Кудрявцев И.А., Пироговский К.Н. Основания и фундаменты - файл n5.doc

Кудрявцев И.А., Пироговский К.Н. Основания и фундаменты
скачать (2777.3 kb.)
Доступные файлы (6):
n1.doc168kb.12.06.2003 11:40скачать
n2.doc886kb.21.07.2003 09:43скачать
n3.doc2376kb.29.05.2003 14:33скачать
n4.doc1292kb.12.06.2003 11:43скачать
n5.doc1095kb.23.05.2003 12:02скачать
n6.docскачать

n5.doc

4ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ




4.1 Разновидности подземных сооружений
Наиболее распространенными видами подземных сооружений являются: подземные гаражи, сооружения промышленно-технологического назначения (емкости водопроводных и канализационных сетей, заглубленные части дробильно-сортировочных цехов, металлургических производств и т.п.); убежища ГО, пешеходные тоннели, подпорные стены и т.д.

Специфической особенностью зданий с развитой подземной частью является тот факт, что при расчете осадки здания во внимание принимают только дополнительную нагрузку, т.е. вес сооружения за вычетом веса грунта в объеме подземной части здания. При равенстве веса здания и вынутого грунта осадки будут равны нулю, что особенно важно при строительстве вблизи существующих сооружений.

Другими особенностями подземных сооружений являются существенное сокращение теплопотерь через стены, возможность сохранения дневной поверхности грунта, повышение прибыли с единицы площади городской территории, защищенность помещений от внешних воздействий.

Проектирование подземного сооружения состоит из нескольких этапов:

– разработка объемно-планировочного решения в соответствии с назначением сооружения;

– выбор наиболее экономичного способа строительства с учетом глубины заложения подошвы сооружения, грунтовых и гидрогеологических условий;

– решение вопросов водозащиты и гидроизоляции;

– расчет внешних нагрузок от грунта и внутренних нагрузок;

– расчет и определение параметров конструкций (внутренних и ограждающих);

– выбор способов крепления стен котлованов (при котлованном способе) и расчет параметров.
4.2 Способы строительства подземных сооружений
Все способы строительства можно разделить на две группы: способы строительства с поверхности и подземные.
Способы строительства с поверхности включают котлованный, опускного колодца и «стена в грунте».

При котлованном способе отрывается котлован, в котором обычными способами возводится подземное сооружение. После завершения строительства котлован засыпается грунтом. Этот способ обеспечивает возможность устройства наружной гидроизоляции и более благоприятные условия укладки бетона.

Недостатком данного способа является необходимость резервирования значительных площадей вокруг котлована для устройства стен с устойчивыми углами откосов, поэтому применение такого способа ограничивает глубину до 5–7 м.

Отличие способа «стена в грунте» состоит в том, что ограждающие стены подземного сооружения создаются в узкой выработке по контуру сооружения, и уже под защитой возведенных стен удаляется грунт из внутреннего объема сооружения. В водонасыщенных грунтах стены обычно заглубляют до водоупорного слоя, что обеспечит отсутствие водопритока в процессе разработки грунта. Если водоупора на досягаемой глубине нет, то возможно ведение подводной разработки грунта.

Устойчивость стен выработки обычно обеспечивается тем, что при отрывке траншеи она заполняется тиксотропным глинистым раствором, земляные работы и последующее бетонирование (или установка сборных элементов) ведутся под раствором. Устойчивость уже возведенных стен в процессе выемки грунта из внутреннего пространства обеспечивается временными распорками, а при больших размерах в плане – грунтовыми анкерами.

Из вариантов «стен в грунте» наибольшее распространение получили:

а) устройство стены в виде секущихся буронабивных свай;

б) отрывка траншеи шириной до 1–1,5 м захватками длиной по 3–6 м и устройство стены из монолитного железобетона бетонированием методом вертикальной перемещающейся трубы (ВПТ);

в) отрывка траншеи и устройство стены из погружаемых в нее сборных панелей заводского изготовления.

Самой «щадящей» по отношению к близрасположенным сооружениям является первая технология, т.к. она обеспечивает устойчивость грунта. Выполняется она следующим образом (рисунок 4.1).

Под глинистым раствором (а в плывунах под защитой обсадной трубы) проходятся и бетонируются методом ВПТ скважины 1 и 2. Через 2–3 суток после схватывания бетона проходится скважина 3, в нее погружается арматурный каркас и производится бетонирование. Далее в порядке номеров проходятся остальные скважины, при этом все нечетные армируются.

Вариант «б» при использовании специальных разделителей между захватками позволяет создавать стены, способные воспринимать изгибающий момент не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. К сожалению, в этом варианте в наибольшей степени сказываются недостатки бетонирования под глинистым раствором, и изнутри таких стен приходится обычно устраивать гидроизоляцию и второй железобетонный слой, воспринимающий давление воды. Схема выполнения монолитной стены показана на рисунке 4.2.



