Ренгач В. Н. - Шпунтовые стенки (расчет и проектирование)

В. Н. РЕНГАЧ

ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ (РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ)

ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ

ЛЕНИНГРАД 1970

В книге излагаются вопросы исследования, расчета и проектирования шпунтовых стенок в СССР и за рубежом, приводятся новые результаты, полученные автором на основании выполненных им крупномасштабных и натурных экспериментов.

Дается анализ существующих методов расчета шпунтовых стенок, а также рассматривается на основе теории предельного равновесия приемлемый при проектировании гибких шпунтовых стенок и других ограждений усовершенствованный метод Блюма — Ломейера, сопровождаемый примерами. Приводится методика расчета активного давления грунта с использованием ЭЦВМ Минск-1.

Книга рассчитана на инженеров, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией портовых гидротехнических сооружений.

ВВЕДЕНИЕ

Претворяя в жизнь величественную программу построения коммунизма в нашей стране и прежде всего решая главную экономическую задачу партии и советского народа по созданию материально-технической базы коммунизма, КПСС уделяет особое внимание капитальному строительству, принявшему в настоящее время поистине грандиозный размах.

Строительство заводов-гигантов большой индустрии, крупных гидроэлектростанций, железнодорожных и водных магистралей с соответствующими комплексами мощных инженерных сооружений связано с большими капиталовложениями, значительная часть которых идет на возведение фундаментов в сложных условиях и ограждений массивов грунта: набережных в морских и речных портах, береговых укреплений и других сооружений, протяженность которых очень велика. В связи с этим в числе многих проблем фундаментостроения вопросы дальнейшего совершенствования расчета ограждений приобретают также весьма существенное значение.

Многолетний опыт проектирования и строительства сооружений с подпорными стенками подтверждает мнение, что гибкие стенки, используемые в качестве ограждений котлованов, в конструкциях причалов, береговых устоев мостов, шлюзов, ограждений для поддержания дорожных насыпей, обладают наилучшими показателями. Однако препятствием к их широкому использованию является малая изученность действительной работы подобных конструкций, так как еще не удалось создать достоверную рабочую модель гибкой заанкеренной стенки.

Применяемые при проектировании шпунтовых стенок методы расчета, основанные на классической теории давления грунта, предполагают наличие определенной картины перемещений, которая в действительности не наблюдается. Это положение отмечалось неоднократно, в том числе и на последней международной конференции по проблемам давления грунта.

Одним из общих недостатков существующих методов расчета гибких стенок, с которым вынуждены сейчас мириться проектировщики, является, как известно, завышение активного давления грунта на стенку и, следовательно, расчетных усилий и перемещений. Примером могут служить результаты расчета по весьма распространенному методу Блюма — Ломейера. А имевшие место лабораторные и натурные исследования, которые ограничивались измерениями перемещений и напряжений лишь по контактной грани стенки, еще не выяснили картину взаимодействия грунта со стенкой. В технической литературе отсутствуют данные о работе гибких подпорных стенок в пластической стадии деформаций.

Переход к методам расчета, опирающимся на теорию предельного равновесия сыпучей среды в современном ее виде, позволяет более достоверно определить величины предельной нагрузки на шпунтовые стенки, и следовательно, снизить необоснованно большие запасы прочности при проектировании сооружений.

В расчетах, использующих эти методы, не нужно задаваться произвольным очертанием поверхностей скольжения; их форма и значение напряжений определяются при решении дифференциальных уравнений равновесия, выведенных на основании уравнений статики и условия прочности, зависящего от физико-механических свойств грунта.

Член-корреспондент АН СССР В. В. Соколовский впервые дал строгий метод решения задач предельного равновесия сыпучей среды [17]. Этот метод был нами использован в теоретических исследованиях.

Автор весьма признателен д-ру техн. наук проф. В. Г. Березанцеву за ценные советы, данные по рукописи.

ГЛАВА I

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ШПУНТОВЫХ СТЕНОК

В практике проектирования подпорных стенок и, в частности, весьма распространенных стенок из металлического и железобетонного шпунта, до настоящего времени широко используются методы определения распора и отпора грунта, базирующиеся на классической теории давления. При этом сами стенки рассматриваются как вертикальные балки, находящиеся под воздействием активного и пассивного давления грунта, определяемого по Кулону (методы Э. Якоби, Блюма — Ломейера и др.). Однако получаемые при этом коэффициенты запаса оказываются значительно завышенными, а конструктивные решения неэкономичными.

Уточнение существующих методов расчета заанкеренных стенок в части определения бокового давления грунта и анкерных усилий представляет собой весьма сложную задачу [16]. Такие, например, вопросы, как точный учет активного давления грунта, оптимальная глубина погружения шпунта, форма упругой линии, перераспределение давления грунта по высоте стенки, условия «заделки» шпунта, взаимодействие стенки с грунтом засыпки в условиях допредельного и предельного состояний и другие, до настоящего времени остались не выясненными, а существующие теории и научные предположения, основанные в большинстве случаев на лабораторных опытах, к сожалению еще недостаточно отражают действительную работу конструкций [21].

Вопросы исследования давления грунта на подпорные стенки и выявления особенностей их работы отражены в трудах многих известных авторов.

§ 1. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД УПРУГОЙ ЛИНИИ (МЕТОД БЛЮМА - ЛОМЕЙЕРА)

Метод упругой линии появился в 1930 г. [2] и стал популярен благодаря простоте и наглядности. К тому же графические построения позволяют осуществлять самоконтроль.

Расчет по Блюму — Ломейеру, учитывающий защемление стенки в грунте, в сравнении с другими (ранее существовавшими) методами приводит к более точным результатам и, в частности, выгодно отличается от метода Якоби. Метод Блюма — Ломейера в процессе расчета позволяет изменять соотношения между максимальным изгибающим моментом и глубиной забивки стенки и таким образом находить наиболее согласующиеся с заданными размеры сечения шпунта. Однако пренебрежение трением грунта о стенку (авторы метода считают, что при вычислении активного давления грунта трение совершенно не должно учитываться и допускают его частичный учет лишь при вычислении пассивного давления [2]) и неучет других особенностей взаимодействия грунта со стенкой, как показали исследования [14], явилось причиной значительного превышения расчетных усилий над фактическими.

Практика подтвердила, что произвольно выбранный уменьшающий коэффициент максимального изгибающего момента, равный 1,35, теперь уже оказался недостаточным. При наличии каменной засыпки он принимается равным 1,5. Кроме того, получаемые по методу Блюма — Ломейера анкерные усилия, как показали исследования, проведенные Горюновым, Новиковым, Оде, Роу, автором и другими, не соответствуют опытным усилиям, вследствие чего при расчетах их увеличивают до «нормы» с помощью произвольных коэффициентов 1,4—1,5.

Таким образом, метод Блюма — Ломейера имеет неточности и может служить средством лишь приближенного определения основных расчетных величин при решении задач об устойчивости и прочности гибких подпорных стенок в процессе их проектирования. Однако этот метод оказался предельно простым и удобным в практике, в связи с чем его следует применять, но необходимо усовершенствовать.

Теперь кажется очевидным, что такое усовершенствование должно вестись не в поисках искусственного подбора коэффициентов, а путем научно обоснованного исследования взаимодействия шпунтовой заанкеренной стенки и поддерживаемого ею грунта. При этом должна быть выяснена как картина изменения усилий и деформаций в самой стенке, так и характер смещений внутри массива грунта засыпки.