У. 4. Расчет шпунтовых ограждений

Шпунтовые ограждения рассчитывают на прочность и устойчивость положения (первая группа предельных состояний). Глубина забив­ки шпунтовых стен в несвязные грунты должна быть проверена по формулам (У.1) на устойчивость грунта против его выпора в кот­лован.

При расчете шпунтовых ограждений необходимо проверять их устойчивость и прочность не только в полностью вырытом кот­ловане, но и в промежуточных.производственных стадиях. Так, рас­чет ограждения, показанного на рис. У.17, необходимо выполнить на следующие случаи:

1) вода удалена ниже крепления / на 0, 75—1 м;

2) поставлено крепление /, вода и грунт удалены ниже крепле­ния // на 0, 75—1 м;

3) поставлены крепления / и II, грунт и вода удалены ниже крепления /// на 0, 75—1 м;

4) поставлены крепления I, II и III, грунт и вода удалены до проектной отметки дна котлована.

Основная нагрузка, действующая на крепления — боковое дав­ление грунта. Так как крепление рассчитывают в предельном со­стоянии, когда оно может иметь достаточно большие перемещения, то давления грунта могут быть найдены исходя из теории Кулона при плоских поверхностях скольжения призм обрушения. На ограж­дающие конструкции грунт развивает два вида давлений — актив­ное и пассивное.

Активное давление возникает, когда ограждение перемещается от грунта. При этом поверхность грунта проседает. Пассивное дав­ление развивается при перемещении ограждения в сторону грунта и сопровождается его выпором.

Боковое давление грунта создается его весом и вертикальной нагрузкой, расположенной на призме обрушения.

При откачке воды из котлована возникает также горизонталь­ное давление воды.

В табл. У.З приведены формулы актив­ного и пассивного давлений для наиболее простых случаев' расчета ограждений.

Если грунты разнородны, но у, ц> и с раз­личаются не более чем на 20%, то грунт можно считать однородным с характеристи­ками:

где уг, фг, с_г- — характеристики 1-го слоя;

кг — МОЩНОСТЬ 1-ГО СЛОЯ.

¹ Более сложные схемы нагрузок приведены в справочнике «Строительство мостов и труб»/Под ред. В. С. Кириллова. М., Транспорт, 1975, с. 110—121.

Если это условие не соблюдено, то давление на ограждение огь ределяется для каждого слоя грунта отдельно, рассматривая выше расположенные слои как вертикальную нагрузку.

Нагрузка д на призме обрушения от складирования материа­лов, возможной отсыпки грунта и пр. принимается не менее 1 тс/м². Нагрузку от строительного оборудования', расположен-ного на призме обрушения, условно можно заменить равномерно р астр едел енной интенсивностью

О

где О — вес оборудования;

Р — площадь, ограниченная контуром оборудования в плане.

При расчете распорных креплений, кроме горизонтальных дав­лений, нужно учитывать вертикальные давления от собственного веса креплений и веса расположенного на них оборудования. По­следнее принимается не менее 50 кгс/м² для верхнего яруса креп­ления.и 25 кгс/м² для нижних ярусов.

Перечисленные нагрузки учитывают в расчетах с коэффициен­тами перегрузок, приведенными в табл. У.4. Коэффициент пере­грузки для пассивного давления грунта во всех случаях «2=0, 8. В основные сочетания входят нагрузки, возникающие после удале­ния грунта и воды до проектной отметки дна котлована. Дополни­тельные сочетания соответствуют промежуточным стадиям работ: установке распорных креплений при разработке котлована и ча­стичной откачке воды, а также удалении креплений в процессе кладки фундамента.

Расчет шпунтовых стенок на устойчивость положения в общем виде производится по формуле

Л*опр < тМ_уд.

Коэффициент условия работы т зависит от типа ограждения и гидрогеологических условий. Для свободно стоящих стенок во всех случаях т=0, 95.

Для стенок с одним и более ярусом креплений, погруженных в несвязные грунты, коэффициент т принимается по графику (рис. У.18) в зависимости от параметров

Игр = —гг ^или 1*в=-7Г.
И л

При погружении шпунта в несвязные грунты и при частичной откачке воды на глубину не более 0, 25 Н в акватории и 0, 25 Я_в на местности, не покрытой водой, коэффициент т=0, 95.

¹ Более точно давление на грунт от расположенных на нем строительных ма­шин — см. в справочнике «Строительство мостов и труб»/Под ред. В. С. Кирил­лова. М, Транспорт, 1975, с. 115—116.