Рисунок 4.1 – Схема устройства «стены в грунте» из секущихся свай: 1–7 – последовательность проходки и бетонирования свай

а) б) в)


Рисунок 4.2 – Схема устройства монолитной стены в грунте: а – отрывка захватки грейфером; б – погружение арматурного каркаса; в – бетонирование методом ВПТ



Достоинством варианта «в» является использование готовых плит, на поверхность которых при заводском изготовлении может быть нанесен гидроизоляционный слой, что обеспечит их полную водонепроницаемость. Вертикальные кромки плит снабжены специальными захватами-направля­ющими, обеспечивающими стыковку плит при погружении по всей длине. Полости стыков заполняются водонепроницаемым тампонирующим раствором сразу после установки плит, но при протечках могут быть дополнительно уплотнены тем или иным способом (инъекция непроницаемого материала, заваривание металлическими накладками) после удаления грунта изнутри сооружения. Сборная стена в грунте имеет качественную внутреннюю поверхность, что, наряду с водонепроницаемостью, делает этот вариант весьма ценным.
Общим ограничением применения вариантов «б» и «в» является наличие в грунте твердых включений валунов. Имели место случаи неудач и даже поломки дорогостоящих механизмов при попытках откопки траншей через слой валунной морены. Опыта устройства стен по вариантам «б» и «в» в плывунных грунтах еще недостаточно. Есть основания опасаться, что, несмотря на заполненность траншеи глинистым раствором, в момент черпания грунта грейфером и отрыва его от массива возникающий в зоне отрыва вакуум будет вызывать наплыв грунта в траншею и оседание прилегающей к траншее поверхности грунта.

При строительстве подземных сооружений в особо сложных грунтовых условиях применяют методы временного или постоянного закрепления грунтов. В качестве временного закрепления любых грунтов применяется рассольное (холодным раствором хлористого кальция) или криогенное (жидким азотом) замораживание. Для постоянного закрепления галечников и трещиноватых скальных грунтов применяется цементация методом инъецирования, крупные и средние пески и лессовидные грунты могут быть закреплены методом силикатизации. Песчаные и пылевато-глинистые грунты могут быть закреплены цементацией с помощью струйной технологии.
4.3 Нагрузки на подземные сооружения
Вертикальное давление грунта. Если минимальный горизонтальный размер подземного сооружения b (ширина) равен или превышает толщину слоя грунта над кровлей h, что обычно и имеет место, то вертикальное давление на кровлю сооружения равно полному весу столба грунта над сооружением:

где ?i, hi – удельный вес грунта, кН/м3, и мощность слоев грунта над кровлей, м; q – сплошная равномерно распределенная нагрузка на поверхности, кПа.

Удельный вес грунта, расположенного ниже уровня подземных вод, принимается с учетом взвешивающего действия воды для всех грунтов, за исключением грунтов, имеющих коэффициент фильтрации k < 110-8 м/с, но в этих грунтах не принимается в расчет давление подземных вод.

Если b/h < 1 и сооружение возведено открытым способом, то вертикальное давление засыпки существенно зависит от формы и размера котлована. Если котлован узкий и имеет вертикальные стены (траншея), то зависание грунта засыпки на стенах траншеи существенно уменьшает давление на сооружение.
Напротив, если ширина котлована значительно превышает ширину сооружения, то оседание засыпки может вызвать зависание окружающего грунта на столбе грунта над сооружением и вызвать увеличение нагрузки. В этих случаях вертикальное давление грунта определяется по формуле
.
Величина поправочного коэффициента kv определяется по графикам, приведенным на рисунке 4.3.




Рисунок 4.3 – Графики для определения коэффициента вертикального давления грунта: 1 – для песчаных засыпок; 2 – для глинистых засыпок; 3 – для текучих глин; 4 – для мелких песков и мягкопластичных глин; 5 – для средних песков и пластичных глин; 6 – для крупных песков и твердых глин; 7 – для скальных и полускальных грунтов

Горизонтальное давление грунта. Стены подземных сооружений рассчитывают на горизонтальное давление грунта с учетом нагрузки, расположенной на прилегающей территории. Давление от веса окружающего грунта обычно называют основным, а давление от поверхностной нагрузки – дополнительным. Горизонтальные составляющие активного и пассивного давления для вертикальных стен при горизонтальной поверхности грунта вычисляют по формулам:

;
,
где ?v – вертикальное давление грунта, рассчитанное методами, изложенными в предыдущем разделе; ? и с – расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта; ?ag и ?pg – коэффициенты активного и пассивного давления грунта, определяемые по формулам:
;


Активное давление грунта действует не по всей поверхности стен, а лишь начиная с глубины от поверхности:



В литературе приводятся методы учета местных распределенных и сосредоточенных нагрузок на поверхности грунта вблизи стены подземного сооружения, а также сейсмических воздействий на величину горизонтального активного давления грунта.

Давление подземных вод. Давление подземных вод на ограждающие конструкции подземных сооружений
,
где Н – напор (высота столба воды), м; ?w =10 кН/м3 – удельный вес воды.

Расчетным уровнем подземных вод является прогнозируемый, исходя из инженерно-геологических условий, гидрогеологической обстановки, принятого способа производства работ, сроков строительства, мероприятий по водопонижению и водоотведению. При определении бокового давления грунта и гидростатического давления подземных вод необходимо учитывать, что на стадии строительства уровень подземных вод может быть наинизшим, а при эксплуатации сооружения – наивысшим.

Если ограждающая конструкция подземного сооружения имеет наружную гидроизоляцию, то давление воды действует на наружную поверхность ограждения. Если же ограждающая конструкция многослойная, то подземные воды давят на слой гидроизоляции и приложены внутри ограждения.

