Клейн - Расчет подпорных стен

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы теория давления грунтов и теория расчета подпорных стен получили в Советском Союзе значительное развитие и уточнение в нескольких направлениях.

1. На смену старой теории давления грунтов, основанной на грубых допущениях Кулона, появилась строгая теория В. В. Соколовского, которая в настоящее время уже достаточно разработана и используется во многих случаях практики.

2. Установлены пределы практической применимости теории Кулона; в тех же случаях, когда она дает недопустимые погрешности (пологие стены и нижние грани ломаных стен), внесены необходимые уточнения, сближающие результаты этой теории с теми, которые дает теория В. В. Соколовского.

3. Взамен старой методики расчета подпорных стен по разрушающим нагрузкам и общему коэффициенту запаса уже не только  применяется, но и получила официальное утверждение в Строительных нормах проектирования мостов (СН-200—62) методика расчетных предельных состояний с расчлененным на составные части коэффициентом запаса.

4. Разработана новая методика проверок устойчивости подпорной стены, учитывающая прочность и деформацию ее основания к соответствующая новой трактовке коэффициента запаса.

5. Взамен применяемых в настоящее время формул теории упругих тел (теории «Сопротивления материалов») для определения Напряжений в материале подпорной стены получили широкое распространение и официальное утверждение формулы, учитывающие пластичность таких материалов, как железобетон, бетон и каменная кладка.

6. Разработана техника подбора. ширины профиля подпорной стены исходя из существующих требований, и выявлена  математическая связь между результатами, вытекающими из различных требований.

7. Массивные подпорные стены, расчет которых до сих пор  только и рассматривался в курсах строительной механики, в значительной степени вытеснены более экономичными тонкоэлементными сборными конструкциями из железобетона.

Все эти вопросы мало освещены современной  учебно-технической литературой и, как правило, не находят должного отражения в курсах лекций по строительной механике, читаемых в строительных вузах.

Настоящее пособие имеет целью восполнить указанный пробел и служить учебным пособием по курсам строительной механики и оснований и фундаментов, а также при курсовом и дипломном проектировании.

Книга содержит 26 примеров расчета, которые окажутся полезными студентам, особенно вечерникам и заочникам, при выполнении расчетно-графических работ и проектов. Книга может быть также использована инженерами-проектировщиками.

При ее написании использованы новейшие нормативные и литературные данные, а также собственные работы автора в данной области.

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОДПОРНЫХ СТЕНАХ И МЕТОДАХ ИХ РАСЧЕТА

§ 1. ТИПЫ ПОДПОРНЫХ СТЕН

Подпорной стеной называется сооружение, удерживающее грунт от обрушения в откосах насыпей и выемок. Подпорные стены находят широкое применение в промышленном, гражданском, дорожном, железнодорожном и  гидротехническом строительстве, а также в горном деле и фортификации. Грань стены, обращенная в сторону засыпки, называется задней, а грань, обращенная в противоположную сторону,— и средней (рис. 2).

Различают следующие формы свободной поверхности грунта за подпорной стеной (рис. 3): горизонтальную -а, откос (поднимающийся) — б, падающий откос —е, полуоткос — г, ломаную — д, неспланированную —е.

Классификация подпорных стен может быть проведена по  различным признакам.

1. По назначению исчерпывающая классификация  затруднительна, так как в настоящее время подпорные стены находят  чрезвычайно большое и разнообразное применение в строительстве. Однако можно все же разделить подпорные стены на стены,  поддерживающие насыпи, и стены, ограждающие выемки.

2. По характеру работы нужно различать подпорные стены, отдельно стоящие и связанные с примыкающими сооружениями. Кроме того, следует различать подпорные стены, не  подвергающиеся давлению воды, и  гидротехнические.

3. По высоте подпорные стены подразделяются на низкие — высотой до 10 м, средние — высотой от 10 до 20 м и высокие — высотой более 20 м. Отметим, что самая высокая  подпорная стена, сооруженная на Волжской ГЭС им. В. И. Ленина, имеет высоту более 40 м.