Номер расчет­ного случая

Характеристика расчетного случая

Активное давление

Несвязный грунт влажный (V,?)

Несвязный грунт водонасы-щенный (Увзв. < р)

На глубину А несвязный грунт влажный (V', у'), ниже водо-насыщенный

СУвзв> Ч")

Связный грунт (у, < у, с)

На глубину А несвязный водо-насыщенный грунт (у_взв,? '), ниже связный грунт (V",? ", с)

Схема и эпюра давлений

I

X

\ ~*~Рг

Й

р{'

Таблица У.З

Формула давлений на единицу площади ограждения

Рд = дК\ Рг=Угу1₁₁

Рд = ЯК< Рг — Увзв^а + гу_т

Если 0 < г < А, то р = ц\'^, Рг = гу'_г К-

Если 0 < г', то р" = (д + у'к) Х^;

Рг' = У™^г'^1 + ^г'Ч™

2с

К — ------ —\ Рд — «''•а;

Рг=У{г—к_с)1_а

Если 0 < г < А, то р_д = д^-а»

Рг= Ував^ + гуто.

Если 0 < г', то к_с-

у" УК'

р_г, = У'(г'-Ь_с)К

Продолжение табл. У.З

Продолжение табл. У.З

Номер расчет­ного случая

Характеристика расчетного случая

Схема и эпюра давлений

Формула давлений на единицу площади ограждения

Номер расчет­ного случая

X арактеристика расчетного случая

Схема и эпюра давлений

Формула давлений на единицу площади ограждения

На глубину Л связный грунт (V',? ', с), ниже несвязный водо-насыщенный ^ГРУНТ (у_взь, <? ")

Несвязный водонасыщен-

НЫЙ ГруНТ (Увзв,

у), сверху слой воды толщиной

2с
Если 0 < г < й, то Л_с =--------------- —;

У УК

Рд = 9К' Р* = V (г — к_с) 1'_а у'. Если 0 < г', то р" _д = (д + Ну') Х^';

Если 0 < г < Л„, то р_г —. к_ву_т. Если 0 < г', то р_х, = у_пзв-г'А_а +

Пассивное

давление

Несвязный водонасыщен-

НЫЙ грунт (Увзв,

Связный грунт (у,?, с)

Рг = Увзв-^п + *Уъ

р_с=2сУ~к_п; р_г= гу_г1„

Связный грунт (у, % с), сверху слой во­ды толщиной 1г_в

Если 0 < г < Н_в, то /7_г= Л„у_а

2с
Если 0 < г', то к_с = -----------------

/V = ЛвУаУда Р_г, = У (2' — Н_с) 1_а

На глубину к_и вода, на глуби­ну к несвязный водонасыщен-ный грунт (у_взв,

у'), ниже связ­ный грунт (у", Г, с)

Если 0 < г < А_в, то р_г= гу_ш. Если 0 < г' < А, то р_г, = у_взв -гА_п+

+ (-г' +К)У-ш- Если 0 < г", то р_с=2с ]/{*";

/V = (Увзв ^Л + *?» + ЛвУш) О

На глубину к несвязный водо-насыщенный грунт (у_взв,? '), ниже связный грунт (у",? ", с), сверху слой во­ды толщиной к_в

■ & УВ

Если 0 < г < Л_в, то р_г = г-уи,. Если 0 < г' < Л, то

Рг' = У'_взв²'К + (Ь_В + 2')Уи, -

2с
Если 0 < г", то Л_с =---------------- —;

V у а;

Л? = Су_вЗВ А + ЛУш + АпУи,) Х_а; ■ /^ = \-" (*" -А_с)Х;

Примечания: 1. В пассивном давлении при связном грунте сцепление с учиты­вается полностью только с глубины 1 м от его поверхности.

2. В таблице приняты следующие обозначения: д —равномерно распределенная на­
грузка на призме обрушения, тс/м²; V — нормативный объемный вес грунта, тс/м³; ■ у_вЗВ^—
то же, взвешенного водой, тс/м³; ф — нормативный угол внутреннего трения грунта, град;
с — нормативное удельное сцепление грунта, тс/м²; Ь_& — коэффициент активного давления
Х_а =18² (45°—0, 5ф);? ь_п— коэффициент пассивного давления? ь_п=1е² (45°+0, 5ф);» —длина

призмы обрушения для глубины г от поверхности грунта 1=г1д (45°—0, 5ф).

3. Объемный вес воды У_ш~1 тс/м³.

Таблица V.'