Гидростатическое давление воды на днище подземного сооружения может вызвать всплытие сооружения. Кроме того, напорные подземные воды в водоносном слое под водоупорным дном котлована могут вызвать при откопке котлована взламывание его дна.
4.4 Защита подземных и заглубленных сооружений

от грунтовых вод
Надежная защита от подземных вод – главное условие успешного строительства и эксплуатации подземного сооружения. Защита от подземных вод осуществляется тремя способами: понижением уровня подземных вод вокруг котлована или сооружения (водопонижением); устройством в грунте вокруг котлована или сооружения водонепроницаемой противофильтрационной завесы; покрытием подземного сооружения водонепроницаемым слоем (гидроизоляцией).

Водопонижение. Простейшим способом временного водопонижения вокруг строительного котлована является устройство в его дне приямка для сбора атмосферных и грунтовых вод, попадающих в котлован, и откачка их из этого приямка (рисунок 4.4). Недостатками открытого водоотлива являются малое водопонижение, грязь в котловане, необходимость переноса приямка и насосов по мере углубления котлована.




Рисунок 4.4 – Схема открытого водоотлива: 1 – исходный уровень грунтовых вод; 2 водосборник; 3 – насос; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – водосборная канавка; 6 – противосуффозионная пригрузка откосов
Временное водопонижение вокруг котлована с помощью иглофильтровых установок лишено этих недостатков и является предпочтительным. Описание методов строительного водопонижения приводится в справочной литературе.

Общая характеристика и область применения серийно изготавливаемых иглофильтровых установок приведены в таблице 4.1.

Постоянное водопонижение вокруг подземных сооружений небольшой глубины (например, подвалов жилых домов) достигается устройством пристенного и пластового дренажей и опоясывающего контура дренажных труб (рисунок 4.5), по углам которого устраиваются смотровые колодцы для чистки труб. Собираемая вода спускается в ливневую канализацию. При отсутствии канализации дренажи теряют смысл либо в дополнение к ним требуется установка откачивающего насоса.
Т а б л и ц а 4.1 – Типы и условия применения иглофильтровых установок

Иглофильтровая установка

Область применения

Типа ЛИУ с легкими (не снабженными индивидуальными водоподъемниками) иглофильтрами и насосами, способными создавать вакуум лишь в пределах всасывающего коллектора и самого иглофильтра

Неслоистые грунты с коэффициентом фильтрации 2–50 м/сут при водопонижении на глубину 4–5 м



П р о д о л ж е н и е т а б л и ц ы 4.1

Иглофильтровая установка

Область применения

Типа УВВ с иглофильтрами и достаточно мощными эжекторами или вакуум-насосами, устанавливаемыми на поверхности и способными создать вакуум на наружной поверхности иглофильтров

Типа ЭИ с иглофильтрами, снабженными индивидуальными эжекторными водоподъемниками, способными создать вакуум на наружной поверхности фильтра на требуемой глубине, и высоконапорными центробежными насосами
Типа ЭВВУ с вакуум-концентрическими водоприемниками, эжекторными иглофильтрами с дополнительной фильтровой оболочкой, способными создать вакуум по всей высоте осушаемой толщи грунтов, и высоконапорными центробежными насосами

Практически однородные грунты с коэффициентом фильтрации 0,1–2 м/сут при водопонижении на глубину до 6–7 м и с коэффициентом фильтрации 2–5 м/сут на глубину до 6 м при расположении насосного агрегата и коллектора на поверхности
То же, на глубину до 10–12 м, а при соответствующем обосновании до 20 м

Переслаивающиеся водоносные и водоупорные слои при водопонижении на глубину до 20 м




Рисунок 4.5 – Пластовой дренаж: 1 – уровень подземных вод; 2 – защищаемое сооружение; 3 – пристенный дренаж; 4 – песчаный слой; 5 – защитное покрытие щебеночного слоя; 6 – песчано-гравийный или щебеночный слой; 7 – труба


Противофильтрационные завесы. Их устраивают вокруг котлованов для предотвращения фильтрации воды из окружающего массива в строительный котлован (временная завеса), фильтрации воды под гидротехническими сооружениями или попадания загрязненных вод из котлована в окружающий массив (постоянные завесы). Условием эффективности завесы

является наличие на доступной глубине водоупорного слоя, в который входит нижний край завесы.

Технологически простейшим видом временной завесы является шпунтовая стена, которая не только удерживает от обрушения вертикальный откос, но и предотвращает приток воды в котлован. Совершенно непроницаемой будет льдогрунтовая стена, устраиваемая методом замораживания.

Постоянные завесы в трещиноватых скальных грунтах и в галечниках создаются методом цементации: вдоль линии завесы пробуриваются 2–3 ряда скважин, в которые нагнетается цементное молоко. В дисперсных грунтах завесы создаются способом «стена в грунте» с откопкой траншеи механизмами непрерывного действия и заполнением траншеи местной глиной. Все большее распространение при устройстве противофильтрационных завес получает струйная технология, с помощью которой удается создавать не только вертикальные, но и горизонтальные завесы под дном котлована.

Гидроизоляция. Гидроизоляция конструкций подземных сооружений производится с целью предотвращения проникновения напорной и капиллярной воды внутрь помещений, а при наличии у подземных вод агрессивности – для предохранения конструкций от разрушения.