4. По материалу подпорные стены могут быть железобетонными, бетонными, бутобетонными, бутовыми, кирпичными, деревянными или металлическими.

5. По принципу работы различают подпорные стены:

Массивные (рис. 4, а), устойчивость которых обеспечивается в основном их собственным весом и материал (бетон, бутовая или кирпичная кладка) испытывает преимущественно сжимающие напряжения.

Полумассивные (рис. 4, б), устойчивость которых обеспечивается кате собственным весом стенки, так и весом грунта, лежащего на фундаментной плите. Такие стены обычно представляют собой конструкцию из армированного бетона, в которой  растягивающие усилия воспринимаются стальной арматурой.

Тонкоэлементные (рис. 4, в), обычно состоящие из связанных друг с другом железобетонных плит. Устойчивость стен этого типа обеспечивается в основном весом грунта над фундаментной плитой и лишь в небольшой степени собственным весом.

Тонкие, устойчивость которых обеспечивается защемлением их в основание (рис. 4, г). Для уменьшения глубины заложения таких стенок, а также для повышения их жесткости  применяются анкеры.

Массивные, полумассивные и тонкоэлементные подпорные стены в отличие от тонких можно отнести к категории гравитационных.

6. В зависимости от наклона задней грани можно разделить подпорные стены на крутые (рис. Ъ, а и б), пологие (рис. 5, в) и лежачие (рис. 5, г). При этом крутые стены могут иметь прямой (рис. 5, а) или обратный (рис. 5, б) уклон.

7. По способу возведения различают подпорные стены монолитные и сборные.

Монолитные подпорные стены выполняются из бетона,  бутобетона, бутовой или кирпичной кладок и железобетона. Их профили могут быть самые разнообразные. Некоторые из них показаны на рис. 6 и носят следующие названия: а) прямоугольный, б)  трапецеидальный с наклонной передней гранью, в) трапецеидальный с наклонной задней гранью, г) трапецеидальный с наклонными  гранями, д) наклоненный в сторону засыпки, е) с выступающим передним нижним ребром, ж) ломаный, з) ступенчатый, и) с  разгрузочной площадкой, к) уголковый.

Монолитные железобетонные подпорные стены, как правило, делаются уголкового профиля и могут быть консольными (рис. 7, а) или контрфорсными (ребристыми) (рис. 7, б). Первые состоят из фундаментной и лицевой плит, а вторые для увеличения жесткости всей конструкции имеют еще контрфорсы или поперечные ребра. Сборные подпорные стены чаще всего выполняются из железобетона, а по своей конструкции разделяются на следующие типы. Стены уголкового профиля могут выполняться из отдельных блоков или плит, собираемых на месте (рис. 8, а), а также в виде цельноперевозимых секций (высотой до 3 м).

В последнем случае стены по конструкции отличаются от монолитных только тем, что состоят из отдельных коротких звеньев.

Заборчатые стены (рис. 8,6) состоят из отдельных опор, пролеты между которыми  заполняются плитами.

Опоры выполняют в виде столбов или контрфорсов различного очертания.

Стены из пустотелых ящиков (рис. 8, в), устанавливаемых в один, два и более ярусов и заполняемых песчаным или крупнообломочным грунтом.

Ряжевые (рис. 8, г), собираемые в виде клетки из  отдельных продольных и поперечных элементов и загружаемые  мелкозернистым или крупнообломочным грунтом.

Фундаменты подпорных стен по степени их заглубления могут быть подразделены на два основных типа — неглубокого и глубокого заложения. К последним относятся такие фундаменты, глубина заложения которых превышает их ширину в 1,5 раза и более. Подпорные стены могут быть возведены на естественном  основании — скальном или нескальном, на искусственном основании или на сваях (рис. 9).

§ 2. МАТЕРИАЛЫ ПОДПОРНЫХ СТЕН

Выбор материала подпорной стены и ее фундамента должен быть сделан с учетом многих факторов и требований, среди которых основными являются: высота стены, требуемые долговечность, водонепроницаемость, сейсмостойкость и стойкость против  химической агрессии, качество основания, наличие местных строительных материалов, условия производства работ, средства механизации и условия сопряжения с другими сооружениями.