Здесь Л4опр — опрокидывающий момент; ■ Муд — удерживающий момент; т — коэффициент условия работы; Н — глубина котлована; Я_гр — расстояние от дна котлована до поверхности дна акватории; Н_в — то же, до уровня грунтовых вод на местности не покрытой водой.

При погружении шпунта в водоупор или в связные грунты т=0, 95.

Шпунтовые ограждения на прочность рассчитывают по общим правилам сопротивления материалов с делением расчетных сопро­тивлений на коэффициент надежности к„:

При расчете ограждений на акватории......................................... к_н=1, 1

При расчете в остальных случаях................................................. к_н=1

30 35 %

Расчетные сопротивления материалов назначают по нормам на временные сооружения.

При расчете шпунтин типа ШК и Ларсен, погруженных в сла­бые грунты, момент сопротивления их поперечных сечений прини­мается: с коэффициентом 0, 7 при обвязках, неприкрепленных к шпунтинам, и коэффициентом 0, 8 при обвязках, прикрепленных к шпунтинам (этим учитывают возможность смещения шпунтин в замках).

Б расчетном отношении шпунтовые ограждения представляют собой достаточно сложные конструкции. Взаимодействие шпунтов с грунтом, во многом зависящее от схемы ограждения и ряда дру­гих факторов, теоретически изучено еще недостаточно. Поэтому при проектировании фундаментов находят применение различные приближенные методы.

Б транспортном строительстве приняты следующие способы расчета.

В зависимости от конструкции крепления стенки могут быть без креплений, с одним, двумя и более ярусами креплений. Кроме этого, шпунтовое ограждение может быть расположено на сухой местности, например на пойме реки- и на акватории — в русле ре­ки. Весьма часто (см. п. У.9) на дно вырытого котлована уклады­вают водозащитную бетонную подушку — тампонажный слой, из­меняющий условия работы шпунта. Все эти схемы имеют свои осо­бенности расчета.

Расчет шпунтовой стенки без креплений. Стенка без креплений (рис. У.19, а) под действием левых активных сил стремится повер­нуться вокруг точки О, расположенной на расстоянии А) от дна котлована. От вращения стенка удерживается пассивным сопро­тивлением грунта. Величину и определяют из уравнения устойчи­вости на опрокидывание относительно точки О. При этом в расчете условно учитывают только силы, расположенные выше О. Величи­на М находится по формуле

при Е° + 2# = 0, р'_и = р„— р_а, где Е_а — пассивное давление грунта, расположенного ниже точки О;

НЕ — алгебраическая сумма всех горизонтальных сил, расположенных выше

точки О; Рп — разность ординат эпюр пассивного р_п и активного р_а давлений грун­та на уровне точки О. В приближенных расчетах можно принимать Д^=15-=-20% от г₀. Полная глубина I забивки шпунта ниже дна котлована будет

В качестве примера рассмотрим расчет стенки в несвязных грунтах без креплений (см. рис. У.19, а). Имеем: давление воды

е'_в= 0, 5//^; К = Н^₀у_ш;

активные давления грунта:

Е'_а = 0, 5 (я- //_в)2_ух_а„_ь е_& = (я_Е + г₀) (Я- я_в) уиЛл;

Е_а = 0, 5(Я_в + *₀)²

Е₉= _ч (Я +.адХ_ая₁; пассивное давление грунта

Е„=0, 5^у_взвХ„Л₂

(коэффициенты перегрузки— «1 и п₂ — см. табл. У.4). Уравнение устойчивости на опрокидывание

(^) ₊ ^ + < (-^ +».₊< о)

» Я_в + ^о - Я_в + ^о _Л[±< о. _д ±

^а 2 ^а 3 ^д 2 3

где т — коэффициент условия работы.

Это уравнение будет третьей степени относительно ^о, его проще всего решать графически или методом последовательных прибли­жений.

Величину Е_п находят из уравнения

^Е° + К + К + К + К + К + ^Еч - ^Е« = о •

а величину р„ из выражения

р'„ = Рп~ Ра = [д + V {И — Я_в) + Увзв (Я_в + *₀)] ^Хп«2 — Увзв*0^Ха" 1 ■

При связных грунтах активные и пассивные давления вычисля­ются с учетом сил сцепления с. Расчет ведется по двум схемам:

Схема 1. Стенка сместилась в сторону котлована, и вода про­никла до глубины 0, 8(#_гр-Ио). В этом случае вместо активного давления связного грунта действует давление воды (см. рис.. У.19, б).

Сх е м а 2. Смещение стенки отсутствует. При вычислении ак­тивного давления связного грунта вышележащий грунт и вода слу­жат вертикальной нагрузкой на его кровлю (рис. У.19, в). В обоих случаях расчет ведется по формулам, аналогичным приведенным выше.

