увеличивается на 0,1 м при радиусе кривой 1200 . 1800 м, на 0,2 м при радиусе кривой 1000 .700 м и на 0,3 м - при радиусе 600 м и менее.
Конструкции подпорных стен на всю высоту разделяются температурно-осадочными швами.
Расстояние между швами должно быть не свыше следующих величин (в метрах): для каменных, бутобетонных и бетонных — 10; то же при наличии армирования - 20; для монолитных железобетонных - 25; для сборных железобетонных - 30.
Если основание стены сложено неоднородными грунтами, то расстояние между швами уменьшают так, чтобы каждый отсек опирался на однородный грунт. Ширина швов принимается равной 30 мм, в монолитных конструкциях укладывается просмоленная доска.
Для отвода атмосферной воды с поверхности стены в монолитных стенах предусматривается козырек с слезником, а в сборных - специальный карнизный блок.
Поверхность подпорных стенок со стороны грунта защищается гидроизоляционным слоем. В качестве гидроизоляции обычно применяются рулонные материалы в один-два слоя рубероида, которые наклеиваются по горячей битумной мастике. При сухих грунтах достаточно только обмазать поверхность горячей мастикой.
Бутовые подпорные стенки до нанесения гидроизоляции должны быть выровнены цементным раствором. В сборных стенках из бетонных блоков
Рис. 2.3. Общий вид пространственной стены
1 - откос, 2 - буронабивная свая-контрофорс, 3 - оболочка, 4 - поверхность планировки
вертикальные и горизонтальные швы до нанесения изоляции заделывают цементным раствором.
При проектировании подпорных стен предусматривается дренаж для отвода воды, накапливающейся за стеной. Распространенный и простой по устройству дренаж показан на рис. 2.4. По длине стены дренажные отверстия устраиваются не более, чем через 6 м.
Пространственные подпорные стены стали возводить сравнительно недавно, около 30 лет тому назад (22). Сведения о них в учебной или справочной литературе пока отсутствуют.
Для железнодорожного строительства наиболее пригодны контрфорсные стены-оболочки (рис. 2.3).
В качестве контрфорсов применяются армированные буронабивные сваи, сооружение которых на склонах не вызывает дополнительного движения грунта. От поверхности планировки они наращиваются до требуемой высоты.
Оболочка, передающая давление грунта на контрфорсы, проектируется из сегментовидных в разрезе железобетонных панелей длиной 2,4-6, шириной 0,6-1,8 и толщиной 0,1м. Кривизна оболочки составляет 1/3 - 1/6 от пролета и выпуклостью она обращена в сторону склона. Максимальная высота стены 12м.
Так как в оболочках изгибающие моменты преобразуются в продольные сжимающие и растягивающие усилия, то нет необходимости увеличивать толщину оболочки.
Подвалы также относятся к инженерным сооружениям, они заглублены ниже уровня пола или поверхности планировки грунта.
Подвалы применяют для размещения оборудования, которое по технологическим требованиям должно размещаться ниже уровня пола здания или отметки планировки земли; для размещения насосных, вентиляционных камер и машинных залов, требующих стабильного режима, отсутствия вибрации, пыли и т.д.
Подвалы проектируются по типовым или индивидуальным проектам.
Стены подвала возводятся из различных материалов, но чаще всего из блоков и плит (см. приложение).
В заключение следует добавить, что для выбора конструкции стены иногда рекомендуются ускоренные методы расчета (2, 7). В связи с этим надо иметь в виду, что к таким методам следует относиться с большой осторожностью, ибо они пригодны для временных малоответственных сооружений 3-го класса. Сроки эксплуатации таких стен следует увязывать с колебаниями погодных условий и уровня подземной воды.
Рис.2.4. Устройство дренажа в подпорной стене:
1-откос, 2- засыпка из рыхлого грунта, 3- слой утрамбованной глины, 4-песок, 5- щебень, 6-водоотводная труба диметром 50 м и длинной 350 мм, 7- стена.
Список использованной литературы
1.Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. Л.: Стройиздат, 1974. 191 с.
2.Корчагин Е.А. Оптимизация конструкций подпорных стен. М.: Стройиздат. 1980.116 с.
3.Клейн Г.К. Расчет подпорных стен. М.: Высшая школа, 1964. 196 с.
4.Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства. М.: Стройиздат, 1984.115 с.
5.Справочник проектировщика инженерных сооружений. Киев: Будивельник, 1988. 352 с.
6.Сагло В.В., Свиридов В.В. Опыт строительства подпорных стен на СКжд // Тез. докл. 2-й междунар. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы развития ж.-д. транспорта». В 2-х томах. Том 1. МПС РФ. МГУ ПС. М., 1996. с. 75.
7.Сагло В.В., Будницкий В.М., Свиридов В.В. и др. Примеры укрепления откосов железнодорожного пути с использованием ресурсосберегающих технологий: Учебное пособие. РГУПС. Ростов н/Д, 1996. 56 с.
8.Свиридов В.В. Устойчивость откосов. Часть 1. Грунтовые откосы: Учебное пособие. РГУПС. Ростов н/Д, 1994. 26 с.
9.Свиридов В.В. Устойчивость откосов. Часть 2. Скальные откосы: Учебное пособие. РГУ ПС. Ростов н/Д, 1995. 39 с.
10.Свиридов В.В. Надежность оснований и фундаментов (математический подход): Учебное пособие. РГУПС. Ростов н/Д, 1995. 48 с.
11.Свиридов В.В. Реконструкция фундаментов: Учебное пособие. РГУПС. Ростов н/Д, 1997. 44 с.
12.Свиридов В.В. Обеспечение надежности подпорных стен. Труды Всероссийской научно-технической конференции. Часть 1. Фундаментальные и прикладные исследования «Транспорту - 2000». Екатеринбург. 2000. с. 313 - 314.
13.Свиридов В.В. Совершенствование расчета подпорных стен // Труды международного семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям. Министерство образования РФ. Российская