Железобетонные тонкоэлементные подпорные стены являются наиболее экономичными, по сравнению с массивными бетонными они требуют приблизительно в два раза меньше цемента при незначительном расходе арматуры. Существенным преимуществом железобетонных подпорных стен является возможность применения сборных конструкций и возведения их с непосредственной  передачей давления на слабые грунты без устройства искусственного основания.

При высоте до 6 м консольные железобетонные стены имеют меньший объем, чем ребристые (контрфорсные); для стен высотой от 6 до 8 м объемы примерно одинаковы, а для стен высотой более 8 м ребристая конструкция имеет меньший объем железобетона, чем консольная. Таким образом, для стен средней высоты и  высоких наиболее целесообразна железобетонная ребристая  конструкция.

Бетон для железобетонных подпорных стен должен быть  плотным, марки от 150 до 600. Арматурой служат стальные стержни диаметром до 40 мм периодического профиля классов А-П и А-Ш, а для предварительно напряженных конструкций — высокопрочная проволока.

Для монтажной арматуры, а также для нерасчетных  второстепенных частей сооружений может применяться сталь класса A-I. Для сварки стержней арматуры применяются электроды с  качественными покрытиями типа Э42, Э42А, Э50А и Э55 по ГОСТ 9467—60.

Применение бетонных подпорных стен целесообразно только при высокой стоимости и дефиците арматуры, так как прочность бетона в массивных подпорных стенах используется далеко не  полностью. По этой причине применение для них высоких марок бетона нецелесообразно, однако по условию плотности не следует  применять бетон марки ниже 150. Для уменьшения объема кладки бетонные подпорные стены могут быть сделаны с контрфорсами. Для бетонных подпорных стен постоянного профиля наиболее  экономичным при высоте более 1,5 м будет профиль с разгрузочной  площадкой на уровне около ХД высоты стены от обреза фундамента.

Однако могут найти применение и профили с наклонной передней гранью, наклоненные в сторону засыпки, с выступающим  передним ребром, с наклонной подошвой, а при высоте до 1,5 ж даже и прямоугольные. Применение профилей с наклонной задней гранью, прямоугольных и ступенчатых может быть обусловлено требованием вертикальности передней грани, например, для  причальных стен. Однако надо иметь в виду, что строго вертикальная передняя грань подпорной стены производит впечатление  наклонившейся, поэтому ее обычно делают с небольшим наклоном к  вертикали. Наклонную переднюю грань делают с уклоном около 3:1. Подпорные стены из бутовой кладки требуют меньшего расхода цемента по сравнению с бетонными, могут быть возведены в  меньшие сроки при более простой организации работ. Применение стен из бутовой кладки целесообразно при наличии камня на месте. Бутовая кладка должна быть выполнена из камня марки не ниже 150—200 на портландцементном растворе марки не ниже 25—50, а лучше 100—200. Растворы, помимо прочности, должны обладать пластичностью и водоудерживающей способностью, для чего в их состав рекомендуется вводить пластифицирующие добавки. Для гидротехнических стен применяется бутовый камень марки не ниже 200, раствор портландцемента марки не ниже 50.

При выборе профиля подпорной стены из бутовой кладки  следует руководствоваться теми же соображениями, что и для  бетонных стен, однако избегая его усложнения. Применяются подпорные стены с вертикальной или наклонной передней гранью и с  разгрузочными площадками. Задняя грань делается вертикальной или уступами. Прямоугольный профиль целесообразен только для стен очень малой высоты или при наличии опоры у верха стены. Если на месте имеется рваный или мелкий бутовый камень, то взамен бутовой кладки может быть применена кладка из  бутобетона.

Кирпичные стены допускаются высотой до 3—4 м. В этом  случае рекомендуется применять контрфорсы. Чаще всего кирпичные стены прямоугольного или ступенчатого профиля применяются для небольших подземных сооружений (стенок каналов, колодцев и т. п.).