Из-за дороговизны гидроизоляционных работ лучше всего использовать водонепроницаемые материалы и трещиностойкие конструкции, а при агрессивных свойствах воды – устойчивые к ним материалы. В этом отношении представляет интерес опыт добавления в бетоны кремниевой пыли (микрокремнезема), являющейся отходом металлургических производств, в количестве 10–30 % от веса цемента. При этом водопроницаемость бетона снижается в 5–25 раз и заметно возрастают прочность и устойчивость против агрессивных вод. Применение этой добавки позволяет строить подземные объекты вообще без гидроизоляции. Существенно важно бетонирование вести непрерывно, поскольку при укладке бетона с перерывами стыки оказываются водопроницаемыми.

Сульфатостойкий цемент, нечувствительный к наиболее агрессивной разновидности подземных вод, производится отечественной промышленностью.

До конца XIX века гидроизоляция подвалов выполнялась обычно в виде «глиняного замка» – слоя перемятой и плотно утрамбованной глины под полом и вокруг стен. В настоящее время этот метод почти не применяется из-за трудоемкости.

Современные схемы гидроизоляции изображены на рисунке 4.6.

Схема «а» – наружная противонапорная гидроизоляция. Передает давление подземных вод на ограждающие конструкции сооружения, что делает ее предпочтительной. Горизонтальный участок гидроизоляции наносится по бетонной подготовке до устройства днища сооружения. Вертикальные уча-

стки наносятся на стены и для защиты от повреждений при обратной засыпке ограждаются кладкой в полкирпича, бетонными плитами или слоем набрызгбетона.
Р
исунок 4.6 – Типы гидроизоляции: а – наружная противонапорная; б – внутренняя противонапорная; в – гидроизоляция для защиты от капиллярной влаги: 1 – противонапорная гидроизоляция; 2 – бетонная подготовка; 3 – защитная стенка; 4 – кессон; 5 – противокапиллярная изоляция
Схема «б» – внутренняя противонапорная гидроизоляция. Устраивается в уже существующих зданиях. При значительных напорах необходимо устройство внутреннего железобетонного корыта (кессона), упирающегося в выступы или штрабы в стенах и способного воспринять давление воды.

Схема «в» – гидроизоляция подвала от капиллярной влаги. Необходимо отметить, что эта схема принципиально непригодна для защиты от напорных вод: во-первых, при осадке фундамента неизбежен разрыв слоя гидроизоляции в месте стыка пола со стеной; во-вторых, на участке опирания стены подвала на фундаментную подушку слой гидроизоляции будет находиться под большим давлением и повредится. Основное правило строительства подземных сооружений: днище сооружений, находящееся ниже уровня подземных вод, должно воспринимать и передавать на грунт нагрузки от всех стен и колонн сооружения. Пропускать колонны сквозь днище с передачей нагрузки на собственный фундамент недопустимо.

Гидроизоляционный слой противокапиллярного назначения выполняют в виде:

– слоя материала с крупными порами (синтетический или минераловолоконный дренажный мат, слой стекловаты) для прерывания капиллярного потока, обмазки мастиками (при отсутствии значительной нагрузки на изоляционный слой со стороны грунта);

– слоя рубероида на гнилостойкой (стеклоткань, асбокартон) основе (при наличии значительной нагрузки, например при устройстве противокапиллярного слоя под стеной – см. рисунок 4.6, в).

Гидроизоляционный слой противонапорного назначения выполняется в виде:

– торкрет-штукатурного покрытия (на трещиностойких конструкциях);

– обмазки мастиками в несколько слоев с прокладкой стеклоткани или синтетических сеток (на нетрещиностойких конструкциях);

– наклеенных в несколько слоев рулонных материалов (на нетрещиностойких конструкциях);

– стальных листов 4–6 мм толщиной (для особо ответственных сооружений, в том числе нетрещиностойких) – «монтируемая гидроизоляция».

При напорах до 2–3 м, что характерно для подвалов жилых домов, пешеходных переходов, использование современных гидроизоляционных штукатурных составов и мастик с высокой адгезией позволяет выполнять внутреннюю гидроизоляцию по схеме рисунке 4.6, б без кессона с передачей водной нагрузки на ограждающие конструкции за счет адгезии.

При креплении металлогидроизоляции изнутри к стенам подземного помещения анкерами необходима проверка ее на прочность под давлением воды при обрыве двух соседних анкеров.

Кроме того, немецкой фирмой «Бауман» разработана технология, по которой мелкогофрированные листы нержавеющей стали забиваются специальными пневматическими механизмами в швы кирпичной кладки для создания противокапиллярных завес. Это дорогая, но абсолютно надежная противокапиллярная гидроизоляция с неограниченным сроком службы. Ограничением является прочность кладочного раствора: в прочный раствор листы не забиваются. Забивка проходит успешно на старых зданиях, при строительстве которых использовался известково-глинистый кладочный раствор. Для оценки возможности использования данной технологии можно предварительно забить в шов кладки молотком гвоздь длиной 10 см. Если это удастся, то можно будет забить и листы.

Известны случаи введения в стену плоских листов нержавеющей стали в предварительно пропиленные щели. Щели пропиливались тросовой пилой на полную толщину стены захватками по 2–3 м либо дисковой пилой на половину толщины стены поочередно с двух сторон.