Если при несвязных грунтах на дно котлована уложена тампо-нажная подушка, то нужно рассмотреть две стадии производства работ.

1. Котлован вырыт до низа подушки, и уровень воды в котло­ване понижен, но не более чем на 25% глубины до откачки. Расчет ведется аналогично рассмотренному примеру.

2. Вода из котлована удалена полностью и шпунт стремится повернуться вокруг точки О, расположенной на 0, 5 м ниже верха подушки (рис. У.20). В этой стадии расчет ведется следующим образом.

Силы, действующие на стенку:

< = 0, 5Н2\_ш; Е_в = ту^; Е1= 0, 5у_вз_вЯ²_рХ_ащ; Ё'_а = (а + 0, 5) ({— а) у_{п В}зв> -_а«1;

^3 = 0, 5 (^ — *02у_взвХ_аЛ1.;

^Е„= ^гр^Увзв^пВД

е; =0, 5^3^2

при Упвзв= Уб — Уш>

где у га — объемный вес воды, равный 1;

Упвзв — объемный вес подушки за вычетом гидростатического давления воды; уе — объемный вес бетона подушки.

Уравнение устойчивости на опрокидывание

^в 3 ^{+ а} 3 ^{+ а} 2 ^{+ а} 3 ~

Из этого уравнения определи*

" У ют величину I.

Изгибающие моменты для расчета прочности шпунтин нахо-дят, рассматривая последователь­но равновесие верхних отсекае­мых частей стенки. Прочность ~: проверяют по наибольшему изги­бающему моменту.

Расчет шпунтовой стенки с од-

_:: ним ярусом креплений. Стенка с

одним ярусом креплений стремит-

Рис. У.20. Схема к расчету стенки СЯ повернуться вокруг ТОЧКИ О

при тампонажной подушке (рис. У.21, а). Заглубление I

шпунта ниже дна котлована на­ходят из уравнения устойчивости относительно точки О. Для несвязного грунта имеем:

Е; =о, 5(Я-Я_в)2уХ_ащ; Е\ = (Я + Яр - Я_в) (Я_в + 0 уХ.щ;

< =о, 5(я_в + о²Увзв^_ап1;

Е_в = О, 5Я* у_ш; Е" _в = 0, 5< Л_ву.;

Е" _п = 0, 5*2у_вЗВХ_пП₂.

(пассивное давление ь'_п учитывают в размере не более 60%). Уравнение устойчивости

/2 я (2 — Я_р

Е'_а — (Я - Я_в) + Е_а (Н + —^-^в

ЗЯ—Я

Аналогично определяют глубину I забивки шпунта до укладки тампонажной подушки в затопленном котловане. При этом для установки крепления уровень воды в котловане снижают на глу­бину не менее 1 м.

В связных грунтах так же, как 'и в стенке без креплений, рас­сматривают два случая: 1) вода проникла на глубину 0, 5 1 ниже дна котлована; 2) смещение стенки отсутствует.

Изгибающие моменты и усилия в элементах крепления опреде­ляют, рассматривая стенку как однопролетную балку, свободно опертую вверху на крепление, а внизу на условную опору, распо­ложенную на глубине 0, 5/ от дна котлована. При тампонажной по­душке нижнюю опору располагают на глубине 0, 5 м от верха по-

Рис. У.21. К расчету стенки с креплениями

душки. Расчетными нагрузками в этих расчетах являются только активное давление грунта и воды, причем нагрузки, действующие ниже нижней опоры, не учитываются.

Расчет шпунтовой стенки с многоярусным креплением. Опро­кидывание стенки возможно только тогда, когда распорные креп­ления не способны воспринимать растягивающих усилий и стенка вращается вокруг нижнего яруса креплений (рис. У.21, б). Силы, действующие на стенку:

Е'_в = 0, буи, (Я — Я_р)2; [Е" _в = (Я- Я_р) Яру,,;

Е_в=0, 5И1у_ш; Е™= Н(у_ш;

Е'_а = (Я_гр — Яр) ({ + Яр) у_взвХ_аП1; Е" _а = 0, 5 (* + Я_р)2 у_взвХ_ащ.

_Е; = 0, 6-0, 5 (Я_гр— Я_р)2у_взвХ_пп₂; < = 0, 5^у_в3вх_пп₂

(пассивное давление грунта Е'_п, действующее выше точки О, учи­тывают в размере 60%).

Глубину I забивки шпунта находят из уравнения устойчивости стенки