Для наружных подпорных стен, подвергающихся атмосферным воздействиям, кирпичная кладка нежелательна, а для  гидротехнических стен непригодна. Для кирпичных подпорных стен применяется хорошо обожженный кирпич марки не ниже 200, на растворе марки не ниже 25. Применение силикатного кирпича не  допускается.

Камень твердых пород, бетоны высоких марок и прочные  облицовки применяются при необходимости предохранить стену от выветривания, от действия больших скоростей воды, а также и при требовании архитектурного оформления.

Для бетона, облицовки или внешнего слоя кладки разрешается применять материал, выдерживающий стократное замораживание. Если же сооружение располагается в зоне, где среднемесячная температура наиболее холодного месяца выше минус 5° С, то  материал должен выдерживать только пятидесятикратное  замораживание.

При воздействии агрессивной среды следует применять камень устойчивый против агрессии, специальный цемент для бетона и раствора, защитные обмазки или облицовки.

Для стен, подвергающихся воздействию воды, следует  применять гидротехнический бетон (ГОСТ 4795—56 «Бетон  гидротехнический»), а также кладку на цементном растворе или гидроизоляцию (цементная затирка, железнение, торкрет, асфальтировка и пр.) Ряжевые конструкции могут найти применение для низких  подпорных стен при отсутствии на месте камня и заполнителей для бетона, а также для временных сооружений.

В сейсмических районах высокие и средней высоты подпорные стены следует делать только железобетонными.

Толщина поверху должна быть не меньше:

для железобетонных стен 0,15 м

для бетонных стен 0,4 м

для бутовых и бутобетонных стен 0,75 м

для кирпичных стен 0,51 м

У бетонных и железобетонных стен фундамент, как правило, составляет одно целое с самой стеной. У кирпичных же стен  фундамент выполняется в виде самостоятельной конструкции из  бутовой или бетонной кладки, выступая за грани стены и образуя  обрезы шириной не менее 15 см и не более высоты фундамента.  Выступы фундамента могут быть сделаны ступенчатыми.

§ 3. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ПОДПОРНЫХ СТЕН

Способ возведения подпорной стены оказывает влияние на условия ее дальнейшей работы, поэтому при расчете подпорных стен необходимо знать, как будут производиться строительные работы. Для сооружения подпорной стены неглубокого заложения на естественном основании, а также для стен на свайном фундаменте устраивается котлован в виде сплошной продольной выемки (рис. 10). Ширина котлована определяется шириной подошвы сборной конструкции в плане, а для монолитных стен должен быть обеспечен некоторый запас, необходимый для установки подмостей и опалубки.

Выемка грунта из котлована выполняется механизированным способом, и только зачистка котлована и небольшие выемки в стесненных местах производятся  вручную.

Для разработки грунта  применяют одноковшовые экскаваторы с прямой или обратной лопатой, драглайны и гидромониторы.

При глинистом основании устраивается подготовка из  насыпного гравийного или песчаного слоя.

При возведении подпорной  стены на косогоре с уклоном более 1 : 5 ее сопряжение с основанием делается уступами.

При слабых грунтах подпорная стена делается па свайном  фундаменте.

Для монтажа подпорных стен из сборного железобетона  применяются самоходные стреловые краны на автомобильном, пневмоколесном и гусеничном ходу, а также экскаваторы, снабженные сменным крановым оборудованием. Монтаж стенок небольшого веса (до 5 Т) может быть произведен автопогрузчиками.

В настоящее время стены набережных и других гидротехнических сооружений па участках, затопленных водой, обычно возводятся без ограждения котлована путем монтажа «в воду». При строительстве монолитных подпорных стен применяется  товарный бетой, укладка которого производится с помощью  ленточного транспортера.

Обратная засыпка котлована за подпорной стеной обычно производится бульдозерами.

Для обратной засыпки применяют местные крупнообломочные грунты, пески, супеси, а иногда и суглинки, которые уплотняются трамбовками, катками или вибраторами до достижения степени уплотнения 0,95—0,9. Глины, торфы, илы, плывуны и мерзлые грунты для обратной засыпки непригодны.