Существует такое понятие, как «санирующая штукатурка». Подобный материал специфического назначени предлагается рядом зарубежных фирм под разными названиями (термопал, вандекс и т.п.). Это сухие смеси с минеральным вяжущим, содержащие мелкие гранулы пенополистирола или мелкозернистый разрыхлитель. Затворяются водой и образуют пористую гидрофобную штукатурку с удельным весом часто легче воды. Штукатурка отталкивает воду, но пропускает воздух и пар.

Такая штукатурка наносится на стену после устройства противокапиллярной завесы выше нее на 1–2 м слоем толщиной 1–2 см. Попавшая в стену влага свободно испаряется сквозь штукатурку.
4.5 Обеспечение устойчивости стен котлованов

и устройство анкеров
Способы крепления стен котлованов. Если строительные работы ведутся не в стесненных условиях, то наиболее экономичным является придание бортам котлована таких углов откоса, при которых обеспечивается их устойчивость без специального крепления. При глубине котлована до 5 м наибольшая допустимая крутизна откосов принимается по таблице 4.2; при большей глубине – определяется расчетом.

Т а б л и ц а 4.2 Отношение высоты откоса к его заложению при глубине

выемки Н

Грунт

Н < 1,5 м

Н = 1,5–3 м

Н > 3 м

Песчаный влажный

1 : 0,5

1 : 1

1 : 1

Супесь

1 : 0,25

1 : 0,67

1 : 0,85

Суглинок

1 : 0

1 : 0,5

1 : 0,75

Глина

1 : 0

1 : 0,25

1 : 0,5

Скальный



1 : 0

1 : 0,1


Если строительство ведется в стесненных условиях и стенам котлована необходимо придать вертикальную форму, то используются распорные, подкосные, закладные, шпунтовые консольные и заанкерованные крепления.

Распорные крепления применяются в грунтах, которые непродолжительное время сохраняют вертикальный откос (рисунок 4.7, а). Щиты выполняются из досок или рифленого металла, распорки – металлические винтовые. В более широких котлованах щиты подпираются подкосами (рисунок 4.7, б).
а) б)



Рисунок 4.7 – Крепление откосов: а – распорное; б – подкосное: 1 – щиты; 2 – винтовая распорка; 3 – стойка; 4 – подкосы; 5 – упорные свайки
Для поддержания стен глубоких и больших в плане котлованов применяют закладные крепления. Они состоят из вертикальных стальных двутавровых стоек, погруженных в грунт забивкой, вибрированием или в заранее пробуренные скважины, и закладываемых между ними по мере откопки котлована деревянных, металлических или железобетонных элементов (забирок) – рисунок 4.8.





Рисунок 4.8 – Закладное крепление: 1 – двутавр; 2 – забирка; 3 – распорка
В водонасыщенных глинистых грунтах и мелкозернистых песках с плывунными свойствами надежным видом крепления являются шпунтовые стены. Шпунтовая стена – это ряд погруженных (забитых, вдавленных или погруженных вибрацией) по контуру котлована до его откопки вплотную друг к другу деревянных, железобетонных или металлических элементов специального профиля.

Деревянный шпунт применяется для крепления малых котлованов глубиной и размерами в плане до 2–3 м. Для больших котлованов наиболее популярен стальной шпунт (рисунок 4.9), параметры нескольких типоразмеров которого приведены в таблице 4.3. Там же приведены расчетные изгибающие моменты при расчетном сопротивлении стали С255 на изгиб по пределу упругости Ry = 250 МПа. Обращаем внимание на то, что момент сопротивления 1 м шпунтовой стенки оказывается значительно больше, чем сумма моментов двух с половиной шпунтин. Это происходит за счет того, что при стыковке шпунтин толщина образующейся стенки с рифленым сечением удваивается.
а) б)
в) г)


Рисунок 4.9 – Профили металлического шпунта: а – плоский; б – корытный; в – ко

рытный типа «Ларсен»; г – Z-образный
При глубине котлована до 6 м применение шпунта корытного профиля, заглубленного ниже дна котлована на некоторую величину, определяемую расчетом, может обеспечить устойчивость стенки без дополнительного ее крепления (консольная стенка). При большей глубине котлована или при установленной расчетом необходимости погружения шпунта до глубины, более удвоенной. глубины котлована, применяется распорное, а в широких котлованах – анкерное крепление шпунтовых стен.
Т а б л и ц а 4.3 – Параметры корытного шпунта типа «Ларсен»

Тип

Размеры шпунтины, м

Масса 1 м

Момент сопротивления/ момент инерции,

Расчетный изгибающий момент

ширина

высота

шпунтины

1 м стенки

шпунтины

1 м стенки

Л-III

Л-IV

Л-V

0,4

0,4

0,4

0,168

0,180

0,180

62

74

100

258/2760

405/4660

420/6243

1600/23200

2200/39600

3000/54000

64,5

101,25

105,00

400

550

750


Анкеры. Применение анкеров допускается во всех грунтах, за исключением глинистых текучей и текучепластичной консистенции, торфов, илов. Наиболее распространенные типы анкеров изображены на рисунке 4.10.

Простейший анкер траншейного типа (см. рисунок 4.10, а) состоит из анкерной плиты, воспринимающей горизонтальную нагрузку, и несущего элемента из стального стержня или троса. Анкеры траншейного типа применяются для крепления шпунтовых и подпорных стен небольшой высоты.

Рисунок 4.10 – Грунтовые анкеры: а – траншейный; б – инъекционный: 1 – тяга; 2 – анкерный блок; 3 – засыпка траншеи; 4 – корень

Для крепления высоких стен, в том числе и с несколькими ярусами анкерного крепления, обычно используют инъекционные анкеры. Скважины для анкеров пробуриваются или пробиваются ударными механизмами. При устройстве инъекционного анкера (см. рисунок 4.10, б) после погружения в скважину несущего элемента придонная часть скважины перекрывается пробкой и туда под давлением 1–2,5 МПа подается цементный раствор. В результате в донной части скважины образуется уширение (корень анкера). В качестве несущих элементов инъекционных анкеров используются трубы,

по которым в процессе изготовления цементирующая смесь подается в скважину.

Несущая способность анкера ориентировочно определяется расчетом, а в процессе строительства – пробными испытаниями.

Расчетная несущая способность по грунту плитного анкера траншейного типа (см. рисунок 4.10, а) равна пассивному отпору грунта по площади плиты:
,
где Ар – площадь плиты, м2; h – глубина центра плиты, м.

Несущая способность инъекционных анкеров определяется по аналогии с методикой расчета несущей способности свай как сумма сопротивлений по торцу и по боковой поверхности корня:
,
где – опорная площадь корня при работе на выдергивание, м2; D – диаметр корня, принимаемый равным 3d, м; d – диаметр скважины, м; U = ?D – периметр сечения корня, м; L = длина корня, м; R, Rf – сопротивления по торцу и по боковой поверхности корня, кПа, которые зависят от глубины заложения корня и грунтовых условий и могут приниматься по таблицам 2.3 и 2.4 соответственно.
4.6 Примеры расчета конструкций

подземных сооружений

с учетом технологии строительства
4.6.1 Расчет стен протяженных сооружений
Консольная (свободно стоящая стена)

Грунтовые условия (рисунок 4.11). Верхний слой мощностью 6 м – песок, далее следует слой тугопластичной глины с показателем текучести IL = = 0,3. Уровень грунтовых вод – на глубине 3 м от поверхности. Расчетные свойства грунтов для расчетов по I группе предельных состояний обоснованы экспериментально и по данным изыскательской организации таковы: песок – сцепление сI = 5 кПа, угол внутреннего трения ?I = 32°, удельный вес ?I = 19 кН/м3, удельный вес с учетом взвешивающего действия воды ?Isb = 11,7 кН/м3; глина сI = 25 кПа, ?I = 18°, ?I = 20 кН/м3.

Конструкция. Тонкая (шпунтовая или железобетонная) стена поддерживает откос котлована глубиной h = 6 м. Заглубление стены ниже дна котлована t = 5 м. Требуется определить устойчивость стены и рассчитать ее параметры.
а) б) в) г)



Рисунок 4.11 – Консольная шпунтовая стена: а – схема деформирования; б – эпюра вертикального давления грунта; в – эпюры активного и пассивного давлений грунта и расчетная схема; г – эпюра изгибающих моментов
Расчет. Схема изображена на рисунке 4.11, а. Потеря устойчивости консольной стены происходит путем поворота вокруг точки О, находящейся на глубине f = 0,8·t = 0,85 = 4 м. При этом со стороны откоса на стену выше точки O действует активное давление грунта, а со стороны дна – пассивный отпор грунта; на стену также действует давление воды. Работой отрезка стены ниже точки О пренебрегают.

Рассчитаем коэффициенты активного и пассивного давления для заданных грунтов:

для песка: ?ag = tg2(45– ?/2) = 0,31, ?pg = tg2(45+ ?/2) = 3,25;

для глины: ?ag = tg2(45– ?/2) = 0,52, ?pg = tg2(45+ ?/2) = 1,89.

Строим эпюры вертикального давления грунта. Вертикальное давление грунта на глубине уровня грунтовых вод (в точке D) составляет ?v = 319 = =57 кПа. Ниже идет водонасыщенный песок с удельным весом ?sb = = 11,7 кН/м3, и вертикальное давление в песке на уровне дна котлована за стенкой ?v = 57 +311,7 = 92,1 кПа. Таким образом, на этом же уровне вертикальное давление в водонепроницаемой глине скачкообразно возрастет на величину давления воды на кровлю глинистого слоя: рw=Hw?v = 310 = = 30 кПа (Hw = З м – высота столба воды над кровлей слоя глины, ?w = = 10 кН/м3 – удельный вес воды). Давление в глине со стороны откоса на уровне дна котлована ?v = 92,1+30 = 122,1 кПа. Ниже вертикальное давление нарастает линейно и на уровне точки О со стороны откоса ?v = 122,1 + + 420 = 202,1 кПа, а со стороны котлована ?v = 420 = 80 кПа.

Активное давление грунта на стену начинается в точке В (рисунок 4.11, в), глубина которой hс = 2·5·ctg2(45°– 32°/2) = 0,95 м.

Горизонтальное активное давление грунта, соответствующее точкам построенной эпюры вертикального давления, определяется по формулам раздела 4.3. Так, в точке D (отрезок DK на рисунке 4.11, в) оно равно:

= 570,31 – 5·ctg32°(1 – 0,31) = 12,15 кПа. Подобным же образом находятся значения горизонтального давления в точках D и О и строится вся эпюра BKLMP.

Равнодействующая эпюры активного давления на отрезке ВК имеет точку приложения С, при этом, как известно, точка приложения равнодействующей треугольной эпюры С делит катет BD в соотношении DC/DB = 1/3, что определяет положение точки С. Сама величина равнодействующей R1=DK–BD/2= 12,45 кН, плечо ее действия относительно точки ООС = =7,7 м.

Трапециевидный участок эпюры активного давления DKLG на рисунке 4.11, в представим как сумму прямоугольной эпюры DKVG и треугольной KLV. Их равнодействующие R2=DK–DG = 36,45 кН и R3=KV–VL/2 = =16,32 кН и точки их приложения Е и F показаны на рисунке 4.11, в. Точно так же находятся равнодействующие R4= 106 кН и R5= 83,2 кН трапециевидного участка эпюры активного давления OGMP.

Со стороны активного давления грунта в пределах проницаемого песчаного слоя на стену давит также вода. Равнодействующая давления воды Rw=45 кН показана на рисунке 4.11, в.

Горизонтальное пассивное давление (отпор) со стороны дна котлована определяется через вертикальное давление. На уровне дна котлована оно равно (отрезок GS):

=01,89 – 25ctgl8°(l – l,89) = 68 кПа,

а на уровне точки О

?pg = 801,89ctg18°(l – l,89)=151,2кПa.

Равнодействующие трапециевидной эпюры пассивного отпора SGOT R6 = 272 и R7 = 302,4 кН и точки их приложения находим вышеизложенным способом.

Проверяем условие устойчивости стены:

Муд > Мопр,

где Муд = R6  2+R71,33 = 946,2кНм – момент удерживающих сил пассивного отпора, Мопр = R17,7+R25,5+R35+R42+R51,33+Rw5 = 925,6 кНм – момент опрокидывающих сил.

Условие удовлетворяется. Стена устойчива.

Если Муд < Мопр или Муд > 1,2Мопр, расчет повторяем, соответственно увеличив или уменьшив величину заглубления t.

Далее, начиная с верхнего конца стены по заданным на рисунке 4.11, в распределенным нагрузкам известными методами строим эпюру изгибающих моментов в стене, которая изображена на рисунке 4.11, г. Точка максимального момента находится ниже дна котлована, а его величина (на 1 м длины стены котлована) – Мmax = 229,7 кН·м.

Если стена предполагается стальной шпунтовой, то типоразмер шпунта подбирается по таблице 4.3. Шпунт Л-III имеет расчетный изгибающий момент на 1 м стенки 400 кН·м, что превышает максимальный момент в стене. Выбранный типоразмер шпунта Л-III подходит.

Если стена железобетонная, то расчет ее параметров производится по СНиП 2.03.01 - 84.

Стена с анкерным или распорным креплением

Грунтовые условия. Те же, что и в предыдущем примере.

Конструкция. Тонкая (шпунтовая или железобетонная) стена поддерживает откос котлована глубиной h = 6 м. Заглубление стены ниже дна котлована t = 1,2 м.

На глубине 1 м от поверхности установлен ряд анкеров.

Требуется определить устойчивость стены и подобрать параметры стены и анкеров.

Расчет. Заанкерованная стена с одним ярусом анкеров (рисунок 4.12, а) работает как однопролетная статически определимая балка, одной из опор которой является точка упора анкеров (или распорок) А, а другой – точка В, принятая ниже дна котлована на глубине f = 0,6t.

В данном случае f = 0,6·1,2 = 0,72 м. Расчетная схема балки приведена на рисунке 4.12, б. Потеря устойчивости стены происходит в случае, если реакция опоры Rа в точке А превысит горизонтальную проекцию расчетной несущей способности анкеров (рисунок 4.12, г) или реакция опоры Rb в точке В превысит величину равнодействующей давления пассивного отпора грунта ?pg.

Эпюры активного ?ag и пассивного ?pg давления грунта и давления воды рw на рисунке 4.12, б и 4.12, г построены в порядке, изложенном в предыдущем примере, и на длине шпунтовой стены точно такие же; численные значения ?ag, ?pg и рw в некоторых характерных точках эпюр приведены на этих рисунках.

Реакции опор Rа = 53,6 кН и Rb = 95,9 кН на рисунке 4.12, б найдены известными приемами статического анализа.

Равнодействующая давления пассивного отпора грунта на глубине = 1,2 м (см. рисунок 4.12, г) Rpg= (68+124,7)1,2/2 = 115,6 кН.

Сопоставление рассчитанных величин Rb и Rpg приводит к выводу о том, что нижняя опора имеет достаточное сопротивление пассивного отпора.
а) б) в) г)
Рисунок 4.12 – Заанкерованная шпунтовая стена: а – общая схема; б – эпюры активного давления грунта и воды; в – эпюра изгибающих моментов; г – эпюра пассивного отпора и расчетное сопротивление анкера
Расчет инъекционных анкеров. Принимаем угол наклона анкеров ? = = 20°, место заделки корня анкера выбираем за пределами призмы возможного оползания, которая определяется линией, наклоненной к горизонту под углом внутреннего трения грунта ? = 32° (см. рисунок 4.12, а). Диаметр скважины при устройстве анкера принимаем d= 0,08 м, соответственно расчетный диаметр корня D = 3d= 0,24 м. Длину корня анкера принимаем L = = 1,5 м. Расчетную несущую способность анкера определяем, выбрав значения сопротивления корня анкера по боковой поверхности Rf = 53 кПа и по торцу R= 3100 кПа из таблиц. 2.3 и 2.4 для песка среднего средней плотности на глубине 3 м:

= 3,14(0,242 –0,082)3100/4 + 3,140,241,553 = 184,7 кН.

Горизонтальная составляющая расчетной несущей способности анкера (рисунок 4.12, г): F' = Fcos20° = 184,70,94 = 173,6 кН.

Шаг установки анкеров в ряду b = F'/Ra= 173,6/53,6 = 3,24 м.

Шаг установки анкеров принимается 3 м.

На рисунке 4.12, в приведена эпюра моментов в рассматриваемой стене на участке от анкерного ряда до дна котлована, построенная по расчетной схеме балки известными методами. Точка максимального момента лежит выше дна котлована, а его величина М = 136,6 кН·м, т.е. значительно меньше, чем у консольной стены, рассмотренной в предыдущем разделе.

Заглубление стены ниже необходимой по расчету глубины t иногда необходимое по технологическим соображениям (глубокое залегание водоупорного слоя), не приведет к возрастанию максимального момента в ней.

Если стена имеет не один ярус анкеров (распорок), то расчет моментов в стене и усилий, передаваемых на анкеры, производится из рассмотрения стены как неразрезной многопролетной балки, для чего изгибной жесткостью стены нужно задаться заранее.





4.6.2 Армированная подпорная стена
Условия. Песчаная насыпь 4 м высотой с вертикальным откосом армирована сплошными слоями геотехнической сетки типа GEOGRID (рисунок 4.13), по верху насыпи приложена распределенная расчетная нагрузка q= = 40 кН/м2. Прочность сетки (полосы шириной 1м) 12 кН, свойства песка – как в предыдущем примере. Угол трения сетки о грунт равен углу внутреннего трения грунта: = ? = 30°.


Рисунок 4.13 – Стена из армированного грунта

Требуется определить толщину песчаных слоев между слоями геотекстиля b.

Расчет. Армирующий слой на глубине h воспринимает активное давление грунта R, собранное с участка высотой b (см. рисунок 4.13):



Приравнивая прочность сетки к правой части выражения , получим = = 12/(6h +13,4), откуда следует, что толщина слоя песка в верхней части насыпи (при h = 0) bmax = 0,9 м, а в нижней (при h = 4) bmin= 0,33 м.

Сопротивление выдергиванию армирующего слоя на участке длиной L равно силам трения с двух сторон 2T = 2?vLtg (вертикальное давление грунта), и это сопротивление должно быть равно прочности армирующего слоя 12 кН/м: 12 = 2?hLtg30°, откуда минимальная длина нижнего армирующего слоя при h = 4 м: L =12/(21,84tg30°) = 1,5 м. Проведем в откосе линию ОВ под углом внутреннего трения грунта ? = 30°. Очевидно, что для откоса в сыпучем грунте коэффициент запаса устойчивости по линии ОВ будет равен единице, а по некоторой линии ОС влево от OВ – менее 1. Усилия в армирующей сетке будут возникать лишь влево от линии и нарастать к откосу. Соответственно этому примем длину верхнего слоя сетки равной ширине призмы возможного оползания; Lmax = hctg ? = 6ctg30= =10,5 м.

Край слоев сетки со стороны откоса во избежание высыпания песка подгибается в ходе отсыпки слоев. Во избежание послестроительных осадок насыпи отсыпаемые слои песка уплотняются трамбованием. На откос может быть навешена металлическая сетка и нанесено набрызг-бетонное покрытие.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ


1 Какие сооружения относят к подземным и каковы их особенности?

2 Какие этапы проектирования подземных сооружений?

3 Какие известны способы строительства подземных сооружений?

4 В чем суть способа «стена в грунте»?

5 Какие варианты устройства стен в грунте известны?

6 В чем суть устройства и преимущества стены в виде секущихся буронабивных свай?

7 В чем суть устройства и преимущества железобетонной стены методом ВПТ?

8 В чем суть устройства и преимущества сборной железобетонной стены?

9 Какие ограничения существуют на применение различных видов стен в грунте?

10 Как определяется вертикальное давление на подземное сооружение?

11 Как определяются горизонтальные составляющие активного и пассивного давления грунта?

12 Как определяются коэффициенты активного и пассивного давления?

13 На какой глубине начинает действовать активное давление грунта?

14 Как определяется давление подземных вод?

15 Какие существуют виды защиты подземных сооружений от грунтовых вод?

16 Какие виды водопонижения наиболее распространены?

17 Что такое пристенный и пластовой дренажи?

18 Как устраивают противофильтрационные завесы и для чего?

19 Для чего устраивают гидроизоляцию конструкций подземных сооружений?

20 Какие схемы гидроизоляции применяются сегодня?

21 Как устроена наружная противонапорная гидроизоляция?

22 Как устроена внутренняя противонапорная гидроизоляция?

23 Как устроена капиллярная гидроизоляция?

24 Из чего выполняется гидроизоляционный слой противокапиллярного назначения?

25 Как выполняется гидроизоляционный слой противонапорного назначения?

26 Какими способами выполняется крепление стен котлованов?

27 Какие типы анкеров могут использоваться для крепления стен?

28 Как определяется несущая способность траншейного анкера?

29 Как определяется несущая способность инъекционного анкера?


209




210





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации